МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Волгоградский государственный
advertisement
МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Волгоградский государственный социально-педагогический университет» (ФГБОУ ВПО «ВГСПУ») Факультет математики, информатики и физики Кафедра теории и методики обучения физике и информатике Семестровая работа Методология и методы научного исследования Выполнил: Сакаева Э.Т., МИФ - ИВМ-11 Проверил: Штыров Андрей Вячеславович, канд. пед. наук, доцент Волгоград 2012 1. Роль физики (и отдельных физических дисциплин) в становлении науки и этапов ее развития. Какие открытия и как влияли на изменение мировоззрения людей в целом? Физика занимает особое место в научной картине мира. Развитие естествознания долгое время определялось содержанием физической картины мира. Идеи господствующей физической картины мира выступали в качестве общенаучной парадигмы и определяли характер научной картины мира в целом. В рамках физики сформировалось большинство методов научного познания. Физика – фундаментальная наука. В истории естествознания на этот статус претендовали физика, химия и биология. Основательность данных наук предполагала, что их положения не выводятся из каких-либо других дисциплин. В современной науке статус фундаментальности химии и биологии в том значении, которое нами приведено, утрачен. Так, в настоящее время основные особенности химии объясняются на базе квантовой физики. Положение современной биологии тоже неоднозначно. В ХХ в. произошли радикальные изменения в основаниях данной науки: открытие двойной спирали ДНК, создание молекулярной генетики, успехи биохимии и генной инженерии, развитие неравновесной термодинамики и синергетики – все это позволяет раскрывать физико-химическую основу многих биологических феноменов. Таким образом, физическое знание обладает особой фундаментальностью, которую можно назвать эпистемологической. Физическая картина мира – это физическая модель природы, включающая в себя фундаментальные физические и философские идеи, физические теории, наиболее общие понятия, принципы и методы познания, соответствующие определенному этапу развития физики. Физическая картина мира обобщает все ранее полученные знания о природе, а также вводит в физику новые философские идеи и обусловленные ими понятия, принципы и гипотезы, которых до этого не было и которые коренным образом меняют основы физического теоретического знания. Постоянное развитие и замена одних картин мира другими, более адекватно отражающими структуру и свойства материи, есть процесс развития самой физической картины мира. С изменением физической картины мира начинается новый этап в развитии физики с иной системой исходных понятий, принципов, гипотез и стиля мышления. В развитии физического знания выделяют механистическую, электромагнитную и квантово-релятивистскую картины мира. Механистическая картина мира сложилась при переходе от эпохи Возрождения к эпохе Нового времени. Примерно с сороковых годов XVI столетия до сороковых годов XVII столетия происходил сложный революционный процесс замены средневекового мировоззрения и науки новым мировоззрением и новой, базирующейся на опыте и практике наукой. Была проделана большая работа по обоснованию и укреплению гелиоцентрической системы мира (Н. Коперник, Дж. Бруно, И.Кеплер, Г.Галилей), критике перипатетической методологии и науки, выработке методологических основ новой науки (Ф. Бэкон, Г. Галилей, Р. Декарт). Успехи экспериментального и математического метода обозначились, прежде всего, в механике. Становление механистической картины мира связано с научной деятельностью Г. Галилея, И. Кеплера, Х. Гюйгенса. Основополагающая роль в формировании классической механики, основных ее законов и принципов принадлежит И. Ньютону. Важнейшую роль в построении механической картины мира сыграли такие вопросы, как принцип материального единства мира, исключавший деление мира на земной и небесный, характерное для европейского Средневековья, принцип причинности и законосообразности природных процессов. Развитие экспериментального естествознания приводит к появлению принципа экспериментального обоснования знания, отказу от созерцательности установке на соединение экспериментального исследования природы с описанием ее