Структура физического знания

Результатом познавательной деятельности человека является установление объективно существующей диалектической взаимосвязи между объектами и явлениями материального мира, т. е. знание. Бесконечный и непрерывный материальный мир в принципе не может изучаться во всем своем многообразии одновременно. Реальные объекты и явления в процессе познания заменяются идеальными моделями, обладающими лишь частью бесконечного набора свойств материальных объектов.

Физическое знание, являясь результатом познания материального мира, строится на основе изучения физических моделей объективной действительности. Процесс познания физических объектов и явлений начинается с проведения наблюдений или постановки специального научного опыта (эксперимента), в котором целенаправленно изучаются определенные свойства физического объекта, явления. Полученные в результате наблюдений и (или) эксперимента сведения о том, что происходит в природе, называются научными фактами. Иными словами, научные факты – это знания, достоверность которых доказана. В результате обобщения фактов формулируются физические понятия. Физическим понятием называется мысль (знание), в которой отражаются общие существенные свойства (стороны) определенного класса физических объектов и явлений, существенные связи и отношения между ними. Основную группу понятий в физике составляют физические величины. Физическая величина – это количественная характеристика свойств объектов и явлений, которая имеет числовое значение, полученное путем измерений и показывающее, в какой степени данное свойство проявляется у того или иного объекта. Физическая величина – это не сама реальность, а принятый в физике способ ее описания. Устойчивые, существенные связи между физическими величинами, которые обусловлены существованием причинно-следственных связей между свойствами физических объектов, выражаются при помощи физических законов. Установление физических законов, обычно дает ответ на вопрос: как происходит явление, или как ведет себя изучаемый объект. Ответить на вопрос, почему данное явление происходит именно так, а не иначе, возможно только на основании физической теории. Физическая теория – это высшая форма организации физических знаний, дающая целостное представление о закономерностях и существенных связях определенного класса объектов и явлений природы. Физическое знание также несет в себе знание методов, при помощи которых осуществляется познание объективной действительности.

Таким образом, структура физического знания включает результаты познания объективной действительности (научные факты, физические понятия, законы, теории) и методы научного познания (рис. 4) [26], [29].

В структуре физической теории выделяют: основание, ядро, следствия и интерпретацию [26], [29] (рис. 5).

Рассмотрим последовательно все компоненты, входящие в структуру теории.

1. Основание теории, включает в себя:

§ Эмпирический базис – совокупность экспериментальных фактов, не укладывающихся в существующие теоретические обобщения, для объяснения которых необходимо создание новой теории. Например, эмпирический базис классической (ньютоновской) механики составляют эмпирические законы И. Кеплера, описывающие движение планет вокруг Солнца, а также установленные Галилеем эмпирические закономерности свободного падения тел (законы движения тела по вертикали и тела, брошенного под углом к горизонту).

§ Идеализированный объект, который представляет собой абстрактную модель, отражающую специфику исследуемой области явлений. Идеализированный объект наделен небольшим числом весьма общих свойств и простой структурой. Например, материальная точка, абсолютно твердое тело, точечный электрический заряд и т. д.

§ Разработку свойств идеализированного объекта, которая заключается во введении системы понятий, включая физические величины и процедуры (правила) измерения последних. В классической механике физическими величинами являются скорость, ускорение, масса, сила и т.д. Физические величины вводят в теорию как характеристики идеализированного объекта. Поэтому сами по себе они являются некоторыми абстракциями. Чтобы теория не потерла связи с действительностью, эти величины должны быть соотнесены с реальными физическими объектами. Такое соотнесение совершается посредством процедур измерения. Кроме того правила измерения должны быть дополнены группой правил, определяющих способы выполнения математических операций над символами, представляющими физические величины. Так, математический аппарат механики – это векторы, скаляры и действия над ними.

§ Предшествующие теории. Новая теория органически связана с предшествующей, так как первоначальный анализ эмпирического базиса новой теории осуществляется на языке предшествующей теории. Например, невозможность объяснить экспериментальные результаты по тепловому излучению абсолютно черного тела, фотоэффекту и закономерности в спектре атома водорода в рамках классической физики послужили толчком к возникновению идеи квантования и созданию новой теории – квантовой механики.

Главной особенностью основания теории является то, что при его образовании происходит процесс абстрагирования и обобщения экспериментальных фактов, на основе которых создается ядро теории.

2. Ядро теории составляют:

§ Система общих законов (главный структурный элемент ядра теории), выражаемых в математических уравнениях, которые определяют связи между фундаментальными физическими величинами и устанавливают изменение последних в пространстве и времени. Они подразделяются на законы сохранения и законы эволюции, которые могут быть как динамическими, так и статистическими. Например, в классической (ньютоновской) механике – это уравнения Ньютона, в классической электродинамике – уравнения Максвелла и т. д.

§ Фундаментальные физические постоянные – "мировые постоянные" –это физические величины, которые имеют точно фиксированные значения. Например, с – скорость света в вакууме, h – постоянная Планка, e – величина элементарного заряда и т.д.

§ Связь данной теории с предшествующей. Важнейшую роль в определении взаимосвязи теорий играет принцип соответствия, требующий, чтобы новые теории в пределе асимптоматически переходили в старые. Например, уравнения Ньютона являются предельным случаем уравнений релятивистской механики, если скорость движения намного меньше скорости света в вакууме.

3. Следствия теории – это количественные выводы из ядра теории. Они применяются на практике, составляют прикладные науки, лежат в основе разработки технических устройств и т. д. Например, в классической механике – это закон всемирного тяготения, предсказание существования планеты Плутон, в электродинамике – это существование электромагнитных волн и то, электромагнитная природа света.

4. Интерпретация теории включает в себя истолкование основных понятий и законов, а также осмысление границ применимости теории. Интерпретация данной теории может быть осуществлена только в рамках более общей теории. Причем интерпретируемая теория входит в основание более общей теории. Теория верна до тех пор, пока ее предсказания совпадают с результатами эксперимента, т. е. любая физическая теория имеет свои границы применимости, которые определяются (устанавливаются) экспериментально. Например, классическая механика верна для макроскопических тел движущихся со скоростями много меньшими скорости света.