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.

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.

1 из 20

Презентация на тему: Из истории развития науки “Физика”

№ слайда 1

Описание слайда:

№ слайда 2

Описание слайда:

Физика (от др..греч. «природа») - область естествознания, наука, изучающая наиболее общие и фундаментальные закономерности, определяющие структуру и эволюцию материального мира. 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, В XVI века физика выделилась в отдельное научное направление.В русский язык слово «физика» было введено Михаилом Васильевичем Ломоносовым,

№ слайда 3

Описание слайда:

История развития науки физика начинается с работ Великих ученых философов Древнего мира и продолжается до наших дней.1. Ранняя физика 1.1 Античная физика 1.2 Средневековая Европа 2 Зарождение теоретической физики2.1 XVII век. Метафизика Декарта и механика Ньютона. 2.2 XVIII век. Механика, теплород, электричество. 3 XIX век 3.1 Волновая теория света 3.2 Возникновение электродинамики 3.3 Теория электромагнитного поля 3.4 Термодинамика, газы, молекулярная теория 3.5 Открытие электрона, радиоактивность 4 XX век 4.1 Теория относительности 4.2 Первые теории строения атома 4.3 Квантовая теория 5 Начало XXI века

№ слайда 4

Описание слайда:

Великие ученые философы Древнего мира Сократ 469 г. до н. 399 г. до н. э., Древнегреческий философ. Проповедовал на улицах и площадях, ставя оей целью борьбу с софистами и воспитание молодежи. Был казнен (принял яд) за введение новых божеств и за развращение молодежи в новом духе. Сократ не оставил после себя сочинений. Важнейшими источниками сведений о его жизни и учении являются сочинения в трудах его учеников Ксенофонта и Платона. Платон 428(427)-348(347) до н.э.Древнегреческий философ. Родился в аристократической семье в АфинахВ 407 году познакомился с Сократом и стал одним из восторженных его учеников. После смерти его уехал в Южную Италию и Сицилию, где общался с пифагорейцами. В Афинах Платон основал свою школу - Академию платоновскую. Автор знаменитого сочинения “Апология Сократа” Аристотель Стагирит 384-322 до н.э. Величайший философ Древней Греции. Учился у Платона в Афинах, но не стал его последователем. Был учителем Александра Македонского. Создал понятийный аппарат, который до сих пор пронизывает философский лексикон и самый стиль научного мышления

№ слайда 5

Описание слайда:

Античная физика Демокрит Первую формулировку закона сохранения материи предложил Эмпедокл в V веке до н. э.:Ничто не может произойти из ничего, и никак не может то, что есть, уничтожиться.Позже аналогичный тезис высказывали Демокрит, Аристотель и другие.Физика - наука о движении, которое возможно благодаря онтологическому различию между силой и энергией. АристотельТермин «Физика» возник как название одного из сочинений Аристотеля. Предметом этой науки, по мнению автора, было выяснение первопричин явлений

№ слайда 6

Описание слайда:

Аристотель (384-322 до н. э.) Древнегреческий философ и учёный. Ученик Платона. основатель Перипатетической школы. С 343 до н. э. - воспитатель Александра Македонского. этика, политика, метафизика науки о жизни, логика, экономика. Физика - наука о движении, которое возможно благодаря онтологическому различию между силой и энергией.

№ слайда 7

Описание слайда:

Архимед Архимед прославился многими механическими конструкциями. Рычаг был известен и до Архимеда, но лишь Архимед изложил его полную теорию и успешно её применял на практике. Плутарх сообщает, что Архимед построил в порту Сиракуз немало блочно-рычажных механизмов для облегчения подъёма и транспортировки тяжёлых грузов. Изобретённый им архимедов винт (шнек) для вычерпывания воды до сих пор применяется в Египте.

№ слайда 8

Описание слайда:

Средневековая ЕвропаВ XVI века физика выделилась в отдельное научное направление.В русский язык слово «физика» было введено Михаилом Васильевичем Ломоносовым.XVI век: Николай Коперник предложил гелиоцентрическую систему мира,Сомон Стевин в книгах «Десятая» (1585), «Начала статики» и другихввёл в обиход десятичные дроби, сформулировал (независимо от Галилея) закон давления на наклонную плоскость, правило параллелограмма сил, продвинул гидростатикуи навигацию. Любопытно, что формулу равновесия на наклонной плоскости он вывел из невозможности вечного движения (которое считал аксиомой).

