Эксперимент

Латинское слово experimentum происходит от глагола experiri — «испытывать», «пробовать»^[6]. Изначально понятие охватывало любой опыт, как практический (технологический), так и познавательный. Уже в римской литературе встречается различение между пассивным наблюдением (observatio) и активным испытанием (experimentum)^[7]. В русской традиции «опыт» и «эксперимент» долгое время употреблялись как синонимы, однако к началу XVIII века «эксперимент» закрепился за преднамеренным, методически организованным исследованием, тогда как «опыт» стал обозначать и накопленное знание, и единичную пробу^[8]. Джон Гершель в 1831 году разграничивал опыт как источник знаний, накопленный человечеством, и эксперимент как один из двух путей получения опыта — наряду с наблюдением, называя эксперимент «активным наблюдением»^[9].

Экспериментальная деятельность в форме совершенствования орудий и технологических приёмов существовала за тысячи лет до появления науки. Древние ремесленники систематически испытывали свойства материалов, а строители проверяли надёжность конструкций^[7]. Однако целенаправленный познавательный эксперимент в современном смысле не был характерен для античной науки. Греческие мыслители полагались преимущественно на наблюдение и умозрение, хотя у досократиков встречаются первые образцы мысленных экспериментов. Анаксимандр строил аргументы в пользу свободного покоя Земли в центре космоса без опоры, что можно рассматривать как мысленный опыт^[10]. Лукреций в поэме «О природе вещей» предложил образ воина, пускающего стрелу у границы мира: если стрела летит дальше — граница ещё не достигнута, если отскакивает назад — за ней должно быть нечто. Так Лукреций доказывал бесконечность космоса, задав структуру мысленного эксперимента: наглядная ситуация, мысленное действие, небольшое число ясно прослеживаемых следствий. Апории Зенона («Ахиллес и черепаха» и др.) также могут считаться классическими мысленными экспериментами^[11]. Архимед, доказывая возможность перевернуть Землю при наличии точки опоры, по существу также прибегал к мысленному эксперименту, а Платон в диалоге «Менон» провёл педагогический эксперимент, извлекая математическое знание из необразованного мальчика-раба.

В Средние века представление о Божественном всемогуществе открыло новые возможности для мысленного экспериментирования. Схоласты, исходя из идеи, что Бог мог создать мир с иными законами, рассматривали гипотетические ситуации, которые позже, по замечанию П. Дюгема, предвосхитили некоторые положения новоевропейской науки^[12].

Собственно научный эксперимент родился в эпоху научной революции XVII века, когда умозрительный дедуктивный метод уступил место индуктивному исследованию природы. Фрэнсис Бэкон в «Новом Органоне» (1620) провозгласил эксперимент главным источником достоверного знания о природе и требовал планомерного «вопрошания» природы с помощью инструментов и приборов. Галилео Галилей первым систематически сочетал количественный эксперимент с математическим описанием, заложив основы экспериментальной физики. Его исследования падения тел, движения маятника и опыты с наклонной плоскостью стали эталоном для последующих поколений учёных^[13]. Рене Декарт ввёл в философию мысленный эксперимент со «злым демоном» для радикального сомнения, а Исаак Ньютон в «Началах» не только описывал опыты, но и активно использовал мысленные построения (знаменитое «ведро Ньютона») для обоснования абсолютного пространства. К концу XVII века эксперимент превратился в обязательный компонент естественнонаучного метода, а опытное подтверждение стало считаться высшим критерием истины^[8].

В XIX — начале XX века мысленные эксперименты пережили расцвет. Эрнст Мах ввёл в широкий оборот термин Gedankenexperiment («мысленный эксперимент»), показав его роль в истории науки и проанализировав собственные построения, повлиявшие на Альберта Эйнштейна. Мах понимал мысленный эксперимент двояко: как предварительное проигрывание реального опыта в воображении и как варьирование условий, позволяющее обозреть все возможные случаи; он также отмечал, что мысленные эксперименты активируют инстинктивные знания, накопленные в ходе эволюции^[11]. К этому времени относятся классические мысленные эксперименты физики: «каюта на корабле» Галилея, «ведро» Ньютона, «демон» Максвелла, «лифт» Эйнштейна, «кот» Шрёдингера. По мнению Томаса Куна, основная функция мысленного эксперимента — критическая: хорошо продуманный опыт может создать аномалию для господствующей теории и способствовать смене парадигмы^[14].

