Что такое научные законы
Учим матчасть: что такое научный закон, и в чем его отличие от гипотезы, теории и факта?
[mybigtext]Многие люди считают, что, если ученые нашли доказательства, поддерживающие гипотезу, она «прокачивается» до теории, а если теория оказывается верной, она становится законом. Однако это так не работает. Факты, теории, гипотезы и законы — разные части научного метода. Они могут развиваться, но переходить одно в другое — нет. Поговорим о всей четверке и постараемся понять, какое место в этом квартете занимает научный закон.[/mybigtext]
Что такое научный закон?
Если в общем, то научный закон — это описание наблюдаемого явления. Он не объясняет, почему это явление существует и что его вызывает. Объяснение — это уже научная теория, и все, кто думает, что теория по логике должна переходить в закон, глубоко заблуждаются.
[mydoubleline]«В науке законы — это точка старта, — говорит доцент биологии и биоинженерии из Технологического института Роуз-Халман Питер Коппингер. — Отсюда ученые могут задавать свои как и почему».[/mydoubleline]
Научный закон, гипотеза, теория и факт
Опираясь на данные Калифорнийского университета, для начала разграничим «четырех всадников» научного метода.
Разнообразие научных законов
Некоторые законы устанавливают связи между наблюдаемыми феноменами. Например, уравнение состояния идеального газа описывает, как давление, молярный объем и абсолютная температура идеального газа зависят друг от друга. Другие законы имеют дело с явлениями, которые вообще нельзя непосредственно наблюдать. Так, второй закон термодинамики связан с понятием энтропии, которую нельзя наблюдать, так же, как объем или давление. Есть законы, которые предлагают более механистическое объяснение того или иного феномена. К примеру, первый закон Менделя — «При скрещивании двух гомозиготных организмов, относящихся к разным чистым линиям и отличающихся друг от друга по одной паре альтернативных проявлений признака, всё первое поколение гибридов окажется единообразным и будет нести проявление признака одного из родителей». Он наглядно объясняет и унифицирует определенные принципы передачи наследственных признаков.
На примерах о различии теории и закона
Хотя и научные законы, и научные теории опираются на обширную базу эмпирический данных, принятых в научном сообществе, и способствуют ее унификации, это не одно и то же.
[mydoubleline]«Закон — это описание (зачастую математическое) естественных явлений. Например, закон всемирного тяготения Ньютона или закон независимого наследования Менделя. Они описывают явление, но не объясняют, почему так происходит», — говорит Коппингер.[/mydoubleline]
Закон всемирного тяготения был открыт в XVII в. Он математически объясняет, как два тела во Вселенной взаимодействуют друг с другом. Однако ньютоновский закон не объясняет, что такое гравитация или как она работает. Три века спустя с этим справился Альберт Эйнштейн, разработав теорию относительности. Только после этого ученые действительно начали понимать, что же это за гравитация такая и как же она все-таки работает.
Другой пример различия между законом и теорией рассмотрим на третьем законе Грегора Менделя: «При скрещивании двух особей, отличающихся друг от друга по двум (и более) парам альтернативных признаков, гены и соответствующие им признаки наследуются независимо друг от друга и комбинируются во всех возможных сочетаниях». «Мендель не знал ничего о ДНК или хромосомах. Биохимическое объяснение его закона появилось спустя сотню лет вместе с их открытием. Хромосомная теория наследственности используется для объяснения этого закона по сей день (а это уже более 100 лет — прим. ред.)», — говорит Коппингер.
Научные законы
Научный закон — универсальное, необходимое утверждение о связи явлений.
Общая форма научного закона: «Для всякого объекта из данной предметной области верно, что если он обладает свойством А, то он с необходимостью имеет также свойство Б».
Универсальность закона означает, что он распространяется на все объекты своей области, действует во всякое время и в любой точке пространства. Необходимость, присущая научному закону, является не логической, а онтологической. Она определяется не структурой мышления, а устройством самого реального мира, хотя зависит также от иерархии утверждений, входящих в научную теорию. Научными законами являются, например, утверждения: «Если по проводнику течет ток, вокруг проводника образуется магнитное поле», «Химическая реакция кислорода с водородом дает воду», «Если в стране нет развитого, устойчивого гражданского общества, в ней нет устойчивой демократии» и т. п. Первый из этих законов относится к физике, второй — к химии, третий — к социологии.