№ слайда 9

Описание слайда:

В « Естественной и моральной Истории Индий » (1590) Хосе де Авоста впервые появилась теория о четырёх линиях без магнитного склонения.Он описал использование компаса, угол отклонения, различия между Магнитным и Северным полюсом; хотя отклонения были известны ещё в 15 веке, он описал колебание отклонений от одной точки до другой; он идентифицировал места с нулевым отклонением: например, на Азорских островах. После открытия Ньютоном отливов и приливов, Акоста объяснил их природу, периодичность и взаимосвязь с фазами Луны.

№ слайда 10

Описание слайда:

Галилео ГАЛИЛЕЙ Итальянский ученыйВ Падуе Галилей опубликовал только описание пропорционального циркуля, позволяющего быстро производить различные расчёты и построения.В 1608 году в Голландии изобретена зрительная труба. В 1609 году, на основании дошедших до него сведений об изобретённой в Голландии зрительной трубе, Галилей строит свой первый телескоп, дающий приблизительно трехкратное увеличение. Работа телескопа демонстрировалась с башни св. Марка в Венеции и произвела громадное впечатление. Вскоре Галилей построил телескоп с 32-кратным увеличением.

№ слайда 11

Описание слайда:

Галилео Галилей, первый проводит исследование небесных объектов. Открывает четыре спутника Юпитера, фазы Венеры, звёзды в составе Млечного пути и многое другое. Решительно поддерживает теорию Коперника, но столь же решительно отвергает теорию Кеплера о движении планет по эллипсам. Галилей Формулирует основы теоретической механики - принцип относительности, закон инерции, квадратичный закон падения, даже принцип виртуальных перемещений, Изобретает термометр (без шкалы).Иоганн Кеплер в 1609 году издал книгу «Новая астрономия» с двумя законами движения планет; третий закон он сформулировал в более поздней в книге «Мировая гармония» (1619). Заодно он формулирует (более чётко, чем Галилей) закон инерции: всякое тело, на которое не действуют иные тела, находится в покое или совершает прямолинейное движение.

№ слайда 12

Описание слайда:

№ слайда 13

Описание слайда:

Ньютон Исаак 4 января 1643 - 31 марта 1727 Английский физик и математик, создатель теоретических основ механики и астрономии. Он открыл закон всемирного тяготения, разработал (наряду с Г. Лейбницем) дифференциальное и интегральное исчисления. был автором важнейших экспериментальных работ по оптике.Аксиоматика Ньютона состояла из трёх законов, 1. Всякое тело продолжает удерживаться в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние. 2. Изменение количества движения пропорционально приложенной силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует.3. Действию всегда есть равное и противоположное противодействие иначе взаимодействия двух тел друг на друга между собой равны и направлены в противоположные стороны.Ньютона по праву считают создателем "классической физики".

№ слайда 14

Описание слайда:

Во второй половине XVII века интерес к науке в основных странах Европы резко возрос. Возникают первые Академии наук и первые научные журналы 1600: первое экспериментальное исследование электрических и магнитных явлений проводит врач английской королевы Уильям Гильберт. Он выдвигает гипотезу, что Земля является магнитом. Именно он предложил сам термин «электричество». 1637: Рене Декарт издал «Рассуждение о методе» с приложениями «Геометрия», «Диоптрика», «Метеоры». Считал пространство материальным, а причиной движения - вихри материи, возникающие, чтобы заполнить пустоту (которую считал невозможной и поэтому не признавал атомов), или от вращения тел. В «Диоптрике» Декарт впервые дал правильный закон преломления света. Создаёт аналитическую геометрию и вводит почти современную математическую символику.

№ слайда 15

Описание слайда:

XVIII век. Механика, теплород, электричество. В XVIII веке ускоренными темпами развивались механика, небесная механика, учение о теплоте. Начинается исследование электрических и магнитных явлений. Создание аналитической механики (Эйлер, Лагранж) завершило превращение теоретической механики в раздел математического анализа. Утверждается общее мнение, что все физические процессы - проявления механического движения вещества.Ещё Гюйгенс решительно высказывался за необходимость такого представления о природе явлений:“Истинная философия должна видеть в явлениях механических первопричину всех явлений; по моему мнению, иное представление и невозможно, если мы только не желаем потерять надежду что-либо понимать в философии “ («Трактат о свете»).