В аналитической философии XX века мысленный эксперимент превратился в один из главных инструментов. Философы-аналитики, стремясь к точности аргументации и опоре на конкретные случаи, создали множество ярких сюжетов: «злой демон» Декарта, «жук в коробке» Витгенштейна, «двойник Земли» и «мозги в бочке» Патнэма, «китайская комната» Сёрла, «суперфизиолог Мэри» Джексона, «кролик и туземец» Куайна. Эти сюжеты позволили прояснять концептуальные каркасы, проверять непротиворечивость теорий и выявлять скрытые предпосылки^[11].

С середины XX века развитие ЭВМ дало начало компьютерному (вычислительному) эксперименту, в котором математическая модель изучается численными методами. Такой эксперимент занимает промежуточное положение между теорией и практикой, позволяя исследовать системы, недоступные натурному опыту, — от галактических столкновений до поведения квантовых систем. Вместе с тем компьютерный эксперимент породил проблему адекватности модели: модель может быть внутренне согласованной, но не соответствовать реальности^[15].

В начале XXI века психология и другие науки о человеке столкнулись с кризисом репликации (воспроизводимости результатов). Масштабные проекты Open Science Collaboration показали, что значительная доля опубликованных экспериментальных эффектов не воспроизводится в независимых лабораториях: из 100 реплицированных психологических исследований лишь 36 % дали статистически значимый результат, а средний размер эффекта оказался вдвое меньше первоначального^[16]. Это стимулировало пересмотр стандартов проведения и публикации экспериментов, движение за открытую науку и развитие партисипаторных исследований (Participatory Action Research), где исследователь и участники находятся в равноправной позиции, а цель состоит не только в получении знания, но и в практическом изменении ситуации^[17].

На новейшем этапе в экспериментальную практику внедряется искусственный интеллект. Алгоритмы, основанные на нейронных сетях, способны предсказывать физические явления, строго соблюдая закон сохранения энергии и другие фундаментальные принципы, благодаря использованию симплектической и римановой геометрии. В квантовой физике системы вроде THESEUS за считанные часы генерируют сложные запутанные состояния, на поиск которых у учёных ушли бы годы^[18]. Генеративное моделирование галактик, действующее по принципу «пусть данные сами подскажут, что происходит», позволяет проверять гипотезы о физических процессах, не закладывая их в модель a priori^[19].

• Технологический (эксперимент прямого руководства к действию) — направлен на оценку эффективности практических действий, отработку технических решений. Исторически предшествовал научному эксперименту и существует по сей день в инженерном тестировании. К этой категории примыкает диагностический эксперимент (англ. explorative experiment), нацеленный на тестирование технического артефакта и носящий итеративный характер^[20]. Примером служит методичное испытание автономного робота-помощника в среде обитания человека, где переменным фактором выступает настройка возможностей робота^[20].
• Эпистемический (познавательный, научный) — ставится ради получения нового знания об устройстве мира, проверки гипотезы или построения теории.
• Проверочный эксперимент — предназначен для эмпирической проверки конкретной гипотезы или теоретического предсказания.
• Поисковый (исследовательский) эксперимент — предпринимается, когда гипотеза ещё не сформулирована; его цель — собрать эмпирический материал, выявить закономерности, уточнить направление дальнейших исследований^[21].
• Критический (решающий) эксперимент — результат такого опыта должен позволить выбрать одну из конкурирующих теорий, однозначно подтвердив одну и опровергнув другую^[14].
• Карл Поппер выделял также эвристические (конструктивные) и апологетические мысленные эксперименты, считая последние неправомерными и бесполезными для науки. Конструктивные эксперименты он, в свою очередь, подразделял на прямые (начинающиеся без ясной теории, но приводящие к ней), предположительные (нацеленные на установление феномена с последующим теоретическим объяснением) и опосредующие (расширяющие уже существующие теории)^[11].

