Введение ·:~

Меюды нау11ноrо nознания

У научного изуч.ения предметов две основные цели: предвидение и польза.

Д. И. Менделеев

Научный метод познания природы. Физика - это наука, изучающая при­роду. Чтобы успешно заниматься физикой, как говорил российский физик

П. Л. Капица, мало знать только явления и законы физики, надо понять, как

делается физика, как она создавалась, какова роль эксперимента, какова роль

теории, какова роль математики.

Для этого существуют методы познания, которые представляют собой общие

способы получения знаний о природе. До XVI в. в физике господствовал метод

Аристотеля, который приводил к тем или иным выводам путём рассуждений.

В аристотелевской физике в отличие от её современного изложения не было

ни описания опытов, ни математических формул. Метод эксперимента был

отвергнут Аристотелем, поскольку он считал, что исследование природы с

помощью комбинации сискусственных вещей• нарушает жизнь природы и

искажает её познание. По тем же причинам Аристотель считал недопустимым применение математики к исследованию природы. По его мнению, математика

имеет дело с абстрактными понятиями, природа же конкретна, материальна.

В начале XVII в. стал формироваться научный метод позна.пия природы.

К этому времени была проделана большая работа:

по обоснованию и укреплению позиций гелиоцентрической системы мира

(Н. Коперник, Дж. Бруно, И. Кеплер, Г. Галилей);

по критике взглядов Аристотеля и формированию отдельных элементов

нового метода познания природы.

С тех пор (почти четыре века) научный метод познания природы исполь­

зуется естественными науками.

Исследование явлений начинается с пабтодений, при которых учёный не

ограничивается общими качественными впечатлениями от явлений . Ему надо

найти количественные характеристики явления в виде величин, которые под­

лежат измерению.

Когда наблюдаемые величины найдены и проведены измерения, то пыта­

ются установить количественную зависимость одних величин от других в виде

математических формул. Если такая зависимость установлена, то говорят, что

открыт опытный физический закон.

4

Значение законов природы состоит в том, что они могут дать гораздо больше

информации, чем опытные факты, с помощью которых эти законы получены.

Законы избавляют нас от необходимости проводить эксперимент в каждом

конкретном случае .

Для объяснения наблюдаемых явлений или законов, установленных путём

эксперимента, выдвигается гипотеза - научно обоснованное предположение

о внутренних связях, управляющих данным явлением.

Например, Г. Галилей опытным путём установил законы падения тел на

Землю, но не смог объяснить их. И. Ньютон высказал гипотезу, согласно ко­

торой причина падения тел - притяжение их к Земле.

Физическая теория объединяет несколько опытных закономерностей и

гипотез и даёт объяснение целой области явлений природы с единой точки

зрения. Теория позволяет не только объяснять уже наблюдавшиеся явления, но и предсказывать новые. Так, Д. И. Менделеев на основе открытого им

периодического закона предсказал существование нескольких химических

элементов.

Правильность гипотез и теорий проверяется посредством постановки экспе­

риментов и выяснения согласованности следствий, вытекающих из гипотезы,

с результатами опытов и наблюдений. Таким образом, эксперимент служит не

только источником знаний, но и критерием их истинности.

В связи с огромной ролью эксперимента в физике её считают экспери­

ментальной наукой. Но при изучении любого физического явления в равной

мере необходимы и эксперимент, и теория.

Нередко теоретические выводы не полностью согласуются с результатами

экспериментальных исследований. Обычно это ведёт к уточнению (часто к

усложнению) гипотезы или приёмов вычислений . Изучение явления осуществ­

ляется заново, но уже на иных основах, более точно отражающих реальную

действительность.

•Наблюдение - теория - эксперимент, и снова всё сначала - такова

бесконечная, уходящая ввысь спираль, по которой движутся люди в поисках

истиньн, - писал известный отечественный физик А. Б. Мигдал.

Физические законы и границы их применимости. Физический закон

устанавливает количественную зависимость одних физических величин от дру­

гих. Законы могут быть получены двумя способами: в результате обобщения

данных экспериментов (опытные законы) или путём выводов из известных

законов (теоретические законы).

Некоторые законы, открытые опытным путём, позже получили теоретиче­

ское объяснение, например опытный закон Архимеда.

Поскольку законы всегда базируются на ограниченном экспериментальном

материале, они приблизительны и имеют границы применимости.

