История возникновения физики как науки кратко. История развития 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.

Линия УМК А. В. Перышкина. Физика (7-9)

Линия УМК Г. Я. Мякишева, М.А. Петровой. Физика (10-11) (Б)

Линия УМК Н. С. Пурышевой. Физика (7-9)

Линия УМК Пурышевой. Физика (10-11) (БУ)

Как работает двигатель прогресса?

> О совершенствовании методики преподавания физики в России: от XVIII до XXI века.

Физика. Кто придумал, почему оно взорвалось, как это рассчитать, что это такое, почему так происходит, зачем эта деталь, куда переходит энергия? Сотни вопросов. На огромное количество есть ответы, на огромное количество – нет, а еще большее число не задано вообще. Как менялось преподавание одной из самых важных дисциплин на протяжении трех последних столетий?
Читайте по теме:
Методическая помощь учителю физики
Важной особенностью физики является тесная взаимосвязь с развитием общества и его материальной культуры, поскольку она никак не может быть той самой «вещью в себе». Физика и зависит от уровня развития общества, и одновременно является двигателем его производительных сил. Вот почему именно науку о природе и ее законах можно считать тем «срезом», по которому видно научный потенциал страны и вектор ее развития.

Глава первая. Век восемнадцатый

>

Изначально отдельные вопросы физики (преподававшейся по Аристотелю) изучались в рамках курса философии в двух крупнейших славяно-греко-латинских академиях: Киево-Могилянской и Московской. Только в начале XVIII века физика выделилась в самостоятельный предмет, отделившись от натурфилософии, сформировав свои собственные цели и задачи, как и приличествует настоящей дисциплине. Обучение тем не менее продолжалось на классических языках, то есть латинском и греческом, что существенно снижало количество изучаемых предметов.

Тем не менее, забегая вперед, отметим, что работа по созданию отечественной методической литературы по физике началась в России куда раньше, чем на Западе. Ведь у нас физика как учебный предмет была введена в школу в конце XVIII века, в то время как в Европе – только в конце XIX.

Пока же – Петр Первый. Эта фраза содержит в себе все: ожидание европеизации образования, его распространения и популяризации. Бороды тут ни при чем, забудьте о бородах. Повсеместное открытие новых учебных заведений позволило физике выйти на новый уровень и во второй половине XVIII века стать отдельным предметом в университетах.

Линия УМК А. В. Перышкина. Физика (7-9 классы) В доработанную версию УМК в конец каждой главы был добавлен обобщающий итоговый материал, включающий краткую теоретическую информацию и тестовые задания для самопроверки. Учебники также были дополнены заданиями разных типов, направленных на формирование метапредметных умений: сравнение и классификацию, формулирование аргументированного мнения, работу с разнообразными источниками информации, в том числе электронными ресурсами и интернетом, решение расчетных, графических и экспериментальных задач

В Московском университете чтение лекций по физике с 1757 года сопровождалось демонстрацией опытов. В середине столетия оснащение университетов приборами позволило перейти от «мелового этапа» к этапу более сложному – «приборной физике», но в большинстве случаев изучение физических явлений не просто сопровождалось, но сводилось к детальному изучению приборов. Студент однозначно имел представление о принципе действия стержней, пластин, термометров и вольтова столба.

Глава вторая. Век девятнадцатый

>

От чего зависит успешность преподавания любого предмета? От качества программ, методов, материальной базы и языка учебников, наличия физических приборов и реактивов, уровня самого педагога.

В период, о котором мы говорим, единой программы по физике не существовало ни в школе, ни в университете. Что делали школы? Школы работали на основании материалов, которые разрабатывались в учебном округе, университеты – опираясь на курс авторитетного автора либо следуя авторскому курсу, утвержденному Коллегией профессоров.

Все изменилось во второй половине века. Уже упомянутый Физический кабинет Московского университета рос, коллекция демонстрационных приборов увеличивалась, активно влияя на эффективность преподавания. А в программе по физике 1872 года рекомендовалось давать учащимся основательные знания, для этого же «ограничиться числом фактов по каждому отделу явлений и изучать их вполне, чем иметь огромное количество поверхностных сведений». Вполне логично, учитывая, что теория физики на тот момент была логична и лишена крайне неустойчивых дилемм.

