Ғылыми заңдар: Табиғат құбылыстарын сипаттау және болжау

Кіріспе

Ғылыми заңдар немесе ғылым заңдары – қайталама эмпирикалық бақылауларға негізделген, кейбір табиғи құбылыстарды сипаттайтын мәлімдемелер. Ғылыми заңдар – бірнеше рет жүргізілген тәжірибелер немесе бақылаулардың нәтижесінде туындайтын, табиғи құбылыстардың ауқымын сипаттауға немесе болжауға мүмкіндік беретін мәлімдемелер. «Заң» термині табиғат ғылымдарының (физика, химия, астрономия, геоғылымдар, биология) барлық салаларында әртүрлі мағыналарда қолданылады (шамамен, дәл, кең немесе тар). Заңдар деректерден дамытылады және математикалық жолмен одан әрі жетілдірілуі мүмкін; барлық жағдайда олар тікелей немесе жанама түрде эмпирикалық деректерге негізделген. Әдетте, олар нақты себеп-салдар байланыстарын көрсетеді, бірақ оларды тікелей айтпайды, және ашылу арқылы табылады, емес ойлап табу арқылы. Ғылыми заңдар тәжірибелердің немесе бақылаулардың нәтижелерін белгілі бір қолдану шегінде жинақтайды. Заңның дәлдігі тиісті құбылыс туралы жаңа теория жасалғанда өзгермейді, бірақ заңды білдіретін математикалық өрнек немесе мәлімдеме өзгермейтіндіктен, заңның қолданылу аясы өзгеруі мүмкін. Басқа ғылыми білімдер сияқты, ғылыми заңдар абсолютті нақтылықты білдірмейді, математикалық теоремалар немесе тепе-теңдіктер сияқты. Болашақтағы бақылаулар ғылыми заңды жоққа шығаруы, шектеуі немесе кеңейтуі мүмкін. Заңды әдетте бір немесе бірнеше мәлімдемелер немесе теңдеулер түрінде жазуға болады, осылайша эксперименттің нәтижесін болжауға болады. Заңдар гипотезалар мен постулаттардан өзгеше, олар ғылыми процесте эксперименттер мен бақылаулар арқылы расталғанға дейін және оларды растау кезінде ұсынылады. Гипотезалар мен постулаттар заңдар емес, өйткені олар заңдарды қалыптастыруға әкелуі мүмкін болса да, олар бірдей дәрежеде тексерілмеген. Заңдар ғылыми теориялардан тар ауқымды, себебі теориялар бір немесе бірнеше заңдарды қамтуы мүмкін. Ғылым заң мен теорияны фактілерден ажыратады. Заңды факт деп атау – дұрыс емес, шамадан тыс айту немесе мағынаның ауысуы. Ғылыми заңдардың мәні философияда көп талқыланған, бірақ мәнінде ғылыми заңдар – ғылыми әдіспен қол жеткізілген эмпирикалық қорытындылар ғана; олар онтологиялық міндеттемелермен немесе логикалық абсолюттердің мәлімдемелерімен жүктелмеуге тиіс.

Statement based on repeated empirical observations that describes some natural phenomenon

Scientific laws or laws of science are statements, based on repeated experiments or observations, that describe or predict a range of natural phenomena. The term law has diverse usage in many cases (approximate, accurate, broad, or narrow) across all fields of natural science (physics, chemistry, astronomy, geoscience, biology). Laws are developed from data and can be further developed through mathematics; in all cases they are directly or indirectly based on empirical evidence. It is generally understood that they implicitly reflect, though they do not explicitly assert, causal relationships fundamental to reality, and are discovered rather than invented. Scientific laws summarize the results of experiments or observations, usually within a certain range of application. In general, the accuracy of a law does not change when a new theory of the relevant phenomenon is worked out, but rather the scope of the law's application, since the mathematics or statement representing the law does not change. As with other kinds of scientific knowledge, scientific laws do not express absolute certainty, as mathematical theorems or identities do. A scientific law may be contradicted, restricted, or extended by future observations. A law can often be formulated as one or several statements or equations, so that it can predict the outcome of an experiment. Laws differ from hypotheses and postulates, which are proposed during the scientific process before and during validation by experiment and observation. Hypotheses and postulates are not laws, since they have not been verified to the same degree, although they may lead to the formulation of laws. Laws are narrower in scope than scientific theories, which may entail one or several laws. Science distinguishes a law or theory from facts. Calling a law a fact is ambiguous, an overstatement, or an equivocation. The nature of scientific laws has been much discussed in philosophy, but in essence scientific laws are simply empirical conclusions reached by scientific method; they are intended to be neither laden with ontological commitments nor statements of logical absolutes.

