Эрик Роджерс - Физика для любознательных. Том 2. Наука о Земле и Вселенной. Молекулы и энергия

В физике большинство законов устанавливает соотношение между измерениями двух величин:

( натяжение )/( деформация ) = const;

давление ~ 1/ объем ;

сила ~ M 1 M 2/d;

интенсивность излучения ~ Т 4.

Почти все законы можно выразить с помощью слова «постоянный» (const) как их существенной характеристики:

полное количество движения остается постоянным при любом столкновении ;

( давление )∙( oбъем ) = const;

F ∙ d 2/ M 1 M 2= const.

Мы стараемся найти законы, потому что стремимся привести в систему закономерности в поведении природы.

Концепции

В обычном смысле слова концепция — идея или же общее понятие. В научных дискуссиях мы придаем ему различные значения [117].

А. Второстепенные концепции

1) Математические концепции — полезные понятия, например: понятие о прямой пропорциональности ( растяжение ~ груз ); понятие о пределе (давление в данной точке; скорость как предел Δs/Δt ).

2) Концепции наименований — понятия, полезные при классификации и обсуждении. Мы даем наименования группе материалов (металлы) или общему свойству (упругость).

3) Концепции определений — понятия, которые мы придумываем и определяем для употребления в лаборатории. Они могут быть даны на основании простых измерений ( давление — из измерений силы и площади; результирующая нескольких сил; ускорение = Δv/Δt ). Или же они могут описывать некоторое состояние ( постоянство температуры; равновесие нескольких сил ).

Б. Главные концепции

4) Научные концепции — полезные понятия, получаемые из эксперимента:

— векторы складываются геометрически;

— теплота — причина повышения температуры тел;

— количество движения — величина, полезная при рассмотрении процессов столкновений;

— молекула как основная частица.

5) Схемы понятий — научные идеи более общего характера, вокруг которых концентрируется научная мысль, например:

— теплота как форма молекулярного движения;

— теплота как форма энергии;

— система Коперника;

— законы движения Ньютона;

— представление об атмосфере как об океане воздуха, окружающем Землю,

6) Великие схемы понятий:

— система движений планет по представлению древних греков;

— теория всемирного тяготения Ньютона;

— сохранение энергии;

— сохранение количества движения;

— кинетическая теория газов.

Умозрительные идеи

Большинство научных концепций рождается из эксперимента или до некоторой степени связано с экспериментом. Другие области научного мышления — чисто умозрительные. Однако они могут оказаться полезными и остаются в силе до тех пор, пока мы помним об их статуте. Мы можем их назвать умозрительными идеями. Представление о хрустальных сферах было чисто умозрительным — предполагалось, что они невидимы, и их существование было недоказуемо. В самом деле, схема Птолемея не была разрушена, когда оказалось, что сквозь сферы проходит комета: были разрушены только сами сферы. Рассматривая какую-либо схему понятий, будьте осторожны и старайтесь отделить необходимые понятия от умозрительных идей, которыми сопровождается их рождение.

«Теория» и «гипотеза»

Многие ученые назвали бы большую схему, объединяющую ряд понятий, теорией , а умозрительную идею — гипотезой . Эти два термина иногда путают, и, может быть, лучше бы было избегать их. Однако мы будем употреблять их, и вы также можете с успехом это делать, проводя между ними следующее различие.

Гипотезы — это отдельные предположения или догадки, к которым прибегают при построении теории или при постановке эксперимента, имеющего целью непосредственную проверку какой-либо теории в том случае, когда это представляется возможным.

Теории — это мысленные схемы с допущениями, которые подбираются так, чтобы получалось согласие с экспериментальными данными, они содержат умозрительные идеи и общий подход к решению различных проблем, и это позволяет отнести их к главным концепциям.

Построение системы научных знаний

Наши сведения о природе мы получаем сначала путем индукции, извлекая общие законы из экспериментальных данных (см. гл. 1 [118]). Затем, считая наш закон верным, мы предполагаем, что природа будет вести себя согласно этому закону, т. е. предполагаем, что природа единообразна. Если вы обратитесь к ранним этапам развития астрономии (и к начальной стадии вашей собственной работы в лаборатории), то увидите, что, хотя знания, полученные методом индукции, достаточно надежны (например, законы движения планет, закон Гука), все же этот метод не особенно плодотворен в отношении объяснений и предсказаний. Дедуктивная теория дает нам значительно больше. Прибегая к ней, мы начинаем с допущений и законов, получая их либо на основе догадки, либо в результате эксперимента, либо по аналогии или путем умозрительных рассуждений, а затем даем объяснение и делаем новые предсказания. Однако, чтобы избежать ошибок древних философов, мы, конечно, должны проверять наши предсказания и выводы. Мы должны также понимать, откуда берутся законы, на которых основана наша теория.