Читайте по теме:
Подготовка к ЕГЭ по физике: примеры, решения, объяснения
Как же преподавали физику? Давайте поговорим о методах.

О педагогической деятельности Николая Алексеевича Любимова , выдающегося русского физика, профессора, одного из учредителей Московского математического общества, писали так: «Педагогическая деятельность Н. А. в Московском университете, несомненно, представляла значительный шаг вперед. В постановке преподавания физики приходилось начинать почти с азбуки, и доведение его до совершенства, которого оно достигло в руках Η. Α., требовало больших усилий и недюжинных способностей».Так-так, азбука – метафора или реальное положение дел? Кажется, что реальное и довольно похожее на современное положение дел во многих образовательных учреждениях.

Одним из самых популярных методов преподавания физики в XIX веке было механическое заучивание материала, в первом круге – по записям лекций, позже – по кратким учебникам. Неудивительно, что состояние знаний студентов вызывало тревогу. Тот же Николай Алексеевич довольно ясно выразился об уровне знаний гимназистов:

«Величайший недостаток учения у нас состоит в том, что оно доставляет только поверхностные сведения… Не одну сотню ответов пришлось нам слушать на экзаменах. Впечатление одно: отвечающий не понимает того, что сам доказывает».

Другой выдающийся и знакомый всем русский хирург, естествоиспытатель и педагог Николай Иванович Пирогов придерживался того же мнения, высказываясь в поддержку идеи важности не только личных качеств учителя, но методов его деятельности.

«Пора понять нам, что обязанность гимназического учителя не состоит только в одном сообщении научных сведений и что главное дело педагогики состоит именно в том, как эти сведения будут сообщены ученикам».

Понимание ошибочности такого подхода позволило перейти к принципиально новому по сравнению с веком восемнадцатым методу экспериментального преподавания. Не детальное изучение приборов и заучивание текста поставлено во главу угла, но самостоятельное получение новых знаний из анализа опытов. Список приборов Московского университета, составленный в 1854 году, насчитывал 405 приборов, большинство из них относились к разделу механики, около 100 – к разделу электричества и магнитных свойств, порядка 50 приборов – к теплоте. Стандартный набор любого кабинета и приборы, описание которых можно было бы найти в любом учебнике: архимедов винт, сифоны, ворот, рычаг, геронов фонтан, барометр, гигрометр.

Читайте по теме:
ЕГЭ по физике: решение задач о колебаниях

Устав 1864 года предписывал реальным (в приоритете предметы естественно-научного цикла) и классическим гимназиям иметь в распоряжении физические кабинеты, первым же – и химический класс в придачу. Активное развитие физики в 1860-х, ее неразрывная связь с промышленностью и развитием техники, общее повышение уровня студентов, как и количества желающих посвятить себя прикладной дисциплине, влияющей на будущее отечества, привели к «научному голоданию». Как это? Это острое ощущение нехватки специалистов, обладающих практикой научной работы. Как решить эту проблему? Верно, учить, как работать, и учить, как учить.

Первой обобщающей работой по методике преподавания физики стала книга Федора Шведова , выпущенная в 1894 году, «Методика физики». В ней были рассмотрены построение учебного курса, классификация методов и их психологическое обоснование, впервые было дано описание задач предмета.

«Задача науки методики состоит не только в развитии искусства, так сказать, виртуозности изложения, а главным образом в выяснении логических основ науки, которые могли бы послужить точкой отправления как для выбора материала, так и для порядка его расположения в каждом излагаемом курсе, цель которого предполагается намеченною».

Эта идея была прогрессивной для своего времени, более того, абсолютно не утратила своего значения и в современности.

