1) быть принципиально проверяемой;

2) обладать максимальной общностью;

3) обладать предсказательной силой;

4) быть принципиально простой;

5) обладать системностью.

В заключение этого вопроса отметим, что особенно в наше время важна не просто постановка, например, экологических проблем, а выработка путей, способов и средств их реального решения. И крайне существенно, что именно физика является тем полигоном, на котором зарождаются и проверяются новые средства познания, совершенствуются основы научного метода.

9. Наблюдение и специфика его применения в современном естествознании3.2. Наблюдение и специфика его применения в современном естествознании

Современное естествознание характеризуется усилением в нем роли наблюдения. Основные причины этого явления такие:

1) развитие самого метода наблюдения: создаваемая для наблюдения аппаратура может длительное время работать в автоматическом режиме, управляться на расстоянии; ее подключение в ЭВМ дает возможность быстро и надежно обрабатывать данные наблюдений;

2) осознание научным сообществом того, что эксперименты над объектами, жизненно необходимыми для человечества, ставить нельзя. Это, в первую очередь, - океан и земная атмосфера. Их можно изучать только методом наблюдения;

3) возникновение новых возможностей наблюдения Земли с развитием космической техники. Наблюдения Земли из космоса позволяют получать информацию о целостных земных образованиях в интегративном виде, которые нельзя получить в условиях нахождения субъекта наблюдения на Земле. Они позволяют наблюдать целостные картины взаимодействий сразу нескольких подсистем Земли, наблюдать динамику ряда процессов на Земле;

4) вынос средств наблюдения за пределы атмосферы Земли и даже за пределы поля ее тяготения расширил возможность астрономических наблюдений. Так, с помощью автоматов удалось увидеть обратную сторону Луны, обозреть поверхность и окружение иных планет солнечной системы. Дело в том, что за пределами земной атмосферы отсутствует поглощение электромагнитного космического излучения в широком диапазоне частот атмосферой. После выноса инструментов за пределы земной атмосферы возникла и стала бурно развиваться рентгеновская и гамма-астрономия.

Что же такое научное наблюдение?

Наблюдение - это преднамеренное, планомерное восприятие какого-либо явления, осуществляемое с целью выявить его существенные свойства и отношения.

Наблюдение - это активная форма научной деятельности субъекта. Оно требует постановки задачи наблюдения, разработки методики его проведения, разработки способов фиксации результатов наблюдения и их обработки.

Возникающие задачи наблюдения вызваны внутренней логикой развития естествознания и запросами практики.

Научное наблюдение всегда связано с теоретическим знанием. Именно оно показывает, что наблюдать и как наблюдать. Оно задает и степень точности наблюдения.

Наблюдения могут быть:

-непосредственными - свойства и стороны объекта воспринимаются органами чувств человека;

-опосредованными - выполняемые с помощью технических средств (микроскопа, телескопа);

- косвенными - при которых наблюдаются не объекты, а результаты их воздействия на какие-то другие объекты (поток электронов, который фиксируется свечением экрана со специальным покрытием).

Условия наблюдения должны обеспечивать:

а) однозначность замысла наблюдения;

б) возможность контроля либо путем повторного наблюдения, либо путем применения новых, иных методов наблюдения. Результаты наблюдения должны быть воспроизводимыми. Конечно, абсолютной воспроизводимости результатов наблюдений нет. Результаты наблюдений фиксируются лишь в рамках определенных научных знаний.

В процессе наблюдения субъект не вмешивается в природу наблюдаемого явления. Это порождает недостатки наблюдения как научного метода познания:

1. Нельзя изолировать наблюдаемое явление от влияния затемняющих его сущность факторов. Понятие затемняющего фактора легко понять на примере свободного падения тел. Действительно, свободное падение тел показывает, что сопротивление воздуха явно влияет на характер движения тела, но оно не оказывает никакого влияния на зависимость этого движения от силы тяжести. Таким образом, затемняющий фактор - это фактор, от которого изучаемое явление не зависит, но который видоизменяет форму проявления изучаемого явления.

2. Нельзя воспроизводить явление столько раз, сколько требуется для этого изучения; необходимо ждать, когда оно повторится само.

3. Нельзя исследовать поведение явления в различных условиях, т.е. невозможно его всесторонне изучить.

Именно эти недостатки наблюдения и заставляют исследователя переходить к эксперименту. В заключение этого вопроса отметим, что в современном естествознании наблюдение все больше приобретает форму измерения количественной величины свойств системы. Результаты наблюдения фиксируются в протоколах. Ими выступают таблицы, графики, словесные описания и т.д. Получив протоколы наблюдения, исследователь пытается установить зависимости между теми или иными свойствами: количественные, следования во времени, сопутствия, взаимоисключения и т.д.

Метод эксперимента

Эксперимент - это метод познания, базирующийся на управлении поведением объекта с помощью ряда факторов, контроль за действием которых находится в руках исследователя.

Эксперимент не вытеснил полностью наблюдение. Наблюдение в условиях эксперимента фиксирует воздействие на объект и реакцию объекта. Без этого эксперимент идет вхолостую. Например, закон Ома для участка цепи гласит: для металлов и электролитов сила тока в цепи пропорциональна приложенному напряжению. Чтобы эту закономерность проверить экспериментально, надо менять напряжение в цепи и наблюдать (фиксировать), как при этом меняется сила тока.

Главное отличие эксперимента от наблюдения заключается в том, что даже в самом простом эксперименте создается искусственная система элементов, ранее не встречающаяся в практике человека. Эта искусственная система будет экспериментальной установкой.

