Теория и эксперимент в физике - файл n2.doc

Теория и эксперимент в физике
скачать (1839.8 kb.)
Доступные файлы (3):
n1.pdf1901kb.01.11.2010 22:23скачать
n2.doc78kb.26.10.2010 22:15скачать
n3.ppt122kb.01.11.2010 21:40скачать

n2.doc

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.

   #   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.

Тщательно поставленные эксперименты представляют собой важнейшую задачу физики. #
Экспериме́нт (от лат. experimentum — проба, опыт) в научном методе — метод исследования некоторого явления в управляемых условиях. Отличается от наблюдения активным взаимодействием с изучаемым объектом. Обычно эксперимент проводится в рамках научного исследования и служит для проверки гипотезы, установления причинных связей между феноменами.


Существует несколько моделей эксперимента.

1.Безупречный эксперимент — невоплотимая на практике модель эксперимента, используемая психологами-экспериментаторами в качестве эталона.

2.Случайный эксперимент (случайное испытание, случайный опыт) — математическая модель соответствующего реального эксперимента, результат которого невозможно точно предсказать. (Математи́ческая моде́ль — это математическое представление реальности.)

виды экспериментов:

Физический эксперимент — способ познания природы, заключающийся в изучении природных явлений в специально созданных условиях. В отличие от теоретической физики, которая исследует математические модели природы, физический эксперимент призван исследовать саму природу.


#Именно несогласие с результатом физического эксперимента является критерием ошибочности физической теории, или более точно, неприменимости теории к окружающему нас миру. Обратное утверждение не верно: согласие с экспериментом не может быть доказательством правильности (применимости) теории.То есть главным критерием жизнеспособности физической теории является проверка экспериментом.#


В идеале, экспериментальная физика должна давать только описание результатов эксперимента, без какой-либо их интерпретации. Однако на практике это недостижимо.

#Интерпретация результатов более-менее сложного физического эксперимента неизбежно опирается на то, что у нас есть понимание, как ведут себя все элементы экспериментальной установки. Такое понимание, в свою очередь, не может не опираться на какие-либо теории.#

Компьютерный (численный) эксперимент — это эксперимент над математической моделью объекта исследования на ЭВМ, который состоит в том что, по одним параметрам модели вычисляются другие ее параметры и на этой основе делаются выводы о свойствах объекта, описываемого математической моделью.

#Данный вид эксперимента можно лишь условно отнести к эксперименту, потому как он не отражает природные явления, а лишь является численной реализацией созданной человеком математической модели. Действительно, при некорректности в мат. модели — ее численное решение может быть строго расходящимся с физическим экспериментом.#

Психологический эксперимент — проводимый в специальных условиях опыт для получения новых научных знаний посредством целенаправленного вмешательства исследователя в жизнедеятельность испытуемого.

Мы́сленный экспериме́нт в философии, физике и некоторых других областях знания — вид познавательной деятельности, в которой структура реального эксперимента воспроизводится в воображении.

# Как правило, мысленный эксперимент проводится в рамках некоторой модели (теории) для проверки её непротиворечивости. При проведении мысленного эксперимента могут обнаружиться противоречия внутренних постулатов модели либо их несовместимость с внешними (по отношению к данной модели) принципами, которые считаются безусловно истинными (например, с законом сохранения энергии, принципом причинности и т. д.).#

Критический эксперимент — эксперимент, исход которого однозначно определяет, является ли конкретная теория или гипотеза верной. Этот эксперимент должен дать предсказанный результат, который не может быть выведен из других, общепринятых гипотез и теорий.

Социальный эксперимент способствует внедрению в жизнь новых форм социальной организации и оптимизации управления.


типы экспериментов

1.Качественный, имеющий целью установить наличие или отсутствие предполагаемого теорией явления.

2.Измерительный, выявляющий количественную определённость какого-либо свойства объекта

3.Модельный, который ставится на материальных моделях, воспроизводящих существ, черты исследуемой природной ситуации или технического устройства.
#Для обработки результатов Э. применяются методы математической статистики, специальная отрасль которой исследует принципы анализа и планирования эксперимента.#

Теория (греч. ????ί? — рассмотрение, исследование) — совокупность умозаключений, отражающая объективно существующие отношения и связи между явлениями объективной реальности. Таким образом, теория — это интеллектуальное отражение реальности. В теории каждое умозаключение выводится из других умозаключений на основе некоторых правил логического вывода. Способность прогнозировать — следствие теоретических построений. Теории формулируются, разрабатываются и проверяются в соответствии с научным методом.