Шолу

Ғылыми заң физикалық жүйеге қайталама жағдайларда әрқашан қолданылады және жүйенің элементтері арасындағы себеп-салдарлық байланыс бар екенін көрсетеді. "Суық температура мен қысымда сынап сұйық күйде болады" сияқты нақты және расталған мәлімдемелер ғылыми заңдар санатына кіру үшін тым арнайы болып саналады. Дэвид Юмге дейін баратын ғылым философиясының орталық мәселесі – себептік байланыстарды (заңдарда көрінетіндей) тұрақты бірлесуден туындаған принциптерден ажырату мәселесі. Заңдар ғылыми теориялардан өзгеше, олар құбылыстардың механизмін немесе түсіндіруін ұсынбайды: олар тек қайталама байқаулардың нәтижелерін жинақтайды. Сондықтан заңның қолданылуы бұрын байқалған жағдайларға ұқсас жағдайлармен шектеледі және заң экстраполяцияланған кезде жалған болып шығуы мүмкін. Ом заңы тек сызықтық тізбектерге қолданылады; Ньютонның әмбебап тартылыс заңы тек әлсіз тартылыс өрістерінде қолданылады; Бернулли принципі сияқты аэродинамиканың алғашқы заңдары, транссондық және дыбыс жылдамдығынан асып түсетін ұшуда кездесетін қысылатын ағын жағдайында қолданылмайды; Гук заңы тек серпімділік шегінен төменгі деформацияға қолданылады; Бойль заңы тек идеал газға қатысты толық дәлдікпен қолданылады және т.б. Бұл заңдар пайдалы болып қалады, бірақ олар қолданылатын нақты жағдайларда ғана. Көптеген заңдар математикалық формада жазылады, сондықтан оларды теңдеу түрінде беруге болады; мысалы, энергияны сақтау заңы , мұнда – ғаламдағы энергияның жалпы саны. Термодинамиканың бірінші заңы да, Ньютонның екінші заңы да осыған ұқсас түрде жазылуы мүмкін. Бұл ғылыми заңдар біздің сезімдерімізбен қабылдайтындарды түсіндірсе де, олар әлі де эмпирикалық (байқау немесе ғылыми тәжірибе арқылы алынған) және сондықтан математикалық теоремалар сияқты емес, оларды математикалық жолмен дәлелдеуге болады. Теориялар мен гипотезалар сияқты заңдар да болжамдар жасайды; атап айтқанда, олар жаңа байқаулардың берілген заңға сәйкес келетінін болжайды. Заңдар жаңа деректермен қайшылық тудырса, олар жоққа шығарылуы мүмкін. Кейбір заңдар басқа, жалпылама заңдардың жуықтамасы ғана болып табылады және қолданылу аймағы шектеулі жақсы жуықтама болып табылады. Мысалы, Ньютондық динамика (Галилей трансформацияларына негізделген) арнайы салыстырмалылық теориясының төмен жылдамдық шегі болып табылады (Галилей трансформациясы Лоренц трансформациясының төмен жылдамдыққа жуықтауы болғандықтан). Сол сияқты, Ньютонның гравитациялық заңы жалпы салыстырмалылық теориясының кішкентай массаға жуықтауы, ал Кулон заңы үлкен қашықтықтағы кванттық электродинамиканың жуықтауы болып табылады (әлсіз өзара әрекеттесулердің радиусымен салыстырғанда). Мұндай жағдайларда заңдардың қарапайым, жуықтама нұсқаларын қолдану қалыпты жағдай, нақты жалпылама заңдардың орнына. Заңдар үнемі эксперименттік түрде жоғары дәлдікпен тексеріледі, бұл ғылымның басты мақсаттарының бірі. Заңдардың бұзылғаны ешқашан байқалмағандығы, оларды жоғары дәлдікпен тексеруге немесе олардың сақталуын немесе бұзылуын растау үшін жаңа жағдайларда сынауға кедергі келтірмейді және бұл процесте нені анықтауға болатынын білуге мүмкіндік береді. Заңдарды қайталанатын тәжірибелік деректер арқылы күшін жоюға немесе олардың шектеулері бар екенін дәлелдеуге болады. Жақсы орнатылған заңдар кейбір ерекше жағдайларда жарамсыз деп танылды, бірақ сәйкессіздіктерді түсіндіру үшін жасалған жаңа формулалар түпнұсқаларды жоюдың орнына жалпылайды. Яғни, жарамсыз деп танылған заңдар тек жақын жуықтамалар болып табылған, оларға басқа терминдер немесе факторлар қосылуы керек, олар бұрын ескерілмеген жағдайларды қамтиды, мысалы, өте үлкен немесе өте кішкентай уақыт немесе кеңістік масштабтары, орасан зор жылдамдықтар немесе массалар және т.б. Осылайша, физикалық заңдарды өзгермейтін білім ретінде емес, жақсарып, толығырақ жалпыламалар сериясы ретінде қарастыру дұрыс.

