2.11. Эксперимент

Эксперимент – более сложный метод эмпирического познания по сравнению с наблюдением. Он предполагает активное, целенаправленное и строго контролируемое воздействие исследователя на изучаемый объект для выявления и изучения тех или иных его сторон, свойств, связей.

При этом экспериментатор может преобразовывать исследуемый объект, создавать искусственные условия его изучения, вмешиваться в естественное течение процессов.

Эксперимент включает в себя другие методы эмпирического исследования (наблюдение, измерение). В то же время он обладает рядом важных, присущих только ему особенностей.

Во-первых, эксперимент позволяет изучать объект в чистом виде, т.е. устранять всякого рода побочные факторы, наслоения, затрудняющие процесс исследования. Например, проведение некоторых экспериментов требует специально оборудованных помещений, защищенных (экранированных) от внешних электромагнитных воздействий на изучаемый объект.

Во-вторых, в ходе эксперимента объект может быть поставлен в некоторые искусственные, в т.ч. экстремальные условия, например изучаться при сверхнизких температурах, при чрезвычайно высоких давлениях или, наоборот, в вакууме, в сильном электромагнитном поле и т.п.

Втаких искусственно созданных условиях удается обнаружить удивительные, порой неожиданные свойства объектов и тем самым глубже постигать их сущность. Очень интересными и многообещающими являются в этом плане космические эксперименты, позволяющие изучать объекты, явления в таких особых, необычных условиях (невесомость, глубокий вакуум), которые недостижимы в земных лабораториях.

В-третьих, изучая какой-либо процесс, экспериментатор может вмешиваться в него, активно влиять на его протекание. Как отмечал академик И. П. Павлов, «опыт как бы берет явления в свои руки и пускает в ход то одно, то другое и таким образом в искусственных, упрощенных комбинациях определяет истинную связь между явлениями. Иначе говоря, наблюдение собирает то, что ему предлагает природа, опыт же берет у природы то, что хочет».

В-четвертых, важным достоинством многих экспериментаторов является их воспроизводимость. Это означает, что условия эксперимента, а соответственно и проводимые при этом наблюдения, измерения могут быть повторены столько раз, сколько это необходимо для получения достоверных результатов.

Вистории науки известен, например, такой случай. Американский физик Шэнкланд, изучавший соударения фотонов с электронами, пришел к выводу о невыполнении закона сохранения энергии в элементарном акте соударения. Эти эксперименты вызвали сенсацию. Но ряд крупных физиков, в том числе А. Ф. Иоффе, отнеслись к ним скептически. Тогда Шэнкланд решил повторить свои эксперименты. Пытаясь воспроизвести свои прежние результаты, он нашел ошибку в методике экспериментирования. Выявилось, что при правильной постановке эксперимента закон сохранения энергии соблюдается и в указанном элементарном акте соударения. Так, благодаря воспроизводимости экспериментальных исследований, вторая работа Шэнкланда опровергла первую.

Подготовка и проведение эксперимента требуют соблюдения ряда условий. Так, научный эксперимент:

•никогда не ставится наобум, он предполагает наличие четко сформулированной цели исследования;

•не делается «вслепую», всегда базируется на исходных теоретических положениях;

•не проводится беспланово, хаотически, предварительно исследователь намечает пути его проведения;

•требует определенного уровня развития технических средств познания, необходимого для его реализации;

•должен проводиться людьми, имеющими достаточно высокую квалификацию.

Только совокупность всех этих условий определяет успех в научных экспериментальных исследованиях.

В зависимости от характера проблем, решаемых в ходе экспериментов, последние обычно подразделяются на исследовательские и проверочные.

Исследовательские эксперименты дают возможность обнаружить у объекта новые, неизвестные свойства. Результатом такого эксперимента могут быть выводы, не вытекающие из имевших-

21

ся знаний об объекте исследования. Примером могут служить эксперименты, поставленные в лаборатории Э. Резерфорда, в ходе которых обнаружилось странное поведение альфа-частиц при бомбардировке ими золотой фольги: большинство частиц проходило сквозь фольгу, небольшое количество частиц отклонялись и рассеивались, некоторые частицы не просто отклонялись, а отскакивали обратно, как мяч от стены.

Такая экспериментальная картина, согласно расчетам, получалась в силу того, что вся масса атома сосредоточена в ядре, занимающем ничтожную часть его объема (отскакивали обратно аль- фа-частицы, соударявшиеся с ядром). Так исследовательский эксперимент, проведенный Резерфордом и его сотрудниками, привел к обнаружению ядра атома, а тем самым и к рождению ядерной физики.

