Физика история изучения. Реферат: История физики. Зарождение теоретической физики
Всю историю развития физики, как и естествознания, можно условно разделить на три этапа - доклассический, классический и современный.
Этап доклассической физики иногда называют донаучным. Однако такое название нельзя считать обоснованным: фундаментальные зерна физики и естествознания в целом были посеяны еще в глубокой древности. Этот этап - самый длительный: он охватывает период от времени Аристотеля (IV в. до н.э.) до конца XVI в.
Начало этапа классической физики связывают с работами итальянского ученого Галилео Галилея, одного из основателей точного естествознания, и трудами английского математика, механика, астронома и физика Исаака Ньютона, основоположника классической физики. Второй этап длился около трех веков до конца XIX в.
К началу XX в. были получены экспериментальные результаты, трудно объяснимые в рамках классических знаний. Поэтому был предложен совершенно новый подход - квантовый, основанный на дискретной концепции. Квантовую гипотезу впервые ввел в 1900 г. немецкий физик Макс Планк, вошедший в историю развития физики как один из основоположников квантовой теории. С введением квантовой концепции начинается третий этап развития физики - этап современной физики , включающий не только квантовые, но и классические представления.
Этап доклассической физики открывает геоцентрическая система мировых сфер Аристотеля, которая родилась на подготовленной его предшественниками идейной почве. Переход от эгоцентризма - отношения к миру, характеризующегося сосредоточенностью на своем индивидуальном «я», к геоцентризму - первый и, пожалуй, самый трудный шаг на пути зарождения естествознания. Непосредственно видимая полусфера неба, ограниченная местным горизонтом, дополнилась аналогичной невидимой полусферой до полной небесной сферы. Мир стал более завершенным, но оставался ограниченным небесной сферой. Соответственно и сама Земля, противопоставленная остальной (небесной) сферической Вселенной как постоянно занимающая в ней особое, центральное положение и абсолютно неподвижная, стала считаться сферической. Пришлось признать не только возможность существования антиподов - обитателей диаметрально противоположных частей земного шара, но и принципиальную равноправность всех земных обитателей мира. Такие представления, носившие в основном умозрительный характер, подтвердились гораздо позднее - в эпоху первых кругосветных путешествий и великих географических открытий на рубеже XV и XVI вв., когда само геоцентрическое учение Аристотеля с канонической системой идеальных равномерно вращающихся небесных сфер, сочлененных друг с другом своими осями вращения, с принципиально различной физикой или механикой для земных и небесных тел, доживало свои последние годы.
Почти полторы тысячи лет отделяет завершенную геоцентрическую систему древнегреческого астронома Клавдия Птолемея (ок. 90-ок. 160) от достаточно совершенной гелиоцентрической системы польского математика и астронома Николая Коперника. В центре гелиоцентрической системы находится не Земля, а Солнце. Вершина гелиоцентрической системы - законы движения планет, открытые немецким астрономом Иоганном Кеплером, одним из творцов естествознания Нового времени.
Астрономические открытия Галилео Галилея, его физические эксперименты и фундаментальные законы механики, сформулированные Исааком Ньютоном, положили начало этапу классической физики, который нельзя отделить четкой границей от первого этапа. Для физики и естествознания в целом характерно поступательное развитие: законы Кеплера - венец гелиоцентрической системы с весьма длительной, начавшейся еще в древние времена историей; законам Ньютона предшествовали законы Кеплера и труды Галилея; Кеплер открыл законы движения планет в итоге логически и исторически естественного перехода от геоцентризма к гелиоцентризму, но не без эвристических идей аристотелевской механики. Механика Аристотеля разделялась на земную и небесную, т.е. не обладала надлежащим принципиальным единством: аристотелевское взаимное противопоставление Земли и Неба сопровождалось принципиальной противоположностью относящихся к ним законов механики, которая тем самым оказалась в целом внутренне противоречивой, несовершенной. Галилей опроверг аристотелевское противопоставление Земли и Неба. Он предложил представление Аристотеля об инерции, характеризующее равномерное движение небесных тел вокруг Земли, применять для земных тел при их свободном движении в горизонтальном направлении.
Кеплер и Галилей пришли к своим кинематическим законам, предопределившим принципиально единую для земных и небесных тел механику Ньютона. Законы Кеплера и закон всемирного тяготения Ньютона послужили основой для открытия новых планет. Так, по результатам наблюдений отклонений в движении планеты Уран, открытой в 1781 г. английским астрономом Уильямом Гершелем (1738-1822), английский астроном и математик Джон Адаме (1819-1892) и французский астроном
бен Леверье (1811-1877) независимо друг от друга и почти одновременно теоретически предсказали существование заурановой планеты, которую обнаружил в 1846 г. немецкий астроном Иоганн Галле (1812-1910). Она называется Нептун. В 1915 г. американский астроном Персиваль Ловелл (1855-1916) рассчитал и организовал поиск еще одной планеты. Ее обнаружил в 1930 г. молодой американский любитель астрономии Клайд Томбо. Эта планета получила название Плутон.
Этап классической физики характеризуется крупными достижениями не только в классической механике, но и в других отраслях: термодинамике, молекулярной физике, оптике, электричестве, магнетизме и т.п. Назовем важнейшие из них:
- * установлены опытные газовые законы;
- * предложено уравнение кинетической теории газов;
- * сформулирован принцип равномерного распределения энергии по степеням свободы, первое и второе начала термодинамики;
- * открыты законы Кулона, Ома и электромагнитной индукции;
- * разработана электромагнитная теория;
- * явления интерференции, дифракции и поляризации света получили волновое истолкование;
- * сформулированы законы поглощения и рассеивания света.
Конечно, можно назвать и другие не менее важные естественно-научные достижения. Особое место в физике занимает электромагнитная теория, разработанная выдающимся английским физиком Дж.К. Максвеллом, создателем теории классической электродинамики, одним из основоположников статистической физики. Он установил, кроме того, статистическое распределение молекул по скоростям, названное его именем. Теория электромагнитного поля (уравнения Максвелла) объяснила многие известные к тому времени явления и предсказала электромагнитную природу света. С электромагнитной теорией Максвелла вряд ли можно поставить рядом другую более значительную в классической физике. Однако и эта теория оказалась не всесильной.
В конце XIX в. при экспериментальном изучении спектра излучения абсолютно черного тела была установлена закономерность распределения энергии. Полученные кривые распределения имели характерный максимум, который по мере повышения температуры смещался в сторону более коротких волн. Такие результаты эксперимента не удалось объяснить в рамках классической электродинамики Максвелла. Эта проблема была названа «ультрафиолетовой катастрофой».
Согласующееся с экспериментом объяснение предложил в 1900 г. Макс Планк. Для чего ему пришлось отказаться от общепринятого положения классической физики о том, что энергия любой системы изменяется только непрерывно, т.е. принимает любые сколь угодно близкие значения. В соответствии с выдвинутой Планком квантовой гипотезой атомные осцилляторы излучают энергию не непрерывно, а определенными порциями - квантами, причем энергия кванта пропорциональна частоте.
Характерная особенность этапа современной физики заключается в том, что наряду с классическими развиваются квантовые представления. На основании квантовой механики объясняются многие микропроцессы, происходящие в пределах атома, ядра и элементарных частиц - появились новые отрасли современной физики: квантовая электродинамика, квантовая теория твердого тела, квантовая оптика и многие другие.
В одной из своих статей М. Планк писал о том, как во времена его молодости (примерно в 1880 г.) один уважаемый профессор не советовал заниматься физикой, полагая, что в физике осталось только стирать пыль с существующих физических приборов, так как главное уже сделано. Сейчас очевидно: профессор в своих прогнозах ошибался - XX столетие принесло немало великих открытий в физике, определивших многие перспективные направления развития разных отраслей естествознания.
В формировании квантово-механических представлений важную роль сыграла квантовая теория фотоэффекта, предложенная А. Эйнштейном в 1905 г. Именно за эту работу и вклад в теоретическую физику, а не за теорию относительности, ему в 1921 г. была присуждена Нобелевская премия по физике.
В развитие современной физики существенный вклад внесли выдающиеся ученые, среди которых следует назвать датского физика Нильса Бора (1885-1962), создавшего квантовую теорию атома, немецкого физика-теоретика Вернера Гейзенберга (1901-1976), сформулировавшего принцип неопределенности и предложившего матричный вариант квантовой механики, финского физика-теоретика Эрвина Шредингера (1887-1961), разработавшего волновую механику и предложившего ее основное уравнение (уравнение Шредингера), английского физика Поля Дирака, разработавшего релятивистскую теорию движения электрона и на ее основании предсказавшего существование позитрона, английского физика Эрнеста Резерфорда (1871-1937), создавшего учение о радиоактивности и строении атома, и многих других.
