Зарождение физики. История физики: хронология, ученые-физики и их открытия

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.

История физики хранит немало событий и фактов, оказавших большое влияние на ход развития этой древней науки и составивших золотой фонд ее памяти. Размещенные в строгой временной последовательности, эти факты дают возможность проследить генезис основных физических идей и теорий, их взаимосвязь, преемственность и эволюцию, тенденции развития, а некоторые из них, в силу своей фундаментальной роли, открывают новые страницы в летописи физики, изменяя или пополняя научную картину природы.

Приведенный ниже перечень основных физических фактов и открытий подается в рамках определенной схемы периодизации физики, дающей возможность более отчетливо представить структурные особенности и динамику развития физики. ее идей и принципов, иными словами - ее внутреннюю логику развития. Используемая схема составлена с учетом тех факторов, которые определяют состояние и облик любой науки и являются ускорителями ее прогресса.

ОСНОВНЫЕ ПЕРИОДЫ И ЭТАПЫ В РАЗВИТИИ ФИЗИКИ

ПРЕДЫСТОРИЯ ФИЗИКИ (от древнейших времен до ХVII в.)

• Эпоха античности (VI в. до н. э.- V в. н. э.).
• Средние века (VI - ХIV вв.).
• Эпоха Возрождения (ХV - ХVI вв.).

ПЕРИОД СТАНОВЛЕНИЯ ФИЗИКИ КАК НАУКИ

• Начало ХVII в.- 80-е гг. ХVII в.

ПЕРИОД КЛАССИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ (конец XVII в.- начало ХХ в.)

• Первый этап (конец ХVII в. - 60-е гг. ХIХ в.).
• Второй этап (60-е гг. ХIХ в.- 1894 г.).
• Третий этап (1895 - 1904).

ПЕРИОД СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКИ (с 1905)

• Первый этап (1905 - 1931).
• Второй этап (1932-1954).
• Третий этап (с 1955).

Период от древнейших времен до начала ХVII в. - это предыстория физики, период накопления физических знаний об отдельных явлениях природы, возникновения отдельных учений. В соответствии с этапами развития общества в нем выделяют эпоху античности, средние века, эпоху Возрождения.

Физика как наука берет начало от Г. Галилея - основоположника точного естествознания. Период от Г. Галилея до И. Ньютона представляет начальную фазу физики, период ее становления.

Последующий период начинается И. Ньютоном, заложившим основы той совокупности законов природы, которая дает возможность понять закономерности большого круга явлений. И. Ньютон построил первую физическую картину мира (механическую картину природы) как завершенную систему механики. Возведенная И. Ньютоном и его последователями, Л. Эйлером, Ж. Даламбером, Ж. Лагранжем, П. Лапласом и другими, грандиозная система классической физики просуществовала незыблемо два века и только в конце ХIХ в. начала рушиться под напором новых фактов, не укладывающихся в ее рамки. Правда, первый ощутимый удар по физике Ньютона нанесла еще в 60-х годах ХIХ в. теория электромагнитного поля Максвелла - вторая после ньютоновской механики великая физическая теория, дальнейшее развитие которой углубило ее противоречия с классической механикой и привело к революционным изменениям в физике. Поэтому период классической физики в принятой схеме делится на три этапа: от И. Ньютона до Дж. Максвелла (1687 - 1859), от Дж. Максвелла до В. Рентгена (1860 - 1894) и от В. Рентгена до А. Эйнштейна (1895 - 1904).

Первый этап проходит под знаком полного господства механики Ньютона, его механическая картина мира совершенствуется и уточняется, физика представляется уже целостной наукой. Второй этап начинается с создания в 1860 - 1865 гг. Дж. Максвеллом общей строгой теории электромагнитных процессов. Используя концепцию поля М. Фарадея, он дал точные пространственно-временные законы электромагнитных явлений в виде системы известных уравнений - уравнений Максвелла для электромагнитного поля. Теория Максвелла получила дальнейшее развитие в трудах Г. Герца и Х. Лоренца, в результате чего была создана электродинамическая картина мира.

