История экспериментов

История экспериментальных исследований долгая и разнообразная. Действительно, само определение эксперимента изменилось в ответ на изменение норм и практик в конкретных областях исследования. В этой статье документируется история и развитие экспериментальных исследований от их истоков в изучении гравитации Галилеем до широко применяемого метода, используемого сегодня.

Ибн аль-Хайсам

«Как свет проходит через прозрачные тела? Свет проходит через прозрачные тела только по прямым линиям... Мы исчерпывающе объяснили это в нашей « Книге оптики ». — Альхазен

Арабский физик Ибн аль-Хайсам (Альхазен) использовал эксперименты для получения результатов в своей «Книге оптики» (1021 г.). Он объединил наблюдения , эксперименты и рациональные чтобы поддержать свою теорию интромиссии зрения , согласно которой лучи света аргументы , испускаются объектами, а не глазами. Он использовал аналогичные аргументы, чтобы показать, что древняя эмиссионная теория зрения, поддерживаемая Птолемеем и Евклидом (в которой глаза испускают лучи света, используемые для зрения), и древняя теория интромиссии, поддерживаемая Аристотелем (когда объекты излучают в глаза физические частицы) ), оба были неправы.

Экспериментальные данные подтвердили большинство положений его «Книги оптики» и обосновали его теории зрения, света и цвета, а также его исследования в области катоптрики и диоптрики. Его наследие было развито посредством «реформирования» его оптики Камалем ад-Дином аль-Фариси (ок. 1320 г.) в «Китаб Танких аль-Маназир» ( «Пересмотр [Ибн аль-Хайсама]» оптики ).

Альхазен рассматривал свои научные исследования как поиск истины : «Истину ищут ради нее самой. А те, кто занимается поиском чего-либо ради самого себя, не интересуются другими вещами. Найти истину трудно, и путь это грубо...

Работа Альхазена включала гипотезу о том, что «Свет проходит через прозрачные тела только по прямым линиям», которую он смог подтвердить только после многих лет усилий. Он заявил: «[Это] ясно наблюдается в свете, который проникает в темные комнаты через отверстия… входящий свет будет ясно виден в пыли, наполняющей воздух». Он также продемонстрировал свою гипотезу, поместив рядом со световым лучом прямую палку или натянутую нить.

Ибн аль-Хайсам использовал научный скептицизм , подчеркивая роль эмпиризма и объясняя роль индукции в силлогизме . Он зашел так далеко, что раскритиковал Аристотеля за отсутствие вклада в метод индукции, который Ибн аль-Хайсам считал не только превосходящим силлогизм, но и основным требованием для истинного научного исследования.

Нечто вроде бритвы Оккама присутствует и в « Книге оптики» . Например, продемонстрировав, что свет генерируется светящимися объектами и излучается или отражается в глаза, он заявляет, что поэтому «извлечение [ зрительных] лучей является излишним и бесполезным». форму позитивизма Возможно, он также был первым ученым, принявшим в своем подходе . Он писал, что «мы не выходим за рамки опыта и не можем довольствоваться использованием чистых понятий при исследовании явлений природы» и что понимание их невозможно достичь без математики. Предположив, что свет является материальной субстанцией, он больше не обсуждает его природу, а ограничивает свои исследования диффузией и распространением света. Единственные свойства света, которые он принимает во внимание, — это те, которые можно определить с помощью геометрии и проверить экспериментально.

Роджер Бэкон

Роджера Бэкона Утверждения в Opus Majus о том, что «теории, выдвинутые разумом, должны быть проверены сенсорными данными, подкреплены инструментами и подтверждены заслуживающими доверия свидетелями» считались (и до сих пор считаются) «одной из первых известных формулировок научного метода ».

Галилео Галилей

Измерено время падения небольшой стальной сферы, падающей с разной высоты. Данные хорошо согласуются с прогнозируемым временем падения ${\sqrt {2h/g}}$, где h — высота, а g — ускорение свободного падения.

Галилео Галилей как учёный проводил количественные эксперименты по многим темам. Используя несколько различных методов, Галилей смог точно измерить время. Раньше большинство ученых использовали расстояние для описания падения тел, применяя геометрию , которая использовалась и которой доверяли со времен Евклида . Сам Галилей для выражения своих результатов использовал геометрические методы. Успехам Галилея способствовала разработка новой математики, а также тщательно продуманные эксперименты и оборудование. В то время развивался другой вид математики — алгебра . Алгебра позволила арифметическим вычислениям стать столь же сложными, как и геометрические. Алгебра также позволила обобщить открытия таких ученых, как Галилей, а также более поздних ученых, таких как Исаак Ньютон , Джеймс Клерк Максвелл и Альберт Эйнштейн , с помощью математических уравнений . Эти уравнения точно и непротиворечиво описывали физические взаимосвязи.

