О смене парадигмы метрологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Государственное предприятие «Научно-исследовательский институт метрологии измерительных и управляющих систем» (ДП НДИ «Система»), Львов

Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков

УДК 006.91

О смене парадигмы метрологии

В.П. Чалый, О.В. Чалая

В результате краткого ретроспективного анализа современного состояния метрологии с учетом характерных особенностей измерения, места и роли метрологии в системе наук и их взаимного влияния показано, что переход от концепции истинного значения к концепции неопределенности полностью укладывается в схему теории научных революций. Концепция истинного значения формировалась в условиях представлений об окружающем мире, существенно отличающихся от сегодняшних. Новые открытия в физике, математике, кибернетике и других науках радикально изменили современные мировоззренческие установки и привели к формированию новой парадигмы метрологии. Новая парадигма оформились на Западе в виде концепции неопределенности и пришла на постсоветское пространство как бы из вне, где новая «психологическая парадигма» еще не сформировалась окончательно. Это вызвало резкое неприятие концепции неопределенности в некоторых специалистов.

Ключевые слова: метрология, измерение, неопределенность измерения, погрешность, парадигма, точность.

В результаті короткого ретроспективного аналізу сучасного стану метрології з урахуванням характерних особливостей вимірювання, місця і ролі метрології в системі наук і їх взаємного впливу показано, що перехід від концепції істинного значення до концепції невизначеності повністю вкладається в схему теорії наукових революцій. Концепція істинного значення формувалася в умовах уявлень про навколишній світ, що істотно відрізняються від сьогоднішніх. Нові відкриття у фізиці, математиці, кібернетиці та інших науках радикально змінили сучасні світоглядні установки і привели до формування нової парадигми метрології, яка оформилися на Заході у вигляді концепції GUM і прийшла на пострадянський простір як би ззовні. Це викликало різке її неприйняття в деяких фахівців.

Ключові слова: метрологія, вимірювання, невизначеність вимірювання, похибка, парадигма, точність.

As a result, of a short retrospective analysis of the current state of metrology in view of the characteristic features of the measurement, the place and role of metrology in the sciences and their mutual influence is shown that the transition from the true meaning concept to the GUM concept of completely fits into the scheme of the theory of scientific revolutions. The true value concept was formed under conditions of conceptions about the world that were significantly different from today's. New discoveries in physics, mathematics, cybernetics and other sciences have radically changed modern worldviews and led to the formation of a new metrology paradigm. The new paradigm took shape in the West in the form of the GUM concept , and came to the post-Soviet space, as it were from the outside, where a new "psychological paradigm" has not yet formed completely. This caused a sharp non-perception of the GUM concept in some experts

Keywords: metrology, measurement, the uncertainty of measurement, error, paradigm, accuracy.

Концепция неопределенности измерения [1, 2], которая пришла на смену концепции погрешности, и на сегодняшний день как и два десятилетия тому назад, воспринимается у нас некоторыми метрологами неоднозначно. Например, в очередной дискуссии [3] автор считает, что «введение нового понятия «неопределенность» вредно ... так как окончательно запутывает стройную (!?) терминологию классической теории погрешностей» и предлагает «срочно переработать, исключить из употребления или скорректировать нормативные документы, где используется термин «неопределенность измерения». В [4] автор выступает решительно против расширения метрологии на измерение нефизических величин, на области экономики, социальных наук и т.п. и оценивает это не как «шаг в будущее», как утверждается [5], а как «два шага в прошлое». Вряд ли такое неприятие концепции неопределенности можно объяснить просто «леностью мысли», «защитой чести мундира» или идеологическими наслоениями. Причины кроются, пожалуй, гораздо глубже и касаются фундаментальных основ теории измерения.

Основные идеи концепции неопределенности разъяснены в первой части документа GUM [6]. Но она, на наш взгляд, не полностью охватывает все особенности нового подхода. Например, в ней недостаточно объяснена суть составляющей неопределенности типа В, которая оценивается, в отличие от неопределенности типа А, «другими методами». Какие это «другие методы»? По какому классификационному признаку эти методы объединены в один - тип В? Остается непонятным.

Поэтому, чтобы объективно оценить сложившуюся ситуацию, очень важно рассмотреть проблему во всех ее аспектах.