Теория — учение, система идей или принципов. Является совокупностью обобщенных положений, образующих науку или ее раздел. Теория выступает как форма синтетического знания, в границах которой отдельные понятия, гипотезы и законы теряют прежнюю автономность и становятся элементами целостной системы.
Функции теории

  1. теория обеспечивает использующего её концептуальными структурами;# Концептуальная структура, или модель предметной области, служит для описания ее объектов и отношений между ними, т.е. можно сказать, что концептуальная модель Sk представляет собой следующее: Sk = ,где А - множество объектов предметной области;R - множество отношений, связывающих объекты.

  2. в теории происходит разработка терминологии;

  3. теория позволяет понимать, объяснять, или прогнозировать различные проявления объекта теории.

#Обычно считают, что стандартным методом проверки теорий является прямая экспериментальная проверка («эксперимент — критерий истины»). Однако часто теорию нельзя проверить прямым экспериментом (например, теорию о возникновении жизни на Земле), либо такая проверка слишком сложна или затратна (макроэкономические и социальные теории), и поэтому теории часто проверяются не прямым экспериментом, а по наличию предсказательной силы — то есть если из неё следуют неизвестные/незамеченные ранее события, и при пристальном наблюдении эти события обнаруживаются, то предсказательная сила присутствует.

На самом деле взаимоотношение «теория — эксперимент» более сложное. Поскольку теория уже отражает объективные явления, ранее проверенные экспериментом, то нельзя делать подобные выводы. В то же время поскольку теория строится на основе законов логики, то возможны заключения о явлениях, не установленных ранними экспериментами, которые и проверяются практикой. Однако, эти выводы необходимо уже называть гипотезой, объективность которой, то есть перевод этой гипотезы в ранг теории, и доказывается экспериментом. В этом случае эксперимент не проверяет теорию, а уточняет или расширяет положения этой теории.

Обобщая, прикладная цель науки — предсказывать будущее как в наблюдательном (аналитическом) смысле — описывать ход событий, на который мы не можем повлиять, так и в синтетическом — создание посредством технологии желаемого будущего. Образно говоря, существо теории в том, чтобы связывать воедино «косвенные улики», вынести вердикт прошлым событиям и указать, что будет происходить в будущем при соблюдении определённых условий.#

следующие основные элементы структуры теории:

1) Исходные основания - фундаментальные понятия, принципы, законы, уравнения, аксиомы и т.п.

2) Идеализированный объект - абстрактная модель существенных свойств и связей изучаемых предметов (например, "абсолютно черное тело", "идеальный газ" и т.п.).

3) Логика теории - совокупность определенных правил и способов доказательства, нацеленных на прояснение структуры и изменения знания.

4) Философские установки, социокультурные и ценностные факторы.

5) Совокупность законов и утверждений, выведенных в качестве следствий из основоположений данной теории в соответствии с конкретными принципами.

# Например, в физических теориях можно выделить две основные части: формальные исчисления (математические уравнения, логические символы, правила и др.) и содержательную интерпретацию (категории, законы, принципы). Единство содержательного и формального аспектов теории - один из источников ее совершенствования и развития.#

Карл Поппер внёс большой вклад в разработку принципов научного познания. В частности, именно он ввёл понятие фальсифицируемости (лат. falsus — ложный) — необходимого условия признания теории или гипотезы научной (критерий Поппера).
Теория удовлетворяет критерию Поппера (является фальсифицируемой и, соответственно, научной) в том случае, если существует методологическая возможность её опровержения путём постановки того или иного эксперимента, даже если такой эксперимент ещё не был поставлен

#Согласно этому критерию, высказывания или системы высказываний содержат информацию об эмпирическом мире только в том случае, если они обладают способностью прийти в столкновение с опытом, или более точно — если их можно систематически проверять, то есть подвергнуть (в соответствии с некоторым «методологическим решением») проверкам, результатом которых может быть их опровержение". #

#Иначе говоря, согласно критерию Поппера, — научная теория не может быть принципиально неопровержимой. Тем самым, согласно этой доктрине, решается проблема демаркации — отделения научного знания от ненаучного.#

Эта философская доктрина, согласно которой фальсифицируемость (опровергаемость) теории является необходимым условием ее научности, носит название фальсификационизм.


Любая теоретическая система, как показал К. Поппер, должна удовлетворять двум основным требованиям:

а) непротиворечивости (т.е. не нарушать соответствующий закон формальной логики) и фальсифицируемости - опровержимости,

б) опытной экспериментальной проверяемости.