В первые десятилетия XX в. исследовалась радиоактивность и выдвигались идеи о строении атомного ядра. В 1938 г. сделано важное открытие: немецкие радиохимики О. Ган и Ф. Штрассман обнаружили деление ядер урана при облучении их нейтронами. Это открытие способствовало бурному развитию ядерной физики, созданию ядерного оружия и рождению атомной энергетики.
В исследовании ядерных процессов важную роль играют детекторы частиц, в том числе и черенковский счетчик, принцип действия которого основан на Черенкова - Вавилова излучении света, которое возникает при движении в веществе заряженных частиц со скоростью, превосходящей фазовую скорость света в нем. Это излучение было обнаружено в 1934 г. нашим соотечественником, физиком П.А. Черенковым (1904-1990), лауреатом Нобелевской премии 1958 г., под руководством академика СИ. Вавилова (1891-1951), основателя научной школы физической оптики.
Одно из крупнейших достижений физики XX в. - это, безусловно, создание в 1947 г. транзистора выдающимися американскими физиками Д. Бардиным, У. Браттейном и У. Шокли, удостоенными в 1956 г. Нобелевской премии по физике. С развитием физики полупроводников и созданием транзистора зарождалась новая технология - полупроводниковая, а вместе с ней и перспективная, бурно развивающаяся отрасль естествознания - микроэлектроника. В 1958 г. собрана первая интегральная схема в виде пластины из монокристалла кремния площадью несколько квадратных сантиметров, на которой располагались два транзистора и RC-цепи. Современный микропроцессор размером 1,8 см содержит около 8 млн транзисторов. Если размеры элементов первых транзисторов составляли доли миллиметра, то сегодня они равны 0,35 мкм. Это современный технологический уровень. В последнее время разрабатывается технология формирования элементов нанометровых размеров.
Создание квантовых генераторов на основе вынужденного излучения атомов и молекул - еще одно важнейшее достижение физики XX в. Первый квантовый генератор на молекулах аммиака - источник электромагнитного излучения в СВЧ-диапазоне (мазер) - разработан в 1954 г. российскими физиками Н.Г. Басовым, A.M. Прохоровым и американским ученым Ч. Таунсом. В 1964 г. за эту работу им присуждена Нобелевская премия по физике. К настоящему времени разработано много модификаций квантовых генераторов, в том числе и оптических квантовых генераторов, называемых лазерами, получивших широкое практическое применение. Появились уникальные лазеры - химические, атомные и другие, которые открывают перспективные направления лазерных технологий.
Высокотемпературная сверхпроводимость, открытая в 1986 г. немецким физиком Г. Беднорцем и швейцарским ученым А. Мюллером, удостоенными Нобелевской премии 1987 г., - вне всякого сомнения выдающееся достижение современного естествознания. Созданию единой теории фундаментальных взаимодействий, управлению термоядерным синтезом - этим и многим другим проблемам современной физики уделяется большое внимание, и в их решении принимают участие ученые многих стран.
(от др.-греч. фюзис «природа ») - область естествознания, наука, изучающая наиболее общие и фундаментальные закономерности, определяющие структуру и эволюцию материального мира. Законы физики лежат в основе всего естествознания.
Термин «физика» впервые появился в сочинениях одного из величайших мыслителей древности - Аристотеля, жившего в IV веке до нашей эры. Первоначально термины «физика» и «философия» были синонимичны, поскольку обе дисциплины пытаются объяснить законы функционирования Вселенной. Однако в результате научной революции XVI века физика выделилась в отдельное научное направление.
В русский язык слово «физика» было введено Михаилом Васильевичем Ломоносовым, когда он издал первый в России учебник физики в переводе с немецкого языка. Первый отечественный учебник под названием «Краткое начертание физики» был написан первым русским академиком Страховым.
В современном мире значение физики чрезвычайно велико. Все то, чем отличается современное общество от общества прошлых веков, появилось в результате применения на практике физических открытий. Так, исследования в области электромагнетизма привели к появлению телефонов, открытия в термодинамике позволили создать автомобиль, развитие электроники привело к появлению компьютеров.
Физическое понимание процессов, происходящих в природе, постоянно развивается. Большинство новых открытий вскоре получают применение в технике и промышленности. Однако новые исследования постоянно поднимают новые загадки и обнаруживают явления, для объяснения которых требуются новые физические теории. Несмотря на огромный объём накопленных знаний, современная физика ещё очень далека от того, чтобы объяснить все явления природы.
Общенаучные основы физических методов разрабатываются в теории познания и методологии науки.
Предмет физики.
Физика - это наука о природе в самом общем смысле (часть природоведения). Она изучает вещество (материю) и энергию, а также фундаментальные взаимодействия природы, управляющие движением материи.
Некоторые закономерности являются общими для всех материальных систем, например, сохранение энергии, - называют физическими законами. Физику иногда называют «фундаментальной наукой», поскольку другие естественные науки (биология, геология, химия и др.) описывают только некоторый класс материальных систем, подчиняющихся законам физики. Например, химия изучает атомы, образованные из них вещества и превращения одного вещества в другое. Химические же свойства вещества однозначно определяются физическими свойствами атомов и молекул, описываемыми в таких разделах физики, как термодинамика, электромагнетизм и квантовая физика.
Физика тесно связана с математикой: математика предоставляет аппарат, с помощью которого физические законы могут быть точно сформулированы. Физические теории почти всегда формулируются в виде математических выражений, причём используются более сложные разделы математики, чем обычно в других науках. И наоборот, развитие многих областей математики стимулировалось потребностями физических теорий.
Теоретическая и экспериментальная физика.
1) В основе своей физика - экспериментальная наука: все её законы и теории основываются и опираются на опытные данные. Однако зачастую именно новые теории являются причиной проведения экспериментов и, как результат, лежат в основе новых открытий. Поэтому принято различать экспериментальную и теоретическую физику.
Экспериментальная физика исследует явления природы в заранее подготовленных условиях. В ее задачи входит обнаружение ранее неизвестных явлений, подтверждение или опровержение физических теорий. Многие достижения в физике были сделаны благодаря экспериментальному обнаружению явлений, не описываемых существующими теориями (например, экспериментально обнаруженная абсолютность скорости света породила специальную теорию относительности).
2) В задачи теоретической физики входит формулирование общих законов природы и объяснение на основе этих законов различных явлений, а также предсказание до сих пор неизвестных явлений. Верность любой физической теории проверяется экспериментально: если результаты эксперимента совпадают с предсказаниями теории, она считается адекватной (достаточно точно описывающей данное явление).
При изучении любого явления роль экспериментальной и теоретической физики одинаково важны.
Основные теории.
Хотя физика имеет дело с разнообразными системами, некоторые физические теории применимы в больших областях физики. Такие теории считаются в целом верными при дополнительных ограничениях. Например, классическая механика верна, если размеры исследуемых объектов намного больше размеров атомов, скорости существенно меньше скорости света, и гравитационные силы малы. Эти теории всё ещё активно исследуются; например, такой аспект классической механики, как теория хаоса был открыт только в XX веке. Они составляют основу для всех физических исследований.
Введение
Физические представления античности и Средних веков
Развитие физики в Новое время
Переход от классических к релятивистским представлениям в физике
Современная физика макро- и микромира
Заключение
Введение
Физика на протяжении всей новой и новейшей истории была лидером научного прогресса. Ее концепции и методы служили образцами для других наук, то есть она была как бы парадигмой естественнонаучного познания в целом. И лишь во второй половине XX века развитие других направлений привело к тому, что физика стала терять свое абсолютное лидерство. Но и сегодня во многих отношениях научно-технический прогресс базируется на основных физических концепциях и тех разработках частных вопросов, которые с этими основными концепциями связаны.
Обобщающие физические теории вполне законно стремятся раскрыть наиболее глубокую основу ещё более широкого круга явлений, но мысль физиков не удовлетворяется эти и так сказать по инерции устремляется к конкретно - физическому объяснению устройства всего мира в целом. И не раз казалось, что эта цель уже достигнута - то в виде классической механики, потом в виде термодинамики, теперь в виде обобщающих теорий полей и элементарных частиц. Но время и новые открытия неумолимо заставляют признать несбыточность подобных надежд. Применительно ко всему миру в целом приходится обходится лишь философскими размышлениями и обобщениями, лишь общей теорией диалектики, лишь качественными оценками, а не количественными расчётами.