Характерные особенности измерения

Трудность понятия «измерение» заключается в его кажущейся простоте. Но, действительно, измерение, - это сложный, многогранный и диалектически противоречивый процесс количественной оценки свойств объектов реального мира [7]. Его, очевидно, следует рассматривать, как минимум, в трех аспектах:

- как один из основных эмпирических способов познания свойств объектов окружающего мира;

- как техническую процедуру получения и представления измерительной информации;

- как способ оценки прагматической информации о свойствах объектов, процессов, веществ с целью принятия надежных решений в практической деятельности.

Необходимо также заметить, что измерение - это процесс антропометрический; без присутствия человека (непосредственного или косвенного) измерение не имеет смысла.

Измерение среди эмпирических методов познания, таких как: наблюдение, сравнение, счет, контроль и другие занимает наиболее важное место и совместно со средствами познания (научными приборами, измерительными системами, а также научными теориями, моделями, знаковыми системами и другое) представляет «инструментальный» блок научного метода. С помощью измерения получают ценную количественную измерительную информацию. Однако в структуре научного метода фундаментальную роль играют еще два компонента, - это мировоззренческие установки (представления) и нормативно - методологические принципы [8]. Поэтому анализ процесса измерения, видимо, следует проводить с учетом этих особенностей измерения в комплексе с другими компонентами научного метода познания.

Метрология как наука об измерениях и их использовании, занимает особое место среди других наук таких, как математика, физика, философия и прочее, обслуживая каждую из них и тесно переплетаясь с ними. Научно - технический прогресс, те или иные принципиальные изменения в этих науках приводят к соответствующим изменениям в метрологии - к изменениям в аксиоматике, эволюции базовых и появлению новых понятий и терминов.

Ретроспективный анализ

Рассмотрим вкратце (схематически) становление и развитие теории измерения. Изучение процесса измерения берет начало в Древней Греции [9]. И тогда уже происходит разделение проблемы измерения на прикладную (в виде набора определенных правил) и фундаментальную, которая становится в центре внимания античной математики. То есть наука об измерениях развивалась сначала преимущественно как математическая теория и основывалась на математических абстракциях - в том числе на возможности «абсолютно точного» сравнения двух величин.

Начало развития промышленного производства и международной торговли (примерно с конца 18-го века), когда возникает острая необходимость установления единообразия мер для различных величин, совпадает с зарождением точных наук, с быстрым развитием физики и техники. В этот период была разработана система единиц физических величин и первые эталоны. На первый план выдвигаются прикладные физические задачи измерения. Зарождается новая отрасль науки - метрология, одной из центральных задач которой становится обеспечение единства измерений. Наука об измерении в этот период развивается как прикладная физическая теория.

Независимо от физической теории развивалась математическая теория измерения, которая базировалась на математическом восприятии окружающего мира. Были сформулированы аксиомы сравнения величин: тождества, рангового порядка и аддитивности, а также аксиому об истинном значении.

Существует единственное, истинное значение измеряемой величины, которое постоянное, но неизвестное (отыскать его невозможно). Измеряемая величина и единица измерения рассматриваются также постоянными. Отклонение результата измерения от истинного значения считалось «досадной» ошибкой, которая, естественно, тоже детерминирована. Измеряемыми являются только физические величины.

Так как истинное значение величины неизвестно, то для определения погрешности было введено понятие «действительного значения» измеряемой величины, которое якобы «настолько близко к истинному значению, что может использоваться вместо него» (каким образом устанавливается эта «близость» - вопрос риторический). Действительное значение - это фактически значение измеряемой величины, воспроизводимое первичным эталоном, а точнее - это опорное значение ключевого сличения первичных национальных эталонов, проведенных под эгидой Международного Комитета Мер и Весов.

Аксиома о существовании истинного значения и возможность измерить величину абсолютно точно предполагает, что измеряемые величины имеют континумиальный характер и в качестве элементарной меры ( единицы измерения) будто бы можно брать бесконечно малую величину, которая сохраняет свойство всего объекта.