№ слайда 16

Описание слайда:

Физика - это наука о материи, ее свойствах и движении. Она является одной из наиболее древних научных дисциплин, и первые дошедшие до нас работы восходят к временам Древней Греции. Анри Беккерель 26.2.1786 - 2.10.1853Написал цикл статей о температуре Земли, нетеплового излучения света. Андре-Мари АМПЕР26.2.1786 - 2.10.1853 Амперу принадлежит заслуга введения в науку терминов "электростатика", "электродинамика ", А. ВОЛЬТА 1745- - 1827Исследования в области электричества, Фарадей Майкл1791-1867Английский физик, основоположник учения об эл.-магнитном поле, ЛОРЕНЦ Хендрик Антон- 1928Нидерландский физик, инженер Член Петербургской. АН (1910) и почетный член АН СССР, (1925). Создал классическую электронную теорию, с помощью которой бъяснил многие электрические и оптические явления,

№ слайда 17

Описание слайда:

может собственных ПлатоновИ быстрых разумом НевтоновРоссийская земля рождать Он был естествоиспытателем, философом, поэтом, основоположником русского литературного языка, историком, географом, политическим деятелем. Всем своим самобытным энциклопедизмом,простиравшимся от поэзии и изобразительного искусства до великих физико-химических открытий, М. В. Ломоносов, как никто другой, доказывал единство всех проявлений человеческого духа, искусства и науки, абстрактной мысли иконкретной техники.

№ слайда 18

Описание слайда:

ЛЕБЕДЕВ Петр Николаевич (24.02.1866-1.03.1912) Выдающийся русский ученый, основатель первой в России научной школы физиков. Впервые получил и исследовал миллиметровые электромагнитные волны (1895). Открыл и исследовал давление света на твердые тела (1899) и газы (1907), количественно подтвердив электромагнитную теорию света. Идеи П.Н. Лебедева нашли свое развитие в трудах его многочисленных учеников.Петр Николаевич Лебедев родился 8 марта 1866 года в Москве, в купеческой семье. С сентября 1884 по март 1887 года Лебедев посещал Московское высшее техническое училище, однако деятельность инженера его не привлекала. Он отправился в 1887 году в Страсбург, в одну из лучших физических школ Европы, школу Августа Кундта.

№ слайда 19

Описание слайда:

А.С. Попов1859 – 1905 грусский ученый-физик и электротехник А.Н. Лодыгин.(1847-1923) русский электротехник Л.Б.Ландау 22.01. 19081.04. 1968Исследования магнитных свойств свободных электронов Черенков Павел Алексеевич 28 июля 1904 г. – 6 января 1990 г. выдающийся русский ученый, первый отечественный физик, награжденный Нобелевской премией.

№ слайда 20

Описание слайда:

Реферат на тему: «История физики»

Развитие физики

Физика относится к числу естественных наук, задачей которых является изучение природы в целях её подчинения человеку.

В древности слово «фи ика») означало природоведение. Впо­следствии природоведение расчленилось на ряд наук: физику, химию, астрономию, геологию, биологию, ботанику и т. д.

Среди этих наук физика занимает в известной мере особое поло­жение, так как предметом её изучения служат все основные, наиболее общие, простейшие формы движения материи.

Накопление знаний о явлениях природы происходило уже в глу­бокой древности. Даже первобытные люди, замечая черты сходства и различия в явлениях окружающего мира, приобретали из своей практики некоторые знания о природе. В дальнейшем систематизиро­вание накопленных знаний привело к возникновению науки.

Расширение и уточнение знаний о явлениях природы производи­лось людьми вследствие практических потребностей посредством на­блюдений, а на более высокой стадии развития науки - посредством экспериментов (наблюдение - это изучение явления в естественной обстановке, эксперимент - воспроизведение явления в искусственной обстановке в целях обнаружения особенностей данного явления в за­висимости от созданных условий).

Для объяснения явлений создавались гипотезы. Выводы из на­блюдений, экспериментов и гипотез проверялись при многообразном взаимодействии науки и практики; практика указывала способы уточ­нения научного опыта (наблюдений и экспериментов), исправляла гипотезы, обогащала науку. Наука в свою очередь обогащала прак­тику.

По мере того как расширялось применение научных знаний к пра­ктике, возникала потребность в использовании этих знаний для пред­сказания явлений, для расчёта следствий того или иного действия. Это привело к необходимости взамен разрозненных гипотез создать обобщающие и обоснованные теории.

