Зародження і розвиток фізики як науки. Роль фізичного знання в житті людини і суспільному розвитку. Методи наукового пізнання

Проте слід зазначити, що «випадковість» цих відкриттів полягала в непередбачуваності, незапланованості кожного з них, але всі вони з’явилися як наслідок напруженої творчої діяльності вчених-дослідників. Фізичні знання мають також прикладну цінність. Відкриття Архімеда, Галілея, Торрічеллі, Ньютона, Карно та інших становлять наукові досягнення у рівній мірі як теоретичні висновки, так і практичні запровадження для задоволення потреб техніки і виробництва. І в наші дні фізика залишається основним знаряддям технічного прогресу. Слід звернути увагу і на такий бік розвитку науки: і в минулому, і сьогодні наука, що виникла з потреб виробництва і попиту людей, часто випереджає їх. Наукові ідеї, що зароджуються в учених, можуть довгі роки чекати практичної реалізації. Проілюструвати цю думку допоможуть такі приклади. Винахід Герона (еоліпил Герона) у Стародавній Греції не отримав будь-якого розвитку (сам Герон демонстрував винайдену ним парову турбіну як цікаву іграшку) і не мав впливу на розвиток науки і техніки перш за все тому, що не було потреби в індустріальному розвитку; мускульна сила рабів цілком задовольняла всі запити рабовласницького суспільства.

І. Ньютон у книзі «Математичні начала натуральної філософії» говорив про можливість запуску штучних супутників: «Якщо свинцеве ядро, кинуте горизонтально силою пороху з гармати, поставленої на вершині гори, відлетить по кривій, раніше ніж впасти на Землю, на дві милі, то, припускаючи, що немає опору повітря, якщо його кинути з подвійною швидкістю, воно відлетить приблизно удвічі далі, якщо з десятерною, то — далі вдесятеро. Збільшуючи швидкість, можна за бажанням збільшувати дальність польоту і зменшувати кривизну лінії, якою ядро рухається, так, що можна було б змусити його впасти на відстані і десяти градусів, і тридцяти, і дев’яноста, можна було б змусити його оперезати Землю або навіть піднятися в небесні простори і продовжувати віддалятися до нескінченності. Подібно до того, як кинуте тіло може відхилятися силою тяжіння так, щоб описувати орбіту навколо Землі, так і Місяць... силою тяжіння може відхилятися від прямолінійного шляху і змушений обертатися своєю орбітою...» І. Ньютон розрахував також першу космічну швидкість, при якій забезпечується орбітальний рух супутників Землі, і вказав, що такі супутники обертатимуться тривалий час тільки за межами атмосфери (тобто врахував опір повітря). Тому цілком природним буде запитання: чому в XVII ст. все ж таки не було запущено штучний супутник і цей великий проект чекав своєї реалізації аж до 4 жовтня 1957 року.

Слід звернути увагу  й на те, що і на сьогодні низка  наукових ідей чекає свого підтвердження і використання для блага людини: ефект уповільнення часу (спеціальна теорія відносності), який дозволяє оптимістично дивитися на космічні подорожі до інших зоряних систем і дає можливість «потрапити» у майбутнє; розгадка природи гравітації і використання антигравітації; використання термоядерної енергії у мирних цілях, що дозволить ліквідувати таку насущну проблему людства, як «енергетичний голод» тощо.

Важливо також вказати  на глибокий взаємозв’язок фізики й техніки. Розвиток техніки сприяє проведенню фізичних досліджень і, навпаки, відкриті вченими нові явища або закони стають потужним стимулом для розвитку техніки. Так, відкриття явища електромагнітної індукції привело до створення цілого прикладного напряму у фізиці — електрофізики, яка потім відокремилася від фізичної науки в самостійну галузь технічних знань — електротехніку. Подібну закономірність виникнення нових технічних напрямів з відповідних галузей фізики можна простежити при вивченні багатьох розділів шкільного курсу фізики. Наприклад, рівняння Максвелла → радіофізика → радіотехніка; геометрична і фізична оптика → оптичні прилади → оптична техніка і промисловість; явище індукованого випромінювання → квантова електроніка → лазерна техніка; ядерні реакції → ядерна фізика → ядерна енергетика тощо.