Дореволюционный период характеризовался резким ростом числа методических изданий. Если собрать все новаторские идеи, содержащиеся в трудах Лерманова, Глинки, Баранова и Кашина, может получиться интереснейший список:

• Внедрение «плодоносных», а не «стерильных» теоретических знаний.
• Широкое использование демонстраций.
• Двухступенчатая система.
• Разработка и применение самодельных приборов.
• Восприятие физики как дисциплины, формирующей мировоззрение.
• Экспериментальный метод как одна из основ обучения.
• Применение индукции и дедукции.
• Творческое сочетание теории и эксперимента.

Именно расширение научных лабораторий, внедрение практик лабораторных работ в гимназическом и университетском образовании, развитие научных исследований привели к всплеску научных открытий на рубеже веков. Многие тенденции остались неизменными до наших дней, обеспечивая непрерывность и постоянное усовершенствование преподавания одной из самых важных для понимания мира дисциплин.

Глава третья. Век двадцатый

>

Линия УМК Н. С. Пурышевой. Физика (10-11 классы) Основой курса, написанного по авторской программе, является индуктивный подход: путь к теоретическим построениям лежит через повседневный жизненный опыт, наблюдения за окружающей действительностью и простые эксперименты. Большое внимание уделяется практическим работам школьников и дифференцированному подходу к обучению. Учебники позволяют организовать и индивидуальную и групповую работу старшеклассников, благодаря чему развиваются навыки как самостоятельной деятельности, так и сотрудничества в команде.

Школьникам и студентам необходимо было все это объяснить. За полвека представление о мире поменялось, значит, должна была поменяться и педагогическая практика. Величайший прорыв в микромир, квантовая теория, специальная теория относительности, физика атомного ядра и физика высоких энергий.

Как же строилось преподавание физики в России после революции 1917? Строительство новой единой трудовой школы на социалистических принципах кардинально изменило содержание и методы обучения:

• Значение физики было по достоинству оценено в учебном плане и в преподавании.
• Были созданы НИИ и центры по педагогическим наукам, а также организованы кафедры методики в педагогических вузах.
• Советская физика не отменяет наработок и прогрессивных тенденций дореволюционного периода, НО.
• Ее особенностью (как же без этого?) становится материализм, содержание исследований идет неразрывно с потребностями и направлением движения страны. Борьба с формализмом – собственно, почему бы и нет.

Весь мир в середине XX столетия переживает научно-техническую революцию, роль советских ученых в которой неоценима. Об уровне советского технического образования ходят легенды. С конца 1950-х и до 1989 года, когда страна вступает в период нового кризиса, физика развивается интенсивно, а методика ее преподавания отвечает на целый ряд вызовов:

• Новый курс должен соответствовать новейшим достижениям науки и техники. Учебники 1964 года уже содержали в себе сведения об ультразвуке, искусственных спутниках Земли, невесомости, полимерах, свойствах полупроводников, ускорителях заряженных частиц (!). Была даже введена новая глава – «Физика и технический прогресс».
• Новые пособия и учебники для средней школы должны отвечать новым требованиям. Каким? Материал излагается доступно, интересно, с широким применением эксперимента и четким раскрытием законов физики.
• Познавательная деятельность учащихся должна выйти на новый уровень. Именно тогда окончательно сформировались три функции урока: образовательная, воспитательная и развивающая.
• Технические средства обучения – как же без них? Система школьного физического эксперимента должна совершенствоваться.

Именно советские методисты внесли существенный вклад в совершенствование структуры и методики преподавания технических дисциплин. Новые формы уроков физики, используемые и по сей день: проблемный урок, конференция-урок, урок-семинар, урок-экскурсия, практические занятия, экспериментальные задачи, – были разработаны в СССР.

«Методика физики должна разрешить три задачи: для чего учить, чему учить и как учить?» (учебник И. И. Соколова).

Обратите внимание на очередность, в ней – основа хорошего образования.

Глава четвертая. Век двадцать первый

>

Эта глава еще недописана, она открытый лист, который необходимо заполнить. Как? Создав предмет, который будет отвечать и техническому прогрессу, и задачам, которые в данный момент стоят перед отечественной наукой, и цели стимулирования научного и изобретательского потенциала ученика.

Дайте школьнику текст урока – он его выучит.

Дайте школьнику текст урока и приборы – и он поймет принцип их работы.

