Что называют физической теорией

Физические теории

Что такое наука? — Область знаний, которая позволяет выдавать точные предсказания.

1.
Исторически первой была создана классическая (Ньютоновская) механика. Она стоит на законах Ньютона и преобразованиях Галилея.

Преобразования линейны, интуитивны и просты. Машина едет со скоростью 5 [бананов в полторы минуты] относительно меня, я еду на автобусе в том же направлении относительно плакучей ивы со скоростью 2 [банана в полторы минуты], значит относительно ивы машина едет со скоростью 7 [бананов в полторы минуты].

Первый закон Ньютона об опытах в поезде премиум-класса на прямом (!) магнитном монорельсе в вагоне-термосе.

Третий для решения статических задач и для сглаживания некоторых противоречий.

Так вот, эта теория из трех Констант не учитывает ни одной! Закон всемирного тяготения вводится ручками и является уступкой опыту.

2.
Далее (хронологически) появилась специальная теория относительности. Конечно, математический аппарат для нее уже был готов, но только молодому тогда Эйнштейну удалось обосновать перед серьезными физиками состоятельность теории, использующую его (аппарат).

Суть — все как раньше (про поезд), но есть максимальная предельная скорость, скорость света, которая, более того, для света одна и та же для любого(!) наблюдателя, стоите Вы или бежите и не важно в какую сторону. Если хотите, я честно выведу преобразования Лоренца только из этих соображений и только с помощью ловкости рук!

Вот это и называется учесть скорость света. Прям так сразу, как постулат в основании теории.

Кстати сказать, завершенная к тому моменту электродинамика уже удовлетворяла этим условиям. Я про скорость света.

В наши удивительные времена мы используем и эту теорию во всю! Ярким примером служат системы навигации. На спутниках GPS/ГЛОНАСС/… должны быть очень точно синхронизированы часы. Очень! Учитывается замедление времени при движении с большими скоростями, плюс движение с ускорением (центростремительное), плюс искривление пространства-времени при движении вблизи массивного тела.

Вот тут G и c такие, какими должны быть.

4.
Если предыдущие теории были почти целиком плодом одного человека, то квантовая механика это дитя мозгового штурма. В двадцатых годах того века интенсивная переписка оформила теорию и была проведена проверка на экспериментах.

Ничего, казалось не предвещало беды, но три вещи были как бельмо на глазу (на самом деле больше, например зависимость проводимости металлов от температуры):
а) Фотоэффект, за который Эйнштейн получил Нобелевку (ну конееечно, за нее!). Классика, говорившая что свет — волны предсказывала что-то ну совсем не то. Но если представить, что это частицы и написать «шарик стукнул другой и остановился, а второй полетел почти так же быстро, только трение чуть затормозило» в виде формулы, то можно предсказывать все точно.
б) Спектр абсолютно черного тела. Была выведена одними формула для высокой температуры, другими для низкой, третий аппроксимировал, да так удачно, что все стало всегда сходиться. Только эта формула кричала о том, что свет — частица. Этого «третьего» звали Макс Планк и он потратил всю жизнь, чтобы опровергнуть свою формулу, являясь сторонником классической физики.
в) Эффект Комптона. Если свет — волна, то электрон должен качаться на волнах и испускать вторичное излучение такой же длинны волны (читай — энергии, ведь E = hv, где v — длина волны света), что и первичное, падающие. Но в опыте энергия оказывается меньше.

Кстати, еще после выдвижения планетарной модели атома встал вопрос о падении электрона на ядро. Действительно, почему он не падает? По расчетам электродинамики должен за пару наносекунд (если интересно, то напишу подробнее и про это). Так родился один из постулатов (о существовании стационарных орбит). На самом деле есть что-то в том, что в «длину» орбиты электрона должно помещаться целое число волн (Де Бройль предложил рассматривать и частицы как волны, почему нет. Мы же электромагнитные волны стали рассматривать как частицы)

Так мы учли постоянную Планка. Кстати, про перечеркнутую h: когда Нильс Бор приезжал к нам и читал лекции, ему задали вопрос о символе

5.
Поженить квантовую механику и специальную теорию относительности не составило особого труда. Просто вместо уравнения Шредингера, которое является местным аналогом закона сохранения энергии, записываем уравнения Дирака, суть которого — E 2 = p 2 c 2 + m 2 c 4 и дальше аналогично 4.