Отже, наука, а зокрема  і фізика, є однією з головних продуктивних сил суспільства, яка проникає в усі галузі людської діяльності. Різко скорочуються терміни між фізичним відкриттям і його технічним і практичним втіленням (для порівняння можна навести такі факти: від відкриття явища електромагнітної індукції (1831) до промислового отримання змінного струму пройшло близько 50 років; від відкриття Максвеллом електромагнітних хвиль (1864) до використання їх у радіо — 35 років; відкриття реакції поділу важких ядер (1938) було реалізоване в атомній техніці вже через 5 років, а одне з величезних наукових досягнень епохи науково-технічної революції (НТР) — створення лазерів — практично відразу ж (через 2 роки) привело до розвитку могутньої лазерної техніки і використання її в усіх галузях науки і виробництва). Фізичні дослідження і технічні винаходи в епоху НТР мають тенденцію зливатися, так що не можна сказати, яким саме науковим результатом — теоретичним чи практичним — є, наприклад, такі досягнення, як синхрофазотрон, атомний реактор, лазер, транзистор, комп’ютерна техніка, нові види зв’язку, розвиток нанотехнологій тощо.

Варто було б поставити  ще одне запитання: чи може «закінчитися фізика як наука», тобто чи можуть бути зроблені всі фізичні відкриття. У такому випадку припинився б і прогрес техніки. Її рівень залишався б тим самим, і з часом вона стала б відставати від загального соціально-культурного розвитку людства. Однак така ситуація неможлива, вона суперечить закону розвитку людської цивілізації, який також строго виконується і є об’єктивним, як і закони фізики.

Питання для перевірки засвоєння знань: (контроль зворотного зв’язку)

1. Чим зумовлений розвиток  фізичних знань?

2. Як впливає розвиток  фізики на розвиток техніки,  і навпаки? Відповідь обґрунтуйте  прикладами.

3. Доповніть відомості  про роль знань з фізики  в житті людини і суспільному розвитку.

МЕТОДИ НАУКОВОГО  ПІЗНАННЯ

Про дослід як метод вивчення природи ви знаєте з основного  курсу фізики. Шляхом узагальнення даних дослідів були сформульовані фізичні поняття, наприклад такі, як механічний і тепловий рухи, газ, рідина, тверде тіло тощо; введені фізичні величини для характеристики властивостей фізичних об’єктів: швидкість руху тіла, маса і об’єм тіла, тиск газу, температура тіла тощо; сформульовані емпіричні (отримані з дослідів) закони, наприклад закон Паскаля для рідин і газів, закон Джоуля—Ленца та ін. Метод, який дає змогу одержати нові знання за допомогою проведення досліду (експерименту), називають експериментальним. Цей метод — один із основних способів отримання наукових знань. Він найбільш часто застосовується в школі на уроках фізики. Проте важливо мати на увазі, що досліди, які проводяться на уроках або вдома, — це навчальні досліди. Вони відрізняються від дослідів, які проводяться в наукових лабораторіях.

Науковому експерименту передує обґрунтована гіпотеза. Вона визначає мету і зміст експерименту. Вимірювання проводяться у строго визначених умовах, дані вимірювань точно обробляються. Експеримент завершується оцінкою похибки отриманого результату. У науковому експерименті вчені ставлять природі запитання, відповідь на яке наперед невідома. Для одержання надійних висновків дослід зазвичай повторюється багаторазово. Це приводить до того, що тривалість наукового експерименту часто вимірюється роками, а іноді й десятками років. Наприклад, досліди Джоуля з вимірювання відношення між роботою і кількістю теплоти продовжувалися з 1839 до 1850 року, а потім були повторені в 1878 році.

Дослід не може бути єдиним джерелом знань. Спостереження, наприклад, показують нам, що Сонце сходить  і заходить, а Земля перебуває  у стані спокою. Повсякденні спостереження показують, що важке тіло падає швидше, ніж легке, що без дії сили тіла не можуть рухатися. Наука, як відомо, за істинні приймає твердження, що суперечать цим безпосереднім спостереженням. Дані досліду повинні бути осмислені і відтворені у системі наукових понять і законів. Тому поряд з дослідом як метод вивчення природи виступає теорія (теорія з грецької — наукове пізнання, дослідження; використання цього терміна правомірне тільки у застосуванні до науки).

