Эксперименты противоположный, каузальный, обратный, идеальный, круциальный (Классификация и метод)

Размещено на сайте 31.05.2009.

 

 

 

 

Мир многогранен, многоцветен,

Порою добр, жесток подчас,

Он щедр и скуп, богат и беден:

Вглядись в него – Он весь для нас

(В. А. Алатырцев. Мир для нас)

Наиболее мощные толчки в развитии науки мы наблюдаем тогда, когда удается найти неожиданные экспериментальные факты, которые противоречат установившимися взглядам. Если такие противоречия удается довести до предельной остроты, то теория должна кардинально измениться. Таким образом, основным двигателем развития физики, как и всякой другой науки, является отыскание этих противоречий. Нахождение нового явления в природе надо оценивать тем значительнее, чем больше изменений оно может потребовать от существующих в данное время представлений или теорий. (П.Л. Капица. Эксперимент. Теория. Практика). Поэтому эксперимент тем более ценен, чем менее ожидаем был его исход, чем больше он парадоксален. Сущность этого подхода по Н.Бору заключается в том, что гипотезу, объясняющую новое явление или новую закономерность, следует выдвигать только после того, как проведен второй, взаимоисключающий эксперимент.

Заслуга в постановке и формулировке в явном виде схемы парадоксальных противоположных экспериментов принадлежит Митрофанову В.В.. Решение целого ряда научных задач методом постановки противоположных экспериментов рассмотрены в его книге «От технологического брака до открытия», 1998 год. Недавно физик из Массачусетского технологического института Брюс Кнутсон (Bruce Knuteson) предложил количественный критерий ценности для результатов проводимых исследований. Например ожидается, что запуск большого адронного коллайдера в ЦЕРНе позволит наконец обнаружить бозон «Хиггса» - частицу, которая теоретически существует, но практически ни разу не была зафиксирована. По критерию Кнутсона, обнаружение бозона «Хиггса» станет значительно менее ценным результатом, чем доказательство его отсутствия. Действительно, первое - предсказуемо, второе - поразительно. Первое подтвердит существующую теорию, второе приведет к ее кардинальному пересмотру.

Рассмотрим классификацию экспериментов на основе критерия парадоксальности - ценности.

<КаЭ>. Казуальный - эксперимент(casual experiment)– эксперимент, выявляющий причинно-следственные связи явлений и подтверждающий гипотезу или теорию, информационная ценность его по К. Шеннону - минимальная, так как не требуется пересмотра общепринятых представлений. <ПЭ>. Противоположный эксперимент(contrarius experiment) – эксперимент, опровергающий гипотезу, теорию. Парадоксальность противоположного эксперимента состоит в том, что результат его является неожиданным или даже противоположным при тех же условия эксперимента. Результат эксперимента не следует из существующей теории или гипотезы и приводит к противоречию в представление. Иллюстрацией служит классический эксперимент, проведенный Э.Резерфордом по рассеянию альфа частиц на золотой фольге с наблюдением обратно отраженных альфа-частиц. В рамках существовавшей тогда гипотезы Томсона: отраженных альфа-частиц быть недолжно, а они наблюдаются. Итог: новая модель атома. <ОЭ>. Обратный эксперимент(inverse experiment) – эксперимент, в котором условия проведения меняются на противоположные, пример, пьезоэффект и эффект, обратный к нему, информационная ценность - минимальная, <ИЭ>. Идеальный эксперимент(ideal experiment) - эксперимент, в котором условия проведения опыта и объекты исследования САМИ выявляют причину наблюдаемого эффекта. <КрЭ>. Круциальный эксперимент( еxperimentum crucis-креста). Постановка такого решающего эксперимента считается необходимым условием для принятия конкретной гипотезы или теории. Наличие неограниченно количества подтверждающих экспериментов не может считаться признаком законченности и научности теории. По Попперу, теории различаются по отношению к возможности постановки эксперимента, способного, хотя бы в принципе, дать противоположный результат, который опровергнет данную теорию, в том числе это может быть противоположный эксперимент, реализующий принцип «Бритвы Оккамы». Круциальный эксперимент допускает проведение в рамках существующей теории любых экспериментов, приводящих к опровержению данных представлений, теории или гипотезы.

Таблица. Классификация экспериментов по критерию информационной ценности-

результативности.

