Читать книгу История науки - С. В. Багоцкий - Страница 11

Для того, чтобы получить из эксперимента надежные выводы, его нужно ГРАМОТНО ПОСТАВИТЬ.

Эксперименты ставятся для того, чтобы решить конкретную ПРОБЛЕМУ. Поэтому прежде чем ставить эксперимент, нужно четко сформулировать проблему, которую мы хотим решить с помощью эксперимента.

Затем нужно представить себе возможные ИСХОДЫ эксперимента.

Ставить эксперименты с заранее предсказуемым исходом, разумеется, бессмысленно. Но можно представить себе несколько возможных исходов эксперимента. И представить себе возможные выводы, которые можно сделать из каждого из исхода.

ИДЕАЛЬНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ – это такой эксперимент, из определенного исхода которого можно сделать один и только один вывод. Для идеального эксперимента, определенный исход которого может решить судьбу научной гипотезы, в научной среде используют латинский термин EXPERIMENTUM CRUCIS (в дословном переводе – «эксперимент креста»), который предложил в начале XVII века выдающийся английский философ Френсис Бэкон (1561–1626). В настоящее время этот термин нередко переводят, как КРИТИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ. Однозначный вывод, сделанный из критического эксперимента, может опровергнуть научную теорию.

В идеале experimentum crucis имеет два исхода. Исход такого эксперимента позволят однозначно ответить на вопрос: «Да» или «Нет».

Однако в большинстве случаев выводы из исхода эксперимента являются не столь однозначными.

Для того, чтобы ограничить круг возможных объяснений результатов эксперимента, наряду с основным экспериментом, ставятся КОНТРОЛЬНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ, в которых воспроизводится все, кроме воздействия на объект исследования.

Давайте представим себе, что мы живем в XVII веке и хотим понять, почему в мясе появляются личинки мух. То ли потому, что мама-муха отложила на мясо свои яички, то ли потому, что эти личинки зарождаются из мяса.

Для этого можно провести следующий простенький эксперимент. Закроем банку и посмотрим, появятся ли там личинки. Если личинки появились, то значит, мама-муха ни при чем и личинки сами собой зарождаются в мясе. А если в банке, куда закрыт доступ мухам, личинок не будет, стало быть, мама муха отложила туда яйца.

Но не может ли второй исход эксперимента иметь другие объяснение. Например, что мясо какое-то не то и личинки не могут в нем появиться. Для этого нужно сделать контрольный опыт: взять большой кусок мяса, разрезать его на две половинки, и эти половинки положить в две банки, после чего одну банку закрыть, а другую оставить открытой. Если личинки не появятся в обеих банках, значит, дело в том, что или мясо не то, или мух поблизости нет. А если личинки появились только в открытой банке, то можно предположить, что дело в отложенных яичках.

Но насколько однозначно второе объяснение? Может быть, личинки в закрытой банке не появились потому, что им там было нечего дышать. Для того, чтобы исключить эту возможность, нужно провести ещё один контрольный эксперимент, обеспечив в банку доступ воздуха, но закрыв её для мух. Для этого нужно просверлить в крышки маленькие дырочки, через которые может проникать воздух, но не могут проникать мухи. А для того, чтобы исключить откладку яиц через дырочки, банку следует положить на бок.

Если на мясе в открытой банке появились личинки, а на мясе в закрытой банке, куда, тем не менее, проходит воздух, личинки не появились, то можно смело сделать вывод о том, что личинки мух в мясе развиваются из отложенных туда яиц.

Рассмотрим теперь некоторые конкретные научные эксперименты, из которых можно сделать далеко идущие выводы.

До работ Галилео Галилея (1564–1642) считалось, что тяжелые тела падают на Землю быстрее, чем легкие. Этот вывод, казалось бы, следует из наблюдений за падением гирьки и листка бумаги. Гирька падает быстро, а листок медленно плывет по воздуху. Но в весе ли здесь дело? Тем более, что легко показать, что гирьки любого веса падают с одинаковой высоты за одинаковое время.

Для того, чтобы проверить это экспериментально, скрутим листок бумаги в бумажный шарик. Его вес не изменился, но падать шарик будет так же быстро, как и гирька. Стало быть, дело не в весе, а в том, что изменилось при скручивании листочка. То есть, с площадью его поверхности. Можно сделать вывод, что на тело, имеющее большую площадь, действует какая-то сила, направленная в противоположную сторону, которая замедляет падение. Такой силой является сопротивление воздуха.

Попробуем теперь определить зависимость время падения от высоты, с которой падает гирька. Для этого нам понадобится какое-то устройство, измеряющее длину, и какое-то устройство, измеряющее короткие промежутки времени (предположим для простоты, что в нашем распоряжении имеется секундомер, которого во времена Ньютона не существовало).

