Предмет фізики і загальні методи наукового пізнання
ФІЗИКА
ВСТУП
1. Предмет фізики і загальні методи наукового пізнання
Предмет фізики. У давнину фізикою називали вчення про природу (від грец. φνσιχά – природа).
Систематизація нагромаджених знань про природні явища з часом привела до виникнення науки. Знання про природу розширювались і уточнювались завдяки спостереженням, а на більш високій стадії науки – експериментам.
Предмет фізики не залишається незмінним, а має історично визначений характер. Водночас він не змінюється безперервно зі зміною наукової
Ідеалісти і матеріалісти розуміють предмет фізики по-різному. Представники суб’єктивного ідеалізму стверджують, що предмет будь-якої науки, в тому числі й фізики, перебуває у сфері відчуттів і завдання фізики полягає у відкритті законів зв’язків між цими відчуттями.
У XIX ст. німецький хімік Ф. Кекуле писав, що хімія – наука про атоми, фізика – наука про молекули, механіка – наука про маси.
Однак при такому визначенні наук не відображено зв’язок між ними. Фізика вивчає найпростіші й найзагальніші властивості матерії та форми її руху (механічні, теплові, електромагнітні тощо), які належать до вищих, складніших форм руху (хімічних, біологічних та ін.). Наприклад, фізичний закон всесвітнього тяжіння справедливий для взаємодії будь-яких тіл, незалежно від того, хімічно прості вони чи складні, є неживою чи живою матерією. Законам збереження підпорядковані всі природні процеси, в тому числі хімічні, біологічні.
Сучасна фізика вивчає різні фізичні поля, елементарні частинки, іони, атоми, молекули та їхні сполуки. Молекули і атоми вивчають також хімія та біологія. Так, на основі спільності об’єкта дослідження відбувається взаємне проникнення наук. Застосування фізичних методів дослідження в хімії, біології, геології, астрономії приводить до інтеграції науки, виникнення нових самостійних наук – фізичної хімії, біофізики, геофізики, астрофізики тощо.
З розвитком фізики уточнюються і вдосконалюються її закони й поняття, змінюються фізичні теорії. При цьому змінюються і предмет фізики, і методи фізичного дослідження природи.
Фізика в сучасних умовах стає більш диференційованою, що полягає в оформленні окремих розділів науки у відносно самостійні дисципліни зі своїми специфічними завданнями і методами дослідження: фізика твердого тіла, фізика рідин, фізика напівпровідників, фізика низьких температур, фізика атмосфери, фізика атомного ядра, фізика високих енергій та ін. Тому при визначенні предмета сучасної фізики потрібно враховувати ці дві її особливості – інтеграцію та диференціацію.
В атомах та атомних ядрах превалюють фізичні форми руху. Проте вже тут починає виявлятися та нова форма руху, дослідження якої належить хімії. Тому властивості атомів та атомних ядер досліджує не тільки фізика, а й хімія. Це та межа, де починається взаємопроникнення цих наук. Проте атоми й атомні ядра вивчає в основному фізика. В молекулі, особливо багатоатомній, найбільше виявляється хімічна форма руху. Фізика також вивчає макротіла, досліджує їхні фізичні властивості й структуру. Вагомий внесок зробили вчені – фізики у вивчення металів, діелектриків, напівпровідників. Без цього був би неможливий сучасний розвиток техніки.
Сучасна фізика, яка експериментальними методами, теоретичними узагальненнями і передбаченнями вивчає прості, але найзагальніші властивості й об’єктивні просторово-часові закони руху матерії, кількісні та якісні зміни її, пов’язані з будовою, взаємодією і перетвореннями всіх її видів і станів, є частиною природознавства.
Загальні фізичні методи наукового пізнання умовно можна поділити на такі групи: методи емпіричного дослідження; методи, що використовуються на емпіричному та теоретичному рівнях дослідження; методи теоретичного дослідження *.
До першої групи належать такі методи пізнання, як спостереження, порівняння, вимірювання та експеримент.
Спостереження – найелементарніший метод, що виступає найчастіше як один з елементів у складі інших емпіричних методів. Спостереження – це активний пізнавальний процес, що спирається насамперед на роботу органів відчуття людини та його предметну матеріальну діяльність. Однак при цьому істотне значення належить мисленню людини, її знанням та досвіду.