Моделирование в физике . Любые явления, как и свойства конкретного

тела, очень сложны . Поэтому надо начинать изучать явление с выделения глав­

ного, от чего оно зависит, отбрасывая второстепенные факторы, не влияющие

5

на него существенно. Подобное упрощение явлений называют моделирова­

нием.

Моделирование - метод научного исследования, в котором изучаемое фи­

зическое явление (или объект) заменяется другим, сходным с ним - моделью.

Модели могут быть материальными и идеальными.

К материальным относятся такие модели, которые состоят из вещественных

элементов и реально функционируют. Они предназначены для воспроизведения

структуры объекта, характера протекания и сущности рассматриваемого про­

цесса. Например, моделью жидкости может служить речной песок. Глобус -это модель земного шара. Планетарий представляет собой устройство, с по­

мощью которого демонстрируют модели звёздного неба, Солнечной системы и

других небесных объектов.

К идеал.ьны.м относятся такие модели, которые конструируются мысленно

(материальная точка, математический маятник). Их можно фиксировать с

помощью рисунков, мультипликации, определённых символов. Однако все

преобразования элементов модели осуществляются в сознании человека по

логическим, математическим, физическим правилам и законам.

С возникновением новых поколений ЭВМ в науке получило широкое рас­

пространение компьютерное моделирование с помощью специально созданных

для этой цели программ.

После построения модели начинается её изучение (теоретический анализ).

Выводы, полученные при этом, проверяют, выясняют их соответствие научно­

му эксперименту либо результатам практической деятельности. Нельзя чисто

теоретически установить, пригодна данная модель для описания конкретного

явления или нет . Только опыт, практика дают уверенность в правильности

той или иной модели явления.

Физические теории. Все физические теории построены по методу принципов

или по методу модельных гипотез.

Как выглядит физическая теория, построенная по методу принципов? В её основе лежат два-три исходных положения, полученные путём обобще­

ния большого числа экспериментальных фактов. Эти положения составляют

принципы теории. Все другие экспериментальные факты объясняются или

предсказываются в ходе теоретических построений, опирающихся на эти прин­

ципы. Так построена, например, классическая механика. В её основе лежат

три закона Ньютона.

Какова структура модельной теории?

Её основу обычно составляет модель как некий образ, упрощённо харак­теризующий рассматриваемый материальный объект. Например, можно пред­

ставить, как «выглядит• атом любого вещества (как он устроен), чт6 удер­

живает электроны и ядро в едином целом и почему атом во многих явлениях

•неделим•, каким законам подчиняется движение электронов в атоме и т. д.

С помощью модели учёные пытаются объяснить различные физические

явления (например, электризацию тел, происхождение электрического тока,

б

намагничивание тел). Если объяснение удаётся, то модель признаётся пра­

вильной. В ходе познания модель уточняется, она всё глубже, точнее отражает

свойства реального объекта.

В истории физики известны как плодотворные теории, так и ошибочные, не

выдержавшие экспериментальной проверки, например теория теплорода. Эта

теория объясняла нагревание тел увеличением, а охлаждение - уменьшением

содержащегося внутри них теплорода . Но простейшие явления , например на­

гревание тел при трении, она объяснить не могла.

Принципы соответствия и причинности. История физики показывает, что

процесс познания материального мира не заканчивается опытной проверкой

теории. Вскоре после создания той или иной теории обнаруживаются новые

области явлений и накапливаются факты, объяснение которых не укладывает­

ся в её рамки и требует выдвижения новых гипотез, нуждающихся, конечно,

в опытной проверке. Новые открытия вызывают потребность в исправлении,

дополнении существующих теорий или создании новых, более глубоко и точно

отражающих объективные закономерности природы .

Новая теория чаще всего включает в себя старую как составную часть,

т. е. является более широкой, всеохватывающей. Хорошо проверенные законы

и соотношения остаются неизменными и в новой теории. Так, специальная

теория относительности Эйнштейна изменила привычные представления о

пространстве и времени, при этом она практически не повлияла на законы

классической механики.

