Μεθοδολογικές προσεγγίσεις και ο ρόλος του πειράματος στο έργο του Lord Rayleigh

Abstract

Lord Rayleigh (1842-1919) was a British physicist who, for about fifty years, dealt with a wide range of classical physics as it was formed in his time, publishing more than 440 scientific articles. In addition to his research, Rayleigh held high-ranking administrative positions in several foundations and institutions during this long period. He was the second director of the Cavendish Laboratory, and, later, his contribution to the establishment of the National Physical Laboratory(NPL) was vital. He also served as president of the Royal Society and the British Association for the Advancement of Science; however, a large part of Rayleigh’s experiments were carried out in his private laboratory at Terling Place. This was a period of transition for the experiment, which moved from the private space of affluent experimenters to the public spaces of research centers and universities. Experimentation was an integral element in Rayleigh’s investigations, and precise measurements are at the heart of his experimental practice. Nevertheless, what constitutes accuracy in Rayleigh’s measurements is a complex issue. Measurement is an activity, while accuracy, besides being a criterion of measurement reliability, is also a characteristic linked to a process of corrections, processing, and discussion of data, which is part of the broader cognitive and social context. In this sense, even in the “technical core” of measurements, there are historical, social, and cultural dimensions. Therefore, even in measurements, there are alternative scientific practices, and there may be different personal styles of scientists. After the introductory chapter, where the topic and research questions of the dissertation are raised, the second chapter presents some historiographical and methodological elements concerning measurement and accuracy in the history and philosophy of science. A brief reference is also made to research schools and scientific styles. Then, the next chapter provides a few brief details from Rayleigh’s biography. It attempts a rough sketch of his social and scientific profile, focusing on the aristocratic circle he belonged to, the common values and beliefs he shared with the members of that circle, and the key features of his scientific work. The dissertation is then divided into two parts. The first part consists of four chapters. The first of these, which is the fourth chapter of the dissertation overall, examines the physics laboratories that appeared in the last third of the nineteenth century; more specifically, the study focuses on British and American laboratories. The place of accuracy and precise measurements is the central issue addressed in this chapter. In the fifth chapter, attention is turned to the Cavendish Laboratory and the characteristics it acquired as a center of research and teaching during Rayleigh’s directorship. A key question addressed in this chapter is whether or not there was a research faculty in the laboratory during Rayleigh’s term as director, as well as the role of precise measurements in the laboratory during the same period. In the next chapter, the meaning of the terms “accuracy” and “precision” as well as the distinction between these two concepts are traced through experimental physics textbooks, while in the seventh chapter a corresponding analysis is attempted in order to deal with random and systematic errors in the experimental practice of physicists in the last third of the nineteenth century. The second part of the thesis focuses on two research projects, in the context of which Rayleigh conducted his own investigations: the determination of electrical standards and the determination of the densities of hydrogen, oxygen, and nitrogen, as well as the discovery of Argus. These programmes are chosen for four main reasons. First, these are two central investigations conducted by Rayleigh, as can be seen from the periodization of his scientific work given by his colleague, A. Schuster. Second, it is these investigations from which he gained his reputation as an experimenter, especially in regard to his precise measurements. Third, both of them had accuracy as their key aspect; the first programme was in the context of standardizing a unit, while the second was part of Prout’s hypothesis testing, which in turn required exact measurements. Finally, both programmes had an international character, and this helped the comparative study of the scientists’ experimental practices. The eighth and ninth chapters deal specifically with the determination of the standard and the unit of electrical resistance, and the tenth concerns the densities of hydrogen and oxygen. The eleventh focuses on research concerning the density of nitrogen and the “discovery” of argon. What emerges from this study is that Rayleigh had a personal style with which he approached measurements, accuracy, and errors in his experimental practice. Rayleigh’s style, which is thoroughly analyzed in this dissertation, was not commonplace for physicists or chemists of his time. Different laboratories and scientists approached accuracy in practice differently, at the level of both teaching and research, while even the concept of accuracy itself varied across space and time. Finally, it is argued that even among British physicists, there was variation in the approach to measurement, accuracy, and error analysis. Thus, there was no national style on this issue. Further, the comparative study of Rayleigh’s approach with that of the American “academic engineers,” this hybrid type of physicist-engineer, can shed more light on the dimensions of measurement and precision. Rayleigh and “academic engineers” put precision at the center of their experimental practice. However, they did not approach errors and precision in the same way, particularly with regard to random errors, the method of least squares, and the calculation of probable error. The professionalization of physics and its different paths, as well as its relationships with industry and/or astronomy have been crucial in shaping approaches to measurement, accuracy and error.