Тут сидит квантовая электродинамика, квантовая теория электрослабого взаимодействия (про фундаментальные виды взаимодействия, если интересно, в следующей статье напишу) и квантовая хромодинамика. Все понятно «качественно», многое понятно «совсем».

Вот мы учли c и h/2pi.

6.
Теории, которые стараются учесть гравитацию почему-то часто имеют приставку супер-. Суперструны, суперсимметрия и т.д. Но ничего не выходит.

Суть проблемы в принципе неопределенности и искривлении пространства-времени. Если мы локализуем частицу в все более маленьком объеме, неопределенность импульса будет увеличиваться вместе с его максимальным возможным значением. С ростом импульса растет (говорим правильно!) тензор энергии-импульса (напомню, гравитационный заряд), а вместе с ним, как говорит ОТО, пространство-время сильнее искривляется, становится «меньше», а это значит бОльшую локализацию и по кругу. Со второй парой (энергия-время) не так интуитивно, но принцип тот же.

Вот и нет у нас пока теории, которая учитывала бы все.

Так что «почувствовать» влияние гравитации пока нельзя, увы.

Источник

Физическая теория

Теорети́ческая фи́зика — способ познания природы, при котором тому или иному кругу природных явлений сопоставляется какая-либо математическая модель. В такой формулировке теоретическая физика не вытекает из «опыта», а является самостоятельным методом изучения Природы. Однако область её интересов, естественно, формируется с учетом результатов эксперимента и наблюдений.

Теоретическая физика не рассматривает вопросы вида «почему математика должна описывать природу?». Она принимает за постулат то, что, в силу неких причин, математическое описание природных явлений оказывается крайне эффективным, и изучает последствия этого постулата. Строго говоря, теоретическая физика изучает не свойства самой природы, а свойства предлагаемых математических моделей. Кроме того, часто теоретическая физика изучает какие-либо модели «сами по себе», без привязки к конкретным природным явлениям.

Физическая теория

Продуктом теоретической физики являются физические теории. Поскольку теоретическая физика работает именно с математическими моделями, крайне важным требованием является математическая непротиворечивость завершенной физической теории. Вторым обязательным свойством, отличающим теоретическую физику от математики, является возможность получать внутри теории предсказания для поведения Природы в тех или иных условиях (то есть предсказания для экспериментов) и, в тех случаях, где результат эксперимента уже известен, давать согласие с экспериментом.

Сказанное выше позволяет обрисовать общую структуру физической теории. Она должна содержать:

Из этого становится ясно, что утверждения типа «а вдруг теория относительности неверна?» бессмысленны. Теория относительности, как физическая теория, удовлетворяющая нужным требованиям, уже верна. Если же окажется, что она не сходится с экспериментом в каких-то предсказаниях, то значит, она в этих явлениях не применима к реальности. Потребуется поиск новой теории, и может статься, что теория относительности окажется каким-то предельным случаем этой новой теории. С точки зрения теории, катастрофы в этом нет. Более того, сейчас подозревается, что в определённых условиях (при плотности энергии порядка планковской) ни одна из существующих физических теорий не будет адекватной.

В принципе, возможна ситуация, когда для одного и того же круга явлений существуют несколько разных физических теорий, приводящих к похожим или совпадающим предсказаниям. История науки показывает, что такая ситуация обычно временна: рано или поздно либо одна теория оказывается более адекватна, чем другая, либо показывается, что эти теории эквивалентны (см. ниже пример с квантовой механикой).