#Поппер сравнивал теорию с сетями, предназначенными улавливать то, что мы называем реальным миром для осознания, объяснения и овладения им.#

Истинная теория должна, во-первых, соответствовать всем (а не некоторым) реальным фактам, а во-вторых, следствия теории должны удовлетворять требованиям практики. Теория, по Попперу, есть инструмент, проверка которого осуществляется в ходе его применения и о пригодности которого судят по результатам такого применения.
##Историческая преемственность теорий такова, что некогда истинные теории не превращаются в ложные, а становятся неприменимыми при новых идеализациях.#


# Методология науки считает, что теория является истинной (или ложной) не безотносительно, а относительно принимаемых ею идеализаций.#

#
История свидетельствует о том, что происходит смена теорий#

#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. #
Основные функции теории как элемента научного познания:

1. Синтетическая функция - объединение отдельных достоверных знаний в единую, целостную систему.

2. Объяснительная функция - выявление причинных и иных зависимостей, многообразия связей данного явления, его существенных характеристик, законов его происхождения и развития, и т.п.

3. Методологическая функция - на базе теории формулируются многообразные методы, способы и приемы исследовательской деятельности.

4.Предсказательная функция. На основании теоретических представлений о "наличном" состоянии известных явлений делаются выводы о существовании неизвестных ранее фактов, объектов или их свойств, связей между явлениями и т.д. Предсказание о будущем состоянии явлений (в отличие от тех, которые существуют, но пока не выявлены) называют научным предвидением.

5. Практическая функция. Конечное предназначение любой теории - быть воплощенной в практику, быть "руководством к действию" по изменению реальной действительности.
Теории опытных (эмпирических) наук - физики, химии, биологии - по глубине проникновения в сущность изучаемых явлений можно разделить на два больших класса: феноменологические и нефеноменологические.

Феноменологические (их называют также описательными, эмпирическими) описывают наблюдаемые в опыте свойства и величины предметов и процессов, но не вникают глубоко в их внутренние механизмы (например, геометрическая оптика, термодинамика, многие педагогические, психологические и социологические теории и др.).

#Такие теории не анализируют природу исследуемых явлений и поэтому не используют сколь-нибудь сложные абстрактные объекты, хотя, разумеется, в известной мере схематизируют и строят некоторые идеализации изучаемой области явлений.#
#Феноменологические теории решают, прежде всего, задачу упорядочивания и первичного обобщения относящихся к ним фактов. Они формулируются в обычных естественных языках с привлечением специальной терминологии соответствующей области знания и имеют по преимуществу качественный характер. С феноменологическими теориями исследователи сталкиваются, как правило, на первых ступенях развития какой-нибудь науки, когда происходит накопление, систематизация и обобщение фактологического эмпирического материала. Такие теории - вполне закономерное явление в процессе научного познания.#

С развитием научного познания теории феноменологического типа уступают место нефеноменологическим (их называют также объясняющими). Они не только отображают связи между явлениями и их свойствами, но и раскрывают глубинный внутренний механизм изучаемых явлений и процессов, их необходимые взаимосвязи, существенные отношения, т.е. их законы (такова, например, физическая оптика и ряд других теорий). #Наряду с наблюдаемыми эмпирическими фактами, понятиями и величинами здесь вводятся весьма сложные и ненаблюдаемые, в том числе весьма абстрактные понятия. Несомненно, что феноменологические теории благодаря своей простоте легче поддаются логическому анализу, формализации и математической обработке, чем нефеноменологические. Возможно, поэтому в физике одними из первых были аксиоматизированы такие ее разделы, как классическая механика, геометрическая оптика и термодинамика.#

А. Эйнштейн различал в физике два основных типа теорий - конструктивные (феноменологические) и фундаментальные. Большинство физических теорий, по его мнению, является конструктивными, т.е. их задачей является построение картины сложных явлений на основе некоторых относительно простых предположений

Основой фундаментальных теорий являются не гипотетические положения, а эмпирически найденные общие свойства явлений, принципы, из которых следуют математически сформулированные критерии, имеющие всеобщую применимость (такова теория относительности).

Современные исследователи выделяют еще полуфеноменологические теории – так, например, существующие теории элементарных частиц носят полуфеноменологический характер. В основе такой теории обязательно лежит фундаментальная теория, усложненная добавочными предположениями феноменологического характера.