Одним из ярких примеров является «эксперимент с шаром и пандусом». В этом эксперименте Галилей использовал наклонную плоскость и несколько стальных шариков разного веса. Благодаря этой конструкции Галилей смог замедлить падающее движение и с достаточной точностью зафиксировать время, когда стальной шар проходил определенные отметки на балке. Галилей опроверг утверждение Аристотеля о том, что вес влияет на скорость падения объекта. Согласно теории Аристотеля о падении тел, более тяжелый стальной шар достигнет земли раньше, чем более легкий стальной шар. Гипотеза Галилея заключалась в том, что два шара достигнут земли одновременно.

За исключением Галилея, немногие люди его времени были способны точно измерить короткие периоды времени, такие как время падения объекта. Галилей точно измерил эти короткие промежутки времени, создав пульсилогон. Это была машина, созданная для измерения времени с помощью маятника . Маятник был синхронизирован с человеческим пульсом . Он использовал это, чтобы измерить время, за которое утяжеленные шарики прошли отметки, которые он оставил на наклонной плоскости. Его измерения показали, что шары разного веса достигли дна наклонной плоскости одновременно и что пройденное расстояние было пропорционально квадрату затраченного времени. Позже ученые обобщили результаты Галилея как «Уравнение падения тел» .

Расстояние d , пройденное объектом, падающим за время t , где g — ускорение свободного падения (~ 9,8 м/с). 2 ):

$\ d={\frac {1}{2}}gt^{2}$

Эти результаты подтвердили гипотезу Галилея о том, что объекты разного веса, измеренные в одной и той же точке падения, падают с одинаковой скоростью, поскольку испытывают одинаковое гравитационное ускорение.

Антуан Лавуазье

Ледяной калориметр Лавуазье и Лапласа.

Эксперименты Антуана Лавуазье (1743–1794), французского химика, считающегося основоположником современной химии, были одними из первых, по-настоящему количественных. Лавуазье показал, что хотя вещество и меняет свое состояние в химической реакции , количество вещества в конце и в начале каждой химической реакции одинаково. В одном эксперименте он сжигал фосфор и серу на воздухе, чтобы проверить, подтверждают ли результаты его предыдущий вывод ( Закон сохранения массы ). Однако в этом эксперименте он определил, что продукты весят больше, чем исходные фосфор и сера. Он решил провести эксперимент еще раз. На этот раз он также измерил массу воздуха, окружающего эксперимент. Он обнаружил, что масса, набранная в продукте, терялась из-за воздуха. Эти эксперименты обеспечили дальнейшее подтверждение его закона сохранения массы .

Один из экспериментов Лавуазье соединил миры дыхания и горения . Гипотеза Лавуазье заключалась в том, что горение и дыхание — одно и то же, и горение происходит при каждом дыхании. Работая вместе с Пьером-Симоном Лапласом , Лавуазье разработал ледяной калориметр для измерения количества тепла, выделяемого при горении или дыхании. Эта машина состояла из трех концентрических отсеков. В центральном отделении находился источник тепла, в данном случае морская свинка или кусок горящего угля . В среднем отсеке содержалось определенное количество льда, необходимое для таяния источника тепла. Во внешнем отсеке для изоляции находился утрамбованный снег. Затем Лавуазье измерил количество углекислого газа и количество тепла, выделяемого при помещении живой морской свинки в этот аппарат. Лавуазье также измерил теплоту и углекислый газ, выделяющиеся при сжигании куска древесного угля в калориметре. Используя эти данные, он пришел к выводу, что дыхание на самом деле представляет собой медленный процесс сгорания. С помощью точных измерений он также обнаружил, что эти процессы производят углекислый газ и тепло с одинаковой константой пропорциональности. Он обнаружил, что для 224 гран «неподвижного воздуха» (CO ₂ ) произведено, 13 унций (370 г). льда расплавили в калориметре. Преобразование зерен в граммы и использование энергии, необходимой для плавления 13 унций (370 г). льда, можно подсчитать, что на каждый грамм произведенного CO ₂ около 2,02 ккал энергии было произведено за счет сгорания углерода или дыхания в калориметрических экспериментах Лавуазье. Это хорошо сопоставимо с современной опубликованной теплотой сгорания углерода, равной 2,13 ккал/г. Это непрерывное медленное горение, которое, как предполагали Лавуазье и Лаплас, происходило в легких , позволяло живому животному поддерживать температуру своего тела выше температуры окружающей среды, что объясняет загадочный феномен животного тепла. Лавуазье заключил: «Дыхание — это горение». То есть дыхательный газообмен — это горение, подобное горению свечи.

Лавуазье был первым, кто экспериментально пришел к выводу, что закон сохранения массы применим к химическим изменениям. Его гипотеза заключалась в том, что масса реагентов будет такой же, как масса продуктов химической реакции . Он экспериментировал с винным брожением , определяя количество водорода , кислорода и углерода в сахаре . Взвесив определенное количество сахара, он добавил в отмеренных количествах дрожжи и воду , позволив смеси забродить. Затем Лавуазье измерил массу углекислого газа и воды, которые выделились во время брожения, и взвесил остаточный раствор, компоненты которого затем были разделены и проанализированы для определения их элементарного состава. Таким образом, он контролировал несколько потенциальных мешающих факторов. Ему удалось уловить углекислый газ и водяной пар, выделявшиеся во время ферментации, чтобы его окончательные измерения были максимально точными. Лавуазье пришел к выводу, что общая масса реагентов равна массе конечного продукта и остатка. Более того, он показал, что общая масса каждого составного элемента до и после химического превращения оставалась одинаковой. Точно так же он экспериментально доказал, что масса продуктов сгорания равна массе реагирующих ингредиентов.

