Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

История экспериментальных исследований долгая и разнообразная. Действительно, само определение эксперимента изменилось в ответ на изменение норм и практики в определенных областях исследования. Эта статья документирует историю и развитие экспериментальных исследований от их истоков в исследовании гравитации Галилеем до разнообразно применяемых методов, используемых сегодня.

Ибн аль-Хайсам [ править ]

«Как свет проходит через прозрачные тела? Свет проходит через прозрачные тела только по прямым линиям… Мы исчерпывающе объяснили это в нашей Книге Оптики ». [1] - Альхазен

Arab физик Ибн аль-Хайтам (Альхазен) использовали эксперименты для получения результатов в своей книге оптики (1021). Он объединил наблюдение , эксперименты и рациональные аргументы в поддержку своей теории впуска о видении , в котором лучи от света испускается из объектов , а не из глаз. 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, поддерживаемаяАристотель (где объекты испускают физические частицы в глаза) ошибались. [2]

Экспериментальные данные подтверждали большинство предположений в его Книге оптики и обосновывали его теории зрения, света и цвета, а также его исследования в области катоптрики и диоптрии. Его наследие было разработано через «реформирования» его Optics по Камаль аль-Дин аль-Фариси (DC 1320) в последней Китаб аль-Tanqih Manazir ( пересмотру [Ибн аль-Хайсама в] Оптика ). [3] [4]

Альхазен рассматривал свои научные исследования как поиск истины : «Истина ищется ради нее самой. И те, кто занят поиском чего-либо ради нее самого, не интересуются другими вещами. Найти истину трудно, и путь грубо. ... [5]

Работа Альхазена включала в себя 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 отчетливо виден в пыли, наполняющей воздух». [1] Он также продемонстрировал гипотезу, поместив прямую палку или тугую нить рядом со световым лучом. [6]

Ибн аль-Хайтам использовал научный скептицизм , подчеркивая роль эмпиризма и объясняя роль индукции в силлогизме . Он зашел так далеко, что критиковал Аристотеля за отсутствие вклада в метод индукции, который Ибн аль-Хайсам считал не только превосходящим силлогизм, но и основным требованием для истинного научного исследования. [7]

Что-то вроде бритвы Оккама также присутствует в Книге оптики . Например, продемонстрировав, что свет генерируется светящимися объектами и испускается или отражается в глаза, он заявляет, что, следовательно, « испускание [визуальных] лучей излишне и бесполезно». [8] Возможно, он был первым ученым, принявшим форму позитивизма.в его подходе. Он писал, что «мы не выходим за пределы опыта, и мы не можем довольствоваться использованием чистых понятий при исследовании природных явлений», и что их понимание невозможно получить без математики. Предположив, что свет является материальной субстанцией, он не обсуждает далее его природу, а ограничивает свои исследования диффузией и распространением света. Он принимает во внимание только те свойства света, которые поддаются лечению с помощью геометрии и проверяются экспериментально. [9]

Галилео Галилей [ править ]

Измеренное время падения небольшого стального шара, падающего с разной высоты. Данные хорошо согласуются с прогнозируемым временем падения , где h - высота, а g - ускорение свободного падения.

Галилео Галилей как ученый проводил количественные эксперименты по многим темам. Используя несколько различных методов, Галилей смог точно измерить время. Раньше большинство ученых использовали расстояние для описания падающих тел, применяя геометрию , которая использовалась и доверяла со времен Евклида . [10] Галилей сам использовал геометрические методы для выражения своих результатов. Успехам Галилея способствовало развитие новой математики, а также грамотно спланированные эксперименты и оборудование. В то время развивался другой вид математики - алгебра.. Алгебра позволила арифметическим вычислениям стать такими 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 описывают физические отношения точным и непротиворечивым образом.

Ярким примером является «эксперимент с мячом и рампой». [11] В этом эксперименте Галилей использовал наклонную плоскость и несколько стальных шаров разного веса. Благодаря этой конструкции Galileo смог замедлить падающее движение и записать с разумной точностью время, за которое стальной шар проходил через определенные отметки на балке. [12] Галилей опроверг утверждение Аристотеля о том, что вес влияет на скорость падения объекта. Согласно теории падающих тел Аристотеля, более тяжелый стальной шар достигнет земли раньше, чем более легкий стальной шар. Гипотеза Галилея заключалась в том, что два шара упадут на землю одновременно.