Главное требование к эксперименту - воспроизводимость его результатов. Это означает, что эксперимент, проведенный в разные моменты времени, при прочих равных условиях, должен давать один и тот же результат. Тем не менее не всякий биологический эксперимент, например, можно повторить сколько угодно раз (пересадка сердца и т.д.). Такой повтор возможен в принципе. Но есть еще и вопрос о целесообразности повтора.

В зависимости от предмета исследования эксперимент подразделяют на естественнонаучный, технический и социальный. Выбор то или иного вида эксперимента, как и план его осуществления, зависит от исследовательской задачи. В этой связи эксперименты подразделяют на: поисковые, измерительные, контрольные, проверочные.

Поисковые эксперименты ставятся для обнаружения неизвестных объектов или свойств. Измерительные - для установления количественных параметров изучаемого предмета или процесса.

Контрольные - для проверки полученных ранее результатов. Проверочные - для подтверждения или опровержения определенной гипотезы или некоторого теоретического утверждения.

Современный эксперимент теоретически нагружен. Действительно:

- в эксперименте используются приборы, а они представляют собой материализованный результат предшествующей теоретической деятельности;

- всякий эксперимент строится на основе какой-то теории, и если теория разработана хорошо, то заранее известно, к какому результату приведет эксперимент;

- эксперимент, как правило, дает не непрерывную картину процесса, а лишь его узловые точки. Только теоретическое мышление способно восстанавливать по ним весь процесс;

- при обработке данных экспериментов надо проводить усреднения, применять теорию ошибок.

Теоретическая нагруженность эксперимента возрастает. Причина этого - возникновение математической теории эксперимента, использование которой уменьшает число проб в эксперименте, увеличивает его точность.

Чтобы хорошо понимать возможности и границы применимости теории планирования эксперимента, создания автоматизированных систем управления экспериментом, необходимо учитывать, что все решения и действия экспериментатора условно можно разбить на два типа:

1) основанные на подробном и скрупулезном изучении конкретного явления;

2) основанные на более общих свойствах, характерных для множества явлений и объектов.

Первые решения и действия назовем эвристическими, а вторые - формализуемыми. Если речь идет об эвристической части, то здесь успех определяется уровнем подготовки экспериментатора в конкретной области знания, а также его интуицией. Математическая теория эксперимента занимается изучением лишь формализуемой части экспериментальной деятельности. Успех здесь целиком определяется разработанностью теории и уровнем подготовки экспериментатора в рамках этой теории.

Важнейшим понятием теории планирования эксперимента является понятие фактора. Фактором называется управляемая независимая переменная, соответствующая одному из возможных способов воздействия на объект исследования. Часто такие переменные называют регулируемыми факторами. В качестве регулируемых факторов могут выступать температура, давление, состав реакционной смеси, концентрация и т.д. В каждом конкретном случае количество этих факторов и их числовые значения четко определены. Выбирая факторы, желательно учесть как можно большее их количество. Они устанавливаются по результатам обзора литературы, изучения физической сущности процесса, логических рассуждений и опроса специалистов.

Выбранные для эксперимента количественные и качественные состояния факторов носят название уровней фактора. В качестве факторов целесообразно выбирать такие независимые переменные, которые соответствуют одному из разумных воздействий на объект исследования и могут быть измерены имеющимися средствами с достаточно высокой точностью.

Основные требования, предъявляемые к факторам, такие:

а) управляемость, т.е. возможность установки и поддержания выбранного нужного уровня фактора постоянным в течение всего опыта и его изменения по заданной программе. Требование управляемости связано с необходимостью изменять факторы в ходе эксперимента на нескольких уровнях, причем в каждом отдельном опыте уровень варьирования должен поддерживаться достаточно точно.

б) совместимость, т.е. осуществимость любых комбинаций факторов. Совместимость факторов означает, что все их комбинации могут быть осуществлены на практике. Это требование серьезно, поскольку в ряде случаев несовместимость факторов может привести к разрушению установки (например, в результате образования смеси газов, склонных к самовзрыванию) или измерительных приборов.

в) независимость, т.е. возможность установления факторов на любом уровне вне зависимости от уровня других факторов. Понятие независимости предполагает, что фактор не является функцией других факторов. В частности, такой фактор, как температура помещения, является функцией других факторов: числа излучателей тепла и их расположения, и т.д.

г) точность измерения и управления должна быть известна и достаточно высока (хотя бы на порядок выше точности измерения выходного параметра). Низкая точность измерения факторов уменьшает возможность воспроизведения эксперимента;

д) между факторами и выходным параметром должно существовать однозначное соответствие, т.е. изменение факторов повлечет за собой изменение выходного параметра;

е) области определения факторов должны быть таковы, чтобы при предельных значениях факторов выходной параметр оставался в своих границах.

На эксперимент действуют и неконтролируемые факторы - это неконтролируемые условия проведения опытов. Описать их все в принципе невозможно, да и не нужно.

Следующим важным понятием математической теории эксперимента является понятие “функция отклика”. Что же стоит за эти понятием?

Протекание процесса количественно характеризуется одной или несколькими величинами. Такие величины в теории планирования эксперимента называются функциями отклика. Они зависят от влияющих факторов.

Под математическим описанием процесса будем понимать систему уравнений, связывающих функции отклика с влияющими факторами. В простейшем случае это может быть одно уравнение. Часто такое математическое описание называют математической моделью изучаемого процесса. Ценность математического описания изучаемого явления заключается в том, что оно дает информацию о влиянии факторов, позволяет количественно определить значение функции отклика при заданном режиме ведения процесса, может служить основой для оптимизации изучаемого процесса.