Дайте школьнику текст лекции, приборы и учебное пособие – и он научится систематизировать свои знания, поймет действие законов

Дайте школьнику учебники, лекции, приборы и хорошего преподавателя – и у него появится вдохновение к научной работе

Дайте школьнику все это и свободу, Интернет, и у него будет возможность мгновенно получить любую статью, создать 3D-модель, посмотреть видео эксперимента, быстро рассчитать и проверить свои выводы, постоянно узнавать новое – и вы получите человека, который научится сам ставить вопросы. Не это ли самое важное в обучении?

Новые учебно-методические комплексы «Российского учебника»* – это соединение всех четырех столетий: текста, заданий, обязательных лабораторных работ, проектной деятельности и электронного обучения.

Мы хотим, чтобы вы сами написали четвертую главу.

Ольга Давыдова
*С мая 2017 года объединенная издательская группа «ДРОФА-ВЕНТАНА» входит в корпорацию «Российский учебник». В корпорацию также вошли издательство «Астрель» и цифровая образовательная платформа «LECTA». Генеральным директором назначен Александр Брычкин, выпускник Финансовой академии при Правительстве РФ, кандидат экономических наук, руководитель инновационных проектов издательства «ДРОФА» в сфере цифрового образования.

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.

Физика – наука, которая изучает структуру и эволюцию мира, а также является основной и важной областью естествознания. Слово «фюзис» с греческого языка означает – природа. Основой всего естествознания и природы являются законы физики.

Уже в 4 веке Аристотель предал большое значение термину «физика». Масштабность мыслей казались самыми величественными. Казалось, что философия стала больше приближена к физике. Очень важный вопрос объединил их в одну стезю – законы возникновения и функционирования Вселенной. Правда, уже после того как наука стала больше доминировать, стали появляться отдельные подразделения физики.
В русский язык эта наука зашла лишь после появления учебников физики. Автором является – М.В. Ломоносов. Вот, что касается, отечественной учебной книги, то автором стал – Страхов. Подобный маневр русского академика изменил всю систему образования того времени.

В нашем веке физику все стали рассматривать каждый по – своему. Ведь, если подумать, то отличие современного общества от того что было ранее, напрямую зависит от физических открытий. Например, исследования электромагнетизма. Подобные прорывы в науке привели к возникновению телефона. Так, если завести речь об автомобиле, то он возник благодаря термодинамике. Компьютер возник вследствие развития электроники.

Подобные процессы не стоят на месте, а лишь усовершенствуются. Новые открытия способствуют улучшению промышленности и техники. Следует задуматься о новых загадках природы, которые требуют объяснения. В этом поможет – физика.

Конечно, не смотря на то, что наука зашла слишком далеко, невозможно объяснить с первого раза все явления природы. Основы физических исследований и методов разрабатываются тщательно, исходя из накопленных знаний.

Существует: экспериментальная и теоретическая физика. Если рассмотреть экспериментальную, то теории и законы опираются только на данные после исследований.

Теоретическая физика обладает несколькими задачами. Любая теория обладает возможностью рассмотреть на экспериментах всю суть «адекватности» явлений. Любое изучение физики несет в себе возможность расшифровать формулировку разнообразных систем.

Области физики многогранны и тем самым интересны. При классической механике верным будет решение, если атомы меньше чем размеры исследуемых объектов. Важно, чтобы гравитационные силы были малы и чтобы скорость объектов была меньше скорости света.

Введение

>

Рост физики не только оказывал воздействие на идеи о материальном
мире, математике и философии, но также и преобразовывал человеческое
общество, путем совершенствования его технологий, в целом. Физика - это
не только знания, но и, что даже скорее больше, практический опыт.
Научная революция, начавшаяся в XVI веке, является удобной границей
между древней мыслью и классической физикой. Год 1900 - начало более
современной физики. Появились новые вопросы, которые и сегодня ещё
очень далеки от своего завершения.