Луи Пастер

(Вверху) Колба с изогнутым горлом с бульоном и отсутствием в нем бактерий после кипячения для удаления микробов и микроорганизмов. (Внизу) Еще одна колба с поворотным горлышком, в которую проникли посторонние загрязнения в воздухе. В этом бульоне растут микроорганизмы.

Французский биолог Луи Пастер (1822-1895) считал как «Отец микробиологических наук и иммунологии», работал в 19 веке. Он постулировал – и поддержал экспериментальными результатами – идею о том, что болезнетворные агенты не появляются спонтанно, а живы и нуждаются в подходящей среде для процветания и размножения. Основываясь на этом открытии, он использовал эксперименты для разработки вакцин от куриной холеры , сибирской язвы и бешенства , а также разработал методы уменьшения количества бактерий в некоторых пищевых продуктах путем их нагревания ( пастеризации ). Работа Пастера также побудила его пропагандировать (вместе с английским врачом доктором Джозефом Листером ) антисептические хирургические методы. Большинство учёных того времени считали, что микроскопическая жизнь возникла в результате самопроизвольного зарождения в неживой материи.

Наблюдения Пастера за крошечными организмами под микроскопом заставили его усомниться в спонтанном зарождении. Он разработал эксперимент, чтобы проверить свою гипотезу о том, что жизнь не может возникнуть там, где ее нет. Он позаботился о том, чтобы контролировать возможные мешающие факторы. Например, ему нужно было убедиться в отсутствии жизни, даже микроскопической, в колбах с бульоном, которые он использовал в качестве тестовой среды. Он решил убить все уже присутствующие микроскопические организмы, кипятя бульон до тех пор, пока не будет уверен, что все присутствующие микроорганизмы мертвы. Пастеру также нужно было убедиться, что никакие микроскопические организмы не попадут в бульон после кипячения, однако для правильной проверки теории бульону требовался контакт с воздухом. Коллега предложил колбу с горлышком в форме буквы «S», повернутым набок. Пыль (которая, по мнению Пастера, содержала микроорганизмы) будет задерживаться внизу первой кривой, но воздух будет свободно проходить сквозь нее.

Таким образом, если бактерии действительно должны рождаться спонтанно, то через несколько дней они должны начать расти в колбе. Если бы самопроизвольного зарождения не произошло, то содержимое колб оставалось бы безжизненным. Эксперимент оказался убедительным: в бульоне не появилось ни одного микроорганизма. Затем Пастер позволил пыли, содержащей микроорганизмы, смешаться с бульоном. Всего за несколько дней бульон помутнел от миллионов растущих в нем организмов. Еще два года он повторял эксперимент в различных условиях и местах, чтобы убедиться в правильности результатов. Таким образом Пастер поддержал свою гипотезу о том, что самопроизвольного зарождения не происходит. Несмотря на экспериментальные результаты, подтверждающие его гипотезы, а также его успехи в лечении или предотвращении различных заболеваний, исправление общественного заблуждения о самопроизвольном зарождении оказалось медленным и трудным процессом.

Работая над решением конкретных задач, Пастер иногда пересматривал свои идеи в свете результатов своих экспериментов, как, например, когда он столкнулся с задачей найти причину болезни, опустошившей французскую шелководческую промышленность в 1865 году. После года усердной работы он правильно определил организм-виновник и дал практические советы по созданию здоровой популяции бабочек. Однако, когда он проверил свой собственный совет, он обнаружил, что болезнь все еще присутствует. Оказалось, что он был прав, но неполен: действовали два организма. Чтобы найти полное решение, потребовалось еще два года экспериментов.

См. также

• Список экспериментов

Ссылки

• Белл, Мэдисон Смарт (2005) Лавуазье в первый год .. WW Norton & Company, Inc. ISBN   0-393-05155-2
• Борлик, Тодд Эндрю (2013). «Больше, чем искусство: заводные автоматы, импровизированный актер и наглая голова в фильмах « Монах Бэкон и Монах Бунгей ». В Хаймане, Венди Бет (ред.). Автомат в английской литературе эпохи Возрождения . Ashgate Publishing, Ltd. ISBN  978-1-4094-7884-3 .
• Холмс, Фредерик Лоуренс (1987) Лавуазье и химия жизни: исследование научного творчества , Univ. Висконсин Пресс. Перепечатка. ISBN   978-0-299-09984-8 .
• Дюбо, Рене Дж. (1986) Луи Пастер: свободный научный сотрудник . Да Капо Пресс. ISBN   978-0-306-80262-1
• Купелис, Тео; Кун, Карл Ф. (2007) В поисках Вселенной . Издательство Джонс и Бартлетт. ISBN   978-0-7637-4387-1 .