Впервые потребность в теории возникла при возведении построек и сооружений и привела к развитию механики, в первую очередь учения о равновесии. В древнем Египте и Греции разрабатывались статика твёрдых тел и гидростатика. Потребность в определении времени для земледельческих работ и необходимость определения направления при мореходстве дали толчок к развитию астрономии. Целый ряд отделов знания был обоснован и систематизирован древ­негреческим мыслителем Аристотелем. Его «Физика» (в 8 книгах) на долгое время определила общее физическое мировоззрение.

Знания о природе по мере их накопления использовались господ­ствующими классами в своих интересах; в глубокой древности наука находилась в руках служителей культа (жрецов) и была тесно свя­зана с религией. Лишь в древней Греции наукой начали заниматься представители других привилегированных слоев общества. Лучшие представители античной натурфилософии, т. е. философии природы (Левкипп, Демокрит, Лукреций), положили начало материалистиче­скому пониманию природы и, несмотря на крайнюю недостаточность фактического материала, пришли к представлению об атомном строе­нии материи.

Распад античного общества временно приостановил развитие науки. В эпоху средних веков христианская церковь, опиравшаяся на господствующие классы феодального строя, чрезвычайными жестокостями, инквизицией, казнями подчинила философию целям богословия. Физика Аристотеля догматической трактовкой её, исключавшей воз­можность прогресса, была приспособлена церковью для укрепления авторитета священного писания. В это время, главным образом у ара­бов, создавших обширные государства и ведших оживлённую тор­говлю с отдалёнными странами, сохранились и получили некоторое развитие элементы наук, воспринятые от греков и римлян, в особен­ности по механике, астрономии, математике, географии.

В XV-XVI вв. на основе развёртывания европейской торговли и промышленности начались быстрый рост и оформление сначала меха­ники и астрономии, а в дальнейшем и наук, составляющих основу промышленной техники, - физики и химии. Работы Коперника, Кеп­лера, Галилея и их последователей сделали науку мощным орудием борьбы буржуазии с оплотом отживавшего феодального строя - ре­лигией. В борьбе с церковью был выдвинут научный принцип: вся­кое подлинное знание основано на опыте (на совокупности наблюде­ний и экспериментов), а не на авторитете того или иного учения.

В XVII в. крупная буржуазия стремилась к компромиссу с остат­ками господствующих классов феодального строя. Соответственно представители науки были вынуждены изыскивать компромисс с ре­лигией. Ньютон наряду с гениальными научными работами написал толкование на церковную книгу - апокалипсис. Декарт в своих фило­софских произведениях старался доказать бытие бога. Учёные поддерживали ложную идею о первом толчке, в котором якобы нужда­лась вселенная, чтобы придти в движение.

Развитие механики наложило свой отпечаток на научную теорию того времени. Учёные пытались рассматривать мир как механизм и стремились объяснить все явления путём сведения их к механическим перемещениям.

В этот период развития естествознания огромное применение по­лучило понятие силы. При каждом вновь открытом явлении приду­мывалась сила, которая объявлялась причиной явления. До сих пор в физике сохранились следы этого в обозначениях: живая сила, сила тока, электродвижущая сила и т. д.

Научные теории этого периода, рассматривавшие мир как неиз­менно движущуюся машину, отрицали развитие материи, переходы движения из одной формы в другую. Несмотря на успехи в расши­рении экспериментального материала, наука оставалась на позиции механистического мировоззрения.

В XVIII в. Ломонос ов правильно предугадал картину молекулярно-кинетического строения тел и высказал впервые единый закон веч­ности материи и её движения словами: «... все встречающиеся в природе изменения происходят так, что если к чему-либо нечто прибавилось, то это отнимается у чего-то другого... Так как это всеобщий закон природы, то он распространяется и на правила дви­жения: тело, которое своим толчком возбуждает другое к движению, столько же теряет от своего движения, сколько сообщает другому, им двинутому».

В те же годы теория Канта и Лапласа о развитии солнечной системы из туманности устранила идею о необходимости первого толчка.

В XIX в. на основе колоссального роста производительных сил в период расцвета промышленного капитализма прогресс науки чрез­вычайно ускорился. Потребность в мощном и универсальном двига­теле для индустрии и транспорта вызвала изобретение паровой ма­шины, а её появление побудило учёных к изучению тепловых про­цессов, что привело к развитию термодинамики и молекулярно-кинетической теории. В свою очередь на основе термодинамики оказалось возможным конструировать более мощные и экономичные типы дви­гателей (паровые турбины, двигатели внутреннего сгорания). Мы видим на этом примере, как практика побуждает к развитию научную теорию, а теория в дальнейшем занимает ведущую роль по отно­шению к практике.