Построение физических теорий

Фундаментальные физические теории, как правило, не выводятся из уже известных, а строятся с нуля. Первый шаг в таком построении — это самое настоящее «угадывание» того, какую математическую модель следует взять за основу. Часто оказывается, что для построения теории требуется новый (причем, обычно более сложный) математический аппарат, непохожий на тот, что использовался в теорфизике где-либо ранее. Это — не прихоть, а необходимость: обычно новые физические теории строятся там, где все предыдущие теории (то есть основанные на «привычном» матаппарате) показали свою несостоятельность в описании природы. Иногда оказывается, что соответствующий матаппарат отсутствует в арсенале чистой математики, и его приходится изобретать.

Дополнительными, но необязательными, критериями при построении «хорошей» теории могут являться понятия

Такие критерии, как «здравый смысл» или «повседневный опыт», не только нежелательны при построении теории, но и уже успели дискредитировать себя: многие современные теории могут «противоречить здравому смыслу», однако реальность они описывают на много порядков точнее, чем «теории, основанные на здравом смысле».

Источник

Формирование знаний школьников о структуре физической теории

Разделы: Физика

Вопросу включения методологических знаний в курс физики средней школы посвящены работы известных отечественных учёных, таких, как В.Ф.Ефименко, Г.М.Голин, А.А.Бух, В.Г.Разумовский, Б.И.Спасский, В.В.Мултановский, А.А.Пинский, Н.С.Пурышева и др. Г.М.Голин [1] выделил следующую систему методологических знаний:

Одним из элементов данной системы является физическая теория и методы теоретического познания. Физическая теория – это целостная система физических знаний, в полной мере описывающая определённый круг явлений и являющаяся одним из структурных элементов физической картины мира (см. табл.1).

Физическая картина мира

Исходные философские идеи и понятия

Связи между теориями

Материя, движение, пространство и время, взаимодействие.

Классическая механика
Статистическая физика
Электродинамика
Квантовая теория

Принципы: соответствия, дополнительности, симметрии, причинности

Таблица 1. Структура физической картины мира

Школьный курс физики структурирован вокруг четырёх фундаментальных физических теорий: классической механики, молекулярно-кинетической теории, электродинамики, квантовой теории. Теоретическое ядро школьного курса физики воплощает четыре указанные фундаментальные теории, специально адаптированные для школьного курса. “Это позволяет выделить в курсе физики генеральные направления в виде учебно-методических линий и затем формировать весь материал вокруг этих линий. Такая генерализация учебного материала позволяет обеспечивать формирование у учащихся адекватных представлений о структуре современной физики, а также реализацию теоретического способа обучения…” [2. С. 33]. Генерализация учебного материала направлена на обеспечение качественного усвоения системы знаний, являющихся научной базой общего политехнического образования, на обеспечение эффективности учебного процесса и глубокого и цельного восприятия определённой области знаний; на формирование и развитие творческого, научно-теоретического способа мышления.

Принципы и постулаты.

Фунд. физ. Постоянные.Объяснение эмпирических фактов и предсказание нового.

Истолкование основных понятий и законов.

Границы применимости теории.

Таблица 2. Структура физической теории

Опираясь на работы В.Ф.Ефименко [3], В.В.Мултановский [4] выделил следующие структурные элементы физической теории: основание, ядро, следствия и интерпретации (см. табл.2). В рамках школьного курса физики наиболее полно могут быть рассмотрены структура классической механики (см. табл.3) и молекулярно-кинетической теории. Полностью раскрыть структуру такой фундаментальной теории как классическая электродинамика не представляется возможным (в частности, вследствие недостаточного математического аппарата школьника). Однако в этом случае формирование знаний у учащихся о структуре физической теории можно осуществить на примере частной теории – теории Друде-Лоренца (см. табл.4).

КЛАССИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА

наблюдение явлений (движение тел, свободное падение, колебание маятника…)

мат. точка, абс.тв.тело

законы Ньютона, движения абс. тв. тел, закон всемирного тяготения

Открытие планет Нептун и Плутон

Границы применимости теории:

Таблица 3. Структура классической механики

КЛАССИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕОРИЯ ДРУДЕ-ЛОРЕНЦА

2)Опыт Мандельштама и Папалекси (1913);

3) Опыт Толмена и Стюарта (1916).

Основные положения теории:

1) Движение электронов подчиняется законам классической механики.

2) Электроны друг с другом не взаимодействуют.

3) Электроны взаимодействуют только с ионами кристаллической решётки, взаимодействие это сводится к соударению.

4) В промежутках между соударениями электроны движутся свободно.

Границы применимости и недостатки теории:

классическая теория не может объяснить закон Дюлонга и Пти, температурную зависимость удельного сопротивления металлов, сверхпроводимость.

Таблица 4. Структура классической электронной теории Друде-Лоренца

Структура физической теории, представленная в таблице 4, может быть использована для структурирования содержания обобщающего урока по теме “Электрический ток в металлах”, который является первым уроком при изучении темы “Электрический ток в различных средах” в 10 классе. Обобщение и систематизация знаний на уровне физической теории способствует осознанию учащимися методологических знаний, пониманию логики процесса познания. Очень важно в этом случае, чтобы процесс познания предстал перед учащимися в динамике. Именно в этом случае наиболее полно может быть отражён методологический характер знания. В соответствие с чем, развёртывание учебного материала целесообразно осуществлять согласно этапам цикла познания: опытные факты > гипотеза (модель) > теоретические следствия > эксперимент (см. табл.5). При этом опорный конспект в тетради учащихся может быть представлен в виде таблицы 4.

Теоретические следствия

2)Опыт Мандельштама и Папалекси (1913);

3) Опыт Толмена и Стюарта (1916).

Экспериментальная проверка законов Ома и Джоуля-Ленца.

Таблица 5. Обобщение учебного материала при изучении темы “Электрический ток в металлах”

Рассмотрение границ применимости теории Друде-Лоренца оградит учеников от догматизма при изучении физики. Очень важно, чтобы изученный материал не рассматривался учащимися как завершённая схема, лишённая противоречий. Необходимо, чтобы школьники понимали, что абсолютная истина не достижима, а процесс познания – это постоянное стремление к абсолютной истине через ряд сменяющих друг друга истин относительных. Тем самым учитель подводит их к пониманию сути методологического принципа соответствия. (Впоследствии можно коснуться и содержания другого методологического принципа – принципа дополнительности, указав на то, что теория Максвелла и теория Друде-Лоренца описывают явление электропроводности с разных точек зрения и тем самым дополняют друг друга.)

В представлен подробный план-конспект урока-обобщения по теме “Электрический ток в металлах”, в – обобщённый план изучения раздела “Электрический ток в различных средах” и обобщённый план изучения физической теории, в – компьютерная презентация по теме.

Источник

Теоретическая физика

Теорети́ческая фи́зика — способ познания природы, при котором определённый круг природных явлений выражается при помощи только в виде математической модели. Данный способ при решении основополагающих законов физики не использует «опыт», эксперимент, а является изолированным методом изучения природы. В любом случае основные объективные законы и явления в природе формируются и принимаются в результате наблюдений и экспериментально доказанных. [1]

Теоретическая физика не рассматривает вопросы вида «почему математика должна описывать Природу?». Она принимает за постулат то, что, в силу неких причин, математическое описание природных явлений оказывается крайне эффективным, и изучает последствия этого постулата. Строго говоря, теоретическая физика изучает не свойства самой Природы, а свойства предлагаемых математических моделей. Поэтому вопросы вида «кто навязал Природе постоянство скорости света» тоже выходят за её рамки. Кроме того, часто теоретическая физика изучает какие-либо модели «сами по себе», без привязки к конкретным природным явлениям.

