История экспериментов - History of experiments

История экспериментальное исследование длинный и разнообразный. Действительно, само определение эксперимента изменилось в ответ на изменение норм и практики в определенных областях исследования. Эта статья документирует историю и развитие экспериментальных исследований с момента их возникновения в Галилея изучение гравитации в широко применяемый сегодня метод.

Ибн аль-Хайсам

«Как свет проходит через прозрачные тела? Свет проходит через прозрачные тела только по прямым линиям ... Мы исчерпывающе объяснили это в нашей статье. Книга оптики."[1] —Альхазен

В Арабский физик Ибн аль-Хайсам (Альхазен) использовал эксперименты, чтобы получить результаты в своем Книга оптики (1021). Он объединил наблюдения, эксперименты и рациональный аргументы в поддержку его вводной теории зрение, в котором лучи из свет испускаются объектами, а не глазами. Он использовал аналогичные аргументы, чтобы показать, что древние эмиссионная теория зрения при поддержке Птолемей и Евклид (в котором глаза испускают лучи света, используемые для зрения), а древние теория интромиссии при поддержке Аристотель (где объекты испускают физические частицы в глаза), оба были неправы.[2]

Экспериментальные данные подтверждают большинство предположений его Книга оптики и обосновал свои теории зрения, света и цвета, а также свои исследования в области катоптрики и диоптрии. Его наследие было разработано путем «реформирования» его Оптика к Камаль ад-Дин аль-Фариси (ум. ок. 1320) в последнем Китаб Танких аль-Маназир (Пересмотр [Ибн аль-Хайсам] Оптика).[3][4]

Альхазен рассматривал свои научные исследования как поиск правда: «Истина ищется ради нее самой. А те, кто занят поиском чего-либо ради нее самого, не интересуются другими вещами. Найти истину трудно, и путь к ней труден ...[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 туго натянутую нить рядом со световым лучом.[6]

Ибн аль-Хайсам нанял научный скептицизм, подчеркивая роль эмпиризм и объясняя роль индукция в силлогизм. Он зашел так далеко, что критиковал Аристотель из-за отсутствия вклада в метод индукции, который Ибн аль-Хайтам считал не только превосходящим силлогизм, но и основным требованием для истинного научного исследования.[7]

Что-то вроде бритва Оккама также присутствует в Книга оптики. Например, продемонстрировав, что свет генерируется светящимися объектами и излучается или отражается в глаза, он заявляет, что, следовательно, « исключение [визуальных] лучей излишни и бесполезны ».[8] Возможно, он также был первым ученым, принявшим форму позитивизм 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

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

Галилео Галилей как ученый проводил количественные эксперименты по многим темам. Используя несколько различных методов, Галилей смог точно измерить время. Ранее большинство ученых использовали расстояние для описания падающих тел, применяя геометрия, которым пользовались и которому доверяли с Евклид.[10] Сам Галилей 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 сделать открытия таких ученых, как Галилей, а также более поздних ученых, таких как Исаак Ньютон, Джеймс Клерк Максвелл и Альберт Эйнштейн - подытожить математическим уравнения. 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 маятник.[13] Маятник был синхронизирован с человеческим пульс. 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 дна наклонная плоскость в то же время и что пройденное расстояние было пропорционально квадрату прошедшего времени.[14] Позже ученые резюмировали результаты Галилея как Уравнение падающих тел.[15][16]

Расстояние d путешествовал объектом, тянущим время т куда грамм - ускорение свободного падения (~ 9,8 м / с2):

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

Антуан Лавуазье

Ледяной калориметр Лавуазье и Лапласа

Эксперименты Антуан Лавуазье (1743–1794), французский химик, считающийся основоположником современной химии, был одним из первых, кто начал проводить по-настоящему количественные исследования. Лавуазье показали, что хотя материя меняет свое состояние в химическая реакция, количество иметь значение то же самое в конце, что и в начале каждой химической реакции. В одном эксперименте он сжег фосфор и серу на 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 Закон сохранения массы.