Преемственность между старой и новой теориями описывается принципом

соответствия, согласно которому повая теория должпа переходить в старую

при тех условиях, для которых старая теория была устаповлепа. Принцип соответствия был сформулирован датским учёным Н. Бором в

1923 г. как косвенное подтверждение правильности выдвинутой им в 1913 г. теории строения атома и спектров излучения и поглощения. Бор установил,

что между предложенной им неклассической теорией излучения и традицион­

ной (классической) существует соответствие. Новая теория не отменяет ранее

установленные законы, а лишь уточняет их, помогает определить область их

применимости.

Избегать ошибок в физике позволяет принцип причинности: положение

о том, что причина предшествует следствию. Ежедневно мы убеждаемся, что

событие-причина предшествует событию-следствию, - например, удару грома

предшествует вспышка молнии.

Если спутать причину со следС'l'вием или принять за причину случайно со­

путствующее обстоятельство, может возникнуть серьёзная ошибка, заблужде­

ние или суеверие. Известно, что перед дождём раки зарываются в песок. Если

поменять местами причину и следствие , то получится абсурдная ситуация:

чтобы пошёл дождь, надо закопать рака в песок .

Беспричинных событий не может быть, иначе их существование вступило

бы в противоречие с законом сохранения энергии, ибо это означает возник-

7

новение чего-либо из ничего. Всякое изменение состояния тела может быть

вызвано только материальным воздействием или процессом.

Принцип причинности в физике, в частности, требует исключить из рас­

смотрения :

влияние какого-либо события на все предшествующие события («будущее

не влияет на прошлое• ), влияние друг на друга одновременных событий, произошедших на таком рас­

стоянии, что они не могут быть связаны каким-либо сигналом, даже световым.

Физическая картина мира. Изучение природы всегда имело высшую цель,

которая, по словам английского физика П. Дирака, состоит в том, чтобы «полу­

чить единую всеоmемлющую теорию, пригодную для описания всей физики в целом• .

Эта теория способна была бы объяснить все физические явления и про­

цессы во Вселенной на основе нескольких законов, из которых можно чисто логически вывести многообразие физического мира.

Единая всеобъемлющая теория нужна для создания чёткой и полностью объяснимой физической картины мира.

Физическая картина мира - это физическая модель природы, построенная

на основе наиболее общих принципов, законов и теорий, соответствующих конкретному историческому этапу развития науки.

В физической картине мира конкретизированы естественно-научные пред­ставления о строении и движении материи, формах её существования, фунда­

ментальных физических взаимодействиях.

В ходе развития науки физические представления о природе изменялись,

поэтому картина мира эволюционировала. Первой физической картиной мира была механическая, созданная в XVIII в.

В XIX в. механическую картину мира сменила электродинамическая, а в ХХ в. была создана квантово-полевая картина мира.

Современная физика содержит небольшое число фундаментальных физи­

ческих теорий, охватывающих все её разделы. Эти теории представляют собой

квинтэссенцию знаний о физических процессах и явлениях, наиболее адекватно описывающих различные формы движения материи. Подробнее современная

физическая картина мира будет рассмотрена в курсе физики 11 -го класса.

В настоящее время большинство физиков считают, что в рамках современ­ной физической картины мира высшая цель физики вряд ли достижима. Так

что создание единой физической теории - дело будущего .

• ЭТО ИНТЕРЕСНО! В лаборатории Э. Резерфорда на стене в качестве символа науки был иэображён

крокодил, глотающий и перемалывающий всё на своём пути и идущий всегда вперёд.

Кто не понимает движенья,

тот не понимает природы.

Ар11стотель

Механика - раздел физики, в котором изучают закономерности механического движения тел и причины, вызывающие или изменя­

ющие это движение.

Механические явления наиболее просты, наглядны и широко распро­

странены. Понятия механики (перемещение, скорость, энергия и др.) при­

меняются для описания многих физических явлений (тепловых, электри­

ческих, магнитных и др.). Поэтому знание механики необходимо для

изучения любого раздела физики. Как писал известный российский учёный

С. И. Вавилов, «вся физика построен.а н.а термин.ах и понятиях механики.

Не знать эти понятия и изучать физику - это примерно то же самое,

что попытаться читать, н.е узнав азбуки~.

Законы механики лежат в основе теории работы машин и механизмов,

расчётов строительных конструкций. На них основан принцип реактивного

движения, который используется в ракетной технике. Расчёты траекторий

небесных тел, космических кораблей и баллистических ракет также основа­

ны на законах механики. Академик А. Ф. Иоффе отмечал, что техника -это физика в её практических приложениях.