Теорія узагальнює дані дослідів на основі мислення, збагачує їх і робить новими, більш глибокими знаннями. Теорія виходить за межі безпосереднього (чуттєвого) сприйняття і ставить завдання знайти об’єктивно існуючі закономірності. Видатний учений Д. І. Менделєєв говорив, що «…сила науки полягає у теоретичному мисленні. Якщо немає теоретичного узагальнення, то наші знання ще не є наукою, силою, а вони є рабством перед тим, що вивчається».

Експеримент часто проводиться  для того, щоб підтвердити або  відкинути теорію. Однак сам по собі експеримент, якщо він не пов’язаний з певними теоретичними передбаченнями, не має наукової цінності. Деякі експериментальні відкриття, наприклад відкриття електризації, у свій час ніяк не вплинули на розвиток фізики тому,що не була підготовлена теоретична база.

Експериментальний метод  дає результати тільки у поєднанні  з теоретичним. Теорія систематизує дані дослідів на основі певних узагальнень, ідей. Вона слугує засобом отримання нових знань і вказує шляхи практичного використання відкритих закономірностей. Критерієм правильності висновків теорії є дослід, практика. Процес розвитку знань, таким чином, іде від досліду (спостереження, експеримент) до абстрактного мислення — теорії, а потім до практики. Наукові знання являють собою єдність емпіричного і теоретичного. Проте у пізнанні звичайно виділяють два рівні — емпіричний і теоретичний. Поділ цих рівнів пізнання відображає різницю у методах пошуку знань. Емпіричне дослідження містить у собі дослід як засіб отримання фактів і виявлення зовнішніх зв’язків, емпіричне узагальнення фактів, формування емпіричних понять і емпіричних законів. Теоретичні знання містять у собі, по/перше, систему вихідних теоретичних понять, принципів (принципіум з латинської — початок, основа; принципами називають судження, які узагальнюють дані досліду і слугують основними положеннями будь/якої теорії) і гіпотез; по/друге, сукупність висновків, наслідків (умовиводів), які одержують з основних положень за допомогою логічних і математичних викладів.

Вихідні поняття, принципи або гіпотези становлять основу теорії. В основі термодинаміки, наприклад, лежать поняття і два принципи (начала) термодинаміки — термодинаміка як теорія, що побудована на основі принципів. Молекулярно-кінетична теорія будується на іншій основі — на основі гіпотез про молекулярну будову тіл і про властивості молекул. Ці гіпотези задають модель (механічну аналогію) властивостей системи молекул, тому говорять, що молекулярно-кінетична теорія будується на основі модельних гіпотез. Принципи або гіпотези, покладені в основу теорії, являють собою узагальнення дослідних даних — спостережень, експерименту, виробничої практики. Однак в узагальненні дослідних даних міститься елемент теоретичного знання: як принципи, так і гіпотези не виводяться безпосередньо й однозначно з досліду. Для знаходження принципів і гіпотез одних даних досліду недостатньо.

Другу частину теоретичного знання, як уже зазначалося, становить  система висновків, отриманих з  основних положень за допомогою логічних висновків і математичних виведень, — система математичних співвідношень між фізичними величинами, які відображають властивості фізичних об’єктів. Відповідність цих висновків даним досліду слугує підтвердженням правильності вихідних положень теорії. Висновки з основних положень у тій або іншій теорії можуть бути одержані різними прийомами.

Прийоми, що дають змогу  отримати нові знання, слугують методами дослідження в рамках теорії. З термодинаміки, наприклад, ми дізнаємося про метод кругових процесів, із молекулярно-кінетичної теорії — про статистичний метод. Фізична теорія правильно відображає природу явищ, які вона описує, якщо її застосовувати в тій сфері, для вивчення якої вона створена. Будь-яку теорію не можна вважати тотожною природі. Теорія — це відображення, картина реальних фізичних явищ, але відображення в єдності і цілісності, у системі. Її завдання, як вважав Л. Больцман,— слугувати скеровуючим початком для теоретичної думки й експерименту, бути способом пояснення і способом руху людської думки до істини.

Питання для перевірки  засвоєння знань: (контроль зворотного зв’язку)

1. Які ви знаєте  методи наукового пізнання світу?

2. Що таке теорія? Яку  роль відіграє гіпотеза у наукових  дослідженнях?

3. Доведіть значення  наукового експерименту.