При выборе выходного параметра необходимо учитывать такие требования:

а) выходной параметр должен иметь количественную характеристику, т.е. должен измеряться;

б) он должен однозначно оценивать (измерять) работоспособность объекта исследования;

в) он должен быть таким, чтобы было возможно четко различать опыты;

г) он должен отражать как можно более полно сущность исследуемого явления;

д) он должен иметь достаточно четкий физический смысл.

Удачный выбор выходного параметра в значительной степени определяется уровнем знания изучаемого явления.

Можно применять два и более выходных параметра, но тогда задача резко усложняется. Необходимо учитывать, что факторы выбираются только после того, как выбран выходной параметр (или параметры).

Процесс контролируется с помощью приборов, измеряющих входные и выходные параметры. Для краткосрочных исследований рекомендуется применять показывающие средства контроля, а для долговременных - записывающие.

Пространство, координатами которого являются факторы, принято называть факторным пространством, или пространством независимых переменных. Математический анализ планирования эксперимента сводится к выбору оптимального расположения точек в факторном пространстве, обеспечивающих получение наилучших в определенном смысле результатов исследования.

Современные экспериментальные исследования обладают такими особенностями:

1. Невозможностью наблюдения исследуемых явлений с помощью только органов чувств субъекта-экспериментатора (низкие или высокие температуры, давление, вакуум и т.д.);

2. Естествознание XIX века старалось в эксперименте иметь дело с хорошо организованными системами, т.е. изучать системы, зависящие от небольшого числа переменных. Идеалом, например, физика-экспериментатора был однофакторный эксперимент. Его суть в следующем: предполагалось, что исследователь мог с любой степенью точности стабилизировать все независимые переменные изучаемой системы. Затем, поочередно изменяя некоторые из них, он устанавливал интересующие его зависимости. Вот пример однофакторного эксперимента. Рассмотрим газ, который находится при определенных температуре, давлении, объеме. Каждый из названных параметров системы (температура, давление, объем) можно сделать постоянным. Так можно, скажем, изучать изменение объема газа при изменении давления, если температура постоянная, т.е. провести изотермический процесс. Аналогично проводят изобарический и изохорический процессы.

Во второй же половине XX века возникла необходимость проводить эксперименты с диффузными, т.е. плохо организованными системами. Их особенность заключается в том, что в таких системах одновременно проходит несколько различных по своей природе процессов. Причем они настолько тесно связаны друг с другом, что их в принципе нельзя рассматривать изолированно друг от друга. Например, это физические процессы, которые происходят между катодом и анодом в лампе, это эмиссионный спектральный анализ и др.;

З. Использование фильтрующих приборов. Суть: далеко не все сигналы, выдаваемые экспериментально, имеют одинаковую ценность. Нередко трудно из большого количества информации выявить ту, которая является существенной. В таких ситуациях применяются фильтрующие приборы. Это автоматы, способные проводить отбор поступающих сигналов и выдавать исследователю ту информацию, которая нужна для решения поставленной задачи.

Пример. В физике микромира известно, что одна и та же частица может распадаться по нескольким каналам. Вероятности распадов по разным каналам различны. Некоторые из них ничтожно малы. Например, К+ -мезон распадается по семи каналам. Распад К+ - мезона, идущий с малой вероятностью, очень трудно зафиксировать, если результаты эксперимента обрабатывать вручную. Здесь-то и применяются фильтрующие приборы. Они автоматизируют поиск нужного вида распада элементарной частицы;

4. Для современных экспериментов характерны использование сложного оборудования, большой объем измеряемых и регистрируемых параметров, сложность алгоритмов обработки полученной информации.

Все эксперименты ставятся с такими целями:

1) для получения новых эмпирических данных, подлежащих дальнейшему обобщению;

2) для того, чтобы подтвердить или опровергнуть уже имеющиеся идеи и теории, причем надо уяснить, что эксперимент в теории подтверждает, а что нет.

В эксперименте проверяется не теория в целом, а ее наблюдаемые следствия. Посредством измерений сопоставляются две группы фактов: предсказываемые теорией и находимые в результате измерения. Если нет хотя бы приблизительного их совпадения, теория, даже будучи логически стройной, не может быть признана удовлетворительной. Вместе с тем, эксперимент не позволяет сделать абсолютного вывода о правильности теории. Получив экспериментальное подтверждение теоретического положения, далеко не всегда можно гарантировать, что эксперимент подтвердил только его. Исследователю не всегда известно, скольким еще другим допустимым предположениям удовлетворяет полученный результат. С этим, в частности, связана невозможность “решающего эксперимента”. Эксперимент с абсолютностью подтверждает не само теоретическое построение, а его специфическую интерпретацию.

В ряде случаев наблюдение и во всех случаях эксперимент связаны с измерением определенных характеристик изучаемой системы.

Что же такое измерение?

Процедура установления одной величины с помощью другой, принятой за эталон, называется измерением. Измерение связывает наблюдение с математикой и позволяет создавать количественные теории.

Способ измерения включает в себя три главных момента:

а) выбор единицы измерения и получение соответствующего набора мер;

б) установление правила сравнения измеряемой величины с мерой и правила сложения мер;

в) описание процедуры измерения.

Итак, измерение предполагает проведение той или иной физической процедуры, но не сводится к ней. Измерение для выполнения своей цели должно привлекать также определенную теорию. Необходимо также знать и теорию прибора, так как без такого знания его показания останутся для нас непонятными.

Цель наблюдений и экспериментов - давать науке факты. Что же понимается под фактом?

В литературе встречаются разные определения факта. Будем считать фактом эмпирическое знание, которое или выполняет функцию исходного момента в построении научной теории, или играет роль проверки ее истинности. Кстати, теоретическое знание тоже может выполнять эти две названные функции. И тогда оно будет выступать в роли факта.