Этап с 1895 по 1904 гг. является периодом революционных открытий и изменений в физике, когда последняя переживала процесс своего преобразования, обновления, периодом перехода к новой, современной физике, фундамент которой заложили специальная теория относительности и квантовая теория. Начало ее целесообразно отнести к 1905 г. - году создания А. Эйнштейном специальной теории относительности и превращения идеи кванта М. Планка в теорию квантов света, которые ярко продемонстрировали отход от классических представлений и понятий и положили начало созданию новой физической картины мира - квантово-релятивистской. При этом переход от классической физики к современной характеризовался не только возникновением новых идей, открытием новых неожиданных фактов и явлений, но и преобразованием ее духа в целом, возникновением нового способа физического мышления, глубоким изменением методологических принципов физики.

В периоде современной физики целесообразно выделить три этапа: первый этап (1905 - 1931), который характеризуется широким использованием идей релятивизма и квантов и завершается созданием и становлением квантовой механики - четвертой после И. Ньютона фундаментальной физической теории; второй этап - этап субатомной физики (1932 - 1954), когда физики проникли на новый уровень материи, в мир атомного ядра, и, наконец, третий этап - этап субъядерной физики и физики космоса, - отличительной особенностью которого является изучение явлений в новых пространственно-временных масштабах. При этом за начало отсчета условно можно взять 1955 г., когда физики начали исследовать структуру нуклона, что знаменовало проникновение в новую область пространственно-временных масштабов, на субъядерный уровень. Этот этап совпал во времени с развернувшейся научно-технической революцией, начало ему дали новый уровень производительных сил, новые условия развития человеческого общества.

Приведенная схема периодизации физики в какой-то степени является условной, однако дает возможность в сочетании с хронологией открытий и фактов более четко представить ход развития физики, ее точки роста, проследить генезис новых идей, возникновение новых направлений, эволюцию физических знаний.

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.

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

В древности слово «физика») означало природоведение. Впо-следствии природоведение расчленилось на ряд наук: физику, химию, астрономию, геологию, биологию, ботанику и т. д.

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

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

Расширение и уточнение знаний о явлениях природы производи-лось людьми вследствие практических потребностей посредством на-блюдений, 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 за-висимости от созданных условий).

Для объяснения явлений создавались гипотезы. Выводы из на-блюдений, экспериментов и гипотез проверялись при многообразном взаимодействии науки и практики; практика указывала способы уточ-нения научного опыта (наблюдений и экспериментов), исправляла гипотезы, обогащала науку. Наука в свою очередь обогащала прак-тику.

По мере того как расширялось применение научных знаний к пра-ктике, возникала потребность в использовании этих знаний для пред-сказания 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 древ-негреческим мыслителем Аристотелем. Его «Физика» (в 8 книгах) на долгое время определила общее физическое мировоззрение.

Знания о природе по мере их накопления использовались господ-ствующими классами в своих интересах; в глубокой древности наука находилась в руках служителей культа (жрецов) и была тесно свя-зана 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 материалистиче-скому пониманию природы и, несмотря на крайнюю недостаточность фактического материала, пришли к представлению об атомном строе-нии 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 воз-можность прогресса, была приспособлена церковью для укрепления авторитета священного писания. В это время, главным образом у ара-бов, создавших обширные государства и ведших оживлённую тор-говлю с отдалёнными странами, сохранились и получили некоторое развитие элементы наук, воспринятые от греков и римлян, в особен-ности по механике, астрономии, математике, географии.

