Понятие о методах научных исследований

Основу развития современных естественных наук составляет специфическая научная методология. В основу научной методологии положен опыт - основанное на практике чувственно-эмпирическое познание действительности. Под практикой - подразумевается предметная человеческая деятельность, направленная на достижение материальных результатов. Считается, что научное положение соответствует истине, если оно подтверждается опытом и (или) практикой. Имеется два вида взаимодействия научной теории с опытом: феноменологический и модельный.

Феноменологическая теория обычно является обобщением экспериментальных результатов. Появление эксперимента, противоречащего этой теории приводит к уточнению области ее применимости или к внесению уточнений в саму теорию. Таким образом, чем больше опровержений появляется у феноменологической теории, тем точней она становится. Примером феноменологических теорий могут служить классическая термодинамика, феноменологические законы диффузии, теплопроводности и т.п.

Модельная теория начинается с выдвижения гипотезы - предположения, касающегося существа исследуемого явления. На основании гипотезы создается математическая модель, воспроизводящая основные закономерности исследуемого явления при помощи математических уравнений. Следствия, полученные при помощи решения этих уравнений сравниваются с экспериментом. Если эксперимент подтверждает результаты теоретических расчетов, сделанных на основе данной модели, то она считается правильной. Появление экспериментального опровержения приводит к отбрасыванию гипотезы и выдвижению новой.

Примером модельной теории может служить классическое описание дисперсии света. Оно основано на выдвинутом Дж.Дж. Томсоном представлении о атоме, как о сгустке положительного заряда, в который, как семечки в арбуз, вкраплены отрицательные электроны. Классическая теория дисперсии дает неплохое качественное соответствие с экспериментом. Однако, уже опыты Резерфорда по определению структуры атома показали несостоятельность основной гипотезы и привели к полному отбрасыванию классической теории дисперсии.

Модельные теории на первый взгляд кажутся менее привлекательными чем феноменологические. Тем не менее, именно они позволяют глубже понять внутренние механизмы рассматриваемых явлений. Нередко модельные теории подвергаются уточнению и продолжают существовать в новом качестве. Так для объяснения природы ядерных сил отечественные ученые Иваненко и Тамм выдвинули гипотезу, согласно которой взаимодействие ядерных частиц происходит за счет того, что они обмениваются электронами. Опыт показал, что характеристики электронов не соответствуют требуемому масштабу взаимодействия. Несколько позже, опираясь на модель Иваненко и Тамма японец Юкава предположил, что ядерное взаимодействие осуществляется частицами, имеющими характеристики, сходные с характеристиками электронов, а массу приблизительно в двести раз большую. Впоследствии частицы описанные Юкавой были найдены в составе космического излучения и названы мезонами.

Кроме взаимодействия с экспериментом при разработке научных теорий иногда используют и чисто логические критерии: внутреннюю непротиворечивость, соображения симметрии и даже столь неопределенные соображения, как “красота” гипотезы. Однако, окончательными судьями научной теории всегда остаются практика и эксперимент.

В качестве примера “красивой” гипотезы приведу гипотезу Фейнмана о тождественности элементарных частиц. Дело в том, что они обладают совершенно фантастическим свойством. Элементарные частицы одного вида, например, электроны - неразличимы. Если в системе находятся два электрона и один из них был удален, то мы никогда не сумеем определить какой из них удалили, а какой остался. Чтобы объяснить такую неразличимость Фейнман предположил, что в мире существует только один электрон, который может двигаться во времени взад-вперед. В каждый отдельный момент времени мы воспринимаем этот один электрон, как множество неразличимых электронов. Не правда ли красивая гипотеза? Недурно было бы и вам суметь придумать что-нибудь подобное, но уже, в области экономики.

1.5. Понятие о материальных системах, микро-,
макро- и мега мир

Объектом изучения естественных наук являются материальные системы. Материальной системой называют относительно обособленную часть материального мира, имеющую свои внутренние законы существования и развития. Примерами материальной системы могут служить Солнечная система, колония микроорганизмов, отдельный атом, человечество и т.д.

Важнейшими свойствами материальной системы являются движение и развитие. Движением принято считатьизменение взаимного расположения отдельных частей системы или различных материальных систем. Под развитием подразумеваются направленные качественные изменения внутри данной системы. Понимание феноменов движения и развития требует ясного понимания основополагающих категорий современных естественных наук - категорий пространства и времени. Пространство согласно Лейбницу - это порядок материальных тел, предметов. Время - порядок событий, происходящих в пространстве. Пространство и время, таким образом являются простыми атрибутами материи. Пространство не может быть пустым т.к. отсутствие материи означает и отсутствие пространства.

Следует заметить, что философски - безукоризненное определение пространства и времени по Лейбницу дает очень ограниченные возможности для их описания. Такое пространство лишено, вообще говоря, основных свойств симметрии однородностии изотропности. Мы считаем какой-либо объект однородным в данном направлении если его свойства при перемещении в данном направлении не меняются. Объект считается изотропным если его свойства не зависят от направления.

Посмотрите вокруг себя вот в этом направлении я вижу окно, а в этом - вас, а вот в этом потолок и мы не можем к нему взлететь. Наше пространство совсем не изотропно. А вот кафедра, с которой я читаю лекцию. Она позволит мне продвигаться вперед только до определенной границы. Значит пространство в этой аудитории и неоднородно.

Вы со школьной скамьи усвоили, что пространственные соотношения описываются геометрией. Когда Исаак Ньютон создавал классическую механику он для описания пространства имел только геометрию Евклида. Эта геометрия подразумевает, что пространство однородно и изотропно. Поэтому Ньютон ввел представление о пустом пространстве -вместилище всех вещей, однородном и изотропном. с неизменными свойствами. Время по Ньютону представляет собою абстрактную неизменную протяженность. Это нечто нереальное, воспринимаемое как переменная t, входящая в уравнения механики.

Следует заметить, что время, которым мы пользуемся в обиходе отнюдь не совпадает с временем по Ньютону. Для определения времени человечество использует движение светил по небесному своду. В случае если время определяется по движению звезд говорят о звездном времени, если же по движению Солнца, то солнечном. Переменная t, используемая в уравнениях динамики и представляющая собою время по Ньютону называется эфемеридным временем и в быту не применяется.

Среди материальных систем в современном естествознании выделяются микро-, макро- и мега- миры. Макромир – это мир, в котором мы живем. Он включает в себя все от микроорганизмов до складок земной коры.

Микромир – включает в себя фундаментальные (элементарные) частицы, атомы и молекулы. В проблемах микромира современная наука ищет ключи к тайнам макромира. Похоже, что на смену Лапласовскому детерминизму приходит квантовый детерминизм – уверенность в том, что все явления макромира могут быть объяснены исходя из правильного понимания законов микромира. Здесь нелишне заметить, что микро- и макромиры представляют собой хотя и взаимосвязанные, но все-таки относительно независимые макроскопические системы.

Мега мир – охватывает собой доступную для нас часть Вселенной. его объектами являются галактики, звезды, планеты, туманности. Это не только объекты современной астрономии, но и новорожденных естественных наук – астрофизики, астробиологии, космологии и, как это ни странно, физики высоких энергий (так теперь называют физику элементарных частиц). Обратите внимание как удивительнейшим образом смыкаются проблемы большого и малого, элементарных частиц и величественных галактик.