Проблема измерения в классическом естествознании

Как всем известно со школьной скамьи, ученые-естественники не просто наблюдают явления природы. В процессе измерения они получают определенные числа, с которыми и связывают некоторые понятия и величины. При теоретическом анализе подобные величины сопоставляются с их математическими образами, выбор которых также базируется на результатах измерений. Основываясь на опыте, мы понимаем, что, проводя какой-либо эксперимент, мы преследуем цель –с помощью измерений поставить в соответствие физическим величинам определенные числа.

Мы также знаем, что измерения производятся с некоторой погрешностью, так что на самом деле опыт не дает нам истинного значения величины. В связи с этим одной из центральных проблем познания при экспериментальном методе исследования оказывается проблема сопоставления теоретических величин, используемых при анализе, и экспериментальных чисел (количественных данных), которые мы получаем в ходе эксперимента.

Эксперимент в разных естественных науках осуществляется разными методами. Так, например, в биологии существуют эксперименты в пробирке и на живом объекте. Но везде, как правило, используются физико-химические методы исследования и специальная аппаратура, принципы действия которой основаны на физических измерениях (длина, температура и др.). Поэтому следует более подробно обсудить проблему измерений в физике.

Из истории физики известно несколько способов решения этой проблемы. Например, в классической механике, которая в основном определяла содержание всей физики до начала XX в., исходили из простейшей идеи: “физические величины существуют сами по себе, а неточности в их измерении связаны с неполным учетом факторов реального эксперимента”. Поэтому существовало мнение, что эксперимент непосредственно определяет физические величины, входящие в законы физики, и считалось, что влияние внешних факторов всегда можно свести к нулю. Сегодня нельзя сказать, что это справедливо, но согласиться можно лишь тогда, когда речь идет о макроскопических объектах и их динамических характеристиках.

В XX в. физика как наука ушла далеко вперед. В результате экспериментального доказательства атомного строения вещества, наряду с привычными макрообъектами, сравнимыми по масштабам с человеком или превосходящими его, в физику вошел мир микрообъектов, и появилась необходимость объяснить, каким образом из них возникают разнообразные макрообъекты. С помощью квантовой и статистической физики были успешно решены проблемы установления законов физики микромира и законов, описывающих взаимосвязи физических величин в микро- и макромире.

Современный взгляд на мир в целом привел к коренному пересмотру концепции взаимосвязи физических величин и получаемых при измерении чисел, принятой в классической механике. Чтобы показать важность такого пересмотра, стоит обратить внимание на явление броуновского движения. Оно показывает возможность ситуации, когда влияние условий эксперимента абсолютно нельзя устранить (речь идет об охлаждении системы до нулевой температуры), не разрушив при этом самого явления – в данном случае теплового движения молекул. Больше примеров дает квантовая физика.

Физики заново проанализировали, что же на самом деле измеряется на опыте, независимо от того, имеем мы дело с микро- или с макрообъектами. Понимание того, что во всяком эксперименте неразрывно присутствуют два, совершенно различных и одинаково важных элемента, в физику пришло постепенно. Первый – это измеряемая физическая величина, характеризуемая набором возможных экспериментальных значений; второй – это условия проведения эксперимента, характеризуемые распределением вероятностей этих значений. Физическая величина получила название наблюдаемой, а условия проведения эксперимента – название состояния физической системы.

Для системы, находящейся в определенных условиях, всякий физический эксперимент сводится к измерению численного значения. Предполагается, что эти условия можно воспроизводить многократно. Однако ниоткуда не следует, что при повторении опыта в тех же условиях, измерение даст то же самое значение величины. Эта неопределенность в результатах эксперимента может быть связана с двумя причинами:

а. недостаточное число условий, фиксируемых при проведении опытов, для однозначного определения результатов измерения наблюдаемых величин;

б. при повторении опытов наблюдаемые величины могут принимать различные значения, независимо от числа и выбора условий эксперимента – таковы свойства самой системы.