Оказывается, что время падения будет пропорционально не высоте, а корню квадратному из неё. Эту зависимость можно описать формулой h = (a/2)*t², где h и t – это высота и время, а (g/2) – коэффициент пропорциональности. Уже из той формулы видно, что скорость падающего тела непостоянна и вначале тело падает медленно, а затем все быстрее и быстрее.

А теперь вычислим мгновенную скорость падающей гирьки через t₁ после начала падения. За это время тело пройдет расстояние h₁, равное (a/2)*t₁². А мгновенная скорость по определению – это производная пути от времени, которая будет равна a*t₁. Иными словами, скорость падения будет пропорциональна времени, прошедшему с начала падения. А скорость изменения скорости (её называют ускорением) будет равной постоянной величине а.

Если предположить, что сила, действующая на падающее тело, во время падения остается одной и той же, то мы придем к выводу, что от величины силы зависит не скорость (как считали до Галилея), а ускорение.

Как же зависит ускорение от силы, действующие на падающее тело? Силу, которая действует на падающее тело, называют весом. Эту силу можно определить, взвесив тело на весах. Для легкой и тяжелой гирьки она разная. И получается, что ускорение не зависит от силы.

Но возможно и другое объяснение: ускорение пропорционально весу тела, но и вес тела и коэффициент пропорциональности между весом и ускорением одинаково зависят от функции какого-то внутреннего параметра тела. Эту функцию И. Ньютон назвал МАССОЙ и обозначил буквой m. И тогда получились зависимости Р = m*g, P = m*a, где g – константа. Отсюда следует, что а = g при любой массе и весе.

Как сделать выбор между двумя объяснениями, учитывая, что измерять массу мы не можем, а можем измерять только вес.

Идея опыта заключается в том, чтобы тело с одной массой тянуло вниз тело с другой массой. Это можно сделать, связав две гирьки весом P₁ и P₂ ниткой и перекинуть нитку через угол стола так, что первая гирька останется на столе, а вторая будет свисать вниз. При этом на первую гирьку будет действовать сила натяжения нити Q, а на вторую – сила P₂ – Q. Вес первой гирьки, направленный перпендикулярно направлению её движения, будет уравновешиваться силой деформации стола и не окажет влияние на движение.

Если ускорение не зависит от действующей силы, то ускорение падающих гирек не будет зависеть от соотношения их весов. А во втором случае будут выполняться соотношения Q = m₁*a, P₂ – Q = m₂*a, P1 = m₁*g и P₂ = m₂*g, из которого следует, что a = g*P₂/(P₁ + P₂).

Эксперимент подтверждает правильность второго объяснения. Ускорение пропорционально величине действующей силы, но ускорение свободно падающего тела не зависит от его веса, поскольку вес растет пропорционально массе.

Наверное, читатель уже обратил внимание на то, что термин масса фигурирует в двух, вообще говоря, разных смыслах. Во первых, масса – это коэффициент пропорциональности между действующей на тело силой и его ускорением. Во-вторых, масса – это то, что определяет вес тела, то есть силу, с которой Земля его притягивает. Масса в первом смысле (её принято называть ИНЕРТНОЙ МАССОЙ) фигурирует во втором законе Ньютона (ускорение тела пропорционально отношению действующей на него силе к массе тела), масса во втором смысле (её принято называть ГРАВИТАЦИОННОЙ МАССОЙ) – в законе всемирного тяготения (сила гравитационного притяжения между двумя телами пропорциональна произведению их масс). Поэтому в системе Ньютоновской механики существует ещё один явно не сформулированный закон: ИНЕРТНАЯ И ГРАВИТАЦИОННАЯ МАССЫ ТЕЛА РАВНЫ ДРУГ ДРУГУ.

Вопросы:

**. Как Вы понимаете, что такое «идеальный эксперимент»?

**. Как Вы понимаете, что такое «experimentum crucis»?

**. Что такое «контрольный эксперимент»? Приведите примеры.

**. Что такое инертная масса? Гравитационная масса?

Вопросы для любителей подумать:

**. В Зазеркалье справедлив второй закон Ньютона, однако сила гравитационного притяжения между телами пропорциональная корню квадратному из произведения их инертных масс. Какое тело в Зазеркалье падает быстрее: легкое или тяжелое?

**. Представьте себе, что Вы живете в конце XVIII века. Предложите серию экспериментов, предложите серию экспериментов, на основании которой можно было бы сформулировать Закон Кулона?

**. Представьте себе, что Вы живете в 1830 году. Предложите серию экспериментов, с помощью которой можно сформулировать Закон Ома.