Другим примером сложного взаимодействия теории и практики является развитие теории электричества и электротехники. Отрывоч­ные сведения об электрических явлениях имелись уже давно. Но только после того, как была открыта электрическая природа молнии, а затем был открыт гальванический ток, физика концентрирует своё внимание на изучении электричества. Фарадей, Максвелл, Ленц и др. разработали физические основы современной электротехники. Про­мышленность быстро использовала научные открытия и широким раз­витием техники открыла небывалые возможности для научного экспе­римента. Исследование молекулярного строения тел вскрыло электри­ческую природу молекулярных и атомных взаимодействий, что в свою очередь привело в наши дни к открытию атомной формы движения материи, раскрывающей необозримые перспективы для новой тех­ники.

Ряд открытий - закон сохранения и превращения энергии, теория электромагнитных волн, открытие электронов и радиоактивности - окончательно ниспроверг учение о неизменности природы. Механицизм потерпел крушение.

Правильно оценить, понять суть новых научных открытий оказалось возможным только с позиций созданной Марксом и Энгель­сом философии диалектич еского материализма.

«Диалектический материализм есть мировоззрение марксистско-ленинской партии. Оно называется диалектическим материализмом потому, что его подход к явлениям природы, его метод изучения явлений природы, его метод познания этих явлений является диале­ктическим, а его истолкование явлений природы, его понимание явлений природы, его теория-материалистической».

Явления природы при диалектическом подходе к ним нужно рас­сматривать в их взаимосвязи, взаимообусловленности, взаимозависи­мости и в их развитии, учитывая при этом, что количественные изме­нения приводят к коренным качественным превращениям, что разви­тие явлений порождается борьбой скрытых в них противоречий.

Диалектический подход к явлениям природы обеспечивает неиска­жённое, правильное отражение действительности в нашем сознании. Это решающее, абсолютное преимущество диалектического метода над всеми другими подходами к изучению явлений природы объ­ясняется тем, что основные черты, характеризующие диалектический метод, не придуманы произвольно, не навязывают нашему познанию искусственных, не свойственных ему мёртвых схем, но, напротив, точно воспроизводят самые общие, не имеющие исключений законы диалектики природы.

Все науки, в частности физика, наглядно, каждым фактом под­тверждают, что:

во-первых, любое явление происходит в органической, неразрыв­ной связи с окружающими явлениями; желая обособить явление, разорвать его связь с окружающими явлениями, мы неизбежно иска­жаем явление;

во-вторых, всё существующее подвержено закономерному и неис­черпаемому изменению, развитию, присущему самой природе вещей;

Становление физики (до 17 в.). Физические явления окружающего мира издавна привлекали внимание людей. Попытки причинного объяснения этих явлений предшествовали созданию Ф. в современном смысле этого слова. В греко-римском мире (6 в. до н. э. – 2 в. н. э.) впервые зародились идеи об атомном строении вещества (Демокрит , Эпикур , Лукреций),была разработана геоцентрическая система мира (Птолемей), установлены простейшие законы статики (правило рычага), открыты закон прямолинейного распространения и закон отражения света, сформулированы начала гидростатики (закон Архимеда), наблюдались простейшие проявления электричества и магнетизма.

Итог приобретённых знаний в 4 в. до н. э. был подведён Аристотелем . Физика Аристотеля включала отдельные верные положения, но в то же время в ней отсутствовали многие прогрессивные идеи предшественников, в частности атомная гипотеза. Признавая значение опыта, Аристотель не считал его главным критерием достоверности знания, отдавая предпочтение умозрительным представлениям. В средние века учение Аристотеля, канонизированное церковью, надолго затормозило развитие науки.

Наука возродилась лишь в 15–16 вв. в борьбе со схоластизированным учением Аристотеля. В середине 16 в. Н. Коперник выдвинул гелиоцентрическую систему мира и положил начало освобождению естествознания от теологии. Потребности производства, развитие ремёсел, судоходства и артиллерии стимулировали научные исследования, опирающиеся на опыт. Однако в 15–16 вв. экспериментальные исследования носили в основном случайный характер. Лишь в 17 в. началось систематическое применение экспериментального метода в Ф., и это привело к созданию первой фундаментальной физической теории – классической механики Ньютона.

