Эрик Роджерс - Физика для любознательных. Том 2. Наука о Земле и Вселенной. Молекулы и энергия

1. ЭКСПЕРИМЕНТ —> ГРАФИК. Вы наносите на график зависимость s от t 2. Точки изображают события . Проведенная через эти точки прямая представляет собой совокупность фактов.

2. РАЗМЫШЛЕНИЯ —> ТЕОРИЯ. Предположите, что ускорение постоянно, рассматривая это как возможный простой закон природы. Вычислите необходимое соотношение между s и t . При интегрировании будут складываться все маленькие расстояния, проходимые с возрастающей скоростью; при этом получится, что при постоянном ускорении s должно меняться пропорционально t 2.

3. ПРОВЕРКА. Проведите через начало координат прямую, представляющую теоретическое соотношение s ~ t 2. Если ваши точки лежат близко к этой прямой, то это значит, что движение колеса происходит с ускорением, близким к постоянному. Прямая линия на вашем графике «пробная»; проводя ее, вы отвечаете на вопрос, «имеет ли место движение с постоянным ускорением». Проведя на вашем графике наиболее подходящую к экспериментальным точкам кривую, вы подтвердите вашу гипотезу — и получите таким образом закон, справедливый в данном случае.

4) Развитие приборостроения . Новые приборы, как и новые математические методы, могут способствовать быстрому развитию науки. Семнадцатый век был веком многочисленных изобретений в области приборостроения: телескоп, микроскоп, вакуумный насос, барометр, маятниковые часы, первые термометры — все эти приборы содействовали необычайным успехам экспериментальной физики и науки в целом.

5) Отношение к науке и новые методы. От древних греков до Галилея наука создавалась теми, кто собирал, наблюдал, составлял и размышлял [77] Мы можем проследить подобную деятельность некоторых людей начиная с детских лет. Юношеское увлечение коллекционированием марок или монет может превратиться в стремление накапливать научные данные, а мрачная решимость многих юношей преодолевать встающие перед ними трудные проблемы может превратиться в стремление к точности, столь характерное для Тихо Браге. . Собиратели накапливали знания, которые были столь бессистемны, что их вряд ли можно было назвать наукой. Те, кто составлял схемы, систематизировали эти знания и извлекали из них правила, которые служили практическим целям, ибо позволяли зачастую суммировать факты и даже делать предсказания. Эти правила вместе с накопленными знаниями и методами для приобретения новых знаний и положили начало новой науке. Тем временем мыслители были заняты объяснениями, т. е. утверждениями, которые позволяли бы связать полученные знания между собой и обеспечить их лучшее «понимание» и восприятие. Многие объяснения или доводы рождались только на основе размышлений, почти вне связи с опытом.

Например, эпициклы объяснялись «идеальностью кругов», а принцип действия барометра — «невидимыми нитями, которые тянут ртуть вверх». Некоторые объяснения были не более чем простой констатацией фактов, вроде авторитетного заявления, что природа «устроена именно так»; например, поведение падающих тел объяснялось тем, что они стремятся занять «естественно наиболее низкое место на земле».

Человек должен был получить уверенность в том, что внешний мир устроен просто, в противном случае его одолевал бы страх перед неизвестным и он запутывался бы во все больших суевериях. По мере установления общих законов — схемы эпициклов, закона Гука, законов Кеплера — возрастало чувство надежности, и прежняя вера в то, что природа подчиняется определенным законам и устроена разумно, приобретала научную основу. Древние греки выводили свои объяснения и схемы явлений природы из нескольких общих идей, которые они просто принимали на веру. Например, из «совершенства кругов» они выводили эпициклы.

В течение XVII столетия дедуктивный метод рассуждений попал в немилость; в самом деле, он фактически навязывался известными авторитетами, но не имел научной основы. В середине этого столетия эксперимент стали считать реальным источником данных и проверки научных знаний. Люди занялись созданием правил или законов на основе экспериментов с помощью индуктивного метода. При этом они тоже считали, что природа проста и неизменна, т. е. что при тех же самых условиях будут снова и снова наблюдаться те же явления. Они все еще считали, что явления природы обусловлены некими причинами , однако смысл и значение этих причин оставались по-прежнему неясными.

Хотя индуктивный метод был честным методом, позволяющим выводить правильные законы, ему недоставало умения связывать явления воедино, и с его помощью нельзя было достичь того удовлетворения, которое дает настоящая теория. Ньютон, одаренный огромной интуицией, сначала рассматривал эксперимент, затем переходил к теории, а уж потом с помощью дедуктивного метода на основе этой теории предсказывал результаты, которые можно было впоследствии проверить. Таким образом, теория снова заняла свое место в науке, но уже на более надежном фундаменте. Она опять стала играть важную роль, как, например, теория всемирного тяготения, но уже не как хозяин науки, а скорее как ее слуга .

Еще позже, в прошлом веке, теория стала все более и более зависеть от того, насколько она продуктивна. Ученые спрашивали: «Может ли эта теория делать предсказания?» Если нет, ее отбрасывали или видоизменяли. Теперь такое обращение с теорией кажется нам слишком поспешным. Ее польза может заключаться не только в способности правильно предсказывать те или иные факты, но и в той схеме рассуждений, которую она нам предлагает.

Новая философия Декарта

Точка зрения ученых на науку менялась в соответствии с духом времени. Во Франции Рене Декарт предложил новую философию, которая длительное время оказывала сильное влияние на научное мышление. Одновременно с этим Декарт предложил новую модель Вселенной, и эта модель пользовалась популярностью в течение целого столетия. Убедившись в ошибочности классической философии, Декарт стал рассматривать мир в соответствии со своими собственными мыслями и чувствами, ставя под сомнение каждый свой вывод и проверяя его. На основе своих рассуждений он пришел к дуализму — представлению о двух различных мирах, существующих совместно и одинаково реальных : мир материи, обладающий размерами, формой и движением, и мир души и ума. Подобно тому как двое часов, находящихся рядом, могут показывать одинаковое время, так и эти два мира, совершенно отдельные, находятся в согласии, потому что «бог создал их таким образом».

В этой схеме материя — это нечто совершенно мертвое, неодухотворенное, способное лишь обмениваться движением с другой материей при соприкосновении. Движение материи первоначально должно было начаться по велению бога. Таким образом, согласно Декарту, бог уже не постоянно присутствующая сила, управляющая миром, а первопричина, которая привела Вселенную в движение, установив законы этого движения и предоставив ее затем самой себе. С тех пор движение может лишь передаваться от одной части материи к другой также с помощью материи. Поэтому пространства в Солнечной системе не могут быть пустыми. Они должны быть заполнены невидимым веществом, «эфиром» — носителем этого движения. Поскольку движущаяся область эфира не может простираться неограниченно, она должна образовывать замкнутые цепи, водовороты или вихри .