Проверочные эксперименты служат для проверки, подтверждения тех или иных теоретических построений. Так, существование целого ряда элементарных частиц (позитрона, нейтрино и др.) было вначале предсказано теоретически, и лишь позднее они были обнаружены экспериментальным путем.

Проникновение человеческого познания в микромир потребовало проведения экспериментальных исследований, в которых нельзя было пренебречь воздействием прибора на объект (точнее сказать, микрообъект) познания. Из этого обстоятельства некоторые физики стали делать выводы, что, в отличие от классической механики, в квантовой механике эксперимент играет принципиально иную роль.

Но возмущающее влияние прибора не изменяет познавательной роли эксперимента в физике микромира. Приборы оказывают возмущающее действие на изучаемый объект и в классической физике, имеющей дело с макрообъектами, только их действие здесь очень мало, и им можно пренебречь. В сфере же материальной действительности, изучаемой квантовой механикой, прибор оказывает на частицу гораздо более существенное возмущающее влияние, которым пренебречь нельзя.

Однако это влияние не означает, что свойства микрочастиц материи порождаются прибором по воле экспериментатора (как представлялось некоторым физикам). Необходимо отметить также, что возмущающее действие касается только количественной стороны микрочастицы – величины энергии, импульса, ее пространственной локализации. Качественная же специфика микрочастиц не претерпевает при возмущении никаких изменений: электрон остается электроном, протон – протоном и т.д.

Исходя из методики проведения и получаемых результатов, эксперименты можно разделить на качественные и количественные. Качественные эксперименты носят поисковый характер и не приводят к получению каких-либо количественных соотношений. Они позволяют лишь выявить действие тех или иных факторов на изучаемое явление. Количественные эксперименты направлены на установление точных количественных зависимостей в исследуемом явлении. В реальной практике экспериментального исследования оба указанных типа экспериментов реализуются, как правило, в виде последовательных этапов развития познания.

2.12. Математика как язык естествознания

Математика (от греч. – «знание, наука») – наука о количественных отношениях и пространственных формах действительного мира. Область применения математического метода безгранична: все виды движения материи могут изучаться математически. Однако роль и значение математического метода в каждом случае различна.

После триумфа классической механики Ньютона химия в лице Лавуазье, положившего начало систематическому применению весов, встала на количественный путь, а вслед за ней и другие естественные науки.

По словам А. Пуанкаре, «физик не может обойтись без математики; она дает ему единственный язык, на котором он в состоянии изъясняться». Дифференциальное и интегральное исчисление хорошо подходит для описания изменения скоростей движения, а вероятностные методы – для необратимости и создания нового. Все можно описать количественно, и тем не менее остается

22

проблемой отношение математики к реальности. По мнению одних методологов, чистая математика и логика используют доказательства, но не дают нам никакой информации о мире, а только разрабатывают средства его описания. Однако еще Аристотель писал, что число есть промежуточное между частным предметом и идеей, а Галилей полагал, что Книга Природы написана языком математики.

Не имея непосредственного отношения к реальности, математика не только описывает эту реальность, но и позволяет, как в уравнениях Максвелла, делать новые интересные и неожиданные выводы о реальности из теории, которая представлена в математической форме.

По мнению некоторых методологов, законы природы не сводятся к написанным на бумаге математическим соотношениям. Их надо понимать как любой вид организованности идеальных преобразований вещей. Можно выделить три вида организованности: простейший – числовые соотношения; более сложный, изучаемый математической теорией групп; самый сложный – слово. Два первых вида организованности наполняют Вселенную мерой и гармонией, третий – смыслом. В рамках этого объяснения математика занимает свое особое место в познании.

Примером полного господства математического метода является небесная механика, учение о движении планет. Имеющий очень простое математическое выражение закон всемирного тяготения почти полностью определяет изучаемый здесь круг явлений. В пределах доступной точности наблюдений пренебрегают формой и размерами небесных тел, заменяя их материальными точками. Задача движения n материальных точек под действием сил тяготения очень сложна, но результаты, полученные при помощи математического анализа принятой схемы, с большой точностью подтверждаются на практике.

Почти не существует области физики, не требующей употребления весьма развитого математического аппарата, но часто основная трудность заключается не в развитии математической теории, а в истолковании результатов, полученных математическим путем.

Вбиологических науках математический метод играет более подчиненную роль. Применение математического метода в биологических, социальных и гуманитарных науках осуществляется главным образом через кибернетику.

Впоследнее время аппарат математики применяется все шире. По выражению Ю. Винера, «невероятная эффективность математики» делает ее важным средством познания во всех науках.