Так как факт - это элемент знания, то он часто сливается со своим объяснением. Очень важно всегда максимально очищать факты от их объяснения. Почему? Если мы за реальный факт выдадим факт уже объясненный, то тем самым необоснованно наложим запрет на другие возможные объяснения данного факта. Однако необходимо учитывать, что фактов в чистом виде не существует. На всяком факте лежит печать существующего знания. Как форма знания для естествознания факт ценен тем, что он обладает известной инвариантностью в различных системах знания.

Гипотеза как форма развития естествознания

Научное исследование начинается с постановки проблемы. Понятие проблемы связывается с непознанным. Возникает вопрос: вся ли область непознанного составляет научную проблему? Нет. Проблема - это не непознанное как таковое, но уже некоторое знание о нем. Проблема - это знание о незнании, это незнание, которое можно сформулировать в виде вопроса. Проблемы вырастают из предшествующего знания как своеобразное логическое следствие. Существующего знания достаточно, чтобы поставить проблему, но не решить ее. Примерами проблем могут служить проблема управляемой термоядерной реакции, проблема фотосинтеза и т.д.

Итак, для постановки проблемы нужно знание. Им являются научные факты. Решение проблемы ведет к возникновению теории. Необходимым путем к созданию теорий является гипотеза. Гипотезой называется выдвигаемое на основе известных фактов предположение о непосредственно ненаблюдаемых формах связи явлений или внутренних механизмах, обуславливающих эти явления и присущие им формы связи (ненаблюдаемым будем считать явление, которое нельзя воспринять ни с помощью органов чувств, ни с помощью известных нам приборов).

Научная гипотеза должна удовлетворять следующим условиям:

1. Обязательное согласие с тем фактическим материалом, для объяснения которого она выдвигается. Однако в науке часто бывает и так, что появляющаяся гипотеза противоречит некоторым данным. Это еще не значит, что сделанное предположение непременно неверно. Возможно, неверно то, что мы считаем непреложным фактом. Примером такой ситуации может служить открытие Д.И. Менделеевым периодического закона. Ряд химических элементов ему “не подчинялся”. Д.И. Менделеев предположил, что их атомные веса были определены неправильно, и это подтвердилось более точными экспериментами.

2. Принципиальная проверяемость. Общий метод проверки гипотез - это вывод из них следствий, которые доступны опытной проверке. Если из гипотезы нельзя вывести ни одного подобного рода следствия, она не имеет права на существование. Это хорошо знают физики и такого рода гипотез не выдвигают. Однако нельзя путать фактическую непроверяемость и принципиальную непроверяемость. Фактическая существует в тех случаях, когда в силу математических трудностей нельзя получить из гипотезы количественно определенные следствия, допускающие однозначное сопоставление с опытом, или когда выводимые следствия недоступны проверке в силу недостаточных технических возможностей эксперимента. Фактически непроверяемая гипотеза со временем становится проверяемой. Примером фактически непроверяемой гипотезы на современном этапе развития физики может служить гипотеза кварков, хотя уже сегодня некоторые ее следствия могут быть экспериментально проверены.

3. Логическая простота. Действительная простота гипотезы заключается в ее способности, исходя из единого основания, осмыслить по возможности более широкий круг явлений, не прибегая при этом к искусственным построениям, произвольным допущениям. Принцип логической простоты используется в тех случаях, когда для объяснения одних и тех же фактов выдвигается ряд гипотез. Причем они одинаково подтверждаются экспериментом. Для примера можно сравнить гипотезы Птолемея и Коперника. Согласно Птолемею центром солнечной системы является Земля, а согласно Копернику - Солнце. Обе гипотезы хорошо объясняют результаты наблюдений. Но вот чтобы объяснить петли, которые делают планеты на небосводе в течение года, с точки зрения гипотезы Коперника никаких дополнительных допущений делать не надо, а гипотеза Птолемея требует их ввода. В этом смысле гипотеза Коперника логически проще, чем гипотеза Птолемея.

Нельзя забывать, что большая или меньшая сложность математического аппарата, большая или меньшая непривычность развиваемых идей к оценке логической простоты гипотезы никакого отношения не имеют.

4. Надежность гипотезы - это ее способность не разрушаться при введении в нее новых фактов, при расширении ее предметной области. Гипотеза считается надежной, если она не ведет к противоречиям формально-логического характера, не противоречит законам природы, ведет к предсказанию новых явлений. Рассмотрим затруднение, возникшее при объяснении непрерывности энергетического спектра при бетта-распаде ядер. 3атруднение имело принципиальный характер: речь шла о нарушении закона сохранения энергии. Бор выдвинул гипотезу, согласно которой справедливость закона сохранения энергий в микромире должна проявляться статистически для большого числа элементарных процессов. Эта гипотеза оказалась ненадежной, так как она вела к фундаментальному противоречию логического характера. Действительно, поскольку многочисленные достижения квантовой теории в области атомной и ядерной физики не пришли в противоречие ни с одним из основных законов природы (в частности, для элементарных процессов закон сохранения энергии подтверждается всякий раз с поразительной точностью), не было оснований выделять процесс бетта-распада среди других процессов. Другая гипотеза для объяснения этого явления была предложена Паули. Согласно ей, из ядра вылетает, помимо электрона, еще одна частица - нейтрино. Эта гипотеза не вела к фундаментальным противоречиям и позволила объяснить энергетический спектр бетта-распада. На основании этой гипотезы были открыты частицы нейтрино и антинейтрино. Очень важно запомнить принципиальную трудность, связанную с превращением гипотезы в теорию. Дело в том, что подтвержденное опытом следствие может быть получено из многих гипотез. Поэтому оно может оказаться истинным, а гипотеза - ложной, Например, из гипотезы теплорода было выведено уравнение теплопроводности. Оно правильно, им пользуются и сейчас (хотя, конечно, получают другим способом), а гипотеза теплорода неверна. Это обстоятельство порождает особую проблему доказательства гипотезы.

