Теория и эксперимент в физике

В курсе физики мы часто будем использовать понятия: эксперимент, гипотеза, теория, модель, закон.

Каждая наука определяется нс только предметом изучения, но и специфическими методами, которые она применяет. Основным методом исследования в физике является опыт — наблюдение исследуемых явлений в точно учитываемых условиях, позволяющих следить за ходом явлений, многократно воспроизводить его при повторении этих условий.

Наиболее широко в науке используется индуктивный метод, заключающийся в накоплении фактов и последующем их обобщении для выявления общей закономерности — гипотезы. На следующем этапе познания ставят специальные эксперименты для проверки гипотезы. Если результаты эксперимента не противоречат гипотезе, то последняя получает статус теории.

Однако научное познание нельзя представлять в виде механического процесса накопления фактов и осмысления теорий — это творческий процесс.

Теории никогда не выводят непосредственно из наблюдений, напротив, их создают для объяснения полученных из опыта фактов в результате осмысления этих фактов разумом человека. Например, к атомистической теории, согласно которой вещество состоит из атомов, ученые пришли вовсе не потому, что кто-либо реально наблюдал атомы (в XVIII веке это не удавалось никому). Представление об этом было создано творческим разумом человека. Аналогичным образом возникли и такие фундаментальные теории, как специальная теория относительности (СТО), электромагнитная теория света и закон всемирного тяготения Ньютона.

Великие научные теории, как творческие достижения, можно сравнить с великими творениями литературы и искусства. Однако наука всё же существенно отличается от других видов творческой деятельности человека, и основное отличие состоит в том, что наука требует проверки своих понятий или теорий — её предсказания должны подтверждаться экспериментом. Действительно, тщательно

поставленные эксперименты представляют собой важнейшую задачу физики.

История свидетельствует о том, что созданные теории, отслужив свой срок, сдаются в архив, а им на смену приходят новые теории.

В некоторых случаях новая теория принимается учеными потому, что сё предсказания согласуются количественно с экспериментом лучше, чем прежняя теория. Во многих случаях новую теорию принимают, когда, по сравнению с прежней теорией, она позволяет объяснить более широкий класс явлений. Например, построенная Коперником² теория Вселенной с центром на Солнце не описывала движение небесных тел более точно, чем построенная ранее Птолемеем теория Вселенной с центром на Земле. Однако теория Коперника содержит некоторые новые важные следствия. В частности, с её помощью становилось возможным определение порядка расположения планет Солнечной системы и расстояний до них; для Венеры были предсказаны фазы, аналогичные лунным.

Весьма важным в любой теории является то, насколько точно она позволяет получить количественные данные. Например, СТО Эйнштейна почти во всех обыденных ситуациях дает предсказания, которые крайне слабо отличаются от предшествующих теорий Галилея и Ньютона, но она приводит к более точным результатам в предельном случае высоких скоростей, близких к скорости света.

Эйнштейн Альберт (1879−1955) — выдающийся физиктеоретик, один из основателей современной физики, создатель специальной и общей теории относительности, коренным образом изменивших представления о пространстве, времени и материи. Исходя из своей теории открыл в 1905 г. закон взаимосвязи массы и энергии.

Под влиянием СТО Эйнштейна существенно изменилось наше представление о пространстве и времени. Более того, мы пришли к пониманию взаимосвязи массы и энергии (на основе знаменитого соотношения Е = тс²). Таким образом, теория относительности резко изменила наши взгляды на природу физического мира.

Пытаясь понять и объяснить определенный класс явлений, ученые часто прибегают к использованию модели. При этом под моделью понимают некоторый мысленный образ явления, опирающийся на уже известные понятия и позволяющий построить полезную аналогию.

Примером может служить волновая модель света. Световые волны нельзя наблюдать подобно тому, как мы видим волны на воде, однако результаты опытов со светом указывают на его большое сходство с волнами на воде. Другой пример — модель атома, которую много раз строили и усовершенствовали.

Модельное представление всегда строится на основе какого-либо закона. Законом называют некоторые краткие, но достаточно общие утверждения относительно характера явлений природы (таково, например, утверждение о сохранении импульса). Иногда подобные утверждения принимают форму определенных соотношений между величинами, описывающими явления, например закон всемирного тяготения Ньютона, согласно которому.

Для того чтобы называться законом, утверждение должно выдержать экспериментальную проверку в широком классе

наблюдаемых явлений. То есть закон представляет объединяющее начало для многих наблюдений. Это ведущий принцип, который высвечивает закономерности явлений природы.

Таков путь развития знания. Однако известны случаи, когда путь открытия был противоположным описанному. Это так называемый дедуктивный метод, когда на основе общих закономерностей выделяются частные явления. Так, на основе закона всемирного тяготения, Лаверрье³ в 1848 г. открыл планету Нептун, а Тамбо⁴ в 1930 г. — Плутон.