Выделяют физический, химический, биологический, психологический, социологический, педагогический, экономический и другие виды эксперимента^[21]. Каждый из них имеет свою специфику, определяемую природой объекта, возможностью его изоляции и контроля переменных. В психологии и социальных науках многие объекты исследования рассматриваются как гуманистические системы (термин Лотфи Заде), поведение которых сильно зависит от суждений и эмоций человека. Для таких систем характерна неустранимая сложность, и, согласно сформулированному Заде принципу несовместимости, высокая точность описания несовместима с высокой сложностью системы^[17].

• Лабораторный эксперимент — осуществляется в искусственно созданной, строго контролируемой среде, что обеспечивает высокую внутреннюю валидность, но может ограничивать перенос выводов на естественные условия.
• Полевой эксперимент — проводится в естественной обстановке (на производстве, в космосе, в природной экосистеме). Даёт более экологически достоверные результаты, но страдает от неконтролируемых факторов.
• Естественный эксперимент — разновидность полевого, при которой испытуемые не знают о своём участии в исследовании. Разработан А. Ф. Лазурским в психологии как способ совместить естественность поведения с экспериментальным воздействием^[22].

• Прямой (натурный) эксперимент — исследователь непосредственно воздействует на реальный объект, измеряя отклик приборами.
• Модельный эксперимент — вместо самого объекта изучается его модель (физическая, математическая, аналоговая). Модель воспроизводит существенные черты оригинала, позволяя исследовать явление в упрощённых условиях. Рудольф Пайерлс выделил семь типов физических моделей — от гипотезы и феноменологической модели до мысленного эксперимента как особой разновидности, а позднее была добавлена восьмая — «демонстрация возможности»^[23].
• Мысленный эксперимент — операции производятся над идеализированными образами в воображении; служит для выявления логических противоречий, анализа концептуальных схем, прояснения оснований теории.
• Компьютерный (вычислительный) эксперимент — реализуется на основе математической модели и численных алгоритмов с помощью ЭВМ. Занимает промежуточное положение между теоретическим и эмпирическим уровнями^[15].

• Качественный эксперимент — устанавливает наличие или отсутствие причинно-следственной связи, фиксирует эффект без точных количественных оценок.
• Количественный (измерительный) эксперимент — предполагает точное измерение параметров, получение численных зависимостей и оценку погрешностей.

• Пилотный эксперимент — пробное, «пристрелочное» исследование на малой выборке; предназначено для отработки методики, уточнения гипотезы и оценки реализуемости основного опыта^[24].
• Основной (конфирматорный) эксперимент — полномасштабное исследование, спланированное с учётом пилотажных данных, призванное дать окончательные выводы.
• Квазиэксперимент — исследование, в котором не удаётся в полной мере контролировать независимую переменную или случайным образом распределять участников по группам; широко применяется в социальных и поведенческих науках, когда строгий эксперимент невозможен по этическим или организационным причинам^[17].

• Эмпирический эксперимент — направлен на получение чувственных данных, фиксацию наблюдаемых явлений без глубокой теоретической интерпретации на этапе сбора.

• Теоретический эксперимент — включает в себя мысленные и математические (имитационные) эксперименты, где объект замещается формальной моделью, а выводы получаются дедуктивным путём^[8].

Безупречный эксперимент — идеализированный образец эксперимента, который на практике не может быть полностью реализован, но служит ориентиром для разработки реальных исследовательских планов. Понятие введено в экспериментальную психологию американским учёным Робертом Готтсданкером, автором фундаментального труда «Основы психологического эксперимента». Согласно его подходу, безупречный эксперимент позволяет мысленно сконструировать ситуацию, свободную от любых методических изъянов: идеальное смешение независимой переменной, полный контроль побочных факторов, безукоризненная выборка и бесконечная воспроизводимость. Сравнивая реально проведённое исследование с этой эталонной моделью, экспериментатор может выявить источники систематических ошибок и оценить внутреннюю валидность^[25]. Хотя достичь безупречного эксперимента невозможно, его использование в качестве аналитической конструкции способствует совершенствованию методик планирования, контроля переменных и интерпретации данных.