Однако, убеждение в том, что в качестве элементарной меры можно взять бесконечно малую величину, противоречит базовым положениям диалектики. По Гегелю [10], бытие ... включает в себя три ступени: качество, количество, и меру. Качество ... тождественная с бытием определенность, так что нечто перестает быть тем, чем оно есть, когда оно теряет свое качество. Количество есть, напротив, внешняя бытию безразличная для него определенность. Мера есть единство первых двух - качественно определенное количество. Все вещи имеют свою меру, качественно определенное количество ..., но здесь есть предел, при нарушении которого (при дальнейшем увеличении или уменьшении) вещи перестают быть тем, чем они были. То есть, в данном случае уменьшение размера элементарной меры для повышения точности имеет предел [11], который определяется, очевидно, свойствами реального мира. Переход этого предела, и дальнейшая дискретизация приводит к качественным изменениям. Измеряемая величина, как такова, (то есть свойство явления, тела или вещества), теряет свой смысл.

Для повышения точности начали проводить многократные измерения и применять, со временем, более совершенные измерительные приборы. Но результаты измерения (при достаточной разрешающей способности приборов) каждый раз отличались между собой. Постепенно формировалось мнение, что погрешность является неизбежной при измерении. На практике ее начали рассматривать как величину случайную, как параметр рассеяния результатов измерения, что противоречило принятой аксиоме о постоянстве погрешности как постоянного отклонения от истинного значения.

Успехи в развитии науки и техники в 20-м веке, в первую очередь, в квантовой механике привели к «кризису» в физике и математике. «Кризис» в математике был тесно связан с методологическим базисом теории измерения. На его преодоление в математике возникло конструктивное направление, в котором понятие актуальной бесконечности пришлось отвергнуть. В квантовой механике был сформулирован фундаментальный принцип неопределенности Гейзенберга, устанавливающий предел точности одновременного измерения пары характеризующих систему наблюдаемых, который записывается через стандартные отклонения [12]:

где, x , p - математические ожидания координаты и импульса частицы, соответственно; h - фундаментальная постоянная Планка; угловые скобки обозначают усреднение.

Принцип неопределенности Гейзенберга стал квантово-механической формой постулата о неизбежности погрешности при измерении [9].

«Кризисы» в математике и физике не могли не повлиять на развитие теории измерения, с которыми она тесно связана.

Совершенствование средств познания (измерительных приборов и измерительных систем, научных теорий, нормативно - методологических принципов) позволило выдвинуть и реализовывать в естествознании Нового времени идею о возможности преодоления приблизительности в описании природы путем создания «математизированной» онтологии природы. Миром овладевает идея точности и на смену миру «приблизительности» приходит мир прецизионности. - пишет в «Очерках истории философской мысли» А.Койре [13].

Измерения проникают в новые для традиционной метрологии области такие, как здравоохранение, безопасность, охрана окружающей среды, а также социология, экономика, психология, и др. Началось интенсивное сближение прикладного и фундаментального направлений в теории измерения, которые до сих пор развивались отдельно. Разрабатываются шкалы измерения. Резко возрастает число физических (химических, биологических и других) измеряемых величин [14].

В 1999 году на Генеральной Конференции Мер и Весов было одобрено мнение, согласно которому метрология теперь затрагивает почти все области науки. Продолжающееся более ста лет медленное, но непрерывное расширение области деятельности в рамках Конвенции перешло теперь в фазу широкого и значительно ускоренного развития.

Классический подход, основанный на концепции истинного значения измеряемой величины, который начал формироваться почти два столетия тому назад, уже не мог адекватно ответить на новые вызовы. Накапливались новые факты, значимые аномалии, которые противоречили общепринятым понятиям и базовым положениям классической метрологии. Появились новые конкурирующие теории измерений (аксиоматическая, информационная, алгоритмическая, репрезентативная, гарантирующий подход и др.) и сформировался новый подход к измерению - концепция GUM или концепция неопределенности [1, 2]. Концепция GUM (неопределенности), отличается от концепции истинного значения не только своей аксиоматикой, но и мировоззренческими установками и нормативно - методологическими принципами, что, в основном, и затрудняет, по нашему мнению, ее восприятие.

По современным представлениям физический мир описывается законами квантовой механики. Только в предельном случае, когда постоянная Планка стремится к нулю, квантовая механика переходит в классическую механику Ньютона. То есть, реальный мир структурирован, имеет квантовый характер в отличие от представления, имеющего место в классическом подходе.