Прогрес спостереження як метод наукового пізнання нерозривно пов’язаний з прогресом засобів спостереження. Винайдення телескопа дало змогу поширити спостереження на мегасвіт, а створення мікроскопа сприяло вивченню мікросвіту. Рентгенівський апарат, радіолокатор, генератор ультразвуку та багато інших технічних засобів спостереження привело до зростання значення цього методу дослідження. Спостереження – це не випадкове сприйняття об’єкта, не одноактна дія. Дослідник може дістати по-справжньому цінну інформацію лише тоді, коли спостереження ведеться або неперервно, або за визначеною системою, що дає змогу сприймати об’єкт багаторазово і в найрізноманітніших умовах. Спостереження як засіб пізнання дає нам у формі сукупності емпіричних тверджень первісну інформацію про об’єкт дослідження, а результат спостереження є первинним етапом пізнання.
Порівняння – це один із найпоширеніших і універсальних методів пізнання. Не випадково існує відомий афоризм: “все пізнається в порівнянні”. Порівнянням називають установлення подібності й відмінності предметів і явищ дійсності. Внаслідок порівняння встановлюють те загальне, що притаманне двом або більше об’єктам, а виявлення загального, що повторюється в явищах, як відомо, відкриває шлях до пізнання закону. Щоб порівняння було плідним, воно має задовольняти дві основні вимоги. Порівнюють лише такі явища, між якими може існувати певна об’єктивна спільність. Не можна порівнювати явно непорівнювані речі, оскільки це може призвести у найкращому разі до поверхових, а отже, безплідних аналогій. Об’єкти мають порівнюватися за найважливішими, істотними ознаками. Порівняння за неістотними ознаками може призвести до помилкових висновків. Різні досліджувані об’єкти можна порівнювати безпосередньо або опосередковано – через порівняння їх з якимось іншим об’єктом. У разі спостереження найчастіше дістають такі якісні результати: більше – менше, тепліше – холодніше тощо. Якщо об’єкти порівнюють з якимось іншим об’єктом, що відіграє роль еталона, то знайдені кількісні характеристики набувають особливої цінності, оскільки вони описують об’єкти безвідносно один щодо одного, дають більш повне знання про них. Таке порівняння називають вимірюванням.
Вимірювання історично виникло з порівняння, що є його основою. Проте, на відміну від порівняння, вимірювання є більш ефективним і універсальним пізнавальним засобом. Сучасна експериментальна фізика, початок якої було покладено працями Г. Галілея та І. Ньютона, своїм розквітом зобов’язана застосуванню вимірювань. Проголошений Галілеєм принцип кількісного підходу, відповідно до якого характеристики фізичних явищ мають спиратися на величини, що мають кількісну міру, є методологічним фундаментом точної науки. Вимірювання – це визначення чисельного значення деякої величини через одиниці виміру. Вимірювання передбачає наявність таких основних елементів: об’єкт вимірювання; одиниця виміру, тобто еталонний об’єкт; вимірювальний прилад; метод вимірювання; експериментатор.
Вимірювання є прямі й непрямі. При прямих вимірюваннях результат дістають безпосередньо в процесі вимірювання. При непрямих вимірюваннях шукана величина визначається математично на підставі знання інших величин, які дістають за допомогою прямих вимірювань. Вимірювання дають змогу встановлювати і формулювати емпіричні закони і навіть бути джерелом формування наукової теорії. Так, вимірювання атомних мас елементів стало однією з передумов створення періодичної системи Д. І. Менделєєва. Цінність вимірювань, крім точних відомостей про досліджуваний об’єкт, полягає і в тому, що при цьому можуть бути встановлені такі факти, зроблені такі емпіричні відкриття, які спричинять докорінну зміну встановлених у науці уявлень. Це стосується насамперед визначних, уніфікованих вимірювань. Таке значення для фізики мали, наприклад, вимірювання Галілеєм періоду коливань маятника; вимірювання Кавендішем гравітаційної сталої в законі всесвітнього тяжіння; визначення Джоулем механічного еквівалента теплоти; вимірювання швидкості світла Фізо, Фуко, Майкельсоном; вимірювання Лебедєвим тиску світла; досліди з електрики й магнетизму Франкліна, Ампера, Ерстеда, Фарадея, Герца; визначення Томсоном відношення заряду до маси е/m частинок катодного випромінювання; визначення Мілікеном елементарного електричного заряду; визначення структури кристалів Лауе, Бреггами; досліди Резерфорда з вивчення будови атома; вивчення заряджених частинок за допомогою камери Вільсона. Цей неповний перелік свідчить про революційне значення визначних експериментів у науковому пізнанні матерії. Важливим показником якості вимірювань, їхньої наукової цінності є точність. Точність вимірювань залежить від кваліфікації експериментатора, застосовуваного методу, а також від досконалості вимірювальних приладів. Серед емпіричних методів наукового пізнання вимірюванню належить приблизно таке саме місце, що й спостереженню та порівнянню. Це відносно елементарний метод, що входить як складова до експерименту, – найбільш складного і значущого методу емпіричного дослідження.
