Исходным методом научного познания считается наблюдение, т.е. преднамеренное и целенаправленное изучение объектов, опирающееся на чувственные способности человека – ощущения ивосприятия. В ходе наблюдения возможно получение информации лишь о внешних, поверхностных сторонах, качествах и признаках изучаемых объектов. Научное наблюдение характеризуется рядом особенностей:

• целенаправленностью и избирательностью – внимание наблюдателя фиксируется только на тех свойствах объекта, которые связаны с предварительно поставленной задачей;

• объективностью, т.е. возможностью контроля результатов наблюдения либо за счет повторного наблюдения, либо путем использования других методов исследования;

• полнотой, точностью, однозначностью и т.д.

Итогом научных наблюдений всегда является описание исследуемого объекта, фиксируемое в виде текстов, рисунков, схем, графиков, диаграмм и т.д. С развитием науки наблюдение становится все более сложным и опосредованным путем использования различных технических устройств, приборов, измерительных инструментов. Техническая оснащенность процедуры наблюдения, с одной стороны, колоссально увеличила ее возможности, а с другой – породила серьезную проблему достоверности знаний, получаемых с помощью приборов. Современные приборы слишком далеко ушли от непосредственных ощущений человека, и поэтому безвозвратно пропала наглядность и образная простота получаемой картины.

Ведь одно дело – наблюдать в телескоп планеты или звезды, которым от нашего наблюдения, как говорится, ни жарко, ни холодно, и совсем другое – «наблюдать» какой-либо квантовый объект (электрон или протон). Всякое взаимодействие нашего макроприбора с таким микрообъектом нарушает состояние последнего. В результате мы получаем сведения о квантовом явлении, искаженные вмешательством прибора. В классической физике подобные искажения можно учесть и по результатам измерений установить «истинное» состояние объекта, не зависимое от наблюдателя. В квантовой физике это невозможно. Как любили повторять создатели квантовой механики, «для того чтобы узнать свойства пудинга, его надо съесть».

Но «съев» квантовый объект, мы его разрушим и, следовательно, не сможем еще раз проверить и уточнить состояние квантовой системы. Поэтому в квантовой физике «наблюдаемое» и «наблюдатель» неотделимы друг от друга. Разумеется, квантовые объекты существуют «сами по себе» и без всяких наблюдателей. Однако описание их свойств невозможно без точного указания на тот класс при-боров, в котором эти свойства регистрируются. И в разных классах приборов эти свойства будут различны (в одних – волновые, в других – корпускулярные). Другими словами, квантовая система становится объектом наблюдения только в том случае, если указан точный способ измерения ее свойств.

Измерение – познавательная процедура, в которой устанавливается отношение одной (измеряемой) величины, характеризующей изучаемый объект, к другой, принятой за постоянную (т.е. единицу измерения). Измерение органически связано с наблюдением и образует вместе с ним фундаментальную основу естествознания. Именно переход к фиксации количественных (однозначно измеряемых) параметров материальных тел позволил естественным наукам добиться нынешних строгости и точности знания. Измерительные процедуры могут даже опережать теоретическое объяснение: измерять температуру тел научились гораздо раньше, чем поняли физическую природу теплоты.

Еще одним важнейшим методом естественно-научного познания является эксперимент. С введением в практику науки экспериментального метода ученые из наблюдателей превратились в «естествоиспытателей». То есть данный метод предполагает активное воздействие экспериментатора на изучаемый объект и условия его существования.

Эксперимент (от лат. experimentum – проба, опыт) – способ активного, целенаправленного исследования объектов в контролируемых и управляемых условиях. Эксперимент включает процедуры наблюдения и измерения, однако не сводится к ним. Ведь экспериментатор имеет возможность подбирать необходимые условия наблюдения, комбинировать и варьировать их, добиваясь «чистоты» проявления изучаемых свойств, а также вмешиваться в «естественное» течение исследуемых процессов и даже искусственно их воспроизводить.

Главной задачей эксперимента, как правило, является проверка различных гипотез и предсказаний теории. Однако в ходе такой проверки нередко обнаруживаются и неожиданные, не предусмотренные гипотезой новые свойства объекта. Классическим примером такого рода являются эксперименты Э. Резерфорда, в 1909 г. бомбардировавшего альфа-частицами (ядрами атомов гелия) металлическую фольгу. Его прибор был несложен: поток альфа-частиц, испускаемый ампулой с радием, проходил через диафрагму, которая выделяла из общей массы узкий пучок частиц и направляла его на экран из сернистого цинка, где наблюдались сцинтилляции (крошечные вспышки при столкновении частиц с экраном). Поставив на пути альфа-частиц фольгу, Э. Резерфорд обнаружил, что вместо резкого изображения узкой щели диафрагмы на экране появляется размытая полоса, т.е. небольшое количество частиц (примерно 2%) отклонялось от прямого пути. По тогдашним представлениям о строении атома (модель Дж. Томсона) это было необъяснимо: в предполагаемой положительно заряженной внутриатомной среде с вкрапленными в нее электронами тяжелым альфа-частицам просто не было преград, ведь по сравнению с ними электроны – не более чем горошины перед пушечными ядрами. А последовавшее далее предположение Э. Резерфорда о том, не могут ли альфа-частицы отскакивать от фольги назад, казалось и вовсе бессмысленным. Однако помощники великого английского физика, просчитав за два года более миллиона сцинтилляций, доказали, что назад отскакивает, как мяч от сетки, примерно одна альфа-частица из восьми тысяч. Предложенное Э. Резерфордом объяснение этого неожиданного феномена известно сегодня как «планетарная модель атома»: отраженные назад альфа-частицы сталкивались с ядрами атомов фольги. А небольшое количество отражений определяется тем, что, хотя практически вся масса атома сосредоточена в ядре, оно занимает лишь ничтожную часть его объема (как Солнце в нашей планетной системе). Эти представления ныне настолько привычны, что кажется, будто они совершенно тривиальны. Но чтобы сформулировать их в первый раз, понадобились недюжинные научные терпение и смелость. А опирались последние как раз на неопровержимые результаты эксперимента.

Подобные эксперименты называют исследовательскими. Другой тип эксперимента – проверочный – предназначен для подтверждения тех или иных теоретических предположений. Так, существование множества элементарных частиц первоначально было «вычислено» теоретически, и лишь позднее подтверждено рядом целенаправленных экспериментов.

Экспериментальный метод, возникнув в XVII в. в физике (Г. Галилей, У. Гильберт), затем распространился на все области естествознания. За четыре прошедших столетия, разумеется, существенно изменилась техническая оснащенность экспериментальной практики. Многие нынешние экспериментальные установки (ускорители заряженных частиц, например) представляют собой огромные и дорогостоящие сооружения. Однако не понизилось значение и мысленных экспериментов, для которых не тре-буется создания сложных технических средств. В XVII в., например, Г. Галилей с помощью мысленного эксперимента сформулировал важнейший для физики принцип инерции. А в XX в. другой гений физики – А. Эйнштейн – блестяще использовал тот же прием, вообразив свободно падающий в поле тяготения лифт и обнаружив при этом, что, находясь внутри такого лифта, никаким способом нельзя определить, движется ли ускоренно лифт в поле тяготения или он покоится, а поле тяготения при этом исчезает. Результатом этого мысленного эксперимента стал принцип эквивалентности инерционной и гравитационной масс, положенный в основу общей теории относительности.

В целом же все разнообразные виды научных экспериментов составляют мощную эмпирическую базу естествознания. Эксперимент является как ведущим методом, так и одним из решающих критериев истинности научного знания.