Что такое опыт эксперимент в физике

Каждая наука определяется не только предметом изучения, но и специфическими методами, которые она применяет. Основным методом исследования в физике является опыт – наблюдение исследуемых явлений в точно учитываемых условиях, позволяющих следить за ходом явлений, многократно воспроизводить его при повторении этих условий.

Наиболее широко в науке используется индуктивный метод, заключающийся в накоплении фактов и последующем их обобщении для выявления общей закономерности – гипотезы. На следующем этапе познания ставят специальные эксперименты для проверки гипотезы. Если результаты эксперимента не противоречат гипотезе, то последняя получает статус теории.

Однако научное познание нельзя представлять в виде механического процесса накопления фактов и осмысления теорий. Это творческий процесс.

Теории никогда не выводят непосредственно из наблюдений, напротив, их создают для объяснения полученных из опыта фактов в результате осмысления этих фактов разумом человека. Например, к атомистической теории, согласно которой вещество состоит из атомов, ученые пришли вовсе не потому, что кто-либо реально наблюдал атомы (в XVIII веке это не удавалось никому). Представление об этом было создано творческим разумом человека. Аналогичным образом возникли и такие фундаментальные теории, как специальная теория относительности (СТО), электромагнитная теория света и закон всемирного тяготения Ньютона.

Великие научные теории, как творческие достижения, можно сравнить с великими творениями литературы и искусства. Однако, наука всё же существенно отличается от других видов творческой деятельности человека, и основное отличие состоит в том, что наука требует проверки своих понятий или теорий – её предсказания должны подтверждаться экспериментом.

Действительно, тщательно поставленные эксперименты представляют собой важнейшую задачу физики.

История свидетельствует о том, что созданные теории, отслужив свой срок, сдаются в архив, а им на смену приходят новые теории.
В некоторых случаях новая теория принимается учеными потому, что её предсказания согласуются количественно с экспериментом лучше, чем прежняя теория. Во многих случаях новую теорию принимают, когда, по сравнению с прежней теорией, она позволяет объяснить более широкий класс явлений. Например, построенная Коперником теория Вселенной с центром на Солнце не описывала движение небесных тел более точно, чем построенная ранее Птолемеем теория Вселенной с центром на Земле. Однако, теория Коперника содержит некоторые новые важные следствия. В частности, с её помощью становилось возможным определение порядка расположения планет Солнечной системы и расстояний до них; для Венеры были предсказаны фазы, аналогичные лунным.

Весьма важным в любой теории является то, насколько точно она позволяет получить количественные данные. Например, СТО Эйнштейна почти во всех обыденных ситуациях дает предсказания, которые крайне слабо отличаются от предшествующих теорий Галилея и Ньютона, но она приводит к более точным результатам в предельном случае высоких скоростей, близких к скорости света.

Эйнштейн Альберт (1879–1955) – выдающийся физик-теоретик, один из основателей современной физики, создатель специальной и общей теории относительности, коренным образом изменивших представления о пространстве, времени и материи. Исходя из своей теории, открыл в 1905 г. закон взаимосвязи массы и энергии. Под влиянием СТО Эйнштейна существенно изменилось наше представление о пространстве и времени. Более того, мы пришли к пониманию взаимосвязи массы и энергии (на основе знаменитого соотношения ). Таким образом, теория относительности резко изменила наши взгляды на природу физического мира.

Пытаясь понять и объяснить определенный класс явлений, ученые часто прибегают к использованию модели. При этом под моделью понимают некоторый мысленный образ явления, опирающийся на уже известные понятия и позволяющий построить полезную аналогию.

Примером может служить волновая модель света. Световые волны нельзя наблюдать подобно тому, как мы видим волны на воде, однако результаты опытов со светом указывают на его большое сходство с волнами на воде. Другой пример – модель атома, которую много раз строили и усовершенствовали.