Сокращение Наименование Результат
1. <КаЭ> Казуальный – эксперимент (casual experiment)– эксперимент, выявляющий причинно-следственные связи явлений и подтверждающий гипотезу или теорию. Информационная ценность минимальная, так как не требуется пересмотра общепринятых представлений.
2. <ПЭ> Противоположный эксперимент(contrarius experiment) – эксперимент, опровергающий гипотезу, теорию. Условия проведения ПЭ минимально изменяются по отношению к КаЭ. Информационная ценность очень высокая. Требуется изменение существующих представлений.
3. <ОЭ> <ОЭ>. Обратный эксперимент(inverse experiment) – эксперимент, в котором условия проведения изменяются на противоположные. Информационная ценность минимальная. Не требуется пересмотра общепринятых представлений.
4. <ИЭ> Идеальный эксперимент(ideal experiment) - эксперимент, в котором условия проведения опыта и объекты исследования САМИ выявляют причину наблюдаемого эффекта. Информационная ценность максимальная. Требуется изменение существующих представлений.
5. <КрЭ> Круциальный эксперимент( Experimentum crucis). Решающий эксперимент, способный, хотя бы в принципе, дать результат, который опровергнет данную теорию, гипотезу. Информационная ценность максимальная. Требуется изменение существующих представлений.

Ключевым экспериментом в данной классификации является противоположный эксперимент, постановка которого одновременно является и «минимальным» Experimentum crucis, который приводит к противоречию, следовательно, к необходимости изменения наших представлений о мире.

Классическая задача Ньютона является прекрасным прообразом основной схемы фундаментальных экспериментов в области ядерной физики. Рассмотрим возможные схемы экспериментов для задачи Ньютона на основе приведенной выше классификации.

Задача Ньютона. Спектральное разложение белого света призмой.

В описании Ньютона это выглядело следующим образом. “... Я раздобыл треугольную призму, чтобы подвергнуть испытанию посредством нее известное явление разложения цветов. Я был удивлен увидеть их продолговатой формы, так как соответственно принятым законам преломления, я ожидал, что они должны быть круглыми. Тогда я заподозрил, не могли бы эти цвета быть так растянуты какими-нибудь неровностями в стекле или другой случайной неисправностью. И, чтобы подвергнуть это испытанию, я взял другую призму, подобно первой, и поместил ее так, что свет проходя через них обеих преломлялся бы в противоположные стороны. Результат был тот, что свет, который первой призмой был рассеян в продолговатую форму, был проведен второй в округлую форму с такой правильностью, как будто бы он вовсе не проходил через них. Таким образом, какова бы ни была причина такого удивления, это не было случайной правильностью“.

Задача для решения на нашем уровне знаний достаточна простая, однако рассмотрим ее в соответствии c нашим общим подходом. Основной вопрос, который стоял перед Ньютоном: “Какой объект отвечает за явление разложения белого света в спектр? Это свойство света или свойство призмы?”. Ньютон решил эту задачу оригинальным способом, поставив один из ряда возможных экспериментов, но при этом существенно изменил условия проведения, введя новый объект – вторую призму, которую поместил на пути цветного спектра выходящего из первой призмы.

Упрощенная схема этого эксперимента была следующая.

Первый эксперимент Ньютона. Разложения белого света призмой в цветовой спектр с растяжением светового пятна на экране.

Второй эксперимент Ньютона. Установка второй призмы с разворотом на 180 градусов, чтобы свет, проходя через две призмы, преломлялся бы в противоположные стороны. Спектральное разложение исчезает и остается на экране, только пятно белого света правильной формы.

Гипотеза, логически следующая из первого и второго эксперимента Ньютона, что это явление связано со свойствами вещества призмы, при прохождении которого луч белого света преломляется, растягивается в полосу и “окрашивается” по определенному закону в различные цвета, а белый свет он и есть белый, что в нем нет других цветов. И только гениальная интуиция Ньютона позволила выдвинуть правильную гипотезу: разложение луча белого света в цветовой спектр связано со свойствами самого белого света, а не вещества призмы.

Можно предположить, что на самом деле Ньютон провел великое множество различных экспериментов и только тогда появилась его гипотеза, которая логически строго не следует из описанного выше эксперимента.

До постановки экспериментов должна быть выдвинута гипотеза о спектральном разложении призмой пучка белого света или существовать теория, как-то объясняющая данное явление. Выдвинем следующую ГИПОТЕЗУ: разложение в спектр узкого пучка белого света это свойство призмы.

