Цілі навчання:

Розуміння наукового методу. Визначення сфери застосування фізики. Розуміння різниці між теорією та моделлю. Отримання уявлення про те, як мислить фізик.

Наукова теорія…

повинна пояснювати фізичний світ, і може бути або не бути експериментально підтверджуваною. доводить коректність наших моделей і має бути експериментально підтверджуваною. описує фізичний світ і має піддаватися експериментальній перевірці. має спростувати інші теорії, і може бути або не бути експериментально підтверджуваною.

Наука і науковий метод

Наука — це процес опису навколишнього світу. Важливо відзначити, що опис навколишнього світу — це не те саме, що пояснення світу навколо нас. Наука прагне відповісти на питання “Як?” а не питання «Чому?». Коли ми розробляємо наш опис фізичного світу, ми повинні пам’ятати цю важливу відмінність і протистояти бажанню запитати «Чому?».

Науковий метод — це інструкція для створення опису фізичного світу, який кожен може оскаржити та вдосконалити, проводячи експерименти. Якщо ми створимо опис, який здатен відтворити багато спостережень, або результат багатьох різних експериментів, то ми зазвичай називаємо цей опис “Науковою теорією”. Ми можемо отримати деяке уявлення про Науковий Метод на простому прикладі.

Уявіть, що ми хочемо описати, скільки часу потрібно для того, щоб тенісний м’яч досяг землі після того, як він був відпущений з певної висоти. Один зі способів це зробити — описати, скільки часу потрібно, щоб тенісний м’яч впав з 1 , а потім описати, скільки часу потрібно, щоб тенісний м’яч впав з 2  тощо. Ми могли б створити гігантську таблицю, яка показує, скільки часу потрібно тенісному м’ячу, скинутому з будь-якої заданої висоти. Тоді хтось зможе провести експеримент, аби виміряти, скільки часу потрібно тенісному м’ячу, щоб впасти з 1  або 2  і подивитися, чи їх вимірювання узгоджується з табличними значеннями. Якби ми зібрали описи для всіх можливих висот, ми б отримали дійсну і перевірювану наукову теорію, яка описує, скільки часу потрібно тенісним м’ячам, щоб впасти з будь-якої висоти.

Припустимо, що перспективний вчений, назвемо її Хлоя, потім прийшов і помітив, що в теорії є закономірність, яку можна описати набагато лаконічніше та узагальнено, ніж за допомогою гігантської таблиці. Зокрема, припустимо, що вона помічає, що математично час, , який потрібен для того, щоб тенісний м’яч впав з висоти, , є пропорційним квадратному кореню висоти:

Використаємо теорію Хлої (), аби визначити, наскільки більше знадобиться часу, щоб об’єкт впав з висоти 2 , ніж якби він впав з 1 .

Коли у нас є закон пропорційності (зі знаком ), ми завжди можемо змінити його на рівність, вводячи константу, яку ми назвемо : Нехай - час падіння на відстань , а - час падіння на відстань . З урахуванням нашої невідомої константи, , ми маємо: Беручи співвідношення, , наша невідома константа скасовується: і ми знаходимо, що падіння з 2  займе у рази більше часу, ніж буде з 1 .

«Теорія часу падіння тенісного м’яча» Хлої приваблива, тому що вона локанічна, і також дозволяє нам робити перевірювані прогнози. Тобто, використовуючи цю теорію, ми можемо передбачити, що тенісний м’яч буде падати у рази довше з 2 , ніж з 1 , а далі провести експеримент для перевірки цього прогнозу. Якщо експеримент збігається з прогнозом, то ми робимо висновок, що теорія Хлої адекватно описує результат цього конкретного експерименту. Якщо експеримент не узгоджується з прогнозом - ми робимо висновок, що теорія не є адекватним описом цього експерименту, і намагаємося знайти нову теорію.

Теорія Хлої також приваблива, оскільки вона може описати не тільки тенісні м’ячі , а також час, необхідний для того, щоб впали інші предмети. Тоді вчені можуть продовжити перевірку її теорії з широким діапазоном об’єктів і висоти падіння, аби побачити, чи описує теорія ці експерименти також. Неминуче вони виявлять ситуації, коли Теорія Хлої не в змозі адекватно описати час, потрібний для предметів, щоб впасти (ви можете придумати приклад?).