Модельное представление всегда строится на основе какого-либо закона. Законом называют некоторые краткие, но достаточно общие утверждения относительно характера явлений природы (таково, например, утверждение о сохранении импульса). Иногда подобные утверждения принимают форму определенных соотношений между величинами, описывающими явления, например закон всемирного тяготения Ньютона, согласно которому:

Таков путь развития знания. Однако известны случаи, когда путь открытия был противоположным описанному. Это так называемый дедуктивный метод, когда на основе общих закономерностей выделяются частные явления. Так, на основе закона всемирного тяготения, Лаверье в 1848 г. открыл планету Нептун, а Тамбо в 1930 г. – Плутон.

Источник

ПОНЯТИЕ ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА. КЛАССИФИКАЦИЯ ВИДОВ ФИЗИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

ФИЗИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ПОНЯТИЕ ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА. КЛАССИФИКАЦИЯ ВИДОВ ФИЗИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Во многих областях научной и практической деятельности современного человека значительное место занимают теоретические методы изучения различных процессов окружающего нас мира. Однако, несмотря на высокую эффективность теоретических методов, при рассмотрении конкретных технологических проблем, особенно в условиях действующего производства, инженеру зачастую приходится сталкиваться с задачами, решение которых практически невозможно без организации и проведения того или иного экспериментального исследования. Так, в триботехнике при решении задач, связанных с конструированием узлов трения, инженер сталкивается со сложной задачей расчета фрикционно – износных показателей пары трения, расчет которых затруднителен и в ряде случаях невозможен без выявления предварительных экспериментальных характеристик трущихся материалов в различных режимных условиях их эксплуатации. Учитывая, длительность проведения такого рода экспериментальных исследований, очень ценным является умение грамотно разрабатывать план эксперимента и последующая обработка полученных данных, с целью выявления математических зависимостей.

Для физического исследования характерно сочетание экспериментального и аналитического методов изучения явлений и процессов.

Хотя объекты исследования очень разнообразны, методы экспериментальных исследований имеют много общего:

— каким бы простым не был эксперимент, вначале выбирают план его проведения;

— стремятся сократить число рассматриваемых переменных, для того чтобы уменьшить объем эксперимента;

— стараются контролировать ход эксперимента;

— пытаются исключить влияние случайных внешних воздействий;

— оценивают точность измерительных приборов и точность полученных данных;

— и наконец, в процессе любого эксперимента анализируют полученные результаты и стремятся дать их интерпретацию, поскольку без этого решающего этапа весь процесс экспериментального исследования не имеет смысла.

К сожалению, зачастую работа экспериментатора настолько хаотична и неорганизованна, а ее эффективность так мала, что полученные результаты не в состоянии оправдать даже тех средств, которые были израсходованы на проведение опытов. Поэтому вопросы организации эксперимента, снижения затрат на его проведение и обработку полученных результатов являются весьма актуальными.

Современные методы планирования эксперимента и обработки его результатов, разработанные на основе теории вероятностей и математической статистики, позволяют существенно (зачастую в несколько раз) сократить число необходимых для проведения опытов. Знание и использование этих методов делает работу экспериментатора более целенаправленной и организованной, существенно повышает как производительность его труда, так и надежность получаемых им результатов.

Любой эксперимент предполагает проведение тех или иных опытов.

Опыт– воспроизведение исследуемого явления в определенных условиях проведения эксперимента при возможности регистрации его результатов.

Рассмотрим следующую классификацию видов физического эксперимента [2, 4]:

1. По цели и по форме физического эксперимента:

—качественный – проводится с целью установления наличия или отсутствия у объекта определенных свойств или характеристик. Любой эксперимент, каким бы сложным он ни был, всегда заканчивается представлением его результатов, формулировкой выводов, выдачей рекомендаций. Эта информация может быть выражена в виде графиков, таблиц, чертежей, формул, статистических данных или словесных описаний. Качественный эксперимент подразумевает именно словесное описание его результатов.

—количественный – не только фиксирует факт существования того или иного явления, но, кроме того, позволяет установить соотношение между количественными характеристиками явления и количественными соотношениями способов внешнего воздействия на объект исследования.

2. По типу воздействующих факторов количественный эксперимент можно разделить на:

— пассивный – эксперимент, при котором уровни факторов в каждом опыте регистрируются исследователем, но не задаются.

Если экспериментатор имеет возможность не только контролировать факторы, но и управлять ими, то такой эксперимент носит название активного.