A scientific law always applies to a physical system under repeated conditions, and it implies that there is a causal relationship involving the elements of the system. Factual and well confirmed statements like "Mercury is liquid at standard temperature and pressure" are considered too specific to qualify as scientific laws. A central problem in the philosophy of science, going back to David Hume, is that of distinguishing causal relationships (such as those implied by laws) from principles that arise due to constant conjunction. Laws differ from scientific theories in that they do not posit a mechanism or explanation of phenomena: they are merely distillations of the results of repeated observation. As such, the applicability of a law is limited to circumstances resembling those already observed, and the law may be found to be false when extrapolated. Ohm's law only applies to linear networks; Newton's law of universal gravitation only applies in weak gravitational fields; the early laws of aerodynamics, such as Bernoulli's principle, do not apply in the case of compressible flow such as occurs in transonic and supersonic flight; Hooke's law only applies to strain below the elastic limit; Boyle's law applies with perfect accuracy only to the ideal gas, etc. These laws remain useful, but only under the specified conditions where they apply. Many laws take mathematical forms, and thus can be stated as an equation; for example, the law of conservation of energy can be written as , where is the total amount of energy in the universe. Similarly, the first law of thermodynamics can be written as , and Newton's second law can be written as While these scientific laws explain what our senses perceive, they are still empirical (acquired by observation or scientific experiment) and so are not like mathematical theorems which can be proved purely by mathematics. Like theories and hypotheses, laws make predictions; specifically, they predict that new observations will conform to the given law. Laws can be falsified if they are found in contradiction with new data. Some laws are only approximations of other more general laws, and are good approximations with a restricted domain of applicability. For example, Newtonian dynamics (which is based on Galilean transformations) is the low speed limit of special relativity (since the Galilean transformation is the low speed approximation to the Lorentz transformation). Similarly, the Newtonian gravitation law is a low mass approximation of general relativity, and Coulomb's law is an approximation to quantum electrodynamics at large distances (compared to the range of weak interactions). In such cases it is common to use the simpler, approximate versions of the laws, instead of the more accurate general laws. Laws are constantly being tested experimentally to increasing degrees of precision, which is one of the main goals of science. The fact that laws have never been observed to be violated does not preclude testing them at increased accuracy or in new kinds of conditions to confirm whether they continue to hold, or whether they break, and what can be discovered in the process. It is always possible for laws to be invalidated or proven to have limitations, by repeatable experimental evidence, should any be observed. Well established laws have indeed been invalidated in some special cases, but the new formulations created to explain the discrepancies generalize upon, rather than overthrow, the originals. That is, the invalidated laws have been found to be only close approximations, to which other terms or factors must be added to cover previously unaccounted for conditions, e. g. very large or very small scales of time or space, enormous speeds or masses, etc. Thus, rather than unchanging knowledge, physical laws are better viewed as a series of improving and more precise generalizations.