1. Физические представления античности и Средних веков
Термин «физика» появляется в античной философской и научной мысли в VI-V веках до нашей эры. Физиками тогда, называли тех мыслителей, которые пытались дать более или менее целостную картину мира, окружающего человека. При этом они мало внимания обращали на то, каким образом, при помощи каких методов и познавательных процедур возникает это знание. К тому же разрабатываемую ими картину мира они считали абсолютной истиной, которая не нуждается ни в каком дальнейшем уточнении. И все же они выдвинули, почти не обращаясь к реальному опыту, ряд принципиальных идей, которые впоследствии получили развитие в физике Нового времени и даже стали основой ее дальнейшего прогресса.
Наиболее фундаментальной идеей в этом отношении был принцип атомизма, который позволил Демокриту и Эпикуру качественно объяснить возникновение многообразия в окружающем мире и показать, что для этого достаточно сравнительно простых моделей. Так, различие двух любых вещей полностью объясняется всего тремя свойствами: числом атомов, из которых они состоят; формой этих атомов, которая адекватно описывается геометрией; отношениями между атомами.
Всякое изменение вещи, как количественное, так и качественное, зависит от изменения этих трех характеристик и от их соотношения. Такое понимание физической реальности привело к представлению о бесконечности мира и одновременно к утверждению, что основа физической реальности, то есть атомы, абсолютно неизменны, следовательно, они существуют вне времени. Тем самым формулировался принцип несотворимости и неуничтожимости вещества и материи. Правда, для атомистов материя существовала в двух формах: как атомы, или полное, и как пустота.
Таким образом, абстрактное противоречие движущейся материи, сформулированное еще Гераклитом как единство бытия и небытия, приобрело конкретную физическую форму как отношение полного и пустого. Полное - это бытие, пустое - небытие. Противоположности оказались при этом абсолютно разделенными, что надолго предопределило развитие физических парадигм. Здесь же была поставлена еще одна проблема, а именно проблема элементарности, то есть атомы абсолютно элементарны. Ведь они никаким способом не обнаруживают своей внутренней структуры, они абсолютно неделимы.
Эта модель физической реальности использовала и такие парадигмы, которые продолжали играть важную роль на протяжении всей последующей истории физики, их коренной пересмотр произошел в сущности только в XX веке, так как только с развитием квантовой механики и исследованиями элементарных частиц были в принципе пересмотрены понятия вакуума и элементарности.
Хотя античные мыслители разрабатывали различные аспекты понимания физических явлений, они не затрагивали самой сути физической реальности. Решающее значение для дальнейшего развития физики, да и всего естествознания имели три концепции. Это атомизм Демокрита и Эпикура, концепция возникновения порядка из хаоса Эмпедокла и Анаксагора и физика Аристотеля, в которой он попытался дать описание движения исходя из принципов своей философии. Аристотель вслед за Платоном полагал, что логически может быть выражено лишь то, что не имеет в себе противоречия. Но изменение, движение противоречивы, поэтому познание направлено на то, что является причиной движения, изменения. Такой причиной, по Аристотелю, является форма, то есть система общих свойств. Форма одновременно и причина движения, изменения, и цель процесса. Поскольку форма неизменна, то следует вывод, согласно которому движение происходит лишь постольку, поскольку действует его причина. Устранение причины устраняет и само движения. Это утверждение Аристотеля стало господствующим в средневековой физике, которая разрабатывалась в европейских университетах и в сущности оставалась в рамках философии. И хотя делались попытки пересмотреть эту аристотелевскую парадигму, она продолжала господствовать в физических представлениях вплоть до XVII века.
Галилей нанес первый серьезный удар по этой физической парадигме. Введение принципа инерции показало, что если тело движется прямолинейно и равномерно, то оно будет сохранять это состояние и тогда, когда на него не будет действовать никакая сила. Таким образом, по отношению к механическому движению был сформулирован принцип тождества противоположностей. Оказалось, что состояние равномерного и прямолинейного движения и состояние покоя настолько тождественны, что, находясь внутри системы, никаким механическим экспериментом нельзя обнаружить, движется она или покоится.
Именно эти парадигмы и определили первый этап развития физики Нового времени.
Последующее развитие физики, в частности, осуществленное Ньютоном, было лишь развитием фундаментального открытия Галилея. Однако при этом были введены в физику некоторые парадигмальные идеи. Во-первых. Ньютон в сущности понимает атомизм или корпускулярную концепцию материи возможно под влиянием работ Бойля, но распространяет это на теорию света, рассматривая свет как поток корпускул. В то же время, явно или неявно, Ньютон допускает две весьма существенные идеализации. Во-вторых, мгновенность действия и дальнодействие, по крайней мере для сил гравитации. Тем самым вводится предположение о существовании вневременного процесса. Ведь как мгновенность действия, так и дальнодействие исключают временную характеристику взаимодействия. В-третьих, Ньютон предположил, что пространство и время - это самостоятельные и независимые от материи сущности. Все физические процессы разворачиваются во времени и пространстве, но не взаимодействуют с ними.
Используя эти представления о физической реальности, Ньютон построил первую космологическую модель. Согласно этой модели в бесконечном пространстве относительно равномерно распределены звезды, их также бесконечно много. Если бы пространство было конечно или число звезд было конечным, то силы гравитации стянули бы все звезды в единое тело. Устойчивость космоса основана, таким образом, на бесконечности пространства, бесконечном числе звезд и относительной равномерности распределения этих звезд в пространстве.
Успехи механики в ХVII-ХVIII веках привели как самих физиков, так и философов-материалистов к методологической установке парадигмального характера: познать что-либо - это значит построить механическую модель изучаемой области и таким образом свести ее к законам механики. Эти законы являются наиболее фундаментальными, и любой другой закон - это лишь конкретизация законов механики. Эта установка настолько прочно вошла в сознание физиков, что даже Максвелл, создатель теории электромагнитного поля, вначале пытался объяснить его, используя механические модели. Даже в 1900 году общепризнанный авторитет в физике того времени Томпсон, он же лорд Кельвин, утверждал, что принципиально новых открытий в физике ожидать нельзя, все такие открытия уже сделаны, - это законы механики. Новая парадигмальная структура в физике начинает формироваться в связи с изучением электромагнитных явлений. Вначале, естественно, делаются попытки рассмотреть эти явления в той же системе парадигм, к которой физиков приучила механика. Вместо тяготеющих масс теперь рассматриваются электрические заряды, которые притягиваются или отталкиваются по закону, аналогичному закону тяготения. Однако вскоре выяснилось, что с электромагнитными явлениями связаны такие закономерности, с которыми классическая механика не имела дела. Поэтому пришлось пересмотреть саму субстанцию физических явлений. Изучение света показало, что корпускулярная модель, которую использовал сам Ньютон, недостаточна. Более адекватной оказалась волновая модель. Но для распространения волн нужна среда, и в качестве такой среды был постулирован эфир. Таким образом, атомы и эфир - это две субстанции, которые должны были позволить свести все физические явления к законам механики. Однако уже Максвелл в своих последних работах отказывается от механических моделей и выводит уравнения теории электромагнитного поля. Исследования этой теории показали, что она вовсе не нуждается в механике, что относится к своему собственному эмпирическому материалу так же, как классическая механики к своему. Это две независимые теории, описывающие качественно различные процессы.
Однако парадигма, господствовавшая еще в физике, требовала редукции одних законов к другим. Поэтому вместо механической картины мира возникают попытки построить электромагнитную картину мира, включающую объяснение механических явлений. Таким образом, создание теории электромагнитного поля стало завершением того процесса, который существенно изменил парадигмальную структуру физического мышления. Электромагнитные процессы разворачиваются в любой среде, в том числе в вакууме, и поэтому вакуум, в котором реализуются эти процессы, уже не является абсолютной пустотой.
Поскольку благодаря электромагнитным моделям было выявлено единство таких, казалось бы, разнородных процессов, как электричество, магнетизм, свет, то естественно было ожидать, что в основе всех этих процессов лежит одна и та же субстанция, то есть эфир. Между тем сопоставление опытов Физо и Майкельсона - Морли показало, что понятие эфира противоречиво. Он должен одновременно захватываться движением Земли и не захватываться. Но противоречивое понятие не может быть основой теоретических моделей. Открытие фотоэффекта показало, что свет, то есть электромагнитное колебание, одновременно обладает как волновой, так и корпускулярной природой. Таким образом, эфир оказался не нужным, поскольку он не в состоянии объяснить двойственную природу электромагнитных процессов.