Случайный эксперимент (также стохастическое испытание) — математическая модель реального опыта, исход которого заранее не определён и зависит от случайных факторов. В отличие от детерминированных экспериментов, где результат целиком задан начальными условиями, случайный эксперимент порождает совокупность возможных элементарных исходов, описанных в рамках вероятностного пространства. Математическая модель такого эксперимента обязана удовлетворять нескольким формальным требованиям:

• чётко задано множество всех возможных результатов, которые могут появиться при фиксированных начальных данных;
• существует принципиальная возможность неограниченного повторения эксперимента в неизменных условиях;
• постулируется (или доказывается) свойство статистической устойчивости относительных частот: при многократном повторении частота появления любого конкретного события стремится к определённому числу — его вероятности.

Пусть A — некоторый результат случайного эксперимента, а n — число проведённых независимых повторений. Если в k случаях наступило событие A, то относительная частота k/n при больших n служит оценкой вероятности P(A). На этом принципе основаны методы математической статистики и планирования экспериментов, где случайность используется для рандомизации, формирования репрезентативных выборок и проверки статистических гипотез^[26]. Таким образом, случайный эксперимент выступает одновременно и как абстрактная теоретическая схема, и как практический инструментарий современной экспериментальной науки.

Физический эксперимент — это исследование природных явлений в специально созданных, контролируемых условиях. В отличие от теоретической физики, оперирующей математическими моделями, физический эксперимент проверяет саму природу. Рассогласование с экспериментальными данными служит критерием ошибочности или ограниченности физической теории^[27].

Несогласие с результатами физического эксперимента служит ключевым критерием для определения ошибочности теории или, выражаясь точнее, границ ее применимости. Этот принцип, известный как фальсификация, был сформулирован философом Карлом Поппером и лежит в основе современного научного метода. Альберт Эйнштейн выразил эту мысль в своем знаменитом афоризме: «Никаким количеством экспериментов нельзя доказать теорию; но достаточно одного эксперимента, чтобы ее опровергнуть». Таким образом, хотя согласие с экспериментом и укрепляет доверие к теории, оно не может служить окончательным доказательством ее истинности. Главным критерием жизнеспособности физической теории всегда остается ее проверка экспериментом.

В идеале экспериментальная физика должна лишь беспристрастно описывать результаты опытов, не прибегая к их интерпретации. Однако на практике этот идеал недостижим. Это связано с феноменом «теоретической нагруженности»: понимание и интерпретация данных любого сложного эксперимента неизбежно основаны на теоретических представлениях о работе приборов и природе изучаемых явлений.

Классическими образцами физических мысленных экспериментов являются «каюта на корабле» Галилея, «ведро» Ньютона, «демон» Максвелла, «лифт» Эйнштейна, «кот» Шрёдингера^[11]. Последний был предложен Э. Шрёдингером в 1935 году для демонстрации неполноты квантовой механики при переходе от субатомных систем к макроскопическим^[28].

Компьютерный (численный) эксперимент представляет собой исследование математической модели физического явления с помощью ЭВМ. В отличие от натурного эксперимента, он не формирует практических навыков работы с приборами, но обладает рядом преимуществ: наглядность, выразительность, отсутствие побочных явлений и возможность многократного повторения с различными параметрами^[29]. Современные программные комплексы («Живая физика», «Открытая физика», «Интерактивная физика») позволяют учащимся выполнять имитационные лабораторные работы, эффективно формируя понятийный аппарат и умения работать с физической информацией^[29].

Важнейшим требованием к компьютерной модели является адекватное воспроизведение физических свойств системы. Если алгоритм программы лишь имитирует визуальное поведение объекта, не воспроизводя лежащих в основе физических законов, речь идёт не о полноценном моделировании, а о компьютерной анимации^[23].

Психологический эксперимент — это опыт, проводимый в специальных условиях для получения новых научных знаний о психике путём целенаправленного вмешательства исследователя в жизнедеятельность испытуемого. Понятие трактуется различными авторами по-разному: от широкого понимания, охватывающего все эмпирические методы (наблюдение, опрос, тестирование), до узкого — как самостоятельного исследовательского метода^[24].

