Методы физических исследований

Метод – это система принципов, требований и правил практического и теоретического познания действительности, руководствуясь которыми можно достичь цели.

В философии выделяют следующие три группы методов научного познания (рис. 6) [19], [37], [41], [48].

Общелогические методы – методы, обладающие атрибутом всеобщности и применяемые во всех сферах деятельности для получения как обыденного, так и научного знания. К ним можно отнести анализ и синтез, индукцию и дедукцию, аналогию и другие.

Общенаучные методы – методы, используемые только в научном познании. К ним относятся две основные группы: методы построения эмпирического знания (наблюдение, измерение, эксперимент) и методы построения теоретического знания (абстрагирование, идеализация, формализация, моделирование, гипотеза и другие).

Конкретно-научные – это специальные методы экспериментального и теоретического характера, непосредственно связанные с сущностью конкретного явления и применяемые в узкой области той или иной науки. Например, в физике конкретно-научным является калориметрический метод, рентгеноструктурный анализ вещества и др.

В физике сложились два метода исследования окружающей действительности: теоретический и экспериментальный.

Теоретический метод физического исследования дает возможность опосредованно познать реальный объект или явление на основании изучения соответствующей идеальной (мысленной) модели. Основу данного метода составляют следующие общенаучные методы построения теоретического знания (рис. 6).

Абстрагирование – заключается в мысленном отвлечении от несущественных свойств, сторон признаков изучаемого объекта с одновременным выделением, формированием одной или нескольких существенных сторон, свойств, признаков этого объекта.

Идеализация – мысленное внесение определенных изменений в изучаемый объект в соответствии с целями исследования. В результате создается мысленный, идеализированный объект, не существующий в действительности. Идеализация применяется тогда, когда подлежащие исследованию реальные объекты сложны для имеющихся в распоряжении исследователя средств теоретического анализа. Идеализация является основой мысленного эксперимента, при проведении которого исследователь проводит различные операции с идеализированным образом объекта.

Формализация – использование специальной символики, позволяющей отвлечься от изучения реальных объектов, от содержания описывающих их теоретических положений, и оперировать некоторым множеством символов. В современной науке центральное место принадлежит математической формализации.

Моделирование – воспроизведение характеристик некоторого объекта на другом объекте, специально созданном для его изучения. Этот последний называется моделью. Потребность в моделировании возникает тогда, когда непосредственное исследование самого объекта невозможно, затруднительно, требует много времени и т. д.

Гипотеза – система умозаключений, посредством которой на основе ряда фактов делается предположение о существовании объекта, связи или причины явления, причем это предположение нельзя считать абсолютно достоверным. В силу своего вероятностного характера гипотеза требует экспериментальной проверки, доказательства. После такой проверки гипотеза или становится научной теорией, или видоизменяется, или отбрасывается, если проверка дает отрицательный результат.

Макроструктура деятельности, соответствующая основным этапам теоретического метода исследования представлена на рис. 7, где блок 1 – выбор объекта исследования; блок 2 – выбор предмета исследования, т. е. идеальной физической модели объекта и формулировка цели исследования; блок 3 –составление, в рамках определенной физической теории, математической модели адекватной предмету исследования и его физической модели; блок 4 – анализ математической модели и ее исследование; блок 5 – анализ результатов исследования; блок 6 – усложнение или корректировка физической модели (при необходимости) и соответствующей математической модели с ее последующим анализом.

Экспериментальный метод физического исследования дает возможность непосредственно изучать реальные объекты или явления в рамках определенной физической теории. Основу данного метода составляют следующие общенаучные методы построения эмпирического знания (см. рис. 6).

Наблюдение – вид деятельности, связанный с преднамеренным целенаправленным восприятием явлений окружающей действительности, в ходе которого получают знания о внешних сторонах, свойствах и отношениях изучаемых объектов.

Измерение – процесс определения количественных значений тех или иных свойств изучаемого объекта (сторон явления) с помощью специальных технических устройств. Измеряемый объект описывается с помощью эталонов, в качестве которых выступают единицы физических величин. В отличие от наблюдения измерение основано не только на чувственном восприятии показаний измерительных приборов, во многих случаях оно связано с логическим анализом при определении количественных характеристик измеряемого объекта.

Эксперимент – исследование каких-либо явлений путем активного воздействия на них посредством создания новых условий, соответствующих целям исследования.

Эксперимент включает в себя:

§ выделение объекта исследования;

§ создание условий адекватных целям;

§ акты наблюдения и измерения с применением соответствующих технических средств.

От такого эксперимента следует отличать простое наблюдение без активного воздействия на объект, а также мысленный эксперимент, представляющий собой форму теоретического моделирования процессов или систем, неосуществимых в данный момент по техническим или другим причинам.

Макроструктура деятельности, соответствующая основным этапам экспериментального метода исследования представлена на рис. 8.

Суть данного метода заключается в следующем. Физическое исследование любого реального объекта или явления начинается с формулировки проблемы, которую необходимо решить и выделения объекта исследования (блок 1).

Решение поставленной проблемы начинается с выбора идеальной физической модели исследуемого объекта. Именно характеристики выбранной модели должны будут исследоваться экспериментально. После этого формулируется цель исследования, и выбираются переменные параметры, через которые должна быть выражена данная цель (блок 2).

Для выбранной идеальной физической модели объекта в рамках определенной физической теории разрабатывается математическая модель объекта исследования и находится ее решение, т. е. разрабатывается теория метода исследования (блок 3).

Материальная реализация (блок 4) исследуемой идеальной физической модели не может быть точной, т. к. между свойствами реального объекта и тем, что подразумевает исследователь, всегда имеется некоторое качественное несоответствие, возникающее в результате того, что теоретические выводы относятся к несколько упрощенным ситуациям. Это и является причиной несоответствия модели объекту. Адекватность модели объекту исследования призвана гарантировать осмысленность исследуемых свойств реального объекта. Поэтому при осуществлении реального физического эксперимента главная задача состоит в том, чтобы учесть те ограничения, которые были допущены при выборе идеальной физико-математической модели объекта (блок 2 - 3). Сделать это не всегда легко. Исключение всевозможных внешних и внутренних помех – это очень трудная работа, состоящая из множества проверок, контрольных испытаний, вычитания одного эффекта из другого и т. д. Это не всегда под силу даже опытному экспериментатору. Разработка модели объекта исследования, вообще говоря, задача достаточно трудная. Для ее решения кроме глубоких предметных знаний требуется еще экспериментальное "чутье", так как математические расчеты и допущения при их выполнении очень тесно переплетаются с экспериментом. Поэтому иногда говорят о едином теоретико-экспериментальном процессе разработки модели изучаемого объекта (блоки 2 – 5). При проведении эксперимента необходимо тщательно соблюдать допущения, сделанные при составлении идеальной физической модели [2].

После того как эксперимент проведен и получены результаты (блок 5), необходимо решить еще одну задачу – представить эти результаты в компактной форме, удобной для хранения, сопоставления с другими результатами (блок 6). Для решения этой задачи разработаны и используются различные математические методы обработки результатов наблюдений, вычисления и представления результатов измерений. При выборе того или иного метода обработки результатов измерений руководствуются двумя основными критериями, во-первых, расчеты и конечные количественные показатели, характеризующие точность принимаемой оценки, должны быть простыми, во-вторых, применение выбранного метода должно быть математически корректным.

После получения конечного результата следует этап его анализа (блок 7), и оценка степени адекватности выбранной идеальной модели объекту исследования (материальной модели), путем сравнения полученного результата с результатом, найденным другим способом и делается соответствующий вывод (блок 8).