законов на языке математики, наиболее полно данный принцип выражен в трудах Г. Галилея. На основе механистической картины мира в XVIII – начале XIX в. были разработаны земная, небесная и молекулярная механика. Механистическое представление о мире рассматривалось в указанный период в качестве универсального, в результате чего многие ученые пытались свести все многообразие явлений природы к механической форме движения материи. Такая позиция получила название «механистический материализм» (механицизм). Дальнейшее развитие физики показало несостоятельность методологии механицизма. Особо отчетливо это обнаружилось при попытках описания при помощи законов механики тепловых, электрических и магнитных явлений. Механическая картина мира господствовала в науке до появления в последней четверти XIX в. электродинамики. В XIX в. к числу основных свойств, описывающих тела, наряду с массой, стали добавлять такую характеристику, как электрический заряд. Английский физик М. Фарадей опытным путем показал прямую динамическую связь между электричеством и магнетизмом. Объединив электричество и «электромагнитное магнетизм, поле». М. Фарадей Немаловажную ввел роль в науку понятие при этом сыграла философская убежденность ученого в единстве материи и силы. Его экспериментальные исследования подтвердили, что электричество и магнетизм передаются в пространстве не мгновенно по прямой, а по линиям различной конфигурации от точки к точке (принцип близкодействия). По мнению Фарадея, силы не могут существовать в отрыве от материи, поэтому линии сил необходимо связать с материей и рассматривать ее как особую субстанцию. Это убеждение легло в основу концепции поля. На основе опытов М.Фарадея английский физик Д. Максвелл создает теорию единого электромагнитного поля. Эта теория представляет собой обобщение всех эмпирических зависимостей, установленных Эрстедом, Фарадеем и другими учеными при исследовании электрических и магнитных явлений. В соответствии с электромагнитной теорией мир представляет единую электродинамическую систему, построенную из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электромагнитного поля. Важнейшими понятиями этой теории являются: заряд, который может быть как положительным, так и отрицательным; напряженность поля – сила, которая действует на тело, несущее единичный заряд, если оно находится в рассматриваемой точке. Галилей и Ньютон заложили основы механистической картины мира, Фарадей и Максвелл основы электромагнитной картины мира. Новые физические и философские взгляды на материю, пространство, время и силы, выдвинутые в рамках электродинамики, во многом изменили господствовавшую механистическую картину мира. Электромагнитная картина мира базировалась на идеях непрерывности материи, материального электрического поля, неразрывности материи и движения, связи пространства и времени как между собой, так и с движущейся материей. Однако дальнейшее ее развитие показало, что она имеет относительный характер. Поэтому на смену ей пришла новая квантово-полевая картина мира, объединившая в себе дискретность механической картины мира и непрерывность электромагнитной картины мира Формированию квантово-полевой картины мира предшествовало становление релятивистской картины мира, основанной на общей и специальной теории относительности. Появление релятивистской картины мира тесно связано с отрицательным опытом Майкельсона – Морли по обнаружению эфира. Вплоть до конца XIX в. эфир трактовался как непрерывная механическая среда, заполняющая все пространство. Возмущения этой среды рассматривались как электромагнитное поле. С эфиром ассоциировалось понятие выделенной системы отсчета, тесно связанной с ньютоновским понятием абсолютного пространства. Опыт Майкельсона–Морли не подтвердил концепцию эфира, что привело к появлению и утверждению теории относительности, в рамках которой формируются представления о пространстве и времени как о едином четырехмерном пространственно-временном континууме. С философской точки зрения наиболее значительным результатом общей теории относительности является установление зависимости пространственно-временных свойств окружающего мира от расположения и движения тяготеющих масс. Квантовая механика сформировалась при изучении свойств объектов микромира – атомов