Научный метод для начинающих. Часть 2
В предыдущей части я рассказал об инструментах научного метода.
Научный поиск
Осталось узнать, как все это применяется в науке. Да, в общем-то просто. И, одновременно, сложно.
Начинается все с эксперимента, в результате которого были получены новые данные, расходящиеся с тем, что должно быть согласно существующей теории.
Любая теория имеет область применимости. Ньютоновская механика, как известно, справедлива везде, где нет слишком больших скоростей и слишком мощной гравитации. При расчетах, скажем, межпланетных полетов или движения планет вокруг Солнца она работает прекрасно. Только у Меркурия небольшую неточность дает: не объясняет поворот перигелия на 43” за сто лет. Сорок три угловых секунды - очень немного, как понимаете. Этот эффект объясняет общая теория относительности. Без нее не обойтись при описании массивных плотных объектов - нейтронных звезд и черных дыр. Но и она имеет ограничения. Правда, до них современная наука еще не добралась.
Эти новые данные необходимо объяснить.
Для начала, конечно, проверить. Может, тот, кто проводил эксперимент, с бодуна был. Или в телескоп глянул не с того конца после травки. А может, просто прибор был плохо настроен. Да мало ли что! Поэтому каждый выбивающийся из общего ряда эксперимент обязательно проверяется. В том числе другими людьми. И на другом оборудовании. И только если непонятный результат первого был повторен и неоднократно, он принимается, как факт.
Для объяснения создается новая гипотеза. Тут тоже есть определенные правила.
- Во-первых, гипотеза должна не отменять старую теорию, а переходить в нее при тех условиях, которые хорошо изучены, и в которых старая теория справедлива. То есть, она должна соответствовать всем «старым» экспериментам, которые укладываются в старую теорию.
- Во-вторых, она должна не просто объяснять старые факты по-новому, но и включать в себя объяснение новых фактов.
- В-третьих, она должна предсказывать какие-то новые явления, которые можно проверить экспериментально.
После разработки такой гипотезы её проверяют. Обычно бывает не одна, а несколько различных гипотез, из которых может остаться в конечном счете не больше одной. Так, например, для объяснения аномального смещения перигелия Меркурия в свое время были выдвинуты несколько предположений, в том числе планета между Меркурием и Солнцем и кольцо переменной плотности там же. Но экспериментально была подтверждена только общая теория относительности.
Для проверки гипотезы берут те её выводы, в которых она расходится со старой теорией, и проверяют их экспериментально. Чем больше успешных проверок выдержала гипотеза, тем более основательной она считается. Наконец, данных, подтверждающих ее становится настолько много, что она переходит в разряд доказанных и становится либо новым открытым законом, либо новой теорией.
Еще одно замечание, ставшее важным из-за неверной трактовки терминов некоторыми несознательными гражданами. Они любят говорить что-то вроде: «Это всего лишь теория!»
Так вот. В науке теория - система знаний и законов. Есть теории, которые доказаны экспериментально, такие, как теория относительности, квантовая электродинамика, теория эволюции. Есть теории, которые получили некоторые подтверждения, но еще не могут считаться доказанными, например, теория инфляции. Есть и те, которые только разрабатываются, например теория струн, которая уже много лет подает большие надежды, но пока не выдала ничего. Может быть, она будет самой значительной теорией за всю историю науки, может, будет отброшена. В конечном счете все решит эксперимент.
Простые примеры
Теория теплорода. Одно время для объяснения тепловых явлений - нагревания, передачи тепла была выдвинута теория, которая постулировала существование особой невесомой материи, единственным свойством которой было повышать температуру тел. Чем больше теплорода поглощает предмет, тем он горячее. Эта теория объясняла известные на тот момент тепловые явления и была общепринятой до тех пор, пока Бенджамин Томсон (1798 г.) и Гемфри Дэви (1799 г.) не показали экспериментально, что тепло выделяется при механических процессах (точнее, в трении). Теория теплорода была отвергнута, а вместо нее была разработана молекулярно кинетическая теория, которая и сейчас, правда, под несколько измененным названием, является теорией тепловых (и некоторых других) явлений.
Гелиоцентрическая система. В средние века общепринятой (и освященной церковью) была геоцентрическая система мира. В центре мироздания - Земля, а все остальное - Солнце, Луна, планеты, звезды - вращаются вокруг нее. В середине XVI века Николай Коперник разработал первый, еще очень несовершенный вариант гелиоцентрической системы. Его теория естественно объясняла движение планет вместе с так называемым «попятным движением», но имела и свои трудности. В основном это было связано с неточностью теории, в том числе с тем, что планеты в теории Коперника двигались по окружностям.
Положение исправил Иоганн Кеплер, на основе многолетних наблюдений Тихо Браге вывел законы, по которым движутся планеты, в частности, определил, что орбиты планет - эллипсы.
Наконец, Исаак Ньютон добавил то, чего не хватало в гелиоцентрической теории - теоретического обоснования. Без его закона всемирного тяготения гелиоцентрическая теория просто описывала движение планет, не объясняя, почему они так движутся. Уточнение в гелиоцентрическую теорию внесла общая теория относительности, объяснив последнюю неточность: смещение перигелия орбиты Меркурия на 43” за столетие.
На сегодняшний день гелиоцентрическая теория полностью доказана экспериментально, в том числе и полетами межпланетных аппаратов к Меркурию, Венере и другим планетам Солнечной системы.
Продолжение следует...