значение научных ошибок и заблуждений учёных для
реклама
Лозовой Александр, учащийся III курса ГБОУ НПО ПЛ № 24 Краснодарского края, г. Краснодар Руководитель: преподаватель физики Салионова Г.Г. ЗНАЧЕНИЕ НАУЧНЫХ ОШИБОК И ЗАБЛУЖДЕНИЙ УЧЁНЫХ ДЛЯ СТАНОВЛЕНИЯ И РАЗВИТИЯ ФИЗИКИ Перед нами – безумная теория. Вопрос в том, достаточно ли она безумна, чтобы быть правильной. Нильс Бор О том, что человеку свойственно ошибаться, говорили ещё древние. Но вот что странно, нам мало рассказывают об ошибках ученых, не считая истории знаменитого Аристотеля до конца жизни уверенного, что одни предметы падают быстрее других. Возможно, сами исследователи постарались сохранить свои недочеты втайне, возможно, триумф победителей помог им забыть о пережитых неудачах и разочарованиях. На самом деле, несмотря на то, что в историко-физическом материале уроков физики почти нет примеров заблуждений «отцов науки», даже самые великие ученые совершали ошибки. Искренними были их заблуждения или умышленной мистификацией, изучение и анализ научных ошибок и заблуждений учёных помогают увидеть целостную картину становления физической науки, понять истинную ценность открытий, соединить в одном времени разбросанные по учебникам физики имена людей, которыми названы законы природы. Предлагаемое исследование ставит своей целью проникнуть в эпоху великих открытий, понять причины заблуждений известных физиков, оправданность научных изысканий, потерпевших неудачу, забытых, потерянных во времени, но побудивших учёных к новым исследованиям и стимулировавших тем самым прогресс науки. Что приводило к ошибкам и заблуждениям исследователей прошлого? Во-первых, недостаточный объём знаний и представлений, существовавших в то время в различных областях физики. Во-вторых, неудача учёного может определяться его следованием общепринятым в то время установкам, ошибочность которых становится ясной лишь при дальнейшем развитии науки. В третьих, к ошибкам приводили неверные выводы при обобщении правильных результатов. Ошибочность заключений была возможна из-за неполной оценки условий, в которых проводился эксперимент. Наконец, свою роль сыграл и «человеческий фактор», когда гордыня или искренняя уверенность в собственной правоте не позволяли учёному отказаться от ошибочных выводов. Не исключены и случайные «элементарные» ошибки. Рассмотрим ряд примеров. В 1632 году Галилео Галилей разработал математический доклад для папы Урбана VIII, намереваясь доказать, что Земля вращается вокруг Солнца. За основу своей работы он взял приливы. Согласно математическим расчетам, высокий прилив должен был происходить один раз в день вместо двух, но Галилео отказался признать свою ошибку, высмеяв тех, кто утверждал, что на приливы влияет Луна. Учёному было известно, что ещё в 1590 году испанский историк, географ и натуралист Хосе де Акоста в своей «Истории» впервые объяснил природу отливов и приливов, их периодичность и взаимосвязь с фазами Луны. Немецкий учёный Иоганн Кеплер, с которым Галилей был знаком лично и даже получил от него авторский экземпляр книги «Тайны мира» утверждал, что приливы — следствие притяжения Луны и что, не существуй на Земле силы тяжести, океаны устремились бы на Луну. Странно, что Галилей счел это печальным возвращением в область мистических бредней и предпочитал объяснять приливы вращением Земли. Есть и другие примеры. В 1896 году председатель Королевского общества лорд Кельвин объявил, что недавний доклад о рентгеновских лучах просто смешон, и все это в скором времени окажется мистификацией. Но, в отличие от Галилео, он достойнее принял свое поражение: в том же самом году, убедившись в достоверности информации, поняв грандиозность открытия Рентгена, Кельвин даже позволил проверить свою руку рентгеновскими лучами. Приведём примеры заблуждений учёных, связанные со стремлением расширить границы применимости теоретических законов. В 1851 году Уильям Томсон (лорд Кельвин) и Рудольф Клаузиус попытались второе начало термодинамики, сформулированное для ограниченных замкнутых систем, распространить на вселенную. Так возникла идея «тепловой смерти». Учёные пришли к выводу, что в соответствии со вторым началом термодинамики температура всех тел во вселенной выравнивается, а это приведёт к возникновению условий, при которых жизнь невозможна. На сегодняшний день у данной теории имеются как сторонники, так и противники. Современная наука оспаривает теорию тепловой смерти вселенной с позиций общей теории относительности, согласно которой вселенная представляет собой систему, находящейся в переменном гравитационном поле. Из этого следует, что она нестабильна и установление равновесного состояния вселенной невозможно. Рассмотрим пример научного заблуждения, послужившего толчком к появлению новых направлений в науке. В 1970 году Луиджи Гальвани проводил опыты на лягушках и обнаружил, что при прикосновении к лапкам земноводных, подвешенных на медных крючках, железной проволокой, они начинают сокращаться, несмотря на то, что лягушки были мертвы. Здесь ученый и совершил ошибку. Гальвани представил научному обществу новую теорию, согласно которой биологическая ткань генерирует свое собственное электричество. Эксперименты Гальвани повторяли буквально во всех странах. Лягушки погибали тысячами во имя новой науки. Утверждая, что он обнаружил именно новый вид электричества, Гальвани приводил в пример электрических рыб. В самый разгар триумфа гальванизма профессор физики Павийского университета Алессандро Вольта указал на ошибку Гальвани. Он доказал, что для объяснения опытов Гальвани не нужно предполагать существование какого-то особого "животного электричества", что не в лягушках появляется электрический ток, а от взаимодействия меди с железом. Лягушка же только послужила проводником. И всё-таки хочется выступить в защиту Луиджи Гальвани. В настоящее время итальянский ученый по праву считается одним из основателей учения об электричестве. Его опыты с "животным электричеством" составляют основу нового научного направления - электрофизиологии, исследующей электрические явления в живом организме. Это и возбуждение нейронов, например, в процессах зрения, и передача нервного импульса, электрические процессы в мозге - энцефалография, и электрическое исследование работы сердечной мышцы – электрокардиография. Ошибка Гальвани – это пример научного заблуждения, которое не только не затормозило развитие науки, но и послужило толчком для развития её новых направлений. Существуют и другие примеры, когда ошибочные взгляды известных учёных, опровергались оппонентами. Это известное всем школьникам длительное противостояние теории близкодействия и действия на расстоянии, связанные с именами Ньютона, а позднее Кулона и Ампера, открывших законы взаимодействия зарядов и токов. Теория действия на расстоянии предполагает мгновенную передачу действия от одного тела к другому через пустоту. Теория близкодействия говорит об опосредованном взаимодействии тел, которое распространяется с конечной скоростью. В итоге, благодаря английским учёным Майклу Фарадею и Джеймсу Максвеллу теория близкодействия одержала победу, а в физике появилось новое понятие – электрическое поле. В истории науки было немало случаев, когда на даже ошибочных теориях были основаны замечательные передовые технологии, которые при этом отлично работали. Пример тому - работа тепловой машины. Долгое время объяснение механизма работы паровых двигателей основывалось на ошибочной научной теории теплорода, у которой было много последователей из известных ученых. Теория теплорода одержала временную победу к середине XVIII в. Это произошло после того, как экспериментально было доказано сохранение количества теплоты при теплообмене. Отсюда был сделан вывод о сохранении тепловой жидкости — теплорода. С помощью корпускулярной теории теплоты не удавалось получить важные для физики количественные связи между различными величинами, характеризующими тепловые процессы. В частности, эта теория не смогла объяснить, почему теплота сохраняется при теплообмене. Для своего времени теория теплорода была прогрессивной. Но в конце XVIII века многочисленными опытами было доказано, что сохраняющейся «тепловой жидкости» не существует. И как не странно, это совершенно не мешало развитию и эволюции различных технических механизмов. Так пароходы, паровозы и другие паровые машины в это время уже успешно работали и быстро совершенствовались. Пример, иллюстрирующий возможность научных заблуждений, связанную с ограниченностью имевшихся представлений в области физики - ошибка Исаака Ньютона по определению скорости распространения звука в воздухе. В работе «Математические начала натуральной философии» учёный опубликовал результат – 979 фунтов в секунду, т.