и составляющих его частиц. Попытки ученых описать и объяснить свойства микрочастиц материи с помощью понятий и принципов классической физики оказались несостоятельны. Поиски новых понятий и методов привели к возникновению новой механики, которая изначально получила название волновой, в противоположность обычной механике, рассматривающей физические объекты как состоящие из корпускул. Позже с введением М. Планком понятия кванта и сознанием Н. Бором квантовой модели атома за механикой микрообъектов утвердилось название квантовой. Ее становление обусловлено целым рядом научных открытий, произошедших на рубеже XIX–ХХ вв., и заложивших основы исследования микромира. В современной физике квантовые и релятивистские представления синтезированы в единую картину мира, что позволяет говорить о квантоворелятивистской картине мира. В ней, точнее в квантовой теории поля, где объединены квантовые и релятивистские представления, фундаментальными абстракциями являются понятия частиц и полей, переносчиков взаимодействий. В соответствии с квантово-полевой картиной мира любой микрообъект, обладая волновыми и корпускулярными свойствами, не имеет определенной траектории движения и не может иметь определенных координат и импульса. В квантовой механике в отличие от классической физики поведение каждой микрочастицы подчиняется не динамическим, а статистическим законам. В рамках новой физической картины кардинально меняется и представление о движении, которое становится частным случаем фундаментальных физических взаимодействий: гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого. Утверждаются представления об относительности пространства и времени, их зависимости от материи. Согласно теории относительности пространство и время образуют единый четырехмерный пространственно-временной континуум, не существующий вне материальных тел. Квантово-релятивистская картина мира ставит перед учеными целый ряд проблем философского характера. В настоящее время не существует ни одного экспериментального факта, который противоречил бы квантовой механике. Эта теория находится в полном согласии со всеми имеющимися в наличии экспериментальными данными. В классической и неклассической физике различны лишь методы достижения объективности знания. Так, в отличие от классической физики, где для получения информации об объекте достаточно экспериментальной установки одного типа, для получения информации о микрообъекте необходимо использование двух типов экспериментальных установок: одна – для исследования волновых свойств микрообъекта, а другая – для исследования корпускулярных свойств. Эти приборы обеспечивают наблюдателя двумя типами взаимоисключающей информации, которые дополняют друг друга. Такие представления противоречат здравому смыслу с позиций классической механики, но с позиций квантовой механики в них зафиксировано пусть относительное, но истинное знание о микрореальности. Таким образом, в квантовой механике изменяются не каноны рациональности, а критерии, связанные с объектностью описания. Фундаментальной задачей современной физики является создание единой теории всех взаимодействий и частиц. Список литературы 1. Садохин, А.П. Концепции современного естествознания: учеб. пособие. М.: Омега-Л, 2008. С. 52–63. 2. Соколов В.В. Европейская философия XV–XVII вв.: учебник для вузов. 3-е изд., испр. М.: Высш. шк., 2003 3. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания. Курс лекций. М.: Проект, 2004. С. 103–107 4. Т.А. Балаболина. Философские проблемы современного естествознания http://edu.dvgups.ru/METDOC/CGU/FILOSOF/KON_SOVR_EST/METO D/KSE/MP.HTM 5. Роль Анри Пуанкаре в становлении философии науки. «Человеку не так то легко покориться неизбежности вывода – никогда не узнать сущности вещей». А.