— активный – эксперимент, в котором уровни факторов в каждом опыте задаются исследователем.

3. По условиям проведения эксперимента (по стадиям):

В лаборатории меньше влияние случайных погрешностей, обеспечивается большая “стерильность” условий проведения опытов. В лабораторных условиях, как правило, экспериментатор может провести опыт “одинаково” значительно лучше, чем в промышленности. Т.е. для установления некоторого факта на заводе потребуется выполнить значительно больше опытов, чем в лаборатории. Другое важное отличие – большая возможность варьировать уровни факторов. Учитывая, большое количество помех (неконтролируемых факторов) в условиях промышленных испытаний необходимо использовать специальные статистические методы обработки данных.

4. по типу объекта исследования:

Любой эксперимент может быть разбит на четыре основных этапа:

1) постановка задачи эксперимента (его цель);

2) планирование эксперимента;

3) подготовка и проведение эксперимента;

4) обработка и анализ результатов эксперимента, выводы и рекомендации.

Источник

Что такое опыт эксперимент в физике

Роль эксперимента в современной физике

Вопрос о роли эксперимента в физике, казалось бы, очень простой, и ни у кого не вызывает сомнений, что эксперимент является фундаментом, на котором построены все наши представления о структуре окружающего нас мира. Однако, вопрос этот не так прост, если рассматривать его с точки зрения вечного спора между теоретиками и экспериментаторами по поводу того, что важнее: теория или эксперимент.

Прежде всего уточним, что имеется в виду, когда речь идет о теории и эксперименте. Согласно Советскому энциклопедическому словарю (М.: Сов. энциклопедия, 1980), эксперимент – это чувственно-предметная деятельность в науке (с. 1551), а теория – это система основных идей в той или иной отрасли знания (с. 1330), причем практика, т.е. эксперимент, является критерием истинности и основой развития теории.

Поскольку я работаю в области ядерной физики и физики элементарных частиц уже более 50 лет, мне легко проследить, как теоретики и экспериментаторы, тесно взаимодействуя друг с другом, открыли целый мир элементарных частиц, о существовании которого каких-то 100 лет назад ученые даже не догадывались. Около 100 лет назад, в самом конце XIX в., были открыты электрон и радиоактивность атомов. До этого считалось, что атомы неделимы. Однако то, как устроены атомы, оставалось непонятым. Только после опытов по рассеянию альфа-частиц на атомах золота, проведенных Резерфордом в 1912 г., стало очевидно, что в центре атома находится массивное положительно заряженное ядро размером, в десятки тысяч раз меньшим, чем размер атома. Попытка объяснить строение атомов была предпринята Н.Бором, сформулировавшим постулаты, согласно которым электроны в атомах могут двигаться во­круг ядра только по фиксированным орбитам. Но модель Бора оставляла без объяснения вопрос, почему электроны не падают на ядро из-за электромагнитного излучения.

Только после создания квантовой волновой механики удалось сформулировать теорию, последовательно и с высокой точностью описывающую строение атомов. Квантовая механика с ее непривычными с точки зрения классической физики представлениями о волновой природе движения частиц, в том числе точечных, была в конце концов признана правильной, так как ее и только ее предсказания соответствовали результатам бесчисленных экспериментов. Для описания движения частиц квантовая механика использует комплексные волновые функции, без которых не удается описать, например, прохождение точечного объекта, падающего на непрозрачный экран с двумя щелями так, как будто он проходит через обе щели одновременно. Человек, привыкший воспринимать природу через чувственно-предметную деятельность, долго привыкал к новым представлениям о сущности процессов в микро­мире. Несмотря на то что квантовая механика продемонстрировала свою способность рассчитывать процессы, происходящие в микромире, ощущение недопонимания внутренних основ этой загадочной теории остается. Главный параметр теории – постоянная Планка – до сих пор известен только из эксперимента.