Содержание

Физическая теория

Продуктом теоретической физики являются физические теории. Поскольку теоретическая физика работает именно с математическими моделями, крайне важным требованием является математическая непротиворечивость завершенной физической теории. Вторым обязательным свойством, отличающим теоретическую физику от математики, является возможность получать внутри теории предсказания для поведения Природы в тех или иных условиях (т.е. предсказания для экспериментов) и, в тех случаях, где результат эксперимента уже известен, давать согласие с экспериментом.

Сказанное выше позволяет обрисовать общую структуру физической теории. Она должна содержать:

Из этого становится ясно, что утверждения типа «а вдруг теория относительности неверна?» бессмысленны. Теория относительности, как физическая теория, удовлетворяющая нужным требованиям, уже верна. Если же окажется, что она не сходится с экспериментом в каких-то предсказаниях, то значит, она в этих явлениях не применима к реальности. Потребуется поиск новой теории, и может статься, что теория относительности окажется каким-то предельным случаем этой новой теории. С точки зрения теории, катастрофы в этом нет. Более того, сейчас подозревается, что в определённых условиях (при плотности энергии порядка планковской) ни одна из существующих физических теорий не будет адекватной.

В принципе, возможна ситуация, когда для одного и того же круга явлений существуют несколько разных физических теорий, приводящих к похожим или совпадающим предсказаниям. История науки показывает, что такая ситуация обычно временна: рано или поздно либо одна теория оказывается более адекватна, чем другая, либо показывается, что эти теории эквивалентны (см. ниже пример с квантовой механикой).

Построение физических теорий

Фундаментальные физические теории, как правило, не выводятся из уже известных, а строятся с нуля. Первый шаг в таком построении — это самое настоящее «угадывание» того, какую математическую модель следует взять за основу. Часто оказывается, что для построения теории требуется новый (причем, обычно более сложный) математический аппарат, непохожий на тот, что использовался в теорфизике где-либо ранее. Это — не прихоть, а необходимость: обычно новые физические теории строятся там, где все предыдущие теории (т.е. основанные на «привычном» матаппарате) показали свою несостоятельность в описании Природы. Иногда оказывается, что соответствующий матаппарат отсутствует в арсенале чистой математики, и его приходится изобретать.

Дополнительными, но необязательными, критериями при построении «хорошей» теории могут являться понятия

Такие критерии, как « здравый смысл » или «повседневный опыт», не только нежелательны при построении теории, но и уже успели дискредитировать себя: многие современные теории могут «противоречить здравому смыслу», однако реальность они описывают на много порядков точнее, чем «теории, основанные на здравом смысле».

Источник

Лекция «Физическая теория как система научного знания. Структура физической теории.»

Онлайн-конференция

«Современная профориентация педагогов
и родителей, перспективы рынка труда
и особенности личности подростка»

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

1. Научное познание, его структура, структура методов научного познания.

2. Физическая теория как система научного знания. Структура физической теории.

3. Методологический анализ структуры и содержания классической механики

4. Формы существования материи: пространство, время, движение и взаимодействие.

1. Научное познание, его структура, структура методов научного познания

Основными логическими образованиями (логическими единицами) являются понятия, суждения, умозаключения.

Общелогические методы на эмпирическом этапе познания представлены: 1) методами анализа и синтеза эмпирических фактов; 2) методом эмпирического абстрагирования от несущественных свойств и отношений в изучаемом явлении с выделением существенных; 3) методом индуктивного обобщения с целью установления эмпирических закономерностей; 4) методом дедуктивного вывода частных утверждений из общих эмпирических суждений (здесь дедукция дополняет индукцию); 5) методом эмпирического оценочного моделирования объекта изучения (примерами таких моделей являются эмпирическая материальная точка, эмпирическое упругое тело и др.); 6) методами классификации и систематизации внешних свойств, признаков и отношений в наблюдаемых объектах; 7) методом аналогий при описании результатов эксперимента.

Собственно эмпирические методы в определенной мере опосредованы теоретическим знанием об изучаемом объекте.

