Научные методы изучения природы

На первом уроке физики (Физика – это наука о природе. Физические тела и физические явления), мы изучили, что физика изучает явления неживой природы и из этих явлений физика выделяет более простые, более конкретные физические явления. Мы узнали, что физические явления бывают механические, световые, звуковые, электромагнитные, тепловые.

Откуда же люди узнали, что существуют такие явления? Ответ очевиден: наблюдали. А что значит наблюдали, и как надо наблюдать? Об этом пойдёт речь в этой статье.

Дело в том, что изучение природы не происходит вот просто так: смотришь и уже знаешь физику. Нет. Существуют специальные научные методы изучения природы, с которыми сейчас начнём знакомится.

Научные методы

Что такого особенного в слове научные? Дело в том, что очень часто нам кажется одно, а на самом деле происходит другое. Давайте сейчас проведём такой самообман. На рисунке ниже два одинаковых отрезка.

Два отрезка одинаковой длины
Два отрезка одинаковой длины.

А сейчас каждый отрезок снабдим разными окончаниями.

Два отрезка одинаковой длины
Те же два отрезка, но с окончаниями.

А теперь попросим кого-нибудь постороннего сказать, какой из отрезков длиннее. И что? Каждый скажет, что нижний отрезок длиннее. Обман зрения. Следовательно, если вы хотите исследовать природу, если вы хотите изучать физику, то очень часто нельзя верить тому, что вы видите своими глазами. Есть такая поговорка: "Не верь глазам своим", и то, что нельзя верить глазам своим, вы видите прямо сейчас. Два одинаковых отрезка кажутся разными по длине из-за того, что созданы специальные условия для обмана зрения. Поэтому когда речь идёт о научных методах, нужно всегда стараться исключить все условия, при которых возможен обман зрения, при которых можно получить какие-то ложные данные.

Наблюдение

Какие же методы изучения природы мы знаем? Как было сказано ранее, один из таких методов – наблюдение. До Галилея, с глубокой древности, учёные изучающие природу, например, тот же Аристотель, ни каких экспериментов не ставили. Что такое эксперимент мы ещё расскажем в этой статье. Они просто смотрели вокруг и размышляли. То, что они делали, мы называем наблюдения. Чем же отличается наблюдение? Что это такое? Это один из методов исследования природы. Например, мы прекрасно знаем из повседневной жизни, что камень падает быстро, а тополиный пух очень медленно. Аристотель, наблюдая то же самое, говорил, что тяжёлые тела падают быстро, а медленные медленно. Что это? Результат какого исследования? Наблюдения. Так что же такое наблюдение? Аристотель что-то специально делал для своего исследования, создавал какие-то специальные условия? Нет, он просто смотрел. Итак, наблюдение – это исследование явления без создания специальных условий.

Возникает вопрос: а всегда ли лёгкое тело падает медленно, а тяжёлое быстро? Этот вопрос является предположением. На научном языке предположение называется – гипотеза.

Гипотеза

Гипотеза – это тоже этап, один из методов научного исследования природы. Теперь мы высказываем гипотезу, которая обобщает результаты нашего наблюдения за падением камня и тополиного пуха – любое тяжёлое тело всегда падает быстрее лёгкого.

Попробуем теперь проверить эту гипотезу. А что значит проверить? Это что-то сделать, чтобы узнать справедлива наша гипотеза или нет, подтвердить её или опровергнуть. Проверяют гипотезу при помощи эксперимента. Эксперимент отличается от наблюдения тем, что мы проводим исследование в специально созданных условиях.

Эксперимент

Эксперимент – это исследование явления в специально созданных условиях.

А теперь проведём эксперимент. Возьмём два одинаковых листа бумаги. Если их отпустить, то они будут падать одинаково медленно. А теперь мы создадим для нашего эксперимента специальные условия, и состоять они будут в следующем – мы помнём один лист. Очевидно, что вес помятого листа бумаги не изменился. Давайте теперь отпустим эти два листа бумаги. Оказывается, что один и тот же лист бумаги, если он свёрнут в комочек, падает быстрее. А теперь скомканный лист бросим вместе с книгой. В результате они упадут практически одинаково.