Формирование физики как науки (начало 17 – конец 18 вв.).

Развитие Ф. как науки в современном смысле этого слова берёт начало с трудов Г. Галилея (1-я половина 17 в.), который понял необходимость математического описания движения. Он показал, что воздействие на данное тело окружающих тел определяет не скорость, как считалось в механике Аристотеля, а ускорение тела. Это утверждение представляло собой первую формулировку закона инерции. Галилей открыл принцип относительности в механике (см. Галилея принцип относительности), доказал независимость ускорения свободного падения тел от их плотности и массы, обосновывал теорию Коперника. Значительные результаты были получены им и в др. областях Ф. Он построил зрительную трубу с большим увеличением и сделал с её помощью ряд астрономических открытий (горы на Луне, спутники Юпитера и др.). Количественное изучение тепловых явлений началось после изобретения Галилсем первого термометра.

В 1-й половине 17 в. началось успешное изучение газов. Ученик Галилея Э. Торричелли установил существование атмосферного давления и создал первый барометр. Р. Бойль и Э. Мариотт исследовали упругость газов и сформулировали первый газовый закон, носящий их имя. В.Снеллиус и Р. Декарт открыли закон преломления света. В это же время был создан микроскоп. Значительный шаг вперёд в изучении магнитных явлений был сделан в самом начале 17 в. У.Гильбертом . Он доказал, что Земля является большим магнитом, и первый строго разграничил электрические и магнитные явления.

Основным достижением Ф. 17 в. было создание классической механики. Развивая идеи Галилея, Х.Гюйгенса и др. предшественников, И. Ньютон в труде "Математические начала натуральной философии" (1687) сформулировал все основные законы этой науки (см. Ньютона законы механики). При построении классической механики впервые был воплощён идеал научной теории, существующий и поныне. С появлением механики Ньютона было окончательно понято, что задача науки состоит в отыскании наиболее общих количественно формулируемых законов природы.

Наибольших успехов механика Ньютона достигла при объяснении движения небесных тел. Исходя из законов движения планет, установленных И. Кеплером на основе наблюдений Т. Браге , Ньютон открыл закон всемирного тяготения (см. Ньютона закон тяготения). С помощью этого закона удалось с замечательной точностью рассчитать движение Луны, планет и комет Солнечной системы, объяснить приливы и отливы в океане. Ньютон придерживался концепции дальнодействия, согласно которой взаимодействие тел (частиц) происходит мгновенно непосредственно через пустоту; силы взаимодействия должны определяться экспериментально. Им были впервые четко сформулированы классические представления об абсолютном пространстве как вместилище материи, не зависящем от её свойств и движения, и абсолютном равномерно текущем времени. Вплоть до создания теории относительности эти представления не претерпели никаких изменений.

Большое значение для развития Ф. имело открытие Л. Гальвани и А. Вольта электрического тока. Создание мощных источников постоянного тока – гальванических батарей – дало возможность обнаружить и изучить многообразные действия тока. Было исследовано химическое действие тока (Г. Дэви , М. Фарадей). В. В. Петров получил электрическую дугу. Открытие Х. К. Эрстедом (1820) действия электрического тока на магнитную стрелку доказало связь между электричеством и магнетизмом. Основываясь на единстве электрических и магнитных явлений, А. Ампер пришёл к выводу, что все магнитные явления обусловлены движущимися заряженными частицами – электрическим током. Вслед за этим Ампер экспериментально установил закон, определяющий силу взаимодействия электрических токов (Ампера закон).

В 1831 Фарадей открыл явление электромагнитной индукции (см. Индукция электромагнитная). При попытках объяснения этого явления с помощью концепции дальнодействия встретились значительные затруднения. Фарадей высказал гипотезу (ещё до открытия электромагнитной индукции), согласно которой электромагнитные взаимодействия осуществляются посредством промежуточного агента – электромагнитного поля (концепция близкодействия). Это послужило началом формирования новой науки о свойствах и законах поведения особой формы материи – электромагнитного поля.

Ещё до открытия этого закона С. Карно в труде "Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу" (1824) получил результаты, послужившие основой для др. фундаментального закона теории теплоты – второго начала термодинамики . Этот закон сформулирован в работах Р. Клаузиуса (1850) и У. Томсона (1851). Он является обобщением опытных данных, свидетельствующих о необратимости тепловых процессов в природе, и определяет направление возможных энергетических процессов. Значительную роль в построении термодинамики сыграли исследования Ж. Л. Гей-Люссака , на основе которых Б. Клапейроном было найдено уравнение состояния идеального газа, обобщённое в дальнейшем Д. И. Менделеевым .

