Учебник для 10 класса

ФИЗИКА

       

§ 3. Зарождение и развитие современного научного метода исследования

От мифов к простым фактам

Каким же образом удается разглядеть черты единой картины мира в хаосе разнообразных событий? Как подойти к пониманию того общего, что есть между деревом и камнем, водой и паутиной, протянувшейся над ручьем, полетом птицы и движением планет?

Потребность в познании мира вначале привела к попыткам объяснить весь мир в целом, получить ответы на такие всеобъемлющие вопросы: откуда взялась Вселенная? В чем сущность жизни? Какие принципы управляют всеми событиями в мире?

Дать сразу обоснованные ответы на эти вопросы оказалось невозможным. Люди начали придумывать разнообразные мифы о возникновении мира, появилась религия.

Лишь примерно 500 лет назад человечество вступило на путь научного познания природы, который оказался поразительно плодотворным: люди приступили к экспериментированию с природой. Это было началом науки в той форме, как мы ее знаем сегодня.

Одним из первых плодотворность нового пути осознал великий Леонардо да Винчи (1452—1514). Он писал: «Истолкователь ухищрений природы — опыт; он никого не обманывает; лишь наше суждение само себя иногда обманывает.

Нужно руководствоваться показаниями опыта и разнообразить условия до тех пор, пока мы не извлечем из опыта общих законов, ибо лишь опыт открывает нам общие законы.

Общие законы препятствуют нам вводить в заблуждение самих себя и других, ожидая результатов, получить которые невозможно.

Те, кто, изучая науки, обращается не к природе, а к авторам, не могут считаться сынами природы: я бы сказал, что они только ее внуки. Лишь она одна — подлинная руководительница настоящих гениев; между тем, как это ни глупо, смеются над человеком, предпочитающим учиться у самой природы, а не у авторов, которые не больше как ее ученики».

Сказано превосходно. И все сказанное не утратило смысла до наших дней. Однако Леонардо не опубликовал эти мысли. Стимулом естествознания XVII в. стал призыв к экспериментальному изучению природы со стороны английского философа Фрэнсиса Бэкона (1568—1626). Ф. Бэкон понял важное обстоятельство: законы природы могут дать неизмеримо больше, чем заключено в том опытном материале, на основе которого они получены. Именно благодаря этому возможна наука.

Наука в современном понимании, по словам выдающегося физика В. Вейскопфа, возникла тогда, когда вместо попыток получить немедленно ответы на глобальные вопросы люди начали интересоваться простыми, на первый взгляд незначительными фактами. Например, падением камня, нагреванием воды, когда в нее бросают кусок раскаленного железа, и т. д. Но эти факты описывались очень строго, точно, количественно.

Любой человек при желании мог убедиться в их справедливости, проверить их.

Вместо того чтобы задавать общие вопросы и получать частные ответы, ученые начали задавать частные вопросы и получать общие ответы. Этот процесс продолжал развиваться: вопросы, на которые мог быть получен ответ, становились все более общими. «Самый непостижимый факт, — как сказал однажды А. Эйнштейн, — заключается в том, что природа познаваема». В процессе познания законов природы отчетливо проявилась и продолжает проявляться справедливость мысли Бэкона о возможности нахождения общих законов, отправляясь от частных фактов, установленных точными экспериментами.

Сущность научного метода

Ученые давно перестали верить в то, что можно постичь истину, сидя за письменным столом и размышляя о том, как должна быть устроена Вселенная. Около 350 лет назад были окончательно выработаны основы наиболее подходящего физического метода исследования. Он состоит в следующем: опираясь на опыт, отыскивают количественно (математически) формулируемые законы природы. Открытые законы проверяются практикой.

Нельзя не удивляться, как, начав с исследования несложных фактов, наука быстро поднялась до современного уровня. За несколько сотен лет ученые пришли к открытию многих фундаментальных законов природы. Начиная с Галилея и Ньютона, ученые перестали считать, что наука должна сводить непривычные, непонятные явления к привычным и понятным с точки зрения здравого смысла. Задачей науки стал поиск математически выражаемых общих законов природы, которые охватывали бы громадную совокупность фактов.

Ученые стали требовать объяснения на основе этих законов привычных нам явлений, которые, казалось бы, не требуют объяснений. Например, почему книга не проваливается сквозь стол? Этим был брошен вызов «здравому смыслу». Вызов, который в таких современных теориях, как теория относительности и квантовая механика, привел к прямому противоречию с обыденным здравым смыслом.

Суть нового направления поиска в науке глубоко, к сожалению, не вошла в плоть и кровь всех людей. В связи с этим очень часто и сейчас возникает множество недоразумений. Понять сущность современного научного мировоззрения и метода нелегко. Переворот, который должен произойти в сознании человека, можно сравнить с переворотом в голове дикаря, который от лечения таким понятным средством, как изгнание злых духов, должен перейти к «таинственным» мерам: кипячению воды, прививкам, соблюдению гигиены и т. д. Изгонять нужно, как выяснилось, не привычных «здравому смыслу» человекоподобных существ, а микробы и вирусы, которые невозможно увидеть простым глазом.

Научное мировоззрение

Фундаментальные законы, устанавливаемые в физике, намного сложнее для восприятия, чем те простые факты, с которых начинается исследование любых явлений. Но они столь же достоверны, столь же объективны, как и наблюдаемые непосредственно простые явления. Эти законы в рамках своих границ применимости не нарушаются никогда, ни при каких условиях.