Чем большая система разнообразных следствий оправдывается практически, тем менее вероятным становится, что все они могли бы быть так же хорошо выведены из других гипотез. Поэтому получение все более богатой и разнообразной совокупности следствий, вытекающих из гипотезы, их опытная проверка и есть путь перехода от гипотезы к теории.

Интеграция фундаментальных и прикладных исследований

Необходимым звеном, связывающим естествознание с техникой и производством, являются прикладные исследования и технологические разработки. Их назначение состоит в нахождении кратчайших и наиболее рациональных путей и способов использования познанных фундаментальной наукой законов объективного мира. Именно в них закладываются фундамент и общие контуры техники будущего. В этих исследованиях объединяется информация, идущая от фундаментальных наук и от производства и техники. Вся она трансформируется, перерабатывается в прикладные знания. А они становятся непосредственной основой для разработок новых технологий и технических решений.

В современных условиях усиливается интеграция фундаментальных и прикладных исследований в естествознании. Установление оптимального соотношения между ними является одной из важнейших задач планирования в области естествознания.

На основе прикладных знаний создаются и отрабатываются образцы техники и технологии. Отсюда начинается их внедрение в производство. На стадия этих разработок наука непосредственно соединяется с техникой и воплощается в ней. А новая техника и технология включаются в производство.

Необходимо учитывать, что прикладные исследования - это не только технологические, но и теоретические разработки. А фундаментальные исследования выражаются не только в построении теорий, но и в выработке новых технологий. Сейчас это четко прослеживается, например, в квантовой оптике. Вместе с тем прикладные исследования могут давать фундаментальные результаты. Об этом, например, свидетельствует история радиотехники. Фундаментальные разработки могут переходить в разряд прикладных, о чем свидетельствует развитие физики твердого тела.

Преемственность в развитии научных теорий

Каждая более высокая ступень в развитии естествознания возникает на основе предшествующей ступени, с удержанием всего ценного, что было накоплено раньше. В естествознании действует так называемый принцип соответствия.

В широком смысле под принципом соответствия понимают логически необходимое требование, чтобы новая теория, описывающая более широкий круг явлений, включала в себя как частный случай старую теорию, имеющую более ограниченную область применимости. При этом обязательным требованием является экспериментальное подтверждение старой теории и нахождение для нее сферы приложения на практике.

Принцип соответствия первоначально появился как физический постулат, требующий совпадения результатов квантовой и классической теории в предельном случае, когда квантовые эффекты малы. Принцип соответствия как эвристический принцип был выдвинут Н. Бором в 1913 году на заре создания квантовой механики. Идея Н. Бора состояла в следующем: поскольку законы классической физики подтверждаются экспериментом в широкой области явлений, следует принять как необходимый постулат, что новая, более точная теория в применении к этим явлениям должна давать тот же результат, что и классическая теория.

Принцип соответствия вместе с постулатом Н. Бора позволил количественно рассчитать интенсивности спектральных линий излучения атома водорода. Для этого частного случая принцип соответствия утверждает, что спектральное распределение энергии излучения атома в длинноволновой части спектра должно совпадать со спектральным распределением энергии, полученным на основе классической электродинамики.

С математической точки зрения, предельный переход от квантовой механики к классической аналогичен переходу от волновой оптики к геометрической. Геометрическая оптика, которая не учитывает явлений дифракции (явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении у края преграды называется дифракцией света), справедлива, если на пути световых лучей не встречаются неоднородности размеров порядка длины волны ?. Формально переход к лучевой оптике реализуется при ???. Аналогично квантовая механика переходит в классическую в случае, когда длина волны де Бройля частиц мала по сравнению с размерами системы. Этот предельный переход соответствует формальному устремлению постоянной Планка и к нулю.

Релятивистская механика переходит в классическую при V<<C.

Принцип соответствия до математического уровня разработан только для определенных теорий физики. В общем виде, как закономерность развития естествознания, он работает только на качественном уровне.

Математизация естествознания

Методы научного исследования любых реалий во многом подобны друг другу и делятся на содержательные и формальные (или точные). Первые используют средства обыденного языка и мышления, применение которых контролируется принципами объективности анализа и возможности проверки получаемых результатов. Вторые опираются на средства искусственных языков логики и математики. Их применение позволяет значительно углубить анализ объекта, выработать его более полные и детализированные модели и в конечном счете экспериментально проверить истинность получаемых утверждений об изучаемых реалиях.

Как показывает история большинства современных наук, содержательные методы имеют определенные пределы, выход за которые совершается с помощью искусственно созданных, формальных методов. В свою очередь, каждый из отдельных формальных методов также рано или поздно оказывается ограниченным. Однако он, как правило, заменяется более эффективным новым формальным методом.

Например, физика перешла к интенсивному использованию формальных методов, начиная со времен Г. Галилея и Н. Ньютона. Вначале это были по преимуществу методы евклидовой геометрии, затем методы дифференциального и интегрального исчисления. В настоящее время в физике все более широкое применение находят методы топологии, абстрактной алгебры, имитационного моделирования и др.

