Жалпы физика ғылымы нені зерттейді? Физика табиғатта кездесетін құбылыстарды зерттеумен айналысады. Бұдан 350 жылдай бұрын зерттеудің ең тиімді физикалық әдісінің негізі қаланды. Ол негіз мынаған саяды: тәжірибеге сүйене отырып, табиғаттың сандық (математикалық) өрнекпен тұжырымдалатын заңдары іздестіріледі. Зацдардың ашылуы практикада тексеріледі.
Физиканың алдында тұрған тәжірибелік (эксперименттік) міндеттер зерттеудің физикалық әдісінің ерекшеліктерін анықтайды. Сондықтан физика, ең алдымен, эксперименттік ғылым болып табылады. Алайда кез келген басқа ғылымдар сияқты, ол да тек бір ғана эксперименттік әдіспен шектелмейді. Физикада бақылау әдістері де, эксперимент барысында жинақталған деректерді қорытудың теориялық әдістері де кеңінен қолданылады.
Физикалық шамалар және оларды өлшеу. Физиканың эксперименттік сипаты осы ғылымның барлық құрылысын анықтайды. Құбылыстарды зерттеу бақылаудан басталады. Бірақ осы кезде құбылыстың жалпы сапалық әсерлілігімен шектелуге болмайды. Адам жекелеген түйсінулердің ішінен өзі үшін практикалық маңызы бар әрі қайталанып отыратын жалпылама ерекшеліктерді бөліп алуы тиіс. Бұл табиғатты тану жолындағы алғашқы ғылыми ұғымдардың пайда болуына әкеледі.
Ғылыми ойдың дамуындағы келесі маңызды қадам — сан түрінде жазылып, сандық сипатқа жеткізетін ұғымдарға өту. Болып жатқан құбылыстарды сипаттап, оның мәнін ашу үшін ғалымдар сандық ұғымдардың қатарын құрайтын физикалық шамаларды енгізді. Жылдамдық, күш, қысым, температура, электр заряды сияқты сандық ұғымдар физикалық шамалар деп аталады.
Физикада шаманың таза сөздік анықтамасы жеткіліксіз. Әрбір шамаға оның сандық мәнін алу үшін ол шаманы қалай өлшеуге болатыны көрсетілген дәл анықтама беру керек. Математикалық шамаларды анықтауда мұндай талаптар қойылмайды.
Физикалық білімнің қандай саласын алсақ та, оған өлшеу енгізген мезеттен бастап қана ол ғылыми мағына алады. Физикалық шамалардың сан мәндерін алу мүмкіндігінің арқасында ғана біз белгілі бір оқиғалардың қашан болатынын дәл болжай аламыз. Мысалы, егер біз температураны өлшей алмасақ, онда қалыпты жағдайда су қашан қайнайды деген сұраққа ешқашан дәл жауап бере алмаған болар едік. Температураны өлшей білудің арқасында мұндай сұраққа еш қиналмастан «су қалыпты қысымда 100° С температурада қайнайды» деп жауап береміз. Су температурасының өзгеруін бақылай отырып, судың қайнауының басталу мезетін болжап айта аламыз.
Физикалық шамаларды анықтауда, әдетте, біздің сезім мүшелеріміз тікелей қабылдайтын шамалардың сандық мәні нақтыланады. Күш, температура сияқты ұғымдарды осылай енгізеді. Бірақ біздің сезім мүшелеріміз қабылдай алмайтын шамалар да бар, мысалы, электр заряды. Алайда олар адамның сезім мүшелері қабылдайтын басқа шамалар арқылы сипатталады. Мәселен, электр заряды денелердің арасындағы өзара әрекеттесу күштері бойынша анықталады.
Физикалық шамалардың арасындағы байланыстар. Құбылыстарды бақылаудан жалпы қорытынды шығару үшін әр түрлі шамалардың арасындағы сандық тәуелділіктерді тағайындау керек. Егер ондай тәуелділік табылса, онда физикалық заң ашылды деп айтамыз. Физикалық шамалардың арасындағы тәуелділікті тағайындау әрбір жеке жағдайлар үшін тәжірибе жасау қажеттілігінен құтқарады. Күрделі емес есептеулердің көмегімен құбылыстардың арасындағы кез келген мүдделі сұрақтарға жауап табуға болады.
