К естествознанию относятся фундаментальные естественные науки - астрономия, астрофизика, физика, химическая физика, физическая химия, химия, геохимия, геофизика, геология, физическая география, биология, физиология человека, антропология. Эти науки являются базой для технических наук и основой их технологий.
Уровни исследований - эмпирические (факты, получаемые с помощью наблюдений и констатирующие качественные и количественные характеристики) и теоретические (наличие особых абстрактных объектов - моделей и связывающих их абстрактных законов). Для теоретического уровня характерны приемы - гипотезы, моделирование, идеализация, абстракция, обобщение, мысленный эксперимент и пр.
Соответственно этому всех ученых, работающих в области естествознания, можно разделить на две группы:
- ученых-исследователей, изучающих конкретные явления, получающих первичный материал о природных явлениях на основе проведения экспериментов;
- ученых-теоретиков, обобщающих полученные исследователями данные и находящих общие закономерности.
Первые для получения результатов общаются с природой непосредственно, вторые работают с опосредованными данными, полученными от исследователей. Таким образом, вторая группа ученых непосредственного контакта с природой в исследуемых ими областях не имеет.
Вся природа может быть разделена на неживую и живую. Соответственно все направления естествознания могут быть отнесены к одной из этих областей. Но в основе и той, и другой области лежит химия, основой которой является физика. Именно физика и ее законы лежат в основе всех материальных структур, явлений и процессов природы и определяют их сущность. Поэтому законы физики и ее методология существенным образом определяют содержание и методологию естествознания. В связи с этим на физиках лежит особая ответственность не только за состояние и развитие самой физики, но и за состояние и развитие естествознания в целом. И поэтому к физике и в особенности к ее теоретическим основам должны предъявляться повышенные требования.
16.2. Структура современной теоретической физики
В основе современной теоретической физики лежат три блока:
- классическая механика И.Ньютона;
- специальная теория относительности А.Эйнштейна;
- квантовая механика.
Классическая механика Ньютона является следствием выводов из накопленного естествознанием опыта. Все три закона механики Ньютона были выведены им на основании анализа многочисленных опытных данных, а Закон всемирного тяготения вообще явился аппроксимацией опытных данных Кеплера, полученных им на основе измерений углового положения планет на небосводе. Некоторое несоответствие результатов измерения положения двух планет (Меркурия и Плуто
на) были обнаружены значительно позже, так же как, и один из космологических парадоксов - гравитационный парадокс Зелигера. И то, и другое явилось следствием идеализации законов Ньютона, это не требует полного пересмотра закона, но заставляет отказаться от его идеализации и думать об учете ранее не учтенных факторов и об уточнении формулы закона. Но уточнение ранее полученных закономерностей является естественным для любой развивающейся области науки.
Специальная теория относительности (СТО), впервые в 1905 г. изложенная в статье А.Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел», в отличие от законов Ньютона, не является следствием накопленного опыта естествознания. Мало того, ее автором и последователями были провозглашены принципиальный отказ от методологии классической науки и «революционный» подход к решению главной, по их мнению, цели науки - дать «простое» и «красивое» математическое описание природных явлений.
Основным методом для этого был избран метод выдвижения постулатов -предположений или «принципов», которым, по мнению их авторов, должна соответствовать природа.
В основу СТО было положено пять (а не два, как обычно пишут авторы книг по СТО) постулата, которые реально находились в противоречии с опытными данными: самым главным постулатом СТО является отсутствие в природе эфира, а на самом деле исследователями эфирного ветра были получены вполне достоверные и положительные результаты. Только пренебрежение существованием эфира в природе дало возможность автору СТО выдвинуть остальные постулаты.
Развитие СТО позволило Эйнштейну сформулировать новые эффекты, которых раньше в классической физике не было - существование предельной скорости взаимодействия - скорости, света в вакууме, относительность одновременности, замедление течения времени, сокращение продольных размеров тел при движении, увеличение массы тел с увеличением их скорости, универсальную связь между энергией и массой, фактически их эквивалентность.
Квантовая механика также появилась в начале XX столетия. Толчком к ее созданию послужили три, казалось бы, не связанные между собой группы явлений, предположительно свидетельствовавших о неприменимости обычной классической механики. Ими являлись: установление на опыте двойственной природы света (корпускулярно-волновой дуализм), спектральные закономерности, открытые при исследованиях электромагнитного излучения атомами (излучение абсолютно черного тела), и невозможность объяснения устойчивости существования атома в рамках планетарной модели атома, разработанной Э.Резерфордом в 1911 г. и неправильно приписываемой Н.Бору.
Суть корпускулярно-волнового дуализма света заключается в том, что в одних явлениях (интерференция, дифракция) свет вел себя как волна, а в других (давление на препятствие) как частица.
Квантовые представления были впервые введены в физику в 1900 г. План-ком, который этим разрешил противоречия в теории электромагнитного излучения, предположив, что свет излучается определенными порциями и что энергия каждой такой порции - кванта - пропорциональна частоте излучения, т.е. Е - Ип, где h - постоянная величина (постоянная Планка).