Поскольку сразу после войны в космических лучах были обнаружены предсказанные японским теоретиком Юкавой кванты поля ядерных сил – пионы, от новых экспериментов не ждали новых крупных открытий. Многим казалось, что главные частицы, из которых состоит окружающая нас материя, уже открыты, а другие не нужны. Так, никому не был нужен открытый в космических лучах мюон, который первоначально приняли за предсказанный Юкавой квант поля ядерных сил. Оказалось, что он, как и электрон, не обладает ядерными взаимодействиями, но в 200 раз его тяжелее и распадается за две микросекунды на электрон и два нейтрино. Но после того как в космических лучах обнаружили так называемые странные частицы, странность которых заключалась в том, что они охотно рождались при взаимодействии первичных космических частиц и неохотно распадались на сильно взаимодействующие более легкие частицы, стали искать их и на ускорителях. Последовало открытие за открытием, и в течение примерно 20 лет было от­крыто несколько сотен элементарных частиц. Некоторые были довольно долгоживущие, некоторые – короткоживущие.

Если вспомнить пору, когда Эйнштейн сделал свои великие открытия, то он говорил тогда, что ему достаточно знать массу электрона, чтобы построить всю систему мироздания. В те далекие времена многим казалось, что мир устроен очень просто. Как показало развитие физики, мир устроен очень непросто. Физика элементарных частиц дала много примеров того, как наивные утверждения о простоте или о “красивости” заводили ученых в тупик. Дело еще и в том, что научных гипотез, объясняющих экспериментальные данные, обычно несколько и лишь одна из них, единственно верная, со временем становится научной теорией. Только эксперимент позволяет найти правильный путь в познании законов природы. Можно привести много примеров теоретических построений, которые пошли “в корзину”, поскольку они противоречили при проверке данным эксперимента. Каждая новая теория, в сущности, является гипотезой, теорией она становится после того, как ее предсказания подтверждаются в экспериментах. При этом есть теории, роль которых сводится в основном к систематизации накопленных экспериментальных данных, и они, разумеется, могут быть очень полезны. А есть и такие, которые, опираясь на экспериментальные данные, предсказывают явления, невероятные с точки зрения сложившихся ранее представлений.

Примерами такой теории являются специальная теория относительности Эйнштейна, квантовая механика и квантовая электродинамика. Если созданию квантовой механики предшествовал долгий период мучительных поисков теории, объясняющей большое количество экспериментальных фактов, относящихся к строению атомов и атомным переходам, то квантовая электродинамика возникла для объяснения результатов измерения лэмбовского сдвига в атоме водорода уже в конце 40‑х годов. Дело в том, что к этому времени была освоена и хорошо проверена на опыте не только обычная квантовая механика, но и уравнение Дирака, описывающее на очень высоком уровне точности поведение частиц с полуцелым спином, таких как электрон. Оказалось, что в кулоновском поле заряженных частиц происходят удивительные процессы рождения виртуальных частиц – фотонов и электрон-позитронных пар, в результате чего точечные частицы окружаются, особенно на самых малых расстояниях, облаком виртуальных частиц.

Эксперименты по измерению лэмбовского сдвига продолжались не один десяток лет и со все возрастающей точностью подтверждали правильность новой теории – квантовой электродинамики, которая сегодня считается самой совершенной теорией, описывающей электромагнитные взаимодействия элементарных частиц. В настоящее время с помощью квантовой электродинамики рассчитана с точностью в одну миллиардную величина аномального магнитного момента электрона. С такой точностью удается оценить распределение зарядов и токов в облаке виртуальных частиц вокруг точечного электрона, из-за наличия которых и возникает аномальный магнитный момент. Оказалось, что результаты одного из самых точных теоретических расчетов совпадают с экспериментом, являющимся одним из самых точных в физике элементарных частиц. Такого рода теории по своей созидательной силе не уступают эксперименту. Первоначально трудно поверить, что природа устроена именно так.

С помощью теории кварков удалось провести всю классификацию элементарных частиц. Правда, для спасения принципа Паули, запрещающего частицам с полуцелым спином находиться в одном квантовом состоянии, пришлось ввести понятие “цвет”, так что каждый кварк может находиться в трех цветовых состояниях. Только при этом дополнении удалось классифицировать все наблюдаемые на опыте элементарные частицы. Наличие трех цветовых состояний у кварков было позднее подтверждено в экспериментах на встречных электрон-позитронных пучках, когда оказалось, что количество рождающихся при аннигиляции частиц, расчитанное по формулам квантовой электродинамики, требует утроения числа каналов аннигиляции.

