Эксперимент, методы исследования, теория, физическая картина мира

 

Физика, как и другие естественные дисциплины, наука экспериментальная. Эксперимент является исходным и заключительным этапом научного познания. Из курса физики основной школы вам известно, что в результате наблюдений, измерений физических величин и определения зависимости между ними устанавливаются научные факты, вводятся новые понятия, величины и связывающие их закономерности. На основе экспериментальных данных выдвигаются гипотезы, строится научная теория, делаются теоретические выводы. Достоверность теоретических выводов проверяется экспериментально.

Выдающийся отечественный ученый С. И. Вавилов на основе анализа научных открытий пришел к выводу о том, что основными методами теоретических исследований в физике в зависимости от вида гипотезы являются: метод принципов, метод математических гипотез и метод модельных гипотез.

Метод принципов (принцип – от лат. principium – основополагающее первоначало, предпосылка) состоит в предположении о том, что установленная на конкретном опыте связь явлений является общей для всех подобных явлений и выражается определенным правилом. Так, на основе наблюдений за движением шарика по наклонной и горизонтальной плоскости Г. Галилей выдвинул принцип инерции: всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние. Этот принцип оказался справедливым по отношению ко всякому механическому движению и поэтому вошел в качестве первого закона в систему законов механики.

Закон сохранения энергии, экспериментально доказанный для ограниченного круга явлений и подтвержденный многовековой человеческой практикой, принимается в качестве незыблемого принципа, выполняющегося с полной точностью во всякой замкнутой физической системе. Точно так же обобщается факт односторонности перехода теплоты от нагретого тела к холодному, являясь основой принципа рассеяния энергии. Принципы играют в физике ту же роль, что и аксиомы в геометрии, из которых в применении к конкретным физическим задачам делаются логические выводы. Наряду с уже известными вам принципами вы познакомитесь в дальнейшем с принципами дополнительности, соответствия, неопределенности, которые не только определили успехи современной физики, но и повлияли на развитие философской мысли, на развитие мировоззрения человечества.

В основе метода математических гипотез лежит предположение о том, что установленное в конкретном опыте математическое соотношение величин является общим для всей совокупности изучаемых явлений. Исследователь делает из него ряд логических выводов и сверяет их с результатами экспериментов. Если теоретический расчет в пределах погрешности измерений совпадает с экспериментом, то можно считать, что аксиома-гипотеза не опровергается опытом.

Таким образом, метод математических гипотез состоит в экспериментальном установлении зависимости величин в виде формулы и в предположении, что эта формула выражает общую взаимосвязь сходных явлений.

В своих исследованиях, проводимых в основной школе, вы устанавливали на конкретных опытах функциональную зависимость величин, характеризующих те или иные явления. Например, зависимость силы трения от силы давления, ускорения тела от действующей на него силы, периода свободных колебаний нитяного маятника от его длины, давления данной массы газа при постоянной температуре от его объема, силы тока от напряжения и др.

Эти математические гипотезы, проверенные опытом и подтвержденные многовековой практикой, из гипотез перешли в разряд законов природы.

Метод модельных гипотез (модель – от лат. modulus – образец) состоит в замене изучаемого объекта его упрощенной моделью. Он является одним из важных теоретических методов исследования явлений природы. К этому методу прибегают тогда, когда изучаемое явление в силу его сложности или недоступности для непосредственного наблюдения заменяется чаще всего его предположительной мысленной картиной. Модель явления или объекта может быть так или иначе выражена в виде словесного описания, рисунка, схемы, кино- или компьютерной анимации, иногда модель изготовляют в виде механического устройства.

Модель – мысленно представляемая или материально реализуемая система, которая, отражая или воспроизводя объект исследования, способна заменить его так, что ее изучение даст нам новую информацию об этом объекте.

Моделирование явлений помогает абстрагироваться (абстракция – от лат. abstractio – отвлечение), отвлекаться от всего несущественного и выделять главное. Например, при изучении механического движения и взаимодействия тел мы говорим не о конкретных телах, а о материальных точках. Изучая условия равновесия тел, имеющих закрепленную ось вращения, мы оперируем моделью, в которой существенны только приложенные силы и плечи действующих на тело сил.

Часто модель помогает не только объяснить явление, но и предвидеть, как оно будет происходить в других условиях. Например, модель дискретного строения вещества помогает понять причину перехода вещества из одного состояния в другое, а также объяснить различные свойства одного и того же вещества в газообразном, жидком и твердом состоянии.

Нередко удачно построенная модель объекта или явления берется в качестве основы для теории (теория – от греч. theoria – рассмотрение, исследование) изучаемой группы явлений. В теорию, кроме моделей, входят описание явлений, понятия и величины, эмпирические законы, гипотезы, теоретические выводы, результаты экспериментов, методы исследования и методы применения научных достижений на практике.