Математика – наука не о моделях окружающего мира, а о схемах этих моделей. Математики детально изучают имеющиеся схемы моделей и обобщают опыт их применения.

Однако многочисленность разнообразных схем моделей, накопленных в математике, не позволяет практику (скажем, инженеру) их все знать. Поэтому задача математиков – помочь практике в создании моделей по еще не получившим широкой известности схемам. С этой целью в математике изучаются не только схемы реальных моделей, но и схемы схем. На практике это выражается в приобретении опыта конструирования схем на примерах решения чисто математических задач. В результате очень часто при ответе на какой-нибудь вопрос из практики математик, как фокусник из рукава, вытаскивает нужную схему и вместе с ней решение практической задачи.

Наконец, в математике нужно постоянно придумывать принципиально новые схемы моделей. Иногда – при редкой удаче – это удается сделать, так сказать, «из головы». Но, как правило, эти схемы приходится с большим трудом извлекать из реальных моделей. Каждый раз это – крупный успех, знаменующий скачок в развитии математики, открывающий новое поле работы. Поэтому для развития математики необходимо постоянное обращение к практике.

Впоследнее время широко распространилось мнение, что внедрение в практику компьютеров резко изменило принципы взаимоотношений математики и других наук. На самом деле это мнение основано на недоразумении. Компьютеризация никак на эти принципы не повлияла. Она лишь сделала безнадежно устаревшими многие излюбленные схемы моделей и позволила разработать другие, более эффективные. В истории математики так происходило уже много раз, и появление компьютеров лишь направило этот процесс по новому пути.

Следует сказать, что та или иная конкретная наука вполне может существовать и даже процветать и без разработанных в математике моделей. Примером являются биология (в которую математические модели только начали проникать) и эстетика (где математика еще не используется). Тот факт, что разработанные в математике схемы моделей – так сложилось исторически – ориентированы в первую очередь только на «точные» науки естествознания, является основным дефек-

23

том современной математики. Одной из ее первоочередных задач должно быть осмысление «гуманитарных» моделей и создание их общей теории. Эта теория, по-видимому, будет совсем не похожа на привычные математические схемы и, во всяком случае, не будет иметь вид формального исчисления. Основные идеи этой будущей теории не должны заимствоваться из уже имеющихся в математике принципов, а должны возникать из конкретного анализа моделей гуманитарных наук.

2.13. Принцип относительности и его роль в физической картине мира

После создания теории электромагнитного поля и экспериментального доказательства его реальности перед физикой встала задача выяснить, распространяется ли принцип относительности движения (сформулированный в свое время еще Галилеем) на явления, присущие электромагнитному полю. Принцип относительности Галилея был справедлив для механических явлений. Во всех инерциальных системах (т.е. движущихся прямолинейно и равномерно друг по отношению к другу) применимы одни и те же законы механики. Но справедлив ли этот принцип для немеханических явлений, в частности для электромагнитных явлений? Корни теории относительности лежат именно в этом комплексе проблем физики конца ХIХ века.

К рубежу ХIХ-ХХ веков развитие физики привело к осознанию противоречий и несовместимости трех принципиальных оснований классической механики:

1.Скорость света в пустом пространстве всегда постоянна, независимо от движения источника или приемника света.

2.В двух системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга, все законы природы строго одинаковы, и нет никакого средства обнаружить абсолютное прямолинейное и равномерное движение (принцип относительности).

3.Координаты и скорости преобразовываются от одной инерциальной системы к другой согласно классическим преобразованиям Галилея.

Было ясно, что эти три положения не могут быть логически объединены друг с другом, поскольку они несовместимы. Первое положение противоречит механике Ньютона, согласно которой скорости тела, совершающего два движения в одном и том же направлении, складываются, следовательно любая скорость может быть превзойдена. Со скоростью света ситуация складывается по-другому: независимо от того, испускает свет неподвижный или движущийся источник, скорость

света в вакууме остается равной 3 ×108 м/с.

Долгое время все усилия физиков были направлены на то, чтобы попытаться каким-либо образом изменить первые два из этих трех положений, оставив неизменным третье. С другой стороны, немалые усилия были потрачены на то, чтобы опытным путем, постановкой множества экспериментов доказать верность, истинность первых двух положений.

Но преобразования Галилея, кажущиеся всем столь привычными, не сохраняли инвариантность электродинамических уравнений Максвелла. В 1904 году голландский физик Х. Лоренц записывает уравнения для преобразований, по отношению к которым уравнения классической электродинамики сохраняют свой вид. Но истинное значение этих уравнений не было им полностью осознано, так как Лоренц придерживался ньютоновских взглядов на природу времени.