Неопозитивизм предпринимал попытку найти формальнологические критерии отличия научных законов от случайно истинных общих высказываний (таких, например, как «Все лебеди в этом зоопарке белые»), однако эта попытка закончилась ничем. Номологи-ческое (выражающее научный закон) высказывание с логической точки зрения ничем не отличается от любого другого общего условного высказывания.
Для понятия научного закона, играющего ключевую роль в методологии таких наук, как физика, химия, экономическая наука, социология и др., характерны одновременно неясность и неточность. Неясность проистекает из смутности значения понятия онтологической необходимости; неточность связана в первую очередь с тем, что общие утверждения, входящие в научную теорию, могут изменять свое место в ее структуре в ходе развития теории.
То, что общее научное утверждение может не только стать научным законом, но и прекратить быть им, было бы невозможным, если бы онтологическая необходимость зависела только от исследуемых объектов и не зависела от внутренней структуры описывающей их теории, от меняющейся со временем иерархии ее утверждений.
Если роль ценностной составляющей в научных законах преувеличивается, они становятся лишь средством для упорядочения результатов наблюдения и вопрос об их соответствии действительности (их истинности) оказывается некорректным. Так, Н. Хэнсон сравнивает наиболее общие научные законы с рецептами повара. Рецепты и теории сами по себе не могут быть ни истинными, ни ложными. Но с помощью теории мы можем сказать нечто большее о том, что наблюдаем.
Если абсолютизируется момент описания, научные законы он-тологизируются и предстают как прямое, однозначное и единственно возможное отображение фундаментальных характеристик бытия.
В жизни широкого научного закона можно выделить, таким образом, три типичных этапа:
В конце XIX века В. Виндельбанд и Г. Риккерт выдвинули идею, что наряду с генерализирующими науками, имеющими своей задачей открытие научных законов, существуют индивидуализирующие науки, не формулирующие никаких собственных законов, а представляющие исследуемые объекты в их единственности и неповторимости. Науки, занимающиеся изучением «человека в истории», или науки о культуре, противопоставлялись наукам о природе. Неудачи в поисках законов истории и критика самой идеи таких законов, начатая Виндельбандом и Риккертом и продолженная затем М. Вебером, К. Поппером и др., привели к середине прошлого века к существенному ослаблению позиции тех, кто связывал само понятие науки с понятием научного закона. Вместе с тем стало ясно, что граница между науками, нацеленными на открытие научных законов, и науками, имеющими другую главную цель, не совпадает, вопреки мнению Виндельбанда и Риккерта, с границей между науками о природе (номотетическими науками) и науками о культуре (идиографическими науками).
Наука существует только там, говорит лауреат Нобелевской премии по экономике М. Алле, где присутствуют закономерности, которые можно изучать и предсказывать. Таков пример небесной механики. Но таково положение большей части социальных явлений, а в особенности явлений экономических. Их научный анализ действительно позволяет показать существование столь же поразительных закономерностей, что и те, которые обнаруживаются в физике. Именно поэтому экономическая дисциплина является наукой и подчиняется тем же принципам и тем же методам, что и физические науки.
Такого рода позиция все еще обычна для представителей конкретных научных дисциплин.
Однако мнение, что наука, не устанавливающая собственных научных законов, невозможна, не выдерживает методологической критики.
Экономическая наука действительно формулирует специфические закономерности, но ни политические науки, ни история, ни лингвистика, ни тем более нормативные науки, подобные этике и эстетике, не устанавливают никаких научных законов. Эти науки дают не номологическое, а каузальное объяснение исследуемым явлениям или же выдвигают на первый план вместо операции объяснения операцию понимания, опирающуюся не на описательные, а на оценочные утверждения.
Формулируют научные законы те науки (естественные и социальные), которые используют в качестве своей системы координат сравнительные категории; не устанавливают научных законов науки (гуманитарные и естественные), в основании которых лежит система абсолютных категорий.
