Experimentovanie ako metóda je dôležitým a efektívnym nástrojom vedeckého bádania. Hoci získavanie vedeckých poznatkov sa opiera aj o niektoré ďalšie, neexperimentálne metódy, funkcia vedeckých experimentov je vo výskume nezastupiteľná.
Čitatelia Quarku sa pravidelne na jeho stránkach majú možnosť stretnúť s vysvetlením povahy a výsledkov viacerých významných i menej známych experimentov. To, na čo sa teraz sústredíme, bude opis a vysvetlenie všeobecnej štruktúry metódy experimentovania.
Atómy majú jadro
Začnime príkladom slávneho experimentu. Koncom 19. storočia sa britskému fyzikovi J. J. Thomsonovi (1856 – 1940) podarilo pri experimentovaní s katódovými trubicami objaviť subatomárnu časticu so záporným nábojom – elektrón. Keďže však vedel, že atómy ako také majú neutrálny náboj, myslel si, že záporné elektróny sú rozptýlené rovnomerne v akomsi pozitívne nabitom prostredí atómu. Tento model atómu je známy ako plum pudding model, pretože pripomína tradičný anglický dezert.
Ernest Rutherford (1871 – 1937), Thomsonov žiak, však predpoklad Thomsonovho modelu atómu experimentálne spochybnil. Experimentálna zostava obsahovala zdroj alfa častíc, čo sú jadrá hélia, ktorých lúč bombardoval zlatú fóliu. Tá bola obklopená luminiscenčným detektorom, ktorý zachytával alfa častice prechádzajúce cez ňu, ako aj tie, ktoré boli fóliou vychýlené. Thomsonov model atómu predpokladal, že pozitívny náboj je ako polievka rozptýlený v celom objeme atómu, pričom v ňom plávajú elektróny rovnomerne rozvrstvené v celom objeme. Keby bol tento predpoklad správny, očakávali by sme, že keď atómami zlatej fólie preletia kladne nabité častice, rozptýlený kladný náboj ich nijako nevychýli a všetky častice priamočiaro dopadnú na detektor za fóliou. E. Rutherford však pozoroval, že približne 1 z 20 000 alfa častíc bola vychýlená z dráhy o viac ako 90°. Ako takýto výsledok vysvetliť?
Keby sme prijali hypotézu, že kladný náboj atómu je sústredený do maličkého jadra, pričom zvyšok tvoria prázdny priestor a elektróny, ktoré jadro v určitej vzdialenosti obklopujú, vysvetľovalo by to, prečo drvivá väčšina jadier hélia prešla cez fóliu bez zmeny dráhy, no v ojedinelých prípadoch sa odrazili a vychýlili o viac ako 90°. Výsledky tohto experimentu tak viedli k potvrdeniu hypotézy, že atómy majú jadrá, v ktorých je sústredený kladný náboj atómu.
Zmena podmienok a kontrola
Rutherfordov experiment vyjadruje základný aspekt, ktorý je spoločný všetkým experimentom: Experimentátor pri experimentovaní zámerne a plánovane mení určité podmienky a sleduje, či sa táto zmena nejako prejaví. Rutherfordov experiment však zahŕňa aj ďalší aspekt experimentov, ktorý na prvý pohľad nemusí byť zjavný: Každý experiment si vyžaduje aj kontrolu ďalších podmienok, ktoré môžu mať vplyv na výsledok experimentu. Ak experimentátor opakovane pozoruje, že existuje určitý vzťah medzi zmenou podmienok, ktorú navodil, a následným stavom, môže takto dospieť k poznaniu príčin daného javu. Aby sme túto myšlienku rozvinuli, priblížme si najskôr kľúčové pojmy, ktoré vyjadrujú základné prvky každého experimentu.
Premenné, premenné a ešte raz premenné
Premenná je výraz označujúci určitú vlastnosť alebo charakteristiku, ktorá môže nadobudnúť aspoň dve rôzne hodnoty. Napríklad výrazy ako mesiac v roku alebo elektrický náboj sú premenné, pretože vyjadrujú určitú vlastnosť alebo kvantifikovateľnú charakteristiku.
Každý experiment možno opísať prostredníctvom troch základných typov premenných. Nezávislá premenná opisuje tie okolnosti experimentu, ktoré experimentátor zámerne mení. Experimentátor teda intervenuje (zasahuje) do hodnôt nezávislej premennej a sleduje, či sa tento zásah nejako prejaví. Predpokladaný prejav tejto intervencie vyjadrujeme závislou premennou. Závislá premenná teda vyjadruje tie charakteristiky experimentálnej situácie, o ktorých predpokladáme, že sú výsledkom zmeny hodnôt nezávislej premennej.