Внутренней логикой своего развития физика подводилась к необходимости найти нестандартный, новый путь в разрешении фундаментальных противоречий в ее принципиальных основаниях. Этот путь и был найден великим физиком ХХ в. А. Эйнштейном (1879-1955).

В сентябре 1905 г. появилась работа Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел». Эйнштейн сформулировал основные положения специальной теории относительности, которая объясняла и отрицательный результат опыта Майкельсона-Морли, и смысл преобразований Лоренца, и, кроме того, содержала новый взгляд на пространство и время.

Эйнштейн пошел по третьему из трех возможных путей преодоления противоречий в принципиальных основах классической механики. Он пришел к убеждению, что необходимо сохранить в качестве верных два первых утверждения (принцип постоянства скорости света и принцип относительности), но отказаться от преобразований Галилея. И дело не просто в том, чтобы чисто формально заменить их другим преобразованием. Он увидел, что за преобразованиями Галилея кроется определенное представление о пространственно-временных соотношениях, которое не со-

24

ответствует физическому опыту и реальным пространственно-временным соотношениям вещей. Таким слабым звеном принципиальных оснований классической механики было представление об абсолютной одновременности событий. Этим представлением, не сознавая его сложной природы,

ипользовалась классическая механика.

Воснову специальной теории относительности Эйнштейн положил два постулата:

1.Скорость света в вакууме одинакова во всех системах отсчета, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга.

2.Все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета.

Как же можно совместить эти два принципа? Одновременное их действие кажется невозможным. Однако из этого парадоксального положения Эйнштейн находит выход, анализируя понятие одновременности. Такой анализ подводит его к выводу об относительном характере этого понятия. В осознании относительности одновременности заключается основа всей теории относительности, выводы которой, в свою очередь, приводят к необходимости пересмотра основополагающих понятий всего естествознания – пространства и времени.

В классической физике всегда полагали, что можно просто говорить об абсолютной одновременности событий сразу во всех точках пространства. Эйнштейн убедительно показал неверность этого представления. Одновременные события в одной системе не будут одновременными в другой системе, движущейся относительно первой системы.

Новое понимание одновременности, осознание ее относительности приводит к необходимости признания относительности размеров тел. Чтобы измерить длину тела, нужно отметить его границы на масштабе одновременно. Однако что одновременно для неподвижного наблюдателя, уже не одновременно для движущегося, поэтому и длина тела, измеренная разными наблюдателями, которые движутся относительно друг друга с различными скоростями, должна быть различна.

На следующем этапе становления специальной теории относительности этим общим идейным рассуждениям Эйнштейн придает математическую форму и, в частности, выводит формулы преобразования координат и времени – «преобразования Лоренца». Но у Эйнштейна эти преобразования уже имеют иной смысл. В теории Эйнштейна размеры тел и промежутки времени теряют абсолютный характер, какой им приписывали раньше, и приобретают смысл относительных величин, зависящих от относительного движения тел и инструментов, с помощью которых проводилось их измерение. Они приобретают такой же смысл, какой имеют уже известные относительные величины, такие как, например, скорость, траектория и т.п. Таким образом, Эйнштейн приходит к выводу о необходимости изменения пространственно-временных представлений, которые выработаны классической физикой.

Кроме формул преобразований координат и времени Эйнштейн получает также релятивистскую формулу сложения скоростей, показывает, что масса тела также является относительной величиной, зависящей от скорости. Кроме того, Эйнштейн показывает, что между массой тела и его полной энергией существует определенное соотношение. Он формулирует следующий закон: «масса тела есть мера содержащейся в нем энергии» в соотношении E = mc2.

Создание СТО было качественно новым шагом в развитии физического познания. СТО отличается от классической механики тем, что наблюдатель со средствами наблюдения органически входит в физическое описание релятивистских явлений. Описание физических процессов в СТО существенно связано с выбором системы координат. Физическая теория описывает не физический процесс сам по себе, а результат взаимодействия физического процесса со средствами исследования. Обращая на это внимание, А. Эйнштейн в своей статье «К электродинамике движущихся тел» (1905 г.) пишет: «Суждения всякой теории касаются соотношений между твердыми телами (координатными системами), часами и электромагнитными процессами». В СТО, в которой сложилось осознание того, что нельзя дать описание физического процесса самого по себе, можно только дать его описание по отношению к определенной системе отсчета, впервые в истории физики непосредственно проявился диалектический характер процесса познания, активность субъекта познания, неотрывное взаимодействие субъекта и объекта познания.