Тоді ми розробили б нову “Теорію падаючих предметів”, яка включає теорію Хлої, що описує більшість падаючих об’єктів, і додатково, набір описів часів падіння для випадків, які не описані теорією Хлої. В ідеалі, ми б шукали нову теорію яка також у стислій формі описувала б нові явища, не описані Хлоєю. Звичайно, немає ніякої гарантії, що така теорія існувала б; це просто оптимістична надія фізиків знайти найбільш загальний і стислий опис фізичного світу. Це загальна різниця між фізикою та багатьма іншими науками. У фізиці завжди намагаються прийти до стислої теорії (наприклад, рівняння), яка може описувати багато явищ, тоді як інші науки часто дуже описові. Наприклад, немає стислої формули того, як виглядають метелики; швидше, існує гігантська колекція спостережень за різними метеликами.

Цей приклад підкреслює, що застосування наукового методу є ітераційним процесом. Загалом, рецепт для застосування наукового методу наступний:

Визначте та опишіть процес, який наразі не описаний теорією. Подивіться на схожі процеси, аби побачити, чи можна їх описати подібним чином. Покращіть опис, щоб прийти до “Теорії”, яку можна узагальнити, аби робити прогнози. Перевіряйте передбачення теорії на нових процесах, поки передбачення не виявиться хибним. Вдоскональте теорію.

Заповніть пропуски:

Фізика - це галузь науки, яка ___ поведінку Всесвіту. Займаючись фізикою, ми намагаємося відповісти на питання про те, ___ речі працюють таким чином, яким вони працюють.

пояснює описує

як чому

Теорії, гіпотези та моделі

В даному підручнику (і науці в цілому) ми вводимо відмінність у тому, що мається на увазі під «теорією», «гіпотезою» та «моделлю». Ми будемо розглядати «теорію» як набір тверджень (або рівнянь) що дає нам широкий опис, застосовний до декількох явищ і що дозволяє нам робити верифіковані прогнози. Наприклад, Теорію Хлої () можна вважати теорією. Зокрема, ми не використовуємо слово «теорія» в контексті “У мене є теорія про це…”

«Гіпотеза» - це наслідок теорії, який можна перевірити. З теорії Хлої ми маємо гіпотезу про те, що об’єкт впаде у рази швидше з , ніж з . Ми можемо сформулювати гіпотезу на основі теорії, а потім перевірити цю гіпотезу. Якщо експеримент визнає гіпотезу недійсною, тоді або теорія неправильна, або гіпотеза не узгоджується з теорією.

«Модель» - це специфічний для ситуації опис явища, заснований на теорії, який дозволяє зробити конкретний прогноз. Використовуючи приклад з попередньої секції, наша теорія полягає в тому, що час падіння об’єкта пропорційний квадратному кореню висоти падіння, а модель буде застосовувати цю теорію для опису падіння тенісного м’яча з висоти 4,2 . З моделі ми можемо сформулювати перевірювану гіпотезу скільки часу потрібно тенісному м’ячу, щоб впасти з цієї висоти. Важливо відзначити, що модель майже завжди буде наближенням теорії, що застосовується для опису конкретного явища. Наприклад, якщо теорія Хлої дійсна лише у вакуумі, а ми використовуємо її для моделювання часу що потрібний, аби об’єкт впав на поверхню Землі, ми можемо виявити, що наша модель не узгоджується з експериментом. Ми не обов’язково зробимо висновок, що теорія є недійсною, якщо наша модель не застосувала теорію для опису явища адекватно (наприклад, забувши включити вплив опору повітря).

Цей підручник познайомить вас з теоріями з класичної фізики, які були в основному встановлені та перевірені між сімнадцятим і дев’ятнадцятим століттями. Будемо вважати, що читачі цього підручника навряд чи будуть проводити експерименти, які кидають виклик цим усталеним теоріям. Основним викликом буде, з огляду на теорію, визначити модель, яка описує конкретну ситуацію, а потім випробувати цю модель. Таким чином, цей вступний курс фізики зосереджений на “занятті фізикою” як процесі правильного моделювання ситуації.

У чому різниця між моделлю та теорією? «Модель» та «Теорія» іноді використовуються як взаємозамінні серед науковців. У фізиці особливо важливо розрізняти ці два терміни. Модель забезпечує негайне розуміння чогось, засноване на теорії.