Експеримент – це такий метод вивчення об’єкта, коли дослідник активно впливає на нього за допомогою створення штучних умов, необхідних для виявлення відповідних властивостей, коли свідомо змінюється хід природних процесів. Експеримент – найбільш складний і ефективний метод емпіричного пізнання. Він передбачає використання спостереження, порівняння та вимірювання – цих елементарних емпіричних методів. Засновником експериментальної науки визнається Г. Галілей. Він не тільки створив багато приладів для спостереження і експериментування, а й здійснив унікальні експерименти. З розвитком науки і техніки експеримент дедалі ширше застосовується. Без експерименту не можна уявити розвиток сучасної науки. Сьогодні експериментальні дослідження є настільки важливими, що розглядаються як одна з основних форм практичної діяльності. За допомогою експерименту досліджують властивості реальних об’єктів у екстремальних умовах: за наднизьких та надвисоких температур, при дуже високих тисках, в умовах величезних напруженостей електричних і магнітних полів тощо. Робота в таких умовах може привести до відкриття дивовижних властивостей звичайних речовин і, таким чином, до глибшого проникнення в їхню суть. Прикладом таких властивостей, що виникають в екстремальних умовах, можуть бути надпровідність і надтекучість. До переваг експерименту належить також його повторюваність. Це означає, що під час експерименту необхідні спостереження, порівняння і вимірювання можуть проводитися, як правило, стільки разів, скільки потрібно для одержання вірогідних даних. Через це експериментальний метод у науці набуває особливого значення. Зрозуміло, цим не вичерпуються всі його переваги. Експеримент може бути дослідним, перевірним або ілюстративним (демонстраційним).
Експеримент є дослідним, коли намагаються виявити притаманні об’єкту невідомі раніше властивості. Наслідком такого експерименту є твердження, що не випливають із раніше відомих знань про об’єкт. Класичним прикладом експериментів такого типу є досліди Резерфорда з розсіяння α-частинок, на підставі яких було встановлено планетарну будову атома. Аналіз характеру розсіяння α-частинок показав, що позитивний заряд і маса атома зосереджені в дуже малій частині його об’єму, яку називають ядром. Електрони ж рухаються навколо ядра на порівняно великих відстанях.
До експерименту звертаються і тоді, коли треба перевірити справедливість тих чи інших тверджень або теоретичних положень. Такий експеримент називають перевірним. Прикладів перевірних експериментів багато в сучасній фізиці. Численні елементарні частинки були спочатку передбачені теоретично: позитрон – П. Діраком, нейтрино – В. Паулі, цілий ряд елементарних частинок – відомим спеціалістом у галузі класифікації їх М. Гелл-Маном. Пізніше ці частинки були відкриті експериментально, тобто, по суті, було перевірено відповідні теоретичні твердження.
До експерименту звертаються також тоді, коли потрібно з метою навчання проілюструвати якесь явище. Такий експеримент називають ілюстративним, або демонстративним.
Будь-який із цих експериментів може здійснюватись як безпосередньо з об’єктом дослідження, так і з його замінником у пізнанні – моделлю. Найважливішою особливістю експериментування з моделлю є можливість вивчення її в набагато ширшому діапазоні умов, ніж це дає змогу безпосереднє оперування з оригіналом. До того ж експеримент можна здійснювати як з матеріальними об’єктами, так і з їхніми ідеальними копіями. В останньому випадку експеримент називають уявним. Уявний експеримент є специфічним методом пізнання, він виступає як ідеальна форма реального експерименту і вже давно і плідно застосовується в науці. Саме уявний експеримент дав змогу Г. Галілею відкрити фізичний принцип інерції, який покладено в основу всієї класичної механіки. А. Ейнштейн та інші вчені широко використовували мислені експерименти. Сфера застосування уявного експерименту набагато ширша, ніж матеріального. Проте перевірити вірогідність здобутих за допомогою уявного експерименту знань можна лише за допомогою реального експерименту, практики.