Физикалық шамалардың арасындағы тәуелділікті тағайындау үшін тікелей бақылаудан физикалық экспериментке өту қажет және процестің өту жағдайын арнайы тіркеу керек.
Егер барлық жағдай бірден өзгерсе, онда қандай да бір тәуелділікті байқау қиын болады. Сондықтан физикалық экспериментті жүргізе отырып, бір шаманың әрбір жағдайдың өзгеру сипатына тәуелділігін жкеке-жеке бақылауға ұмтылу керек. Мысалы, газдың қысымы массаға, көлемге және температураға тәуелді. Осы тәуелділікті зерттеу үшін алдымен температура мен масса тұрақты болған кезде, көлемнің өзгерісі қысымға қалай әсер ететінін анықтау керек. Содан кейін көлем мен масса тұрақты болған кезде қысымның температураға қалай тәуелді болатынын зерттеуге болады және т.с.с.
Теория. Жеке шамалардың арасындағы сандық байланысты эксперименттік жолмен зерттей отырып, кейбір жеке заңдылықтарды анықтауға болады. Олардың негізінде жеке заңдарды біртұтас жүйеге біріктіретін құбылыстардың теориясын жасайды. Сонымен заң жеке құбылысқа қандай қатынаста болса, теория да жеке заңға сондай қатынаста болады. Теория жалпы көзқарас тұрғысынан жеке заңдылықтарды түсіндіруге арналған.
Негізгі физикалық заңдар таза логикалық түрде құрыла алмайды. Іргелі байланыс тек эксперименттің негізінде ғана тағайындала алады. Алайда теория — бұл бірнеше тәжірибелік заңдылықтарды жай бірік-тіру емес. Ол шығармашылық жұмыстың, ойлаудың және қиялдаудың нәтижесі болып табылады. Тәжірибелердің мәліметтері ылғи да жүйесіз болып келеді. Көптеген маңызды деректердің қырлары түсіп қалуы мүмкін. Ғалым теорияны жасай отырып, құбылыстардың біртұтас бейнесін құрады.
Ашылған табиғат заңдары оларды тағайындауға негіз болған тәжірибе деректеріне қарағанда айтарлықтай мол ақпарат бере алады, олардың маңызы да осында. Егер олай болмағанда, қазіргі ғылымның орнына табиғатта болатын процестер туралы бытыраңқы мағлұматтар ғана болып, біз ешқандай болжам айта алмас едік.
Теория тек бақыланған құбылыстарды ғана түсіндіріп қоймай, жаңа болжамдар айтуға да мүмкіндік береді. Мәселен, Д. И. Менделеев өзі ашқан периодтық заңның негізінде ғылымға белгісіз бірнеше химиялық элементтердің бар екенін болжап айтқан. Ағылшын физигі Дж. Максвелл электромагниттік толқындардың бар екенін болжаған.
Теорияның дамуы және тереңдей дүсуі арқасында алғашқы зерттеулердің барысында енгізілген көптеген ұғымдарға жаңаша түсінік беруге мүмкіндік туды. Мысалы, молекулалы-кинетикалық теорияның жасалуы барысында молекулалардың бейберекет қозғалысы қарқындылығының орташа өлшемі ретінде температураның мән-мағынасы ашылды.
Қорыта келе, мынаны айрықша айту керек: егер физикалық теорияның барлық салдарлары тәжірибелік деректерге сәйкес келсе, онда бұл — сол теорияның шынайылығының кепілі. Теорияда логикалық қарама-қайшылық болмауы қажет, бірақ бұл шарт физикада математикадағы сияқты теорияның шынайылығы үшін жеткілікті болып саналмайды. Логикалық қайшылығы жоқ мінсіз теорияны құруға болады, бірақ ол тәжірибелік ғылыми деректерге сәйкес келмесе, физикада оның ешқандай құндылық мағынасы болмайды.
Ғылыми әдістердің жемістері. Зерттеудің қазіргі заманғы ғылыми әдісінің ашылуы табиғатты танудағы адамның мүмкіндіктерін бірден өте шапшаң кеңейте түсті. Эксперименттік және теориялық әдістердің дамуы арқасында біз бүдан 15 млрд-тай жыл бұрын Әлемде не болғанын жеткілікті түрде анық білеміз. Осы уақытта «Ұлы жарылыс» болды да Өлем кеңейе түсті. Содан бері Өлем адам айтқысыз өзгеріске түсті. Бұл өзгеріс осы уақытқа дейін жалғасып келеді.