Создание и развитие общей теории относительности

Классическая механика и СТО формулируют закономерности физических явлений только в инерциальных системах отсчета. Вместе с тем, ни классическая механика, ни СТО не дают средств для реального выделения таких инерциальных систем. Получалось так, что законы физики справедливы лишь для некоторого достаточно узкого класса систем координат (инерциальных). Впол-

25

не закономерно возникла проблема, как распространить законы физики и на неинерциальные системы. После создания СТО Эйнштейн начал задумываться над распространением принципа относительности на случай неинерциальных систем. Возникает вопрос, на каком пути можно осуществить эту идею?

Возможность реализации этой идеи Эйнштейн увидел на пути обобщения принципа относительности движения – распространение принципа относительности не только на скорость, но и на ускорение движущихся систем. Если отказаться от приписывания абсолютного характера не только скорости, но и ускорению, то выделенность класса инерциальных систем потеряет свой смысл, и можно так формулировать физические законы, чтобы их формулировка имела смысл в отношении любой системы координат. Это и есть содержание общего принципа относительности. Это означает, что точно так же, как нельзя говорить о скорости тела вообще, безотносительно к како- му-нибудь телу, так, очевидно, и ускорение имеет конкретный смысл по отношению к некоторому фактору, вызывающему и определяющему его.

До Эйнштейна существовало две точки зрения на причины, порождающие инерциальные силы в ускоренных системах. Ньютон считал, что таким фактором является абсолютное пространство, а Э. Мах – действие общей массы Вселенной. Эйнштейн пошел по иному пути – по пути расширения принципа эквивалентности сил инерции и сил тяготения (инертной и гравитационной масс) на оптические явления.

Эквивалентность инертной и гравитационной масс в классической механике была известна. Еще Галилей установил, что все тела на Земле, если не учитывать сопротивление воздуха, падают с одним и тем же ускорением. Ньютон подтвердил этот вывод опытами с маятниками. В 1890 г.

венгерский физик Этвеш проверил этот факт с большой степенью точности (до 10-9). (Сейчас эта точность поднята до 10-12).

В центре размышлений Эйнштейна оказался вопрос: можно ли оценивать движение равноускоренной системы S' по отношению к инерциальной системе S как пребывание в относительном покое? Теоретический анализ подводит его к выводу, что две системы отсчета, одна из которых движется ускоренно, а другая хотя и покоится, но в ней действует однородное поле тяготения, в отношении механических явлений эквивалентны и неразличимы. Это утверждение Эйнштейн иллюстрирует примером, в котором наблюдатель, находящийся в закрытом лифте, не может определить, движется ли ускоренно лифт или внутри него действуют силы тяготения. Эквивалентность, существующую между ускорением и однородным полем тяготения, которая справедлива для механики, Эйнштейн считает возможным распространить на оптические и вообще любые физические явления. Этот расширенный принцип эквивалентности и был положен им в основу общей теории относительности. Построение этой теории он закончил в 1916 г.

С точки зрения ОТО пространство не обладает постоянной (нулевой) кривизной. Кривизна его меняется от точки к точке. Кривизна пространства определяется полем тяготения. Можно сказать больше: поле тяготения является не чем иным, как отклонением свойств реального пространства от свойств идеального евклидова пространства. Уравнение движения материальной точки, а также и луча света должно быть записано в виде уравнения геодезической линии искривленного пространства. Эйнштейн решил эту задачу и нашел общее уравнение гравитационного поля, которое в классическом приближении переходило в закон тяготения Ньютона. Таким образом, проблема тяготения была решена им в общем виде.

ОТО кардинально отличается от предшествующих ей фундаментальных физических теорий. Она отказывается от целого ряда старых понятий, формулируя вместе с тем новые. Так, ОТО отказывается от понятий «сила», «потенциальная энергия», «инерциальная система», «евклидов характер пространства-времени» и др. Зато вводятся новые понятия. В то же время ОТО углубляет понятие поля, связывая воедино понятия инерции, гравитации и метрики пространства-времени.

Экспериментальная проверка ОТО

ОТО стала фундаментом для выявления новых общих свойств и закономерностей Вселенной. В соответствии с ОТО, результатом действия поля тяготения является то, что движение материальной точки, так же как и распространение светового луча, уже не является равномерным и прямолинейным. Распространение выводов ОТО на оптические явления приводит к ряду необычных следствий: явлению красного смещения спектров звезд и отклонению светового луча под действием этого поля.

26