Когда кончается эксперимент?

Одним из важнейших вопросов является вопрос о том, когда эксперимент можно считать завершенным. Этот момент является предметом тщательного анализа в книге П. Галисона под характерным названием «Когда кончается эксперимент?» Действительно, современные эксперименты очень сложны, и работа по устранению неполадок аппаратуры, систематических ошибок и т. п. оказывается очень нетривиальной задачей. Э. Пикеринг считает, что наличное научное знание, включающее результаты экспериментов и картину мира, — результат взаимной адаптации и приспособления нескольких составляющих — теорий изучаемого явления, инструментальных теорий, экспериментальных установок и анализа их данных. Но тогда каковы критерии, по которым можно судить, что такая «взаимная адаптация» состоялась и результат получен? Сложность этого вопроса демонстрируют два примера.

П. Галисон показывает это на примере эксперимента Эйнштейна и де Гааза начала XX в. Эйнштейн и де Гааз приняли решение завершить выявление систематических ошибок, когда измеренное ими значение гиромагнитного отношения электрона приняло значение, равное единице, которое согласовывалось с их теоретической моделью орбитальных электронов, что, вроде бы, соответствует взаимной адаптации теорий изучаемого явления, инструментальных теорий, экспериментальных установок и анализа их данных Э. Пикеринга. Однако важность эксперимента обусловила множество измерений, выполненных разными другими группами. Эти измерения привели в конечном счете к согласованному результату, который противоречил первоначальным теоретическим ожиданиям и привел к развитию и эксперимента, и теории (и там, и там были выявлены ошибки).

Э. Пикеринг в работе [25] приводит пример эксперимента по поиску свободных кварков, выполненного группой Морпурго в Генуе, использовавшей капли жидкости в электростатическом поле, по аналогии с экспериментом Милликена, измерившего сходным образом заряд электрона. Пикеринг сравнивает работу двух групп экспериментаторов (работавших в Генуе и Стэнфорде, соответственно), первая из которых пришла к выводу о существовании дробных зарядов, а вторая — к выводу об их отсутствии. Обе группы в ходе экспериментов сталкивались все с новыми проблемами экспериментальной техники и факторами, оказывавшими влияние на результат, ряд из которых им долго не удавалось разрешить. Стэнфордская группа использовала экспериментальную установку, основанную на других принципах и законах, чем первая, и получала с ее помощью заряды, кратные трети заряда электрона. Последующая дискуссия, в которой обе группы критиковали методы и результаты друг друга, выявила моменты открытости в экспериментальных системах обеих групп.

Этим примером Э. Пикеринг хочет подтвердить свой тезис о том, что эксперимент является «открытой системой», т. е. системой с не поддающимися учету неограниченным количеством факторов, влияющих на результат.

Отсюда он, с одной стороны, делает несколько верных критических замечаний в отношении эксперимента. В частности, он указал на то, что изначально экспериментальная установка редко способна получить значимый экспериментальный результат, ей требуются наладка и подбор рабочих параметров. Пикеринг также отметил, что в процессе получения значимого экспериментального результата используются как инструментальные теории, так и теории явления. С другой стороны, на основании этой «открытости» Пикеринг говорит о полученном ими научном факте как социальном конструкте.

Давайте проанализируем, насколько подобный вывод является обоснованным. Для этого выделим, наряду с указанными выше фоном, явлением и, если есть, гипотетической теорией явления, еще осознаваемую и контролируемую и неконтролируемую составляющие приборной ситуации (установки). В контролируемую часть входят приборы и используемые ими приборные теории, о которых говорилось выше. В неконтролируемую часть попадают побочные эффекты, внесенные установкой, которые не были исходно учтены. Наличие последних четко демонстрируют приведенные два примера.

