Методи и техники на природонаучните изследвания

Понятие за методология и метод

В съвременното разбиране методологията е учение за структурата, логическата организация, методите и средствата на дейността. По-специално, методологията на естествените науки е учението за принципите на изграждане, формите и методите на естественото научно познание.

Методът е набор от техники или операции, практически или теоретични дейности.

Методът е неразривно свързан с теорията: всяка система от обективни знания може да се превърне в метод. Неразривната връзка между метод и теория се изразява в методологическата роля на природонаучните закони. Например, законите за запазване в естествените науки представляват методологичен принцип, който изисква стриктно спазване на съответните теоретични операции; Рефлексната теория на висшата нервна дейност служи като един от методите за изучаване на поведението на животните и хората.

Описвайки ролята на правилния метод в научното познание, Ф. Бейкън го сравнява с лампа, осветяваща пътя на пътника в тъмното. Не можете да очаквате успех в изучаването на който и да е въпрос, като следвате грешен път.

Самият метод не определя изцяло успеха в естественонаучното изследване на реалността: важен е не само добрият метод, но и умението за неговото прилагане.

Различни методи на клонове на естествените науки: физика, химия, биология и др., са специфични по отношение на общия диалектически метод на познание. Всеки клон на естествената наука, имайки свой предмет на изследване и свои теоретични принципи, прилага свои специални методи, произтичащи от едно или друго разбиране на същността на неговия обект. Специалните методи, използвани например в археологията или географията, обикновено не излизат извън рамките на тези науки.В същото време физическите и химичните методи се използват не само във физиката и химията, но и в астрономията, биологията и археологията. Прилагането на метода на всеки клон на науката в другите му клонове се осъществява поради факта, че техните обекти се подчиняват на законите на тази наука. Например физичните и химичните методи се използват в биологията въз основа на това, че обектите на биологичното изследване включват под една или друга форма физични и химични форми на движение на материята.

Сравнение, анализ и синтез

Дори древните мислители твърдят: сравнението е майка на знанието. Народът уместно е изразил това в поговорката: „Не познаваш ли скръбта, няма да познаеш и радостта“. Не можеш да знаеш кое е добро, без да знаеш кое е лошо, не можеш да разбереш малкото без голямото и т.н. Всичко се научава чрез сравнение.

За да разберете какво е даден обект, първо трябва да разберете по какви начини той е подобен на други обекти и как се различава от тях. Например, за да се определи масата на едно тяло, е необходимо да се сравни с масата на друго тяло, взето като еталон, т.е. като примерна мярка. Този процес на сравнение се извършва чрез претегляне на кантар.

Сравнението е установяване на прилики и разлики между обекти. Сравнението е в основата на много природни научни измервания, които са неразделна част от всеки експеримент.

Сравнявайки обектите един с друг, човек получава възможност правилно да ги разпознава и по този начин правилно да се ориентира в света около себе си и целенасочено да му влияе. Като необходим метод на познание, сравнението играе важна роля в човешката практическа дейност и в естествените научни изследвания, когато се сравняват обекти, които са наистина хомогенни и сходни по същество. Няма смисъл да сравняваме, както се казва, лири с аршини.

Сравнението, като много общ метод на познание, често се появява в различни клонове на естествените науки като сравнителен метод.

Процесът на естественонаучното познание се извършва по такъв начин, че първо наблюдаваме общата картина на изучавания обект, в която подробностите остават в сянка. При такова наблюдение е невъзможно да се знае вътрешната структура на обекта. За да го изучаваме, трябва да разчленим изследваните обекти. Анализът е умствено или реално разлагане на обект на неговите съставни части. Като необходим метод за познание, анализът е и един от елементите на процеса на познание.

Невъзможно е да се познае същността на един обект само като се раздели на елементите, от които е съставен: химикът, според Хегел, поставя месо в своята реторта, подлага го на различни операции и след това казва: Открих, че то се състои от кислород, въглерод, водород и т.н. и т.н. Но тези неща вече не ядат месо. Всеки клон на естествената наука има, така да се каже, своя собствена граница на разделяне на обект, отвъд която се наблюдава друг свят от свойства и модели.

Когато детайлите са достатъчно проучени чрез анализ, започва следващият етап на познанието - синтезът - обединяването в едно цяло на елементите, разчленени чрез анализ.

Анализът улавя основно това, което е специфично, което отличава частите една от друга. Синтезът разкрива онази общност, която свързва частите в едно цяло.

Човек разлага обект на съставните му части, за да открие първо самите части, да разбере от какво се състои цялото и след това да го разгледа като съставен от части, всяка от които вече е разгледана отделно. Анализът и синтезът са в диалектическо единство помежду си: във всяко движение нашето мислене е колкото аналитично, толкова и синтетично.

Анализът и синтезът се зараждат в практическата дейност на човека, в неговата работа. Човек се е научил да анализира и синтезира мислено само на базата на практическо разчленяване, рязане, смилане, съединяване, композиране на предмети при производството на инструменти, облекло, жилище и т.н. Само чрез постепенно разбиране на това, което се случва с даден предмет при извършване на практически действия с това, човек се научи да анализира мислено и синтезира. Анализът и синтезът са основните методи на мислене: процеси на разделяне и свързване, разрушаване и създаване, разлагане и свързване: телата се отблъскват и привличат; химическите елементи влизат в контакт и се разделят; в живия организъм процесите на асимилация и дисимилация се извършват непрекъснато; в производството нещо се разчленява, за да се създаде продукт на труда, необходим на обществото.

Абстракция, идеализация и обобщение

Всеки изследван обект се характеризира с много свойства и е свързан с много нишки с други обекти. В процеса на естественонаучното познание възниква необходимостта да се съсредоточи вниманието върху един аспект или свойство на изучавания обект и да се отвлече вниманието от редица други негови качества или свойства.

Абстракцията е умственото изолиране на обект в абстракция от връзките му с други обекти, някакво свойство на обект в абстракция от другите му свойства, всяка връзка между обекти в абстракция от самите обекти. Първоначално абстракцията се изразяваше в избора на едни предмети с ръце, очи и инструменти и абстрахиране от други. Това се доказва от произхода на самата дума „абстрактно“ - от латинския глагол „tagere“ (плъзгам) и префикса „ab“ (настрани). А руската дума „абстрактно“ идва от глагола „волоч“ (влача).

Абстракцията е необходимо условие за възникването и развитието на всяка наука и човешкото познание като цяло. Въпросът какво в обективната реалност се подчертава от абстрахиращата работа на мисленето и от какво се отвлича вниманието се решава във всеки конкретен случай в пряка зависимост от естеството на обекта, който се изучава, и задачите, които се поставят пред изследователя. Например в математиката много проблеми се решават с помощта на уравнения, без да се вземат предвид конкретните неща зад тях. Числата не се интересуват какво се крие зад тях: хора или животни, растения или минерали. Това е голямата сила на математиката и в същото време нейните ограничения.

За механиката, която изучава движението на телата в пространството, физическите и кинетичните свойства на телата, с изключение на масата, са безразлични. И. Кеплер не се интересуваше от червеникавия цвят на Марс или температурата на Слънцето, за да установи законите на планетарното въртене. Когато Луи дьо Бройл търсеше връзката между свойствата на електрона като частица и като вълна, той имаше право да не се интересува от други характеристики на тази частица.

Абстракцията е движението на мисълта дълбоко в предмета, подчертавайки основните му елементи. Например, за да се приеме дадено свойство на даден обект за химично, е необходимо разсейване, абстракция. Всъщност химичните свойства на дадено вещество не включват промяна на формата му, така че химикът изследва медта, отвличайки вниманието от това какво точно е направено от нея.

В живата тъкан на логическото мислене абстракциите позволяват да се възпроизведе по-дълбока и точна картина на света, отколкото това може да се направи с помощта на възприятията.

Важен метод за естествено научно познание на света е идеализацията като специфичен вид абстракция. Идеализацията е мислено формиране на абстрактни обекти, които не съществуват и не са осъществими в реалността, но за които има прототипи в реалния свят. Идеализацията е процесът на формиране на концепции, чиито реални прототипи могат да бъдат посочени само с различна степен на приближение. Примери за идеализирани понятия: „точка“, т.е. обект, който няма нито дължина, нито височина, нито ширина; „права линия“, „окръжност“, „точков електрически заряд“, „идеален газ“, „абсолютно черно тяло“ и др.

Въведение в естествения научен процес на изучаване на идеализирани обекти позволява изграждането на абстрактни диаграми на реални процеси, необходими за по-дълбоко проникване в моделите на тяхното възникване.

Важна задача на естественонаучното познание е обобщението - процесът на мисловен преход от индивидуалното към общото, от по-малко общото към по-общото.

Например, умствен преход от понятието „триъгълник“ към понятието „многоъгълник“, от понятието „механична форма на движение на материята“ към понятието „форма на движение на материята“, от преценката „това металът е електропроводим” до преценката „всички метали са електропроводими”, от преценката „механичната форма на енергия се превръща в топлина” до преценката „всяка форма на енергия се превръща в друга форма на енергия” и т.н.

Умственият преход от по-общото към по-малко общото е процес на ограничаване. Процесите на обобщаване и ограничаване са неразривно свързани. Без обобщение няма теория. Теорията е създадена, за да се прилага на практика за решаване на конкретни проблеми. Например, за измерване на обекти и създаване на технически структури винаги е необходим преход от по-общото към по-малко общото и индивидуално, т.е. винаги е необходим процес на ограничаване.

Абстрактно и конкретно

Процесът на естественонаучното познание се осъществява по два взаимосвързани начина: чрез издигане от конкретното, дадено във възприятието и представянето, към абстракциите и чрез изкачване от абстрактното към конкретното. По първия път визуалната репрезентация се „изпарява“ до нивото на абстракция; по втория път мисълта се движи отново към конкретно познание, но към богат набор от многобройни определения. Абстрактното се разбира като едностранно, непълно отражение на обект в съзнанието. Конкретното знание е отражение на реалната връзка между елементите на даден обект в системата на цялото, разглеждането му от всички страни, в развитие, с всичките му присъщи противоречия.

Конкретното е резултат от научно изследване, отражение на обективната реалност в система от понятия и категории, теоретично осмислено единство на разнообразното в обекта на изследване. Методът за теоретично познание на обекта като цяло е изкачването от абстрактното към конкретното.

Аналогия

В самата природа на разбирането на фактите се крие аналогия, свързваща нишките на неизвестното с известното. Новото е по-лесно за разбиране и разбиране чрез образите и понятията на старото, познато. Аналогията е вероятно, правдоподобно заключение за сходството на два обекта по някаква характеристика въз основа на установеното им сходство по други характеристики. Изводът е толкова по-правдоподобен, колкото повече сходни характеристики имат сравняваните обекти и колкото по-значими са тези характеристики. Въпреки факта, че аналогиите предоставят само вероятни заключения, те играят огромна роля в познанието, тъй като водят до формирането на хипотези - научни предположения и предположения, които по време на последващия етап на изследване и доказателства могат да се превърнат в научни теории. Една аналогия с това, което знаем, ни помага да разберем какво е неизвестно. Аналогия с простото помага да се разбере по-сложното. Така, по аналогия с изкуствения подбор на най-добрите породи домашни животни, Чарлз Дарвин открива закона за естествения подбор в животинския и растителния свят. Аналогията с потока на течност в тръба изигра важна роля при възникването на теорията за електрическия ток. Аналогиите с механизма на действие на мускулите, мозъка и сетивните органи на животните и хората подтикнаха изобретяването на много технически структури: багери, роботи, логически машини и др.

Аналогията като метод най-често се използва в теорията на подобието, на която се основава моделирането.

Моделиране

В съвременната наука и технологии методът на моделиране става все по-широко разпространен, чиято същност е да възпроизведе свойствата на обект на познание върху специално проектиран негов аналог - модел. Ако моделът има същата физическа природа като оригинала, тогава имаме работа с физическо моделиране. Един модел може да бъде изграден в съответствие с принципа на математическото моделиране, ако има различна природа, но функционирането му се описва от система от уравнения, идентична на тази, която описва оригинала, който се изучава.

Моделирането се използва широко, тъй като позволява да се изследват процеси, характерни за оригинала, в отсъствието на самия оригинал и в условия, които не изискват неговото присъствие. Това често се налага поради неудобството от изучаването на самия обект и по други причини: висока цена, недостъпност, трудна доставка, необятност и др.