#Яркий пример полуфеноменологических теорий – теория электрослабых взаимодействий Вайнберга - Салама – Глэшоу. в этой теории постулируется, что электромагнитное и слабое взаимодействия — это различные проявления одной силы. #
Главными ветвями физики являются:

•Экспериментальная физика

•Теоретическая физика


#Хотя может показаться, что они разделены, поскольку большинство физиков являются или чистыми теоретиками, или чистыми экспериментаторами, это на самом деле не так. #

Теоретическая и экспериментальная физика развивается в постоянном контакте.
Теоретики — описывают существующие экспериментальные данные и делают теоретические предсказания будущих результатов.Экспериментаторы — проводят эксперименты, проверяя существующие теории и получая новые результаты.


#Многие достижения в физике были вызваны экспериментальным наблюдением явлений, не описываемых существующими теориями (например, экспериментально обнаруженная абсолютность скорости света породила специальную теорию относительности), так же как и некоторым теориям удалось предсказать результаты, проверенные позже (например, открытие позитрона) #

лекция ЭКСПЕРИМЕНТ И ТЕОРИЯ В ФИЗИКЕ *) Эта статья представляет собой несколько расширенный доклад, прочитанный на собрании Деремского философского общества и Общества чистой науки Королевского Колледжа в Ньюкасл-апон-Тайне 21 мая 1943 года. Перевод с английскогоС. Г. Суворова.
Макс Бори физик-теоретик

В Германии школа крайних экспериментаторов, руководимая Ленардом и Штарком, зашла настолько далеко, что вообще отрицает теорию как ォеврейское изобретениеサ и объявляет эксперимент

как единственный подлинно ォарийскийサ метод науки. Имеется также движение в противоположном направлении, которое — хотя и не с расовых позиций — является не менее радикальным, объявляя, что для разума, хорошо натренированного в математике и теории познания, законы природы очевидны без обращения к эксперименту. Этой философии следуют двавыдающихся астронома — Эддингтон и Милн.

В докладе он хотел обратить внимание на В докладеВВ

Философию Эддингтона, которая провозглашает триумф теории над экспериментом.

Напротив, я считаю, что эти идеи представляют собой значительную опасность для здорового развития науки.

Все, что я хочу, это показать вам простейшим образом взаимное отношение между теорией и экспериментом в действительном развитии науки и представить взвешенное мнение о современной ситуации и будущих возможностях.
Рассматривая детально историю науки, мы замечаем своего рода цикл,периоды развертывания экспериментальных исследований, чередующиеся с периодами теоретического развития. Теории имеют тенденцию стать все более абстрактными и общими. Они достигают высшей точки в принципах, которым философы сперва противятся, а позднее их осваивают. Коль скоро принципы становятся частью философской системы, начинается процесс окаменения. Эти черты замечаются уже в наиболёе старых количественных науках — математике и астрономии. Нет сомнения в том, что первые геометрические знания, открытые сумерийцами, вавилонянами и египтянами, были чисто эмпирическими. Греки открыли логическую взаимосвязь геометрических фактов и основали первую дедуктивную науку, как она сформулирована в сочинении Евклида.Современный математик, конечно, может смотреть на геометрию как на продукт чистого мышления, принимая аксиомы и постулаты в качестве определений, а всю систему рассматривая как занимательную игру. Но это,конечно, не то, что греческие философы разумели под своей геометрией:они верили в то, что имели дело со свойствами реальных вещей. Тот факт, что предсказания их теорий всегда подтверждались опытом, при-

водил к убеждению, что аксиомы евклидовой геометрии содержат окончательную истину.

Система Евклида просуществовала 2000 лет. Первые сомнения возникли не на основе учета экспериментальных данных, а по логическим основаниям. Некоторые математики нашли, что одна из евклидовых аксиом, а именно аксиома о параллельных линиях, менее очевидна, чем другие, и стали интересоваться, не могла ли она быть выведенной из остальных. Все усилия выполнить это были напрасны, и в конце концов была сделана попытка (впервые Гауссом, но не опубликовано; затем независимо Больаи и Лобачевским *)) доказать независимость аксиомы о параллельных путем построения геометрической системы, в которой она не имеет силы. Эти построения неевклидовой геометрии оказались успешными. Гаусс даже произвел измерения, чтобы обнаружить, какая

геометрия справедлива в реальном мире. Он и его последователь Риман ясно сознавали эмпирический характер геометрии. Риман создал математический фундамент, на основе которого Эйнштейн, уже в наше время,успешно свел геометрию к физике, создав свою общую теорию относительности.

Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации