Что такое научная гипотеза физика
Научные гипотезы. Физические законы. Физические теории. Основные элементы физической картины мира
Научные методы познания окружающего мира. Роль эксперимента и теории в процессе познания природы.
Физика – наука опытная. Процесс познания в физике начинается либо с наблюдения явления в естественных условиях, либо со специально проведенных опытов – экспериментов.
Физический опыт или эксперимент – это такое исследование явления (чаще всего воспроизведенного в лаборатории), в котором все воздействия на исследуемую систему, влияющие на данное явление, поддаются учету. Чаще всего эксперимент сопровождается измерением тех или иных физических величин, установлением связи между этими величинами. Все физические измерения производятся с ограниченной точностью, что ставит предел степени подробности информации, получаемой из опыта. Поэтому при каждом физическом измерении указывается не только его результат, но и точность, с которой этот результат получен. Только в пределах точности измерений можно сравнивать результаты разных опытов друг с другом и с соответствующими предсказаниями теории. В науке и технике разработана целая теория – теория ошибок, которая устанавливает правила расчета экспериментальных ошибок. С элементами этой теории мы познакомимся в лабораторном практикуме по физике.
Теоретическая и экспериментальная физика тесно связаны между собою. Экспериментальная физика дает информацию об изучаемом явлении, теоретики эту информацию анализируют и создают теорию этого явления. Иногда теория создается, исходя из общих представлений о свойствах материи, в отсутствии экспериментальных фактов. В любом случае справедливость теории проверяется экспериментально.
Физический закон есть постоянно действующая при данных условиях связь между явлениями или физическими величинами, характеризующими эти явления. Физический закон обычно имеет строгую формулировку, часто выражается аналитически в виде соотношения между физическими величинами. Каждый физический закон имеет определенную область применения. Физические законы, имеющие наиболее обширные области применения, называются фундаментальными законами (законы сохранения импульса и энергии, законы Ньютона, закон Кулона).
Гипотеза – предварительное научное предположение о механизме и взаимосвязи (законах) явлений. Гипотеза требует экспериментальной проверки и доказательства. При построении гипотезы велика роль мышления и интуиции ученого. Если гипотеза прошла проверку, она становится теорией.
Теория – система научных положений и законов, которая дает качественное и количественное объяснение целой области явлений природы с единой точки зрения. В современной физике такими теориями являются классическая механика, молекулярно-кинетическая теория, общая и специальная теории относительности, квантовая механика, классическая электродинамика, квантовая электродинамика и т. д.
Физическая картина мира – совокупность физических теорий, существующих на данном этапе развития физики и объясняющих все известные явления с единой концептуальной точки зрения. По мере развития физики, наблюдения новых явлений и закономерностей существования материи физические картины мира сменяют друг друга. Каждая последующая картина включает в себя предыдущую как частный случай, правильно объясняющую определенный круг явлений.
История развития физики включает в себя следующие физические картины мира:
1. Механическая картина мира.
2. Электродинамическая картина мира.
3. Квантово-полевая картина мира.
Для каждой физической картины мира характерны:
1) основополагающие, мировоззренческие взгляды на устройство материального мира;
2) основные физические принципы;
3) основные понятия;
4) способы описания движения материи;
5) теоретические идеализации (материальная точка, сила – идеализация взаимодействия, абсолютно твердое тело, идеальный газ, точечный заряд, электромагнитное поле).
Для выражения количественных закономерностей в физике широко применяется математический аппарат (математика). Он является по сути дела языком современной физики. При этом развитие физики стимулирует развитие тех или иных разделов математики (векторный характер физических величин – векторная алгебра; непрерывность пространства и времени – дифференциальное и интегральное исчисления; понятие поля в физике – математическая теория поля и т.д.)
Как работают гипотезы в физике
«Пусть расцветают сто цветов,
пусть соперничают сто школ»
Мао Цзедун
Какой путь эволюции проходит научная идея? Какие гипотезы заслуживают внимания, а на какие не стоит тратить время, и что делать, если вам кажется, что вы придумали гениальную идею? О том, какими бывают гипотезы в физике и как они работают, рассказал доктор физико-математических наук, астрофизик, профессор РАН Сергей Борисович ПОПОВ. Онлайн-лекция проходила в рамках лектория «Архэ».