Метод наблюдений обеспечивает получение знаний о внешних, чувственно воспринимаемых свойствах и отношениях изучаемого фрагмента действительности. При организации научного наблюдения ставятся вопросы: что и какими средствами наблюдать? Особенностью процесса наблюдения является определенная субъективность данных, что требует большого количества проверок и контроля с целью получения достоверных знаний на уровне наблюдений.

Экспериментальный метод и метод измерений применяются, как правило, совместно, и, тем не менее, эти два метода целесообразно различать, т.к. эксперимент не всегда связан с измерением, а измерение не всегда связано с научным экспериментом. Например, фундаментальные опыты Фарадея по электромагнитной индукции, опыт Эрстеда непосредственно не связаны с измерением.

Эмпирические методы познания обеспечивают обнаружение во фрагменте действительности устойчивых эмпирических закономерностей как высшей формы эмпирического познания. Эмпирические методы познания представлены в таблице 1.

Таблица 1. Эмпирические методы познания

2. Экспериментальные методы:

— метод падающего тела по измерению ускорения

— метод оборотного маятника;

— метод баллистического маятника;

— метод стоячих волн;

— метод крутильных «весов»;

— метод Кавендиша (нуль-метод) ;

— метод сравнения м т.д.

Обеспечивает обнаружение внешних повторяющихся свойств и закономерностей на уровне явления по реакции фрагмента действительности на внешнее воздействие в специально организованных условиях

3. Измерения (косвенные, прямые)

Обеспечивает переход от наблюдений к количественному описанию экспериментальных и наблюдательных данных

4. Описание экспериментальных данных

Обеспечивает формирование из экспериментальных данных эмпирических (научных) фактов, представленных в форме эмпирических величин, таблиц, графиков и т.д.

5. Общелогические методы:

— анализ и синтез экспериментальных данных и

— индуктивное эмпирическое обобщение;

— дедукция общих эмпирических суждений;

— эмпирическое моделирование (эмпирическая

— классификация и систематизация эмпирических

— использование метода аналогий и т.д.

Обеспечивает формирование в структуре эмпирического основания физической теории эмпирических фактов и эмпирических законов (выраженных в форме функциональной зависимости между эмпирическими величинами или же в форме утверждений, выраженных естественным языком)

Метод моделирования объектов и отношений объектов на теоретическом уровне познания содержательно отличается от метода моделирования на эмпирическом уровне, где моделирование является логической операцией, позволяющей оценочно упростить эмпирическое описание. Теоретические же модели отображают сущностные, эмпирически ненаблюдаемые свойства объектов реальной физической системы. Фундаментальными теоретическими моделями классической механики являются теоретическая материальная точка, ньютоновское пространство, ньютоновское время. Законы механики можно рассматривать как модели, но модели уже не объектов, а отношений объектов реального мира.

Следующей особенностью математического формализма является способность формализма «автоматически» вести к новым результатам. Примером тому являются многочисленные дедуктивные следствия ядра теории.

В мысленных экспериментах осуществляется комбинация мысленных образов, отражающих некоторые идеальные внешние условия, идеальных объектов, идеальных связей и отношений. Это позволяет осуществить содержательные обобщения, являющиеся логическим средством формирования теоретических понятий.

Таблица 2. Теоретические методы познания

3. Метод математической формализации

Обеспечивает формализацию свойств, отношений и связей объективного мира с целью построения абстрактных математических моделей, описывающих сущностные свойства объективного мира.

4. Метод мысленного эксперимента

Обеспечивает оперирование теоретическими объектами и их комбинациями в определенных идеальных условиях с целью изучения существенных характеристик действительности.

5. Динамический метод классической механики

Применение метода к конкретным механическим системам позволяет реализовать предсказательную силу классической механики, получить новые содержательные теоретические следствия.