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

В XVII в. крупная буржуазия стремилась к компромиссу с остат-ками господствующих классов феодального строя. Соответственно представители науки были вынуждены изыскивать компромисс с ре-лигией. Ньютон наряду с гениальными научными работами написал толкование на церковную книгу -- апокалипсис. Декарт в своих фило-софских произведениях старался доказать бытие бога. Учёные поддерживали ложную идею о первом толчке, в котором якобы нужда-лась 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 по-лучило понятие силы. При каждом вновь открытом явлении приду-мывалась 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 неиз-менно движущуюся машину, отрицали развитие материи, переходы движения из одной формы в другую. Несмотря на успехи в расши-рении экспериментального материала, наука оставалась на позиции механистического мировоззрения.

В XVIII в. Ломоносов правильно предугадал картину молекулярно-кинетического строения тел и высказал впервые единый закон веч-ности 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 дви-жения: 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 чрез-вычайно ускорился. Потребность в мощном и универсальном двига-теле для индустрии и транспорта вызвала изобретение паровой ма-шины, а её появление побудило учёных к изучению тепловых про-цессов, что привело к развитию термодинамики и молекулярно-кинетической теории. В свою очередь на основе термодинамики оказалось возможным конструировать более мощные и экономичные типы дви-гателей (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 отно-шению к практике.

Другим примером сложного взаимодействия теории и практики является развитие теории электричества и электротехники. Отрывоч-ные 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. Про-мышленность быстро использовала научные открытия и широким раз-витием техники открыла небывалые возможности для научного экспе-римента. Исследование молекулярного строения тел вскрыло электри-ческую природу молекулярных и атомных взаимодействий, что в свою очередь привело в наши дни к открытию атомной формы движения материи, раскрывающей необозримые перспективы для новой тех-ники.

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 Энгель-сом философии диалектического 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 диале-ктическим, а его истолкование явлений природы, его понимание явлений природы, его теория--материалистической».

Явления природы при диалектическом подходе к ним нужно рас-сматривать в их взаимосвязи, взаимообусловленности, взаимозависи-мости и в их развитии, учитывая при этом, что количественные изме-нения приводят к коренным качественным превращениям, что разви-тие явлений порождается борьбой скрытых в них противоречий.

Диалектический подход к явлениям природы обеспечивает неиска-жённое, правильное отражение действительности в нашем сознании. Это решающее, абсолютное преимущество диалектического метода над всеми другими подходами к изучению явлений природы объ-ясняется 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 под-тверждают, что:

во-первых, любое явление происходит в органической, неразрыв-ной связи с окружающими явлениями; желая обособить явление, разорвать его связь с окружающими явлениями, мы неизбежно иска-жаем явление;

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

в-третьих, при непрерывном развитии накопление количественных изменений приводит к прерывистым, скачкообразным качественным превращениям; в-четвёртых, развитие всего существующего происходит в вечной борьбе противоположных тенденций, в борьбе между старым и новым, между отмирающим и нарождающимся, между отживающим и развивающимся.

Диалектический метод изучения явлений природы отражает эти всеобщие объективные законы, воспроизводит в принципах познания диалектику объективного мира. Верное отражение действительности в нашем сознании при диалектическом подходе к явлениям природы обязывает признать диалектический метод единственно правильным методом изучения явлений природы. Только диалектический материа-лизм является строго научным мировоззрением). Все остальные фи-лософские воззрения ошибочны, оторваны от действительности, метафизичны.

Однако буржуазия в силу своих классовых интересов не может принять философию пролетариата -- диалектический материализм. Учёные XIX в. в своей научной работе не могли не исходить из убеждения в реальности внешнего мира, который они изучают; по--этому в своей работе они являлись стихийными материалистами, но в своём мировоззрении они отражали взгляды господствующего класса и в той или иной степени отдавали дань идеализму, особенно в во-просах, связанных с философией. Бурный рост естествознания и вместе с тем упадок буржуазной философии породили характерные для тео-ретиков XIX в. идеологический разброд и недоверие к философии.