Переход от механических моделей физических процессов к электромагнитным принципиально меняет одну из фундаментальных парадигм, которая берет начало от античного атомизма. Для всей физики от античности, до второй половины девятнадцатого века господствовала парадигма, согласно которой носителем свойств, субъектом физической реальности являются частицы, корпускулы и т.д. Теперь же оказалось, что таким носителем и соответственно субъектом является поле. Но поле в отличие от корпускул, непрерывно. Согласно математическому определению поле, в отличие от вещества, - это система, обладающая бесконечным числом степеней свободы.
3. Переход от классических к релятивистским представлениям в физике
Своё развитие концепция поля получила в теории относительности. В работах Пуанкаре и Эйнштейна были заложены основы нового понимания физической реальности. Согласно Пуанкаре, если мы сталкиваемся с ситуацией, в которой известные нам физические законы уже не могут объяснить эмпирические факты, существует две возможности решения проблемы: можно изменить, во-первых, сами законы, а во-вторых, - пространство и время. При этом мы получим тождественные по результатам решения проблемы. Однако легче произвести преобразования свойств пространства и времени. Лоренц показал, как это можно сделать математически, а Минковский построил для этой цели такое математическое представление пространства-времени, которое выявило их неразрывную связь.
В основе этих математических построений лежало обобщение идеи, которая берет начало от принципа относительности Галилея. Как уже говорилось, согласно этому принципу, находясь внутри системы, невозможно посредством механического эксперимента выяснить, движется эта система или покоится, при условии, что система инерциальна, то есть находится в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения.
Этот принцип отождествляет движение и покой лишь с точки зрения механического движения. Но к началу XX века физика уже имела дело с качественно разнообразными процессами. Отсюда естественное обобщение принципа Галилея: находясь внутри инерциальной системы, никаким физическим экспериментом нельзя обнаружить, движется она или покоится. Следовательно, тождество покоя и движения обобщается по отношению к любому физическому процессу. Но для того чтобы построить специальную теорию относительности, нужен второй постулат, и в качестве такого постулата был использован результат эксперимента Майкельсона - Морли, согласно которому скорость света в вакууме не зависит от скорости источника света. Для вакуума эта величина постоянная и вообще является пределом скорости для всех физических взаимодействий. Применяя математический аппарат Лоренца и Минковского и введя ряд эпистемологических допущений, основанных на мысленном эксперименте, можно показать. Во-первых, не существует универсального способа выявления одновременности событий, поскольку для этого необходимо обмениваться сигналами, а скорость прохождения сигнала конечна. Следовательно, два наблюдателя, движущиеся относительно друг друга, получат разные результаты при попытке установить одновременность одного и того же события. Во-вторых, при раздельном измерении пространственного и временного интервала мы, в зависимости от системы отсчета, будем получать разные значения. Абсолютной величиной, не зависящей от наблюдателя, обладает лишь пространственно-временной интервал.
Несмотря на всю революционность этой концепции пространства и времени как основы понимания всех физических процессов, ее нередко относят к классической физике. Дело в том, что теория относительности сохранила то понимание детерминизма, которое было парадигмальным для классической физики, в то время как с созданием квантовой механики был пересмотрен лапласовский детерминизм. Ему на смену пришло представление о вероятностной детерминации и неопределенности как неотъемлемой характеристики всякого физического взаимодействия.
В специальной теории относительности тождество покоя и движения было представлено в обобщенной форме, поскольку речь в ней идет не только о механических взаимодействиях, но о любых физических экспериментах и, следовательно, о том, что любые физические законы инвариантны, в инерциальных системах. Но даже и такое обобщение является неполным. Ведь речь идет лишь об инерциальных системах.
Следующий шаг, обобщающий принцип тождества покоя и движения в физических процессах, должен был состоять в том, чтобы распространить его и на ускоренное движение. Это было сделано в общей теории относительности. В ней утверждалось, что никаким физическим экспериментом, находясь внутри системы, нельзя выяснить, покоится система или движется, независимо от того, каким является это движение. Иными словами, был введен принцип тождества гравитационной и инерциальной массы.
Такая постановка проблемы движения и физического взаимодействия вообще привела к изменению понимания пространства и времени. Гравитацию можно было представить как кривизну пространства, зависящую от распределения в нем тяготеющих масс. Вполне естественным казался вывод, доказанный Эйнштейном и Инфельдом, согласно которому общая теория относительности является третьим и последним этапом в развитии теории движения. Ведь принцип тождества покоя и движения получил в ней предельное обобщение.
Создание обшей теории относительности позволило по-новому поставить проблему создания космологических моделей. Хотя вплоть до XX века астрономы исходили из ньютоновской модели Вселенной, однако уже в XIX веке выяснилось, что эта модель содержит в себе противоречие наблюдаемым фактам. Яснее всего это выразилось в так называемом фотометрическом и гравитационном парадоксах. Как показал Ольберс, если пространство бесконечно и равномерно заполнено звездами, то их свет должен суммироваться и, следовательно, ночное небо должно светиться с яркостью Солнца, поскольку Солнце по своей светимости средняя звезда. Однако этого не наблюдается. Следовательно, что-то в предположениях, на которых построена эта модель, неверно. Позднее Зейлегер доказал так называемый гравитационный парадокс. Согласно этому парадоксу, если в пространстве бесконечно много тел, то силы тяготения суммируются и ускорение в любой точке пространства под действием этих сил будет бесконечно большим.
Единственный способ избавиться от этих парадоксов при сохранении мира в пространстве состоит в том, чтобы принять определенные соотношения между звездами и звездными системами. Если эти расстояния выстраиваются в ряд Даламбера, который сходится, то парадоксы исчезают, но при этом количество вещества в пространстве стремится к нулю. Поскольку ньютоновская модель была построена на основе классической механики, то с созданием релятивистской механики, то есть механики теории относительности, появилась возможность построить принципиально новую космологическую модель. Предположив определенную плотность вещества во Вселенной, несколько большую величины грамм на десять в минус двадцать девятой степени на кубический сантиметр, Эйнштейн получил космологическую модель Вселенной в виде четырехмерного множества событий в форме цилиндра с конечным радиусом и бесконечной временной осью. При этом он рассмотрел лишь то решение уравнений, которое описывало стационарную модель.
Как показал впоследствии Фридман, эти уравнения имеют и нестационарное решение. При этом пространство будет либо сжиматься, либо расширяться. При положительной кривизне, когда плотность массы выше критической, кривизна положительна и «Вселенная» сжимается, при плотности меньшей критической кривизна отрицательна и «Вселенная» расширяется. Когда в 1929 году Хаббл обнаружил красное смещение в спектрах удаленных Галактик, он истолковал его по принципу Доплера, согласно которому при удалении источника колебаний идущая от него частота колебаний уменьшается, что для света и означает сдвиг в красную сторону спектра. Это было воспринято как подтверждение вывода Фридмана о нестационарности Вселенной, а точнее о том, что Вселенная расширяется.
Теория относительности произвела революцию прежде всего в понимании мегамира и лишь позднее выяснилось, что на уровне микромира также действуют законы, сформулированные в ней.
хаос релятивистский физика анаксагор
4. Современная физика макро- и микромира
Наиболее фундаментальным результатом, который изменил одну из основных парадигм физики, был вывод о том, что все фундаментальные физические законы имеют статистический характер. Решающее значение при этом имело открытие принципа неопределенности Гейзенберга. Согласно этому принципу дельта X, умноженная на дельта P, больше, равно H.
При уменьшении одной из этих погрешностей вторая растет и, таким образом, состояние элементарной частицы всегда оказывается неопределенным. Но если исходное состояние не может быть точно определено, то тем более оказывается неопределенным последующее состояние частицы. Важно, что такая неопределенность присуща не только положению частицы в пространстве, но и ее энергетическому состоянию. Следовательно, с физической точки зрения неопределенность оказывается неотъемлемым свойством всякого физического взаимодействия во всех формах его проявления.
Развитие теории элементарных частиц и квантовой механики позволило поставить ряд фундаментальных физических и философских проблем. Во-первых, это вопрос о неисчерпаемости физической реальности вглубь. Подобно тому, как Эйнштейн и Инфельд доказали теорему, согласно которой общая теория относительности дает столь полное описание движения, что никакой дальнейший качественный прогресс в этой области уже невозможен, точно так же фон Нейман доказал теорему о скрытых параметрах. Согласно этой теореме, законы квантовой механики - это последняя ступень в описании физических взаимодействий в микромире. Более глубокого описания не может быть. Если скрытые параметры и существуют, то они не могут проявиться. Поэтому законы квантовой механики могут основываться не на других физических закономерностях, а лишь на законах больших чисел, то есть на математической структуре. В это пункте физика как бы вновь вернулась к пифагорийскому обоснованию физической реальности.