Обобщенное представление о строении и движении материи, основанное на фундаментальных достижениях науки и дающее объяснение явлений окружающего мира, называется физической картиной мира.

Физическая картина мира в своем историческом развитии влияет на формирование мировоззрения людей. Вы уже знаете из курса физики основной школы, как на разных этапах развития науки делались попытки построить единую физическую картину мира. На начальном этапе развития физики успехи механики были так велики, что ученым одно время казалось, что на ее основе удастся создать обобщенное представление о строении и движении материи – универсальную модель из движущихся материальных точек, механически взаимодействующих между собой, – единую механическую картину мира, которая давала бы объяснение всем наблюдаемым явлениям природы. Однако после открытий Фарадея и Максвелла стало ясно, что материя существует не только в виде вещества, образующего различные тела, но также в виде электромагнитного поля, которое образуется вокруг движущихся заряженных частиц вещества. Стало ясно, что модели явлений, используемые в механике, для объяснения электромагнитных явлений неприменимы. Ученые поняли, что не только заряды и частицы, но и поле между ними существенно для описания и объяснения электромагнитных явлений. Оказалось, что электромагнитное взаимодействие частиц и полей так же распространено в природе, как и гравитационное взаимодействие. Оно действует внутри атомов и молекул, оно также действует и в космосе. Явления электромагнитного взаимодействия мы постоянно наблюдаем, когда встречаемся с силами упругости и силами трения, с электризацией тел, когда используем радио и телевидение, когда греемся у костра или в лучах солнца.

На определенном этапе развития науки были попытки свести все наблюдаемые явления, в том числе и механические, к электромагнитным взаимодействиям. Однако единой электромагнитной картины мира также не получилось, как не получилось и единой механической картины.

Отсюда возникает вопрос, насколько устойчивы научные знания о природе?

Теории имеют границы применимости. Анализ истории развития науки говорит о том, что в отношении опыта и теории дело обстоит по-разному. Наиболее устойчивыми в науке являются установленные на опыте факты, величины, закономерности и законы. Модели и теории не так устойчивы и неизменны в науке. Например, законы отражения света были известны еще в III в. до н. э. и описаны древнегреческим ученым Евклидом, в том же веке был открыт Архимедом его всем известный закон. Все эти законы справедливы по сей день, и широко используются в теории и на практике. За это же время сменилось множество различных моделей явлений и теорий. В частности, вам известны корпускулярная, волновая и квантовая модели света и соответствующие им теории. Почему так происходит? Почему с развитием науки происходит замена моделей одних и тех же явлений и соответствующее изменение теорий? Причина в том, что никакая модель явления не может быть вполне адвкватной (адекватное – от лат. adaequatus – приравненное), тождественной самому изучаемому явлению. Модель верно отражает лишь самую существенную для исследователя сторону изучаемого явления. Поэтому любая модель и построенная на ее основе теория имеют границы применимости. Из основного курса физики вы узнали, что И. Ньютон придерживался корпускулярной модели света и объяснял, например, законы отражения света по аналогии с отскакиванием бильярдного шара от борта стола. Однако попытки применить эту модель к объяснению других явлений встретились с трудностями. Открытие явления интерференции и дифракции света привело к победе сторонников волновой теории света. Благодаря теоретическим исследованиям Максвелла была установлена электромагнитная природа световых волн. Но и эта модель света оказалась ограниченной в применении. На основе этой теории не удалось объяснить особенности распределения энергии по длинам волн в излучении абсолютно черного тела. Не удалось также объяснить особенности фотоэффекта. Эта неудача послужила толчком для создания квантовой теории.

Являются ли все предшествующие теории по отношению к последней теории заблуждением? Не совсем. Каждая модель служит обобщением объективных опытных данных и способствует проникновению в глубь изучаемого явления, способствует углубленному пониманию законов и закономерностей. При этом понятия и величины старой теории часто наполняются новым содержанием и смыслом. Например, теорию теплорода вытеснила молекулярно-кинетическая теория. Но остались жить в науке величины, характеризующие тепловые процессы мерой передаваемой внутренней энергии: количество теплоты, удельная теплоемкость, теплота сгорания и др. Осталось справедливым для теплообмена уравнение теплового баланса. Все это сохранилось и вошло в молекулярно-кинетическую теорию. Поэтому новая теория в определенной мере становится преемственной по отношению к старой теории. В 1923 г. один из создателей квантовой теории Н. Бор сформулировал постулат, который был назван принципом соответствия, этот принцип получил в физике расширенное толкование и состоит в том, что всякая новая теория, расширяющая область применения в сравнении со старой теорией, должна включать старую теорию как предельный случай. Как вы узнаете далее, квантовая механика и квантовая электродинамика, имеющие более широкую область применения в сравнении с классическими теориями, механикой Ньютона и электродинамикой Фарадея – Максвелла, включают в себя эти теории как предельный случай.