Естествознание (стр. 3 из 5)
, где G - константа, m1 и m2 - массы тел, r - расстояние между ними.Анализируя опыты, Ш.О. Кулон в 1785 году сформулировал закон взаимодействия зарядов, позже названный его именем:
,где q1 и q2 - заряды, r - расстояние между ними; константа определяется выбором системы единиц. До Кулона этот закон ни в каком виде не формулировался.
Уже отмечалось, что все научные законы всегда приближенные. Почему же сразу не удается открыть “правильный закон”? Почему всегда приходится начинать с каких-то приближений? Во-первых, для “точной” формулировки закона зачастую бывает еще не готов соответствующий математический аппарат, а, во-вторых, экспериментальные данные всегда бывают недостаточно точны. Точность измерений определяется с одной стороны нашими приборами, а с другой стороны - некоторыми фундаментальными запретами, связанными с природой явления. Существует, например, соотношение неопределенностей Гейзенберга, которое ограничивает точность одновременного измерения импульса и координаты частицы.
Приведем пример. Реально мы можем измерить массу волчка с точностью до долей микрограмма. Измеряя массу покоящегося и вращающегося волчка мы всегда будем получать один результат. Отсюда, казалось бы, можно было вывести закон, что масса тела постоянна и не зависит от его скорости. Но оказывается масса от скорости зависит когда скорости становятся сравнимыми с скоростью света.
Сказанное приводит нас к выводу, что законы и теории не абсолютны. Они развиваются по мере накопления знаний. Фундаментальные законы естествознания описывают огромное количество явлений в разных областях. И все они подчиняются некоторым общим правилам. Рассмотрим их.
Во первых, законы сами по себе не меняются. Именно поэтому они и называются фундаментальными. Иначе никакая наука не могла бы развиваться. Но, надо помнить о том, что закон написан для определенной области явлений.
Всякий раз, когда с определенной степенью точности подтверждается какой-либо закон, можно утверждать, что закон окончателен и ни какой результат его не опровергнет в той области, для которой он написан. Однако может так случится, что появление новых экспериментальных данных или теорий приведет к тому, что закон окажется приближенным. Иначе говоря, увеличение точности измерений может обнаружить неточность даже самых незыблемых законов.
Нильс Бор (1885-1962) анализируя положения квантовой механики сформулировал ”Принцип соответствия” новой и старой теорий. Этот принцип применим к любым теориям в естествознании. Сущность его заключается в том, что всякая новая теория должна содержать в себе старую как частный случай, к которому она сводится при определенных условиях.
Проще всего принцип соответствия проиллюстрировать примером из классической механики и механики теории относительности. Созданная А.Эйнштейном специальная теория относительности содержит в себе классическую механику Ньютона, в которую она переходит при скоростях движения V, малых по сравнению, с скоростью света -C. Математически это записывается как V<<C. Законы специальной теории относительности переходят в законы классической механики и движения тел при малых скоростях описывается, по-прежнему, законами Ньютона. Только тогда когда скорость станет сравнима с скоростью света, требуется привлечение новых законов. Например, когда скорость тела не превосходит 1000 км/с масса тела постоянна с точностью до 10-5.
Еще один пример: законы классической и квантовой физики приведут к одним и тем же уравнениям для движения частицы, имеющей массу много больше массы атома.
Таким образом, при формулировке законов необходимо задавать границы их применимости. Законы и теории должны описывать всю совокупность явлений в той области, для которой они сформулированы. Они не должны противоречить известным фактам. Более того, они обязательно должны предсказывать новые, неизвестные ранее явления. Наконец, никакой закон не должен нарушать принцип причинности. Это значит, что нельзя что-то изменить в событии которое уже случилось. Можно повлиять только на будущее, но никак не на прошлое.
В заключение отметим, что новые фундаментальные законы невозможно вывести в рамках старых теорий. Стремление некоторых авторов сделать это не имеет под собой никакого основания и зачастую связано лишь с большим желанием авторов “пооригинальничать” и внести свой “вклад в науку”.
5. РАЗДЕЛЫ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ.
Слово естествознание представляет из себя сочетание двух слов: естество (природа) и знание. В настоящее время под естествознанием подразумевается в основном точное знание о том, что в природе, во Вселенной действительно есть или по крайней мере возможно. Первоначально к физике Аристотель относил проблемы устройства, происхождения, организации всего, что есть во Вселенной, даже жизни. Само слово физика, греческое по происхождению, близко к русскому слову природа. Таким образом, первоначально естествознание называлось физикой.
