2362-1 (Особенности научного познания окружающего мира), страница 2

Таким образом, при описании процесса всегда имеется опасность упустить какое-то существенное его свойство. В таком случае теоретическая модель будет представлять собой искаженный образ процесса. Естественно, что и теоретические законы, полученные на основе таких теоретических моделей, окажутся неверными. Поэтому истинность физических теорий и теоретических моделей природных процессов всегда проверяется экспериментально.

ЗАДАНИЯ

1. Приведите примеры механических, тепловых и электромагнитных процессов, подтверждающие справедливость следующих утверждений:

а) при объяснении природных явлений (процессов) создаются теоретические модели этих процессов и участвующих в них объектов;

б) любая научная теория, основываясь на моделях объектов и процессов, обладает лишь относительной истинностью.

Если вы считаете эти утверждения ошибочными, попробуйте обосновать свои возражения (может быть, тоже примерами).

§ 3. Взаимосвязи теории и эксперимента в познании природы

Для физика понять природный процесс – это значит суметь описать его механизм на языке науки. Другими словами, создать теоретическую модель процесса. Если речь идет не об одном, а о группе родственных процессов, то нужно разработать их теорию. Естественно, что основные положения теории должны учитывать все существенные особенности всех природных процессов и объектов, которые она изучает.

Итак, конечной целью научных исследований является создание теории изучаемых природных процессов. Но для построения теоретической модели нужно знать свойства моделируемого процесса, чтобы выбрать из этих свойств наиболее существенные. Необходимые сведения дают экспериментальные исследования. Например, в распоряжении Максвелла были сведения об электрических и магнитных явлениях, экспериментально выявленные поколениями ученых разных стран в течение XVIII–XIX вв. Из их числа Максвелл и выбрал те (по его мнению – наиболее существенные), которые обобщил в виде нескольких положений своей электродинамики.

Но если экспериментальные исследования создают основу для разработки теории, то и теория не остается в долгу перед учеными-экспериментаторами. Первая задача созданной теории состоит в том, чтобы объединить россыпь всех известных из опытов фактов и законов в компактную, легко обозримую систему. До Максвелла, например, ученые должны были помнить множество уже выявленных особенностей электрических, магнитных и световых явлений (в школьных учебниках описана лишь малая их часть). Современному ученому это уже не нужно: сведения о любом из таких явлений он может «прочесть» (получить) в небольшом числе основных положений электродинамики.

Систематизируя уже известные из экспериментов факты и законы, новорожденная теория одновременно проходит предварительную проверку на истинность. А именно: насколько правильно и полно основные положения теории «впитали в себя» все существенные особенности изучаемых природных процессов, насколько правильно теория моделирует эти процессы. Дело в том, что теория не просто систематизирует полученные из экспериментов сведения о природных процессах, она их объясняет. Если создаваемая теория удовлетворительно объясняет все уже известные факты и законы, относящиеся к изучаемым природным процессам, она получает право на существование.

Конечно, никакая теория не рождается в законченном, «отшлифованном» виде, в котором она излагается в учебниках по физике. Практически любая «новенькая» физическая теория имеет много недостатков. Используя эту теорию для объяснения уже известных экспериментальных фактов и законов, ученые уточняют ее. В частности, пытаются включить в основные положения теории те особенности природных процессов и объектов, которые оказываются существенными, но не были учтены ранее. С подобной ситуацией мы встречались в 8-м классе, знакомясь с кинетической теорией вещества. Так, для объяснения особенностей плавления твердых тел и отвердевания жидкостей нам пришлось уточнить теоретические модели этих объектов – предположить, что в кристаллическом твердом теле расположение частиц гораздо более упорядоченно, чем в жидкостях.

Возможности любой новой физической теории не ограничиваются систематизацией и объяснением уже известных фактов и законов. Ее начинают использовать для дальнейшего изучения природных процессов, причем наилучшие результаты получаются, если экспериментаторы и теоретики работают в тесном контакте, учитывая результаты работы друг друга.

Дело в том, что возможности экспериментального метода исследований ограничены. Если ученый пользуется чисто экспериментальным методом, не создав предварительно теоретическую модель изучаемого процесса, то он не может предвидеть, как поведет себя процесс и каковы его возможные особенности. Поэтому ученый-экспериментатор часто не замечает эти особенности. Например, уже в опытах Фарадея его установка испускала радиоволны (электромагнитные волны). Радиоволны испускались и во многих других опытах с переменными токами, которые проводились учеными разных стран в течение XIX в. Однако вплоть до 1888 г. этот факт обнаружен не был. В то время обнаружить испускание электромагнитных волн при протекании по проводам переменного тока можно было только случайно, чего не произошло. Иногда же неумение предвидеть возможные последствия изучаемого процесса приводило к трагедии. Так, в 1751 г. при изучении электрических зарядов в атмосфере во время грозы от удара молнии погиб член Петербургской академии наук Георг Рихман. Он не знал, что электрический ток опасен для человека.