Между тем исследования в области элементарных частиц были направлены на то, чтобы найти более глубокий уровень организации элементарных частиц. Долгое время казалось, что теорема фон Неймана в определенном смысле подтверждается экспериментом. Такое подтверждение видели в том, что при попытке выявить структуру элементарной частицы, найти те частицы, из которых она состоит, каждый раз возникала парадоксальная ситуация, качественно отличная от взаимодействия на микроуровне. Макротела при достаточно сильном внешнем воздействии распадаются на те части, из которых они состоят. В отличие от этого, если мы прикладываем к элементарной частице даже такую энергию, которая превосходит ее собственную, то есть E = M*C2, где M - масса частицы, на которую осуществляется воздействие, она не разрушается, а порождает частицы того же уровня. Поэтому стали говорить, что неисчерпаемость физической реальности на уровне микромира состоит не в том, что есть более глубокий, более тонкий уровень организации, а в том, что многообразие элементарных частиц образует неисчерпаемое множество свойств и взаимосвязей.
И все же стремление найти более глубокий структурный уровень организации материи сохраняется. На этом пути были созданы несколько теорий, которые частично получили подтверждение в эксперименте. Такова, например, теория кварков, теория партонов, то есть частичных частиц, которые не существуют вне целого, то есть вне своей частицы. Хотя сегодня уже открыты сотни элементарных частиц, большинство из них обладают очень коротким периодом жизни, и только несколько частиц являются стабильными, например электрон, протон, фотон, нейтрино.
Всякое взаимодействие на уровне элементарных частиц осуществляется через виртуальные частицы. Они связывают между собой элементарные частицы. Например, посредством пи-мезонов протоны взаимодействуют с нейтронами, благодаря чему атомные ядра устойчивы. Виртуальные частицы остаются до конца непонятыми и весьма загадочными. С одной стороны, они реально существуют, так как без них не было бы взаимодействия, атомные ядра развалились бы, а электроны не могли бы вращаться по атомным орбитам. С другой стороны, их безусловное существование многие теоретики не признают, так как в этом случае нарушается закон сохранения энергии. Поэтому приходится вслед за Гераклитом утверждать, что они одновременно как существуют, так и не существуют.
Благодаря исследованию, области квантовой механики и элементарных частиц появилась возможность по-новому взглянуть на вакуум. Оказалось, что в вакууме постоянно возникают и исчезают парами частицы и античастицы. Однако время их существования настолько мало, что экспериментально обнаружить их невозможно. Обнаружение таких частиц противоречило бы принципу неопределенности Гейзенберга. Именно в силу краткости существования частиц вакуума тела, движущиеся в нем, практически не испытывают сопротивление. Однако специальными экспериментами, основанными на математических моделях, можно косвенно обнаружить появление и исчезновение виртуальных пар частиц и античастиц. Здесь также мы имеем ситуацию, когда частицы присутствуют в вакууме и в то же время их там нет.
Уже в 1930-е годы стало ясно что в основе всех физических явлений лежат четыре вида взаимодействий. Это гравитационное, имеющее решающее значение на макро- и мегауровнях организации физической реальности; электромагнитные, проявляющиеся на микро- и макроуровнях; сильные взаимодействия, определяющие внутриядерные силы; слабые взаимодействия, определяющие распад протонов. При этом сразу возник вопрос: можно ли эти силы свести к некоторому единству, то есть возникла проблема создания единой теория поля. Естественно, что вначале попытались идти тем путем, который всегда давал хорошие результаты, то есть осуществить редукцию одних законов к другим. Так, Эйнштейн много лет пытался создать единую теорию поля, стремясь вывести из общей теории относительности три другие взаимодействия. Неудача, которая постигла его на этом пути, определялась тем, что успешно вывести одно из другого можно лишь тогда, когда это отражает объективную связь. Между тем все четыре взаимодействия являются следствием более общего исходного взаимодействия. Успех появился лишь тогда, когда потребность объяснить Большой взрыв заставила подойти к этой проблеме эволюционно и начать при этом с самого простого - с вакуума. Именно так разрабатывается эта проблема в моделях Большого взрыва. Если первоначально предполагалось, что исходным состоянием эволюции нашей Вселенной было особое, сверхплотное сгущение вещества и энергии, и затем благодаря взрывному процессу пошел синтез элементарных частиц и тем самым возникло то исходное состояние, в котором уже действовали известные нам четыре физические взаимодействия, то в современной космологии в качестве исходного состоянии принимают вакуум.
Большой взрыв рассматривается как флуктуация вакуума, в процессе которой нарушилось относительное равновесие сил притяжения и отталкивания, что и привело к колоссальному выделению энергии.
Таким образом, наша Вселенная возникает из того, что является предельно простым в современной физической реальности, то есть из вакуума, или из «ничего». Гегель в своей «Логике» утверждал, что развитие идет от ничего через нечто к ничему. В.И. Ленину это утверждение показалось сомнительным, он писал по этому поводу, что к ничему бывает, но из ничего не бывает. Но с точки зрения модели Большого взрыва, как раз из «ничего» и возникает наша Вселенная. Ведь само понятие «небытие» в философии Гегеля относительно, поскольку оно тождественно понятию «бытие». Поэтому начинать с бытия или небытия не имеет в этой философии принципиального значения. Каждое из этих понятий непосредственно превращается в другое, давая тем самым понятие «становление». А становление порождает наличное бытие, то есть такую определенность, в которой уже задано качество. Примерно так же дело обстоит и в космологической модели Большого взрыва. Внутреннее противоречие, заложенное в вакууме, порождает процесс, а результат этого процесса - определенность законов физической реальности.
Заключение
Формирование научной картины мира в эпоху становления и развития классического естествознания в значительной степени зависело от быстро изменяющегося отношения между натурфилософским знанием и знанием, основанным на опытном исследовании. Все более усиливающийся приоритет научного знания и в связи с этим акцентированное внимание к методологической и гносеологической проблематике привел к замене натурфилософской картины мира концепциями природы, в центре которых оказывались фундаментальные для данной эпохи области естествознания.
В то же время процесс формирования подлинно научной картины мира был достаточно противоречив. Так, хотя натурфилософия и гуманизм оказали разрушительное влияние на средневековую схоластику, они быта еще не в состоянии полностью вытеснить миросозерцание элементов схоластического перипатетизма и мистики. Лишь с возникновением классической механики и астрономии основанных на аксиоматике и развитой математике, картина мира приобретает существенные черты научного миросозерцания. Выдающуюся роль в этом процессе сыграла новая гелиоцентрическая парадигма Коперника, галилеевский образ науки, ньютоновская методология в построении системы мира. Стало возможным формирование научной картины мира, в основе которой лежало эмпирически обоснованное знание.
На данный момент наукой установлено огромное многообразие материальных объектов, представляющих микро, макро и мега миры, но остается открытым вопрос, исчерпывают ли эти открытия все существующее вообще. Многообразие материи и её движение бесконечно, при чем не только количественно, но и качественно. Принцип качественной бесконечности природы, означает признание неограниченного многообразие структурных форм материи, различающихся самыми фундаментальными законами бытия.
Список использованной литературы
1.Введение в историю и философию науки. М.: Академический Проект, 2005 -407 с.
.Войтов, А.Г. История и философия науки: учебное пособие для аспирантов - М.: Дашков и К, 2007 - 691 с.
.Горелов А. А. Концепции современного естествознания. - М.: Центр, 2007. -226 с.
.Гусейханов М. К., Раджабов О. Р. Концепции современного естествознания. -М.: ИТК «Дашков и К°», 2008. - 378 с.
.Небел Б. Наука об окружающей среде. Как устроен мир. - М.: Мир, 2010. - 280 с.