До другої групи належать такі методи пізнання: абстрагування, аналіз і синтез, індукція і дедукція, моделювання.
Абстрагування в розумовій діяльності людини має найуніверсальніший характер, оскільки саме мислення пов’язане безпосередньо з цим процесом або з використанням його наслідків. Розрізняють процес абстрагування і наслідок абстрагування, який називають абстракцією.
Процес абстрагування складається з двох стадій. На першій стадії абстрагування відбувається істотне відокремлення від неістотного, виявляється найважливіше в досліджуваних явищах, встановлюється незалежність (або дуже слабка залежність) досліджуваних явищ від певних факторів. Друга стадія процесу абстрагування полягає в реалізації можливості абстрагування, яку встановлено раніше. Це і є власне абстракція, або відвернення. Абстрагування може застосовуватись як до реальних, так і до абстрактних об’єктів, тобто до таких об’єктів, які самі вже є наслідком попереднього абстрагування. Отже, складна процедура абстрагування може застосовуватися до об’єкта багато разів. Йдучи від одного рівня абстрагування до іншого, ми дістаємо абстракції все більшого ступеня загальності.
Наслідком процесу абстрагування, як уже зазначалося, є абстракції. Основна їх функція полягає в тому, що вони дають змогу замінити в пізнанні порівняно складне простим, допомагають орієнтуватися в усій нескінченній різноманітності явищ диференціюванням їх, відокремленням різних властивостей, встановленням співвідношень і зв’язків між цими властивостями, фіксацією їх у процесі пізнання тощо.
Часто результат абстрагування виступає як специфічний метод дослідження, використовується при розв’язуванні деяких задач.
Аналіз і синтез діалектично взаємозв’язані, вони є нерозривною єдністю протилежностей. Причому основою діалектики аналізу і синтезу як методів пізнання виступає об’єктивна діалектика частини і цілого, одиничного і загального, зв’язку і обмеження.
Аналіз – це метод пізнання, змістом якого є сукупність заходів і закономірностей розчленування предмета дослідження на складові частини. Цими частинами можуть бути окремі матеріальні елементи об’єкта або його властивості й відношення.
Синтез – це метод пізнання, змістом якого є сукупність заходів і закономірностей поєднання окремих частин предмета в єдине ціле. З визначення цих методів випливає, що вони є протилежностями, які взаємно передбачають і доповнюють одна одну. Метафізична абсолютизація одного з цих методів нічого, крім шкоди, пізнанню завдати не може. Вся історія пізнання вчить, що аналіз і синтез виступають як плідні методи пізнання лише тоді, коли їх використовують у тісній єдності. Аналіз і синтез у пізнавальній діяльності щільно пов’язані і взаємно зумовлюють один одного. Для того щоб уможливити аналіз об’єкта, він має зафіксуватись у нашій свідомості як деяке ціле, тобто попередньою умовою аналізу є цілісне, синтетичне його сприйняття. І навпаки, синтез можливий лише тоді, коли вже здійснено аналіз, коли визначені ті або інші сторони й елементи деякого цілого.
Індукція і дедукція – це парні взаємозв’язані методи пізнання, що займають особливе місце в системі наукових методів. Вони включають в себе використання суто формальних правил. Поділ цих методів грунтується на виділенні двох типів висновків – дедуктивного та індуктивного. Дедуктивним називають такий висновок, коли знання про деякий елемент множини дістають на підставі знань загальних властивостей усієї множини. У зв’язку з цим іноді під дедуктивним методом пізнання розуміють дедуктивний висновок. Проте думка від загального до часткового може спрямовуватися не лише в окремому акті пізнання, яким є висновок. Така спрямованість думки дослідника може бути і при дослідженні певного кола явищ, при створенні наукової теорії і в інших випадках. Так, Дж. Максвелл на підставі кількох рівнянь, що є найбільш загальними законами електродинаміки, побудував послідовну і повну теорію електромагнітного поля. Таких прикладів у науці багато. Отже, змістом дедукції як методу пізнання є використання загальних наукових положень при дослідженні конкретних явищ.
Значення дедукції в пізнанні невпинно зростає. Це пов’язано з тим, що наука все частіше вивчає такі об’єкти, які не підлягають чуттєвому сприйняттю (мікросвіт, мегасвіт тощо). При пізнанні такого типу об’єктів частіше доводиться звертатися до думки, ніж до спостереження або експерименту. Значення дедукції в пізнанні зростає ще й тому, що в сучасній фізиці все ширше застосовується математика, яка описує крім реальних і формальні системи.