За исключением Галилея, немногие люди его времени могли точно измерить короткие промежутки 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 . [13] Маятник был синхронизирован с человеческим пульсом . Он использовал это, чтобы измерить время, в которое утяжеленные шары прошли отметки, сделанные им на наклонной плоскости. Его измерения показали, что шары разного веса достигают нижней части наклонной плоскости одновременно и что пройденное расстояние пропорционально квадрату прошедшего времени. [14] Позже ученые резюмировали результаты Галилея какУравнение падающих тел . [15] [16]

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

Эти результаты подтверждают гипотезу Галилея о том, что объекты разного веса при измерении в одной и той же точке падения падают с одинаковой скоростью, потому что испытывают одинаковое гравитационное ускорение.

Антуан Лавуазье [ править ]

Ледяной калориметр Лавуазье и Лапласа

Эксперименты Антуана Лавуазье (1743–1794), французского химика, считающегося основоположником современной химии, были одними из первых, которые были действительно количественными. Лавуазье показал, что, хотя материя меняет свое состояние в химической реакции , количество вещества остается таким же в конце, как и в начале каждой химической реакции. В одном эксперименте он сжег фосфор и серу в воздухе, чтобы посмотреть, подтверждают ли результаты его предыдущий вывод ( Закон сохранения массы). Однако в этом эксперименте он определил, что продукты весили 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 продуктом, теряется из воздуха. Эти эксперименты предоставили дополнительную поддержку его Закону сохранения массы .

Один из экспериментов Лавуазье связал миры дыхания и горения . Гипотеза Лавуазье заключалась в том, что горение и дыхание - одно и то же, и горение происходит при каждом дыхании. Работая с Пьером-Симоном Лапласом , Лавуазье разработал ледяной калориметр для измерения количества тепла, выделяемого при сгорании или дыхании. Эта машина состояла из трех концентрических отсеков. В центральном отсеке находился источник тепла, в данном случае морская свинка или кусок горящего угля.. В среднем отсеке находилось определенное количество льда для плавления источника тепла. Во внешнем отсеке для изоляции был уплотнен снег. Затем Лавуазье измерил количество углекислого газа и количество тепла, выделяемого при помещении живой морской свинки в это устройство. Лавуазье также измерил количество тепла и углекислого газа, выделяемое при сжигании угля в калориметре. Используя эти данные, он пришел к выводу, что дыхание на самом деле было медленным процессом горения. Он также обнаружил посредством точных измерений, что эти процессы производят углекислый газ и тепло с той же постоянной пропорциональности. Он обнаружил, что для 224 зерен «неподвижного воздуха» (CO 2) произведено, 13 унций (370 г). льда был растоплен в калориметре. Преобразование зерен в граммы и использование энергии, необходимой для плавления 13 унций (370 г). льда, можно подсчитать, что в экспериментах с калориметром Лавуазье на каждый произведенный грамм CO 2 приходилось около 2,02 ккал энергии за счет сгорания углерода или дыхания. Это хорошо согласуется с современной опубликованной теплотой сгорания углерода 2,13 ккал / г. [17] Это непрерывное медленное горение, которое, как предполагали Лавуазье и Лаплас, происходило в легких , позволяло живому животному поддерживать температуру тела выше температуры окружающей среды, что объясняет загадочный феномен животного тепла. [18] Лавуазье заключил: «Дыхание есть не 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. [19] 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 . Взвешивая количество сахара, он добавил дрожжи и воду.в отмеренных количествах, позволяя смеси забродить. Затем Лавуазье измерил массу углекислого газа и воды, которые выделялись во время ферментации, и взвесил остаточный щелок, компоненты которого затем были разделены и проанализированы для определения их элементарного состава. [20] Таким образом, он контролировал несколько возможных мешающих факторов. Он смог 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. [21]Более того, он показал, что общая масса каждого составляющего элемента до и после химического изменения оставалась неизменной. Точно так же он экспериментально продемонстрировал, что масса продуктов сгорания равна массе реагирующих ингредиентов.

Луи Пастер [ править ]

(Вверху) Колба с лебединой шеей с бульоном и без бактерий после кипячения для удаления любых микробов или микроорганизмов. (Внизу) Еще одна колба с лебединой шеей, в которую попали внешние загрязнители в воздухе. В этом бульоне растут микроорганизмы.