ФКМ формирует общие физические представления о материальном мире. Важнейшими познавательными функциями ФКМ являются мировоззренческая и объяснительная функции. В физической картине мира нашли свое обобщение результаты всех физических теорий. Основными категориями физической картины мира являются: материальность и единство мира; несотворимость и неуничтожимость материи; неисчерпаемость материи как бесконечное многообразие свойств, структур и состояний материи; пространственно-временная форма существования материи и всеобщность ее движения; всеобщность взаимодействия материи; принцип причинности; принцип симметрии и инвариантности законов природы. Объяснение (истолкование) на уровне ФКМ отличается от объяснения на уровне конкретных физических теорий своим качественным характером, которое позволяет формировать идеи и выдвигать гипотезы при построении новых физических теорий.

В научном познании физического мира выделяют два способа познания — эмпирический и теоретический.

Теоретическое познание является средством объяснения эмпирических фактов и средством понимания процессов во фрагменте действительности. Объяснение дает ответы на вопросы: почему, какова причина? Физическая теория своими средствами и в границах применимости объясняет физическое явление. При объяснении раскрывается природа и причина возникновения факта, закономерности существования факта.

Физическая теория должна обеспечить потенциальную возможность эмпирической интерпретации утверждений теории, в противном случае теорию следует отнести разве что к логическому упражнению, никакого отношения не имеющему к реальной действительности. Это достигается в процессе материального воплощения мышления в человеческой практике. Под практикой понимаются не только (и не столько) проверочные физические эксперименты, но «. создание на основе теории технических систем, которые поступают под непосредственный контроль объективных законов материального мира. В этом случае сам объективный мир через практическую деятельность людей как бы ассимилирует научное знание и осуществляет его проверку»

Обратим внимание на то, что при эмпирической интерпретации используется суждение о доказательности опыта, хотя любой эксперимент конечен. Если в N числе экспериментов теоретический вывод подтверждается, то ниоткуда не следует, что в ( N +1)-м эксперименте теория будет подтверждена. Само суждение о доказательности конечного числа опытов невозможно доказать формально-логически, доказательность опыта – это интуитивное утверждение. Здесь под интуицией понимается не интуиция-догадка, которую впоследствии можно доказать, а «способность постижения истины путем прямого ее усмотрения без обоснования с помощью доказательства … » [см., напр., БСЭ].

Формирование эмпирического основания осуществляется индуктивным обобщением результатов эксперимента и наблюдений. Теоретические следствия получаются дедуктивным выводом из концептуального ядра теории. Переход в познании от эмпирики к сущности не может быть сведен полностью к формально-логическим операциям, т.к. сущности экспериментально ненаблюдаемы.

Логический скачок от эмпирического (чувственно-абстрактное) к теоретическому этапу познания (теоретически-абстрактное) осуществляется в результате диалектического концептуального обобщения эмпирических данных. Формирование содержания основных концептуальных (фундаментальных) законов теории детерминировано философскими, общефизическими категориями, существующей физической картиной мира, общекультурной потенцией научного сообщества. Любая физическая теория содержит философские и общенаучные категории (понятия) и утверждения, которые нельзя формально-логически доказать, в них можно только в той или иной степени убедиться. К таким категориям относится, например, неисчерпаемость свойств, структур и состояний материи, представление о пространстве, времени, движении и взаимодействии как неотъемлемых формах существования материи, принцип причинности, принцип симметрии и инвариантности законов природы.

Физическая картина мира как фактор формирования новых научных гипотез является предельно широким понятием, вбирающим в себя общие физические представления о материальном мире и методологию физических теорий. Физическая картина мира как система научных знаний включает в свою структуру физические теории в качестве подсистем в их взаимосвязи. В этой взаимосвязи на уровне познания отражается единство и системность материального мира. В свою очередь, физическую картину мира формируют общие понятия, принципы, гипотезы, содержащиеся во всех физических теориях. Системность ньютоновской механики как теории обусловлена системностью реальных объектов, что, в свою очередь, обусловливает системность методов познания природы.

Что понимается под системным объектом?

Системные объекты подразделяются на материальные системы и системы знания. Примером материальной системы является газ в сосуде. Физическая теория – это не материальная система, а система научного знания о природе (конкретная физическая теория является системой научного знания о конкретном фрагменте природы – механическом, электромагнитном и т.д.). Что такое система?