Ценността на модела се състои в това, че е много по-лесен за изработка, по-лесно е да се правят експерименти с него, отколкото с оригинала и т.н.

Напоследък активно се разработват електронни симулиращи устройства, в които с помощта на електронни процеси се възпроизвежда реален процес по зададена програма. Принципът на моделиране е в основата на кибернетиката. Моделирането се използва при изчисляване на траекториите на балистичните ракети, при изследване на режимите на работа на машини и цели предприятия, при разпределение на материалните ресурси и др.

Индукция и дедукция

Като метод на естествено научно изследване, индукцията може да се определи като процес на извеждане на обща позиция от наблюдението на редица конкретни индивидуални факти.

Обикновено има два основни вида индукция: пълна и непълна. Пълната индукция е заключението на всяка обща преценка за всички обекти от определено множество въз основа на разглеждане на всеки обект от дадено множество. Обхватът на приложение на такава индукция е ограничен до обекти, чийто брой е краен. На практика по-често се използва форма на индукция, която включва правене на заключение за всички обекти на набор въз основа на познаване само на част от обектите. Такива заключения за непълна индукция често имат вероятностен характер. Непълната индукция, основана на експериментални изследвания и включваща теоретична обосновка, може да доведе до надеждно заключение. Нарича се научна индукция. Според известния френски физик Луи дьо Бройл индукцията, тъй като се стреми да прокара вече съществуващите граници на мисълта, е истинският източник на истински научен прогрес. Големите открития и скокове напред в научната мисъл в крайна сметка се създават чрез индукция – рискован, но важен творчески метод.

Дедукцията е процесът на аналитично разсъждение от общото към частното или по-малко общо. Началото (предпоставките) на дедукцията са аксиоми, постулати или просто хипотези, които имат характер на общи твърдения, а краят е следствията от предпоставките, теореми. Ако предпоставките на дедукцията са верни, тогава нейните последствия са верни. Дедукцията е основното доказателствено средство. Използването на дедукция дава възможност да се извлече от очевидни истини знание, което вече не може да бъде разбрано с непосредствена яснота от нашия ум, но което, поради самия метод на получаването му, изглежда напълно оправдано и следователно надеждно. Приспадането, извършено съгласно строги правила, не може да доведе до грешки.

Методите на естествената наука се основават на единството на нейната емпирична и теоретична страна. Те са взаимосвързани и се обуславят взаимно. Тяхното разкъсване или преференциалното развитие на едното за сметка на другото затваря пътя към правилното познание на природата - теорията става безсмислена, опитът става сляп.

Природонаучните методи могат да бъдат разделени на следните групи:

1. Общи методи, свързани с всеки предмет, всяка наука. Това са различни форми на метод, който позволява да се свържат заедно всички аспекти на процеса на познание, всичките му етапи, например методът на изкачване от абстрактното към конкретното, единството на логическото и историческото. Това са по-скоро общофилософски методи на познание.
2. Специалните методи засягат само едната страна на изучавания предмет или конкретна изследователска техника:

анализ, синтез, индукция, дедукция. Специалните методи също включват наблюдение, измерване, сравнение и експеримент.

В естествените науки на специалните методи на науката се придава изключително важно значение, следователно в рамките на нашия курс е необходимо да разгледаме по-подробно тяхната същност.

Наблюдението е целенасочен, строг процес на възприемане на обекти от реалността, които не трябва да се променят. Исторически методът на наблюдение се развива като неразделна част от трудовата операция, която включва установяване на съответствието на продукта на труда с неговия планиран модел.

Наблюдението като метод за разбиране на реалността се използва или там, където експериментът е невъзможен или много труден (в астрономията, вулканологията, хидрологията), или когато задачата е да се изследва естественото функциониране или поведение на обект (в етологията, социалната психология и др. ). Наблюдението като метод предполага наличието на изследователска програма, формирана въз основа на минали вярвания, установени факти и приети концепции. Специални случаи на метода на наблюдение са измерване и сравнение.

Експериментът е метод на познание, чрез който се изучават явления от действителността при контролирани и контролирани условия. Различава се от наблюдението чрез намеса в изучавания обект, тоест дейност по отношение на него. При провеждане на експеримент изследователят не се ограничава до пасивно наблюдение на явленията, а съзнателно се намесва в естествения ход на тяхното протичане, като пряко влияе върху изследвания процес или променя условията, в които протича този процес.

Спецификата на експеримента се състои и в това, че при нормални условия процесите в природата са изключително сложни и заплетени и не могат да бъдат напълно контролирани и контролирани. Следователно възниква задачата да се организира изследване, в което да бъде възможно да се проследи хода на процеса в „чиста“ форма. За тези цели експериментът разделя съществените фактори от маловажните и по този начин значително опростява ситуацията. В резултат на това такова опростяване допринася за по-задълбочено разбиране на явленията и създава възможност за контрол на малкото фактори и количества, които са от съществено значение за даден процес.

Развитието на естествените науки повдига проблема за строгостта на наблюдението и експеримента. Факт е, че те се нуждаят от специални инструменти и устройства, които напоследък са станали толкова сложни, че сами започват да влияят върху обекта на наблюдение и експеримент, което според условията не би трябвало да е така. Това се отнася преди всичко за изследванията в областта на физиката на микросвета (квантова механика, квантова електродинамика и др.).

Аналогията е метод на познание, при който прехвърлянето на знания, получени по време на разглеждането на всеки един обект, се случва към друг, по-малко проучен и в момента се изучава. Методът на аналогията се основава на сходството на обектите по редица характеристики, което позволява да се получат напълно надеждни знания за изучавания предмет.

Използването на метода на аналогията в научното познание изисква известно внимание. Тук е изключително важно ясно да се идентифицират условията, при които той работи най-ефективно. Въпреки това, в случаите, когато е възможно да се разработи система от ясно формулирани правила за прехвърляне на знания от модел към прототип, резултатите и заключенията с помощта на метода на аналогията придобиват доказателствена сила.

Моделирането е метод на научно познание, основаващ се на изучаването на всякакви обекти чрез техните модели. Възникването на този метод се дължи на факта, че понякога обектът или явлението, което се изучава, се оказва недостъпно за пряката намеса на познаващия субект или такава намеса е неподходяща по редица причини. Моделирането включва прехвърляне на изследователски дейности към друг обект, действайки като заместител на обекта или явлението, което ни интересува. Заместващият обект се нарича модел, а обектът на изследване се нарича оригинал или прототип. В този случай моделът действа като заместител на прототипа, което позволява да се получат определени знания за последния.

По този начин същността на моделирането като метод на познание е да замени обекта на изследване с модел, като обекти от естествен и изкуствен произход могат да се използват като модел. Способността за моделиране се основава на факта, че моделът в определено отношение отразява някакъв аспект на прототипа. При моделирането е много важно да имате подходяща теория или хипотеза, която стриктно да посочва границите на допустимите опростявания.

Основните елементи на естествените науки са:

· твърдо установени факти;
· модели, които обобщават групи от факти;
· теории, като правило, които са системи от закони, които колективно описват определен фрагмент от реалността;
· научни картини на света, рисуващи обобщени образи на цялата реалност, в които всички теории, позволяващи взаимно съгласие, са събрани в един вид системно единство.

Проблемът за разликата между теоретичното и емпиричното ниво на научното познание се корени в разликата в методите за идеално възпроизвеждане на обективната реалност и подходите за изграждане на системно познание. Оттук следват и други, вече производни разлики между тези две нива. В частност на емпиричното знание исторически и логически е възложена функцията за събиране, натрупване и първична рационална обработка на данни от опита. Основната му задача е да записва факти. Обяснението и тълкуването им е въпрос на теория.

Методическите програми са изиграли важна историческа роля. Първо, те стимулираха огромен брой конкретни научни изследвания, и второ, те „запалиха искрата“ на известно разбиране на структурата на научното познание. Оказа се, че е нещо като „двуетажна“. И въпреки че „горният етаж“, зает от теорията, изглежда изграден върху „долния“ (емпириката) и без последния трябва да се разпадне, по някаква причина няма директно и удобно стълбище между тях. Можете да стигнете от долния етаж до горния само чрез „скок“ в буквалния и преносен смисъл. В същото време, колкото и важна да е основата (долният емпиричен етаж на нашето знание), решенията, които определят съдбата на сградата, все още се вземат на върха, в областта на теорията.

В наши дни стандартният модел на структурата на научното познание изглежда по следния начин. Познанието започва с установяването на различни факти чрез наблюдение или експериментиране. Ако сред тези факти се открие определена закономерност и повторяемост, тогава по принцип може да се твърди, че е намерен емпиричен закон, първично емпирично обобщение. И всичко би било наред, но по правило рано или късно се откриват факти, които не се вписват в откритата закономерност. Тук на помощ е призован творческият интелект на учения, способността му мислено да реконструира познатата реалност, така че фактите, изпадащи от общата серия, най-накрая да се впишат в определена единна схема и да престанат да противоречат на открития емпиричен модел.

Вече не е възможно тази нова схема да бъде открита чрез наблюдение; тя трябва да бъде измислена, създадена спекулативно, първоначално представена под формата на теоретична хипотеза. Ако хипотезата е успешна и премахва установеното противоречие между фактите и още по-добре, позволява да се предвиди получаването на нови, нетривиални факти, това означава, че е родена нова теория, открит е теоретичен закон.

Известно е например, че еволюционната теория на Чарлз Дарвин е била застрашена от крах дълго време поради широкото разпространение през 19 век. идеи за наследствеността. Смята се, че предаването на наследствени характеристики става на принципа на „смесване“, т.е. родителските характеристики се предават на потомството в някаква междинна форма. Ако пресечете, да речем, растения с бели и червени цветя, тогава полученият хибрид трябва да има розови цветя. В повечето случаи това е вярно. Това е емпирично установено обобщение, базирано на множество напълно достоверни емпирични факти.

Но от това, между другото, следваше, че всички наследствени характеристики по време на кръстосването трябва да бъдат осреднени. Това означава, че всеки признак, дори най-полезният за организма, който се появява в резултат на мутация (внезапна промяна в наследствените структури), трябва да изчезне с времето и да се разтвори в популацията. А това от своя страна доказа, че естественият подбор не трябва да работи! Британският инженер Ф. Дженкин доказа това строго математически. Този „кошмар на Дженкин“ измъчва живота на Чарлз Дарвин от 1867 г., но той така и не намира убедителен отговор. (Въпреки че отговорът вече беше намерен. Дарвин просто не знаеше за него.)

Факт е, че от подредената поредица от емпирични факти, които рисуват като цяло убедителна картина на осредняването на наследствените характеристики, упорито са били избивани не по-малко ясно записани емпирични факти от различен порядък. При кръстосване на растения с червени и бели цветя, макар и не често, все пак ще се появят хибриди с чисто бели или червени цветя. При осредняване на наследяването на признаците обаче това просто няма как да се случи – като смесите кафе с мляко, не можете да получите черна или бяла течност! Ако Чарлз Дарвин беше обърнал внимание на това противоречие, славата му със сигурност щеше да бъде подсилена от тази на създателя на генетиката. Но той не обърна внимание. Както впрочем и повечето му съвременници, които смятаха това противоречие за незначително. И напразно.

В края на краищата такива „стърчащи“ факти развалиха цялата достоверност на емпиричното правило за междинния характер на наследяването на черти. За да се вместят тези факти в цялостната картина, беше необходима друга схема на механизма на наследяване. То не се разкрива чрез пряко индуктивно обобщение на факти и не се дава на пряко наблюдение. Трябваше да бъде „видяно с ума“, отгатнато, въобразено и съответно формулирано под формата на теоретична хипотеза.

Този проблем, както е известно, беше брилянтно решен от Г. Мендел. Същността на предложената от него хипотеза може да се изрази по следния начин: наследството не е междинно, а дискретно по природа. Наследствените черти се предават в отделни единици (днес ги наричаме гени). Следователно, когато се предават наследствени фактори от поколение на поколение, те се разделят, а не се смесват. Тази брилянтно проста схема, която по-късно се разви в последователна теория, обяснява всички емпирични факти наведнъж. Наследяването на знаци протича в режим на разделяне и следователно е възможно появата на хибриди с „несмесими“ знаци. А наблюдаваното в повечето случаи „смесване“ се дължи на факта, че по правило не един, а много гени са отговорни за наследяването на даден признак, който „смазва“ менделското разцепление. Принципът на естествения подбор беше запазен, „кошмарът на Дженкин“ се разсея.

Така традиционният модел на структурата на научното познание предполага движение по веригата: установяване на емпирични факти - първично емпирично обобщение - откриване на факти, които се отклоняват от правилото - изобретяване на теоретична хипотеза с нова схема на обяснение - логическо заключение (дедукция) от хипотезата за всички наблюдавани факти, което е неговата проверка на истинността. Потвърждаването на една хипотеза я превръща в теоретичен закон. Този модел на научно познание се нарича хипотетико-дедуктивен. Смята се, че по-голямата част от съвременното научно познание е изградено по този начин.

Въведение

Науката е една от основните форми на човешкото познание. В момента то става все по-значима и съществена част от реалността. Науката обаче не би била продуктивна, ако не разполагаше с толкова развита система от методи и принципи на познанието. Това е правилно избраният метод, заедно с таланта на учения, който му помага да разбере различни явления, да открие тяхната същност и да открие закони и закономерности. Има огромен брой методи и броят им непрекъснато нараства. В момента има около 15 000 науки и всяка от тях има свои специфични методи и предмет на изследване.

Целта на тази работа- разгледайте методите на естественото научно познание и разберете какво е естествената научна истина. За да постигна тази цел, ще се опитам да разбера:

1) Какво е метод.

2) Какви методи на познание съществуват.

3) Как са групирани и класифицирани.

4) Какво е истината.

5) Характеристики на абсолютната и относителната истина.

Методи на природонаучното познание

Научното познание е решението на различни видове проблеми, които възникват в хода на практическата дейност. Проблемите, които възникват в този случай, се решават с помощта на специални техники. Тази система от техники обикновено се нарича метод. Методе набор от техники и операции на практическо и теоретично познание на реалността.

Всяка наука използва различни методи, които зависят от естеството на проблемите, които решава. Уникалността на научните методи обаче се състои в това, че във всеки изследователски процес комбинацията от методи и тяхната структура се променят. Благодарение на това възникват специални форми (страни) на научното познание, най-важните от които са емпирични и теоретични.

Емпирична (експериментална) странае съвкупност от факти и информация (установяване на факти, тяхното регистриране, натрупване), както и тяхното описание (изявление на факти и тяхната първична систематизация).

Теоретична странасвързани с обяснение, обобщение, създаване на нови теории, издигане на хипотези, откриване на нови закони, предвиждане на нови факти в рамките на тези теории. С тяхна помощ се изгражда научна картина на света и по този начин се осъществява идеологическата функция на науката.

Разгледаните по-горе средства и методи на познание са същевременно етапи от развитието на научното познание. По този начин емпиричното, експериментално изследване предполага цяла система от експериментално и наблюдателно оборудване (устройства, включително изчислителни устройства, измервателни инсталации и инструменти), с помощта на които се установяват нови факти. Теоретичните изследвания включват работата на учените, насочена към обяснение на факти (предполагаеми - с помощта на хипотези, тествани и доказани - с помощта на теории и закони на науката), за формиране на концепции, които обобщават данните. И двете заедно проверяват познатото на практика.

Методите на естествената наука се основават на единството на нейната емпирична и теоретична страна. Те са взаимосвързани и взаимно се допълват. Тяхната празнина, или неравномерно развитие, затваря пътя към правилното познание на природата - теорията става безсмислена, а опитът става сляп.

Природонаучните методи могат да бъдат разделени на следните групи:

1. Общи методисвързани с всеки предмет и всяка наука. Това са различни методи, които позволяват да се свържат заедно всички аспекти на знанието, например методът на изкачване от абстрактното към конкретното, единството на логическото и историческото. Това са по-скоро общофилософски методи на познание.

2. Частни методи -Това са специални методи, които действат или само в определен клон на науката, или извън клона, от който са възникнали. Това е методът за опръстеняване на птици, използван в зоологията. А методите на физиката, използвани в други клонове на естествените науки, доведоха до създаването на астрофизика, геофизика, кристална физика и т.н. Често се използва комплекс от взаимосвързани конкретни методи за изучаване на един предмет. Например, молекулярната биология едновременно използва методите на физиката, математиката, химията и кибернетиката.

3. Специални методисе отнасят само до едната страна на изучавания предмет или определена изследователска техника: анализ, синтез, индукция, дедукция. Специалните методи също включват наблюдение, измерване, сравнение и експеримент.

В естествените науки специални методина науката се отдава изключително значение. Нека разгледаме тяхната същност.

Наблюдение -Това е целенасочен процес на възприемане на обекти от реалността без никаква намеса. Исторически методът на наблюдение се развива като неразделна част от трудовата операция, която включва установяване на съответствието на продукта на труда с неговия планиран модел.

Експеримент -метод на познание, с помощта на който се изучават явления от действителността при контролирани и контролирани условия. Различава се от наблюдението чрез намеса в изучавания обект. При провеждане на експеримент изследователят не се ограничава до пасивно наблюдение на явленията, а съзнателно се намесва в естествения ход на тяхното протичане, като пряко влияе върху изследвания процес или променя условията, в които протича този процес.

аналогия -метод на познание, при който прехвърлянето на знания, получени по време на разглеждането на всеки един обект, се случва към друг, по-малко проучен и в момента се изучава. Методът на аналогията се основава на сходството на обектите по редица характеристики, което позволява да се получат напълно надеждни знания за изучавания предмет.

Моделиране -метод на научно познание, основаващ се на изучаването на всякакви обекти чрез техните модели. Възникването на този метод се дължи на факта, че понякога обектът или явлението, което се изучава, се оказва недостъпно за пряката намеса на познаващия субект или такава намеса е неподходяща по редица причини. Моделирането включва прехвърляне на изследователски дейности към друг обект, действайки като заместител на обекта или явлението, което ни интересува. Заместващият обект се нарича модел, а обектът на изследване се нарича оригинал или прототип. В този случай моделът действа като заместител на прототипа, което позволява да се получат определени знания за последния.

Съвременната наука познава няколко вида моделиране:

1) предметно моделиране, при което се извършва изследване на модел, който възпроизвежда определени геометрични, физически, динамични или функционални характеристики на оригиналния обект;

2) символно моделиране, при което диаграми, чертежи и формули действат като модели. Най-важният тип такова моделиране е математическото моделиране, произведено с помощта на математика и логика;

3) умствено моделиране, при което вместо знакови модели се използват умствени визуални изображения на тези знаци и операции с тях.

Напоследък е широко разпространен моделен експеримент с използване на компютри, които са едновременно средство и обект на експериментално изследване, замествайки оригинала. В този случай алгоритъмът (програмата) за функциониране на обекта действа като модел.

анализ -метод на научно познание, който се основава на процедурата на умствено или реално разделяне на обект на неговите съставни части. Целта на разчленяването е преходът от изучаване на цялото към изучаване на неговите части.

Анализът е органичен компонент на всяко научно изследване, което обикновено е неговият първи етап, когато изследователят преминава от недиференцирано описание на обекта, който се изучава, към идентифициране на неговата структура, състав, както и неговите свойства и характеристики.

Синтез -Това е метод на научно познание, който се основава на процедурата за комбиниране на различни елементи от даден предмет в едно цяло, система, без която наистина научното познание на този предмет е невъзможно. Синтезът действа не като метод за конструиране на цялото, а като метод за представяне на цялото под формата на единство от знания, получени чрез анализ. При синтеза има не просто обединяване, а обобщаване на признаците на даден обект. Положенията, получени в резултат на синтеза, са включени в теорията на обекта, която, обогатена и усъвършенствана, определя пътя на новите научни изследвания.

индукция -метод на научното познание, което е формулиране на логическо заключение чрез обобщаване на данни от наблюдения и експерименти (метод за конструиране от конкретното към по-общото).

Непосредствената основа на индуктивното заключение е заключението за общите свойства на всички обекти въз основа на наблюдението на достатъчно голямо разнообразие от отделни факти. Обикновено индуктивните обобщения се разглеждат като емпирични истини или емпирични закони.

Прави се разлика между пълна и непълна индукция. Пълната индукция изгражда общо заключение въз основа на изследването на всички обекти или явления от даден клас. В резултат на пълната индукция полученият извод има характер на достоверно заключение. Същността на непълната индукция е, че тя изгражда общо заключение въз основа на наблюдението на ограничен брой факти, ако сред последните няма такива, които противоречат на индуктивното заключение. Ето защо е естествено получената по този начин истина да е непълна; тук получаваме вероятностно знание, което изисква допълнително потвърждение.

приспадане -метод на научно познание, който се състои в прехода от определени общи предпоставки към конкретни резултати и последствия.

Изводът чрез дедукция се изгражда по следната схема:

Всички артикули от клас "А" имат свойството "В"; позиция "а" принадлежи към клас "А"; Това означава, че "a" има свойство "B". Като цяло дедукцията като метод на познание се основава на вече известни закони и принципи. Следователно методът на дедукция не ни позволява да получим смислени нови знания. Дедукцията е само начин за идентифициране на конкретно съдържание въз основа на първоначално знание.

Решаването на всеки научен проблем включва излагане на различни предположения, предположения и най-често повече или по-малко обосновани хипотези, с помощта на които изследователят се опитва да обясни факти, които не се вписват в старите теории. В несигурни ситуации възникват хипотези, чието обяснение става релевантно за науката. Освен това на нивото на емпиричното познание (както и на нивото на неговото обяснение) често има противоречиви преценки. За разрешаването на тези проблеми са необходими хипотези.

Шерлок Холмс е използвал подобни изследователски методи. Той използва както индуктивни, така и дедуктивни методи в своите изследвания. По този начин индуктивният метод се основава на идентифициране на доказателства и най-незначителните факти, които по-късно образуват единна, неразривна картина. Дедукцията се изгражда на следния принцип: когато вече има общо – картина на извършено престъпление – тогава се търси конкретното – престъпното, тоест от общото към конкретното.

Хипотезае всяко предположение, предположение или прогноза, направено за премахване на ситуация на несигурност в научното изследване. Следователно хипотезата не е надеждно знание, а вероятно знание, чиято истинност или неистинност все още не е установена.

Всяка хипотеза трябва да бъде обоснована или от постигнатото познание на дадена наука, или от нови факти (несигурните знания не се използват за обосноваване на хипотезата). Тя трябва да има свойството да обяснява всички факти, които се отнасят до дадена област на знанието, да ги систематизира, както и факти извън тази област, предсказвайки появата на нови факти (например квантовата хипотеза на М. Планк, изложена на началото на 20 век, довежда до създаването на квантова механика, квантова електродинамика и други теории). Освен това хипотезата не трябва да противоречи на съществуващите факти.

Една хипотеза трябва или да бъде потвърдена, или опровергана. За да направи това, той трябва да притежава свойствата на фалшифицируемост и проверяемост. фалшификация -процедура, която установява неистинността на дадена хипотеза в резултат на експериментално или теоретично тестване. Изискването за фалшифицируемост на хипотезите означава, че предмет на науката може да бъде само фундаментално фалшифицируемо знание. Неопровержимите знания (например истините на религията) нямат нищо общо с науката. Самите експериментални резултати обаче не могат да оборят хипотезата. Това изисква алтернативна хипотеза или теория, която осигурява по-нататъшно развитие на знанието. В противен случай първата хипотеза не се отхвърля. Проверка -процесът на установяване на истинността на хипотеза или теория чрез емпирично тестване. Възможна е и непряка проверимост, основана на логически заключения от пряко проверени факти.

Научното знание иначе се нарича научно изследване. Науката е не само резултат от научно изследване, но и самото изследване

Сложността на научното познание се определя от наличието в него на нива, методи и форми на познание.

Нива на знания:

емпиричен
теоретичен.

Емпиричното изследване (от гръцки empeiria - опит) е опитно познание. Емпиричното ниво на научното познание се характеризира с пряко изследване на реално съществуващи, сетивни обекти. На емпирично структурно нивознанието е резултат от пряк контакт с „живата“ реалност чрез наблюдение и експеримент.

Теоретични изследвания(от гръцки theoria - разглеждам, изследвам) е система от логически твърдения, включващи математически формули, диаграми, графики и др., формирани за установяване на законите на природните, техническите и социалните явления. На теоретично нивовключват всички онези форми и методи на познание, които осигуряват създаването, изграждането и развитието на научната теория.

На теоретично ниво те прибягват до формирането на концепции, абстракции, идеализации и ментални модели, изграждат хипотези и теории и откриват законите на науката.