Недостаточное внимание к ценностям в структуре научных теорий, в частности к оценочным компонентам научных законов, во многом объясняется недостаточной исследованностью способа упорядочения положений, входящих в теории.
Теорию, рассматриваемую в статике, можно уподобить ступенчатой пирамиде, верх которой составляют номинальные определения, конвенции и аналитические истины; чуть ниже расположена область наиболее общих принципов; еще ниже — область научных законов, устанавливаемых теорией, и тех эмпирических закономерностей, оценочная составляющая которых минимальна и которые обычно сохраняются после падения теории.
Теории, взятые в динамике, безусловно не являются устойчивыми: они не существуют вне зависимости от других теорий и в изоляции от фактов, которые в конечном счете оказываются тверже любых конвенций и определений.
Неопозитивисты различали всего два уровня теории — эмпирический и теоретический — и выделяли в качестве совершенно независимого уровень логики и математики. Понятно, что такаяупрощенная иерархизация не позволяла обнаружить ценностные отношения, существующие между разными уровнями.
И. Лакатос различает «жесткое ядро теории» и ее «периферию». Можно сказать, что ядро теории — это как раз та ее часть, которая несет наибольшую ценностную нагрузку. «Жесткость» ядра означает, прежде всего, что не столько оно сопоставляется с другими положениями теории, сколько они соотносятся с ним на предмет соответствия ему. Используя терминологию Витгенштейна, можно сказать, что «ядро теории» — это та ее часть, которая «наиболее крепко удерживается» нами.
Если не только общие принципы теории, но и все ее законы и даже некоторые факты ценностно нагружены, то ясно, что ценности неизбежны в структуре всех теорий, как гуманитарных, так и естественнонаучных. И поскольку ценности входят в теорию, как правило, не в виде явных оценок, а в форме дескриптивно-прескрип-тивных утверждений, невыполнимо не только требование устранять ценности из науки, но и более слабое требование отделять содержащиеся в теории оценки от чисто описательных утверждений.
10 научных законов и теорий, которые должен знать каждый
Ученые с планеты Земля используют массу инструментов, пытаясь описать то, как работает природа и вселенная в целом. Что они приходят к законам и теориям. В чем разница? Научный закон можно зачастую свести к математическому утверждению, вроде E = mc²; это утверждение базируется на эмпирических данных и его истинность, как правило, ограничивается определенным набором условий. В случае E = mc² — скорость света в вакууме.
Научная теория зачастую стремится синтезировать ряд фактов или наблюдений за конкретными явлениями. И в целом (но не всегда) выходит четкое и проверяемое утверждение относительно того, как функционирует природа. Совсем не обязательно сводить научную теорию к уравнению, но она на самом деле представляет собой нечто фундаментальное о работе природы.
Как законы, так и теории зависят от основных элементов научного метода, например, создании гипотез, проведения экспериментов, нахождения (или не нахождения) эмпирических данных и заключение выводов. В конце концов, ученые должны быть в состоянии повторить результаты, если эксперименту суждено стать основой для общепринятного закона или теории.
В этой статье мы рассмотрим десять научных законов и теорий, которые вы можете освежить в памяти, даже если вы, к примеру, не так часто обращаетесь к сканирующему электронному микроскопу. Начнем со взрыва и закончим неопределенностью.
Теория Большого Взрыва
Если и стоит знать хотя бы одну научную теорию, то пусть она объяснит, как вселенная достигла нынешнего своего состояния (или не достигла, если опровергнут). На основании исследований, проведенных Эдвином Хабблом, Жоржем Леметром и Альбертом Эйнштейном, теория Большого Взрыва постулирует, что Вселенная началась 14 миллиардов лет назад с массивного расширения. В какой-то момент Вселенная была заключена в одной точке и охватывала всю материю нынешней вселенной. Это движение продолжается и по сей день, а сама вселенная постоянно расширяется.
Закон космического расширения Хаббла
Давайте на секунду задержим Эдвина Хаббла. В то время как в 1920-х годах бушевала Великая депрессия, Хаббл выступал с новаторским астрономическим исследованием. Он не только доказал, что были и другие галактики помимо Млечного Пути, но также обнаружил, что эти галактики несутся прочь от нашей собственной, и это движение он назвал разбеганием.