Одновременно с развитием термодинамики развивалась молекулярно-кинетическая теория тепловых процессов. Это позволило включить тепловые процессы в рамки механической картины мира и привело к открытию нового типа законов – статистических, в которых все связи между физическими величинами носят вероятностный характер.

На первом этапе развития кинетической теории наиболее простой среды – газа – Джоуль, Клаузиус и др. вычислили средние значения различных физических величин: скорости молекул, числа их столкновений в секунду, длины свободного пробега и т.д. Была получена зависимость давления газа от числа молекул в единице объёма и средней кинетической энергии поступательного движения молекул. Это позволило вскрыть физический смысл температуры как меры средней кинетической энергии молекул.

Второй этап развития молекулярно-кинетической теории начался с работ Дж. К. Максвелла . В 1859, введя впервые в Ф. понятие вероятности, он нашёл закон распределения молекул по скоростям (см. Максвелла распределение). После этого возможности молекулярно-кинетической теории необычайно расширились и привели в дальнейшем к созданию статистической механики. Л.Больцман построил кинетическую теорию газов и дал статистическое обоснование законов термодинамики. Основная проблема, которую в значительной степени удалось решить Больцману, заключалась в согласовании обратимого во времени характера движения отдельных молекул с очевидной необратимостью макроскопических процессов. Термодинамическому равновесию системы, по Больцману, соответствует максимум вероятности данного состояния. Необратимость процессов связана со стремлением систем к наиболее вероятному состоянию. Большое значение имела доказанная им теорема о равномерном распределении средней кинетической энергии по степеням свободы.

Классическая статистическая механика была завершена в работах Дж. У. Гиббса (1902), создавшего метод расчёта функций распределения для любых систем (а не только газов) в состоянии термодинамического равновесия. Всеобщее признание статистическая механика получила в 20 в. после создания А. Эйнштейном и М. Смолуховским (1905–06) на основе молекулярно-кинетической теории количественной теории броуновского движения , подтвержденной в опытах Ж. Б. Перрена .

Во 2-й половине 19 в. длительный процесс изучения электромагнитных явлений был завершен Максвеллом. В своей основной работе "Трактат об электричестве и магнетизме" (1873) он установил уравнения для электромагнитного поля (носящие его имя), которые объясняли все известные в то время факты с единой точки зрения и позволяли предсказывать новые явления. Электромагнитную индукцию Максвелл интерпретировал как процесс порождения переменным магнитным полем вихревого электрического поля. Вслед за этим он предсказал обратный эффект – порождение магнитного поля переменным электрическим полем (см. Ток смещения). Важнейшим результатом теории Максвелла был вывод о конечности скорости распространения электромагнитных взаимодействий, равной скорости света. Экспериментальное обнаружение электромагнитных волн Г. Р. Герцем (1886–89) подтвердило справедливость этого вывода. Из теории Максвелла вытекало, что свет имеет электромагнитную природу. Тем самым оптика стала одним из разделов электродинамики. В самом конце 19 в. П. Н. Лебедев обнаружил на опыте и измерил давление света, предсказанное теорией Максвелла, а А. С. Попов впервые использовал электромагнитные волны для беспроволочной связи.

Опыт показывал, что сформулированный Галилеем принцип относительности, согласно которому механические явления протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчёта , справедлив и для электромагнитных явлений. Поэтому уравнения Максвелла не должны изменять свою форму (должны быть инвариантными) при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой. Однако оказалось, что это справедливо лишь в том случае, если преобразования координат и времени при таком переходе отличны от преобразований Галилея, справедливых в механике Ньютона. Лоренц нашёл эти преобразования (Лоренца преобразования), но не смог дать им правильную интерпретацию. Это было сделано Эйнштейном в его частной теории относительности.

Открытие частной теории относительности показало ограниченность механической картины мира. Попытки свести электромагнитные процессы к механическим процессам в гипотетической среде – эфире оказались несостоятельными. Стало ясно, что электромагнитное поле представляет собой особую форму материи, поведение которой не подчиняется законам механики.