Každá experimentálna situácia však zahŕňa aj ďalšie faktory, ktorých prítomnosť, neprítomnosť alebo intenzita môžu mať popri nezávislej premennej vplyv na hodnoty závislej premennej. Tieto faktory sú reprezentované tzv. vedľajšími premennými. To, v akom prostredí sa experiment realizuje a aké nástroje pri tom využívame, môže mať v konečnom dôsledku vplyv na výsledok celého experimentu. Ak chceme vzťah medzi nezávislou a závislou premennou spoľahlivo určiť, potrebujeme v experimente kontrolovať vplyv takýchto vedľajších premenných. Ako však takúto kontrolu zabezpečiť?
Kontrola vedľajších premenných
V niektorých prípadoch – predovšetkým vtedy, keď môžeme predmetný systém skúmať v laboratórnych podmienkach – je možné kontrolovať vedľajšie premenné priamo. To znamená, že pri opakovaní experimentálnych testov udržiavame hodnoty vedľajších premenných na konštantnej hodnote. Faktory, ktoré môžu ovplyvňovať hodnoty závislej premennej, sa tak pri zmenách hodnôt nezávislej premennej nemenia. Vďaka tomu môžeme priamo odfiltrovať ich vplyv na výsledok experimentu.
Experiment teda možno vymedziť ako aktívnu zmenu hodnôt nezávislej premennej pri kontrolovaní hodnôt vedľajších premenných s cieľom zistiť, či sa zmena hodnôt nezávislej premennej prejaví (systematickým a invariantným spôsobom) na zmene hodnôt závislej premennej. Samozrejme, naše poznanie faktorov, ktoré môžu mať vplyv na experimentálnu situáciu, nie je dokonalé. Niektorých faktorov, ktoré sa podieľajú na výsledku experimentu, si nemusíme byť vedomí. Tieto faktory označujeme ako rušivé premenné.
Nie všetky experimenty sa však realizujú v laboratóriu, kde môžeme mať relatívne priamu kontrolu nad známymi vedľajšími premennými. Keď chceme napríklad zistiť, či je určitý farmakologický prípravok zdravotne účinný, uvedomujeme si, že potenciálni pacienti, na ktorých by sme ho testovali, sa líšia vo viacerých zdravotne relevantných znakoch. Vek pacientov, pohlavie, individuálna zdravotná anamnéza, ich životný štýl a mnohé ďalšie faktory tu reprezentujú vedľajšie premenné, ktoré nedokážeme priamo ovplyvniť.
Náhodné rozdelenie do skupín
V takom prípade však môžeme uplatniť nepriamu kontrolu. Jej hlavným nástrojom je tzv. randomizácia – náhodné rozdelenie subjektov vzorky, s ktorou pracujeme, na minimálne dve skupiny podobnej veľkosti: experimentálnu a kontrolnú skupinu. Subjektom experimentálnej skupiny podáme testované liečivo (realizujeme intervenciu), kým subjektom kontrolnej skupiny liečivo nedáme vôbec alebo im namiesto neho podáme placebo, teda neúčinnú látku imitujúcu liečivo.
Samozrejme, naďalej platí, že nad vedľajšími premennými v experimentálnej i kontrolnej skupine nemáme priamu kontrolu. No tým, že sme subjekty pridelili do dvoch skupín náhodne, zvýšili sme pravdepodobnosť, že rôzne hodnoty vedľajších premenných budú približne rovnako zastúpené v oboch skupinách. Jediný systematický rozdiel medzi experimentálnou a kontrolnou skupinou tak bude v tom, či subjekty dostali dané liečivo alebo nie. Ak pozorujeme, že sa rozdiel v hodnote nezávislej premennej (liečivo/bez liečiva) prejavil v hodnote závislej premennej (zlepšenie zdravotného stavu v experimentálnej skupiny/stav bez výraznej zmeny v kontrolnej skupine), môžeme to pripísať na vrub práve experimentálnej intervencii.
Na čo slúžia?
Vedecké experimenty sú hlavným nástrojom poznania kauzálnych vzťahov. Tým, že aktívne pozorujeme, ako sa zmena určitých podmienok (pri kontrolovaní ostatných podmienok) prejaví vo výsledku, odhaľujeme príčinné vzťahy medzi sledovanými podmienkami. Výsledky experimentov neraz viedli k objavu nových entít, procesov či javov, ktoré neboli pôvodne očakávané.
Experimenty sú však najmä silným nástrojom testovania vedeckých hypotéz. V prípade, že z hypotézy odvodíme testovateľný dôsledok (predikciu), ktorý sa opakovane experimentom podarí preukázať, vedie to k potvrdeniu hypotézy. Ak sú, naopak, výsledky experimentálneho testu v rozpore s tým, čo sme z danej hypotézy odvodili, vedie to k jej spochybneniu či odmietnutiu. Napokon, experimenty plnili a plnia ďalšie funkcie. Určenie hodnôt niektorých fyzikálnych konštánt či kalibrácia meracích prístrojov by sa bez experimentovania nezaobišli.
doc. Mgr. Lukáš Bielik, PhD.
Katedra logiky a metodológie vied
Filozofická fakulta
Univerzita Komenského v Bratislave
