Dezvoltarea modelelor în fizică

Cum am ajuns să cunoaștem legile care guvernează fenomenele naturale? Ceea ce ne referim ca fiind legile naturii sunt descrieri concise ale universului din jurul nostru. Sunt declarații umane ale legilor sau regulilor subiacente pe care le urmează toate procesele naturale. Astfel de legi sunt intrinseci universului; oamenii nu le-au creat și nu le pot schimba. Nu putem decât să le descoperim și să le înțelegem. Descoperirea lor este un efort foarte uman, cu toate elementele de mister, imaginație, luptă, triumf și dezamăgire inerente oricărui efort creativ (Figura 1.5). Piatra de temelie a descoperirii legilor naturale este observația; oamenii de știință trebuie să descrie universul așa cum este, nu așa cum ne imaginăm că este.

((a) Enrico Fermi (1901–1954) s-a născut în Italia. La acceptarea Premiului Nobel la Stockholm în 1938 pentru munca sa privind radioactivitatea artificială produsă de neutroni, și-a dus familia în America, mai degrabă decât să se întoarcă acasă la guvernul aflat la putere la acea vreme. El a devenit cetățean american și a fost un participant important la Proiectul Manhattan. (b) Marie Curie (1867–1934) a sacrificat bani pentru a ajuta la finanțarea cercetărilor ei timpurii și și-a deteriorat bunăstarea fizică prin expunerea la radiații. Este singura persoană care a câștigat premii Nobel atât pentru fizică, cât și pentru chimie. Una dintre fiicele ei a câștigat și ea un premiu Nobel.)

Un model este o reprezentare a ceva care este adesea prea dificil (sau imposibil) de afișat direct. Deși un model este justificat de teste experimentale, este exact doar în descrierea anumitor aspecte ale unui sistem fizic. Un exemplu este modelul Bohr al atomilor cu un singur electron, în care electronul este reprezentat ca orbitând în jurul nucleului, în mod analog modului în care planetele orbitează în jurul Soarelui (Figura 1.6). Nu putem observa direct orbitele electronilor, dar imaginea mentală ajută la explicarea unora dintre observațiile pe care le putem face, cum ar fi emisia de lumină din gazele fierbinți (spectre atomice). Cu toate acestea, alte observații arată că imaginea din modelul Bohr nu este cu adevărat așa cum arată atomii. Modelul este „greșit”, dar este încă util în anumite scopuri. Fizicienii folosesc modele pentru o varietate de scopuri. De exemplu, modelele pot ajuta fizicienii să analizeze un scenariu și să efectueze un calcul, sau modelele pot fi folosite pentru a reprezenta o situație sub forma unei simulări pe computer. În cele din urmă, totuși, rezultatele acestor calcule și simulări trebuie să fie verificate de două ori prin alte mijloace – și anume, observarea și experimentarea.

(Ce este un model? Modelul Bohr al unui atom cu un singur electron arată electronul care orbitează nucleul într-una dintre mai multe orbite circulare posibile. Ca toate modelele, surprinde unele, dar nu toate, aspectele sistemului fizic.)

Cuvântul teorie înseamnă ceva diferit pentru oamenii de știință decât ceea ce se înțelege adesea atunci când cuvântul este folosit în conversația de zi cu zi. În special, pentru un om de știință, o teorie nu este același lucru cu o „ghicire” sau o „idee” sau chiar cu o „ipoteză”. Expresia „este doar o teorie” pare lipsită de sens și o prostie pentru oamenii de știință, deoarece știința se bazează pe noțiunea de teorii. Pentru un om de știință, o teorie este o explicație testabilă a tiparelor din natură susținută de dovezi științifice și verificată de mai multe ori de diferite grupuri de cercetători. Unele teorii includ modele pentru a ajuta la vizualizarea fenomenelor, în timp ce altele nu. Teoria gravitației a lui Newton, de exemplu, nu necesită un model sau o imagine mentală, deoarece putem observa obiectele direct cu propriile noastre simțuri. Teoria cinetică a gazelor, pe de altă parte, este un model în care un gaz este văzut ca fiind compus din atomi și molecule. Atomii și moleculele sunt prea mici pentru a fi observate direct cu simțurile noastre – astfel, le imaginăm mental pentru a înțelege ce ne spun instrumentele despre comportamentul gazelor. Deși modelele sunt menite doar să descrie anumite aspecte ale unui sistem fizic cu acuratețe, o teorie ar trebui să descrie toate aspectele oricărui sistem care se încadrează în domeniul său de aplicabilitate. În special, orice implicație testabilă experimental a unei teorii ar trebui verificată. Dacă un experiment arată vreodată că o implicație a unei teorii este falsă, atunci teoria este fie eliminată, fie modificată corespunzător (de exemplu, prin limitarea domeniului său de aplicabilitate).

O lege folosește un limbaj concis pentru a descrie un model generalizat în natură susținut de dovezi științifice și experimente repetate. Adesea, o lege poate fi exprimată sub forma unei singure ecuații matematice. Legile și teoriile sunt similare prin faptul că sunt ambele declarații științifice care rezultă dintr-o ipoteză testată și sunt susținute de dovezi științifice. Totuși, desemnarea lege este de obicei rezervată unei afirmații concise și foarte generale care descrie fenomene din natură, cum ar fi legea că energia este conservată în timpul oricărui proces, sau a doua lege a mișcării a lui Newton, care leagă forța (F), masa (m), și accelerația (a) prin ecuația simplă F=ma. O teorie, în schimb, este o declarație mai puțin concisă a comportamentului observat. De exemplu, teoria evoluției și teoria relativității nu pot fi exprimate suficient de concis pentru a fi considerate legi. Cea mai mare diferență dintre o lege și o teorie este că o teorie este mult mai complexă și mai dinamică. O lege descrie o singură acțiune, în timp ce o teorie explică un întreg grup de fenomene înrudite. Afirmațiile cu aplicabilitate mai puțin larg sunt de obicei numite principii (cum ar fi principiul lui Pascal, care este aplicabil numai în fluide), dar distincția dintre legi și principii adesea nu este făcută cu grijă.

Modelele, teoriile și legile pe care le elaborăm implică uneori existența unor obiecte sau fenomene care sunt încă neobservate. Aceste predicții sunt triumfuri și tributuri remarcabile aduse puterii științei. Este ordinea de bază a universului care permite oamenilor de știință să facă predicții atât de spectaculoase. Totuși, dacă experimentarea nu verifică predicțiile noastre, atunci teoria sau legea este greșită, oricât de elegantă sau convenabilă ar fi. Legile nu pot fi niciodată cunoscute cu o certitudine absolută, deoarece este imposibil să se efectueze orice experiment imaginabil pentru a confirma o lege pentru fiecare scenariu posibil. Fizicienii operează pe baza presupunerii că toate legile și teoriile științifice sunt valabile până când se observă un contraexemplu. Dacă un experiment de bună calitate, verificabil, contrazice o lege sau o teorie bine stabilită, atunci legea sau teoria trebuie modificată sau înlocuită complet.

Studiul științei în general, și al fizicii în special, este o aventură asemănătoare cu explorarea unui ocean necartografiat. Se fac descoperiri; sunt formulate modele, teorii și legi; iar frumusețea universului fizic devine mai sublimă pentru înțelegerile dobândite.

Sursa: Physics, University Physics (OpenStax), acces gratuit sub licență CC BY 4.0. Traducere și adaptare de Nicolae Sfetcu

© 2021 MultiMedia Publishing, Fizica, Volumul 1