Одной из ведущих естественных наук является физика. Физика изучает самые элементарные явления природы, лежащие в основе мироздания, и ставит перед собой задачу выявить и объяснить законы природы. Физика работает с моделями, упрощенно описывающими изучаемые явления.
Например, нам надо описать движение космического корабля. Расстояние до него около 400 км. Размер - несколько десятков метров. Вполне разумно считать его материальной точкой, объектом, размерами которого в данной задаче можно пренебречь. Однако тот же самый космический корабль с точки зрения космонавта совсем не точка. Он может вращаться вокруг своих осей, чтобы поддерживать ориентацию солнечных батарей относительно Солнца. И здесь снова появляется модель - абсолютно твердое тело (простейший пример - треугольник из жестких стержней). Но и это не все. В корабле есть жидкое топливо, перемещаются космонавты, крутятся вентиляторы.
Появляются модели следующих уровней...
Разумное и обоснованное упрощение приводит к возможности широкого привлечения математики. Г. Галилей (1564-1642) писал: "...Тот, кто хочет решать вопросы естественных наук без помощи математики, ставит неразрешимую задачу. Следует измерять то, что измеримо, и делать измеримым то, что таковым не является..." Уместно вспомнить известное высказывание немецкого философа И. Канта (1724-1804): "...в любом частном учении
18
можно найти науки в собственном смысле лишь столько, сколько имеется в ней математики..."
И единственным способом проверки верности применяемой для описания изучаемого явления модели могут служить эксперимент или наблюдение. Естественные науки, и в первую очередь физика, являются экспериментальными.
Выдающийся русский (советский) физик, лауреат Нобелевской премии (1978) академик П.Л. Капица. (1894-1984), по этому поводу писал: "Я хотел бы, чтобы значение и роль хорошего эксперимента запомнились бы вам в словах шутливого афоризма, принадлежащего героине романа "Джентльмены предпочитают блондинок" - одного из "классических" американских произведений: "Любовь - это хорошая вещь, но золотой браслет остается навсегда". Я думаю, что мы, ученые, можем сказать: "Теория хорошая вещь, но правильный эксперимент остается навсегда"".
Вместе с тем не стоит пренебрегать и теоретическими описаниями. Недаром австрийский физик Л. Больцман (1846-1906) говорил: "...Нет ничего более полезного и практичного, чем хорошая теория..."
Однако мы видим, что история науки демонстрирует движение к более глубокому пониманию природы, но не к полному ее объяснению. Природа всегда сложнее и неожиданнее любого объяснения.
Известный физик Е. Вигнер писал в связи с этим в книге "Этюды о симметрии": "Часто приходится слышать, что цель физики состоит в объяснении природы или, по крайней мере, неживой природы. Что мы понимаем под объяснением? Объяснение - это установление нескольких простых принципов, описывающих свойства того, что подлежит объяснению. Если мы что-то поняли, то поведение этого "что-то", то есть те явления, которые с ним происходят, не должно удивлять нас какими-либо неожиданностями. Впечатление, что иначе быть не может, не должно покидать нас. Ясно, что в этом смысле физика не претендует на объяснение природы".
Действительно, история развития науки представляет собой цепь непрерывных усложнений, описывающих
19
все более подробно явления природы, расширяющих области применения физических теорий. Но никогда мы не можем утверждать, что достигли полного понимания природы.
Изучение совершенно обыденных явлений - движения тел, распространения света, поведения газов при изменении температуры или давления и т.п. - приводило исследователей к совершенно неожиданному результату. Оказывалось, что в ряде случаев законы природы противоречат нашему обыденному опыту и не укладываются в рамки здравого смысла. Примеры тому: корпускулярно-волновая природа света, пропорциональность массы и энергии, изменение хода времени в движущейся системе, законы микромира и многое другое.
Действительно, к примеру, из нашего обыденного опыта не следует, что ход времени изменяется в движущейся системе. Однако при скоростях, близких к скорости света, это происходит. Так, из теории относительности А. Эйнштейна следует, что интервалы времени между двумя событиями в движущейся со скоростью V(Δt) и неподвижной (Δt0) системах отсчета будут различны. Напомним, что системой отсчета называется тело отсчета, связанная с ним система координат и способ измерения времени (часы). Чем ближе скорость V к скорости света с, тем больше эта разница:
(2.1)
Позже мы вернемся к рассмотрению этих вопросов.
Сейчас нас интересует другое. Каковы принципы, позволяющие проверить правомерность новых представлений, их объективность, независимость от исследователя?
Известен ряд основных принципов, которым не должна противоречить любая новая физическая модель, теория, претендующая на расширенное, по отношению к существующим представлениям, описание явлений природы.
Во-первых - преемственность. Так, теория относительности Эйнштейна не только объясняет поведение тел
20
при скоростях, близких к скорости света, но и содержит в себе сформулированный Галилеем принцип относительности движения. И, кроме того, она предсказывает новые явления природы, неизвестные до сих пор.
Во-вторых - подтверждение результатов теоретических расчетов и моделей экспериментом. Только эксперимент является последним критерием верности либо ошибочности модели, теории. Так, справедливость теории относительности Эйнштейна подтверждена огромным количеством экспериментов, в частности движением элементарных частиц при скоростях, близких к скорости света. Известно, что эта теория стала инженерной наукой, на ее основе проектируются ускорители заряженных частиц.
Чтобы пролить дополнительный свет на то, что представляет собой физика, перечислим то, что не относится к ней.
Астрология, психокинез, колдовство, загробная жизнь, сверхъестественные явления, черная магия, телепатия, летающие тарелки, машина времени, магические пирамиды либо требуют введения сил и взаимодействий, с которыми никогда не сталкивались физики, либо нарушают основные законы физики. Список может быть продолжен. В этом нам активно помогают средства массовой информации.
- Как вы понимаете термин "картина мира"?
- Проанализируйте термин "модель". Чем отличается модель от реального объекта?
- Для чего применяется моделирование в естественнонаучных исследованиях?
- Поясните роль математики в современном естествознании.
- Как развиваются наши представления о природе? Каковы критерии пригодности новых моделей?
- Можем ли мы получить абсолютно полное знание о природе?
21