Альберт Эйнштейн

В начале XX века
физика столкнулась с серьёзными проблемами. Начали возникать
противоречия между старыми моделями и эмпирическим опытом. Так,
например, наблюдались противоречия между классической механикой и
электродинамикой при попытках измерить скорость света.
Выяснилось, что она не зависит от системы отсчёта. Физика того времени
также была неспособна описать некоторые микроэффекты, такие как атомные
спектра излучений, фотоэффект, эффект Комптона, энергетическое равновесие электромагнитного излучения и вещества. Таким образом, была необходима новая физика.

Основным ударом по старой парадигме стали две теории: это теория относительности Эйнштейна и Квантовая физика. Общая теория относительности была создана в 1916
году, и она позволила связать в одних уравнениях гравитационную и
инертную массы. Необходимость во второй физической революции появилась
в связи с открытием микромира элементарных частиц, а также многих явлений, происходящих с ними.

Ко второй половине XX века в в физике сложилось представление, что
все взаимодействия физической природы можно свести к всего лишь четырём
типам взаимодействия:

• гравитация
• электромагнетизм
• сильное взаимодействие
• слабое взаимодействие

В последнюю декаду XX века накопились астрономические данные, подтверждающие существование космологической постоянной, тёмной материи и тёмной энергии. Идут поиски общей теории поля - теории всего, которая описала бы все фундаментальные взаимодействия обобщённым физико-математическим образом. Одним из серьёзных кандидатов на эту роль является М-теория, которая, в свою очередь, - недавнее развитие теории суперструн.

Всё больше проблем связано с эволюцией Вселенной, с её ранними
этапами, с природой вакуума, и, наконец, с окончательной природой
свойств податомных частиц. Частичные теории являются в настоящее время
лучшими, что физика может предложить в настоящее время. См. также Последние достижения в физике.

Список неразрешенных проблем в физике постоянно множится; однако,

«Мы больше атома, но, кажется, уже знаем о нём все.» - Ричард Фейнман

Ранняя физика

>

По природе своей, человек - существо любопытное. Ещё с древних пор
его начали интересовать вещи, казавшиеся ранее обыденными, относящиеся
к окружающему миру. Тогда давно основной причиной этого любопытства,
скорее всего, был страх. И лишь немногих это интересовало из чистого
любопытства, любопытства ради любопытства.

Действительно, почему, например, происходит притяжение, почему
разные материалы имеют разные свойства? Ну почему же солнце заходит с
одной стороны, а восходит с другой?! Люди всегда интересовались миром.
Многие свойства природы приписывались богам. Неправильные теории
приобретали свойства религии. Их передавали из поколения в поколения.
Многие теории того времени были в значительной степени изложены в форме
философских строк. Мало было людей, готовых в них сомневаться. Тем
более на том этапе развития наличие любой теории или отсутствие таковой
большого влияния на жизнь не оказывало.

Античная физика

>

Средств для проверки теорий и выяснения вопроса, какая из них верна,
в древности было крайне мало, даже если речь шла о земных каждодневных
явлениях. Единственная физическая величина, которую умели тогда
достаточно точно измерять - длина; позже к ней добавился угол. Эталоном времени служили сутки,
которые в Древнем Египте делили не на 24 часа, а на 12 дневных и 12
ночных, так что было два разных часа, и в разные сезоны
продолжительность часа была разной. Но даже когда установили привычные
нам единицы времени, из-за отсутствия точных часов большинство
физических экспериментов были просто невозможно провести. Поэтому
естественно, что вместо научных школ возникали полурелигиозные учения.

Преобладала геоцентрическая система мира, хотя пифагорейцы развивали и пироцентрическую , в которой звёзды, Солнце, Луна и шесть планет обращаются вокруг Центрального Огня . Чтобы всего получилось священное число небесных сфер (десять), шестой планетой объявили Противоземлю . Впрочем, отдельные пифагорейцы (Аристарх Самосский и др.) создали гелиоцентрическую систему. У пифагорейцев возникло впервые и понятие эфира как всеобщего заполнителя пустоты.

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..