<КаЭ>. Казуальный эксперимент. Эксперименты по разложению белого света в спектр, в которых изменяется величина угла призмы от очень маленького доли градуса до 90 градусов. Эксперименты подтверждают, что величина отклонения(разложения в спектр ) определяется веществом и геометрией призмы. Логический вывод: разложение белого света в спектр это свойство вещества призмы. <ОЭ>. Обратный эксперимент. Это эксперимент по «собиранию» спектра в пятно белого света другой призмой(второй эксперимент Ньютона). Логический вывод: «собирание» спектра в пятно белого света это свойство призмы. Обратный эксперимент ничего нового не дает, а лишь подтверждает гипотезу. Противоречия с первым экспериментом не возникает.

<ИЭ>. Идеальный эксперимент . Приведем несколько ИЭ. В нашем случае это использование плоских зеркал для собирания цветного спектра в пятно, одновременно и в одном месте. Другой ИЭ - вращенние разноцветного колеса, окрашенного в цвета спектра. Здесь ИЭ - исключение фактора вещества призмы. По-видимому, не для всякой гипотезы или теории можно найти подходящую схему ИЭ в рамках существующих теорий. Здесь может помочь вторая часть противоречия: свет, падающий на призму, является белым, и не должен быть белым так как разлагается в спектр.

<ПЭ>. Противоположный эксперимент.

Проведение эксперимента должны привести к парадоксальному результату - отсутствию спектрального разложения белого света при использовании призмы. В этом и состоит парадоксальность противоположного эксперимента, что первоначальные условия опыта не должны существенно измениться, а разложение в спектр отсутствует. В данном случае противоположный эксперимент – использование в качестве призмы EDTKBXBNTKMYE> GHBPVE или ее части, которая в сечении имеет геометрию призмы. (Ответ - набрать на клавиатуре русский текст по английским буквам). Результат парадоксален - отсутствие спектрального разложения белого света. Другой ПЭ – это прохождение света чрез плоскопараллельную пластинку. Объединение первого и противоположного экспериментов приводит к противоречию: геометрия призмы дает разложение пучка белого света в спетр и не дает спектрального разложения света, то есть призма здесь не причем. Сформулируем противоречие по второму исследуемому объекту, участвующему в опытах : свет падающий на призму, является белым , и не должен быть белым так как разлагается в спектр. Разрешение противоречия: белый свет это системный эффект, возникающий для регистрирующего прибора - глаза при объединении подсистем основных цветов спектра в одном месте одновременно. Однако при последующем развитии теории цвета это оказалось верно лишь отчасти.

<КрЭ>. Круциальный эксперимент( Experimentum crucis). Эксперимент, способный, хотя бы в принципе, дать результат, который опровергнет данную теорию.

Сформулируем противоречие для постановки круциального эксперимента: излучение – должно обладать цветовым показателем и восприниматься глазом, и излучение не должно обладать цветовым показателем и восприниматься глазом, как регистрирующим органом человека. Круциальный эксперимент - это эксперимент, в котором спектр излучения находится вне видимой области электромагнитного излучения для глаза, но регистрируется приборами.

Разрешение противоречия: световые волны сами по себе не имеют цвета. Цвет возникает лишь при восприятии этих волн человеческим глазом и мозгом в видимой области электромагнитного излучения. Вне этой области излучение невидимо и цветовым спектром не обладает.

По мере развития волновой теории света стало ясно, что каждому цвету соответствует определенная частота световой волны. Каждый цвет спектра характеризуется своей длиной волны, т. е. он может быть совершенно точно задан длиной волны или частотой колебаний. В общем спектре электромагнитных излучений видимое излучение составляет очень небольшой процент.

Спектр

Видимое электромагнитное излучение

(видимый свет)

Цвет предметов возникает в процессе отражения и поглощения волн, главным образом, в процессе поглощения. Предметы сами по себе не имеют никакого цвета, цвет создаётся при их освещении. Все живописные краски являются пигментными. Это впитывающие (поглощающие) краски, их смешение происходит по правилам вычитания.

Анализ проведенных Ньютоном экспериментов показывает, что вначале следует сформулировать противоречие для объектов, участвующих в эксперименте, а далее должен быть поставлен такой взаимоисключающий(противоположный) эксперимент, чтобы однозначно выявить объект, с которым связано это явление: со свойствами призмы или со свойствами самого белого света, т.е. исключить из рассмотрения при выдвижении новой гипотезы один из объектов, участвующих в эксперименте, а уже затем подробно исследовать выявленный объект.

В тексте сохранены авторская орфография и пунктуация.


Алфавитный указатель: 

Рубрики: 

Subscribe to Comments for "Эксперименты противоположный, каузальный, обратный, идеальный, круциальный (Классификация и метод)"