Під індукцією розуміють висновки, які йдуть від окремого до загального, коли на підставі знань про окремі предмети певного класу роблять висновок про клас у цілому. Однак індукція може розглядатися в більш широкому значенні – як метод пізнання, як сукупність послідовних операцій, унаслідок яких здійснюється мислення від менш загальних тверджень до більш загальних.
Отже, відмінність між індукцією і дедукцією полягає насамперед у прямо протилежній спрямованості перебігу думки.
Безпосередньою підставою для індуктивного висновку є повторюваність реальних явищ та їхніх ознак. Знаходячи схожі риси у багатьох предметів певного класу, робимо висновок, що вони притаманні всім предметам певного класу. При цьому вирішальне значення належить об’єктивній закономірності реальних явищ, діалектиці одиничного, особливого і загального. Оскільки у світі існують незліченні закономірні зв’язки, а в будь-якому явищі міститься дещо загальне, можна через пізнання окремого дійти до пізнання загального. Сила методу індукції полягає насамперед у тісному зв’язку з фактами, з практикою.
Індукція і дедукція взаємозв’язані й доповнюють одна одну. Індуктивне дослідження передбачає використання загальних теорій, принципів, тобто містить у собі момент дедукції, а дедукція неможлива без загальних положень, що їх дістають індуктивним методом.
Моделювання – це особливий і універсальний метод наукового пізнання, який застосовується не стихійно, а свідомо й систематично. При філософському аналізі пізнання маємо справу насамперед із різноманітністю форм моделювання. Часто різні засоби об’єднуються під назвою моделювання. Це пов’язано з тим, що в сучасній науці метод моделювання узагальнюється.
У літературі використовується таке визначення цього методу: моделювання – це заміна вивчення явища в натурі, яке нас цікавить, вивчення аналогічного явища на моделі меншого чи більшого масштабу звичайно в спеціальних лабораторних умовах **.
В основі моделювання лежить подібність. Найпростіша її форма – геометрична. Узагальненням геометричної подібності може бути механічна форма. Як особливий метод експериментального пізнання, моделювання у фізиці набуває більш складного характеру. В теоретичному пізнанні моделювання – це використання моделей, що складаються з ідеальних уявних елементів. Такі моделі виступають насамперед як деякі контури, що передають певні риси модельованого об’єкта.
Перший етап моделювання в теоретичному пізнанні – це побудова моделі. На цьому етапі превалюють моделі реального об’єкта, внаслідок чого модель у гносеологічному плані є деяким обрисом об’єкта. Одна з логічних основ моделювання – особливий вид висновку – аналогія ***.
При цьому моделювання відбуватиметься не при будь-якій аналогії, а лише у разі заміни моделлю модельованого об’єкта.
Другий етап моделювання – дослідження побудованої моделі. На цьому етапі модель (незалежно від того, складається вона із матеріальних або лише уявних елементів) є відносно самостійним квазі-об’єктом (об’єктом-заступником), що становить немовби іншу штучну дійсність, за допомогою якої ми проникаємо в суть предметів і явищ, що нас цікавлять. На цьому етапі основним виступає “об’єктність” моделі, її здатність бути предметом дослідження, замінити в певних межах об’єкт пізнання.
Третій етап моделювання – екстраполяція (поширення) інформації, добутої при вивченні вторинної модельної дійсності, “на первинну дійсність”, на сам об’єкт пізнання.
Четвертий етап моделювання пов’язаний з практичною перевіркою екстраполяції такого роду.
Отже, якщо брати лише “статику” моделювання, то можна обмежитися тлумаченням моделі, що відображає окремі риси об’єкта пізнання. Якщо розглядати динаміку процесу моделювання, то слід ураховувати і об’єктність моделі, тобто її здатність бути відносно самостійним предметом дослідження. В процесі моделювання “образність” і “об’єктність” моделі виступають в єдності, оскільки відомою однобічністю характеризується тлумачення моделі як образу, так і протилежний погляд, згідно з яким модель розглядається як відносно самостійний замінник предмета дослідження. Тому слід ураховувати діалектичну складність, багатоетапність процесу моделювання, органічну єдність у цьому процесі двох суперечливих моментів – “образності” і “об’єктності” моделі.