С появлением квантовой теории (и квантовой механики) Н.Бор предложил в дополнение к классическому способу описания явлений природы (КСО), используемого в классической физике, другой, названный концепцией дополнительности. Концепция дополнительности была необходима для описания явлений, характерных для новейшего развития физики и могла бы радикально повлиять на основные положения всей метрологии. Но было принято в метрологии пользоваться в дальнейшем КСО и принять основные постулаты, определения, и следствия, которыми пользуются в классической физике, что еще больше отдалило классический подход от реальности.

В отличие от принятой в классическом подходе аксиомы о существовании истинного значения измеряемой величины и возможности измерять абсолютно точно без погрешности, в концепция GUM принят постулат о том, что измерить абсолютно точно без погрешности невозможно, который согласуется с базовыми положениями диалектики и подкреплен экспериментально.

Метрология и теория научных революций

Метрология, как и всякая наука, развивается и совершенствуется, не стоит на месте. Представляет интерес рассмотреть процессы, происходящие в метрологии, с позиции общей теории развития науки. Развитие науки в соответствии с теорией научных революций [15] определяется изменением господствующих парадигм и происходит как изменение, в первую очередь, «психологических парадигм» - взглядов на научную проблему, порождающих новые гипотезы и теории. То есть, развитие знаний согласно [15] определяется не простым суммированием знаний и происходят не только и не столько количественные изменения, как качественные изменения в структуре научных знаний. И господствующая парадигма переживает кризис. В течение кризиса испытываются новые идеи, которые, возможно, не принимались во внимание или даже были отвергнуты. В итоге формируется новая парадигма, которая приобретает собственных сторонников. Между сторонниками новой и сторонниками старой парадигмы начинается интеллектуальная битва. Как сила убеждения, чаще всего выступает время. Т.Кун по этому поводу цитирует Макса Планка:

«Новая научная истина не достигает триумфа путем убеждения своих оппонентов и их прояснения, но это скорее происходит потому, что ее оппоненты в конце - концов вымирают и вырастает новое поколение, с ней знакомое».

Накопление «аномальных» фактов, которые не вписываются в существующую систему основных положений классической метрологии, появление конкурирующих теорий измерения, обсуждение фундаментальных положений, обращение к философии - все это симптомы «кризиса» в метрологии[16]. То есть, современное развитие метрологии полностью вкладывается в классическую схему теории научных революций. Перед нами налицо вполне закономерный процесс смены парадигмы метрологии, свидетелями и участниками которой мы с вами являемся.

Новая парадигма окончательно оформились на Западе в виде концепции неопределенности и пришла на постсоветское пространство как бы из вне, где новая «психологическая парадигма» еще не сформировалась. Это вызвало резкое неприятие концепции неопределенности в некоторых специалистов.

Выражаясь образно, можно утверждать, что современная метрология покоится на троих «китах»: на неопределенности измерения; на метрологической прослеживаемости результатов измерения к эталонам единиц системы SI; на системе управления измерениями (качеством) согласно ISO/ IEC 10012 (ISO/ IEC 17025).

Неопределенность измерения можно трактовать по-разному в зависимости от того, с какой точки зрения рассматривать само измерение:

если измерение рассматривается как техническая процедура, то неопределенность - это параметр рассеивания результатов измерения;

- если измерение считается одним из основных эмпирических способов количественного познания свойств объектов окружающего мира, то неопределенность - это остаточное количество энтропии (незнания), оставшееся после акта проведенного измерения;

- если измерение - это способ оценки прагматической информации о свойствах объектов, процессов, и т.п. с целью принятия надежных решений в практической деятельности, то неопределенность - это количественная оценка неуверенности экспериментатора (или «потребителя измерительной информации») в полученных результатах.

Прослеживаемость результата измерения к эталонам единиц системы SI - это свойство результата измерения, при котором показание прибора сопоставлено со значением величины, установленной первичным эталоном, путем непрерывной документированной цепи калибровок с учетом их неопределенностей.

Система управления измерениями (качеством) устанавливает требования к компетентности лабораторий и квалификации их персонала, к процессам измерения и измерительному оборудованию в целях соблюдения метрологических требований.