Для того, чтобы количественно оценить скорость этого галактического движения, Хаббл предложил закон космического расширения, он же закон Хаббла. Уравнение выглядит так: скорость = H0 x расстояние. Скорость представляет собой скорость разбегания галактик; H0 — это постоянная Хаббла, или параметр, который показывает скорость расширения вселенной; расстояние — это расстояние одной галактики до той, с которой происходит сравнение.
Постоянная Хаббла рассчитывалась при разных значениях в течение достаточно долгого времени, однако в настоящее время она замерла на точке 70 км/с на мегапарсек. Для нас это не так важно. Важно то, что закон представляет собой удобный способ измерения скорости галактики относительно нашей собственной. И еще важно то, что закон установил, что Вселенная состоит из многих галактик, движение которых прослеживается до Большого Взрыва.
Законы планетарного движения Кеплера
На протяжении веков ученые сражались друг с другом и с религиозными лидерами за орбиты планет, особенно за то, вращаются ли они вокруг Солнца. В 16 веке Коперник выдвинул свою спорную концепцию гелиоцентрической Солнечной системы, в которой планеты вращаются вокруг Солнца, а не Земли. Однако только с Иоганном Кеплером, который опирался на работы Тихо Браге и других астрономов, появилась четкая научная основа для движения планет.
Три закона планетарного движения Кеплера, сложившиеся в начале 17 века, описывают движение планет вокруг Солнца. Первый закон, который иногда называют законом орбит, утверждает, что планеты вращаются вокруг Солнца по эллиптической орбите. Второй закон, закон площадей, говорит, что линия, соединяющая планету с солнцем, образует равные площади через равные промежутки времени. Другими словами, если вы измеряете площадь, созданную нарисованной линией от Земли от Солнца, и отслеживаете движение Земли на протяжении 30 дней, площадь будет одинаковой, вне зависимости от положения Земли касательно начала отсчета.
Третий закон, закон периодов, позволяет установить четкую взаимосвязь между орбитальным периодом планеты и расстоянием до Солнца. Благодаря этому закону, мы знаем, что планета, которая относительно близка к Солнцу, вроде Венеры, имеет гораздо более краткий орбитальный период, чем далекие планеты, вроде Нептуна.
Универсальный закон тяготения
Сегодня это может быть в порядке вещей, но более чем 300 лет назад сэр Исаак Ньютон предложил революционную идею: два любых объекта, независимо от их массы, оказывают гравитационное притяжение друг на друга. Этот закон представлен уравнением, с которым многие школьники сталкиваются в старших классах физико-математического профиля.
F = G × [(m1m2)/r²]
Преимущество универсального закона тяготения в том, что он позволяет вычислить гравитационное притяжение между двумя любыми объектами. Эта способность крайне полезна, когда ученые, например, запускают спутник на орбиту или определяют курс Луны.
Законы Ньютона
Раз уж мы заговорили об одном из величайших ученых, когда-либо живущих на Земле, давайте поговорим о других знаменитых законах Ньютона. Его три закона движения составляют существенную часть современной физики. И как и многие другие законы физики, они элегантны в своей простоте.
Первый из трех законов утверждает, что объект в движении остается в движении, если на него не действует внешняя сила. Для шарика, который катится по полу, внешней силой может быть трение между шаром и полом, или же мальчик, который бьет по шарику в другом направлении.
Второй закон устанавливает связь между массой объекта (m) и его ускорением (a) в виде уравнения F = m x a. F представляет собой силу, измеряемую в ньютонах. Также это вектор, то есть у него есть направленный компонент. Благодаря ускорению, мяч, который катится по полу, обладает особым вектором в направлении его движения, и это учитывается при расчете силы.
Третий закон довольно содержательный и должен быть вам знаком: для каждого действия есть равное противодействие. То есть для каждой силы, приложенной к объекту на поверхности, объект отталкивается с такой же силой.
Законы термодинамики
Британский физик и писатель Ч. П. Сноу однажды сказал, что неученый, который не знал второго закона термодинамики, был как ученый, который никогда не читал Шекспира. Нынче известное заявление Сноу подчеркивало важность термодинамики и необходимость даже людям, далеким от науки, знать его.