Построение гипотез — неизбежное следствие науки. Они делятся на рабочие (те, которые обсуждают между собой «на кухне», но не выставляют пока на всеобщее обозрение) и публичные. Публичные, в свою очередь, делятся на мэйнстрим, непопулярные альтернативы, стандартные и маргинальные гипотезы (не являются фактом науки). Примеры стандартных гипотез: темная материя, темная энергия, черные дыры и др. Именно стандартные гипотезы наиболее распространены в науке нашего времени.
«Гипотезы нужно обосновывать и проверять. Нельзя публиковать голую идею. Надо, как минимум, ответить на «сразу возникающие» вопросы. А важно, что-то посчитать и (по возможности) предсказать», — говорит Сергей Попов.
Гипотезы должны быть мотивированы не только интеллектуальными порывами, но желательно и данными. Очень часто именно данные и наталкивают искателей на построение гипотезы.
«Трудно столкнуться с ситуацией, когда ученые упустили какой-то важный вопрос из внимания. Ученых много и обычно все ключевые моменты находятся в поле нашего зрения. Просто иногда специалисты думают о чем-то, но на публику это не выносится, пока. Пока гипотеза не доработана до нужного состояния. Если вы придете к ученым с какой-то идеей, то очень велика вероятность того, что над этой идеей уже кто-то трудится в данный момент», — объясняет физик.
Кроме того, в научном сообществе постоянно идут работы по проверке старых, казалось бы, укоренившихся моделей.
«Например, постоянно идут тесты общей теории относительности. Задача не в том, чтобы в очередной раз доказать ее правомерность, а в том, чтобы создать другую, новую теорию. И на решение этой задачи выделяются значительные финансовые средства», — рассказал Попов.
Все гипотезы претерпевают изменения со временем, эволюция гипотез — абсолютно закономерный процесс.
«То, что было разумной гипотезой когда-то, перестает быть таковой по мере развития. Примеры: стационарная Вселенная, распространенность планет типа Земли. Важно, является ли гипотеза сейчас фактом науки или нет. Сто лет назад гипотеза о стационарной Вселенной была мэйнстримовой, а сегодня ни один физик в здравом уме не будет всерьез говорить о ней», — говорит Сергей Попов.
Хорошая гипотеза, как правило, адекватно описывает, как то или иное явление возникает в природе.
«Статус черных дыр до сих пор остается гипотетическим. Есть альтернатива черным дырам — так называемые гравастары. Однако, говоря о черных дырах, мы можем построить модель, описывающую то, как они формируются. А как возникает гравастар — непонятно, эта альтернатива проигрывает черным дырам в плане того, как это возникает в природе. Часто бывает так, что на уровне расчетов гипотеза выглядит красиво, но разбивается об этот аргумент. Но еще чаще гипотезы убиваются данными»
Когда очень хочется скорее поделиться своей идеей с миром, нужно сначала узнать, что делают другие ученые, необходимо постоянно читать периодику и быть в теме, подчеркивает лектор. А при написании статьи в научный журнал, если речь именно о нем, а не о научпоп-издании, ориентироваться следует на то, что вы делаете свою статью для авторов других работ в этой области, именно они — ваша целевая аудитория.
«Если у вас есть какой-то набор параметров, который требует придумывания гипотезы, то это здорово. Однако не нужно придумывать новые бесполезные сущности. Важен своеобразный синтез мотивированности гипотезы интеллектуальными позывами и мотивированности данными. Потому что уходить от эмприки полностью — это очень плохо», — говорит лектор.