Қасиеттері

Ғылыми заңдар – көп жылдар бойы қайталанатын ғылыми тәжірибелер мен байқауларға негізделген және ғылыми қауымдастықта жалпыға бірдей қабылданған қорытындылар. Ғылыми заң – "нақты фактілерден туындайтын, белгілі бір құбылыстар тобына немесе класына қатысты және егер белгілі бір шарттар орындалса, нақты құбылыс әрқашан орын алады деген тұжырымда білдіріле алады". Осындай заңдар түрінде қоршаған ортамызды қысқаша сипаттау ғылымның басты мақсаты болып табылады. Ғылыми заңдардың, әсіресе физика заңдарына қатысты, бірнеше жалпы қасиеттері анықталды. Ғылыми заңдар:

Шындық, кем дегенде олардың қолданыс аймағында. Анықтама бойынша, қайталанатын қайшы байқаулар болған емес. Жалпыға ортақ. Олар ғаламның кез келген жерінде қолданылады. Қарапайым. Олар көбінесе бір ғана математикалық теңдеу арқылы өрнектеледі. Абсолютті. Әлемдегі ешбір нәрсе оларға әсер етпейді. Көбінесе кеңістік пен уақыттың бар болатын біртектіліктерінің (симметрияларының) көрінісі. "Ғылыми заң" термині дәстүрлі түрде табиғаттану ғылымдарымен байланысты, бірақ әлеуметтік ғылымдарда да заңдар бар. Мысалы, Зипф заңы – математикалық статистикаға негізделген әлеуметтік ғылымдардағы заң. Мұндай жағдайларда заңдар абсолютті емес, жалпы тенденцияларды немесе күтілетін мінез-құлықты сипаттауы мүмкін. Табиғаттану ғылымында мүмкін емес деген тұжырымдар сынға алынбайтын дәрежеде дәлелденген деп қарастырудың орнына, өте ықтимал деп кеңінен қабылданады. Мұндай берік сенімнің негізі – бір нәрсе орын алмағандығына толыққанды дәлелдердің жиынтығы, сонымен қатар, өте сәтті болжамдар жасайтын және оның негізгі қағидалары логикалық түрде бір нәрсенің мүмкін емес екеніне алып келетін теориямен үйлесімде болуы. Табиғаттану ғылымындағы мүмкін емес тұжырымды толығымен дәлелдеу мүмкін болмаса да, оны бір ғана қарсы мысалмен жоққа шығаруға болады. Мұндай қарсы мысал мүмкін еместікті күдік тудырған теорияның негізгі қағидаларын қайта қарастыруды талап етеді. Физикада кеңінен қабылданған мүмкін емес жағдайлардың мысалдары: энергия сақталу заңын бұзатын мәңгілік қозғалыс машиналары, арнайы салыстырмалылық теориясының салдарларын бұзатын жарық жылдамдығынан асу, кванттық механиканың белгісіздік принципі, бөлшектің бір уақытта орналасуын және импульсін білу мүмкін емес екенін көрсетеді, және Белл теоремасы: жергілікті жасырын айнымалылардың ешбір физикалық теориясы кванттық механиканың барлық болжамдарын қайта жасай алмайды.