Основни форми на научно познание

данни,
проблеми,
емпирични закони
хипотези,
теории.

Тяхното значение е да разкрият динамиката на процеса на познаване в хода на изследване и изучаване на всеки обект.

Тоест, всъщност познанието се извършва на три етапа:

1) търсене, натрупване на научни факти в обхвата на изучаваните явления;

2) разбиране на натрупаната информация, изразяване на научни хипотези, изграждане на теория;

3) експериментално тестване на теорията, наблюдения на неизвестни преди това явления, предсказани от теорията и потвърждаващи нейната валидност.

На емпирично ниво, чрез наблюдение и експеримент, субектът получава научно познание предимно под формата на емпирични факти.

Факт - достоверно знание, което посочва, че е настъпило определено събитие, е открито определено явление и т.н., но не обяснява защо това се е случило (пример за факт: ускорението на свободно падащо тяло е 9,81 m/sec²)

проблем възниква, когато новооткритите факти не могат да бъдат обяснени и разбрани с помощта на стари теории

Емпиричен закон(стабилен, повтарящ се феномен)- резултат от обобщаване, групиране, систематизиране на факти.

Пример: всички метали провеждат добре електричество;

Въз основа на емпирични обобщения се формира хипотеза.

Хипотеза - това е предположение, което ни позволява да обясним и опишем количествено наблюдаваното явление . Хипотезата се отнася до теоретичното ниво на познание .

Ако хипотезата се потвърди, тогава се обръщаот вероятностни знания към надеждни знания, т.е. . в теорията.

Създаването на теория е най-висшата и крайна цел на фундаменталната наука

Теорияпредставлявасистема от истински, вече доказани, потвърдени знания за същността на явленията, най-висшата форма на научно познание.

Най-важните функции на теорията:обяснение и прогноза.

Експериментът е критерий за истинността на хипотезите и научните теории.

Методи на научното познание.

Научният метод играе основна роля в научното познание.

Нека първо да разгледаме какво е метод като цяло.

Метод (на гръцки - "път", "начин")

В най-широкия смисъл на думата методът се разбира като път, начин за постигане на цел.

Методът е форма на практическо и теоретично овладяване на реалността, основана на моделите на поведение на обекта, който се изучава.

Всяка форма на дейност се основава на определени методи, изборът на които значително определя нейния резултат. Методът оптимизира човешката дейност, въоръжава човек с най-рационалните начини за организиране на дейността си.

Научен метод- това е организацията на средствата за познание (устройства, инструменти, техники, операции и т.н.) за постигане на научна истина.

Класификация на методите по нива на знания:

Емпиричното ниво на познание включва методи:наблюдение, експеримент, моделиране на обекта, измерване, описание на получените резултати, сравнение и др.

Наблюдение е сетивно отражение на обекти и явления, по време на което човек получава първична информация за света около него. Основното при наблюдението е да не се правят промени в реалността, която се изучава по време на изследването. .

Наблюдението предполага наличието на определен изследователски план, допускане, което подлежи на анализ и проверка. Резултатите от наблюдението се записват в описание, като се отбелязват тези признаци и свойства на обекта, който се изучава, които са обект на изследване. Описанието трябва да бъде максимално пълно, точно и обективно. На тяхна база се създават емпирични обобщения, систематизация и класификация.

Експериментирайте– целенасочено и строго контролирано въздействие на изследователя върху интересуващ го обект или явление за изучаване на неговите различни аспекти, връзки и отношения. В този случай обектът или явлението се поставят в специални, специфични и променливи условия. Спецификата на експеримента е също така, че ви позволява да видите обекта или процеса в неговата чиста форма

Теоретичното ниво на познанието включва методи:формализация, абстракция, идеализация, аксиоматизация, хипотетико-дедуктивна и др.

Класификация на методите по област на използване:

1. универсален - приложение във всички сектори на човешката дейност

метафизичен
диалектически

2. общонаучен- приложение във всички области на науката:

Индукция –начин на разсъждение или метод за получаване на знания, при който се прави общо заключение от обобщение на конкретни препратки (Франсис Бейкън).

· приспадане -форма на извод от общото към частното и индивидуалното (Рене Декарт).

· Анализ- метод на научно познание, който се основава на процедурата на умствено или реално разделяне на обект на съставните му части и тяхното отделно изследване.

· Синтез- метод на научно познание, който се основава на комбинация от елементи, идентифицирани чрез анализ.

· Сравнение- метод на научно познание, който ви позволява да установите приликите и разликите на изследваните обекти

· Класификация- метод на научно познание, който комбинира в един клас обекти, които са възможно най-сходни един с друг по съществени характеристики.

· Аналогия- метод на познание, при който наличието на сходство, съвпадението на характеристиките на неидентични обекти ни позволява да приемем тяхното сходство в други характеристики.

· Абстракция- метод на мислене, който се състои в абстрахиране от маловажни, незначителни за субекта на познание свойства и връзки на обекта, който се изучава, като същевременно се подчертават онези негови свойства, които изглеждат важни и значими в контекста на изследването.

· Моделиране– метод за замяна на изучавания обект с нещо подобно на него по редица свойства и характеристики, които представляват интерес за изследователя. В съвременните изследвания се използват различни видове моделиране: предметно, мисловно, символно, компютърно.

3. Специфични научни методи - приложение в определени клонове на науката.

Методика- учението за методите. Неговите цели са да изследва произхода, същността, ефективността и други характеристики на методите на познанието.

Методология на научното познание -учението за принципите на изграждане, формите и методите на научната и познавателна дейност.

Той характеризира компонентите на научното изследване - неговия обект, предмет на анализ, изследователската задача (или проблем), набор от изследователски инструменти, необходими за решаване на проблем от този тип, а също така формира представа за последователността от действия на изследователя в процеса на решаване на проблема.

Еволюционни и революционни периоди на развитие на естествознанието. Определение за научната революция, нейните етапи и видове.

Развитието на природните науки не е просто монотонен процес на количествено натрупване на знания за заобикалящия ни природен свят (еволюционен етап).

В развитието на науката има повратни точки (научни революции), които коренно променят предишната визия за света.

Самото понятие „революция“ показва радикална промяна в съществуващите представи за природата като цяло; възникването на кризисни ситуации при обяснение на фактите.

Научната революция е естествен и периодично повтарящ се процес в историята на качествен преход от един начин на познание към друг, отразяващ по-дълбоките връзки и взаимоотношения на природата.

Научните революции могат да разширят своето значение далеч отвъд конкретната област, в която са се случили.

Разграничете общонаучни и специфични научни революции.

Общи научни:Хелиоцентричната система на света на Н. Коперник, класическата механика на Нютон, еволюционната теория на Дарвин, възникването на квантовата механика и др.

Частен научен: -появата на микроскопа в биологията, телескопа в астрономията.

Научната революция има своя структура и основни етапи на развитие.

формирането на непосредствени предпоставки (емпирични, теоретични, стойностни) за нов начин на познание в дълбините на стария.
директно развитие на нов начин на познание.
утвърждаване на качествено нов начин на познание .

Научна картина на света (nkm) - едно от основните понятия в естествените науки.

В основата си научна картина на света - това е специална форма на систематизиране на знанията, качествено обобщение и идеологически синтез на различни научни теории. Това е холистична система от идеи за общите свойства и закономерности на природата.

Научната картина на света включва най-важните постижения на науката, които създават определено разбиране за света и мястото на човека в него.

Фундаментални въпроси, на които отговаря научната картина на света:

За материята

За движението

Относно взаимодействието

За пространството и времето

За причинно-следствената връзка, закономерността и случайността

За космологията (общата структура и произход на света

Като цялостна система от идеи за общите свойства и закономерности на обективния свят, научната картина на света съществува като сложна структура, включваща като свои съставни части общонаучната картина на света, естественонаучната картина на света и картините на света на отделните науки (физически, биологични, геологически и др.).

В основата на съвременната научна картина на света са фундаменталните знания, получени преди всичко в областта на физиката. През последните десетилетия на миналия век обаче все повече се утвърждава мнението, че биологията заема водеща позиция в съвременната научна картина на света. Идеите на биологията постепенно придобиват универсален характер и се превръщат в основни принципи на други науки. По-специално, в съвременната наука такава универсална идея е идеята за развитие, чието проникване в космологията, физиката, химията, антропологията, социологията и др. доведе до значителна промяна във възгледите на хората за света.

ИСТОРИЧЕСКИ ЕТАПИ НА ПОЗНАВАНЕ НА ПРИРОДАТА

Според историците на науката има 4 етапа в развитието на естествените науки:

1. Натурфилософия (предкласическа) – 6 век. пр.н.е.-2 век сл.н.е

2. аналитичен (класически) – 16-19 век)

3. синтетичен (некласически) – края на 19 век - 20 век

4. интегрално - диференциално (постнекласическо) - края на 20 век - началото на 21 век.

В първобитната епоха се натрупват спонтанни емпирични знания за природата.

Съзнанието на човека от тази епоха е двустепенно:

· ниво на обикновени ежедневни знания;

· ниво на митотворчество като форма на систематизиране на ежедневните знания .

Формирането на първата научна картина на света се случва в древногръцката култура - натурфилософската картина на света.

Най-значимите открития на Ренесанса включват:експериментално изследване на законите на планетарното движение, създаването на хелиоцентричната система на света от Н. Коперник, изучаването на законите на падащите тела, закона за инерцията и принципа на относителността на Галилей.

Втората половина на 17 век- законите на механиката и закона на Нютон за всемирното привличане.

Идеалът на научното познание през 17-19 век е механиката.

През 17-18в.в математиката се развива теорията на безкрайно малките величини (Нютон, Лайбниц), Р. Декарт създава аналитична геометрия, М.В. Ломоносов – молекулярно-кинетична теория. Космогоничната теория на Кант-Лаплас придобива широка популярност, което допринася за въвеждането на идеята за развитие в естествените, а след това и в социалните науки.

До края на 18-19 век. природата на електричеството беше частично изяснена (законът на Кулон).

В края на 18 - първата половина на 19 век.в геологията възниква теорията за развитието на Земята (C. Lyell), в биологията - еволюционната теория на Ж.Б. Ламарк се развиват такива науки като палеонтология (J. Cuvier) и ембриология (K.M. Baro).

През 19 век. създадени са клетъчната теория на Шван и Шлайден, еволюционната доктрина на Дарвин и периодичната таблица на елементите от Д.И. Менделеев, електромагнитната теория на Максуел.

Изключителните експериментални открития във физиката в края на 19 век включват:откриване на електрона, делимост на атома, експериментално откриване на електромагнитни вълни, откриване на рентгенови лъчи, катодни лъчи и др.

ФИЗИЧЕСКА КАРТИНА НА СВЕТА

Думата "физика" се появява в древни времена. В превод от гръцки това означава „природа“.

Физиката е в основата на всички природни науки.

Физика - наука за природата, която изучава най-простите и в същото време най-общите свойства на материалния свят.

Съвременно казано:

най-простите са така наречените първични елементи: елементарни частици, полета, атоми, молекули и др.
най-общите свойства на материята - движение, пространство и време, маса, енергияи т.н.

Разбира се, физиката изучава и много сложни явления и обекти. Но при изучаването сложното се свежда до простото, специфичното към общото.

Най-общите, важни фундаментални понятия на физическото описание на природата включват материя, движение, пространство и време.

материя(лат. Materia – вещество) е философска категория за обозначаване на обективната реалност, която се отразява от нашите усещания, съществуващи независимо от тях.” (Ленин V.I. Пълни произведения. T.18. P.131.)

Едно от съвременните определения на материята:

материя– безкраен набор от всички обекти и системи, съжителстващи в света, съвкупността от техните свойства и връзки, отношения и форми на движение.

Основата на съвременните научни представи за структурата на материята е идеята за нейната сложна системна организация.

На съвременния етап от развитието на естествените науки изследователите разграничават следното:

видове материя: материя, физическо поле и физически вакуум.

вещество – основният вид материя, която има маса на покой (елементарни частици, атоми, молекули и изграденото от тях);

Физическо поле - специален вид материя, която осигурява физическото взаимодействие на материалните обекти и техните системи (електромагнитни, гравитационни).

Физически вакуум - не празнота, а специално състояние на материята, това е най-ниското енергийно състояние на квантовото поле. Той непрекъснато претърпява сложни процеси, свързани с непрекъснатото появяване и изчезване на така наречените „виртуални“ частици.

Разликата между материя и поле не е абсолютна и при преминаване към микрообекти нейната относителност ясно се разкрива

Съвременната наука отличава в света три структурни нива.

Микросвят– това са молекули, атоми, елементарни частици, светът на изключително малки, ненаблюдаеми директно микрообекти, чието пространствено измерение се изчислява от 10 -8 до 10 -16 cm, а времето на живот е от безкрайност до 10 -24 s. .

Макросвят - светът на макрообектите, чиято размерност е сравнима с мащаба на човешкия опит, пространствените величини се изразяват в милиметри, сантиметри и километри, а времето - в секунди, минути, часове, години.

Мегасвят - това са планети, звезди, галактики, Вселената, свят с огромни космически мащаби и скорости, разстоянието в което се измерва в светлинни години, а животът на космическите обекти се измерва в милиони и милиарди години.

И въпреки че тези нива имат свои специфични закони, микро-, макро- и мега-световете са тясно свързани помежду си.

Механистична картина на света ( MKM)

Първата естествена научна картина на света се формира въз основа на изучаването на най-простата, механична форма на движение на материята. Тя изследва законите на движението на земните и небесните тела в пространството и времето. По-късно, когато тези закони и принципи бяха пренесени върху други явления и процеси, те станаха основата на една механистична картина на света.
Анализът на физическите явления на макрокосмоса се основава на концепцията на класическата механика.

Науката дължи създаването на класическата механика на Нютон, но почвата за това е подготвена от Галилей и Кеплер.

Класическа механика описва движението на макротелата със скорости много по-ниски от скоростта на светлината.

Статиката (изучаването на равновесието) започва да се развива по-рано от други клонове на механиката (древността, Архимед: „дайте ми опорна точка и ще обърна Земята с главата надолу“).

През 17 век са създадени научните основи на динамиката(изучаване на силите и тяхното взаимодействие), а с това и цялата механика.

Г. Галилей се смята за основател на динамиката.

Галилео Галилей(1564-1642). Един от основателите на съвременната естествена наука Той притежава: доказателството за въртенето на Земята, откриването на принципа на относителността на движението и закона за инерцията, законите на свободното падане на телата и тяхното движение по наклонена равнина, законите за събиране на движенията и поведението на математическото махало. Той изобретява и телескоп и с негова помощ изследва ландшафта на Луната, открива спътниците на Юпитер, петна на Слънцето и фазите на Венера.

Основите на нова механистична естествена наука са положени в учението на Г. Галилей. Той притежава израза „Книгата на природата е написана на езика на математиката“. Въведе понятието „мисловен експеримент“ .

Основната заслуга на Галилей е, че той пръв използва експерименталния метод за изследване на природата, заедно с измервания на изследваните величини и математическа обработка на резултатите от измерванията.

Най-фундаменталният проблем, останал неразрешим хиляди години поради своята сложност, е проблемът за движението (А. Айнщайн).

Преди Галилей общоприетото разбиране за движението в науката е развито от Аристотел и се свежда до следния принцип: тялото се движи само при наличие на външно въздействие върху него и ако това влияние спре, тялото спира . Галилей показа, че този принцип на Аристотел е грешен. Вместо това Галилей формулира съвсем различен принцип, който по-късно получава името принцип (закон) на инерцията.

Закон за инерцията (първият закон на механиката на Нютон):материална точка, когато върху нея не действат сили (или върху нея действат взаимно балансирани сили), е в състояние на покой или равномерно линейно движение.

Инерционна система- отправна система, в която е в сила закона за инерцията.

Принципът на относителността на Галилей- Във всички инерциални системи важат едни и същи закони на механиката.Никакви механични експерименти, проведени в някаква инерционна отправна система, не могат да определят дали дадена система е в покой или се движи равномерно и праволинейно.

Галилей пише: „... в кабината на кораб, който се движи равномерно и без да се търкаля, вие няма да откриете нито едно от околните явления или нищо, което ви се случва, дали корабът се движи или стои неподвижно.“

Преведено на съвременен език става ясно, че ако спите на 2-ро легло на равномерно движещ се вагон, тогава ви е трудно да разберете дали се движите или просто се клатите. Но... щом влакът се забави (неравномерно движение с отрицателно ускорение!) и излетите от рафта... тогава ясно ще кажете - ние пътувахме.

Създаването на основите на класическата механика завършва с трудовете на И. Нютон,който формулира основните му закони и открива закона за универсалната гравитация в работата „Математически принципи на естествената философия“ (1687 г.)

Сред откритията на Нютон (1643-1727): известните закони на динамиката, законът за всемирното привличане, създаването (едновременно с Лайбниц) на нови математически методи - диференциално и интегрално смятане, които станаха основата на висшата математика; изобретяване на рефлекторния телескоп, откриване на спектралния състав на бялата светлина и др.

I. Законите на механиката на Нютон

всяко тяло поддържа състояние на покой или праволинейно равномерно движение, докато не бъде принудено да го промени под въздействието на някакви сили(това е принципът на инерцията, формулиран за първи път от Галилей);
ускорението (а), придобито от тялото под действието на някаква сила (f), е право пропорционално на тази сила и обратно пропорционално на масата на тялото (m);

действията на две тела едно върху друго винаги са еднакви по големина и насочени в противоположни посоки. (това е законът за равенство на действието и реакцията).

f 1 =- f 2

Теорията на Нютон за гравитацията е от голямо значение за разбирането на феномените на макрокосмоса. Окончателната формулировка на закона за всемирното притегляне е направена през 1687 г.

Законът на Нютон за гравитацията:

всеки две материални частици се привличат една към друга със сила, право пропорционална на произведението на техните маси и обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях.

F=G.(m 1 .m 2 /r 2)

Всички тела падат върху повърхността на Земята под въздействието на нейното гравитационно поле с еднакво ускорение на свободно падане g=9,8 m/sec 2 .

Ключовите понятия във физиката на Нютон са понятията за абсолютно пространство и абсолютно време, които са като вместилища на материални тела и процеси и не зависят не само от тези тела и процеси, но и едно от друго.

И така, основните идеи на класическата механика са:

има тела, които трябва да бъдат надарени със свойството маса;
масите се привличат една друга (закон за всемирното привличане);
телата могат да запазят състоянието си - да почиват или да се движат равномерно, без да променят посоката си на движение (законът на инерцията, известен още като принцип на относителността);
когато силите действат върху телата, те променят състоянието си: или се ускоряват, или забавят (вторият закон на Нютон за динамиката);
действието на силите предизвиква еднаква и противоположна реакция (трети закон на Нютон).

Резултатът от развитието на класическата механика беше създаването на единна механистична картина на света, която доминира от втората половина на 17 век до научната революция в началото на 19 и 20 век.

По това време механиката се смяташе за универсален метод за разбиране на заобикалящите явления и стандарт на всяка наука като цяло. Механиката е лидер на естествените науки през този период.

Класическата механика представя света под формата на гигантски механизъм, ясно функциониращ въз основа на своите вечни и неизменни закони

Това доведе до желанието за цялостна система от знания, която улавя истината в нейната окончателна форма.

В този абсолютно предвидим свят живият организъм се разбираше като механизъм.

Основни научни положения на механистичната картина на света:

1. Единствената форма на материята е субстанция, състояща се от дискретни частици (корпускули) с ограничени обеми, единствената форма на движение е механичното движение в празно триизмерно пространство;

2. абсолютно пространство и абсолютно време;

3. Трите закона на динамиката на Нютон управляват движенията на телата;

4. ясна причинно-следствена връзка на събитията (т.нар. детерминизъм на Лаплас);

5. Уравненията на динамиката са обратими във времето, т.е. за тях е без значение къде се развива процесът от сегашното време - към бъдещето или миналото.

Класическата механика дава ясни насоки в разбирането на фундаменталните категории – пространство, време и движение на материята.

Електромагнитна картина на света ( EMKM)

В предговора към известната си работа "Математически принципи на естествената философия" И. Нютон изрази следните насоки за бъдещето: Би било желателно да се изведат други природни явления от принципите на механиката...

Много естествени учени, следвайки Нютон, се опитаха да обяснят голямо разнообразие от природни явления въз основа на принципите на механиката. От триумфа на законите на Нютон, които се смятаха за универсални и универсални, учените, работещи в областта на астрономията, физиката и химията, черпиха вяра в успеха.

Като поредно потвърждение на подхода на Нютон към въпроса за устройството на света, физиците първоначално възприемат откритието на френски военен инженер, Медальон Charles Auguste(1736-1806). Оказа се, че положителните и отрицателните електрически заряди се привличат един към друг правопропорционално на размера на зарядите и обратно пропорционално на квадрата на разстоянието между тях.

Работата в областта на електромагнетизма бележи началото на колапса на механистичната картина на света.

През 19 век физиците допълват механистичната картина на света с електромагнитна. Електрическите и магнитните явления са им били известни отдавна, но са били изучавани отделно едно от друго. По-нататъшното им изследване показа, че между тях съществува дълбока връзка, което принуди учените да потърсят тази връзка и да създадат единна електромагнитна теория.

Английски химик и физик Майкъл Фарадей(1791-1867) въведен в науката през 30 19 век.концепция физическо поле(електромагнитно поле). Той успя да покаже експериментално, че има пряка динамична връзка между магнетизма и електричеството. Така той е първият, който комбинира електричеството и магнетизма и ги признава за една и съща сила на природата. В резултат на това естествената наука започна да установява разбирането, че освен материя, в природата има и поле.

Според Фарадей активната и постоянно движеща се материя не може да бъде представена под формата на атоми и празнота, материята е непрекъсната, атомите са само струпвания от силови линии.

Електромагнитното поле е специална форма на материя, чрез която се осъществява взаимодействието между електрически заредени частици.

Математическото развитие на идеите на Фарадей е предприето от изключителен английски учен Джеймс Клерк Максуел(1831-1879). Той е през втората половина на 19 век. Въз основа на експериментите на Фарадей той развива теорията за електромагнитното поле.

Въвеждането от Фарадей на концепцията за "електромагнитното" поле и математическото определение на неговите закони, дадени в уравненията на Максуел, са най-големите събития във физиката от времето на Галилей и Нютон.

Но бяха необходими нови резултати, за да стане теорията на Максуел достояние на физиката. Немският физик изигра решаваща роля за победата на теорията на Максуел Хайнрих Рудолф Херц(1857-1894). През 1887 г. Г. Херц експериментално открива електромагнитни вълни.

Той също успя да докаже фундаменталната идентичност на електромагнитните променливи полета и светлинните вълни, които получи.

След експериментите на Херц във физиката се утвърждава понятието поле като обективно съществуваща физическа реалност. Материята и полето се различават по физически характеристики: частиците на материята имат маса на покой, но частиците на полето не. Веществото и полето се различават по степента на пропускливост: веществото е слабо пропускливо, а полето е напълно пропускливо. Скоростта на разпространение на полето е равна на скоростта на светлината, а скоростта на движение на частиците е с няколко порядъка по-ниска.

Така, до края на 19 век. физиката стига до извода, че материята съществува в две форми: дискретна материя и непрекъснато поле.

По-късно, по време на изучаването на микросвета, позицията на материята и полето като независими видове материя, независими една от друга, беше поставена под въпрос.

На етапа на развитие на класическата механика се предполагаше, че взаимодействието на телата (например гравитационно) се случва моментално.Използван е принципът на далечно действие.

Дълъг обхват - взаимодействие на телата във физиката, което може да се осъществи незабавно директно през празно пространство.

Близост - взаимодействие на физическите тела чрез определени полета, непрекъснато разпределени в пространството.

Теорията на относителността на А. Айнщайн (1879-1955).

От трансформациите на Галилей следва, че при преминаване от една инерционна система към друга, такива количества като времето, масата, ускорението, силата остават непроменени,тези. инвариант, което е отразено в принципа на относителността на Г. Галилей.

След създаването на теорията за електромагнитното поле и експерименталното доказателство за неговата реалност, физиката беше изправена пред задачата да разбере дали принципът на относителността на движението (формулиран навремето от Галилей) е приложим за явления, присъщи на електромагнитното поле.

Принципът на относителността на Галилей е валиден за механичните явления. Във всички инерционни системи (т.е. движещи се праволинейно и равномерно една спрямо друга) се прилагат едни и същи закони на механиката. Но дали този принцип, установен за механични движения на материални обекти, е валиден за немеханичните явления, особено тези, представени от полевата форма на материята, по-специално електромагнитните явления?