Все большее число людей осознают, что природа следует определенным законам, которые исключают чудеса. Рост достижений науки в объяснении природы подрывает веру в сверхъестественное.

Плоды научного метода

Можно проследить, как открытие современного метода исследования природы очень быстро привело к резкому расширению возможностей человека.

В течение нескольких столетий население Земли, которое вплоть до эпохи Возрождения (XIV—XV вв.) количественно менялось очень медленно, внезапно возросло с 600 тыс. до 5 млрд. Большие пространства на поверхности Земли изменили свой облик. Материки прорезали шоссейные и железные дороги. На месте лесов выросли огромные города. Путешествие по воздуху с одного материка на другой стало намного быстрее и удобнее, чем путешествие из Петербурга в Москву, совершенное 200 лет назад. Человек высадился на Луне.

Экологические проблемы

Технологическое преобразование мира ставит проблему сохранения и поддержания жизни на нашей планете. Жизнь в любой форме постоянно вынуждена искать компромисс между присущей ей способностью к неограниченному росту и ограничениями, которые возникают при ее взаимодействии с окружающей природной средой. Экологические проблемы являются общими для физиков, химиков, биологов, экономистов, инженеров, писателей и общественных деятелей.

К неблагоприятным экологическим последствиям приводит работа тепловых двигателей и атомная энергетика. В связи с этим на повестку дня ставятся серьезнейшие вопросы. Могут ли атомные электростанции стать безопасными и насколько они необходимы? Решат ли энергетическую проблему термоядерные атомные станции и могут ли они быть созданы?

От падения камня до расширяющейся Вселенной и квантовой механики

Достижения современной науки трудно переоценить. Мы уже довольно достоверно знаем, что было с нашей Вселенной около 15 млрд лет назад. В это время произошел «Великий взрыв» и Вселенная стала расширяться. Это расширение продолжается до сих пор.

Первоначально вещество Вселенной было горячим, но расширение привело к постепенному уменьшению температуры. При температурах порядка нескольких миллиардов градусов начали образовываться атомные ядра из протонов и нейтронов. Когда температура снизилась до нескольких тысяч градусов, ядра получили возможность захватывать электроны: начали образовываться атомы. По мере дальнейшего уменьшения температуры стали образовываться простые молекулы, а затем жидкости и кристаллы. Наконец возникли гигантские цепеобразные молекулы, на основе которых зародилась жизнь.

Величайшим триумфом человеческого разума, рядом с которым трудно поставить достижения человечества как в области других наук, так и в сфере практической деятельности, было создание в 20-х годах XX в. квантовой механики. На основе разрозненных, на первый взгляд противоречащих друг другу экспериментальных фактов, относящихся к макроскопическим явлениям, которые порождаются индивидуальными микроскопическими процессами, удалось создать теорию движения элементарных частиц — теорию процессов, непосредственно не доступных ни нашим органам чувств, ни воображению. Мы лишены возможности представить себе наглядно эти процессы, так как они отличаются от тех макроскопических явлений, которые человечество наблюдало на протяжении сотен тысяч лет и основные законы которых были сформулированы к концу XIX в.

Квантовая механика впервые объяснила устойчивость атома, закономерности образования молекул и позволила в общих чертах понять строение вещества. Она открыла «вероятностный» мир, в котором существуют микроскопические объекты. Эти объекты наделены удивительными противоречивыми свойствами: они могут занимать определенное положение, иметь определенную скорость, но не одновременно! При попытке ограничить движение микрочастицы малой областью пространства ее скорость и энергия неизбежно возрастают.

В последние годы начала проясняться внутренняя структура элементарных частиц. Самое сокровенное в природе постепенно становится доступным человеческому разуму.

Познаваемость мира и самоограничение науки

Теперь мы убеждены, что найденный наукой метод познания мира единственно правильный. Только отказ от немедленного получения исчерпывающей, абсолютной истины, только бесконечный путь сквозь пестроту экспериментальных фактов сделали научные знания столь успешными и глубокими.

Ученые давно поняли, что познание — длительный и трудный процесс. Мир огромен и очень сложен. Многое мы не знаем совсем, о многом лишь начинаем догадываться. Не знаем с достоверностью структуру элементарных частиц и не в состоянии пока понять, чем обусловлены наблюдаемые свойства частиц и сколько типов истинно элементарных частиц существует в мире. Не знаем, что было с Вселенной до «Великого взрыва» и что будет с ней в дальнейшем.

Мы имеем пока лишь основу для описания эволюции Солнечной системы от беспорядочного облака до образования планет и зарождения жизни на Земле. Только недавно ученые приступили к изучению живых организмов на молекулярном уровне. Здесь удалось расшифровать информационный код наследственности, записанный на спиральных молекулах дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Но как на основе этого кода создается живой организм, пока не ясно. Очень мало достоверного известно о природе сознания.

Наука в отличие от мифов и религий не утверждает, что она может немедленно дать ответы на все вопросы. В том числе на самые животрепещущие: о предназначении человека, о судьбе Вселенной и т. д. Но она дает правильное понимание проблемы в целом, правильный подход к ее возможному решению. Основанный на научном методе подход является единственно правильным, так как гарантирует достоверность полученных знаний. Однако это трудный и медленный путь достижения истины.

При изучении физики, так же как и других наук, нельзя сразу, за короткое время усвоить их суть и научиться эти знания применять для решения практических задач или развивать науку дальше. В той или иной мере необходимо знакомство не только с фундаментальными законами, но и с научным методом познания, главными фактами, лежащими в основе современного здания науки.

 

 

 

Top.Mail.Ru
Top.Mail.Ru