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

Большинство научных концепций рождается из эксперимента или до некоторой степени связано с экспериментом. Другие области научного мышления — чисто умозрительные. Однако они могут оказаться полезными и остаются в силе до тех пор, пока мы помним об их статуте. Мы можем их назвать умозрительными идеями. Представление о хрустальных сферах было чисто умозрительным — предполагалось, что они невидимы, и их существование было недоказуемо. В самом деле, схема Птолемея не была разрушена, когда оказалось, что сквозь сферы проходит комета: были разрушены только сами сферы. Рассматривая какую-либо схему понятий, будьте осторожны и старайтесь отделить необходимые понятия от умозрительных идей, которыми сопровождается их рождение.

«Теория» и «гипотеза»

Многие ученые назвали бы большую схему, объединяющую ряд понятий, теорией , а умозрительную идею — гипотезой . Эти два термина иногда путают, и, может быть, лучше бы было избегать их. Однако мы будем употреблять их, и вы также можете с успехом это делать, проводя между ними следующее различие.

Гипотезы — это отдельные предположения или догадки, к которым прибегают при построении теории или при постановке эксперимента, имеющего целью непосредственную проверку какой-либо теории в том случае, когда это представляется возможным.

Теории — это мысленные схемы с допущениями, которые подбираются так, чтобы получалось согласие с экспериментальными данными, они содержат умозрительные идеи и общий подход к решению различных проблем, и это позволяет отнести их к главным концепциям.

Построение системы научных знаний

Наши сведения о природе мы получаем сначала путем индукции, извлекая общие законы из экспериментальных данных (см. гл. 1 [118]). Затем, считая наш закон верным, мы предполагаем, что природа будет вести себя согласно этому закону, т. е. предполагаем, что природа единообразна. Если вы обратитесь к ранним этапам развития астрономии (и к начальной стадии вашей собственной работы в лаборатории), то увидите, что, хотя знания, полученные методом индукции, достаточно надежны (например, законы движения планет, закон Гука), все же этот метод не особенно плодотворен в отношении объяснений и предсказаний. Дедуктивная теория дает нам значительно больше. Прибегая к ней, мы начинаем с допущений и законов, получая их либо на основе догадки, либо в результате эксперимента, либо по аналогии или путем умозрительных рассуждений, а затем даем объяснение и делаем новые предсказания. Однако, чтобы избежать ошибок древних философов, мы, конечно, должны проверять наши предсказания и выводы. Мы должны также понимать, откуда берутся законы, на которых основана наша теория.

Занимаясь научными исследованиями, вы должны пользоваться предположениями, основанными на теории и прошедшими проверку. Слишком много предположений может увести от действительности к магии.

Теперь снова поговорим о «демонах».

«Демоны»

Можно было бы задать такой вопрос: «Откуда вы можете знать, что катящийся шар останавливается вследствие трения, а не по воле демонов?» Предположите, что вы отвечаете на этот вопрос, возражая своему собеседнику, Фаусту, который считает, что шар останавливают демоны. Ваш спор может протекать следующим образом:

ВЫ. Я не верю в демонов.

ФАУСТ. А я верю.

ВЫ. Во всяком случае, я не представляю себе, как демоны могут создать трение.

ФАУСТ. Они просто становятся перед предметами и мешают им двигаться дальше.

ВЫ. Я не могу обнаружить демонов даже на самом грубом столе.

ФАУСТ. Они слишком малы и к тому же прозрачны.

ВЫ. Но на грубых поверхностях трение больше.

ФАУСТ. Но больше и демонов.

ВЫ. Масло уменьшает трение.

ФАУСТ. Демоны тонут в масле.

ВЫ. Если я отполирую стол, трение будет меньше и шар прокатится дальше.

ФАУСТ. Вы смываете демонов, и их остается меньше.

ВЫ. Более тяжелый шар испытывает большее трение.

ФАУСТ. На него оказывает действие большее количество демонов, и он сильнее дробит их кости.

ВЫ. Если я положу на стол шероховатый кирпич, то я могу толкать его против сил трения все сильнее и сильнее, но кирпич остается неподвижным до некоторого предела, так как трение уравновешивает силу, с которой я его толкаю.

ФАУСТ. Конечно, демоны не позволяют вам сдвинуть кирпич с места, но их силы не беспредельны и они уже не могут противостоять вашему толчку.

ВЫ. Но когда я толкну кирпич достаточно сильно и кирпич начнет двигаться, то трение будет в дальнейшем тормозить его движение.

ФАУСТ. Ослабев, демоны попадают под кирпич, и их раздробленные кости мешают кирпичу скользить по поверхности стола [119].

ВЫ. Я их не ощущаю.

ФАУСТ. Проведите пальцем по столу.

ВЫ. Трение подчиняется определенным законам. Например, опыт показывает, что на кирпич, скользящий по столу, действует трение, причем сила трения не зависит от скорости.

ФАУСТ. Конечно, вы раздавите одно и то же количество демонов, как бы быстро вы это ни делали.

ВЫ. Если я буду двигать кирпич по столу снова и снова, трение будет в каждом случае одно и то же. Между тем демоны были раздавлены при движении кирпича по столу в первый раз.

ФАУСТ. Да, но они невероятно быстро размножаются.

ВЫ. Существуют и другие законы трения, например, торможение пропорционально давлению одной поверхности на другую.

ФАУСТ. Демоны живут в порах поверхности: чем больше давление, тем больше демонов выходит на поверхность, они противодействуют движению и гибнут. Демоны действуют в соответствии с силами, с которыми вы имеете дело в ваших экспериментах.

Позиция Фауста уже ясна. Какие бы свойства вы ни приписывали давлению, он сейчас же прибегает к помощи демонов. Сперва его демоны появляются произвольно, но когда вы начинаете говорить о законах трения, он сейчас же противопоставляет им законы поведения демонов. Все заходит в тупик — одни и те же свойства одним из спорящих называются демонами, другим — трением, и каждый из них возвращается в результате спора к исходной точке.

Пользуясь термином «трение», вы не устанавливали до сих пор его связи с другими свойствами материи; теперь, подобно современному ученому, вы начинаете размышлять о том, какова молекулярная или атомная природа трения, и проводите опыты для проверки ваших предположений. Атомы, входящие в состав твердых тел, должны притягиваться друг к другу на малых расстояниях с большими силами. Когда поверхности твердых тел скользят или катятся одна по другой, небольшие выступы одной поверхности будут попадать в область атомного притяжения выступов на другой поверхности и будут препятствовать движению тел. В этом случае можно считать, что трение обусловлено атомным сцеплением; последнее может даже привести к тому, что частицы с одной поверхности будут переходить на другую. Это явление было исследовано экспериментально. Если передвигать медный брусок по гладкой поверхности стального столика, то на микрофотографиях можно увидеть, что на стали как бы прилипли крошечные ниточки меди, вырванные с поверхности медного бруска. С помощью химических методов было показано, что при трении двух металлических поверхностей одна о другую происходит взаимное проникновение частиц одного металла в другой [120].