Зарождение и развитие физики как науки. Физика - одна из древнейших наук о природе. Первыми физиками были греческие мыслители, которые предприняли попытку объяснить наблюдаемые явления природы. Величайшим из древних мыслителей был Аристотель (384-322 pp. До н. Н.э.), который ввел слово «<{> vai ?,» («фюзис»)
Что в переводе с греческого означает природа. Но не подумайте, что "Физика" Аристотеля хоть как-то похожа на современные учебники по физике. Нет! В ней вы не найдете ни одного описания опыта или прибора, ни рисунка или чертежа, ни одной формулы. В ней - философские размышления о вещах, о времени, о движении вообще. Такими же были все труды ученых-мыслителей античного периода. Вот как римский поэт Лукреций (ок. 99-55 pp. До н. Н.э.) описывает в философской поэме «О природе вещей» движение пылинок в солнечном луче: От древнегреческого философа Фалеса (624-547 pp. До н. Э) берут начало наши знания по электричеству и магнетизму, Демокрит (460-370 pp. до н. э) является основоположником учения о строении вещества, именно он предположил, что все тела состоят из мельчайших частиц - атомов, Евклиду (III в. до н. н.э.) принадлежат важные исследования в области оптики - он впервые сформулировал основные законы геометрической оптики (закон прямолинейного распространения света и закон отражения), описал действие плоских и сферических зеркал.
Среди выдающихся ученых и изобретателей этого периода первое место занимает Архимед (287-212 pp. До н. Н.э.). Из его работ «О равновесии плоскостей», «О плавающих телах», «О рычаги» начинают свое развитие такие разделы физики, как механика, гидростатика. Яркий инженерный талант Архимеда проявился в сконструированных им механических устройствах.
С середины XVI в. наступает качественно новый этап развития физики - в физике начинают применять эксперименты и опыты. Одним из первых является опыт Галилея с бросания ядра и пули с Пизанской башни. Этот опыт стал знаменитым, поскольку его считают «днем рождения» физики как экспериментальной науки.
Мощным толчком к формированию физики как науки стали научные труды Исаака Ньютона. В работе «Математические начала натуральной философии» (1684 г.) он разрабатывает математический аппарат для объяснения и описания физических явлений. На сформулированных им законах было построено так называемое классическое (Ньют-новский) механику.
Быстрый прогресс в изучении природы, открытие новых явлений и законов природы способствовали развитию общества. Начиная с конца XVIII в., Развитие физики вызывает бурное развитие техники. В это время появляются и совершенствуются паровые машины. В связи с широким их использованием в производстве и на транспорте этот период времени называют «возрастом пары». Одновременно углубленно изучаются тепловые процессы, в физике выделяется новый раздел - термодинамика. Наибольший вклад в исследовании тепловых явлений принадлежит С. Карно, Р. Клаузиуса, Д. Джоуля, Д. Менделеев, Д. Кельвину и многим другим.
Предыстория физики . Наблюдение физич. явлений происходило еще в глубокой древности. В то время процесс накопления фактических знаний еще не был дифференцирован: физические, геометрические и астрономические представления развивались совместно.
Систематическое накопление фактов и попытки их объяснения и обобщения, предшествовавшие созданию физики (в современном понимании слова), особенно интенсивно происходило в эпоху греческо-римской культуры (6 в. до н. э. - 2 в. н. э.). В эту эпоху зародились первоначальные идеи об атомном строении вещества (Демокрит, Эпикур, Лукреций), была создана геоцентрическая система мира (Птолемей), появились зачатки гелиоцентрической системы (Аристарх Самосский), были установлены некоторые простые законы статики (правила рычага, центра тяжести), получены первые результаты прикладной оптики (изготовлены зеркала, открыт закон отражения света, обнаружено явление преломления), открыты простейшие начала гидростатики (закон Архимеда). Простейшие явления магнетизма и электричества были известны еще в глубокой древности.
Учение Аристотеля (389 – 322 до н.э.) подвело итог знаниям предшествующего периода 1 . Канонизированное церковью учение Аристотеля превратилось в тормоз дальнейшего развития физической науки. После тысячелетнего застоя и бесплодия физика возродилась лишь в 15-16 вв. в борьбе против схоластической философии. Возрождение науки было обусловлено главным образом потребностями производства в мануфактурный период. Великие географические открытия, в частности открытие Америки, содействовали накоплению множества новых наблюдений и ниспровержению старых предрассудков. Развитие ремёсел, судоходства и артиллерии создало стимулы для научного исследования . Научная мысль сосредоточилась на задачах строительства, гидравлики и баллистики, усилился интерес к математике. Развитие техники создало возможности для эксперимента . Леонардо да Винчи поставил целую серию физических вопросов и пытался разрешить их путём опыта. Ему принадлежит изречение: «опыт никогда не обманывает, обманчивы только наши суждения» .
Однако в 15-16 веках отдельные физические наблюдения и опытные исследования носили случайный характер . Лишь 17 век положил начало систематическому применению экспериментального метода в физике и непрекращающемуся с тех пор росту физического знания.
Первый период развития физики , получивший название классического, начинается с трудов Галилео Галилея (1564 – 1642) . Именно Галилей был творцом экспериментального метода в физике . Тщательно продуманный эксперимент, отделение второстепенных факторов от главного в изучаемом явлении, стремление к установлению точных количественных соотношений между параметрами явления - таков метод Галилея. С помощью этого метода Галилей заложил первоначальные основы динамики . Галилей опроверг ошибочные утверждения механики Аристотеля: он, в частности, сумел показать, что не скорость, а ускорение есть следствие внешнего воздействия на тело. В своём труде «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки...» (1638) Галилей убедительно обосновывает этот вывод, представляющий собой первую формулировку закона инерции , устраняет видимые противоречия. Он доказывает на опыте, что ускорение свободного падения тел не зависит от их плотности и массы. Рассматривая движение брошенного тела, Галилей находит закон сложения движений и по существу высказывает положение о независимости действия сил. В «Беседах» излагаются также сведения о прочности тел. Им были сформулированы также идеи об относительности движения (принцип относительности), движения тел по наклонной плоскости (фактически он открыл два первых закона Ньютона).
В трудах Галилея и Блеза Паскаля были заложены основы гидростатики . Галилею принадлежат важные открытия и в других областях физики. Он впервые подтверждает на опыте явление поверхностного натяжения, изученное много позже. Галилей обогащает прикладную оптику своим телескопом, а его термометр привёл к количественному изучению тепловых явлений .
В 1-й половине 17 века возникает физическое учение о газах, имевшее большое практическое значение. Ученик Галилея Э. Торричелли открывает существование давления воздуха и создаёт первый барометр . О. Герике изобретает воздушный насос и окончательно опровергает аристотелевское утверждение о «боязни пустоты». Р. Бойль и несколько позднее Э. Мариотт исследуют упругость газов и открывают известный под их именем закон. В. Снеллиус (Голландия) и Р. Декарт (Франция) открывают закон преломления света. К этому же времени относится создание микроскопа. Наблюдения над магнитами (в кораблевождении) и над электризацией при трении дают ценные сведения в области электростатики и магнитостатики, зачинателем к-рых следует признать английского естествоиспытателя У. Гильберта .
Ещё богаче событиями 2-я половина 17 века. «Беседы» Галилея положили начало исследованиям основ механики . Изучение криволинейного движения (X. Гюйгенс ) подготовило открытие основного закона механики - соотношения между силой, массой и ускорением, впервые сформулированного И. Ньютоном в его «Математических началах натуральной философии» (1687) . Ньютоном был установлен и основной закон динамики системы (равенство действия противодействию), в котором нашли своё обобщение предшествующие исследования удара тел (X. Гюйгенс). Впервые выкристаллизовываются основные понятия физики -- понятия пространства и времени .
Исходя из законов движений планет, установленных Кеплером, Ньютон в «Началах» впервые формулирует закон всемирного тяготения , который пытались найти многие учёные 17 века. Ньютон подтвердил этот закон, вычислив ускорение Луны на её орбите исходя из измеренного в 70-х годах 17 века значения ускорения силы тяжести. Он объяснил также возмущения движения Луны и причину морских приливов и отливов. Значение этого открытия Ньютона невозможно переоценить. Оно показало современникам могущество науки. Оно изменило всю прежнюю картину мироздания .
В это же время X. Гюйгенс и Г. Лейбниц формулируют закон сохранения количества движения (ранее высказанный Декартом в неточной форме) и закон сохранения живых сил. Гюйгенс создаёт теорию физического маятника и конструирует часы с маятником. Один из разностороннейших учёных 17 века Р. Гук (Англия) открывает известный под его именем закон упругости . М. Мерсенн (Франция) закладывает основы физической акустики ; он изучает звучание струны и измеряет скорость звука в воздухе.