Голям принос за решаването на този проблем има изследването на природата на светлината и законите на нейното разпространение. В резултат на опитите на Майкелсън в края на 19в. беше установено, че скоростта на светлината във вакуум е винаги една и съща (300 000 km/sec) във всички референтни системии не зависи от движението на светлинния източник и приемника.

Специална теория на относителността (СТО).

Нова теория за пространството и времето. Разработен от А. Айнщайн през 1905г.

Основната идея на теорията на относителността е неразривната връзка между понятията „материя, пространство и време“.

SRT разглежда движението на телата при много високи скорости (близки до скоростта на светлината, равна на 300 000 km/sec)

SRT се основава на два принципа или постулата.

1. Всички физични закони трябва да изглеждат еднакви във всички инерционни координатни системи;

2. Скоростта на светлината във вакуум не се променя, когато състоянието на движение на светлинния източник се промени.

Относителността следва от постулатите на СТО дължина, време и маса, т.е. тяхната зависимост от отправната система.

Последици от STO

1. Има максимална скорост на предаване на всякакви взаимодействия и сигнали от една точка в пространството до друга. Тя е равна на скоростта на светлината във вакуум.

2. Невъзможно е пространството и времето да се разглеждат като свойства на физическия свят, независими едно от друго.

Пространството и времето са взаимосвързани и образуват единен четириизмерен свят (пространствено-времевия континуум на Минковски), като са негови проекции. Свойствата на пространствено-времевия континуум (метрика на света, неговата геометрия) се определят от разпределението и движението на материята

3. Всички инерциални системи са равнопоставени. Следователно няма предпочитана референтна рамка, било то Земята или етерът.

Движението на телата със скорости близки до скоростта на светлината води до релативистични ефекти: забавяне на времето и намаляване на дължината на бързо движещи се тела; наличието на максимална скорост на движение на тялото (скоростта на светлината); относителността на концепцията за едновременност (две събития се случват едновременно според часовника в една отправна система, но в различни моменти от времето според часовника в друга отправна система).

Обща теория на относителността (ОТО)

Още по-радикални промени в доктрината за пространството и времето настъпиха във връзка със създаването на общата теория на относителността, която често се нарича нова теория на гравитацията, коренно различна от класическата теория на Нютон.

Според общата теория на относителността, получила завършен вид през 1915 г. в трудовете на А. Айнщайн, свойствата на пространство-времето се определят от действащите в него гравитационни полета. Общата теория на относителността описва гравитацията като влиянието на физическата материя върху геометричните свойства на пространство-времето и тези свойства засягат движението на материята и други свойства на материята.

GTR се основава на два постулата на SRT и формулира третия постулат -

принцип на еквивалентност на инертни и гравитационни маси- твърдение, според което гравитационното поле в малка област от пространството и времето е идентично по своето проявление с ускорена отправна система.

Най-важното заключение на Общата теория на относителността е твърдението, че геометричните (пространствени) и времеви характеристики се променят в гравитационните полета, а не само при движение с високи скорости.

От гледна точка на общата теория на относителността пространството няма постоянна (нулева) кривина. Кривината на пространството се определя от гравитационното поле.

Айнщайн намери общото уравнение на гравитационното поле, което в класическото приближение се превърна в закона за гравитацията на Нютон.

Разглежда се експериментално потвърждение на общата теория на относителността: промяна в орбитата на Меркурий, огъване на светлинните лъчи близо до Слънцето.

В рамките на общата теория на относителността на Айнщайн се смята, че структурата на пространство-времето се определя от разпределението на масите на материята. Така в класическата механика се приема, че ако всички материални неща внезапно изчезнат, тогава пространството и времето ще останат. Според теорията на относителността пространството и времето ще изчезнат заедно с материята.

Основни понятия и принципи на електромагнитната картина на света.

Материята съществува в две форми: вещество и поле. Те са строго разделени и превръщането им едно в друго е невъзможно. Основното нещо е полето, което означава, че основното свойство на материята е непрекъснатостта (непрекъснатостта) за разлика от дискретността.
Понятията материя и движение са неразделни
Пространството и времето са свързани както помежду си, така и с движещата се материя.

Основните принципи на електромагнитната картина на света саПринцип на относителността на Айнщайн, късо действие, постоянство и граница на скоростта на светлината, еквивалентност на инертни и гравитационни маси, причинност. (Нямаше ново разбиране за причинно-следствената връзка в сравнение с механистичната картина на света. Основните се считаха за причинно-следствените връзки и динамичните закони, които ги изразяват.) Установяването на връзката между маса и енергия ( E = mc 2) беше от голямо значение. Масата стана не само мярка за инерция и гравитация, но и мярка за енергийно съдържание. В резултат на това два закона за запазване - масата и енергията - бяха комбинирани в един общ закон за запазване на масата и енергията.

По-нататъшното развитие на физиката показа, че EMCM е ограничен. Основната трудност тук беше, че разбирането на континуума за материята не беше в съответствие с експерименталните факти, потвърждаващи дискретността на много от нейните свойства - заряд, излъчване, действие. Не беше възможно да се обясни връзката между полето и заряда, стабилността на атомите, техните спектри, феноменът на фотоелектричния ефект и радиацията на черното тяло. Всичко това свидетелства за относителния характер на EMCM и необходимостта от замяната му с нова картина на света.

Скоро EMKM беше заменена от нова - квантовата полева картина на света, която се основава на нова физическа теория - квантова механика, обединяване на дискретността на МСМ и непрекъснатостта на ЕММС.

Формиране на квантовата механика. елементарни частици

До началото на 20 век се появяват експериментални резултати, които трудно могат да бъдат обяснени в рамките на класическите концепции. В тази връзка беше предложен напълно нов подход – квантов, основан на дискретна концепция.

Наричат се физически количества, които могат да приемат само определени дискретни стойности квантувано.

Квантова механика (вълнова механика)- физическа теория, която установява метода на описание и законите на движение на микрочастиците (елементарни частици, атоми, молекули, атомни ядра) и техните системи.

Значителна разлика между квантовата механика и класическата механика е нейният фундаментално вероятностен характер.

Класическата механика се характеризира с описанието на частиците чрез уточняване на тяхната позиция в пространството (координати) и импулс (количество движение m.v). Това описание не се отнася за микрочастици.

Квантовите концепции са въведени за първи път във физиката от немския физик M Planck през 1900 г.

Той предположи, че светлината не се излъчва непрекъснато(както следва от класическата теория на радиацията), и определени дискретни порции енергия – кванти.

През 1905 г. А. Айнщайн излага хипотезата, че светлината не само се излъчва и поглъща, но и се разпространява от кванти.

Квант светлина се нарича фотон.Този термин е въведен от американския физикохимик Луис през 1929 г. Фотон - частица, която няма маса в покой.Фотонът винаги се движи със скорост, равна на скоростта на светлината.

Комптън ефект. През 1922 г. американският физик Комптън открива ефект, при който за първи път напълно се демонстрират корпускулярните свойства на електромагнитното излъчване (в частност на светлината). Експериментално е показано, че разсейването на светлината от свободни електрони се извършва по законите на еластичния сблъсък на две частици.

През 1913 г. Н. Бор прилага идеята за квантите към планетарния модел на атома.

Хипотезата за универсалността на двойствеността вълна-частица е изложена от Луи дьо Бройл. Елементарните частици са едновременно корпускули и вълни или по-скоро диалектическо единство на свойствата на двете. Движението на микрочастиците в пространството и времето не може да се идентифицира с механичното движение на макрообект. Движението на микрочастиците се подчинява на законите на квантовата механика.

Окончателното формиране на квантовата механика като последователна теория се свързва с работата на Хайзенберг през 1927 г., в която е формулиран принципът на неопределеността, който гласи, че всяка физическа система не може да бъде в състояния, в които координатите на нейния център на инерция и импулс едновременно приемат добре дефинирани точни стойности.

Преди откриването на елементарните частици и техните взаимодействия науката разграничава два вида материя – материя и поле. Развитието на квантовата физика обаче разкри относителността на разделителните линии между материя и поле.

В съвременната физика полетата и частиците действат като две неразривно свързани страни на микросвета, като израз на единството на корпускулярните (дискретни) и вълновите (непрекъснати, непрекъснати) свойства на микрообектите. Концепциите за поле също действат като основа за обяснение на процесите на взаимодействие, въплъщавайки принципа на действие на къси разстояния.

Още в края на 19-ти и началото на 20-ти век полето се определя като непрекъсната материална среда, а материята като прекъсната, състояща се от дискретни частици.

Елементарни частици, в точния смисъл на този термин, това са първичните, по-нататъшни неразложими частици, от които, по предположение, се състои цялата материя. Елементарните частици на съвременната физика не отговарят на строгото определение за елементарност, тъй като повечето от тях, според съвременните концепции, са съставни системи.

Първата елементарна частица, електронът, е открита от Дж. Томсън през 1897 г

След електрона съществуването на фотон(1900) – квант светлина.

Това е последвано от откриването на редица други частици: неутрон, мезони, хиперони и др.

През 1928 г. Дирак прогнозира съществуването на частица, която има същата маса като електрон, но с противоположен заряд. Тази частица беше наречена позитрон. И тя наистина

е намерено през 1932гкато част от космическите лъчи от американския физик Андерсън.

Съвременната физика познава повече от 400 елементарни частици, предимно нестабилни, като техният брой продължава да расте.

Има четири типа основни фундаментални физически взаимодействия:

гравитационен - характерен за всички материални обекти, независимо от тяхната природа.
електромагнитнио- отговорен за свързването на електроните и ядрата в атомите и свързването на атомите в молекулите.
силен - държи заедно нуклоните (протони и неутрони) в ядрото и кварките вътре в нуклоните.,
слаб - контролира процесите на радиоактивно разпадане на частиците.

Според видовете взаимодействие елементарните частици се делят на

адрони(тежки частици - протони, неутрони, мезони и др.) участват във всички взаимодействия.
лептони(от гръцки leptos - светлина; например електрон, неутрино и др.) не участват в силни взаимодействия, а само в електромагнитни, слаби и гравитационни.

Когато елементарните частици се сблъскат, между тях възникват всякакви трансформации (включително раждането на много допълнителни частици), които не са забранени от законите за опазване.

Основни взаимодействия, преобладаващи между обектите:

Микросвят (силен, слаб и електромагнитен)

Макросвят (електромагнитен)

Мегасвят (гравитационен)

Съвременната физика все още не е създала единна теория за елементарните частици, към нея са направени само първите, но значителни стъпки.

Голямо обединение - това име се използва за теоретични модели, базирани на идеи за единната природа на силните, слабите и електромагнитните взаимодействия

откритие през 17 век. законите на механиката направиха възможно създаването на цялата машинна технология на цивилизацията;
откритие през 19 век. електромагнитно поле, довело до развитието на електротехниката, радиотехниката и след това радиоелектрониката;
създаването през ХХ век на теорията за атомното ядро доведе до използването на ядрената енергия;

В рамките на тази картина на света всички събития и промени са взаимосвързани и взаимозависими чрез механично движение.

Появата на електромагнитна картина на света характеризира качествено нов етап в еволюцията на науката.

Сравнението на тази картина на света с механистичната разкрива някои важни особености.

Например,

Подобно допълване на картини не е случайно. Тя е строго еволюционна.

Квантово-полевата картина на света е резултат от по-нататъшното развитие на електромагнитната картина на света.

Тази картина на света вече отразява единството на двете предишни картини на света в единство, основано на принципа на допълване . В зависимост от настройката на експеримента микрообектът показва или своята корпускулярна природа, или своята вълнова природа, но не и двете едновременно. Тези две природи на микрообекта са взаимно изключващи се и в същото време трябва да се разглеждат като взаимно допълващи се.

АСТРОНОМИЧЕСКА КАРТИНА НА СВЕТА

пространство(от гръцки Cosmos - свят), термин, идващ от древногръцката философия за обозначаване на света като структурно организирано и подредено цяло, за разлика от Хаоса.

Днес космосът се отнася до всичко извън земната атмосфера. Иначе Космосът се нарича Вселена.

Вселената е мястото, където обитава човекът, целият съществуващ материален свят . Свързано понятие (на латински езици) „Universum“

Вселената е най-голямата материална система, мегасвят.