Отже, щодо моделей в техніці, експерименті й теоретичному пізнанні можна дати загальне визначення поняття моделі. Модель – це особливого роду проміжний предмет дослідження, побудований із матеріальних чи ідеальних (уявних) елементів, що перебувають у певній відповідності з самим об’єктом пізнання, і здатний заміняти об’єкт на деяких етапах пізнання. Згідно з цим моделювання можна розглядати як метод опосередкованого одержання інформації про об’єкт пізнання за допомогою дослідження деякого замінника об’єкта, що є з ним у певній відповідності.
У гносеологічному плані моделі доцільно розділити на два основних типи: речові у формі системи, що реально функціонує, і уявні у формі деяких ідеальних структур. Моделі другого типу, що використовуються в теоретичному природознавстві, поділяють на наочні, чуттєво уявні і абстрактно-логічні.
Основною рисою всіх типів моделювання є те, що об’єкт дослідження опосереднюють через проміжний квазі-об’єкт, який замінює сам об’єкт на певних етапах практичної чи теоретичної діяльності. Тому моделювання виступає насамперед як вид опосереднення на практиці і в процесі пізнання, що здійснюється заміною самого об’єкта квазі-об’єктом (моделлю). Метод модельного опосереднення тісно пов’язаний з іншими пізнавальними засобами і формами сучасної науки – аналогією, гіпотезою, приладним опосередненням, теорією тощо.
Моделювання підпорядковане основному завданню – створенню наукової теорії, що здатна пояснити об’єктивну реальність. Об’єктивним критерієм істинності модельного знання, як і в будь-якій іншій пізнавальній формі, і взагалі процесу пізнання в цілому, є суспільно-історична практика.
Про застосування методу моделювання у фізиці йтиметься в одному з наступних підрозділів цього розділу.
До третьої групи наукових методів пізнання в фізиці належать такі методи, як сходження від абстрактного до конкретного, ідеалізація, формалізація, аксіоматичний метод.
Сходження від абстрактного до конкретного. Під абстрактним розуміють однобічне, неповне знання, що не розкриває суті предмета в цілому. Об’єктивним змістом абстрактного є окремі сторони, властивості і зв’язки речей. Під конкретним розуміють саму дійсність, різні об’єкти в усій різноманітності їхніх властивостей, зв’язків і відношень.
Термін “конкретне” використовують також для позначення багатогранного, всебічного, систематичного знання про об’єкт. Конкретне знання виступає як протилежність до абстрактного, тобто знання, збідненого за змістом, однобічного.
Перехід від абстрактного до конкретного є загальною формою розвитку наукового знання, законом відображення дійсності в мисленні. Відповідно до цього методу процес пізнання складається з двох відносно самостійних етапів. На першому етапі здійснюється перехід від чуттєво-конкретного до його абстрактних визначень. Єдиний об’єкт розчленовується, описується за допомогою багатьох понять і суджень. Він ніби перетворюється в сукупність зафіксованих мисленням абстракцій, однобічних визначень. Другий етап процесу пізнання і є переходом від абстрактного до конкретного. Суть його полягає в мисленні від абстрактних визначень об’єкта, тобто від абстрактного в пізнанні, до всебічного, багатогранного знання про об’єкт, до конкретного в пізнанні. На цьому етапі ніби відновлюється вихідна цілісність об’єкта, він відтворюється в усій своїй багатогранності – проте вже в мисленні. Одержання абстракцій однобічних визначень підпорядковане загальній меті – досягненню конкретного. Отримання конкретного знання – це мета, яка як закон визначає дії теоретика. У цьому плані абстрактне виступає лише як засіб досягнення поставленої мети. Тому такий метод пізнання називають сходженням від абстрактного до конкретного. Вище зазначене не означає, що перехід від конкретного до абстрактного можна недооцінювати. Без цього етапу пізнання неможливо збагнути об’єкт у всій його конкретності.