Пуанкаре. За свою жизнь Анри Пуанкаре успел поработать во многих областях науки: комплексном анализе, небесной механике, алгебраической геометрии, теории чисел и, конечно, топологии, в которой он и сформулировал носящую его имя гипотезу. Не все знают, что Пуанкаре стоял у истоков теории относительности: долгое время он сотрудничал с Хендриком Лоренцом (кстати, преобразования Лоренца получили имя великого голландца именно с легкой руки Пуанкаре) и еще в 1898 году, задолго до Эйнштейна, в работе "Измерение времени" сформулировал принцип относительности, а затем даже ввел четырехмерное пространство-время, теорию которого в сотрудничестве с Эйнштейном позднее разработал Герман Минковский. Примечательно, что сам Эйнштейн очень долго отрицал всякое знакомство с трудами Пуанкаре и не ссылался на него вплоть до начала двадцатых годов (!), однако впоследствии все же признал заслуги французского математика. Издатели четырех книг Пуанкаре Тяпкин (библиограф Пуанкаре), Шибанов и Панов в своем послесловии пишут: «В период, когда закладывались исходные идеи теории относительности, наибольший вклад, несомненно, внес Пуанкаре. Он выдвинул принцип относительности как обобщение опытных данных и высказал убеждение, что именно электромагнитную теорию Лоренца необходимо согласовать с этим принципом, чтобы получить окончательное решение проблемы. Пуанкаре показал условность понятия одновременности, центрального понятия теории относительности, и предложил определение этой величины на основе постулата о постоянстве скорости света. Он дал также правильную физическую интерпретацию "местного" времени Лоренца. Таким образом, Пуанкаре оказал самое непосредственное влияние на развитие теоретической мысли в период поиска выхода из кризисной ситуации в классической физике, выдвинув исходные идеи и принципы будущей теории относительности. Он как бы начертал маршрут предстоящего восхождения к научной вершине. Но вместе с тем он был и среди самых деятельных участников самого восхождения. Его критическое обсуждение теорий Лармора и Лоренца, и его замечание о недостаточности гипотезы сокращения длин тел для полного решения проблемы – все это и было участием в передовой группе штурмующих вершину» [с. 301 – 302]. Тяпкин А, Шибанов А. Пуанкаре.— М.: Молодая гвардия, 1979. Философия и методы работы Пуанкаре тоже заслуживают внимания: он категорически не принимал набирающих в то время силу формалистических взглядов Рассела, Фреге и Гильберта, для которых математика была частью логики. Пуанкаре считал, что основа работы математика - интуиция, а сама наука не допускает полного аналитического обоснования. В своих привычках он следовал этой философии: Пуанкаре всегда сначала полностью решал задачи в голове, а затем записывал решения. Он обладал феноменальной памятью и мог слово в слово цитировать прочитанные книги и проведенные беседы (память, интуиция и воображение Анри Пуанкаре даже стали предметом настоящего психологического исследования). Пуанкаре, для которого математика была миром возможного, отдав много сил исследованию дифференциальных уравнений и столкнувшись с неустойчивостью решений некоторых из них относительно малых возмущений (с его именем связано открытие предельного цикла и бифуркаций), немедля приходит к выводу о том, что для некоторых физических систем отсутствие ряда обстоятельств может обуславливать неповторимость эксперимента: «Метод физических наук основывается на индукции, заставляющей нас ожидать повторения какого-либо явления, когда воспроизводятся обстоятельства, при которых оно произошло в первый раз. Если бы могли повториться все вместе эти обстоятельства, то этот принцип мог бы быть применим без всяких ограничений; но этого никогда не случиться: всегда некоторые из обстоятельств будут отсутствовать. абсолютно ли мы уверены, что они не имеют значения? Конечно, нет. Это может быть вероятно, но не может быть строго достоверно”. [с. 301]. Тяпкин А, Шибанов А. Пуанкаре.— М.: Молодая гвардия, 1979. Научное творчество Пуанкаре в последние десять лет его жизни протекало в атмосфере начавшейся революции в естествознании, что несомненно определило его интерес в эти годы к философским проблемам науки. Краткое резюме его собственных философских взглядов сводится к следующему: основные положения (принципы, законы) любых научных теорий не является ни синтетическими истинами a priori, ни моделями объективной реальности. Они суть соглашения, единственным абсолютным условием которого является непротиворечивость. Выбор тех или иных положений из множества возможных произволен, если отвлечься от практики их применения. Но поскольку мы руководствуемся последней, производительность выбора основания принципа (законов) ограничена, с одной стороны, потребности в нашей мысли в максимальной простоте теорий, с другой - необходимостью успешного их использования. В границах этих требований заключается известная свобода выбора, обусловленная относительным характером самих этих требований. Эта философская доктрина Пуанкаре получила впоследствии название конвенционализма. Пуанкаре А. Избранные труды, тт. 1-3. М.: Наука, 1971-1974 Обсуждая познавательную функцию науки, Пуанкаре писал: «..