Силы взаимодействия между кварками оказались непохожими на другие известные силы. Гравитационные и электрические силы квадратично спадают с расстоянием, короткодействующие ядерные – экспоненциально, а силы, действующие между кварками, не уменьшаются при увеличении расстояния между двумя кварками. Поэтому, когда, например, на установках со встречными пучками происходит аннигиляция электронов и позитронов и в результате образуются кварк и антикварк, их разлет тормозится за счет силы притяжения, не спадающей с увеличением расстояния. Такое поведение силы соответствует появлению натянутой струны. Чем большей кинетической энергией обладают родившиеся при аннигиляции кварки, тем дальше они могли бы разлететься. Но когда запасенная в струне энергия оказывается достаточной для образования пар кварков и антикварков нужных цветов, вся конструкция немедленно превращается в бесцветные мезоны, и именно они наблюдаются в экспериментах. Когда энергия частиц в коллайдере очень велика, родившиеся мезоны вылетают в виде двух струй, летящих в направлении движения двух первоначально родившихся кварков. Распределения частиц по углам вылета и по энергиям согласуется с ожидаемым.

Такая теория, описывающая поведение сильновзаимодействующих частиц – адронов и названная квантовой хромодинамикой, безукоризненно описывает огромный объем экспериментальных данных, накопленных при изучении свойств сотен элементарных частиц, их взаимодействий и взаимных превращений. Но главный аргумент, свидетельствующий в пользу ее правильности, состоит в том, что все ее предсказания экспериментально подтверждаются.

Параллельно со становлением кварковой картины происходило накопление данных в секторе ядерно не взаимодействующих частиц – лептонов. Помимо электрона и мюона со своими электронным и мюонным нейтрино был открыт тау-лептон, в 3,5 тыс. раз более тяжелый, чем электрон, распадающийся по большому количеству каналов на более легкие элементарные частицы, но обязательно с участием своего тау-нейтрино. Таким образом, число лептонов оказалось равным числу кварков, что послужило основанием для гипотезы о симметрии в секторе лептонов и кварков.

Теория Вайнберга – Салама вместе с квантовой хромодинамикой позволяют объяснить все наблюдаемые в настоящее время явления в мире элементарных частиц. Ожидается, что в ближайшие годы будут найдены бесспиновые хиггсовские бозоны, которые требуются для обоснования модели Вайнберга – Салама. Проектируются и строятся ускорители, по энергии на порядок большие, чем действующие. На них ожидается открытие новых тяжелых частиц, предсказываемых современными теориями Великого объединения.

Какие теории окажутся верными, может сказать только опыт. Так всегда было и так будет. Сколько времени может занять создание единой теории материи, сказать трудно, легче предсказать, сколько времени потребуется на строительство конкретных, гигантских по старым меркам, установок, которое уже запланировано на 10–20‑летний срок. За это время будет исследован диапазон энергий в системе центра масс вплоть до 14 ТэВ на протон-протонных и электрон-позитронных коллайдерах. Завершится строительство гигантских детекторов гравитационных волн, что даст возможность изучать крупномасштабные процессы во Вселенной на протяжении всей истории ее существования. Возможно, удастся найти и изучить с помощью развиваемых в настоящее время методик темную материю во Вселенной.

Вообще, работы по астрофизике будут иметь приоритетное значение наряду с работами по физике элементарных частиц. Дело в том, что эти две науки оказываются все более связанными друг с другом в русле изучения проблем Большого взрыва, от которого нам в наследство остались вещество во Вселенной и реликтовое микроволновое излучение. Переход в исследованиях в области физики элементарных частиц на более высокий уровень энергий позволит продвинуться в анализе явлений, происходивших на ранних стадиях развития Вселенной, когда температура вещества соответствовала температурам, возникающим при столкновениях тяжелых ядер, ускоренных до гигантских энергий. Такие эксперименты планируются на строящемся в ЦЕРНе коллайдере LHC. Дальнейшее развитие будут иметь работы по астрофизике на все больших по размерам составных телескопах на Земле и в космосе. Изучение потоков нейтрино из космоса с помощью расположенных под толщей земной поверхности нейтринных детекторов позволит разобраться, что же происходит внутри Солнца, при взрывах сверхновых звезд, какие процессы происходят в ядрах галактик.