Ο Lord Rayleigh (1842-1919) ήταν Βρετανός φυσικός, ο οποίος σε διάστημα περίπου πενήντα ετών ασχολήθηκε με ένα ευρύ φάσμα της κλασικής φυσικής όπως αυτή είχε διαμορφωθεί στην εποχή του, δημοσιεύοντας περισσότερα από 440 επιστημονικά άρθρα. Σε αυτή τη μακρά περίοδο, πέρα από τις έρευνες που διεξήγαγε, ο Rayleigh κατείχε παράλληλα υψηλόβαθμες και διευθυντικές θέσεις σε μια σειρά από ιδρύματα και θεσμούς. Υπήρξε ο δεύτερος διευθυντής του Cavendish Laboratory, ενώ, αργότερα, ήταν βασική η συμβολή του στην ίδρυση του National Physical Laboratory (NPL). Διατέλεσε, επίσης, πρόεδρος της Royal Society και της Βritish Association for the Advancement of Science. Εντούτοις, ένα μεγάλο μέρος των πειραμάτων του Rayleigh πραγματοποιήθηκαν στο ιδιωτικό του εργαστήριο στο Τerling Place. Η εποχή αυτή χαρακτηρίζεται από μια μετάβαση για το πείραμα, το οποίο περνάει από τον ιδιωτικό χώρο των ευκατάστατων πειραματιστών στους δημόσιους χώρους των ερευνητικών κέντρων και των πανεπιστημίων. Το πείραμα είναι οργανικό στοιχείο στις έρευνες του Rayleigh, και οι ακριβείς μετρήσεις είναι στο επίκεντρο της πειραματικής του πρακτικής. Το τι συνιστά όμως ακρίβεια στις μετρήσεις του Rayleigh είναι ένα σύνθετο ζήτημα. Η μέτρηση είναι μια δραστηριότητα και η ακρίβεια, πέρα από ένα κριτήριο της αξιοπιστίας της μέτρησης, είναι ένα χαρακτηριστικό που συνδέεται με μια διαδικασία διορθώσεων, επεξεργασίας και συζήτησης των δεδομένων που εντάσσεται στο ευρύτερο γνωστικό και κοινωνικό πλαίσιο. Υπό αυτή την έννοια, ακόμα και στον «τεχνικό πυρήνα» των μετρήσεων υπάρχουν ιστορικές, κοινωνικές και πολιτισμικές διαστάσεις. Συνεπώς ακόμα και στις μετρήσεις υπάρχουν εναλλακτικές επιστημονικές πρακτικές και ενδεχομένως να υπάρχουν διαφορετικά προσωπικά στυλ των επιστημόνων. Έπειτα από το εισαγωγικό κεφάλαιο, όπου τίθενται το θέμα και τα ερευνητικά ερωτήματα της διατριβής, στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται ορισμένα ιστοριογραφικά και μεθοδολογικά στοιχεία σε σχέση με τη μέτρηση και την ακρίβεια στην ιστορία και τη φιλοσοφία της επιστήμης. Επίσης γίνεται μια σύντομη αναφορά στις ερευνητικές σχολές και τα επιστημονικά στυλ. Στη συνέχεια, στο επόμενο κεφάλαιο, αναφέρονται συνοπτικά στοιχεία της βιογραφίας του Rayleigh. Επιχειρείται μια αδρή σκιαγράφηση του κοινωνικού και επιστημονικού του προφίλ, εστιάζοντας στον αριστοκρατικό κύκλο που ανήκε και τις κοινές αξίες και πεποιθήσεις που μοιράζεται με ταμέλη αυτού του κύκλου, όπως επίσης και σε βασικά χαρακτηριστικά του επιστημονικού του έργου. Στη συνέχεια η διατριβή χωρίζεται σε δύο μέρη. Το πρώτο μέρος αποτελείται από τέσσερα κεφάλαια. Στο πρώτο από αυτά, συνολικά το τέταρτο της διατριβής, μελετώνται τα εργαστήρια φυσικής τα οποία εμφανίζονται στο τελευταίο τρίτο του δέκατου ένατου αιώνα. Συγκεκριμένα, η μελέτη εστιάζεται στα εργαστήρια της Βρετανίας και της Αμερικής. Η θέση της ακρίβειας και των ακριβών μετρήσεων είναι κεντρικό ζήτημα που πραγματεύεται αυτό το κεφάλαιο. Στο πέμπτο κεφάλαιο, η προσοχή στρέφεται στο Cavendish Laboratory, και στα χαρακτηριστικά που αυτό απέκτησε στα χρόνια της διεύθυνσης του Rayleigh, ως κέντρο έρευνας και διδασκαλίας. Ένα βασικό ερώτημα που πραγματεύεται αυτό το κεφάλαιο είναι η ύπαρξη ή μη ερευνητικής σχολής στο εργαστήριο την περίοδο του Rayleigh, όπως επίσης βασικό ζήτημα υπό μελέτη είναι και ο ρόλος των ακριβών μετρήσεων στο εργαστήριο την ίδια περίοδο. Στο επόμενο κεφάλαιο, το έκτο, η διάκριση των εννοιών ‘accuracy’ και ‘precision’ και η νοηματοδότηση των όρων αυτών ιχνηλατούνται μέσα από τα εγχειρίδια της πειραματικής φυσικής, ενώ στο έβδομο κεφάλαιο επιχειρείται μια αντίστοιχη ανάλυση για την αντιμετώπιση των τυχαίων και συστηματικών σφαλμάτων στην πειραματική πρακτική των φυσικών στο τελευταίο τρίτο του δέκατου ένατου αιώνα.