В 1916 Эйнштейн построил общую теорию относительности – физическую теорию пространства, времени и тяготения. Эта теория ознаменовала новый этап в развитии теории тяготения.

На рубеже 19–20 вв., ещё до создания специальной теории относительности, было положено начало величайшей революции в области Ф., связанной с возникновением и развитием квантовой теории.

В конце 19 в. выяснилось, что распределение энергии теплового излучения по спектру, выведенное из закона классической статистической физики о равномерном распределении энергии по степеням свободы, противоречит опыту. Из теории следовало, что вещество должно излучать электромагнитные волны при любой температуре, терять энергию и охлаждаться до абсолютного нуля, т. е. что тепловое равновесие между веществом и излучением невозможно. Однако повседневный опыт противоречил этому выводу. Выход был найден в 1900 М. Планком , показавшим, что результаты теории согласуются с опытом, если предположить, в противоречии с классической электродинамикой, что атомы испускают электромагнитную энергию не непрерывно, а отдельными порциями – квантами. Энергия каждого такого кванта прямо пропорциональна частоте, а коэффициент пропорциональности является квант действия h = 6,6×10 -27 эрг ×сек, получивший впоследствии название постоянной Планка.

В 1905 Эйнштейн расширил гипотезу Планка, предположив, что излучаемая порция электромагнитной энергии распространяется и поглощается также только целиком, т. с. ведёт себя подобно частице (позднее она была названа фотоном). На основе этой гипотезы Эйнштейн объяснил закономерности фотоэффекта , не укладывающиеся в рамки классической электродинамики.

Т. о., на новом качественном уровне была возрождена корпускулярная теория света. Свет ведёт себя подобно потоку частиц (корпускул); однако одновременно ему присущи и волновые свойства, которые проявляются, в частности, в дифракции и интерференции света. Следовательно, несовместимые с точки зрения классической Ф. волновые и корпускулярные свойства присущи свету в равной мере (дуализм света). "Квантование" излучения приводило к выводу, что энергия внутриатомных движений также может меняться только скачкообразно. Такой вывод был сделан Н.Бором в 1913.

В 1926 Шрёдингер, пытаясь получить дискретные значения энергии атома из уравнения волнового типа, сформулировал основное уравнение квантовой механики, названное его именем. В.Гейзенберг и Борн (1925) построили квантовую механику в др. математической форме – т. н. матричную механику.

Согласно принципу Паули, энергия всей совокупности свободных электронов металла даже при абсолютном нуле отлична от нуля. В невозбуждённом состоянии все уровни энергии, начиная с нулевого и кончая некоторым максимальным уровнем (уровнем Ферми), оказываются занятыми электронами. Эта картина позволила Зоммерфельду объяснить малость вклада электронов в теплоёмкость металлов: при нагревании возбуждаются только электроны вблизи уровня Ферми.

В работах Ф. Блоха , Х. А. Бете и Л. Неель Гинзбурга квантовой электродинамики. Первые попытки непосредственного исследования строения атомного ядра относятся к 1919, когда Резерфорд путём обстрела стабильных ядер азота a-частицами добился их искусственного превращения в ядра кислорода. Открытие нейтрона в 1932 Дж. Чедвиком привело к созданию современной протонно-нейтронной модели ядра (Д. Д. Иваненко , Гейзенберг). В 1934 супруги И. и Ф. Жолио-Кюри открыли искусственную радиоактивность.

Создание ускорителей заряженных частиц позволило изучать различные ядерные реакции. Важнейшим результатом этого этапа Ф. явилось открытие деления атомного ядра.

В 1939–45 была впервые освобождена ядерная энергия с помощью цепной реакции деления 235 U и создана атомная бомба. Заслуга использования управляемой ядерной реакции деления 235 U в мирных, промышленных целях принадлежит СССР. В 1954 в СССР была построена первая атомная электростанция (г. Обнинск). Позже рентабельные атомные электростанции были созданы во многих странах.

нейтрино и открыто много новых элементарных частиц, в том числе крайне нестабильные частицы – резонансы , среднее время жизни которых составляет всего 10 -22 –10 -24 сек. Обнаруженная универсальная взаимопревращаемость элементарных частиц указывала на то, что эти частицы не элементарны в абсолютном смысле этого слова, а имеют сложную внутреннюю структуру, которую ещё предстоит открыть. Теория элементарных частиц и их взаимодействий (сильных, электромагнитных и слабых) составляет предмет квантовой теории поля – теории, ещё далёкой от завершения.