Алғашқыда Әлем аса ыстық күйде болған, бірақ оның көлемінің тез ұлғаюы біртіндеп температураның төмендеуіне алып келді. Бірнеше миллиард градус температура кезінде протондар мен нейтрондардан атом ядролары түзіле бастады. Температура бірнеше мың градусқа төмендеген кезде ядролар электрондарды қармауға мүмкіндік алып, атомдар түзілді. Температура одан өрі төмендеген сайын қарапайым молекулалар, ал содан кейін сұйықтар мен кристалдар пайда болды. Ақыр соңында, тіршіліктің туындауына негіз болған тізбек түріндегі алып біртұтас молекулалардың түзілуіне жағдай туды.
XX ғасырда жасалған кванттық теорияға сүйеніп, бір-біріне қарама-қайшы болып көрінетін бытыраңқы эксперименттік деректерді түсіндірудің орайы келді. Макроскопиялық денелердің қозғалысын сипаттайтын классикалық механика микродүниедегі құбылыстарды түсіндіруде дәрменсіз болып шықты. Сөйтіп, кванттық түсініктерге негізделген элементар бөлшектердің қозғалысын сипаттайтын теория жасалды. Осы теорияның негізінде кванттық механика туындады.
Кванттық механика алғаш рет атомның тұрақтылығын, молекулалардың түзілу заңдылықтарын түсіндірді және жалпы түрде заттардың құрылысын түсінуге мүмкіндік берді. Ол микроскопиялық объектілердің ықтималдық дүниесін ашты. Бұл объектілер ғажайып қарама-қайшылық қасиеттерімен ерекшеленді.
Соңғы жылдары элементарлық бөлшектердің де ішкі құрылымы түсінікті бола бастады. Табиғаттың жасырын құпиялары осылайша біртіндеп адам санасынан орын таппақ.
Ғылыми дүниетаным. Физикада тағайындалған микродүниенің іргелі заңдары, макродүниенің заңдарына қарағанда, ұғынуға тым күрделі болып келеді. Бірақ олардың ақиқаттығы қарапайым құбылыстардың ақиқаттығы сияқты әрі шынайы, әрі объективті. Бұл заңдар өздерінің қолдану ауқымында ешқашанда бұзылмайды.
Табиғаттың ғажайыптарға емес, белгілі бір заңдарға бағынатынын көптеген адамдар сезіне бастады. Тек табиғатты түсіндіре алатын заңдар мен теориялар ғана адамдардың ғылыми дүниетанымына негіз бола алады.
Экологиялық проблемалар. Адамзат қоғамының технологиялық түрленуі біздің планетадағы тіршілікті сақтау және қорғау проблемасын алға қойды. Ғылым жетістіктерін ізгілік үшін емес, технократтық тұрғыда қолдану орасан зор экологиялық апаттарға соқтыруы мүмкін.
Жылу қозғалтқыштарын және атом энергетикасын технократтық тұрғыда әр түрлі мақсатта қолдану жұмыстары экологиялық апаттарға ұшыратуда. Осыған байланысты күн тәртібіне аса қомақты мәселелер қойылып отыр. Сонымен қатар «Атом электрстанциялары қауіпсіз жұмыс жасай ала ма әрі қажет пе?», «Термоядролық электрстанциялары энергетикалық проблемаларды шеше ала ма?», «Қауіпті радиактивті қалдықтардан қалай құтылуға болады?» деген сияқты күрделі проблемалар күн тәртібіне қойылып отыр. Осындай сұрақтарға шынайы жауапты тек жаратылыстану пәндерінен, әсіресе физикадан берілетін білімді игеру арқылы ғана таба аламыз.
Бақылау сұрақтары
- Ғылыми физикалық әдістің мәні неде?
- Физикада қандай негізгі ғылыми әдістер қолданылады?
- Сандық ұғымдар, яғни физикалық шамалар не үшін енгізіледі? Өздеріңе белгілі физикалық шамаларды атаңдар.
- Физикалық заңды тағайындау үшін қандай талаптар қойылады?
- Физикалық эксперименттің рөлі қандай? Теорияның мәні неге саяды?
- Ғылыми физикалық әдістің негізгі жемістері қандай?
- Физиканың экологиялық проблемалары неден туындайды?