§ 5. Формальные условия измерения

На данном этапе мы можем абстрактно сформулировать условия для измерения. Минимальные требования для использования чисел для измерения (в самом широком смысле этого слова) качественных различий представлены в первых двух условиях:

1. Если дан набор из n предметов, В1, В2… Вп, то мы должны расставить их в последовательность относительно данного качества так, чтобы между любыми двумя предметами имело место одно, и только одно, из следующих отношений: (a) Bi > Bj, (b) Bi < Bj (с) Bi = Bj. Знак «>» и обратный ему знак «<» обозначают отношение, на основе которого предметы могут выделяться как отличающиеся по степени изучаемого качества. Отношение > должно быть асимметричным.

2. Если Bi > Bj и Bj > Вк, то Bi > Вк. Это условие выражает транзитивность рассматриваемого отношения.

Данные два условия достаточны для измерения интенсивных качеств, таких, как температура или плотность. Они являются необходимыми, однако недостаточными для экстенсивного измерения. Для экстенсивного измерения нам нужен некоторый физический процесс сложения, обозначаемый знаком «+». Необходимо также экспериментально показать, что этот процесс обладает следующими формальными свойствами:

3. Если Ве + Bf= Вg, то Bf+Be = Вg.

4. Если Bi = Вi, то Bi + Bj > Вi ′.

5. Если Bi = Вi и Bj = Вi ′, то Bi + Bj = Вi ′+ Вj ′.

6. (Bi + Bj) + Bk = Bi + (Bj + Bk).

Измерение в строгом смысле возможно, только если выполнены все эти условия. Когда выполнены только первые два условия, бессмысленно делать утверждения, имплицирующие соблюдение всех шести условий. Когда мы утверждаем, что IQ одного человека равняется 150, а другого – 75, то все, что мы можем иметь в виду, – только то, что на определенной шкале для измерения интеллекта (требующей наличия специализированных способностей) один человек располагается «выше» другого. Бессмысленно говорить, что первый человек в два раза умнее или в два раза более развитый, чем другой, потому что не было открыто ни одной операции по сложению ума или развития, которая бы согласовывалась с последними четырьмя условиями, необходимыми для того, чтобы соответствующее утверждение было осмысленным.

§ 6. Количественные законы и производное измерение

Когда мы устанавливаем стандартную последовательность измерений для какого-либо качества, присущего предметам, мы измеряем любой другой пример данного качества, сравнивая его с каким-либо членом стандартной последовательности. Например, стандартная последовательность длин воплощена в платиновом метре, хранящемся в Париже при определенных физических условиях. Его более или менее точные дубликаты распространены по всему миру. Если кто-то захочет узнать длину некоего куска материи, он сопоставит этот кусок с мерой длиной в один метр или с измерительной линейкой. Таким образом, для оценки длины куска материи требуется непосредственное вынесение суждения о проведенном сравнении. Сходные процессы измерения имеют место и в случае других измеряемых качеств.

Однако измерения качеств редко осуществляются для измерения как такового. Их проводят для установления точных отношений между различными свойствами предметов. В лаборатории измерения проводятся для единственной цели – открытия количественных законов, связывающих физические свойства.

Рассмотрим один такой количественный закон. Большинство людей знакомо со свойством жидкостей и твердых тел, именуемым «плотностью». В общем, известно также и то, что именно плотность определяет их плавучесть в воде. Однако не всегда известно, каково отношение плотности к другим свойствам тела. Предположим, мы хотели бы измерить плотность следующих пяти жидкостей: бензина, спирта, воды, соляной кислоты, ртути. Мы можем считать одну жидкость, скажем, ртуть, более плотной, чем вода, если мы можем найти такое твердое тело, которое будет плавать на поверхности ртути и тонуть в воде. С помощью эксперимента мы можем показать, что плотность, определяемая таким образом, является асимметричным, транзитивным свойством и что поэтому жидкости могут быть расставлены в последовательность по увеличению плотности. В действительности порядок жидкостей будет таким же, как мы его записали выше. При этом мы обнаруживаем, что плотность не является суммируемым свойством жидкостей и что мы можем измерять ее только как интенсивное качество. Мы можем приписать числа 1, 2, 3, 4, 5 для обозначения положений жидкостей на шкале плотности. Как мы уже отмечали, данные числа являются случайными.