Термодинамика — это наука о том, как энергия работает в системе, будь то двигатель или ядро Земли. Ее можно свести к нескольким базовым законам, которые Сноу обозначил следующим образом:
Давайте немного разберемся с этим. Говоря, что вы не можете выиграть, Сноу имел в виду то, что поскольку материя и энергия сохраняются, вы не можете получить одно, не потеряв второе (то есть E=mc²). Также это означает, что для работы двигателя вам нужно поставлять тепло, однако в отсутствии идеально замкнутой системы некоторое количество тепла неизбежно будет уходить в открытый мир, что приведет ко второму закону.
Второй закон — убытки неизбежны — означает, что в связи с возрастающей энтропией, вы не можете вернуться к прежнему энергетическому состоянию. Энергия, сконцентрированная в одном месте, всегда будет стремиться к местам более низкой концентрации.
Наконец, третий закон — вы не можете выйти из игры — относится к абсолютному нулю, самой низкой теоретически возможной температуре — минус 273,15 градуса Цельсия. Когда система достигает абсолютного нуля, движение молекул останавливается, а значит энтропия достигнет самого низкого значения и не будет даже кинетической энергии. Но в реальном мире достичь абсолютного нуля невозможно — только очень близко к нему подойти.
Сила Архимеда
После того как древний грек Архимед открыл свой принцип плавучести, он якобы крикнул «Эврика!» (Нашел!) и побежал голышом по Сиракузам. Так гласит легенда. Открытие было вот настолько важным. Также легенда гласит, что Архимед обнаружил принцип, когда заметил, что вода в ванной поднимается при погружении в него тела.
Согласно принципу плавучести Архимеда, сила, действующая на погруженный или частично погруженный объект, равна массе жидкости, которую смещает объект. Этот принцип имеет важнейшее значение в расчетах плотности, а также проектировании подлодок и других океанических судов.
Эвoлюция и естественный отбор
Теперь, когда мы установили некоторые из основных понятий о том, с чего началась Вселенная и как физические законы влияют на нашу повседневную жизнь, давайте обратим внимание на человеческую форму и выясним, как мы дошли до такого. По мнению большинства ученых, вся жизнь на Земле имеет общего предка. Но для того, чтобы образовалась такая огромная разница между всеми живыми организмами, некоторые из них должны были превратиться в отдельный вид.
В общем смысле, эта дифференциация произошла в процессе эволюции. Популяции организмов и их черты прошли через такие механизмы, как мутации. Те, у кого черты были более выгодными для выживания, вроде коричневых лягушек, которые отлично маскируются в болоте, были естественным образом избраны для выживания. Вот откуда взял начало термин естественный отбор.
Можно умножить две этих теории на много-много времени, и собственно это сделал Дарвин в 19 веке. Эволюция и естественный отбор объясняют огромное разнообразие жизни на Земле.
Общая теория относительности
Общая теория относительности Альберта Эйнштейна была и остается важнейшим открытием, которое навсегда изменила наш взгляд на вселенную. Главным прорывом Эйнштейна было заявление о том, что пространство и время не являются абсолютными, а гравитация — это не просто сила, приложенная к объекту или массе. Скорее гравитация связана с тем, что масса искривляет само пространство и время (пространство-время).
Чтобы осмыслить это, представьте, что вы едете через всю Землю по прямой линии в восточном направлении, скажем, из северного полушария. Через некоторое время, если кто-то захочет точно определить ваше местоположение вы будете гораздо южнее и восточнее своего исходного положения. Это потому что Земля изогнута. Чтобы ехать прямо на восток, вам нужно учитывать форму Земли и ехать под углом немного на север. Сравните круглый шарик и лист бумаги.
Пространство — это в значительной мере то же самое. К примеру, для пассажиров ракеты, летящей вокруг Земли, будет очевидно, что они летят по прямой в пространстве. Но на самом деле, пространство-время вокруг них изгибается под действием силы тяжести Земли, заставляя их одновременно двигаться вперед и оставаться на орбите Земли.
