§ 3. Научные методы изучения природы

совокупность основных приемов, способов и логических операций, с помощью которых изучаются природные явления, формулируются объективные законы и проверяется их истинность.

• 1. Цель науки — описание, строгое объяснение наблюдаемых явлений, установление законов природы и предсказание новых, ранее неизвестных эффектов.
• 2. Единство естественных наук — все науки о природе (физика, химия, биология, астрономия) объединены общим объектом изучения (природой) и фундаментальными методами познания.

первичный эмпирический метод исследования, заключающийся в целенаправленном восприятии физических явлений в естественных условиях без активного вмешательства исследователя.

• 1. Средства наблюдения — осуществляется непосредственно с помощью органов чувств человека (зрение, слух, осязание) либо с использованием приборов (телескопы, микроскопы, оптические спектрометры).
• 2. Ограниченность метода — простое наблюдение лишь констатирует ход явления, но редко позволяет вскрыть его скрытые физические механизмы из-за множества побочных влияний.

фундаментальный научный метод познания, при котором явление искусственно воспроизводится в лаборатории в строго контролируемых и управляемых условиях.

• 1. Изоляция факторов — исследователь имеет возможность устранять мешающие помехи (например, откачивать воздух для устранения аэродинамического сопротивления) и изменять параметры по заданному плану.
• 2. Роль измерений — при проведении любого физического опыта обязательно выполняются количественные измерения физических величин с помощью измерительных инструментов.
• 3. Основоположник метода — итальянский ученый Галилео Галилей (1564–1642) доказал незаменимость эксперимента, исследовав падение тел с Пизанской башни и заложив основы математического описания механики.

научное предположение или догадка о причинах явления, внутренних связях или скрытых свойствах материи, выдвигаемая для объяснения данных наблюдений и требующая обязательной опытной проверки.

• 1. Критерий истинности — гипотеза считается научной только тогда, когда ее следствия могут быть проверены экспериментом; если опыт опровергает гипотезу, ее отвергают либо уточняют, формулируя новую.

упрощенный, идеализированный объект или образ реального явления, сохраняющий только те ключевые свойства и связи, которые наиболее существенны для решения поставленной задачи.

• 1. Примеры — материальная точка (тело, размерами которого в условиях задачи можно пренебречь), световой луч, абсолютно твердое тело.

высшая форма обобщения научных знаний; стройная логическая система проверенных принципов, законов и математических формул, целостно объясняющая широкий класс явлений природы и обладающая мощной предсказательной силой.

• 1. Предсказательная сила — классическая теория тяготения Исаака Ньютона (XVII в.) не только объяснила земную гравитацию и движение Луны, но и позволила предсказать возвращение кометы Галлея (1758 г.), а также математически рассчитать координаты неизвестной планеты Нептун, открытой астрономами в 1846 году.

непрерывный спиралевидный процесс углубления человеческих знаний о природе, состоящий из закономерной последовательности взаимосвязанных этапов:

• 1. Наблюдение явления — сбор первичных эмпирических фактов о природном процессе.
• 2. Постановка первичных опытов — воспроизведение явления и сбор количественных данных.
• 3. Выдвижение гипотезы — теоретическое предположение о внутренней закономерности.
• 4. Проверка гипотезы экспериментом — подтверждение или опровержение выдвинутой догадки.
• 5. Построение научной теории — создание математического аппарата и выведение следствий.
• 6. Проверка предсказаний теории новыми опытами — практическое подтверждение теории; при выявлении новых расхождений теория совершенствуется и цикл продолжается на качественно новом уровне по восходящей спирали.

Итальянский физик, механик и астроном, один из основателей точного естествознания и экспериментального метода в физике. Заложил основы классической механики, опроверг учение Аристотеля о падении тел и впервые применил математическое описание физических явлений.

• Обосновал необходимость сочетания систематических наблюдений с целенаправленным физическим экспериментом и математическим моделированием явлений.
• Доказал опытным путём, что причиной различия во времени падения тел в воздухе является сопротивление среды, а не разница в их массе.
• Выдвинул гипотезу и математически вывел, что пройденный телом путь при свободном падении прямо пропорционален квадрату времени, подтвердив это опытами.

Английский физик, математик, механик и астроном, создатель классической механики и теории тяготения. Сформулировал фундаментальную физическую теорию, объединившую земные и небесные явления и обладающую мощной предсказательной силой.

• Создал фундаментальную теорию тяготения, доказав, что падение земных тел и движение планет вокруг Солнца подчиняются единому физическому закону.
• Продемонстрировал предсказательную силу научной теории, позволившей математически вычислить возвращение кометы Галлея и открыть планету Нептун.
• Сформировал строгую модель научного познания в физике, основанную на переходе от наблюдений и экспериментов к общим теоретическим законам.

Научные знания о явлениях природы получают последовательным путем через цикл научного познания, сочетающий эмпирические и теоретические методы. Процесс начинается с внимательного наблюдения природных явлений с помощью органов чувств и научных приборов. Затем ученые воспроизводят явление в лаборатории в контролируемых условиях — проводят опыты (эксперименты) и выполняют точные измерения величин. На основе накопленных фактов исследователи выдвигают гипотезы (научные догадки), формулируют математические модели, проверяют их новыми специализированными экспериментами и создают фундаментальные физические теории, способные предсказывать новые явления.

Разница между наблюдением и опытом носит принципиальный характер:

• Характер взаимодействия с объектом: при наблюдении исследователь пассивно следит за ходом явления в естественной среде, не вмешиваясь в естественный ход событий (например, любуется радугой или следит за молнией). При постановке опыта ученый активно вмешивается в процесс: сам искусственно вызывает явление в специально оборудованной лаборатории;
• Контроль условий: в ходе опыта исследователь может изолировать изучаемый процесс от случайных внешних факторов (устранять сквозняки, создавать вакуум, изменять температуру или освещенность) и многократно повторять эксперимент при строго заданных параметрах;
• Измерения: опыт, как правило, неразрывно связан с проведением точных количественных измерений физических величин приборами, тогда как наблюдение часто дает лишь качественную картину.

Да, гипотеза может оказаться ошибочной. Поскольку гипотеза — это всего лишь предварительное предположение или научная догадка, она может не учитывать всех факторов реального мира (например, интуитивная гипотеза о том, что тяжелые тела падают быстрее легких из-за большей массы, кажется очевидной, но оказывается неверной при исключении влияния воздуха).

Единственным критерием истинности любой физической гипотезы является опыт (эксперимент). Чтобы определить, истинна гипотеза или ложна, ученые планируют и проводят специально поставленные проверочные опыты. Если результаты экспериментов стабильно согласуются с выводами гипотезы, она признается верной и ложится в основу физического закона или теории. Если же опыт опровергает следствия гипотезы, ее отвергают либо корректируют.

Основными последовательными этапами цикла научного познания являются:

• Наблюдение явления в природе и накопление первичных фактов;
• Постановка предварительных опытов и выполнение измерений;
• Выдвижение научной гипотезы (предположения о причине или математической закономерности явления);
• Экспериментальная проверка гипотезы с помощью целенаправленных опытов;
• Построение физической теории, формулирование общих законов на математическом языке и логический вывод следствий;
• Проверка предсказаний теории новыми экспериментами на практике.

Если предсказания теории подтверждаются, границы познания расширяются; если обнаруживаются расхождения, теория уточняется, и процесс познания продолжается по восходящей спирали.