Данные причины могут проявляться и одновременно. Возникает вопрос: зачем вообще нужно повторение одного и того же эксперимента? Все дело в том, что цель физики – получить объективную информацию о природе и обобщенно отразить ее в своих законах. Мы не получаем объективной информации ни о конкретной наблюдаемой, ни о конкретном состоянии (условиях эксперимента), рассматриваемых сами по себе, при однократном измерении какой-либо физической величины. Лишь когда результат любого эксперимента может быть воспроизведен в соответствующих условиях любым человеком, в любой момент времени и в любой лаборатории, где бы она ни находилась, возникает доверие к законам физики.

Возможность осуществления серии экспериментов автоматически предполагается, когда речь идет об измерении любой физической величины, в частности, проанализировав результаты серии экспериментов по ее измерению в разных состояниях, можно составить представление о некой характеристике системы. Наоборот, чтобы составить представление о некоем состоянии, необходимо проанализировать результаты серии экспериментов по измерению в этом состоянии разных наблюдаемых характеристик.

В любой серии экспериментов мы получаем, во-первых, совокупность численных значений физической величины (наблюдаемой) из какого-то интервала возможных ее значений и, во-вторых, информацию о том, насколько часто каждое из этих значений повторяется при измерениях. Это означает, что состояние физической системы в общем случае задается некоторым распределением, описываемым теорией вероятностей, а результат измерения физической величины представляет собой ее среднее значение.

Другими словами, серия однотипных экспериментов дает нам лишь комбинацию сведений о конкретной наблюдаемой и конкретном состоянии, выраженном в среднем значении физической величины. Все это приводит к тому, что в современной физике и в естествознании в целом самым фундаментальным и сложным понятием оказывается понятие среднего значениявеличины, измеряемой на опыте. Оно сочетает в себе взаимодополняющие понятия физической величины (характеристики объекта) и его состояния.

Измерения можно разделить на прямые и косвенные. Прямыми называют измерения, которые заключаются в экспериментальном сравнении измеряемой величины с мерой (единицей измерения) этой величины, или в отсчете показаний приборов, непосредственно дающих значения измеряемой величины (т.е. проградуированной в соответствующих единицах). Простейшими примерами таких измерений являются измерение длины с помощью линейки с делениями, температуры – термометром, электрического тока – амперметром и так далее. Разновидностью прямых измерений является использование так называемого компенсационного метода, когда производят сравнение исследуемой величины с известной однородной ей величиной (путем их взаимной компенсации). Примером таких измерений служит взвешивание на рычажных весах с помощью гирь.

Косвенными называют измерения, результат которых определяется путем расчета на основании данных по прямым измерениям других величин. Для этого должна быть заранее известна определенная формула, то есть взаимосвязь между величинами. Так, объем прямоугольного параллелепипеда можно найти по результатам прямых измерений длин его ребер. Это пример косвенного измерения объема. Однако его можно было бы определить и непосредственно: скажем, по объему воды, вытесненной им из сосуда, если в распоряжении экспериментатора есть мензурка, проградуированная в единицах объема. В этом случае выполняется прямое измерение объема.

Стоит заметить, что прямые измерения, в основном, сводятся к измерению размера (линейного или углового) – даже величину температуры мы определяем по длине столбика ртути в термометре. Прогресс в измерительной технике связан с тенденцией превращения косвенных измерений в прямые. Это позволяет за счет усложнения принципа действия и конструкции прибора непосредственно снимать с него значения сложных по своей природе величин (например, электрический счетчик расхода энергии в электросети, спидометр автомобиля и т. д.). Большинство таких приборов действует по другим принципам – они не имеют шкалы и сразу дают цифровые показания средних значений (как часы на жидких кристаллах).

Во всех случаях измерение (его характер и результат) связано с прибором. Это всегда макроскопические объекты и в этом их принципиальная особенность.

В соответствии с этой стратегией измерительный прибор является внешним по отношению к исследуемому объекту. Он сам принципиально не может повлиять на поведение характеристик объекта, но способен реагировать на их изменение. В связи с этим в классическом естествознании предполагается, что можно сделать измерение абсолютно точным и свести все погрешности к нулю, подбирая более чувствительный прибор. Эта уверенность основана на том, что все «мешающие» измерению факторы поддаются контролю и их можно устранить.