Ідеалізація. З метою наукового пізнання широко використовують так звані ідеальні об’єкти, які не існують в дійсності: матеріальна точка, математичний маятник, абсолютно тверде тіло, ідеальний газ, абсолютно чорне тіло, точковий електричний заряд тощо. Уявне конструювання об’єкта такого типу називають ідеалізацією. Процес конструювання ідеального об’єкта обов’язково передбачає абстрагування. Створюючи такий ідеальний об’єкт, як абсолютно тверде тіло, ми абстрагуємось від здатності реальних тіл деформуватися під впливом зовнішніх сил. Крім абстрагування велике значення при формуванні ідеальних об’єктів мають також інші мислені експерименти. Це пов’язано з тим, що при уявному конструюванні ідеальних об’єктів реальні об’єкти втрачають деякі притаманні їм властивості, їм приписують певні нереальні, гіпотетичні, практично неіснуючі властивості. Використання ідеальних об’єктів дає змогу здійснити перехід від емпіричних законів до точного математичного формулювання їх, що значно полегшує дедуктивну побудову певних галузей знань. З історії науки відомо багато прикладів, коли використання ідеальних об’єктів приводило до визначних відкриттів (класична механіка, теорія відносності). Щоправда, ідеалізація – це специфічне спрощення дійсності. Будь-яка ідеалізація правомірна лише в певних межах, вона призначена для наукового розв’язання лише певних проблем. Наприклад, ньютонівські ідеалізації “абсолютний простір”, “абсолютний час” були відкинуті сучасною фізикою. На основі цих ідеалізацій у відомих дослідах Майкельсона з виявлення руху Землі щодо ефіру дістали негативний результат. Отже, використання в науці ідеальних об’єктів приводить до висновку, що наукове пізнання – це складний процес, який передбачає крім моментів творчості моменти фантазії, відхід думки від дійсності.
Формалізація. Під формалізацією в широкому значенні розуміють метод вивчення найрізноманітніших об’єктів відображенням змісту та структури їх у знаковій формі за допомогою різних штучних способів, наприклад математики, математичної логіки тощо. Використання спеціальної символіки в цих науках є необхідним і прогресуючим методом відображення дійсності людиною. Вивчення напів-формалізованих дисциплін, особливо математичних – диференціального, інтегрального числень тощо, наочно демонструє пізнавальну здатність та ефективність методу формалізації. За допомогою диференціального та інтегрального числень розв’язують різні задачі одним уніфікованим методом, відшукують загальні алгоритми вирішення таких проблем. Метод формалізації грунтується на використанні спеціальної символіки, введення якої забезпечує лаконічність і чіткість фіксації знань. Цим значною мірою зумовлена витонченість математичних і фізичних теорій, компактність і своєрідна краса їх.
Розвиток фізики нерозривно пов’язаний із розвитком математики.
Створення інтегрального і диференціального числень відкрило небачені перспективи для розвитку як математики, так і суміжних наук – механіки, астрономії, фізики. Математика стала знаряддям дослідження природи і технічних процесів. Математичне формулювання законів механіки, дане І. Ньютоном, сприяло досягненню визначних успіхів науки, внаслідок яких людство дістало можливість не лише описувати події, що відбулися, а й передбачати явища, яких ще не було. Розрахунок почав випереджати експеримент і виготовлення проектних зразків. Одним з яскравих прикладів цього слід вважати математичне передбачення особливостей польоту космічних ракет і розрахунок їхніх траєкторій.
Методи математичного аналізу набули широкого застосування на початку XIX ст. при вивченні багатьох фізичних явищ – поширення хвиль, теплоти, електрики в різних середовищах. Завдяки застосуванню математичних методів якісне описання явищ замінив кількісний аналіз, що дав змогу встановити закони поширення їх. Розширення поля дії математичного апарату сприяло не тільки розвитку його деталей, а й істотній перебудові змісту всієї математики. Так, молекулярна фізика, яка в середині XIX ст. перейшла із стану якісних уявлень і словесних міркувань у точну науку з кількісними методами дослідження, привела до уявлень про багатовимірний простір. Це поняття спричинило істотні зміни уявлень і в математиці, яка ще у XVIII – першій половині XIX ст. тісно пов’язувалася з геометричними образами звичного тривимірного простору і кількісними відношеннями, що виражаються за допомогою чисел. Це незмінно зміщувало центр математичних інтересів то в одну, то в іншу сферу. XIX ст. пройшло під знаком розвитку теорії диференціальних рівнянь. Початок XX ст. характеризувався бурхливим розвитком теорії інтегральних рівнянь і теорії функцій комплексного змінного. Проте вже в 20-х роках XX ст. виявилося, що класичного апарату аналізу недостатньо. У розвитку математичних теорій активну участь взяли фізики, так само як в розвитку фізичних теорій брали участь математики. Поглиблене вивчення фізичних властивостей матерії сприяло вдосконаленню математичного апарату. Він став гнучкішим і точніше відображав явища природи. Принципове зрушення у свідомості математиків і фізиків пов’язане з розвитком молекулярних уявлень. Численні нарікання на кінетичну теорію матерії, які висловлювалися в XIX ст., припинилися на початку XX ст. завдяки вдало поставленим експериментам, а також поясненню явищ броунівського руху і дифузії, виходячи зі статистичної природи їх.