Современный физик, прежде чем ставить опыт, изучает теоретическую модель объекта. Он может на основе теории предположить, что при тех или иных условиях может произойти в рамках этой модели. Например, пусть в каком-то месте пространства начало изменяться электрическое или магнитное поле. Как мы выяснили в § 1, электродинамика Максвелла предсказывает в этом случае появление электромагнитных волн. Более того, электродинамика подсказывает способы обнаружения этих волн и их особенности. В частности, что скорость электромагнитных волн в вакууме (и в воздухе) должна быть равна 3•108 м/с, что волны должны оказывать давление на препятствия и т.д. Получив такие сведения, экспериментатор ставит свои опыты более целенаправленно, его работа становится гораздо продуктивнее. Именно так, зная предсказания электродинамики о возможном существовании электромагнитных волн и об их свойствах, Генрих Герц сумел экспериментально обнаружить и исследовать эти волны.

Мы рассмотрели наиболее типичную картину взаимосвязи теоретических и экспериментальных методов познания природы. Как видим, эта взаимосвязь оказывается непростой. Для наглядности мы изобразили ее на рис. 4. Экспериментальные исследования дают ученым сведения об изучаемых природных процессах и объектах (экспериментальные законы и факты), на основе которых создается теория этих процессов. Созданная теория, в свою очередь, приводит ранее разрозненные экспериментальные сведения в систему и объясняет их. В попытках таких объяснений теория проверяется и уточняется. Далее теоретический и экспериментальный методы начинают «работать» вместе. Теория предсказывает новые, еще не известные ученым особенности изучаемых природных процессов и условия их обнаружения, направляя экспериментальные исследования и делая их более целеустремленными. Эксперимент, в свою очередь,проверяет, действительно ли особенности природных процессов оказываются такими, какими их предсказывает теория. Если результаты эксперимента подтверждают теоретические предсказания, то это служит подтверждением истинности теории. В противном случае теорию приходится уточнять. Таким образом, «совместная работа» теории и эксперимента по изучению еще не исследованных природных процессов и объектов служит для проверки теории.

ЗАДАНИЯ

Используя материал по кинетической теории вещества, проиллюстрируйте одним-двумя примерами следующие утверждения:

1) теория объясняет экспериментальные факты и законы;

2) теория предсказывает особенности еще не изученных явлений и процессов;

3) эксперимент проверяет и уточняет теорию.

§ 4. Математический язык в физике

Мы уже говорили, что физики при изучении природных процессов создают их теоретическую модель – образ, описанный на языке теории. Такое описание бывает двоякое: словесное и математическое. Например, полет мяча, подкинутого вверх, может быть описан так.

Посмотрим, какие возможности таятся в том и другом способе описания теоретической модели процесса. Используя словесное описание теоретической модели полета мяча и законы механики, мы можем предсказать следующие особенности движения мяча.

Первая особенность. Скорость v движения мяча вверх должна постепенно уменьшаться: ведь по мере подъема возрастает потенциальная энергия взаимодействия мяча с Землей и в соответствии с законом сохранения энергии уменьшается его кинетическая энергия. На какой-то высоте мяч остановится, а затем начнет падать вниз со все возрастающей скоростью под действием притяжения Земли.

Вторая особенность. Мяч будет двигаться только по вертикали, не отклоняясь в стороны. Ведь при t = 0 горизонтальная составляющая его скорости равна нулю, и на мяч в этом направлении ничто не действует, а в инерциальной системе отсчета скорость тел без причины не меняется (это основной признак инерциальных систем отсчета).

Воспользуемся теперь математическим описанием модели движения мяча. В конце параграфа показано, что выписанная нами система уравнений, т.е. математическая запись модели движения мяча, имеет следующие решения:

Графики полученных зависимостей v от t и x от t приведены на рис. 6 и 7 соответственно.

Вы можете сами убедиться, что графики содержат в себе всю информацию о движении мяча, которую мы извлекли из словесного описания теоретической модели его движения. Но графики и формулы дают еще и дополнительные сведения:

– что движение мяча не зависит от его массы m;

– что, например, через 0,2 с после броска мяч должен находиться на высоте 0,6 м (см. рис. 7) и подниматься со скоростью 2 м/с (см. рис. 6);

– что мяч достигнет верхней точки своего полета через t1 с после броска, поднявшись на высоту h;

– что девочка, подкинувшая мяч, поймает его через t2 = 0,8 с после броска.

Итак, математическая запись теоретической модели природного процесса позволяет выявить гораздо больше его особенностей, чем словесная запись. Поэтому физики в своих исследованиях широко используют язык математики. При этом они поступают следующим образом:

– создают словесное описание нужного образа изучаемого природного процесса (теоретическую модель);

– «переводят» словесное описание теоретической модели процесса на язык математики;

– решают полученную систему уравнений, пользуясь математическими теоремами, правилами и т.д.;

– «переводят» найденные решения уравнений в словесное описание особенностей изучаемого процесса.

Зачем делают двойной перевод: со словесного описания на математический и обратно? По крайней мере по трем причинам.

Во-первых, сами задачи, встающие перед учеными, формируются и формулируются словесно, словесное описание природных процессов ближе к реальности, чем математическое. Возьмем для примера два описания одной и той же задачи.

Если ограничиться математическим описанием, то задача решается относительно просто:

– при T = T1 имеем p1 = nkT1;

– при T = T2 имеем p2 = nkT2.

Поделив первое уравнение на второе, получим: .

Отсюда