Эксперимент показал, что комок бумаги падает быстрее не свёрнутого листа. За экспериментом следует какой-то вывод, гипотеза, которая объясняет результаты эксперимента. Гипотеза – кроме силы тяжести, что-то влияет на скорость падения бумаги, предположительно – воздух.

Вслед за этой гипотезой будет опять эксперимент. Мы что-то предположили, и теперь нужно сразу же это проверить. Эксперимент: проведём падение тела так, чтобы воздух не мешал, то есть исключим влияние воздуха или уменьшим его. Это можно сделать по разному. Например, скомкав лист мы уменьшили влияние воздуха на него при падении. Можно сделать по другому. Можно бросить лист ребром, в этом случае сопротивление воздуха будет меньше и лист также будет падать быстрее.

Галилео Галилей, со своими учениками, он уменьшил влияние воздуха другим способом. На тело действует сила притяжения Земли. Чем массивнее тело, тем больше сила притяжения земли. Если вы хотите, чтобы влияние воздуха, а мы видим, что влияние воздуха при падении тела зависит от площади нижней поверхности тела, так вот, если вы хотите чтобы влияние воздуха было меньше, нам надо взять тела из вещества, которое сильно притягиваются к Земле, то есть которое имеет высокую массу при малых размерах. Например, можно взять чугунное ядро и свинцовую пулю. И вот Галилей бросал с Пизанской башни эти предметы. На самом деле его ученики бросали, а он наблюдал и делал выводы. Но создавая специальные условия, он фактически проводил эксперимент. Мушкетная пуля сравнительно лёгкая, но из-за маленьких размеров воздух на неё практически не влияет. Оказалось, что пуля и ядро падают на землю практически одновременно, хотя пуля лёгкая, а ядро тяжёлое. Галилей уменьшил влияние воздуха вот таким способом, за счёт увеличения вклада сил тяжести.

Ньютон пошёл по другому пути. Ньютон жил позже Галилея. Исаак Ньютон просто напросто выкачивал воздух из трубки в которой падали предметы разной массы: тяжёлые и лёгкие. Он бросал пёрышко и дробинку. Когда в трубке воздух был, то перо немного опустилось, а дробинка за это время упала на дно трубки. Но когда Ньютон откачал воздух, оказалось следующее: как только трубку перевернули и они начали падать, они достигли нижнего края трубки одновременно. Воздуха нет – нечему мешать движению, и поэтому и пёрышко, и дробинка достигают дна одновременно.

Физические законы

Итак, на основании гипотезы, подтверждённой различными экспериментами, мы делаем вывод, который уже можно назвать физическим законом.

Закон свободного падения: все тела падают под действием силы тяжести одинаково. Пока что не будем вдаваться в подробности, что значит "одинаково". Об этом мы поговорим в другой статье очень детально.

С какими мы столкнулись понятиями:

  1. Наблюдение.
  2. Гипотеза.
  3. Эксперимент.
  4. Закон.

Обратите внимание, что мы периодически возвращались после эксперимента к новой гипотезе и к новому эксперименту, но на всё более высоком уровне. Мы поднимались от незнания к знанию не по прямой, а по спирали. Хотя, с точки зрения математики, правильно назвать её винтовой линией, так как спираль – это плоская кривая.

Теперь давайте вернёмся к закону свободного падения: все тела падают под действием силы тяжести одинаково. А как это одинаково? Как можно описать это на количественном уровне? Для этого существуют физические величины, которые придумывают учёные. Примеры физических величин: метр, килограмм, секунда. Эти физические величины оказываются связанными между собой (например, скорость можно измерить в метрах в секунду) и эти величины описывают явления природы. А то, что связывает различные физические величины называется теорией.

Физическая теория

На основании законов, открытых учёными, строится теория, то есть количественное описание физических явлений. Так что мы можем в список выше добавить пятый пункт: теория.