Возможно, один из факторов слабого прогресса социальных и гуманитарных наук заключается в том, что в них либо вообще не используются формальные методы, либо их спектр ограничивается одним и тем же набором. Он практически претерпел мало изменений с начала ХХ века и включает математическую статистику, теорию вероятностей и логику.

Каковы же причины неизбежности использования математики в естествознании?

Качественное описание открывает возможность понять лишь механизм познаваемого процесса или явления. Но в большинстве случаев оно не позволяет предсказать их новые аспекты. Главный же смысл всякой науки состоит в том, чтобы вооружить людей методами, с помощью которых можно предвидеть развитие явлений, предсказывать ход процессов. Только при этом условии можно обращать явления объективного мира на пользу человеку. Для предсказания течения изучаемого явления, как правило, необходимо количественное описание, требующее применение математики.

Математика широко применялась и в классическом естествознании. Но там она, в основном, выступала орудием конкретных расчетов. Теперь же в ряде наук, например, в физике она является единственно возможным языком для формулировки физических законов. Вне этого языка они не могут быть даже приблизительно найдены. Математика для физики - это язык и логика вместе.

Использование математического языка дает, во-первых, возможность предсказывать новые явления. Истории науки хорошо известны примеры, когда точный анализ математической модели приводил к принципиальному изменению как теоретических, так и эмпирических содержательных представлений о моделируемом явлении. Так случилось с предсказанием Л. Адамсом (1819-1892) и У. Леверье (1811-1877) существования неизвестной ранее планеты Солнечной системы - Нептуна, которое не предполагалось до построения и анализа этой модели. Предсказание в количественной форме указало траекторию этой планеты, в одной из точек которой она и была обнаружена с помощью астрономических наблюдений. Аналогичным образом П. Дирак (1902-1984), исходя из математического уравнения, моделирующего квантово-релятивистские свойства микрообъектов, предсказал существование нового класса элементарных частиц - античастиц. Через несколько лет после этого К. Андерсон экспериментально обнаружил первую античастицу - позитрон.

Во-вторых, применение математики в естествознании позволяет создавать новые теории, например, А. Эйнштейн заметил, что он не смог бы создать теорию относительности без предшествующего развития геометрии.

В-третьих, использование математики в естествознании позволяет проверять теории.. Например, теория Н. Бора содержит постулаты, которые имеют точную математическую формулировку, что позволило сделать из них выводы, проверяемые экспериментально.

Проникновение математики в другие науки происходит по двум направлениям: а) путем применения математических методов в различных науках; б) путем заимствования различными науками самой методики математического мышления, методов доказательства.

Процесс математизации наук имеет две стороны. Проникновение математики в какую-либо науку совершенствует ее, т.е. ведет к расширению содержательных представлений об исследуемом объекте. Однако применение математики в той или иной науке - непростое дело. В науке должна быть выработана система понятий, которая допускала бы математическую обработку, т.е. математизация конкретной науки зависит от уровня развития последней. Это условие теснейшим образом связано с наличием соответствующего математического аппарата. С другой стороны, в результате математизации наук в самой математике появляются новые разделы. Например, развитие кибернетики привело к созданию теорий автоматов, динамического программирования и т.д.

Единство эволюционного и революционного путей развития естествознания

Революция в конкретной науке - это такое преобразование теоретического содержания этой науки, когда ломаются ее установившиеся основания, т.е. совокупность принципов и основных понятий, меняется характер методов познания и стиль мышления. Эту сжатую формулу можно развернуть в следующие характерные черты революции в естествознании:

1. Крушение и отбрасывание неверных идей, ранее господствовавших в естествознании.

2. Быстрое расширение наших знаний о природе, вступление в новые ее области, до тех пор недоступные для научного познания (здесь большую роль играет создание новых инструментов и приборов).

3. Естественнонаучную революцию вызывает не само по себе открытие новых фактов, а радикально новые теоретические следствия из них, т. е. революция совершается в сфере теорий, понятий, принципов, законов науки, формулировка которых подвергается коренной ломке.

Кроме того, чтобы вызвать революцию в науке, новые открытия (или цепь открытий) должны носить принципиальный, методологический характер, вызывая коренную ломку самого метода исследования, подхода к изучению и истолкованию явлений природы, логического строя мышления естествоиспытателей.

Началом естественнонаучной революции могут послужить достаточно радикальные изменения в любом из компонентов, например, открытие неизвестных ранее классов природных объектов, появление принципиально новых методов и средств исследования. Чаще всего, революции в естествознании начинаются с появления глубоких противоречий и парадоксов в сложившейся системе знания.

Итак, основания революции - это неспособность господствующих теорий объяснить новые факты и противоречивость их этим теориям. Функции революции:

а) создать такие новые теории, в которых эти факты объяснялись бы;

б) дать простор для дальнейшего развития науки;

в) установить точные границы применимости прежнего стиля мышления в конкретной науке и разработать новый стиль мышления.

Революция на рубеже XIX-XX вв. началась в физике. В физике, как и во всем естествознании, в XIX веке господствовал метафизический метод познания. Он абсолютизировал определенные данные физической науки. В частности, считалось абсолютной истиной следующее:

1) атомы - это мельчайшие, неделимые, неизменные частицы материи;

2) все объекты материи обладают массой покоя, отличной от нуля, причем масса объектов в процессе их механического движения меняться не может;

3) причинность сводилась только к лапласовскому детерминизму. Его суть в следующем: а) случайность исключалась как нечто внешнее и несущественное; подразумевалось, что наука призвана преодолеть случайность, снимать ее в открываемых закономерностях; б) процессы в мире представлялись как обратимые во времени, предсказуемые на неограниченно большие промежутки времени (считалось, что если мы знаем состояние системы и воздействие на нее, то можно совершенно однозначно сказать, что будет с системой в любой наперед заданный момент времени и что было с системой в любой прошлый момент времени): в) эволюция - процесс, лишенный отклонений, возвратов, побочных линий.

