Введение

Заявление, основанное на повторных эмпирических наблюдениях, описывающее некоторое природное явление. Научные законы, или законы науки, – это утверждения, основанные на многократных экспериментах или наблюдениях, которые описывают или предсказывают ряд природных явлений. Термин «закон» имеет различное применение во многих случаях (приблизительное, точное, широкое или узкое) во всех областях естествознания (физика, химия, астрономия, геоНауки, биология). Законы выводятся из данных и могут быть уточнены с помощью математики; во всех случаях они прямо или косвенно основаны на эмпирических доказательствах. Обычно считается, что они неявно отражают, хотя и не утверждают явно, причинно-следственные связи, фундаментальные для реальности, и открываются, а не изобретаются. Научные законы обобщают результаты экспериментов или наблюдений, как правило, в пределах определенного диапазона применимости. В целом, точность закона не изменяется при разработке новой теории, описывающей соответствующее явление, а скорее изменяется область применения закона, поскольку математическое выражение или формулировка закона остаются неизменными. Как и другие виды научных знаний, научные законы не выражают абсолютной уверенности, как математические теоремы или тождества. Научный закон может быть опровергнут, сужен или расширен будущими наблюдениями. Закон часто может быть сформулирован в виде одного или нескольких утверждений или уравнений, позволяющих предсказывать исход эксперимента. Законы отличаются от гипотез и постулатов, которые предлагаются в процессе научного исследования до и во время проверки посредством эксперимента и наблюдения. Гипотезы и постулаты не являются законами, поскольку они не были проверены в той же степени, хотя могут привести к формулированию законов. Законы имеют более узкую область применения, чем научные теории, которые могут включать в себя один или несколько законов. Наука различает закон или теорию и факты. Называть закон фактом – некорректно, преувеличение или двусмысленность. Природа научных законов широко обсуждалась в философии, но по сути научные законы – это просто эмпирические выводы, полученные научным методом; они не должны содержать онтологических предпосылок или утверждений об абсолютной логической истине.

Обзор

Научный закон всегда применим к физической системе при повторяющихся условиях и подразумевает наличие причинно-следственной связи между элементами этой системы. Фактические и хорошо подтвержденные утверждения, такие как "Ртуть жидкая при стандартной температуре и давлении", считаются слишком конкретными, чтобы квалифицироваться как научные законы. Центральная проблема в философии науки, восходящая к Дэвиду Юму, заключается в различении причинных связей (таких, как те, что подразумеваются законами) от принципов, возникающих в результате постоянного сочетания обстоятельств. Законы отличаются от научных теорий тем, что не постулируют механизм или объяснение явлений: они представляют собой лишь обобщение результатов многократных наблюдений. Следовательно, область применимости закона ограничена обстоятельствами, сходными с уже наблюдаемыми, и закон может оказаться ложным при экстраполяции. Закон Ома применим только к линейным цепям; закон всемирного тяготения Ньютона – только в слабых гравитационных полях; ранние законы аэродинамики, такие как принцип Бернулли, не применимы к случаям сжимаемого потока, как при трансоническом и сверхзвуковом полёте; закон Гука применим только к деформациям ниже предела упругости; закон Бойля с абсолютной точностью применим только к идеальному газу и т.д. Эти законы остаются полезными, но лишь в указанных условиях их применимости. Многие законы имеют математическую форму и могут быть выражены уравнением; например, закон сохранения энергии можно записать как , где – общее количество энергии во Вселенной. Аналогично, первый закон термодинамики можно записать как , а второй закон Ньютона – как . Хотя эти научные законы объясняют то, что воспринимают наши органы чувств, они всё равно являются эмпирическими (полученными посредством наблюдения или научного эксперимента) и поэтому отличаются от математических теорем, которые можно доказать исключительно математически. Как теории и гипотезы, законы делают предсказания; в частности, они предсказывают, что новые наблюдения будут соответствовать данному закону. Законы могут быть опровергнуты, если они противоречат новым данным. Некоторые законы являются лишь приближениями к другим, более общим законам, и являются хорошими приближениями в ограниченной области применимости. Например, ньютоновская динамика (основанная на преобразованиях Галилея) является пределом малых скоростей специальной теории относительности (поскольку преобразование Галилея является приближением преобразования Лоренца при малых скоростях). Аналогично, закон всемирного тяготения Ньютона является приближением общей теории относительности при малых массах, а закон Кулона – приближением к квантовой электродинамике на больших расстояниях (по сравнению с радиусом действия слабых взаимодействий). В таких случаях обычно используют более простые, приближенные версии законов, вместо более точных общих законов. Законы постоянно подвергаются экспериментальной проверке с возрастающей точностью, что является одной из главных целей науки. Тот факт, что законы никогда не наблюдались нарушенными, не исключает их проверки с повышенной точностью или в новых условиях, чтобы подтвердить, сохраняют ли они свою силу, или нет, и что можно обнаружить в процессе. Всегда существует вероятность, что законы будут признаны недействительными или окажутся ограниченными, на основании воспроизводимых экспериментальных данных, если таковые будут получены. Хорошо установленные законы действительно были опровергнуты в некоторых особых случаях, но новые формулировки, созданные для объяснения расхождений, обобщают, а не отменяют исходные. То есть, признанные недействительными законы оказались лишь близкими приближениями, к которым необходимо добавить другие члены или факторы для учёта ранее не учтенных условий, например, очень больших или очень малых масштабов времени или пространства, огромных скоростей или масс и т.д. Таким образом, физические законы лучше рассматривать не как неизменное знание, а как серию улучшающихся и более точных обобщений.

