فلسفه و تاریخ علم

قوانین تجربی و نظریه های علمی (۱)

قوانین علمی
نوشته شده توسط عرفان کسرایی

بخش نخست : نظریه جنبشی گازها

نظریه؛ قانون؛ اصل ؛ فرضیه و … از جمله کلمات و اصطلاحات پرکاربرد علوم هستند ولی با این وجود بسیاری از دانش آموختگان دانشگاه ها قادر به تفکیک مفاهیم مذکور نیستند و به عنوان مثلا نمی توانند تفاوت نظریه و فرضیه را به درستی توضیح دهند. البته این موضوع مقالهء پیش رو نیست. در این یادداشت به روش استنتاج قوانین تجربی از قوانین یک نظریه خواهیم پرداخت و با ذکر نمونه ها و مثال های تاریخی ؛ تلاش می کنیم تصویر روشنی از ماهیت قوانین تجربی و نظریه های علمی مهم ارائه کنیم.
در این مجموعه؛ تبیین تفاوت میان نظریه و قانون در علم مدرن را تعمدا با مرور تاریخچه نظریه جنبشی گازها آغاز می کنیم. نظریه جنبشی گازها یک مثال کلاسیک فوق العاده برای فهم ماهیت نظریه ها و قوانین علمی است. در این نظریه به عنوان یک مدل یا تصویر طرح گونه؛ ذرات کوچکی وجود دارند به نام مولکول که همواره در حال تلاطم اند. صورتبندی های اولیه نظریه جنبشی گازها؛ این ذرات کوچک را توپهای کوچکی می دانست که همگی دارای یک جرم و در درجه حرارت ثابت دارای یک سرعت بودند. بعدها کشف شد که اگر همه گلوله ها دارای یک سرعت باشند گاز در حالت پایدار باقی نمی ماند. بنابراین لازم شد که توضیح احتمالاتی خاصی برای سرعت ها پیدا کرد که به آن توزیع بولتزمان-ماکسول می گوییم. طبق این  توزیع؛ احتمالات خاصی وجود دارد که یک مولکول در مقیاس سرعت؛ در  حوزهء مقادیر خاصی باشد. وقتی نظریه جنبشی گازها برای  نخستین بار ارائه شد بسیاری از کمیت های موجود در قوانین این نظریه هنوز شناخته نشده بودند. کسی نمی دانست جرم یک مولکول چقدر است و یا در یک درجه حرارت و فشار به خصوص؛ چند مولکول در یک سانتیمتر مکعب وجود دارد. بعد از تدوین معادلات نظریه جنبشی گازها ؛ دستورات ارتباطی بین واژه های نظری و پدیده های مشاهده شدنی شکل گرفتند که به کمک آنها تعیین کمیت های ناشناخته ممکن می شد. مثلا ربط میان درجه حرارت گاز و میانگین انرژی جنبشی مولکولها پیدا شد. ربط بین فشار گاز و برخورد مولکولها به جدارهء ظرف و چیزهای دیگر.  بعدها مشخص شد اگر چه فشار گاز ناشی  از برخورد تک تک مولکولها با جدارهء ظرف است؛ اما می توان این اثر کلی را تحت تاثیر یک نیروی ثابت دانست که به دیواره ظرف فشار می آورد.  بنابراین با توسعه نظریه جنبشی گازها این امکان پیش آمد که فشار را (که می شد با یک مانومتر یا همان فشارسنج در سطح ماکروسکوپیک اندازه گیری کرد) بر حسب مکانیک آماری مولکولها بیان کرد.
بر اساس نظریه جدید می شد حساب کرد با ثابت نگاه داشتن حجم و افزایش درجه حرارت؛ مقدار فشار گاز چه تغییری می کند. یا حتی فراتر از این ها می توان مثلا محاسبه نمود که اگر ضربه ای به کنار ظرف زده شود چه بر سر امواج صوتی تولید شده می آید و یا اگر تنها بخشی از گاز حرارت ببیند چه اتفاقی می افتد. به صورت خلاصه این قوانین  نظری بر حسب پارامترهای متعددی که در معادلات نظریه ظاهر می شوند تدوین می گردند. دستورات ارتباطی (مثلا دستورالعملی که ربط میان درجه حرارت گاز و میانگین انرژی جنبشی مولکولها را بیان می کند) به ما این امکان را می دهد که این معادلات را به مثابهء قوانین تجربی تلقی کنیم که در آنها مفاهیم  قابل اندازه گیری اند. اگر قوانین تجربی را بتواند تایید کرد؛ نظریه ما به طور غیرمستقیم تایید می شود. البته بسیاری از این قوانین تجربی گازها پیش از بسط نظریه جنبشی گازها شناخته شده بودند. نکته مهم اما اینجاست که نظریه جنبشی گازها به کشف قوانین تجربی ناشناخته ای منجر شد. در قسمت بعدی این مجموعه به قدرت نظریه های علمی مانند نظریه الکترومغناطیس فارادی و ماکسول در پیش بینی قوانین قوانین تجربی جدید خواهیم پرداخت تا نقاط مبهم این مبحث را یک یه یک روشن کنیم.

درباره نویسنده

عرفان کسرایی

کسرایی، عضو انجمن فلسفه علم آلمان و پژوهشگر مطالعات علم و فناوری در دانشگاه کاسل است
زمینه های پژوهشی او عبارتند از:
-فلسفه فیزیک؛ منطق مدلسازی در ریاضیات مهندسی
-ارتباطات علم و جامعه شناسی شبه علم در ایران
-تاریخ فیزیک مدرن در قرن بیستم

۱ دیدگاه

دیدگاه شما چیست