Теория Эйнштейна оказала огромное влияние на будущее астрофизики и космологии. Она объяснила небольшую и неожиданную аномалию орбиты Меркурия, показала, как изгибается свет звезд и заложила теоретические основы для черных дыр.
Принцип неопределенности Гейзенберга
Расширение теории относительности Эйнштейна рассказало нам больше о том, как работает Вселенная, и помогло заложить основу для квантовой физики, что привело к совершенно неожиданному конфузу теоретической науки. В 1927 году осознание того, что все законы вселенной в определенном контексте являются гибкими, привело к ошеломительному открытию немецкого ученого Вернера Гейзенберга.
Постулируя свой принцип неопределенности, Гейзенберг понял, что невозможно одновременно знать с высоким уровнем точности два свойства частицы. Вы можете знать положение электрона с высокой степенью точности, но не его импульс, и наоборот.
Позже Нильс Бор сделал открытие, которое помогло объяснить принцип Гейзенберга. Бор выяснил, что электрон обладает качествами как частицы, так и волны. Концепция стала известна как корпускулярно-волновой дуализм и легла в основу квантовой физики. Поэтому, когда мы измеряем положение электрона, мы определяем его как частицу в определенной точке пространства с неопределенной длиной волны. Когда мы измеряем импульс, мы рассматриваем электрон как волну, а значит можем знать амплитуду ее длины, но не положение.
НАУЧНЫЙ ЗАКОН
Полезное
Смотреть что такое «НАУЧНЫЙ ЗАКОН» в других словарях:
НАУЧНЫЙ ЗАКОН — форма организации научного знания, состоящая в формулировке всеобщих утверждений о свойствах и отношениях исследуемой предметной области. Логической формой научных законов является следующая: Vx(A(x) = В(х)), где V квантор всеобщности («Все»), х… … Философия науки: Словарь основных терминов
НАУЧНЫЙ ЗАКОН — См. закон, научный … Толковый словарь по психологии
НАУЧНЫЙ ЗАКОН — (scientific law) формулировка однородной связи между эмпирическими явлениями, согласно которой наличие где либо и когда либо условий указанного вида А создает определенные условия у В. Закон универсальное условное утверждение в виде Для любого А … Большой толковый социологический словарь
Научный закон — теория, получившая достоверное подтверждение, то есть суждение не изменяемое при вовлечении новых фактов, обладающее высокой степенью предсказуемости (вероятности) … Физическая Антропология. Иллюстрированный толковый словарь.
ЗАКОН — необходимое, существенное, устойчивое, повторяющееся отношение между явлениями. 3. выражает связь между предметами, составными элементами данного предмета, между свойствами вещей, а также между свойствами внутри вещи. Существуют 3.… … Философская энциклопедия
ЗАКОН СТАТИСТИЧЕСКИЙ — Научный закон, когда он выражен в терминах вероятности, что определенные связи будут существовать, является статистическим законом – при условии, конечно, что степень вероятности меньше 1,0. В некотором отношении такие законы являются шагом… … Толковый словарь по психологии
ЗАКОН — – 1. Необходимое, существенное, устойчивое, повторяющееся отношение между явлениями в природе и обществе. Понятие «З.» родственно понятию «сущность». З. выражает общие отношения, связи, присущие всем явлениям данного рода, класса. Познание З.… … Энциклопедический словарь по психологии и педагогике
ЗАКОН — 1. В науке – см. научный закон и статистический закон. 2. В юридическом обиходе – установленное правительством правило поведения … Толковый словарь по психологии
Закон естественный — 1. научный закон в естественных науках; 2. в социальном взаимодействии обычай, традиция, практика, которых придерживаются независимо от формального законодательства. «Вся суть в естественных правах, говорил Мефистофель у Гёте, а их и втаптывают в … Энциклопедический словарь по психологии и педагогике
ЗАКОН, ЕСТЕСТВЕННЫЙ — 1. В естественных науках – см. научный закон. 2. В социальном взаимодействии – любой установленный обычай или практика, которых придерживаются независимо от формального законодательства. В первом смысле это то, что происходит в природе, во втором … Толковый словарь по психологии