Свойства

Научные законы, как правило, представляют собой заключения, основанные на многократных научных экспериментах и наблюдениях, проводившихся на протяжении многих лет, и получившие всеобщее признание в научном сообществе. Научный закон "выводится из конкретных фактов, применим к определенной группе или классу явлений и выражается утверждением о том, что конкретное явление всегда происходит при определенных условиях". Создание обобщенного описания окружающей среды в форме таких законов является фундаментальной целью науки. Были выявлены несколько общих свойств научных законов, особенно законов физики. Научные законы:

Истинны, по крайней мере, в пределах своей области применимости. По определению, не было зафиксировано повторяющихся противоречивых наблюдений. Универсальны. Они, по-видимому, действуют повсеместно во Вселенной. Просты. Обычно они выражаются одним математическим уравнением. Абсолютны. Ничто во Вселенной, по-видимому, не оказывает на них влияния. Часто являются выражением существующих однородностей (симметрий) пространства и времени. Термин "научный закон" традиционно ассоциируется с естественными науками, хотя законы существуют и в социальных науках. Например, закон Ципфа – это закон в социальных науках, основанный на математической статистике. В этих случаях законы могут описывать общие тенденции или ожидаемое поведение, а не быть абсолютными. В естественных науках утверждения о невозможности широко признаются как крайне вероятные, а не считаются доказанными до степени неоспоримости. Основой для такого сильного признания является сочетание обширных доказательств того, что что-либо не происходит, с фундаментальной теорией, успешно предсказывающей результаты, чьи предположения логически приводят к выводу о невозможности чего-либо. Хотя утверждение о невозможности в естественных науках никогда не может быть абсолютно доказано, оно может быть опровергнуто наблюдением единственного контрпримера. Такой контрпример потребует пересмотра предположений, лежащих в основе теории, которая постулировала невозможность. Примеры широко признанных невозможностей в физике включают машины вечного движения, нарушающие закон сохранения энергии, превышение скорости света, противоречащее следствиям специальной теории относительности, принцип неопределенности квантовой механики, утверждающий невозможность одновременного точного определения положения и импульса частицы, и теорему Белла: никакая физическая теория локальных скрытых переменных не может воспроизвести все предсказания квантовой механики.

Законы как следствие математической симметрии

Некоторые законы отражают математические симметрии, обнаруженные в природе (например, принцип исключения Паули отражает тождественность электронов, законы сохранения отражают однородность пространства и времени, а преобразования Лоренца – вращательную симметрию пространства-времени). Многие фундаментальные физические законы являются математическими следствиями различных симметрий пространства, времени или других аспектов природы. В частности, теорема Нётер связывает некоторые законы сохранения с определенными симметриями. Например, сохранение энергии является следствием симметрии сдвига времени (ни один момент времени не отличается от любого другого), а сохранение импульса – следствием симметрии (однородности) пространства (ни одна точка в пространстве не является выделенной или отличной от любой другой). Неразличимость всех частиц каждого фундаментального типа (например, электронов или фотонов) приводит к квантовой статистике Дирака и Бозе, которая, в свою очередь, обуславливает принцип исключения Паули для фермионов и конденсацию Бозе-Эйнштейна для бозонов. Специальная теория относительности использует быстроту для описания движения в соответствии с симметриями гиперболического вращения, преобразования, смешивающего пространство и время. Симметрия между инерциальной и гравитационной массой приводит к общей теории относительности. Закон обратных квадратов для взаимодействий, переносимых безмассовыми бозонами, является математическим следствием трехмерности пространства. Одна из стратегий в поиске наиболее фундаментальных законов природы – поиск наиболее общей математической группы симметрии, применимой к фундаментальным взаимодействиям.