Наприклад, якщо ви хочете змоделювати запуск вашої іграшкової ракети в космос, ви можете запустити комп’ютерне моделювання запуску на основі різних теорій руху, які ви вивчили. У такому випадку модель - це комп’ютерне моделювання, яке описує, що відбудеться з ракетою. Ця модель залежить від різних теорій, які були широко перевірені, таких як закони руху Ньютона, динаміка рідини тощо.

«Модель» - ваша саморобна комп’ютерна симуляція ракети «Теорія»: закони руху Ньютона, динаміка рідини

За допомогою цієї аналогії ми можемо швидко побачити, що терміни «модель» та «теорія» не є взаємозамінними. Якби вони були, ми б сказали, що всі Закони руху Ньютона залежать від успіху вашої іграшкової комп’ютерної симуляції ракети!

Моделі не можуть бути науково перевірені, можуть бути перевірені лише теорії.

так ні

Боротьба з інтуїцією

Важливо пам’ятати про боротьбу з інтуїцією при застосуванні наукового методу. Деякі теорії, такі як квантова механіка, є дуже нелогічними. Наприклад, в квантовій механіці об’єкт може бути описаний як такий, що перебуває у двох місцях одночасно. У Спеціальній Теорії Відносності дві людини можуть не погодитися у тому, чи сталися дві події одночасно. Ці конкретні прогнози від цих теорій не були визнані недійсними жодним експериментом.

У науці немає вимоги, щоб теорія була «гарною» чи інтуїтивно зрозумілою. Єдина вимога полягає у тому, щоб теорія описувала результати експериментів. Слід подбати про те, аби не впроваджувати свої упередження в інтерпретацію теорії. Наприклад, квантова механіка насправді не передбачає, що об’єкти можуть знаходитися у двох місцях одночасно, тільки що об’єкти поводяться так, ніби вони знаходяться у двох місцях одночасно. Відомим прикладом є кіт Шредінгера, який може бути змодельований як живий й одночасно мертвий. Однак, тільки те, що ми моделюємо таким чином, ще не означає, що він дійсно живий і мертвий одночасно.

Сфера застосування фізики

Фізика описує широкий спектр явищ у науці, починаючи від поведінки мікроскопічних частинок і аж до еволюції всього Всесвіту. Ми часто розрізняємо «класичну» та «сучасну» фізику залежно від того, коли теорії були розроблені, і ми можемо додатково поділити ці галузі фізики залежно від масштабу або типу явищ, які вони описують.

Слово фізика походить від давньогрецької і перекладається як «природа» або «знання про природу». Метою фізики є розробка теорій, з яких можуть бути отримані математичні моделі для опису наших спостережень. Однією з амбітних цілей фізиків є розробка єдиної теорії, яка описує всю природу, замість того, щоб мати кілька теорій, що описують різні категорії явищ. Це різко контрастує з іншими галузями науки, як сказав Резерфорд: «Вся наука це або фізика, або колекціонування марок». Тобто фізики сподіваються, що існує одна-єдина математична теорія (як теорія Хлої для падіння об’єктів), що описує весь фізичний світ. Наприклад, у біології це не було б розумною метою, оскільки потрібно описати кожну живу істоту, і немає всеосяжної «теорії того, як виглядають всі живі істоти». Нині фізики змогли звузити кількість теорій, необхідних для опису всього фізичного світу, лише до трьох, що вражає (теорія гравітації, теорії сильної ядерної сили, і тепер фізики додатково об ’єднали слабку ядерну силу з електромагнетизмом, й отримали “електрослабку силу”).

Класична фізика

Цей підручник орієнтований на класичну фізику, що відповідає теоріям, які були розроблені до 1905 року.

Механіка

Механіка описує більшу частину нашого повсякденного досвіду, наприклад, як об’єкти, в тому числі планети рухаються під впливом сили тяжіння. Ісаак Ньютон був першим, хто формально розробив теорію механіки, використовуючи його «Три закони», щоб описати поведінку об’єктів із нашого повсякденного досвіду. Його знаменита праця, опублікована в 1687 році, «Philosophiae Naturalis Principia Mathematica» («Принципи») також включала теорію гравітації, яка описує рух небесних тіл.