Французский биолог Луи Пастер (1822-1895), которого считал [ кем? ] как «отец микробиологических наук и иммунологии», работал в 19 веке. [22] Он постулировал - и подтвердил экспериментальными результатами - идею о том, что болезнетворные агенты не появляются спонтанно, а являются живыми и нуждаются в правильной среде для процветания и размножения. Основываясь на этом открытии, он использовал эксперименты для разработки вакцин против куриной холеры , сибирской язвы и бешенства , а также разработал методы уменьшения количества бактерий в некоторых пищевых продуктах путем их нагревания ( пастеризация). Работа Пастера также побудила его защищать (вместе с английским врачом доктором Джозефом Листером ) антисептические хирургические методы. Большинство ученых того времени считали, что микроскопическая жизнь возникла в результате спонтанного зарождения в неживой материи.

Наблюдения Пастера за крошечными организмами под микроскопом заставили его усомниться в самозарождении. Он разработал эксперимент, чтобы проверить свою гипотезу.что жизнь не может возникнуть там, где жизни нет. Он позаботился о том, чтобы контролировать возможные мешающие факторы. Например, ему нужно было убедиться, что в колбах с бульоном, которые он использовал в качестве тестовой среды, нет никакой жизни, даже микроскопической. Он решил убить все микроскопические организмы, которые уже присутствовали, кипячением бульона до тех пор, пока он не был уверен, что все присутствующие микроорганизмы мертвы. Пастеру также нужно было убедиться, что никакие микроскопические организмы не попали в бульон после кипячения, но бульон нуждался в контакте с воздухом, чтобы правильно проверить теорию. Коллега предложил фляжку с горлышком в форме буквы «S», повернутым в сторону. Пыль (которая, по мнению Пастера, содержала микроорганизмы) будет задерживаться в нижней части первой кривой, но воздух будет свободно проходить через нее. [23]

Таким образом, если бактерии действительно должны возникать спонтанно, то они должны расти в колбе через несколько дней. Если бы самозарождения не произошло, то содержимое колб осталось безжизненным. Эксперимент оказался убедительным: в бульоне не оказалось ни одного микроорганизма. Затем Пастер позволил пыли, содержащей микроорганизмы, смешаться с бульоном. Буквально за несколько дней отвар стал мутным от миллионов растущих в нем организмов. Еще два года он повторял эксперимент в различных условиях и местах, чтобы убедиться, что результаты верны. Таким образом Пастер подтвердил свою гипотезу о том, что самозарождение не происходит. [24]Несмотря на экспериментальные результаты, подтверждающие его гипотезы и его успех в лечении или предотвращении различных заболеваний, исправление общественного заблуждения о спонтанном зарождении оказалось медленным и трудным процессом.

Работая над решением конкретных проблем, Пастер иногда пересматривал свои идеи в свете результатов своих экспериментов, например, когда он столкнулся с задачей найти причину болезни, опустошившей французскую промышленность тутового шелкопряда в 1865 году. После года усердной работы он правильно определили возбудителя и дали практические советы по созданию здоровой популяции моли. Однако, когда он проверил свой собственный совет, он обнаружил, что болезнь все еще присутствует. Оказалось, что он был прав, но неполон - работали два организма. Чтобы найти полное решение, потребовалось еще два года экспериментов. [25]

См. Также [ править ]

  • Список экспериментов

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Alhazen, переведено на английский с немецкого М. Шварцем, из "Abhandlung über das Licht", J. Baarmann (ed. 1882) Zeitschrift der Deutschen Morgenländischen Gesellschaft Vol 36, как указано на стр. 136 Шмуэлем Самбурским (1974) Физическая мысль от досократиков до квантовых физиков ISBN  0-87663-712-8
  2. ^ DC Линдберг , Теория Видения от Аль-Кинди к Kepler , (Чикаго, Univ. Чикаго пр., 1976), стр. 60-7.
  3. ^ Надер Эль-Бизри, "Философский взгляд на оптику Альхазена", Арабские науки и философия , Vol. 15, выпуск 2 (2005), стр. 189–218 (Cambridge University Press)
  4. ↑ Надер Эль-Бизри, «Ибн аль-Хайтам», в « Средневековой науке, технологии и медицине: энциклопедия» , ред. Томас Ф. Глик, Стивен Дж. Ливси и Фейт Уоллис (Нью-Йорк - Лондон: Рутледж, 2005), стр. 237–240.
  5. ^ Альхазен (Ибн аль-Хайты) Критик Птолемея , перевод С. Pines, Actes X Конгрессов Internationale d'Histoire де науки , Том I Итак 1962, как указано на стр.139 Шмуэля Самбурского (изд. 1974) Физическая Мысль от досократики квантовым физикам ISBN 0-87663-712-8 
  6. ^ стр.136, как цитирует Шмуэль Самбурский (1974) Физическая мысль от досократиков до квантовых физиков ISBN 0-87663-712-8 
  7. ^ Плотт, C. (2000), Глобальная История философии: Период схоластики , Motilal Banarsidass , с. 462, ISBN 81-208-0551-8
  8. ^ Альхазен ; Смит, А. Марк (2001), Теория визуального восприятия Альхасена: критическое издание, с английским переводом и комментариями первых трех книг Де Аспектибуса Альхасена, средневековой латинской версии Китаб аль-Маназир Ибн аль-Хайсена , DIANE Publishing , стр. 372 и 408, ISBN 0-87169-914-1
  9. ^ Rashed, Roshdi (2007), "Небесные Кинематика Ибн аль-Хайтам", арабские науки и философии , Cambridge University Press , 17 : 7-55 [19], DOI : 10,1017 / S0957423907000355:

