Науковий метод

Фізика - природнича наука. В її основі лежить експериментальне дослідження явищ природи, а її задача - формулювання законів, якими пояснюються ці явища. Фізика зосереджується на вивченні найфундаментальніших та найпростіших явищ і на відповідях на найпростіші запитання: з чого складається матерія, яким чином частинки матерії взаємодіють між собою, за якими правилами й законами здійснюється рух частинок, тощо. В основі фізичних досліджень лежать спостереження. Узагальнення спостережень дозволяє фізикам формулювати гіпотези щодо спільних загальних рис тих явищ, за якими велися спостереження. Гіпотези перевіряються за допомогою продуманого експерименту, в якому явище проявлялося б у якомога чистішому вигляді й не ускладнювалося б іншими явищами. Аналіз даних сукупності експериментів дозволяє сформулювати закономірність. На перших етапах досліджень закономірності мають здебільшого емпіричний, феноменологічний характер, тобто явище описується кількісно за допомогою певних параметрів, характерних для досліджуваних тіл та речовин. Аналізуючи закономірності та параметри, фізики будують фізичні теорії, які дозволяють пояснити досліджувані явища на основі уявлень про будову тіл та речовин і взаємодію між їхніми складовими частинами. Фізичні теорії, в свою чергу, створюють передумови для постановки точніших експериментів, в ході яких здебільшого визначаються рамки їхнього застосування. Найзагальніші фізичні теорії дозволяють формулювання фізичних законів, які вважаються загальними істинами, доки накопичення нових експериментальних результатів не вимагатиме їхнього уточнення.

Так, наприклад, Стівен Ґрей помітив, що електрику можна передавати на доволі значну віддаль за допомогою зволожених ниток і почав досліджувати це явище. Георг Ом зумів знайти для нього кількісну закономірність - струм у провіднику пропорційний напрузі (закон Ома). При цьому, звісно, експерименти Ома опиралися на нові джерела живлення та на нові способи вимірювати дію електричного струму, що дозволило кількісно охарактеризувати його. За результатами подальших досліджень вдалося абстрагуватися від форми та довжини провідників і ввести такі феноменологічні характеристики, як питомий опір провідника та внутрішній опір джерела живлення. Закон Ома й понині залишається основою електротехніки, однак дослідження встановили також рамки його застосування - відкрили елементи електричного кола з нелінійними вольт-амперними характеристиками і навіть речовини, які не мають електричного опору - надпровідники. Після відкриття заряджених мікроскопічних частинок - електронів, була сформульована мікроскопічна теорія електропровідності, яка пояснювала залежності опору від температури та пояснювала його розсіянням електронів на коливаннях кристалічної ґратки, домішках, тощо.

Теоретична та експериментальна фізика

Принципи фізичних пошуків дещо відрізняються від таких в інших науках тому, що тут існує чітко визначений розподіл на теорію та експеримент, і з 20 століття більшість фізиків спеціалізується або на теоретичній фізиці, або на експериментальній, і дуже мало таких, які б досягли успіхів в обох напрямах. На відміну, практично всі успішні теоретики біології та хімії також були і експериментаторами.

Коротко кажучи, теоретики займаються пошуком теорій, які могли б пояснити існуючі експериментальні результати та передбачити нові, тоді як експериментатори організують свої практичні дослідження для перевірки результатів теорій. Тобто, незважаючи на існування двох чітких напрямів, вони тісно пов'язані один з одним. Тому прориви в фізиці часто відбуваються саме тоді, коли експериментатори виявляють, що існуючі теорії не можуть пояснити їхніх результатів, і це потребує побудови нових фізичних теорій.

Поділ фізиків на теоретиків та експериментаторів пов'язаний із особливою складністю математичного апарату сучасної фізики з одного боку та складністю сучасного експериментального устаткування - з іншого. З появою потужної комп'ютерної техніки виділився новий клас фізиків, які займаються комп'ютерним моделюванням фізичних процесів та розробкою програмного забезпечення для складних фізичних розрахунків. Частково таке моделювання проводиться ab initio, тобто виходячи з основних принципів фізичної теорії, частково, ґрунтуючись на феноменологічних теоріях та використовуючи бази даних фізичних параметрів частинок, атомів чи речовин.

Кількісний характер фізики

Фізика - кількісна наука. Фізичний експеримент опирається на вимірювання, тобто порівняння характеристик досліджуваних явищ із певними еталонами. З цією метою фізика розвинула систему фізичних одиниць та вимірювальних приладів. Окремі фізичні одиниці об'єднуються в системи фізичних одиниць. Так, на сучасному етапі розвитку науки стандартом є Міжнародна система СІ.

Отримані експериментально кількісні залежності дозволяють використовувати для своєї обробки математичні методи і будувати теоретичні, тобто, математичні моделі досліджуваних явищ.

Із зміною уявлень про природу тих чи інших явищ міняються також фізичні одиниці, в яких вимірюються фізичні величини. Так, наприклад, для вимірювання температури спочатку були запропоновані довільні температурні шкали, які ділили проміжок температур між характерними явищами (наприклад, замерзанням і кипінням води) на певну кількість менших проміжків, які отримали назву градусів температури. Для вимірювання кількості теплоти була запроваджена одиниця - калорія, яка визначала кількість теплоти, необхідної для нагрівання граму води на один градус. Проте з часом фізики встановили відповідність між механічною і тепловою формою енергії. Таким чином, виявилося, що запропонована раніше одиниця кількості теплоти, калорія, є зайвою, як і одиниця вимірювання температури. І кількість теплоти й температуру можна вимірювати в одиницях механічної енергії. В сучасну епоху калорія та градус не вийшли з практичного вжитку, але між цими величинами і одиницею енергії Джоулем існує точне числове співвідношення. Градус, як одиниця вимірювання температури навіть входить в систему СІ, а коефіцієнт переходу від температурної до енергетичної величини, стала Больцмана, вважається фізичною сталою.