Наука существует там, где не всё ясно. Для работы нужны гипотезы, модели. На этом фронте всё время происходит борьба идей и борьба с идеями, а конкуренция очень высока. И чем больше разнообразных гипотез будет у учёных в арсенале, тем более интересным будет путь к истине.
masterok
masterokМастерок.жж.рф
Хочу все знать
Возможно, вы слышали, как кто-то пренебрежительно отзывается об эволюции — «ведь это всего лишь теория». С другой стороны, гравитация должна быть на 100% реальной — в конце концов, это «закон». Но эти общие впечатления не совсем правильные. Слова «факт», «гипотеза», «теория» и «закон» имеют очень специфические значения в мире науки, и они не совсем соответствуют тем, которые мы используем в повседневном языке.
«Если вы уроните карандаш, он упадет на землю».
Этот довольно простой факт, но не все так просто. В науке факт — это наблюдение, которое было подтверждено так много раз, что ученые могут, во всех смыслах, принять его как «правдивое». Но ничто с научной точки зрения не является абсолютно «истинным». Вы можете сказать, что «все лебеди белые» — это факт, но всегда есть шанс, что вы увидите черного лебедя, и факт перестанет быть истинным.
Точно так же вы могли бы сказать, что по факту, каждый раз, когда вы роняете карандаш, он падает на пол, но наука оставляет место для бесконечно малой вероятности, что этого может и не произойти (например, в условиях невесомости).
«Карандаш падает, потому что сила гравитации тянет его вниз».
Гипотеза — это предварительное объяснение наблюдения, которое можно проверить. Это только отправная точка для дальнейшего расследования. Любое наблюдение обычно сопровождается множеством гипотез. Если вы заметили, что лебедь белый, ваша гипотеза может заключаться в том, что он окрашен, или его перья выцвели на солнце, или его перьям просто не хватает пигмента. Затем вы можете исследовать все эти гипотезы и найти ту, которая больше всего подтверждается доказательствами, если таковые имеются.
На протяжении всей истории было много гипотез о том, почему предметы падают, когда вы их роняете. Аристотель полагал, что это происходит потому, что материальные объекты имеют тенденцию падать по направлению к центру Вселенной, а центром Вселенной древние греки считали Землю. Ньютон рассуждал, что все связанные с Землей предметы должны притягиваться к Земле, но также все планеты должны притягиваться другими планетами, и так далее для каждого объекта во Вселенной. Его гипотеза состояла в том, что все это происходит благодаря силе притяжения, которую он назвал гравитацией.
«Каждая частица во Вселенной притягивает любую другую частицу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними».
В науке закон — это подробное описание какого-то явления естественного мира, обычно с участием математики. Закон всемирного тяготения Ньютона, приведенный выше, описывает с впечатляющей точностью, как материя ведет себя. Это позволяет легко предсказать, как поведет себя Луна, если она будет очень большой и близкой к своей планете, а не такой, какая она сейчас — очень маленькая и далекая. Закон все это описывает, но не объясняет почему.
«Масса и энергия вызывают искривление пространства-времени, сила гравитации возникает из-за искривления пространства-времени».
Теория — это объяснение каких-то явлений мира природы, которые подтверждены фактами, проверены гипотезами и законами. Выше приведенная цитата — упрощенный вариант общей теории относительности Эйнштейна. Ньютон сказал, что сила притяжения между двумя объектами зависит от их массы и расстояния между ними; Эйнштейн сказал, что притяжение происходит потому, что масса каждого объекта буквально искажает ткань Вселенной, и чем больше масса, тем больше искажение.
Теория — это дедушка всех научных утверждений, поэтому нет смысла говорить, что эволюция — это «просто теория».
Но, как уже было сказано, наука никогда не говорит ничего со 100-процентной уверенностью. Теория Эйнштейна не работает, когда вы применяете ее к квантовой механике, которая имеет дело с поведением крошечных субатомных частиц. В результате многие ученые выдвигают новые гипотезы о гравитации. Но это не значит, что Эйнштейн был неправ. Общая теория относительности объясняет подавляющее большинство наших наблюдений, и каждый раз, когда ученые пытались доказать, что она ошибочна, они терпели неудачу. В этом сила научной теории: она построена на достаточно прочном основании, так что, даже если вы обнаружите в ней несколько трещин, вы можете быть уверены, что структура в целом устоит.