    Реформируя оптику, он как бы принял «позитивизм» (до изобретения этого термина): мы не выходим за пределы опыта, и мы не можем довольствоваться использованием чистых концепций при исследовании природных явлений. приобретается без математики. Таким образом, как только он предположил, что свет является материальной субстанцией, Ибн аль-Хайсам не обсуждает далее его природу, а ограничивается рассмотрением его распространения и рассеивания. В своей оптике «мельчайшие части света», как он их называет, сохраняют только те свойства, которые можно рассматривать с помощью геометрии и проверять экспериментально; им недостает всех чувственных качеств, кроме энергии ».

  10. ^ Дрейк, Стиллман; Swerdlow, Ноэль М .; Левер, Тревор Вряд ли. Очерки Галилея, истории и философии науки, Том 3. Стр. 22. University of Toronto Press. 1999. ISBN 978-0-8020-4716-8 . 
  11. ^ Solway, Эндрю. Изучение сил и движения. Стр. 17. Издательская группа Розен. 2007. ISBN 978-1-4042-3747-6. 
  12. ^ Стюарт, Джеймс. Редлин, Лотар. Уотсон, Салим. Колледж алгебры. Страница 562. Cengage Learning. 2008. ISBN 978-0-495-56521-5. 
  13. ^ Массачусетское медицинское общество, Хирургическое общество Новой Англии. Бостонский медицинский и хирургический журнал, том 125. Стр. 314. Cupples, Upham & Co. 1891
  14. ^ Тинер, Джон Хадсон. Изучение мира физики: от простых машин до ядерной энергии. Издательская группа New Leaf. 2006. ISBN 0-89051-466-6 
  15. ^ Longair, MS Теоретические концепции в физике: альтернативный взгляд на теоретические рассуждения в физике. Стр. 37. Cambridge University Press. 2003. ISBN 978-0-521-52878-8. 
  16. ^ Schutz, Бернард Ф. Гравитация с нуля. Страница 3. Издательство Кембриджского университета. 2003. ISBN 978-0-521-45506-0. 
  17. ^ Холмс (1987; стр.188) Опубликованное значение теплоты сгорания углерода обычно выражается как 393,5 кДж / моль; преобразование единиц дает цифру в единицах для сравнения 2,13 ккал / г
  18. ^ Холмс (1987; стр.197)
  19. ^ Белл (2005; стр.44)
  20. ↑ Холмс (1987; стр.382)
  21. ^ Белл (2005; стр.92)
  22. ^ Симмерс, Луиза. Симмерс-Нарткер, Карен. Разнообразные занятия в сфере здравоохранения. Страница 10. Cengage Learning 2008. ISBN 978-1-4180-3021-6 
  23. ^ Дюбо (1986; с.169)
  24. ^ Дебра, Patrice. Луи Пастер. Стр. 300. JHU Press, 2000. ISBN 978-0-8018-6529-9 
  25. ^ Дюбо (1986; с.210)
  • Белл, Мэдисон Смарт (2005) Лавуазье в первый год .. WW Norton & Company, Inc. ISBN 0-393-05155-2 
  • Холмс, Фредерик Лоуренс (1987) Лавуазье и химия жизни: исследование научного творчества , Univ. Wisconsin Press. Перепечатка. ISBN 978-0-299-09984-8 . 
  • Дубос, Рене Дж. (1986) Луи Пастер: Свободное копье науки . Da Capo Press. ISBN 978-0-306-80262-1 
  • Купелис, Тео; Кун, Карл Ф. (2007) В поисках Вселенной . Джонс и Бартлетт Издательство. ISBN 978-0-7637-4387-1 .