Математикалық симметриялардың салдары ретінде заңдар

Кейбір заңдар табиғатта кездесетін математикалық симметрияларды көрсетеді (мысалы, Паулидің ажырату принципі электрондардың өзгешеліксіздігін көрсетеді, сақталу заңдары кеңістік пен уақыттың біртектілігін көрсетеді, ал Лоренц түрлендірулері кеңістік-уақыттың айналу симметриясын көрсетеді). Көптеген негізгі физикалық заңдар кеңістік, уақыт немесе табиғаттың басқа да аспектілерінің әртүрлі симметрияларының математикалық салдары болып табылады. Атап айтқанда, Ноэтер теоремасы кейбір сақталу заңдарын нақты симметриялармен байланыстырады. Мысалы, энергияның сақталуы уақыттың қабыстыру симметриясының (уақыттың ешбір сәті басқасынан ерекше емес) салдары, ал импульстің сақталуы кеңістіктің симметриясының (біртектілігінің) салдары (кеңістіктегі ешбір нүкте ерекше немесе басқасынан өзгеше емес). Әрбір негізгі типтегі барлық бөлшектердің (мысалы, электрондар немесе фотондар) өзгешеліксіздігі Дирак пен Бозе квант статистикасына алып келеді, бұл өз кезегінде фермиондар үшін Паулидің ажырату принципіне және бозондар үшін Бозе-Эйнштейн конденсациясына әкеледі. Арнайы салыстырмалылық теориясы гиперболалық айналу симметриясына сәйкес, кеңістік пен уақытты біріктіретін жылдамдық түрінде қозғалысты сипаттайды. Инерциялық және гравитациялық масса арасындағы симметрия жалпы салыстырмалылық теориясына әкеледі. Массасыз бозондармен жүзеге асырылатын өзара әрекеттесудің кері квадрат заңы кеңістіктің үшөлшемділігінің математикалық салдары болып табылады. Табиғаттың ең негізгі заңдарын табу үшін қолданылатын стратегиялардың бірі – негізгі өзара әрекеттесулерге қолданылатын ең жалпы математикалық симметрия тобын іздеу.

Сақтау және симметрия

Сақтау заңдары – кеңістік, уақыт және фазаның біртектілігінен, яғни симметриядан туындайтын негізгі заңдар. Ноэтер теоремасы: Әрекетте үздіксіз дифференциалданатын симметриясы бар кез келген шамаға сәйкес сақталу заңы бар. Массаның сақталуы – ең алғаш түсінілген заң, себебі массаға қатысты көптеген макроскопиялық физикалық процестер, мысалы, массивті бөлшектердің соқтығысуы немесе сұйықтың ағысы, масса сақталады деген ойға келтіреді. Массаның сақталуы барлық химиялық реакцияларда дұрыс екені байқалды. Бірақ, жалпы алғанда, бұл шамамен ғана дұрыс, өйткені салыстырмалылық теориясының пайда болуымен және ядролық және бөлшектер физикасының тәжірибелерімен масса энергияға және керісінше айналуы мүмкін екендігі анықталды, сондықтан масса әрқашан сақталмайды, бірақ масса-энергияның жалпы сақталуының бір бөлігі болып табылады. Оқшауланған жүйелердегі энергияның, импульстің және бұрыштық импульстің сақталуы уақыт, орын және айналу симметрияларында көрінеді. Зарядтың сақталуы да анықталды, өйткені зарядтың жаратылғаны немесе жойылғаны ешқашан байқалған жоқ, ол тек бір жерден екінші жерге жылғанын көрсетті.

Гравитация және салыстырмалылық теориясы

Табиғаттың ең белгілі заңдары Исаак Ньютонның классикалық механика теорияларында, оны «Табиғат философиясының математикалық принциптері» (Philosophiae Naturalis Principia Mathematica) еңбегінде жариялаған, және Альберт Эйнштейннің салыстырмалылық теориясында қамтылған.