Очевидно, что созданная и развитая за прошедшее столетие теория строения материи является далеко не законченной и человечеству предстоит пройти долгий путь до ее полного завершения. Каковы материальные, финансовые и прежде всего интеллектуальные ресурсы, которые человечество может выделить для решения все более сложных вопросов, возникающих по мере продвижения в указанном направлении научных исследований? Может быть, рациональнее использовать эти ресурсы для развития других направлений? Ответ на последний вопрос, очевидно, зависит от того, какие ожидается получить научные результаты и какую практическую пользу для человечества могут принести эти исследования.

Оглянемся на столетие назад. Можно ли было предвидеть, что изучение ядерной физики даст заметные плоды? Очень часто ученые делали пессимистические прогнозы. А между тем была создана наука о строении материи на очень глубоком уровне понимания, открыты источники получения ядерной энергии для нужд человечества, разработаны методики, применяемые на других научных направлениях. Так, ядерные реакторы дают пучки нейтронов, широко использующиеся в научных исследованиях и в медицине. Ускорители заряженных частиц дают пучки синхротронного излучения с уникальными возможностями для изучения свойств самых разнообразных веществ, биологических объектов, для нанотехнологий и т.д. Но может быть, главная заслуга ученых, работающих в физике элементарных частиц, состоит в том, что они создали установки, требующие использования вычислительной техники на самом высоком технологическом уровне. Применение мощной вычислительной техники, почти идеальные условия для проверки ее работоспособности на гигантских ускорительных комплексах способствовало развитию электроники все возрастающими темпами. В настоящее время не видно причин для замедления темпов ее развития. Если за последние 50 лет быстродействие ЭВМ возросло примерно в 1 млрд раз, то по крайней мере технологических причин для снижения темпов дальнейшего столь же значительного продвижения в области быстродействия нет.

Человечество должно быть благодарно природе за предоставленную возможность развивать свои способности и технологии, вкладывая средства в научные исследования, а не в гонку вооружений. В развитых странах Европы, в США, Японии строятся гигантские ускорители, на которые тратятся миллиарды долларов. К сожалению, российская наука сидит без денег, и мы в соревновании за лучшие успехи в научных исследованиях практически не участвуем. Не участвуем в том смысле, что у нас не строятся никакие установки. Между тем лет 10 и даже 50 лет тому назад в нашей стране строились лучшие в мире ускорители, а сейчас на этом, и не только на этом, направлении наблюдается полный крах. Наши ученые, конечно, продолжают работать, но за границей или на старых установках. Перестав участвовать в соревновании на самом престижном научном направлении, мы затормозили и работу западных исследователей. Один из ведущих американ­ских ученых, лауреат Нобелевской премии, назвал нашу страну виновницей прекращения строительства крупнейшего в мире коллайдера SSC со встречными протон-протонными пучками энергией 2 ґ 10 ТэВ и длиной почти 90 км. Конгресс США приостановил финансирование строительства, на которое было уже истрачено около 2 млрд долл., так как после развала Советского Союза соревнование с нашим ускорительным комплексом УНК в Серпухове для американцев потеряло смысл.

Приходится с сожалением констатировать, что в области эксперимента, который, как мы видели, определяет будущее науки, основная часть работы российских ученых будет проходить на Западе или в будущем на Востоке. Это очень печальный факт, но такова современная действительность.

Институт ядерной физики

СО РАН, Новосибирск

Barkov, L.M. The role of experiment in modern physics

The theory of matter structure which has been created during the last century is far from being completed. To complete it perfectly, the mankind has to travel a long road where experiment will play the most important part. However, political, ideological, financial and intellectual factors exert more and more destructive influence on organization and carrying out of experimental research in fundamental physics.

Источник

• ← Что такое офлайн консультации
• Что такое огородничество по закону →