е. 290 м/с. В действительности, при нормальных условиях скорость звука составляет 331 м/с. Ньютон знал об этом расхождении, но устранить его не смог. Ошибка Ньютона была обусловлена тем, что он рассматривал звуковую волну как чередование областей сжатия и разрежения воздуха, пользуясь представлениями об изотермическом, а не адиабатном процессе. И не удивительно! До изучения особенностей адиабатного процесса должно было пройти ещё более ста лет. Ошибка Ньютона и её причины были установлены в начале XIX века Пьером Лапласом. Не только ограниченность научных представлений, присущих той или иной эпохе, но и влияние общепринятых установок могут повлиять на результат исследований. В качестве примера можно рассмотреть вывод закона преломления света Рене Декартом. Как и многие учёные первой половины XIX века учёный считал, что свет распространяется мгновенно, но при выводе закона преломления словно забыл об этом и использовал аналогию с движением мяча, вертикальная составляющая скорости которого меняется при переходе из одной среды в другую. Но что означает изменение бесконечно большой величины, когда речь идёт о скорости света? Об этом Декарт умалчивает. Тем не менее, закон преломления был сформулирован им верно. В данной ситуации отступление Декарта от своих исходных положений, которые, как показывает история, были ошибочными, сделало вывод противоречивым. Но именно это противоречие, подмеченное французским математиком Пьером Ферма, позволило ему сформулировать принцип наименьшего времени – один из первых вариационных принципов физики. Пример поучителен и тем, что иллюстрирует гибкость мышления Декарта и роль интуиции в научном познании. Другой пример того, что в науке не всегда следует считаться с общепринятым мнением – борьба Планка с перспективой ультрафиолетовой смерти вселенной. Всем известно, что раскалённое тело, если только оно не разрушится, светится, т.е. излучает электромагнитные волны различных длин и частот. Учёные долго пытались построить математическую теорию излучения, но всякий раз уравнения давали результаты, не соответствующие действительности. Проблемой занялся Макс Планк, который, в соответствии с общепринятым мнением, рассматривал процессы, исходя из привычной предпосылки непрерывного излучения энергии нагретым телом. Выводы озадачили учёного. Действительно, нагретое тело излучает видимые лучи всех цветов, и они уносят с собой энергию. Кроме того, есть невидимое ультрафиолетовое и ещё более коротковолновое излучение, уносящие гораздо больше энергии. Подчиняясь полученным учёными формулам, эти излучения должны остудить вселенную до абсолютного нуля. Таков был вывод Планка: мир ожидает ультрафиолетовая смерть. Но почему никаких признаков печального исхода не наблюдается! Планк нашёл объяснение этому противоречию. Вопреки бытующим представлениям о непрерывности теплового излучения учёный предположил, что оно совершается небольшими порциями. Описав этот процесс математически, Планк пришел к формуле, совпадавшей с распределением энергии в спектре Солнца и других нагретых тел. Так в науку вошло представление о минимальной порции энергии – кванте. И самое поразительное, что идею дискретности теплопередачи Планку подсказал Больцман – безупречный сторонник классической физики и непрерывности тепловых процессов. Приведём пример экспериментальной ошибки, связанной с недостаточным уровнем развития техники и неполной оценки условий, в которых проводился эксперимент. Это история, связанная с изучением катодных лучей Генрихом