Психическая реальность как объект исследования рассматривается как гуманистическая система, поведение которой сильно подвержено влиянию суждений, восприятия и эмоций. Лотфи Заде ввёл понятие гуманистических систем и сформулировал принцип несовместимости: чем сложнее система, тем менее точные и вместе с тем значимые утверждения можно о ней сделать. Психологический эксперимент неизбежно сталкивается с этим ограничением^[30].

Сложность объекта проявляется в ряде характеристик^[17]:

• психика не дана в непосредственном наблюдении; знание о ней выводится опосредованно, через анализ продуктов деятельности;
• объект многомерен — он интегрирует биологические, социальные, культурные измерения;
• знание о психике исторично и может утрачивать устойчивость со временем;
• изъятие индивида из привычных связей влияет на его функционирование в эксперименте.

Яркой иллюстрацией служит эксперимент психолога Брюса Александера «Крысиный парк». Традиционные исследования аддикции у крыс, содержавшихся в изолированных металлических клетках, демонстрировали непреодолимую тягу к наркотику. Александер поместил колонию крыс в просторный «парк» с естественными стимулами и обнаружил, что в таких условиях крысы потребляют морфиновый раствор значительно реже. Этот опыт показал, что выводы, полученные в обеднённой среде, могут не распространяться на поведение в более сложных, приближённых к реальности условиях, и что контекст жизни является неустранимым фактором, а не просто внешней переменной^[31].

Эти обстоятельства лежат в основе кризиса репликации в психологии. Независимые массовые проверки показали, что лишь 36 % опубликованных эффектов достигают статистической значимости при повторении, а средний размер эффекта уменьшается вдвое^[16].

Одним из ответов на вызов сложности стали партисипаторные исследования действия (Participatory Action Research). В этой методологии исследователь и участники сотрудничают на равных, а цель заключается не только в познании, но и в практическом изменении ситуации. Вместо линейной модели «план — действие — результат» используется циклическая модель: повторяющиеся циклы планирования, действия, наблюдения и рефлексии^[17].

Мысленный эксперимент — это познавательная деятельность, в которой структура реального эксперимента воспроизводится в воображении. Как правило, он проводится в рамках некоторой теории для проверки её на внутреннюю непротиворечивость или совместимость с другими, считающимися безусловно истинными, принципами^[11].

Самыми знаменитыми мысленными экспериментами в физике считаются «каюта на корабле» Галилея, «ведро» Ньютона, «демон» Максвелла, «лифт» Эйнштейна, «кот» Шрёдингера. Развитие теории относительности и квантовой механики трудно представить без мысленного экспериментирования^[11].

По мнению Т. Куна, основная роль мысленного эксперимента — критическая: хорошо продуманный эксперимент может привести к кризису господствующей теории и способствовать смене парадигмы^[14].

В философии мысленные эксперименты получили широкое распространение в аналитической традиции. К наиболее известным относятся^[11]:

• «Злой демон» Декарта;
• «Жук в коробке» Витгенштейна;
• «Двойник Земли» и «Мозги в бочке» Патнэма;
• «Китайская комната» Сёрла;
• «Суперфизиолог Мэри» Джексона;
• «Кролик и туземец» Куайна.

Мысленный эксперимент «суперфизиолог Мэри» (1982) направлен против физикалистской трактовки сознания. Мэри с рождения находится в чёрно-белой комнате и знает всё о цветовом восприятии с точки зрения физиологии, но не имеет собственного опыта восприятия цветов. Когда она впервые видит цветные вещи, приобретает ли она новое знание? Интуитивно кажется, что да, следовательно, физикализм оказывается ложным^[32].

Главная познавательная задача мысленного эксперимента — сделать явным, осознанным слой неявного, фонового знания за счёт «раскачивания» привычных смысловых конструкций и рассмотрения явлений в нестандартных, воображаемых ситуациях^[33]. С этой точки зрения наиболее адекватной моделью логического анализа мысленного эксперимента выступает неформальная логика. В её рамках рассуждение не сводится к дедуктивному выводу, а понимается как многомерный процесс, в котором участвует «рациональный судья» (критик), задающий вопросы о приемлемости, релевантности и достаточности посылок. Техника диаграммирования аргументов позволяет выявить скрытые презумпции и представить развёрнутую картину «мысленной лаборатории»^[33]. Такой подход, не ограничивающийся формальной логической формой, раскрывает эвристический потенциал мысленных экспериментов в науке и философии.