то, что она [наука] может постичь, не суть вещи в себе, как думают наивные догматики, а лишь отношения между вещами; вне этих отношений нет познаваемой действительности». И в каждом своем трактате, в каждой своей лекции Пуанкаре вновь и вновь возвращался к этой мысли, иллюстрируя ее глубоким анализом примеров из различных областей естествознания. Вот небольшое эссе из его суждений на эту тему: «Опыт - единственный источник истины: только опыт может научить нас чему-либо новому, только он может вооружить нас достоверностью. Эти два положения никто не может оспорить». Однако «..наука строится из фактов, как дом из кирпичей; но простое собрание фактов столь, же мало является наукой, как куча камней – домом». А потому «Истинная, единственная цель науки состоит в раскрытии не механизма, а единства». http://www.newtheory.ru/philosophy/otkritiy-mir-anripuankare-t304.html Новая Теория – научный форум для публикаций работ и статей описывающих новые теории, идеи и гипотезы. Согласно Пуанкаре, новая научная концепция начинается с творческого озарения, но предпосылкой такого озарения служит долгая, упорная, зачастую незаметная для самого ученого подсознательная работа мысли. Эта подсознательная работа – прелюдия научного творчества, вспышка интуиции – «звездный час» творческого процесса, за ними следует долгая методичная работа по организации научного знания под углом зрения удобства его использования и освоения. Такие представления о научном мышлении и содержании научного знания заставили существенно пересмотреть понятие объективности знания. Пуанкаре отвергает как научно Неоправданное представление о познании реальности (трактуемой как «внешний мир», полностью независимой от разума) в качестве конечной цели познания. Реальная история науки для Пуанкаре – не только источник наглядных иллюстраций общих схем, которые использует научный разум в своей работе. Напротив, этот разум по сути своей историчен: развитие науки – отнюдь не «приращение знания», не накопление фактов, поскольку сам фактический состав науки органически включает прежние вспышки интуиции, и осознание необходимости этой творческой компоненты науки, к которому приводит знакомство с историей науки, оказывается важной психологической предпосылкой новаторского духа, без которого невозможна наука. Хрестоматия по философии: Учебное пособие для высших учебных заведений. Сост. А.Р. Абдуллин. – Уфа, 2003. – 439 с. Наука для Пуанкаре есть вечно живой, развивающийся организм. Там, где представители метафизического материализма видели лишь навечно окостеневшую структуру научных знаний, он предрекает грядущие потрясения. На смену существующим физическим теориям придут новые, но обязательным и непременным условием останется, по его мнению, преемственность знаний. «Можно спросить себя, будут ли те приближения, которые делает сегодняшняя наука, подтверждены наукой завтрашнего дня, – обращается Пуанкаре к своим читателям. – ...Сначала нам представляется, что теории живут не долее дня, и что руины нагромождаются на руины. Сегодня теория родилась, завтра она в моде, послезавтра она делается классической, на третий день она устарела, а на четвертый – забыта. Но если всмотреться ближе, то увидим, что так именно падают, собственно говоря, те теории, которые имеют притязание открыть вам сущность вещей. Но в них есть нечто, что чаще всего выживает. Если одна из них открыла нам истинное отношение, то это отношение является окончательным приобретением; мы найдем его под новым одеянием в других теориях, которые будут последовательно водворяться на ее месте» [с. 306]. Тяпкин А, Шибанов А. Пуанкаре.— М.: Молодая гвардия, 1979. Непоколебима вера Анри Пуанкае в непрестанный прогресс научного познания, который «хотя и медлен, но непрерывен; так что ученые, становясь смелее и смелее, обманываются все менее и менее» [с. 330]. Тяпкин А, Шибанов А. Пуанкаре.— М.: Молодая гвардия, 1979.