Герцем. Изучая прохождение лучей между пластинами, на которые было подано значительное напряжение, Герц не зарегистрировал их отклонения в электрическом поле и сделал вывод, что катодные лучи это не заряженные частицы, а продольные волны в эфире. Более десятилетия почти все немецкие физики придерживались точки зрения Герца и выступали оппонентами английских учёных. Однако в 1895 г. исследования Жана Перрена показали, что катодные лучи являются потоком отрицательно заряженных частиц. Английский физик Джозеф Джон Томсон, модифицировав эксперимент Перрена, подтвердил его выводы и в 1897 г. определил важнейшую характеристику этих частиц, измерив отношение их заряда к массе по отклонению в электрическом и магнитном полях. Этот пример показывает, что даже выдающиеся экспериментаторы не застрахованы от ошибок, и существующая в современной науке тенденция к повторению и уточнению некоторых ранних экспериментов вполне оправдана. История физики знает и «счастливые» исходы борьбы различных мнений. Такова история развития взглядов на природу света. Что такое свет? В конце XVII века возникли две теории света: корпускулярная, связанная с именем Ньютона и волновая, связанная с именами Гюйгенса и Гука. Первая утверждала, что свет это поток частиц - корпускул, испускаемых источником света, согласно второй теории свет имеет волновую природу. Весь XVIII век стал веком борьбы этих теорий. Однако в начале XIX столетия корпускулярная теория была отвергнута и восторжествовала волновая теория. После опытов Герца по исследованию электромагнитных волн признание получила электромагнитная природа света. В начале XX века после опытов П. Н. Лебедева по измерению светового давления электромагнитная теория света превратилась в твердо установленный факт. Однако уже в начале XX века выяснилось, что эта теория недостаточна для истолкования таких явлений, как излучение черного тела, фотоэффект, и др. Наука вновь вернулась к идее корпускул – световых квантов. Тот факт, что при распространении свет обнаруживает волновые свойства, а при излучении и поглощении веществом – корпускулярные, означает, что он имеет сложную двойственную природу, т.е. обладает корпускулярно-волновым дуализмом. Три с лишним века продолжалась борьба мнений, завершившаяся не заменой одной научной теории другой, а созданием третьей, объединившей обе противоборствующие теории и получившей загадочное название – корпускулярно-волновой дуализм. Исследование научных ошибок и заблуждений учёных делает изучение физики увлекательным занятием, помогает по-новому взглянуть на непростую историю становления физической науки, понять истинную ценность открытий, известных и неизвестных экспериментов, забытых, потерянных во времени, но побудивших учёных к новым исследованиям и стимулировавших тем самым прогресс науки. Список литературы 1. Абакумова Ю.П. Химические источники тока. – СПб: СПбГУПС, 2004. – 26с. 2. Андреев И.Н. Электрохимические устройства –ХИТ. - Казань: Изд-во КГТУ, 1999. - 84с. 3. Антонов В.Ф. Биофизика. - М.: Владос, 2000. – 288 с. 4. Блудов М.И. Беседы по физике. Ч. 2. Изд. 3-е, переработ. – М.: Просвещение, 1985. – 207 с. 5. Голин Г.М., Филонович С.Р. Классики физической науки. – М.: Высшая школа, 1989. – 576 с. 6. Дрейк Ч., Имбри Дж., Кнаус Дж., Турекиан К. Океан сам по себе и для нас. М., 1982. – 234 с. 7. Дягилев Ф.М. Из истории физики и жизни ее творцов. – М.: Просвещение, 1987 – 256 с. 8. Хрестоматия по физике / Под ред. Б.И. Спасского. – М.: Просвещение,1987 – 288 с. Электронный ресурс удаленного доступа (Internet): 1. Вильям Сибрук. Роберт Вильямс Вуд. Современный чародей физической лаборатории / пер. с англ. В. С. Вавилова под ред. акад. С. И. Вавилова. — Изд. 2-е. — М.: Гос. изд-во физико-математической литературы, 1960. электронная версия Режим доступа к книге URL : http://readr.ru/vilyam-sibruk-robert-vilyams-vudsovremenniy-charodey-fizicheskoy-laboratorii.html (дата обращения: 12.10. 2013) 2. И.Л. Радунская. Безумные идеи / Раритетные издания / Режим доступа к книге URL http://n-t.ru/ri/rd/bi.htm (дата обращения: 12.10.2013)