Термин «Физика»
возник как название одного из сочинений Аристотеля. Предметом этой
науки, по мнению автора, было выяснение первопричин явлений:

Так как научное знание возникает при всех исследованиях, которые
простираются на начала, причины или элементы путём их познания (ведь мы
тогда уверены в познании всякой вещи, когда узнаём её первые причины,
первые начала и разлагаем её впредь до элементов), то ясно, что и в
науке о природе надо определить прежде всего то, что относится к
началам.

Такой подход долго (фактически до Ньютона)
отдавал приоритет метафизическим фантазиям перед опытным исследованием.
В частности, Аристотель и его последователи утверждали, что движение
тела поддерживается приложенной к нему силой, и при ее отсутствии тело
остановится (по Ньютону, тело сохраняет свою скорость, а действующая
сила меняет ее значение и/или направление).

Некоторые античные школы предложили учение об атомах как первооснове материи. Эпикур даже полагал, что свобода воли человека вызвана тем, что движение атомов подвержено случайным смещениям.

Кроме математики, эллины успешно развивали оптику. У Герона Александрийского
встречается первый вариационный принцип «наименьшего времени» для
отражения света. Тем не менее в оптике древних были и грубые ошибки.
Например, угол преломления считался пропорциональным углу падения (эту
ошибку разделял даже Кеплер). Гипотезы о природе света и цветности были многочисленны и довольны нелепы.

Индийский вклад

>

Таблица механики , 1728 Cyclopaedia .

В позднюю Vedic эру (c IX по VI в. до н.э), астроном Яджнаволкья
(Yajnavalkya), в своей Shatapatha Brahmana, упомянуто раннее понятие
гелиоцентр (heliocentrism), в котором Земля была круглой, и Солнце
являлось «центром сфер». Он измерил растояния от Луны и Солнца до Земли
в 108 диаметров самих объектов. Эти значения практически совпадают с
современными: для Луны - 110.6, и для Солнца - 107.6.

Индусы представляли мир состоящим из пяти основных элементов: земля, огонь, воздух, вода и эфир/пространство. Позже, с VII в. до н.э, они сформулировали теорию атома,
начиная с Kanada и Pakudha Katyayana. Поклонники теории полагали, что
атом состоит из элементов, до 9 элементов в каждом атоме, каждый
элемент имеет до 24 свойств. Они развивали следующие теории, о том как
атомы могут объединяться, реагировать, вибрировать, перемещаться и
выполнять другие действия. Также разрабатывались теории того, как атомы
могут сформировать двойные молекулы, которые объединяются далее, чтобы
сформировать ещё большие молекулы, и как частицы сначала объединяются в
пары, и затем группа в трио пар, которые являются наименьшими видимыми
единицами материи. Эти схождения с современными атомными теориями
потрясают воображение. Ещё у индусов атомы были делимыми частицами, до
чего мы догадались лишь в 30-х годах ХХ века, и что положило начало
всей ядерной энергетике.

Принцип относительности (чтобы не перепутать с теорией относительности Эйнштейна)
был доступен в зачаточной форме с VI в. до н.э в древнем индийском
философском понятии «sapekshavad», буквально «теория относительности»
на Санскрите.

Две школы, Samkhya и Vaisheshika, развивали теории света с VI-V в.
до н. э. Согласно школе Samkhya, свет - один из пяти фундаментальных
элементов, из которых позже появляются более тяжелые элементы. Школа
Vaisheshika определила движение в терминах немгновенного движения
физических атомов. Лучи света считались потоком высоких скоростных
атомов огня, которые могут проявлять различные особенности в
зависимости от скорости и мер этих частиц. Буддисты
Дигнга (V в.) и Dharmakirti (VII в.) развивали теорию света, состоящего
из частиц энергии, подобных современному понятию фотонов.

Почетный австралийский специалист по индийской культуре (indologist)
A. L. Basham заключил, что «они были блестящими образными объяснениями
физической структуры мира, и в основном, согласились с открытиями
современной физики.»