Сохранение и симметрия

Законы сохранения – это фундаментальные законы, вытекающие из однородности пространства, времени и фазового пространства, иными словами, из симметрии. Теорема Нётер: Любая величина, обладающая непрерывно дифференцируемой симметрией в действии, имеет соответствующий закон сохранения. Закон сохранения массы был первым законом, который удалось понять, поскольку большинство макроскопических физических процессов, связанных с массами, например, столкновения массивных частиц или течение жидкости, подтверждают представление о сохранении массы. Сохранение массы наблюдалось во всех химических реакциях. В общем случае, это лишь приближение, поскольку с развитием теории относительности и проведением экспериментов в ядерной и физике частиц стало ясно, что масса может превращаться в энергию и наоборот, поэтому масса не всегда сохраняется, а является частью более общего закона сохранения массы-энергии. Сохранение энергии, импульса и момента импульса для изолированных систем связано с симметриями относительно времени, сдвига и вращения. Сохранение заряда также было установлено, поскольку заряд никогда не наблюдался в процессе создания или уничтожения, а лишь перемещался из одной точки в другую.

Законы гравитации и относительности

Некоторые из наиболее известных законов природы можно найти в теориях Исаака Ньютона, относящихся к (сейчас) классической механике, изложенных в его труде «Математические начала натуральной философии» (Philosophiae Naturalis Principia Mathematica), и в теории относительности Альберта Эйнштейна.

Естественный отбор

Является ли естественный отбор «законом природы» – вопрос, вызывающий споры среди биологов. Генри Байерли, американский философ, известный своими работами по теории эволюции, обсудил проблему интерпретации принципа естественного отбора как закона. Он предложил рассматривать естественный отбор как основополагающий принцип, способствующий лучшему пониманию эволюционной теории. Эта идея стала возможной благодаря ключевой роли кодифицированного права и судебной аргументации в римской жизни и культуре. Для римлян местом, где этика, право, природа, религия и политика пересекались в наибольшей степени, был суд. Читая «Естественные вопросы» Сенеки и вновь и вновь наблюдая за тем, как он применяет стандарты доказательств, оценивает свидетелей, аргументы и доказательства, мы осознаем, что читаем одного из величайших римских риторов той эпохи, глубоко погруженного в судебный метод. И не только Сенека. Юридические модели научного суждения встречаются повсеместно, и, например, оказываются столь же важными для подхода Птолемея к верификации, где разуму отводится роль магистрата, чувствам – роль представления доказательств, а диалектическому мышлению – роль самого закона. Точная формулировка того, что сегодня признается современными и обоснованными утверждениями о законах природы, относится к XVII веку в Европе, к началу точного эксперимента и развитию передовых форм математики. В этот период на философов природы, таких как Исаак Ньютон (1642–1727), повлиял религиозный взгляд, восходящий к средневековым концепциям божественного закона, согласно которым Бог установил абсолютные, универсальные и неизменные физические законы. В главе 7 «Мира» Рене Декарт (1596–1650) описал «природу» как саму материю, неизменную, сотворенную Богом, и, следовательно, изменения в частях «следует приписывать природе». Правила, по которым происходят эти изменения, я называю «законами природы». Современный научный метод, сформировавшийся в это время (благодаря Францису Бэкону (1561–1626) и Галилею (1564–1642)), способствовал тенденции к отделению науки от теологии, с минимальными спекуляциями о метафизике и этике. (Естественное право в политическом смысле, понимаемое как универсальное (то есть, отличное от сектантской религии и местных обстоятельств), также было разработано в этот период такими учеными, как Гроций (1583–1645), Спиноза (1632–1677) и Гоббс (1588–1679).) Различие между естественным правом в политико-юридическом смысле и законом природы, или физическим законом в научном смысле, является современным; оба понятия в равной степени происходят от physis – греческого слова (переведенного на латынь как natura), означающего природу.