Космология(раздел астрономия) е наука за свойствата, структурата, произхода и еволюцията на Вселената като единно подредено цяло.

Метагалактика е част от Вселената, достъпна за съвременните астрономически методи на изследване.

Съвременната космология се основава на общата теория на относителността и космологичния постулат (идеи за хомогенността и изотропността на Вселената).Във Вселената всички точки и посоки са равни.

Основният метод за получаване на астрономически знания е наблюдението, тъй като, с редки изключения, експериментът е невъзможен при изучаването на Вселената.

Възникването и еволюцията на Вселената. Модел на Големия взрив

Проблемът за еволюцията на Вселената е централен в естествените науки.

В класическата наука (космологията на Нютон) съществува така наречената теория за стационарното състояние на Вселената, според която Вселената винаги е била почти същата, каквато е сега.

Астрономията е статична: изучават се движенията на планетите и кометите, описват се звезди и се създават техните класификации. Въпросът за еволюцията на Вселената не беше повдигнат.

Появата на съвременната космология се свързва със създаването на релативистка теория за гравитацията – общата теория на относителността на Айнщайн (1916 г.). От уравненията на общата теория на относителността следва кривината на пространство-времето и връзката между кривината и плътността на масата (енергията).
През 1917 г. Айнщайн извежда основните уравнения, свързващи разпределението на материята с геометричните свойства на пространството и въз основа на тях разработва модел на Вселената.

Вселената в космологичния модел на А. Айнщайн е стационарна, безкрайна във времето и безгранична, но в същото време е затворен в пространството, като повърхността на всяка сфера.

Въпреки това, от общата теория на относителността следва като следствие, че извитото пространство не може да бъде неподвижно, то трябва да се разширява или свива. Затова Айнщайн въвежда допълнителен член в получените уравнения, осигурявайки стационарността на Вселената.
През 1922 г. съветският математик А. А. Фридман е първият, който решава уравненията на общата теория на относителността, без да налага условия за стационарност. Той създава модел на нестационарна, разширяваща се Вселена.

Това заключение означаваше необходимостта от радикално преструктуриране на възприетата по това време картина на света.

Моделът на Фридман на Вселената е еволюционен по природа. Стана ясно, че Вселената има начало и нейните свойства, наблюдавани днес, могат и трябва да се обяснят с предходния период на развитие.

Наблюдателно потвърждение на модела на разширяващата се Вселена беше откриването на ефекта на червеното изместване през 1929 г. от американския астроном Е. Хъбъл.

Според ефекта на Доплер емисионните спектри на отдалечаващите се обекти трябва да бъдат изместени към червената област, а спектрите на приближаващите обекти трябва да бъдат изместени към виолетовия регион.

Е. Хъбъл установи, че всички далечни галактики се отдалечават от нас и това става все по-бързо и по-бързо с увеличаване на разстоянието.

Законът за рецесията е законът на Хъбъл V=H 0 r, където H 0 е константа, сега наричана константа на Хъбъл.

Ако Вселената се разширява, значи тя е възникнала в определен момент от времето.

Кога се случи това?

Възрастта на Вселената се определя от стойността на константата на Хъбъл. По съвременни данни тя е на 13-15 милиарда години.

Как се случи това?

Също така А.А. Фридман стига до извода, че по някакви все още неясни причини Вселената изведнъж възниква в много малък, почти точков обем с чудовищна плътност и температура и започва бързо да се разширява.

Най-общоприетият модел на Вселената в съвременната космология е моделът на хомогенна изотропна гореща нестационарна разширяваща се Вселена.

В момента повечето космолози изхождат от модела на Големия взрив в неговата модифицирана версия с инфлационно начало.

През 1946 г. той полага основите на една от основните концепции на съвременната космология - моделът на "горещата Вселена". ("Голям взрив") Той пръв предположи, че в началния етап на еволюцията Вселената е била „гореща“ и в нея могат да протичат термоядрени процеси. .

Този модел обяснява поведението на Вселената през първите три минути от нейния живот, които са от решаващо значение за разбирането на настоящата структура на Вселената.

Вселената, според модела на Големия взрив, е ограничена в пространството и времето, поне от миналото. Преди експлозията не е имало нито материя, нито време, нито пространство.

И така, според съвременните възгледи, Вселената е възникнала в резултат на бързо разширяване, експлозия на свръхплътна гореща материя, която има изключително висока температура. Самата тази експлозия науката свързва с преустройства в структурата на физическия вакуум, с неговите фазови преходи от едно състояние в друго, които са съпроводени с освобождаване на огромни енергии.

През последните десетилетия развитието на космологията и физиката на елементарните частици направи възможно теоретичното разглеждане и описание на промените във физическите параметри на Вселената по време на процеса на нейното разширяване.

Основните етапи от възникването на Вселената.

Кратка история на развитието на Вселената

Кратка история на развитието на Вселената Време	температура	Състояние на Вселената
10 -45 - 10 -37 сек	> 10 26 К	Инфлационна експанзия ( Инфлационен стадий)
10 -6 сек	> 10 13 К	Появата на кварки и електрони
10 -5 сек	10 12 К	Получаване на протони и неутрони
10 -4 сек - 3 мин	10 11 -10 9 К	Появата на ядрата на деутерий, хелий и литий ( ерата на нуклеосинтезата)
400 хиляди години	4000 К	Образуване на атоми ( ера на рекомбинация)
15 милиона години	300K	Продължаващо разширяване на газовия облак
1 милиард години	20 К	Раждането на първите звезди и галактики
3 милиарда години	10 К	Образуване на тежки ядра по време на звездни експлозии
10-15 милиарда години	3 К	Появата на планети и интелигентен живот

Сингулярност- специално начално състояние на Вселената, при което плътността, кривината на пространството и температурата приемат безкрайна стойност.

Инфлационен стадий- най-началният свръхплътен етап от разширяването на Вселената, завършен към времето от 10 -36 сек.

Ерата на нуклеосинтезата.Няколко секунди след началото на разширяването на Вселената започва ера, когато се образуват ядрата на деутерий, хелий, литий и берилий.

Тази епоха продължи приблизително 3 минути.

В края на този процес материята на Вселената се състоеше от 75% протони (водородни ядра), около 25% бяха ядра на хелий и стотни от процента бяха ядра на деутерий, литий и берилий.

След това, в продължение на почти 500 хиляди години, не настъпват качествени промени - има бавно охлаждане и разширяване на Вселената. Въпреки че оставаше хомогенна, Вселената ставаше все по-разредена.

Ерата на рекомбинацията е образуването на неутрални атоми.

Възниква приблизително милион години след началото на експанзията. Когато Вселената се охлади до 3000 К, ядрата на водородните и хелиевите атоми вече можеха да улавят свободни електрони и да се трансформират в неутрални водородни и хелиеви атоми.

След ерата на рекомбинацията материята във Вселената е разпределена почти равномерно и се състои главно от атоми водород 75% и хелий 25%, най-разпространените елементи във Вселената.

От ерата на рекомбинацията взаимодействието на радиацията с материята практически е преустановено и пространството е станало почти прозрачно за радиация. Радиацията, запазена от началните моменти на еволюцията (реликтова радиация), равномерно изпълва цялата Вселена. Поради разширяването на Вселената, температурата на това излъчване продължава да пада. В момента е 2,7 градуса К.

Моделът на горещата Вселена (Големия взрив) се потвърждава от откритието на предсказаното от него космическо микровълново фоново лъчение, изпълващо Вселената (1965 г.) Американските учени Пензиас и УилсънТе са удостоени с Нобелова награда за откритието си през 1978 г.

Определянето на химичния състав (особено съдържанието на хелий, деутерий и литий) на най-старите звезди и междузвездната среда на младите галактики също потвърди модела на горещата Вселена.

Основното количество водород и хелий не се съдържа в звездите, а е разпределено в междузвездното и междугалактическото пространство.

След рекомбинацията на атомите веществото, изпълващо Вселената, е газ, който поради гравитационна нестабилност започва да се събира в кондензации.

Виждаме резултатите от този процес под формата на клъстери от галактики, галактики и звезди. Структурата на Вселената е много сложна и изучаването на механизма на нейното формиране е един от най-интересните проблеми на настоящето. Колкото и да е странно, това далеч не е разрешено - имаме по-ясна представа какво се е случило в първите секунди след „големия взрив“, отколкото в периода от милион години преди нашето време.

Има алтернативни модели за произхода на Вселената.

Научното познание е система, която има няколко нива на познание, различаващи се по редица параметри. В зависимост от предмета, характера, вида, метода и метода на полученото познание се разграничават емпирични и теоретични нива на познание. Всеки от тях изпълнява специфични функции и има специфични методи за изследване. Нивата съответстват на взаимосвързани, но в същото време специфични видове познавателна дейност: емпирични и теоретични изследвания. Като разграничава емпиричните и теоретичните нива на научното познание, съвременният изследовател е наясно, че ако в обикновеното познание е легитимно да се прави разлика между сетивните и рационалните нива, то в научното изследване емпиричното ниво на изследване никога не се ограничава до чисто сетивно познание, теоретичното познание не представлява чиста рационалност. Дори първоначалните емпирични знания, получени чрез наблюдение, се записват с помощта на научни термини. Теоретичните знания също не са чиста рационалност. При изграждането на теория се използват визуални представи, които са в основата на сетивното възприятие. Така можем да кажем, че в началото на емпиричното изследване преобладава чувственото, а в теоретичното – рационалното. На ниво емпирично изследване е възможно да се идентифицират зависимости и връзки между явления и определени закономерности. Но ако емпиричното ниво може да улови само външното проявление, то теоретичното ниво идва да обясни съществените връзки на изследвания обект.

Емпиричното знание е резултат от прякото взаимодействие на изследователя с реалността при наблюдение или експеримент. На емпирично ниво се извършва не само натрупването на факти, но и тяхната първична систематизация и класификация, което позволява да се идентифицират емпирични правила, принципи и закони, които се трансформират в наблюдавани явления. На това ниво изследваният обект се отразява преди всичко във външни връзки и прояви. Сложността на научното познание се определя от наличието в него не само на нива и методи на познание, но и на формите, в които то се записва и развива. Основните форми на научно познание са факти, проблеми, хипотезиИ теории.Тяхното значение е да разкрият динамиката на процеса на познаване в хода на изследване и изучаване на всеки обект. Установяването на факти е необходимо условие за успеха на природонаучните изследвания. За да се изгради една теория, фактите трябва не само да бъдат надеждно установени, систематизирани и обобщени, но и да се разглеждат във взаимовръзка. Хипотезата е предполагаемо знание, което има вероятностен характер и изисква проверка. Ако по време на тестването съдържанието на хипотезата не съответства на емпиричните данни, тя се отхвърля. Ако хипотезата се потвърди, тогава можем да говорим за нея с различна степен на вероятност. В резултат на проверка и доказване някои хипотези се превръщат в теории, други се изясняват и уточняват, а трети се отхвърлят, ако проверката им даде отрицателен резултат. Основният критерий за истинността на една хипотеза е практиката в различни форми.

Научната теория е обобщена система от знания, която осигурява цялостно отражение на естествени и значими връзки в определена област на обективната реалност. Основната задача на теорията е да опише, систематизира и обясни цялата съвкупност от емпирични факти. Теориите се класифицират като описателен, наученИ дедуктивен.В дескриптивните теории изследователите формулират общи модели въз основа на емпирични данни. Описателните теории не изискват логически анализ и конкретни доказателства (физиологичната теория на И. Павлов, еволюционната теория на Чарлз Дарвин и др.). В научните теории се изгражда модел, който замества реалния обект. Последиците от теорията се проверяват чрез експеримент (физични теории и др.). В дедуктивните теории е разработен специален формализиран език, всички термини на който подлежат на тълкуване. Първият от тях е „Елементите“ на Евклид (основната аксиома е формулирана, след това към нея се добавят разпоредби, логически изведени от нея, и всички доказателства се извършват на тази основа).