4) Считалось, что время и пространство не зависят друг от друга и от материи.

Данные науки XIX века подтверждали эти положения. Однако открытия на рубеже XIX-XX вв. показали их относительный характер.

Что же это были за открытия?

1. Открытие электрона, радиоактивности показали изменчивость, сложность строения атомов.

2. Специальная теория относительности показала неразрывность пространства и времени, зависимость их свойств от физических свойств материи: с ростом механической скорости объектов их пространственные размеры укорачиваются, а время протекания в них процессов замедляется.

3. Специальная теория относительности показала, что масса объектов с ростом их механической скорости растет.

4. Были открыты объекты, массы покоя частиц которых равны нулю (фотоны).

5. Данные физики подтверждали, что причина и следствие могу быть связаны и статистическими методами. (Статистическая закономерность - форма причинной связи, при которой данное состояние системы определяет все ее последующие состояния не однозначно, лишь с определенной вероятностью, являющейся объективной мерой возможности реализации заложенных в прошлом тенденций изменения. Статистические закономерности действуют во всех неавтономных, зависящих от постоянно меняющихся внешних условий системах с очень большим количеством элементов).

Эти и многие другие новые данные физики привели к коренной ломке самого метода исследования, подхода к изучению и истолкованию явлений природы, логического строя мышления естествоиспытателя. Приведем подтверждающие примеры.

1. В основе классического атомизма лежала идея о тождестве строения микро- и макрокосмоса. Другими словами, доминировала идея, что природа, будучи единой, должна быть устроена в малейшей своей части также, как и в величайшей. Идея единства строения макро- и микрокосмоса понималась механистически как полное тождество законов и как полное сходство строения того и другого. Микрочастицы трактовались как миниатюрные копии макротел, т.е. как чрезвычайно малые шарики (корпускулы), двигающиеся по точным орбитам, которые совершенно аналогичны планетным орбитам, с той лишь разницей, что небесные тела связываются силами гравитационного взаимодействия, а микрочастицы - силами электрического взаимодействия.

После открытия электрона (Томсон, 1897 г.), создания теории квантов (Планк, 1900 г.), введения понятия фотона (Эйнштейн, 1905 г.), атомное учение приобрело новый характер. Идея дискретности была распространена на область электрических и световых явлений, на понятие энергии (в XIX веке учение об энергии служило сферой представления о непрерывных величинах и функциях состояния). Важнейшую черту современного атомного учения составляет атомизм действия. Он связан с тем, что движения, свойства и состояния различных микрообъектов поддаются квантованию, т.е. могут быть выражены в форме дискретных величин и отношений.

Постоянная Планка (квант действия) является универсальной физической константой. Она выражает количественную границу, разделяющую макро- и микроявления природы.

Новая атомистика признает относительную устойчивость каждого дискретного вида материи, его качественную определенность, его относительную неделимость и непревращаемость в известных границах явлений природы. Например, будучи делим некоторыми физическими способами, атом неделим химически. Молекула, будучи делима химически на атомы, в тепловом движении (до известных пределов) ведет себя тоже как целое, неделимое и т.д.

Особенно важно в концепции современной атомистики признание взаимопревращаемости любых дискретных видов материи и то, что разные уровни структурной организации физической реальности (кварки, микрочастицы, ядра, атомы, молекулы, макротела, мегасистемы) имеют свои специфические физические законы.

2.В классической физике считалось, что возможно и необходимо наглядное моделирование физического явления. Объяснить явление в ней означало обязательное создание наглядной механической модели этого явления. В физике XX века создание наглядной механической модели явления перестает быть синонимом его физического объяснения. Это не означает отказ от построения моделей изучаемых явлений. Однако это, как правило, математическая модель. И она не должна обязательно опираться на классические наглядные представления.

Такие различия в логическом строе мышления физиков XIX и физиков XX века можно продолжить.

Среди естественнонаучных революций можно выделить следующие типы:

1) глобальные, охватывающие все естествознание и вызывающие появление не только принципиально новых представлений о мире, нового видения мира, но и нового логического строя науки, нового способа или стиля мышления;

2) локальные - в отдельных фундаментальных науках, т.е. коренных изменений в этих науках, которые приводят к преобразованию их основ, но не вызывают перестройки всего естественнонаучного знания, а связаны с распространением на данную науку способа мышления, созданного в ходе глобальной революции; здесь надо, тем не менее отметить, что в действительности многие локальные революции приводили к формированию в данной науке существенных элементов нового стиля до того, как они утверждались во всем естествознании, - примером служит революция в биологии, связанная с именем Ч. Дарвина.

Естественнонаучные революции имеют еще одну важную черту. Новые теории, получившие свое обоснование в ходе естественнонаучной революции не опровергают прежние, если их справедливость была достаточно обоснована. В этих случаях действует так называемый принцип соответствия.

Оригинально революцию в науке понимает Томас Кун. В 1962 г. Чикагским университетом была выпущена книга Т. Куна “Структура научных революций”. В 1970 г. вышло ее дополненное издание. Основные идеи книги такие:

1. Научное сообщество специалистов в данной области знания разделяет определенные теорий, методы, методики или парадигмы и применяет их для решения текущих задач. Это период нормального состояния науки, или так называемая нормальная наука.