В своем развитии наука прошла четыре стадии развития. На первой стадии формулировались общие представления о природе, окружающем мире как о чем-то целом. В этой стадии произошло развитие натурфилософии (философии природы) ставшей вместилищем идей и догадок, которые к 13-15 векам стали зачатками естественных наук. В 15-17 веках последовала аналитическая стадия - мысленное расчленение и выделение частностей, превратившая физику, астрономию, химию, биологию действительно в науки. Позднее, ближе к нашему времени, наступила синтетическая стадия изучения природы, характеризуемая воссозданием целостной картины мира на основе ранее познанных частностей. Сегодня пришло время обосновать не только принципиальную целостность всего естествознания, но пояснить, почему именно физика, химия и биология стали основными и самостоятельными разделами науки о природе. Т.е. в настоящее время осуществляется целостная интегрально - дифференциальная стадия развития естествознания, как единой науки о природе.
Все описанные стадии изучения природы по существу представляют звенья одной цепи. Каждый из разделов естествознания прощел через эти стадии. Рассмотрев в следующей части коротко историю развития физики мы видим, что она тоже прошла все описанные стадии. Отличие имеется лишь в том, что описание этапов развития физики мы будем давать с точки зрения развития методов подхода к изучаемым явлениям. В физике сейчас также наступает интеграционная стадия, характеризуемая тем, что проводятся попытки создать единые теории, объединяющие различные разделы. Примером тому может служить попытка создать единую теорию поля.
Рассмотрим главные разделы естествознания и связь между ними. Мы уже говорили о движении материи. В порядке возрастания сложности мы приводили следующие формы движения: механическую, физическую, химическую, биологическую, общественную. Все формы движения связаны между собой. Высшие содержат в себе низшие, составными части, но ни в коем случае не сводятся только к ним. Например, нельзя ядерные силы свести к механическим. Различные виды движений, существующих в природе изучают различные разделы естествознания: ФИЗИКА, ХИМИЯ, БИОЛОГИЯ, ПСИХОЛОГИЯ и другие разделы.
В каждом из разделов естествознания имеются свои законы, которые не могут быть сведены к законам других разделов, однако, теории, описывающие сложные структуры, опираются на теории и законы для простых структур. При этом, как правило, по мере усложнения структур и разделов естествознания их законы становятся менее точными, формулировки приближаются к качественным. Чем ниже уровень раздела естествознания, тем сложнее и точнее математические формулировки его законов. Наиболее сложны для понимания законы физики - фундаменте всех естественных наук.
В этом разделе мы попытаемся показать связь физики с другими науками, очертим круг фундаментальных задач, возникающих в пограничных областях и на стыке наук. Однако, мы коснемся связей физики с техникой, физики с промышленностью, физики с общественной жизнью и физики с искусством. Связь с последнем прослеживается на многих исторических примерах, когда выдающиеся скульпторы, архитекторы и живописцы прошлого были одновременно и крупными учеными.
Химия испытывает на себе влияние физики, пожалуй сильнее, чем любая другая наука. На заре своего развития она играла важную роль в становлении физики. Эти науки взаимодействовали очень сильно, они были практически неразделимы. Теория атомного строения вещества получила основательное подтверждение именно в химических опытах. Под теорией неорганической химии подвел черту Д.И.Менделеев (1834-1907), создав свою периодическую систему химических элементов. Эта система выявила немало удивительных связей между различными элементами. Она предсказала существование многих тогда еще неизвестных химических элементов. Однако, объяснение системы Менделеева возможно только с опорой на теорию строения атома, т.е. на физическую теорию. В настоящее время в неорганической химии остались два раздела: физическая химия и квантовая химия. Сами названия этих разделов говорят о тесной связи с физикой.
Другая ветвь химии - органическая химия, химия веществ, связанных с жизненными процессами. Одно время предполагали, что органические вещества столь сложны, что их нельзя синтезировать. Однако, развитие физики и неорганической химии изменило ситуацию. В настоящее время научились синтезировать сложные органические соединения, необходимые в жизненных процессах. Главной задачей органической химии является анализ и синтез веществ, образующихся в биологических системах, живых организмах. Отсюда вытекает тесная связь химии и физики с другим разделом естествознания, с биологией.