Табиғи іріктеу

Табиғи іріктеудің «табиғат заңы» болатыны немесе болмайтыны биологтар арасында даулы мәселе. Эволюциялық теория бойынша еңбектерімен танымал американдық философ Генри Байерли табиғи іріктеу принципін заң ретінде түсіндіру мәселесін талқылады. Ол эволюциялық теорияны жақсырақ түсінуге көмектесетін негізгі принцип ретінде табиғи іріктеудің тұжырымдамасын ұсынды. Бұл идея римдік өмір мен мәдениетте заңның және сот-сараптамалық аргументтердің маңызды рөліне байланысты туындады. Римдіктер үшін этика, құқық, табиғат, дін және саясаттың тоғысқан жері – сот. Сенеканың «Табиғи сұрақтар» еңбегін оқып, оның дәлелдерді бағалау, куәгерлерді тексеру, аргументтер мен дәлелдеу стандарттарын қалай қолданғанын қайта-қайта қарастырсақ, біз сол дәуірдің көрнекті римдік риториктерінің бірін оқып отырғанымызды түсінеміз, ол сот-сараптамалық әдістерге толыққанды енген. Бұл Сенеканың өзі ғана емес. Ғылыми үкімдерге құқықтық үлгілер кеңінен таралған, мысалы, Птолемейдің тексеруге қатысты көзқарасында да олар маңызды рөл атқарады, онда сана судья рөлін, сезімдер – дәлелдерді ұсынуды, ал диалектикалық ой – заңның өзін атқарады. Қазіргі танылған табиғат заңдарының қазіргі заманғы және жарамды тұжырымдамасы 17 ғасырда Еуропада, дәл тәжірибе жүргізудің басталуымен және математиканың жетілдірілген формаларының дамуымен қалыптасты. Осы кезеңде Исаак Ньютон (1642-1727) сияқты табиғат зерттеушілері ортағасырлық діни ұғымдардан туындаған діни көзқарасқа ұшырады, ол Құдайдың абсолютті, әмбебап және өзгермейтін физикалық заңдарды орнатқанын жоғары бағалады. «Әлем» кітабының 7-тарауында Рене Декарт (1596-1650) «табиғатты» Құдай жаратқаннан бері өзгермейтін материяның өзі ретінде сипаттады, сондықтан бөліктердегі өзгерістер «табиғатқа» жатқызылуы керек. Осы өзгерістердің орындалу ережелерін мен «табиғат заңдары» деп атаймын. Осы уақытта қалыптасқан қазіргі ғылыми әдіс (Франсис Бэкон (1561-1626) және Галилео (1564-1642) ғылымды теологиядан бөлуге, метафизика мен этика туралы минималды болжамдар жасауға ықпал етті. (Сектанттық діннен және жағдайларға байланысты емес, әмбебап деп есептелген саяси мағынадағы табиғи заң да осы кезеңде Гроций (1583-1645), Спиноза (1632-1677) және Гоббс (1588-1679) сияқты ғалымдар тарапынан әзірленді.) Табиғи заңның саяси-құқықтық мағынадағы және табиғат заңының немесе физикалық заңның ғылыми мағынадағы айырмашылығы – қазіргі заманғы ұғым, екі түсінік те грек сөзінен (латын тілінде natura) тең дәрежеде алынған, ол табиғатты білдіреді.

Whether or not Natural Selection is a “law of nature” is controversial among biologists. Henry Byerly, an American philosopher known for his work on evolutionary theory, discussed the problem of interpreting a principle of natural selection as a law. He suggested a formulation of natural selection as a framework principle that can contribute to a better understanding of evolutionary theory. the idea was made possible by the pivotal role of codified law and forensic argument in Roman life and culture. For the Romans . the place par excellence where ethics, law, nature, religion and politics overlap is the law court. When we read Seneca's Natural Questions, and watch again and again just how he applies standards of evidence, witness evaluation, argument and proof, we can recognize that we are reading one of the great Roman rhetoricians of the age, thoroughly immersed in forensic method. And not Seneca alone. Legal models of scientific judgment turn up all over the place, and for example prove equally integral to Ptolemy's approach to verification, where the mind is assigned the role of magistrate, the senses that of disclosure of evidence, and dialectical reason that of the law itself.</blockquote>

The precise formulation of what are now recognized as modern and valid statements of the laws of nature dates from the 17th century in Europe, with the beginning of accurate experimentation and the development of advanced forms of mathematics. During this period, natural philosophers such as Isaac Newton (1642 1727) were influenced by a religious view stemming from medieval concepts of divine law which held that God had instituted absolute, universal and immutable physical laws. In chapter 7 of The World, René Descartes (1596 1650) described "nature" as matter itself, unchanging as created by God, thus changes in parts "are to be attributed to nature. The rules according to which these changes take place I call the 'laws of nature'." The modern scientific method which took shape at this time (with Francis Bacon (1561 1626) and Galileo (1564 1642)) contributed to a trend of separating science from theology, with minimal speculation about metaphysics and ethics. (Natural law in the political sense, conceived as universal (i. e., divorced from sectarian religion and accidents of place), was also elaborated in this period by scholars such as Grotius (1583 1645), Spinoza (1632 1677), and Hobbes (1588 1679).) The distinction between natural law in the political legal sense and law of nature or physical law in the scientific sense is a modern one, both concepts being equally derived from physis, the Greek word (translated into Latin as natura) for nature.