Теорія ймовірностей, яка сприяла розвитку кінетичної теорії матерії, стала об’єктом впливу статистичної фізики. Вже на початку XX ст. фізики, бажаючи вивчити явище дифузії з погляду кінетичної теорії, зробили першу спробу наблизити теорію ймовірності до потреб фізики. їм належить спроба вивчення випадкових величин, що змінюються з часом, тобто випадкових процесів. Практика потребувала повного перегляду логічного фундаменту теорії ймовірностей, оскільки її основні поняття і математичний апарат не відповідали вимогам фізики. Подібні вимоги протягом останніх півтораста років фізика ставила перед математиками, адже математика для фізики стала тією мовою, якою їй вдається найбільш точно виражати свої закономірності, виявляти нові, а також перевіряти положення, які лежать в основі поглядів на суть тих чи інших фізичних явищ. Зміст сучасної математики значною мірою склався під впливом вимог трьох наук – астрономії, механіки і фізики. Фізика й нині є не тільки споживачем уже готових математичних теорій, а й постійно наштовхує на створення нових математичних напрямів. Така співдружність фізики й математики дає змогу їм разом успішно просуватися вперед, і кожний новий успіх однієї з них допомагає другій робити новий крок у пізнанні природи.
Тепер, коли основні зусилля фізиків спрямовані на вивчення явищ мікросвіту, роль математики у фізичних дослідженнях незмірно зросла. Проте, як і в минулому, математична теорія фізичних явищ підлягає ретельній експериментальній перевірці. Від математичної теорії вимагається значно більше, ніж збіг теоретичних розрахунків із результатами експерименту: від неї вимагається формулювання загальних закономірностей і, як наслідок, передбачення нових, ще невідомих до цього. Математика і фізика й надалі розвиватимуться, взаємозбагачуючи одна одну і допомагаючи глибше проникати в суть як макро-, так і мікросвіту.
Формалізація дає змогу побудувати знакові моделі об’єктів, а вивчення реальних речей і процесів замінити вивченням моделей, що значно полегшує розв’язання пізнавальних задач. Метод формалізації тісно пов’язаний із багатьма іншими методами – моделюванням, абстрагуванням, ідеалізацією тощо. Щодо моделювання він носить у певному розумінні службовий характер, оскільки виступає як спосіб знакового моделювання. Використання методів абстрагування та ідеалізації є вихідною умовою методу формалізації. Тому формалізація неможлива без попереднього оброблення, спрощення досліджуваних об’єктів. Ефективність методу формалізації визначається тим, наскільки точно виявлено основне у складі об’єкта, наскільки вдало схоплено його суть. Без цього навіть найвправніші формальні маніпуляції з символами залишаються марними або призводять до помилкових висновків.
Аксіоматичний метод – один із найпоширеніших способів організації наукового знання. Особливо широко він вживається в математиці і математичних науках. Під аксіоматичним методом побудови певної наукової теорії або дисципліни розуміють таку організацію їх, коли ряд тверджень береться без доведення. Ці твердження називають аксіомами. Інше знання фіксується у вигляді лем, теорем, законів тощо. Прикладами аксіоматично побудованих систем знання можуть бути електромагнітна теорія Максвелла, теорія відносності Ейнштейна та багато інших. Аксіоматично побудована теорія визнається істинною лише тоді, коли істинними будуть її аксіоми і правила, за якими одержані всі інші твердження. Лише в такому разі теорія правильно відображає дійсність. Сфера застосування аксіоматичного методу хоч і зростає, проте залишається ще відносно обмеженою. В науках нематематичного профілю цей метод відіграє допоміжну роль, а прогрес у його застосуванні істотно залежить від рівня математизації відповідної галузі знання. Значно ширше аксіоматичний метод застосовується в математиці, але й тут у нього є певні межі. Отже, всі згадані методи – це науковий арсенал фізики в знаходженні відносних істин, у пізнанні реальної дійсності.
__________________________________________________________________________
* Сичивица О. М. Методы и формы научного познания. – М.: Высш. шк., 1972.
** Седов Л. И. Методы подобия и размерности в механике. – М.: Наука, 1965.
*** Уемов А. И. Аналогия в практике научного исследования. – М.: Наука, 1970.
(1 votes, average: 5.00 out of 5)
Loading...