Однако читателю может быть известно, что плотностям разных жидкостей приписываются различные числа, которые при этом не являются случайными. Причина этого заключается в том, что многие интенсивные качества могут измеряться иными способами, а не только посредством расстановки, согласно некоторой последовательности. Плотность является одним из таких качеств.

Этот иной способ является довольно известным. Он зависит от существования численного закона между другими свойствами жидкостей, с которыми их плотность связана неизменным отношением. Когда мы взвешиваем различные объемы некоторой жидкости, скажем, воды, мы экспериментально обнаруживаем, что отношение чисел, измеряющих вес и объем жидкости, остается одним и тем же, безотносительно того, насколько большой или малый объем мы измеряем. Таким образом, мы устанавливаем количественный закон между свойствами веса и объема жидкости. Этот закон гласит: W = cV, где W является мерой веса, V – мерой соответствующего объема, ас – постоянной величиной для всех примеров одной и той же жидкости; для других же жидкостей величина с будет иной. Проведя правильный подбор единиц веса и объема, мы обнаруживаем, что с обладает значением 0,75 для бензина, 0,79 – для спирта, 1 – для воды, 1,27 для серной кислоты и 13,6 для ртути. Мы также делаем важное открытие того, что порядок этих отношений тот же самый, что и порядок плотности жидкостей, когда он устанавливается способом, использованным нами выше. Это отношение, являющееся постоянным для всех примеров однородной жидкости, может рассматриваться как мера ее плотности. Однако нам следует быть внимательными, чтобы не сказать, что плотность ртути в 13,6 раза «больше» плотности воды, поскольку плотность, безотносительно способа ее измерения, является несуммируемым свойством. Плотность можно с точностью измерить и приписать числа различным ее степеням не случайным образом только в силу существования связи между весом и объемом. Данная связь может быть выражена в виде количественного закона между отношениями, измеряемыми фундаментальными способами измерения. Плотность же может измеряться только производным методом.

Количественные законы играют очень важную роль в научных исследованиях. Открытие количественных законов между качествами, измеряемыми в строгом смысле слова, т. е. с помощью фундаментального измерения, позволяет нам точно измерять множество интенсивных качеств, таких как температура, плотность, плавучесть, эластичность или эффективность агрегатов. Только с помощью количественных законов мы можем измерять температуры отдаленных звезд или кровяное давление в артериях живых существ. Однако важно отметить, что без наличия свойств, измеряемых с помощью фундаментального процесса, количественные законы были бы невозможны, а производные измерения интенсивных свойств были бы неосуществимы. (Однако свойства, измеряемые с помощью фундаментального процесса, также могут измеряться и производным методом.) Это отчасти объясняет некоторые сложности в развитии социальных наук. Точные расчеты интенсивных свойств являются неосуществимыми, поскольку фундаментальные измерения в социальной сфере сложны, а также потому что можно отыскать лишь часть количественных законов, соединяющих такие интенсивные свойства с экстенсивными свойствами.

Количественные законы представляют определенные неизменные отношения между физическими свойствами. Наука направлена не только на установление таких законов по отдельности, но также на отыскание того, как различные количественные законы связаны друг с другом.

Предположим, к примеру, что мы позволяем двум круговым цилиндрам катиться вниз по двум различным наклонным плоскостям. Цилиндры имеют различные радиусы прямого сечения, а плоскости наклонены к горизонту под разными углами. Если мы хотим отыскать закон, соединяющий расстояние, пройденное каждым цилиндром, и время, то мы можем установить, что для первого цилиндра данный закон будет выглядеть так: d = 0,20t2, а для второго – так: d = 0,35t2. Эти законы обладают одной и той же формой. Однако количественные константы в них разные и, похоже, не связаны друг с другом.

Физика как научная дисциплина стремится открыть другие количественные законы, которые будут объяснять различие в этих количественных постоянных, и мы для этого используем другие цилиндры и другие наклонные плоскости. И это предприятие имеет успех. Физическое исследование показывает, что количественный закон поведения катящегося цилиндра может быть выражен в форме d = ft2, где величина f сама по себе является связанной с гравитационной постоянной, наклоном плоскости, коэффициентом движения, радиусом сечения цилиндра и распределением вещества в цилиндре. Таким образом, науки отыскивают все более общие неизменные законы, объясняющие многие специальные свойства составного явления. Однако подобное исследование может быть успешным только в том случае, если различные свойства тел были отделены друг от друга посредством процессов измерения.