В эти годы, в связи со всё большим применением зрительных труб, быстро развивается геометрическая оптика и закладываются основы физической оптики . Ф. Гримальди (Италия) в 1665 открывает диффракцию света. Ньютон разрабатывает своё учение о дисперсии и интерференции света. Он выдвигает гипотезу световых корпускул. С оптических исследований Ньютона берёт начало спектроскопия. О. Рёмер (Дания) в 1672 измеряет скорость света. Современник Ньютона Гюйгенс разрабатывает первоначальные основы волновой оптики , формулирует известный под его именем принцип распространения волн (световых), исследует и объясняет явление двойного лучепреломления в кристаллах 2 .
Таким образом, в 17 веке были созданы основы механики и начаты исследования в важнейших направлениях физики -- в учении об электричестве и магнетизме, о теплоте, физической оптике и акустике.
В 18 в. продолжается дальнейшая разработка всех областей физики. Ньютоновская механика становится разветвлённой системой знаний, охватывающей законы движения земных и небесных тел. Трудами Л. Эйлера , франц. учёного А. Клеро и др. создаётся небесная механика , доведённая до высокого совершенства П. Лапласом . В своём развитом виде механика становится основой машинной техники того времени, в частности гидравлики.
В других разделах физики в 18 веке происходит дальнейшее накопление опытных данных, формулируются простейшие законы. В. Франклин формулирует закон сохранения заряда . В середине 18 века был создан первый электрический конденсатор (лейденская банка П. Мушенбрука в Голландии), давший возможность накапливать большие электрические заряды, что облегчило исследование закона их взаимодействия. Этот закон, являющийся основой электростатики, был открыт независимо друг от друга Г. Кавендишем и Дж. Пристли (Англия) и Ш. Кулоном (Франция). Возникло учение об атмосферном электричестве . В. Франклин в 1752 и годом позднее М. В. Ломоносов и Г. В. Рихман изучали грозовые разряды и доказали электрическую природу молнии.
В оптике начала создаваться фотометрия: английские учёные В. Гершель и У. Волластон открыли инфракрасные лучи , а немецкий учёный И. Риттер - ультрафиолетовые . Развитие химии и металлургии стимулировало разработку учения о теплоте : было сформулировано понятие теплоёмкости, измерены теплоёмкости различных веществ, основана калориметрия. Ломоносов предсказал существование абсолютного нуля. Были начаты исследования теплопроводности и теплового излучения, изучение теплового расширения тел. В этот же период была создана и начала совершенствоваться паровая машина .
Правда, теплоту представляли себе в виде особой невесомой жидкости - теплорода. Аналогичным образом наэлектризованность тел объяснялась при помощи гипотезы электрической жидкости, магнитные явления - магнитной жидкостью. В целом, в течение 18 века модели невесомой жидкости проникли во все разделы физики. В их существовании не сомневалось подавляющее большинство исследователей! Это было следствием убеждения, что различные физические явления - тепловые, электрические, магнитные, оптические - между собой не связаны, независимы друг от друга . Полагали, что каждое явление имеет своего «носителя», особую субстанцию. Лишь немногие передовые умы, в числе которых были Эйлер и Ломоносов, отрицали наличие невесомых материй и усматривали в тепловых явлениях и свойствах газов скрытое, но непрекращающееся движение мельчайших частиц. В этом различии мнений проявлялось различие физических «картин мира» - ньютоновской и картезианской , возникших еще в 17 веке.
Последователи Декарта (Картезия) рассматривали все физические явления как разнообразные движения одной и той же первоматерии, единственными свойствами которой являются протяжённость и инертность. Он полагал, что в результате различных движений и столкновений частей первоматерии образуются частицы вещества (корпускулы) различного объёма и формы, между которыми двигаются частицы наиболее утонченной формы материи - эфира. Задачу физики последователи Декарта усматривали в создании чисто механических моделей явлений . Всемирное тяготение, электрические и магнитные взаимодействия, химические реакции - всё объяснялось различными вихрями в эфире, связывающими или разъединяющими частицы вещества.
Однако эта картина мира встречала возражения еще в середине 17 века. Наиболее убедительно её неудовлетворительность была показана Ньютоном в «Началах». Ньютон доказал, что объяснение всемирного тяготения, данное картезианцами, противоречит фактам: вихри в эфире, к-рые, по мнению Декарта, сплошь заполняют всю солнечную систему и увлекают с собой планеты, исключают возможность свободного прохождения комет сквозь солнечную систему без потери ими движения.
Картина мира Ньютона основана на представлении об атомах, разделённых пустотой и мгновенно взаимодействующих через пустоту силами притяжения или отталкивания (дальнодействие). Силы , по Ньютону, являются первичным, изначальным свойством тех или иных видов частиц ; такая сила, как тяготение, свойственна всем частицам вещества. В отличие от картезианцев, Ньютон считал возможным несохранение механического движения в природе. Ньютон усматривал главную задачу физики в отыскании сил взаимодействия между телами . Он не исключал и существования эфира, но рассматривал его как тонкий упругий газ, заполняющий поры тел и взаимодействующий с веществом.
Борьба ньютоновских и картезианских идеи длилась в течение почти двух веков. Одни и те же законы природы истолковывались по-разному сторонниками этих двух направлений. В 18 веке взгляды Ньютона восторжествовали в физике и оказали глубокое влияние на её дальнейшее развитие. Они способствовали внедрению математических методов в физику . Вместе с тем они на 100 лет укрепили идею дальнодействия . Картезианские тенденции снова возродились во 2-й половине 19 века , после создания волновой теории света, открытия электромагнитного поля и закона сохранения энергии.
Второй период истории физики начинается в первом десятилетии 19 века. В 19 веке были сделаны важнейшие открытия и теоретические обобщения, придавшие физике характер единой целостной науки . Единство различных физических процессов нашло выражение в законе сохранения энергии . Решающую роль в экспериментальной подготовке этого закона сыграли открытие электрического тока и исследование его многообразных действий, а также изучение взаимных превращений теплоты и механической работы. В 1820 X. К. Эрстед (Дания) открыл действие электрического тока на магнитную стрелку. Опыт Эрстеда послужил импульсом для исследований А. Ампера, Д. Араго и др. Закон взаимодействия двух электрических токов, найденный Ампером, стал основой электродинамики . При живейшем участии других исследователей Ампер в короткое время выяснил связь магнитных явлений с электрическими , сведя, в конце концов, магнетизм к действиям токов. Так прекратила своё существование идея магнитных жидкостей . В 1831 Фарадей открыл электромагнитную индукцию, осуществив, таким образом, свой замысел: «превратить магнетизм в электричество».
На этом этапе развития значительно усилилось взаимное влияние физики и техники . Развитие паровой техники ставило многочисленные проблемы перед физикой. Физические же исследования взаимного превращения механической энергии и теплоты, увенчавшиеся созданием термодинамики , послужили основой для усовершенствования тепловых двигателей. После открытия электрического тока и его законов начинается развитие электротехники (изобретение телеграфа, гальванопластики, динамомашины), которая, в свою очередь, способствовала прогрессу электродинамики .
В 1-й половине 19 века происходит крушение идеи невесомых субстанций . Этот процесс совершался медленно и с большим трудом. Первую брешь в господствовавшем тогда физическом мировоззрении пробила волновая теория света (англ. учёный Т. Юнг , франц. учёные О. Френель и Д. Араго ) 3 . Вся совокупность явлений интерференции, диффракции и поляризации света, в особенности явления интерференции поляризованных лучей, не могла быть теоретически истолкована с корпускулярной точки зрения и в то же время находила полное объяснение в волновой теории , согласно которой свет представляет собой поперечные волны, распространяющиеся в среде (в эфире). Таким образом, световое вещество было отвергнуто еще во втором десятилетии 19-го века.
Более живучим , по сравнению со световым веществом и магнитной жидкостью, оказалось представление о теплороде . Хотя опыты Б. Румфорда , доказавшие возможность получения неограниченного количества теплоты за счёт механической работы, находились в явном противоречии с идеей особой тепловой субстанции, последняя продержалась вплоть до середины века; казалось, что только с её помощью можно объяснить скрытую теплоту плавления и испарения. Заслуга создания кинетической теории, зачатки которой относятся еще ко временам Ломоносова и Д. Бернулли, принадлежала английским учёным Дж. Джоулю, У. Томсону (Кельвину) и немецкому учёному Р. Клаузиусу .
Так, в результате многосторонних и длительных опытов, в условиях трудной борьбы с отжившими представлениями была доказана взаимная превратимость различных физических процессов и тем самым единство всех известных тогда физических явлений .