Критический эксперимент (англ. crucial experiment) — эксперимент, результат которого позволяет однозначно определить, является ли конкретная теория или гипотеза верной. Такой эксперимент должен дать предсказанный результат, который не может быть получен из других общепринятых теорий^[14]. Классическим примером критического эксперимента считается опыт Майкельсона—Морли (1887), доказавший отсутствие эфирного ветра и способствовавший созданию специальной теории относительности.

Естественный эксперимент — особый вид эксперимента, разработанный российским психологом А. Ф. Лазурским (1874—1917). Его суть в том, что исследование проводится в привычных для испытуемого условиях, причём сам испытуемый не знает о том, что подвергается экспериментированию. Это сочетает достоинства лабораторного эксперимента (возможность контролируемого воздействия) и наблюдения (естественность поведения)^[22]. В инженерно-строительной сфере естественный эксперимент может представлять собой систематический мониторинг введённого в эксплуатацию объекта^[34].

Пилотный эксперимент (пилотажное исследование) — это пробное экспериментальное исследование, в котором происходит первичная отработка всех технических моментов будущего опыта. Такой эксперимент проводится на малой выборке без строгого контроля переменных; его цель — конкретизировать гипотезу, уточнить методику и оценить возможность получения экспериментального эффекта^[24].

Квазиэксперимент (англ. quasi-experiment) — исследование, в котором не удаётся в полной мере обеспечить контроль над переменными. Квазиэкспериментальные схемы («мягкие» схемы экспериментов) представляют собой компромисс между «жёсткостью» лабораторного опыта и «мягкими условиями» полевого исследования^[17].

Модельный эксперимент предполагает использование модели изучаемого объекта. Модель, воспроизводящая существенные свойства оригинала, позволяет исследовать явление в упрощённой, контролируемой обстановке. Метод моделирования применяется как в научных исследованиях, так и в обучении. При этом цели построения моделей различаются: в научном моделировании главная цель — познание неизвестного, в учебном — эффективное усвоение субъективно нового знания^[23].

В научном обиходе Рудольф Пайерлс классифицировал физические модели на семь типов — от гипотезы до мысленного эксперимента, а позже к ним добавили демонстрацию возможности. Каждый тип задаёт свою меру приближения к реальности и свой способ оперирования с допущениями. Так, при высокоточном измерении плотности твёрдого тела используется гидростатическое взвешивание с учётом температурного градиента, мениска и магнитной подвески, тогда как в учебной аудитории достаточно мензурки и рычажных весов. Принцип действия последних полностью открыт для обозрения, что делает их ценным дидактическим средством даже при невысокой точности^[23].

Компьютерный эксперимент — это исследование математической модели объекта на ЭВМ. Он занимает промежуточное положение между теоретическим и эмпирическим уровнями познания. По мнению некоторых методологов, компьютерный эксперимент лишь условно может быть отнесён к эксперименту, поскольку он является формой компьютерного моделирования и не отражает природное явление непосредственно. Главной проблемой становится адекватность модели реальному объекту^[15].

Современные методы искусственного интеллекта всё шире применяются в экспериментальной науке. Новые технологии, основанные на машинном обучении, позволяют предсказывать физические явления, строго соблюдая при этом закон сохранения энергии и другие фундаментальные законы. Исследователи разработали методику, в которой нейронные сети изучают функцию энергии на основе данных наблюдений и генерируют уравнения движения в цифровом мире. С помощью автоматической дифференцировки физические законы сохраняются и в дискретном времени^[18].

В квантовой физике искусственный интеллект THESEUS позволяет на несколько порядков быстрее генерировать сложные запутанные состояния, чем предшествующие алгоритмы, а люди могут легко анализировать его результаты^[35]. Генеративное моделирование используется и в астрофизике для исследования эволюции галактик. Такой подход противоположен традиционному моделированию: вместо того чтобы закладывать известные физические законы и проверять, соответствует ли симуляция реальности, генеративное моделирование оперирует только данными, стремясь «позволить самим данным подсказать, что может происходить»^[36].