В 499 году астроном-математик Арьябхата (Aryabhata) представлял на обсуждение детальную модель
гелиоцентрической солнечной системы тяготения, где планеты вращаются
вокруг своей оси (сменяя таким образом день и ночь) и имеют
эллиптическую орбиту (приобретая таким образом зиму и лето).
Удивительно, что в такой системе луна не являлась источником света, а
только отражала солнечный свет от своей поверхности. Арьябхата также
правильно объяснил причины солнечных и лунных затмений и предсказал их
времена, дал радиусы планетарных орбит вокруг Солнца, и точно измерил
длины дня, звездного года, и диаметра Земли. Его объяснение затмений и
намёки на вращение Земли вызвало негодование правоверных индуистов, к
которым присоединился даже просвещённый Брахмагупта:

Последователи Ариабхаты говорят, что Земля движется, а небо
покоится. Но в их опровержение было сказано, что если бы это было так,
то камни и деревья упали бы с Земли…
Среди людей есть такие, которые думают, что затмения вызываются не
Головой [дракона Раху]. Это абсурдное мнение, ибо это она вызывает
затмения, и большинство жителей мира говорят, что именно она вызывает
их. В Ведах, которые есть Слово Божие, из уст Брахмы говорится, что
Голова вызывает затмения. Напротив того, Ариабхата, идя наперекор всем,
из вражды к упомянутым священным словам утверждает, что затмение
вызывается не Головой, а только Луной и тенью Земли… Эти авторы должны
подчиниться большинству, ибо всё, что есть в Ведах - священно.

Брахмагупта, в его Brahma Sputa Siddhanta в 628 году представляет гравитацию как силу притяжения и показывает закон притяжения.

Индийско-арабские цифры стали ещё одним важнейшим вкладом индусов в науку. Современная позиционная система счисления (индусско-арабская система цифр) и ноль была сначала развита в Индии, наряду с тригонометрическими функциями синуса и косинуса .
Эти математические достижения, наряду с индийскими достижения в физике,
были приняты Исламским Халифатом, после чего и начали распространяться
по Европе и другим частям света.

Китайский вклад

>

В XII веке до н. э., в Китае был изобретен первый редукционный механизм , the South Pointing Chariot , это было также первым использованием дифференциальной передачи .

Китаец «Мо Чинг » в III веке до н. э. стал автором ранней версии закона движения Ньютона.

«Прекращение движения происходит из-за противодействующей силы… Если
не будет никакой противостоящей силы …, то движение никогда не
закончится. Это верно настолько же, как и то, что бык не лошадь.»

Более поздние вклады Китая включают изобретения бумаги, печатного дела , пороха, и компаса. Китайцы первыми «открыли» отрицательные числа, которые оказали сильное влияние на развитие физики и математики.

Средневековая Европа

>

XIII век: изобретены очки, правильно объяснено явление радуги, освоен компас.

XVI век: Николай Коперник предложил гелиоцентрическую систему мира.

Симон Стевин в книгах «Десятая» (1585 ), «Начала статики» и других ввёл в обиход десятичные дроби,
сформулировал (независимо от Галилея) закон давления на наклонную
плоскость, правило параллелограмма сил, продвинул гидростатику и
навигацию. Любопытно, что формулу равновесия на наклонной плоскости он
вывел из невозможности вечного движения (которое считал аксиомой).

Иоганн Кеплер
значительно продвинул оптику, в том числе физиологическую (выяснил роль
хрусталика, верно описал причины близорукости и дальнозоркости),
существенно доработал теорию линз. В 1609 году он издал книгу «Новая астрономия» с двумя законами движения планет; третий закон он сформулировал в более поздней в книге «Мировая гармония» (1619 ).
Заодно он формулирует в ясном виде первый закон механики: всякое тело,
на которое не действуют иные тела, находится в покое или совершает
прямолинейное движение. Менее ясно формулируется закон всеобщего
притяжения: сила, действующая на планеты, проистекает от Солнца и
убывает по мере удаления от него, и то же верно для всех прочих
небесных тел. Источником этой силы, по его мнению, является магнетизм в
сочетании с вращением Солнца и планет вокруг своей оси.