Непосредственное доказательство сохранения энергии при любых физических и химических превращениях было дано в трудах Ю. Майера (Германия), Дж. Джоуля и Г. Гельмгольца . После того как закон сохранения энергии завоевал всеобщее признание (в 50-x годах 19 века), он стал краеугольным камнем современного естествознания. Закон сохранения энергии и принцип изменения энтропии [Р. Клаузиус, У. Томсон (Кельвин)] составили основу термодинамики ; они формулируются обычно как первое и второе начала термодинамики.
Доказательство эквивалентности теплоты и работы подтвердило взгляд на теплоту как на неупорядоченное движение атомов и молекул . Трудами Джоуля, Клаузиуса, Максвелла, Больцмана и других была создана кинетическая теория газов . Уже на первых этапах развития этой теории, когда молекулы еще рассматривались как твёрдые упругие шарики, удалось раскрыть кинетический смысл таких термодинамических величин, как температура и давление. Кинетическая теория газов дала возможность рассчитать средние пути пробега молекул, размеры молекул и их число в единице объёма.
Идея единства всех физических процессов привела во 2-й половине 19 века к радикальной перестройке всей физики, к объединению её в два больших раздела - физику вещества и физику поля . Основой первой стала кинетическая теория, второй - учение об электромагнитном поле.
Кинетическая теория, оперирующая со средними величинами, впервые ввела в физику методы теории вероятностей . Она послужила исходным пунктом статистической физики - одной из самых общих физических теорий. Основы статистической физики были систематизированы уже на пороге 20 века американским учёным Дж. Гиббсом .
Столь же фундаментальное значение имело открытие электромагнитного поля и его законов . Создателем учения об электромагнитном поле был М. Фарадей . Он первый высказал мысль о том, что электрические и магнитные действия не переносятся непосредственно от одного заряда к другому, а распространяются через промежуточную среду. Воззрения Фарадея на поле были математически разработаны Максвеллом в 60-х годах 19-го века, которому удалось дать полную систему уравнений электромагнитного поля. Теория поля стала столь же последовательной, как и механика Ньютона.
Теория электромагнитного поля приводит к идее о конечной скорости распространения электромагнитных действий , высказанной Максвеллом (предвосхищенной еще ранее Фарадеем). Эта мысль дала возможность Максвеллу предсказать существование электромагнитных волн . Максвелл сделал также заключение об электромагнитной природе света . Электромагнитная теория света слила воедино электромагнетизм и оптику.
Однако общепризнанной теория электромагнитного поля стала только после того, как немецкий физик Г. Герц на опыте обнаружил электромагнитные волны и доказал, что они следуют тем же законам преломления, отражения и интерференции, что и световые волны.
Во 2-й половине 19 века значительно выросла роль физики в технике. Электричество нашло применение не только как средство связи (телеграф, телефон), но и как способ передачи и распределения энергии и как источник освещения. В конце 19 века электромагнитные волны были использованы для беспроволочной связи (А. С. Попов, Маркони ), чем было положено начало радиосвязи. Техническая термодинамика содействовала развитию двигателей внутреннего сгорания. Возникла техника низких температур . В 19 веке были сжижены все газы, за исключением гелия, который удалось получить в жидком состоянии только в 1908 (голландский физик Г. Каммерлинг-Оннес ).
Физика к концу 19 века представлялась современникам почти завершённой . Утвердилась концепция механистического детерминизма Лапласа, исходившая из возможности однозначно определить поведение системы в любой момент времени, если известные исходные условия. Многим казалось, что физические явления можно свести к механике молекул и эфира, ибо объяснить физические явления значило в то время свести их к механическим моделям, легко доступным на основе повседневного опыта . Механическая теория тепла, упругий (либо вихревой) эфир как модель электромагнитных явлений - так выглядела до конца 19 века физическая картина мира . Эфир представлялся подобным веществу по ряду своих свойств, но, в отличие от вещества, невесомым или почти невесомым (некоторые подсчёты приводили к весу шара из эфира, по объёму равного Земле, в 13 кг).
Однако механические модели наталкивались на тем большие противоречия, чем детальнее их пытались разработать и применять. Модели эфирных вихревых трубок, созданные для объяснения переменных полей, были непригодны для объяснения постоянных электрических полей. Наоборот, различные модели постоянного поля не объясняли возможности распространения электромагнитных волн. Наконец, ни одна модель эфира не была в состоянии наглядно объяснить связь поля с дискретными зарядами. Неудовлетворительными оказались и различные механические модели атомов и молекул (напр., вихревая модель атома, предложенная У. Томсоном).
Невозможность сведения всех физических процессов к механическим породила у некоторых физиков и химиков стремление вообще отказаться от признания реальности атомов и молекул, отвергнуть реальность электромагнитного поля . Э. Мах провозгласил задачей физики «чистое описание» явлений. Немецкий учёный В. Оствальд выступил против кинетической теории и атомистики в пользу так называемой энергетики -- универсальной, чисто феноменологической термодинамики, как единственно возможной теории физических явлений.
Третий (современный) период истории физики , получивший название неклассической или квантово-релятивистской физики , начинается в последние годы 19 века. Этот период характеризуется направлением исследовательской мысли вглубь вещества, к его микроструктуре . Новая эпоха в истории физики начинается с обнаружения электрона и исследования его действии и свойств (английский. учёный Дж. Томсон , голландский учёный Г. Лоренц ).
Важнейшую роль сыграли при этом исследования электрических разрядов в газах. Выяснилось, что электрон - элементарная частица определённой массы, обладающая наименьшим электрическим зарядом и входящая в состав атома любого химического элемента. Это означало, что атом не элементарен, а представляет собой сложную систему . Было доказано, что число электронов в атоме и их распределение по слоям и группам определяют электрические, оптические, магнитные и химические свойства атома; от структуры электронной оболочки зависят поляризуемость атома, его магнитный момент, оптический и рентгеновский спектры, валентность.
С динамикой электронов и их взаимодействием с полем излучения связано создание наиболее общих теорий современной физики - теории относительности и квантовой механики .
Изучение движений быстрых электронов в электрических и магнитных полях привело к заключению, что классическая ньютоновская механика к ним неприменима. Такой фундаментальный атрибут материальной частицы, как масса, оказался не постоянным, а переменным, зависящим от состояния движения электрона. Это было крушением укоренившихся в физике представлений о движении и о свойствах частиц .
Выход из противоречий был найден А. Эйнштейном , создавшим (в 1905) новую физическую теорию пространства и времени, теорию относительности . В дальнейшем Эйнштейном была создана (в 1916) общая теория относительности , преобразовавшая старое учение о тяготении
Не менее важным и действенным обобщением физических фактов и закономерностей явилась квантовая механика , созданная в конце первой четверти 20 века в результате исследований взаимодействия излучения с частицами вещества и изучения состояний внутриатомных электронов. Исходная идея квантовой механики состоит в том, что все микрочастицы обладают двойственной корпускулярно-волновой природой .
Эти радикально новые представления о микрочастицах оказались чрезвычайно плодотворными и действенными. Квантовой теории удалось объяснить свойства атомов и происходящие в них процессы, образование и свойства молекул, свойства твёрдого тела, закономерности электромагнитного излучения.
Двадцатый век. ознаменовался в физике мощным развитием экспериментальных методов исследования и измерительной техники . Обнаружение и счёт отдельных электронов, ядерных и космических частиц, определение расположения атомов и электронной плотности в кристаллах и в отдельной молекуле, измерения промежутка времени порядка 10 -10 сек., наблюдение за перемещением радиоактивных атомов в веществе - всё это характеризует скачок измерительной техники за несколько последних десятилетий.
Небывалые по мощности и масштабам средства исследования и производства были направлены на изучение ядерных процессов . Последние 25 лет ядерной физики, тесно связанной с космическими лучами, а затем с созданием мощных ускорителей, привели к технической революции и создали новые, исключительно тонкие методы исследования не только в физике, но и в химии, биологии, геологии, в самых разнообразных областях техники и сельского хозяйства.
Соответственно с ростом физических исследований и с растущим их влиянием на другие естественные науки и на технику резко увеличилось число физических журналов и книг. В конце 19 века в Германии, Англии, США и в России издавался, помимо академических, всего один физический журнал. В настоящее время в России, США, Англии, Германии издаётся более двух десятков журналов (в каждой стране).
Ещё в большей степени выросло число исследовательских учреждений и научных работников . Если в 19 веке научные исследования вели главным образом физические кафедры университетов, то в 20 веке во всех странах появились и стали увеличиваться по числу и по своим масштабам исследовательские институты по физике или по отдельным её направлениям. Некоторые из институтов, в особенности в области ядерной физики, обладают таким оборудованием, которое по своим масштабам и по стоимости превосходит масштабы и стоимость заводов.
