Задача ученых состоит в изучении природы. Выполнение этой задачи становится возможным благодаря использованию учеными знаний и профессиональных методов. Например, физик исследует связь причины и следствия, используя свою .специальную, подготовку для наблюдения и измерения. Допустим, что в некоторой ситуации отношение между причиной и следствием не может быть легко установлено. Тогда экспериментатор придает эксперименту структуру работающей модели явления, в которой он сам играет роль наблюдателя. Он выполняет необходимые для эксперимента условия, обеспечивая подачу некоторых входов, используя устройства обработки, средства, поддерживающие синхронность обработки, и устройства для записи результатов. Рассматривая результат, экспериментатор устанавливает, что произошло в изучаемом процессе, и связывает это со своим пониманием физического мира.
В зависимости от того, имела место удача пли неудача, он может повторить свой эксперимент. Прежде всего он стремится определить, можно ли воспроизвести результаты эксперимента. Однако экспериментатор равно заинтересован и в изменении процедур и методов эксперимента, чтобы наблюдать отклонения и изменения в результате. Наблюдая за результатами, он может узнать нечто большее о мире и нечто большее о своих собственных первоначальных результатах. В конце концов, экспериментатор может оказаться способным оказать влияние на скрытые свойства изучаемого предмета.
Ничто так не уместно в качестве примера представленного выше процесса, как работа Каплера при формулировании уравнений для планеты Марс. Кеплер ставил перед собой задачу объяснить да'нные прямых наблюдений, сделанных Тихо Браге, с помощью гипотезы, состоящей в том, что орбита Марса—точный круг. Эта гипотеза соответствовала взглядам астрономов XVI века. Задача Кеплера состояла в том, чтобы взять данные Браге и определить, содержит ли простейшая кривая (представляющая форму орбиты) все эти данные. Эта постановка задачи представлена на схеме рис. 1.1.
Переформулируем теперь проблему в терминах первоначальной гипотезы Кеплера. В этом случае постановка задачи может быть представлена, как это сделано на схеме рис. 1.2. Оказалось, что уравнение орбиты и данные противоречат друг другу. Расхождения были Кеплером обнаружены, и можно предположить, что его первой реакцией было сомнение в точности наблюдений Браге. Но после того, как точность данных подтвердилась, Кеплер направил свое внимание на гипотезу о форме орбиты. Это само по себе было огромным разоывом с традиционным мышлением того времени.
Вторая гипотеза Кеплера состояла в том, что орбита Марса – овал. Выбор этой формы основывался на теории площадей, с помощью которой математики того времени пытались определить орбиты планет. Но данная форма содержала много фундаментальных проблем, связанных с построением, которые Кеплер не мог разрешить. И снова данные, их объективное представление и структура, которая их связывала вместе, ускользали от экспериментатора.
Работа Кеплера над данными Браге началась около 1600 г. Конечным -результатом исследований Кеплера явилось открытие эллиптической орбиты планеты Марс, с которой данные Браге согласовывались. Теория, объединяющая результаты Кеплера, утверждает, что планетарная орбита Марса эллиптична, что Солнце находится в точке фокуса (1609 г.), что Марс в своем движении по орбите описывает площади, пропорциональные времени его обращения (1609 г), и что квадрат времени его прохождения пропорционален кубу большой оси эллипса или его среднему расстоянию до Солнца (1619г.).
Эта монументальная работа, являющаяся типичным решением проблемы, выделяется той невероятной объективностью, которую экспериментатор внес в свой долгий, утомительный эксперимент. Без сомнения, именно эта сторона является наиболее значительной и фундаментальной характеристикой всякого научного экспериментирования. Сущность процедуры Кеплера не заключалась в простом переходе от данных к проблеме и результату. Было сделано большое количество итераций в каждой части проблемы. Но каждый эксперимент проводился при двух условиях: во-первых, использовались данные Браге и, во-вторых, форма орбиты должна была соответствовать данным Браге. Принуждающие связи могут быть определены как нечто, осмысленно ограничивающее цель.