2. Когда в научном сообществе возникают сомнения относительно принятых парадигм, т.е. научное сообщество переживает кризисное состояние, то сообщество ищет и принимает новую парадигму. В этом принятии новой парадигмы и состоит содержание научной революции. Приняв новые парадигмы, научное сообщество продолжает опять работать в условиях нормальной науки.

3. Первая (дореволюционная) и вторая (послереволюционная) парадигмы несоизмеримы. А потому нельзя утверждать, что в науке имеется преемственность и движение к объективной истине.

Т. Кун преобразил самое понимание истории науки. До него ученые опирались в основном на французского историка Пьера Дюкгейма, утверждавшего, что стена науки вырастает кирпичик за кирпичиком. Задача каждой науки - создать свой кирпич и вложить его в общую стену. Наука рассматривалась с точки зрения роста и количественного накапливания информации: если покопаться в прошлом, то можно найти аналогичный факт и теорию. Для Дюкгейма Возрождение и Новое время не были переломными. Картина мира только расширялась и обогащалась, но не изменялась.

Т. Кун сумел преодолеть такой взгляд на науку. У него развитие науки идет не плавно, путем роста, а путем революций. Парадигма - это не просто теория, а модель, образец решения исследовательских задач. Поскольку термин “парадигма” стал расхожим словом, то во втором издании своей книги “Структура научных революций" Т. Кун заменил его термином “дисциплинарная матрица”. Тем самым он точнее связал термин с его смыслом - механической работой ученого в соответствии с определенными правилами.

Ключевым понятием для Т. Куна является и понятие “научное сообщество”. Это логический субъект научной деятельности. Ученый может быть рассмотрен только как представитель научного сообщества, которое придерживается определенной парадигмы. Тем самым, помимо истории идей история науки включала в себя и личность ученого. Понятно, что когда в XIX веке ученые работали поодиночке, то о научном сообществе не могло быть и речи. Сейчас наука приобрела коллективный характер. Сейчас научное творчество осуществляется, как правило, объединенными усилиями больших коллективов людей в гигантских лабораториях с дорогостоящим материальным оснащением.

В научном творчестве в каждый данный момент участвует ряд поколений. Преемственность знаний осуществляется в результате взаимодействия старых и молодых кадров, учителей и учеников, гениальных, талантливых людей и людей средних способностей.

Важной формой организации и развития естествознания, формой выражения преемственности знаний становятся научные школы. Дарование ученого, его талант и гений получают наиболее полное свое проявление через связанный с ним коллектив, через созданную им или творчески развитую научную школу.

Классическая (ньютоновская) механика

Классическая (ньютоновская) механика изучает движение материальных объектов при скоростях, которые значительно меньше скорости света в вакууме.

Начало формирования классической механики связывают с именем итал. ученого Галилео Галилея (1564-1642). Он впервые перешел от натурфилософского рассмотрения природных явлений к научно-теоретическому.

Трудами Галилея, Кеплера, Декарта был заложен фундамент классической физики, а трудами Ньютона было построено здание этой науки.

Галилей

1. установил основополагающий принцип классической механики - принцип инерции

Движение - собственное и основное, естественное состояние тел, тогда как трение и действие других внешних сил может изменить и даже прекратить движение тела.

2. сформулировал еще один основополагающий принцип классической механики - принцип относительности - Равноправие всех ИСО.

Согласно этому принципу внутри движущейся равномерно системы все механические процессы происходят так, как если бы система покоилась.

3. принцип относительности движения задает правила перехода от одной ИСО к другой.

Эти правила получили название галилеевых преобразований и состоят они в проецирование одной ИСО на другую.

Галилеевы преобразования предъявляют определенное требование к формулировке законов механического движения: эти законы должны быть сформулированы так, чтобы остались инвариантными в любой ИСО.

Пусть некоторое тело А отнесено к декартовой системе, координаты которой обозначены х,y,z , а нам нужно определить параметры тела в параллельной координатной системе со штрихами (xl,yl,zl). Для простоты будем определять параметры одной точки тела, и совместим координатную ось x1 с осью x. Примем также, что координатная система со штрихами покоится, а без штрихов - движется равномерно и прямолинейно. Тогда правила галилеевых преобразований имеют вид

x1= x-vt

y1=y

z1=z

t1=t

4. формулировка закона свободного падения (путь свободного падающего тела пропорционален ускорению, равному 9,81 м/с2.

Развивая и углубляя исследования Галилея, Ньютон сформулировал три закона механики.

1. Всякое тело находится в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения. Пока воздействие со стороны других тел не заставит его изменить это состояние.

Смысл первого закона состоит в том, что если на тело не действуют внешние силы, то существует система отсчета, в которой оно покоится. Но если в одной системе тело покоится, то существует множество других систем отсчета, в которых тело движется с постоянной скоростью. Эти системы называются инерциальными (ИСО).

Любая система отсчета, движущаяся равномерно и прямолинейно относительно ИСО также является ИСО.

2. Второй закон рассматривает результаты действия на тело других тел. Для этого вводится физическая величина, называемая силой.

Сила - это векторная количественная мера механического действия одного тела на другое.

Масса - мера инертности (инертность - способность тела оказывать сопротивление изменению его состояния).

Чем больше масса, тем меньше ускорение получит тело при прочих равных условиях.

a= F/m.

Существует и более общая формулировка второго закона Ньютона для другой физической величины - импульса тела. Импульс - это произведение массы тела на его скорость:

P= mv

При отсутствии внешних сил импульс тела остается неизменным, иначе говоря, сохраняется. Такая ситуация достигается, если на тело не действуют другие тела, или их действие скомпенсировано.

3. Действия двух материальных тел друг на друга численно равны по величине силы и направлены в противоположные стороны.