В 1608 году в Голландии изобретена зрительная труба. Галилео Галилей ,
усовершенствовав её, строит первый телескоп и проводит исследование
небесных объектов. Открывает спутники Юпитера, фазы Венеры, звёзды в
составе Млечного пути и многое другое. Решительно поддерживает теорию
Коперника (но столь же решительно отвергает теорию Кеплера).
Формулирует основы теоретической механики - принцип относительности, закон инерции, квадратичный закон падения, даже принцип виртуальных перемещений , изобретает термометр.

Зарождение теоретической физики

>

XVII век. Метафизика Декарта и механика Ньютона.

>

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.

В 1644 году
вышла книга Декарта «Начала философии». В ней провозглашается, что
изменение состояния материи возможно только при воздействии на неё
другой материи. Это сразу исключает возможность дальнодействия
без ясного материального посредника. Приводится закон инерции. Второй
закон взаимодействия - закон сохранения количества движения - тоже
приводится, однако обесценивается тем, что чёткое определение
количества движения у Декарта отсутствует.

Декарт уже видел, что движение планеты - это ускоренное движение.
Вслед за Кеплером Декарт считал: планеты ведут себя так, как будто
существует притяжение солнца. Для того чтобы объяснить притяжение, он
сконструировал механизм Вселенной, в которой все тела приводятся в
движение толчками вездесущей, но невидимой, «тонкой материи». Лишенные
возможности двигаться прямолинейно, прозрачные потоки этой среды
образовали в пространстве системы больших и малых вихрей. Вихри,
подхватывая более крупные, видимые частицы обычного вещества, формируют
круговороты небесных тел. Они вращают их и несут по орбитам. Внутри
малого вихря находится и Земля. Круговращение стремиться растащить
прозрачный вихрь вовне. При этом частицы вихря гонят видимые тела к
Земле. По Декарту, это и есть тяготение. Система Декарта была первой
попыткой механически описать происхождение и движение планетной системы.

Исаак Ньютон

1687 : «Начала» Ньютона . Физические концепции Ньютона находились в резком противоречии с декартовскими. Ньютон верил в атомы,
считал дедукцию вторичным методом, которому должны предшествовать
эксперимент и конструирование математических моделей. Ньютон заложил
основы механики, оптики, теории тяготения, небесной механики, открыл и далеко продвинул математический анализ.
Но его теория тяготения, в которой притяжение существовала без
материального носителя и без механического объяснения, долгое время
отвергалась учёными континентальной Европы (в том числе Гюйгенсом, Эйлером и др.). Только во второй половине XVIII века, после работ Клеро по теории движения Луны и кометы Галлея, критика утихла.

XVIII век. Механика, теплород, электричество.

>

В XVIII веке ускоренными темпами развивались механика, небесная механика, учение о теплоте. Начинается исследование электрических и магнитных явлений. Картезианство, не подтверждаемое опытом, быстро теряет сторонников.

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»).

Герман фон Гельмгольц

Даже в XIX веке в первичности механики не сомневался Гельмгольц :

Конечной целью всех естественных наук является разыскание движений,
лежащих в основе всех изменений, и причин, производящих эти движения,
то есть слияние этих наук с механикой.

Представление о «тонких материях», переносящих тепло, электричество
и магнетизм, в XVIII веке сохранилось и даже расширилось. В
существования теплорода, носителя теплоты, верили многие физики, начиная с Галилея ; однако другой лагерь, в который входили Декарт, Гук, Даниил Бернулли и Ломоносов, придерживался молекулярно-кинетической гипотезы.

В начале века голландец Фаренгейт изобрёл современный термометр на ртутной или спиртовой основе, и предложил шкалу Фаренгейта. До конца века появились и другие варианты: Реомюр (1730 ), Цельсий (1742 ) и другие. С этого момента открывается возможность измерения количества тепла в опытах.

1734 : французский учёный Дюфе обнаружил, что существуют 2 вида электричества: положительное и отрицательное.

1745 : изобретена лейденская банка. Франклин развивает гипотезу об электрической природе молнии, изобретает громоотвод . Появляются электростатическая машина, электрометр Рихмана.

1784 : запатентована паровая машина Уатта. Начало широкого распространения паровых двигателей.

1780-е годы: открыт и обоснован точными опытами закон Кулона.