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.
Немного больше о технологиях >>>
Ошибка Лоренца
В
физике часто используются очевидные положения, которые представляются
достаточно ясными и не требуют последующего обоснования. Это не всегда оправдано,
поскольку есть случаи, приводящие к парадоксальным следствиям. Тогда приходится
возвращаться к анализу «очевидных положений» ...
Замысел Бога в Его Творениях
На рубеже 16-17 веков, когда наука в
совpеменном смысле слова еще только заpождалась, большинство ученых были
глубоко веpующими христианами. Они считали, что их исследования пpиpоды
позволяют лучше увидеть и понять мудpость и благость Господа, пpоявляемые в Его
созданиях.
Од ...