Пример. Газ в сосуде состоит из молекул, которые обладают определенными свойствами. Когда множество молекул образуют газ, то этот газ приобретает такие свойства и характеристики, которые отсутствуют у каждой молекулы как структурных элементов газа.

Целостность является важнейшим свойством объекта как системы.

Остановимся на содержательной структуре ньютоновской механики (общая структура

физических теорий приведена на рис. 2).

Ниже механика Ньютона рассматривается на основе концепции состояния механической системы . Исходные идеи следующие.

1. Ньютоновская механика организована как гипотетико-дедуктивная система содержательных обобщений (физических понятий и законов), структура которой состоит из эмпирического основания, концептуального ядра и дедуктивных следствий.

4. Идея инвариантности законов механики относительно разных инерциальных систем отсчета. Физическая теория описывает устойчивые повторяющиеся объективные закономерности в природе. Законы природы выражаются в познании законами теории. Объективность природы и существующие в природе закономерности находят свое отражение в инвариантности физических законов (законов теории) относительно определенных преобразований. Идея инвариантности в ньютоновской механике выражается принципом относительности Галилея. Научное познание природы фактически представляет собой поиск инвариантов.

В структуру концептуального ядра ньютоновской механики входят (рис.3):

Теоретические объекты – это модели реальных объектов фрагмента действительности, а законы физики – это, своего рода, модели отношений и связей в реальной физической системе. В теории основные законы выражаются через отношения между теоретическими объектами. На рис. 3 в штрихованном прямоугольнике представлен перечень основных законов ньютоновской механики.

Теоретические объекты подлежат характеристике с определенной апелляцией к эмпирическим фактам. В противном случае теория превращается разве что в непротиворечивую математическую конструкцию, не имеющую никакого отношения к физической реальности.

В физике дедуктивный вывод следствий не полностью соответствует дедуктивному развертыванию математической теории. Математика является системой аксиоматических теорий, в основании которых лежат аксиомы и к которым предъявляется требование полноты и непротиворечивости. Теоремы математики как логические следствия аксиоматического основания выводятся дедуктивно без привлечения дополнительных аксиом (если отвлечься от теоремы Гёделя). Частные физические сущностные законы как следствия исходных фундаментальных законов теории выводятся дедуктивно, но, как правило, с привлечением дополнительных утверждений и моделей. Например, для обоснования эмпирического факта одинаковости ускорения свободного падения для всех тел недостаточно 2-го закона Ньютона и закона всемирного тяготения. В структуру классической механики необходимо ввести положение о пропорциональности инертной и гравитационной масс (в рамках ньютоновских представлений этот факт выглядит как случайный). Другой пример. При описании механики течения жидкости вводятся дополнительно новые модельные объекты, отсутствующие в структуре основных законов механики, – идеальная несжимаемая жидкость, «мокрая» жидкость и т.д. Теоретические следствия, дедуктивно выведенные из фундаментальных законов, реализуют объяснительную и предсказательную функции физической теории.

Динамические переменные механической системы характеризуют состояние механической системы. Состояние механической системы для данного момента времени известно, если известны положения материальных точек системы < >, их скорости < >, импульсы < >, кинетическая энергия < >, момент импульса < >, потенциальная энергия взаимодействия < > и другие динамические переменные. По изменению динамических переменных во времени судят об изменении состояния системы.

Время t не входит ни в набор параметров механической системы, ни в набор динамических переменных. Время t в уравнениях динамики играет роль аргумента изменения состояния.

Попутно отметим, что кроме динамических переменных, определяющих состояние физической системы, в структуру теории вводятся физические величины, описывающие процессы в системе. Примером процесса является работа (здесь оператор d означает не приращение (не дифференциал), а порцию совершенной элементарной работы).

7. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика: Учеб. для 10, 11 кл.. – М.: Просвещение, 2008.

Источник