Конечно, в приведенном Пикерингом примере можно говорить, что экспериментаторы «недодумали», не учли так называемый патч-эффект, состоявший в том, что крошки налипали на пластины заряженного конденсатора, приводя к искажению сигнала, который рассматривается в курсе физики средней школы. Однако вряд ли можно утверждать в принципе, что все эффекты, которые могут возникнуть из взаимовлияний различных элементов сложной экспериментальной установки, можно заранее теоретически учесть. Хороший экспериментатор должен к этому стремиться. В условиях современного физического эксперимента рабочие характеристики всех функциональных элементов, которые в нем используются, тщательно изучаются, и условия возникновения ошибок в их работе могут быть определены в отдельных инженерных исследованиях. В наиболее сложных случаях создаются также прототипы — уменьшенные копии работающей установки или ее части — чтобы проверить совместную работу множества отдельных узлов в тестовых условиях и соответствие ее поведения теоретической модели. Однако этого может оказаться недостаточно для того, чтобы не оставить места неконтролируемой составляющей приборной ситуации. Поэтому в организации экспериментальной практики есть ряд методов, которые направлены на то, чтобы не допустить ошибок в эксперименте.

Наиболее известные — проверка работы установки на известном явлении, воспроизводимость результата на данной установке и постановка экспериментов на разных установках разными группами, желательно с использованием приборов, работающих на разных принципах. Сразу скажем, что и первое, и третье не всегда осуществимо (а для очень редких событий есть проблемы и со вторым), но во многих случаях это имеет место. Поэтому хороший экспериментатор использует и другие приемы.

А. Франклин в своем обзоре [16] перечисляет стратегии, которые должен применять экспериментатор для того, чтобы знание, полученное экспериментально, было достоверным (поскольку эти стратегии (или техники) служат повышению уверенности в достоверности знания, их часто называют эпистемическими).

Манипулятивная стратегия Хакинга, предлагающая считать реально существующими те объекты, которыми можно манипулировать, например напылять электроны, заключается в следующем:

• 1) независимое подтверждение (предложено Хакингом);
• 2) воспроизведение известных явлений (в описанном выше эксперименте группа Морпурго работала неверно: она не воспроизводила уже известные целочисленные электрические заряды);
• 3) исключение возможных источников ошибок и альтернативных объяснений;
• 4) использование факта внутренней непротиворечивости результатов;
• 5) использование приборов, принцип действия которых основан на хорошо подтвержденной теории;
• 6) использование статистических критериев достоверности;
• 7) невозможность избавиться от эффекта (критерий Галисона);
• 8) максимально полное компьютерное математическое моделирование экспериментальной установки (аппарата) и экспериментального процесса в ней.

Перечисленные стратегии повышают уверенность в надежности полученных результатов. Они не могут гарантировать их корректности, но обеспечивают обоснованность утверждений о результатах. В этом смысле список стратегий является открытым, т. е. неполным, списком. Пикеринг, рассматривая научную практику, исключает эпистемические стратегии Франклина, тогда как Франклин считает, что эти стратегии принципиально важны, и согласно им расхождения служат поводом для поиска ошибки в одном из них или обоих (это фиксируется в работе [16]).

К рассмотренным вопросам, связанным с неконтролируемой составляющей приборной ситуации, надо добавить вопрос об учете фона. Обсуждая роль теории в эксперименте, Галисон указывает, что теория может влиять на то, что считать эффектом, а что — фоном. Например, в рассматриваемом им примере открытия новой частицы — мюона, до выполнения теоретических расчетов, физики считали проникающие сквозь детектор частицы ранее известными электронами, тогда как частицы, вызывающие в детекторе ливни, — неизвестными, и возможно, новыми частицами. Расчеты же показали, что ливни вызывались прохождением известных электронов через вещество, тогда как именно «проникающие частицы» — новое явление, которым впоследствии оказались мюоны. Галисон видит роль теории как «разрешающей» теории, т. е. позволяющей рассчитать величину ожидаемого эффекта и ожидаемого фона и помогающей определить, выполним ли эксперимент. Учет и устранение фона, который может скрывать эффект или, наоборот, имитировать его, — центральная, а не второстепенная задача в экспериментальной практике. Как и в случае работы установки, учет фона происходит и на уровне теории, и на уровне эксперимента с использованием похожего вышеперечисленного набора эпистемических стратегий.

Возможность опереться на инструментальные теории и перечисленный выше набор эпистемических стратегий чрезвычайно ослабляет, если не сводит к нулю, тезис Пикеринга об открытости эксперимента и научном факте как социальном конструкте. В результате этих стратегий его пример «открытости» превращается в пример «закрытости» системы.