Так, например, была построена механика. Исаак Ньютон, обобщив законы свободного падения, которые были открыты Галилеем, сумел описать на количественном уровне движение тел под действием силы тяжести. Он открыл закон, который называется "Закон всемирного тяготения". Оказывается, не только лист бумаги, чугунное ядро, свинцовая пуля и другие предметы притягиваются к Земле. Луна также притягивается к Земле. Сравнивая движение Луны и движение яблока, которое бросили, Ньютон установил, что любые два тела притягиваются друг к другу. Два человека, сидящие за партой притягиваются друг к другу, к парте, к учителю.

Открыв этот закон физики построили теорию движения планет. Солнечная система подчиняется закону всемирного тяготения. Более того, на основании особенностей движения планет, были открыты новые планеты. Было предсказано, что за Ураном должна быть ещё одна планета, потому что движение Урана было не совсем таким, как думали астрономы. Эта планета была названа Нептун. Это было сделано, как говорят, на кончике пера.

Но вот беда, оказывается, что теория, которую сейчас называют классической физикой, не всегда могла описать различные физические явления. Оказывается, что если скорость тела приближается к скорости света, то понятная нам механика перестаёт работать. Эйнштейн создаёт теорию относительности, в которой рассматривается движение тел с огромными околосветовыми скоростями. Оказывается, скорость света нельзя превысить. А старая добрая классическая механика является частным случаем этой новой теории относительности.

Далее, пытаясь описать свечение нагретых тел, Макс Планк в 1900 году был вынужден предположить (вынужден, так как ему это предположение не нравилось), что нагретые тела испускают свет не непрерывно, а определёнными порциями. То есть, физические величины могут меняться скачкообразно, что противоречит старой доброй классической физике. Так родилась квантовая механика. Теперь старая добрая классическая физика получалась из квантовой механики как частный случай.

То есть, никогда физики не останутся без работы, потому что проводя всё более сложные и сложные эксперименты, физики открывают явления, которые старая физика не может описать и им приходиться строить новые разделы физики. Квантовая механика, теория относительности, а сейчас существуют и более новые разделы физики, которые описывают микромир, при чём при огромных скоростях движения частиц.

Абсолютного знания не существует. Никогда не наступит такого момента, что мы скажем: "Всё, физика открыта". Кстати, такое мнение существовало в конце 19 века. А потом Планк открывает квантовую механику и квантовую физику.

Чем полезно изучение физики

Изучение физики очень полезно для умственного развития. Зная физику, вы понимаете, как "цепляются шестерёнки" везде. Из 15 нобелевских лауреатов по экономике, 13 заканчивали физические факультеты. Изучая физику, вы в целом научаетесь ориентироваться в мире, который вас окружает.

Давайте сравним математика и физика. Математик – это острейший ум, он великолепно умеет решать задачи. Но только у него есть один недостаток: для того чтобы математик смог решить задачу, эту задачу ему нужно точно сформулировать. Вот тебе вот это дано, получи, пожалуйста, вот это. И математик хороший справится с этим. А у физика ситуация другая. Природа не формулирует конкретных условий задач, и хороший физик это тот, который умеет в фантастическом хаосе физических явлений выделить что-то, что можно познавать. То есть выделить что-то, что можно уже анализировать, проводить опыты, чтобы выяснять подробности этого чего-то. Это называется умение, даже лучше сказать талант поставить задачу. Физики умеют ориентироваться в мире, в котором нету чётко сформулированных условий задач. Они эти задачи формулируют, для этого они используют различные, так называемые модели. Например, есть такая модель - материальная точка. Материальная точка – это тело, размерами которого в данной задаче можно пренебречь. И вот если считать тело материальной точкой, то описать его движение гораздо проще, чем если описывать движение тела большого размера. Подробную информацию об этом вы получите при изучении раздела "Механика".

Итак, чем хорош физик? Тем, что он умеет решать задачи, у которых нет чётко поставленного условия. Та же история и в экономике, та же история и в жизни.