Проведен ретроспективный анализ современного состояния метрологии как науки об измерениях и их применении с учетом специфических особенностей измерения, роли и места метрологии среди других наук для выяснения глубинных причин неприятия концепции GUM некоторыми метрологами.

Показано, что измерение - это сложный, многогранный и диалектически противоречивый антропоморфных процесс количественной оценки свойств объектов реального мира. Измерение можно рассматривать в трех аспектах: как способ количественного познания свойств объектов; как техническую процедуру; как способ оценки прагматической информации с целью принятия решений в практической деятельности.

Метрология как наука об измерениях и их использовании занимает особое место среди других наук, обслуживая каждую из них и тесно переплетаясь с ними. Метрология как один из главных компонентов в структуре научного метода познания взаимосвязана с двумя другими: мировоззренческими установками и нормативно - методологическими принципами. Система взглядов на мироустройство в тот исторический период, когда возникла концепция истинного значения, значительно отличалась от современной. Достижения в смежных науках, открытия в физике, космологии и других науках кардинально изменили современные мировоззренческие установки. Но это не нашло адекватного отражения в метрологии. В результате накапливались новые противоречивые факты, «аномалии», начался «кризис» в метрологии. Сформировалась новая парадигма, которая окончательно оформилась на Западе в виде концепции GUM. Поэтому, кроме острой полемики и горячих дискуссий, характерных для периода «кризиса» и формирования новой парадигмы, ситуация на постсоветском пространстве усугубилась еще и тем, что концепция GUM пришла, как бы из вне.

метрология истинный неопределенность измерение

Список литературы

1. ISO/IEC Guide 98. Part 3: Guide to the expression of uncertainty in measurement (GUM:1995) (Частина 3: Настанови з подання непевності у вимірюванні).

2. International vocabulary of basic and general terms in metrology (VIM). (Міжнародний словник основних і загальних термінів у метрології). ISO, 1993.

3. Дискуссия. Существует ли необходимость введения в метрологию нового термина [Електронний ресурс]. -Режим доступу до ресурсу: www.khlopin.ru/discuss.php.

4. Сулаберидзе В.Ш. О попытках аксиоматического изложения современной метрологи// Законодательная и прикладная метрология, 2015. - № 5. - С 31-39.

5 Кириллов А.К. К вопросу об идентификации кввалиметрии. Мир измерений. [Електронний ресурс]. -Режим доступу до ресурсу: http://ria- stk.ru.

6. ISO/IEC Guide 98. Part 1: Introduction to the expression of uncertainty in measurement, ISO.

7. Орнатский П.П. Теоретические основы информационно - измерительной техники. Киев. «Вища школа» 1983. - 455с.

8. Свириденко В.М. Логико - гносиологический аспект проблемы точности измерения// Измермтельная техника. 1971, №5. С. 6-8.

9. Стахов А.П. Введение в алгоритмическую теорию измерения. М., «Сов. Радио», 1977, 288 с.

10. Гегель. Энциклопедия философских наук. Т 1. Наука логики. - М.: «Мысль», 1974. - 452 с.

11. Чалий В. Деякі філософсько-інтерпретаційні та прикладні аспекти концепції непевності у вимірюванні /В.Чалий // Метрологія та прилади. - 2011. - №4. - С. 3 - 10.

12. Білий М. У., Охріменко Б. А. Атомна фізика. -- К. : Знання, 2009. -- 559 с.

13. Койре А. Очерки истории философской мысли. О влиянии философских концепцій на развитие научных теорій. -М., 1985. - 219 с.

14. Чалий В.П. Гносеологічні корені «кризи» в сучасній метрології на пострадянському просторі/ В.П.Чалий, С.Ф.Чалий //Системи обробки інформації. -Х.:ХУПС.2015. -Вип.2 (127). - С. 13-16.

15. Кун Т.С. Структура научных революций [Электронный ресурс]. - Режим доступа к ресурсу: http://psylib.org.ru/books/kunts01/index/htm.

16. Чалий В. Похибка, невизначеність чи непевність у вимірюванні? / В.П. Чалий, С.Ф. Чала О.В // Системи обробки інформації - Х.:ХУПС, 2015 - Вип.6 (131) - С. 143-146.

Размещено на Allbest.ru