Основните елементи на научната теория са принципи и закони. Принципите предоставят общи и важни потвърждения на теорията. В теорията принципите играят ролята на първични предпоставки, които формират нейната основа. От своя страна съдържанието на всеки принцип се разкрива с помощта на закони. Те уточняват принципите, разкриват механизма на тяхното действие, логиката на връзката и произтичащите от тях последствия. Законите са форма на теоретични постановки, които разкриват общите връзки на изучаваните явления, обекти и процеси. Когато формулира принципи и закони, за изследователя е доста трудно да види зад множество, често напълно различни външно факти, основните свойства и характеристики на свойствата на обектите и явленията, които се изследват. Трудността се състои в това, че е трудно да се регистрират съществените характеристики на обекта, който се изследва при пряко наблюдение. Следователно е невъзможно да се премине директно от емпиричното ниво на познание към теоретичното. Теорията не се изгражда чрез директно обобщаване на опита, така че следващата стъпка е формулирането на проблема. Определя се като форма на знание, чието съдържание е съзнателен въпрос, за отговор на който съществуващото знание не е достатъчно. Търсенето, формулирането и решаването на проблеми са основните характеристики на научната дейност. На свой ред наличието на проблем при разбирането на необясними факти води до предварителен извод, който изисква експериментално, теоретично и логическо потвърждение. Процесът на опознаване на околния свят е решаването на различни видове проблеми, които възникват в хода на човешката практическа дейност. Тези проблеми се решават с помощта на специални техники - методи.

Методи на науката– съвкупност от техники и операции за практическо и теоретично познание на действителността.

Изследователските методи оптимизират човешките дейности и ги оборудват с най-рационалните начини за организиране на дейностите. A.P. Садохин, в допълнение към подчертаването на нивата на познание при класифицирането на научните методи, взема предвид критерия за приложимост на метода и идентифицира общи, специални и частни методи на научно познание. Избраните методи често се комбинират и съчетават по време на изследователския процес.

Общи методизнанието засяга всяка дисциплина и позволява да се свържат всички етапи на процеса на познание. Тези методи се използват във всяка област на изследване и позволяват да се идентифицират връзките и характеристиките на изследваните обекти. В историята на науката изследователите включват метафизични и диалектически методи сред тези методи. Частни методинаучните познания са методи, използвани само в определен клон на науката. Различните методи на естествените науки (физика, химия, биология, екология и др.) са специфични по отношение на общия диалектически метод на познание. Понякога частните методи могат да се използват извън клоновете на природните науки, в които са възникнали. Например физични и химични методи се използват в астрономията, биологията и екологията. Често изследователите прилагат комплекс от взаимосвързани частни методи за изучаване на един предмет. Например, екологията използва едновременно методите на физиката, математиката, химията и биологията. Отделни методи на познание са свързани със специални методи. Специални методиизследват определени характеристики на обекта, който се изучава. Те могат да се проявяват на емпирично и теоретично ниво на познанието и да бъдат универсални.

Между специални емпирични методи на познаниеправи разлика между наблюдение, измерване и експеримент.

Наблюдениее целенасочен процес на възприемане на обекти от реалността, сетивно отражение на обекти и явления, по време на който човек получава първична информация за света около него. Следователно изследването най-често започва с наблюдение и едва след това изследователите преминават към други методи. Наблюденията не са свързани с някаква теория, но целта на наблюдението винаги е свързана с някаква проблемна ситуация. Наблюдението предполага наличието на определен изследователски план, допускане, което подлежи на анализ и проверка. Наблюденията се използват там, където не могат да се извършат преки експерименти (във вулканологията, космологията). Резултатите от наблюдението се записват в описание, като се отбелязват тези признаци и свойства на обекта, който се изучава, които са обект на изследване. Описанието трябва да бъде максимално пълно, точно и обективно. Описанията на резултатите от наблюденията представляват емпиричната основа на науката, на тяхна основа се създават емпирични обобщения, систематизация и класификация.

Измерване- това е определянето на количествени стойности (характеристики) на изследваните аспекти или свойства на обект с помощта на специални технически устройства. Важна роля в изследването играят мерните единици, с които се сравняват получените данни.

Експеримент –по-сложен метод на емпирично познание в сравнение с наблюдението. То представлява целенасочено и строго контролирано въздействие на изследователя върху интересуващ го обект или явление за изследване на различните му страни, връзки и отношения. По време на експерименталното изследване ученият се намесва в естествения ход на процесите и трансформира обекта на изследване. Спецификата на експеримента е също така, че ви позволява да видите обекта или процеса в неговата чиста форма. Това се дължи на максималното изключване на експозицията на външни фактори. Експериментаторът отделя съществените факти от маловажните и по този начин значително опростява ситуацията. Подобно опростяване допринася за дълбокото разбиране на същността на явленията и процесите и създава възможност за контрол на много фактори и величини, които са важни за даден експеримент. Съвременният експеримент се характеризира със следните характеристики: повишена роля на теорията в подготвителния етап на експеримента; сложност на техническите средства; мащаб на експеримента. Основната цел на експеримента е да се проверят хипотези и заключения на теории, които имат фундаментално и приложно значение. При експерименталната работа с активно въздействие върху изследвания обект се изолират изкуствено определени негови свойства, които са обект на изследване в природни или специално създадени условия. В процеса на естественонаучни експерименти те често прибягват до физическо моделиране на обекта, който се изследва, и създават различни контролирани условия за него. С. X. Карпенков разделя експерименталните средства според тяхното съдържание на следните системи:

♦ система, съдържаща изследвания обект с определени свойства;

♦ система, осигуряваща въздействие върху изследвания обект;

♦ измервателна система.

С. Х. Карпенков посочва, че в зависимост от поставената задача тези системи играят различна роля. Например, когато се определят магнитните свойства на дадено вещество, резултатите от експеримента до голяма степен зависят от чувствителността на инструментите. В същото време, когато се изучават свойствата на вещество, което не се среща в природата при обикновени условия и дори при ниски температури, всички системи от експериментални средства са важни.

Във всеки природонаучен експеримент се разграничават следните етапи:

♦ подготвителен етап;

♦ етап на събиране на експериментални данни;

♦ етап на обработка на резултатите.

Подготвителният етап представлява теоретичната обосновка на експеримента, неговото планиране, изготвяне на проба от обекта на изследване, избор на условия и технически средства за изследване. Резултатите, получени на добре подготвена експериментална основа, като правило, по-лесно се поддават на сложна математическа обработка. Анализът на експерименталните резултати позволява да се оценят определени характеристики на изследвания обект и да се сравнят получените резултати с хипотезата, което е много важно за определяне на правилността и степента на надеждност на крайните резултати от изследването.

За повишаване на надеждността на получените експериментални резултати е необходимо:

♦ многократно повторение на измерванията;

♦ усъвършенстване на технически средства и инструменти;

♦ стриктно отчитане на факторите, влияещи върху изследвания обект;

♦ ясно планиране на експеримента, позволяващо да се отчете спецификата на изследвания обект.

Между специални теоретични методи на научното познаниеразграничават процедурите на абстракция и идеализация. В процесите на абстракция и идеализация се формират понятията и термините, използвани във всички теории. Понятията отразяват съществената страна на явленията, която се проявява при обобщаване на изследването. В този случай се подчертава само някакъв аспект на обект или явление. По този начин на понятието „температура“ може да се даде операционна дефиниция (показател за степента на нагряване на тялото в определена скала на термометъра), а от гледна точка на молекулярно-кинетичната теория температурата е стойност, пропорционална на средната кинетична енергията на движение на частиците, изграждащи тялото. Абстракция –умствено отвличане на вниманието от всички свойства, връзки и отношения на изучавания обект, които се считат за маловажни. Това са моделите на точка, права, окръжност, равнина. Резултатът от процеса на абстракция се нарича абстракция. Реалните обекти в някои задачи могат да бъдат заменени с тези абстракции (Земята може да се счита за материална точка, когато се движи около Слънцето, но не и когато се движи по повърхността му).

Идеализацияпредставлява операция за мислено идентифициране на едно свойство или връзка, което е важно за дадена теория, и мислено конструиране на обект, надарен с това свойство (връзка). В резултат на това идеалният обект има само това свойство (отношение). Науката идентифицира общи модели в реалността, които са значими и се повтарят в различни теми, така че трябва да правим абстракции от реални обекти. Така се формират понятия като „атом“, „набор“, „абсолютно черно тяло“, „идеален газ“, „непрекъсната среда“. Така получените идеални обекти всъщност не съществуват, тъй като в природата не могат да съществуват обекти и явления, които да имат само едно свойство или качество. При прилагането на теорията е необходимо отново да се съпоставят получените и използвани идеални и абстрактни модели с реалността. Ето защо е важно абстракциите да се избират в съответствие с тяхната адекватност към дадена теория и след това да се изключват.

Между специални универсални методи на изследванеидентифицира анализ, синтез, сравнение, класификация, аналогия, моделиране. Процесът на естественонаучното познание се извършва по такъв начин, че първо наблюдаваме общата картина на изучавания обект, в която подробностите остават в сянка. При такова наблюдение е невъзможно да се знае вътрешната структура на обекта. За да го изучаваме, трябва да разделим изследваните обекти.

Анализ- един от началните етапи на изследването, когато се преминава от пълно описание на обект към неговата структура, състав, характеристики и свойства. Анализът е метод на научно познание, който се основава на процедурата на умствено или реално разделяне на обект на съставните му части и тяхното отделно изследване. Невъзможно е да се знае същността на един обект само чрез подчертаване на елементите, от които се състои. Когато особеностите на изследвания обект се изучават чрез анализ, той се допълва чрез синтез.

Синтез –метод на научно познание, който се основава на комбинация от елементи, идентифицирани чрез анализ. Синтезът не действа като метод за конструиране на цялото, а като метод за представяне на цялото под формата на единственото знание, получено чрез анализ. Показва мястото и ролята на всеки елемент в системата, връзката им с други компоненти. Анализът улавя основно онова специфично нещо, което отличава частите една от друга, синтезът – обобщава аналитично идентифицираните и изследвани характеристики на даден обект. Анализът и синтезът се зараждат в практическата дейност на човека. Човекът се е научил да анализира и синтезира мислено само въз основа на практическо отделяне, постепенно разбирайки какво се случва с даден обект, когато извършва практически действия с него. Анализът и синтезът са компоненти на аналитико-синтетичния метод на познание.

При количествено съпоставяне на изследваните свойства, параметри на обекти или явления говорим за сравнителен метод. Сравнение– метод на научно познание, който позволява да се установят приликите и разликите на изследваните обекти. Сравнението е в основата на много естествени научни измервания, които са неразделна част от всеки експеримент. Сравнявайки обектите един с друг, човек получава възможност правилно да ги разпознава и по този начин правилно да се ориентира в света около себе си и целенасочено да му влияе. Сравнението има значение, когато се сравняват обекти, които са наистина хомогенни и подобни по същество. Методът на сравнение подчертава разликите между изследваните обекти и формира основата на всякакви измервания, тоест основата на експерименталните изследвания.

Класификация– метод на научно познание, който обединява в един клас обекти, които са възможно най-сходни един с друг по съществени характеристики. Класификацията позволява да се намали натрупаният разнообразен материал до сравнително малък брой класове, типове и форми и да се идентифицират първоначалните единици за анализ, да се открият стабилни характеристики и връзки. Обикновено класификациите се изразяват под формата на текстове на естествен език, диаграми и таблици.

аналогия –метод на познание, при който знанията, получени от изследването на даден обект, се прехвърлят в друг, по-малко изучен, но подобен на първия в някои основни свойства. Методът на аналогията се основава на сходството на обектите по редица характеристики, а сходството се установява в резултат на сравняване на обекти един с друг. По този начин основата на метода на аналогията е методът на сравнение.

Методът на аналогията е тясно свързан с метода моделиране,което е изследване на всякакви обекти с помощта на модели с по-нататъшно прехвърляне на получените данни към оригинала. Този метод се основава на значителното сходство на оригиналния обект и неговия модел. В съвременните изследвания се използват различни видове моделиране: предметно, мисловно, символно, компютърно. Предметмоделирането е използването на модели, които възпроизвеждат определени характеристики на даден обект. психическиМоделирането е използването на различни умствени представи под формата на въображаеми модели. Символичномоделирането използва чертежи, диаграми и формули като модели. Те отразяват определени свойства на оригинала в символна форма. Вид символично моделиране е математическото моделиране, произведено с помощта на математика и логика. Включва формирането на системи от уравнения, които описват изследваното природно явление, и тяхното решаване при различни условия. компютърмоделирането напоследък стана широко разпространено (Sadokhin A.P., 2007).

Разнообразието от методи на научно познание създава трудности при тяхното прилагане и разбиране на тяхната роля. Тези проблеми се решават от специална област на знанието - методология. Основната цел на методологията е да изследва произхода, същността, ефективността и развитието на методите на познанието.