Το δεύτερο μέρος της διατριβής επικεντρώνεται σε δυο ερευνητικά προγράμματα, στο πλαίσιο των οποίων ο Rayleigh διεξήγαγε τις δικές του έρευνες: τον καθορισμό των ηλεκτρικών προτύπων και τον καθορισμό των πυκνοτήτων του υδρογόνου, του οξυγόνου και του αζώτου, όπως και στην ανακάλυψη του Αργού. Η επιλογή αυτών των προγραμμάτων γίνεται για τέσσερις κυρίως λόγους. Πρώτον, είναι δυο βασικές έρευνες που διεξήγαγε ο Rayleigh, όπως φαίνεται και από την περιοδολόγηση που δίνει ο συνάδελφος του, Α. Schuster. Δεύτερον, είναι ακριβώς αυτές οι έρευνες χάρη στις οποίες απέκτησε τη φήμη του ως πειραματιστής, και ιδιαίτερα σε σχέση με τις ακριβείς μετρήσεις του. Τρίτον, είχαν ως βασικό στοιχείο τους την ακρίβεια, καθώς το πρώτο πρόγραμμα ήταν στο πλαίσιο προτυποποίησης μιας μονάδας, ενώ το δεύτερο εντασσόταν στο έλεγχο της υπόθεσης του Prout, ο οποίος με τη σειρά του απαιτούσε πολύ ακριβείς μετρήσεις. Τέλος, και ταδυο προγράμματα είχαν διεθνή χαρακτήρα, και αυτό βοηθάει τη συγκριτική μελέτη των πειραματικών πρακτικών των επιστημόνων. Συγκεκριμένα, το όγδοο και το ένατο κεφάλαιο αφορούν τον καθορισμό του προτύπου και της μονάδας της ηλεκτρικής αντίστασης, το δέκατο αφορά τις πυκνότητες του υδρογόνου και του οξυγόνου, ενώ το εντέκατο εστιάζει στις έρευνες σε σχέση με την πυκνότητα του αζώτου και την «ανακάλυψη» του αργού. Σημείο εστίασης είναι το πείραμα και συγκεκριμένα η μέτρηση και η ακρίβειά της. Μέσα από τη μελέτη αυτή προκύπτει ότι ο Rayleigh είχε ένα προσωπικό στυλ με το οποίο προσέγγισε τις μετρήσεις, την ακρίβεια και τα σφάλματα στην πειραματική του πρακτική. To στυλ του Rayleigh, το οποίο αναλύεται στη διατριβή, δεν αποτελούσε κοινό τόπο για τους φυσικούς ήτους χημικούς της εποχής. Στη διατριβή υποστηρίζεται ότι διαφορετικά εργαστήρια και διαφορετικοί επιστήμονες προσέγγιζαν διαφορετικά την ακρίβεια στην πράξη, τόσο στο επίπεδο της διδασκαλίας όσο και της έρευνας, ενώ ακόμα και η ίδια η έννοια της ακρίβειας διαφοροποιούνταν στο χώρο και το χρόνο.Τέλος, στη διατριβή υποστηρίζεται ότι και εντός των Βρετανών φυσικών υπήρχε διαφοροποίηση στην προσέγγιση της μέτρησης, της ακρίβειας και της ανάλυσης των σφαλμάτων, και συνεπώς δεν υπήρχε ένα εθνικό στυλ όσον αφορά αυτό το ζήτημα. Από την άλλη πλευρά, η συγκριτική μελέτη της προσέγγισης του Rayleigh σε σχέση με εκείνη των αμερικανών «ακαδημαϊκών μηχανικών», αυτού του υβριδικού τύπου φυσικού-μηχανικού, μπορεί να διαφωτίσει περισσότερο τις διαστάσεις της μέτρησης και της ακρίβειας. Τόσο ο Rayleigh όσο και οι «ακαδημαϊκοί μηχανικοί» έθεσαν την ακρίβεια στο κέντρο της πειραματικής τους πρακτικής. Εντούτοις, δεν προσέγγισαν με τον ίδιο τρόπο τα σφάλματα και την ακρίβεια, ιδιαίτερα όσον αφορά τα τυχαία σφάλματα, τη μέθοδο ελαχίστων τετραγώνων και τον υπολογισμό του probable error. Η επαγγελματοποίηση της φυσικής και οι διαφορετικοί δρόμοι αυτής, καθώς και οι σχέσεις της με τη βιομηχανία ή/και την αστρονομία, είχαν καθοριστικό ρόλο στη διαμόρφωση των προσεγγίσεων για τη μέτρηση και την ακρίβεια.