Один из экспериментов Лавуазье соединил миры дыхание и горение. Гипотеза Лавуазье заключалась в том, что горение и дыхание - одно и то же, и горение происходит при каждом дыхании. Работаю с Пьер-Симон Лаплас, Лавуазье сконструировал лед калориметр прибор 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 горения уголь. В среднем отсеке находилось определенное количество льда для плавления источника тепла. Во внешнем отсеке для изоляции находился уплотненный 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 с помощью точных измерений, что эти процессы производят углекислый газ и тепло с той же постоянной пропорциональности. Он обнаружил, что для 224 зерен «неподвижного воздуха» (CO2) 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 вычислить, что на каждый грамм CO2 В результате сжигания углерода или дыхания в экспериментах Лавуазье с калориметром было произведено около 2,02 ккал энергии. Это хорошо согласуется с современными опубликованными теплота сгорания для углерода 2,13 ккал / г.[17] Это непрерывное медленное горение, которое предположили Лавуазье и Лаплас, имело место в легкие, позволяла 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 первым экспериментально пришел к выводу, что Закон сохранения массы применяется к химическому изменению.[19] Его гипотеза заключалась в том, что масса реагентов будет такой же, как масса продуктов в химическая реакция. Он экспериментировал с винным ферментация, определяя количество водород, кислород, и углерод в сахар. Взвешивая количество сахара, он добавил: дрожжи и воды 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 улавливать 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

(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 загрязнения в воздухе. В этом бульоне растут микроорганизмы.

Французский биолог Луи Пастер (1822-1895), считается[кем? ] как «отец микробиологических наук и иммунологии» работал в 19 веке.[22] Он постулировал - и поддержал 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 куриная холера, сибирская язва и бешенство, и разработаны методы уменьшения бактерии в некоторых пищевых продуктах путем их нагрева (пастеризация ). Работа Пастера также побудила его выступить в защиту (вместе с английским врачом доктором Дж. Джозеф Листер ) антисептические хирургические методы. Большинство ученых того времени считали, что микроскопическая жизнь возникла из самозарождение в неживой материи.

Наблюдения Пастера за крошечными организмы под микроскоп заставило его усомниться в самозарождении. Он разработал эксперимент, чтобы проверить свои гипотеза 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 перед ним стояла задача найти причину болезни, опустошающей французов. промышленность тутового шелкопряда в 1865 г. После года кропотливой работы он правильно определил возбудитель и дал 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]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Альхазен, переведенный на английский с немецкого М. Шварцем, из "Abhandlung über das Licht", J. Baarmann (изд. 1882 г.) 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. ^ Д. К. Линдберг, Теории видения от аль-Кинди до Кеплера(Чикаго, Университет Чикаго, 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-Хайсам», в Средневековая наука, технология и медицина: энциклопедия, ред. Томас Ф. Глик, Стивен Дж. Ливси и Фейт Уоллис (Нью-Йорк - Лондон: Routledge, 2005), стр. 237–240.
  5. ^ Альхазен (Ибн аль-Хайсам) Критика Птолемеяв переводе С. Пайнса, Actes X Международный конгресс истории наук, Об. я Итака 1962 г., как указано на стр. 139 Шмуэля Самбурского (изд. 1974 г.) Физическая мысль от досократиков до квантовых физиков ISBN  0-87663-712-8
  6. ^ с.136, цитирует Шмуэль Самбурский (1974) Физическая мысль от досократиков до квантовых физиков ISBN  0-87663-712-8
  7. ^ Плотт, К. (2000), Глобальная история философии: период схоластики, Мотилал Банарсидасс, п. 462, г. 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 книги Альхасена De Aspectibus, средневековой латинской версии Китаб аль-Маназира Ибн аль-Хайсена, Издательство ДИАНА, стр. 372 и 408, ISBN  0-87169-914-1
  9. ^ Рашед, Рошди (2007), «Небесная кинематика Ибн аль-Хайсама», Арабские науки и философия, Издательство Кембриджского университета, 17: 7–55 [19], Дои: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. Страница 22. University of Toronto Press. 1999 г. ISBN  978-0-8020-4716-8.
  11. ^ Солуэй, Эндрю. Изучение сил и движения. Стр. 17. Издательская группа Розен. 2007 г. ISBN  978-1-4042-3747-6
  12. ^ Стюарт, Джеймс. Редлин, Лотар. Уотсон, Салим. Колледж алгебры. Страница 562. Cengage Learning. 2008 г. 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 г. ISBN  0-89051-466-6
  15. ^ Лонгэр, М. Теоретические концепции в физике: альтернативный взгляд на теоретические рассуждения в физике. Стр. 37. Cambridge University Press. 2003 г. ISBN  978-0-521-52878-8
  16. ^ Шютц, Бернард Ф. Гравитация с нуля. Страница 3. Издательство Кембриджского университета. 2003 г. ISBN  978-0-521-45506-0
  17. ^ Холмс (1987; стр. 188). Опубликованное значение теплота сгорания для 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. ^ Дубос (1986; с.169)
  24. ^ Дебре, Патрис. Луи Пастер. Страница 300. JHU Press, 2000. ISBN  978-0-8018-6529-9
  25. ^ Дубош (1986; с.210)
  • Белл, Мэдисон Смарт (2005) Лавуазье в первый год.. W.W. 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.