С наступлением империализма, в конце XIX и в начале XX вв., идеализм принял утончённую форму махизма (по имени основателя этого учения австрийского физика и философа Эрнста Маха). Махисты утверждали, что в своём «опыте» мы познаём не свойства объективной реальности, а лишь свои собственные ощущения. Следует иметь в виду, что слово «опыт» понимается махистами иначе, чем материа-листами. Материалисты называют опытом проверку практикой теоре-тических выводов о закономерностях внешнего мира; эксперимент является решающим мерилом верности той или иной научной теории, её соответствия объективной реальности. Для махистов опыт есть совокупность наших ощущений, а наука -- их упорядочивание в на-шем сознании.

Разновидностью идеализма является также агностицизм, утвер-ждающий, что мы познаём явления, но не «вещь в себе», которая не-познаваема.

В результате несоответствия между колоссальным ростом поло-жительных фактических знаний о природе и теми идеалистическими выводами, которые из этих знаний стремятся сделать буржуазные учё-ные, современная физика переживает глубокий кризис. В. И. Ленин

в книге «Материализм и эмпириокритицизм» не только разоблачил махизм, но и дал глубокий анализ кризиса физики.

Успехи нашей страны в строительстве коммунизма пугают импе-риалистов и в то же время пробуждают политическую активность у миллионов трудящихся в капиталистических и особенно в колони-альных и зависимых странах, и это заставляет деятелей капиталисти-ческого мира какими угодно средствами противодействовать росту авторитета и влияния Советского Союза. В качестве одного из ме-тодов идеологической борьбы империалистов служит фальсификация истинной картины развития науки: замалчиваются, скрываются дости-жения Советского Союза и принижается роль русских учёных в раз-витии науки.

Что касается успехов советской физики, то лучше всего о них свидетельствуют два факта: первый -- в нашей стране техника до-стигла небывалого расцвета, а физика служит основой научного совершенствования техники; второй -- Советская Армия явила всему миру беспримерную мощь своего оружия, физика же, как известно, играет немаловажную роль в усовершенствовании военной техники.

С каждым годом во всех странах мира всё большее влияние на сознание народных масс оказывает философия диалектического мате-риализма. Стремясь противодействовать этому влиянию, истинные Хозяева империалистических государств щедро поощряют глашатаев всевозможных идеалистических течений в науке.

Успехи современной физики с очевидностью показывают торжество диалектического материализма. Тем не менее печать капиталисти-ческих стран особенно рекламирует и вводит в моду такие разно-видности физических теорий, которые своим беспримерным форма-лизмом открывают дорогу для идеалистических извращений. Не случайно, что в последние годы зарубежные научные журналы по физике охотно уделяют место обсуждению некоторых неометафизи-ческих теорий. Например, видные зарубежные учёные заняты попыт-ками извлечь из физической теории относительности вывод о конеч-ности вселенной и вычислить «радиус» и «возраст» мира.

А. А. Жданов в выступлении на философской дискуссии в 1947 г. показал, что модные зарубежные идеалистические извращения физики играют прислужническую роль в походе зарубежной реакции против марксизма. «Взять хотя бы учение английского астронома Эддингтона о физических константах мира, которое прямёхонько приводит к пифагорейской мистике чисел и из математических формул выводит такие „существенные константы" мира, как апокалиптическое число 666, и т. д. Не понимая диалектического хода познания, соотноше-ния абсолютной и относительной истины, многие последователи Эйн-штейна, перенося результаты исследования законов движения конеч-ной, ограниченной области вселенной на всю бесконечную вселенную, договариваются до конечности мира, до ограниченности его во вре-мени и пространстве, а астроном Мили даже „подсчитал", что мир создан 2 миллиарда лет тому назад. К этим английским учёным при-менимы, пожалуй, слова их великого соотечественника, философа Бэкона о том, что они обращают бессилие своей науки в клевету против природы.

В равной мере кантианские выверты современных буржуазных атомных физиков приводят их к выводам о „свободе воли" у элек-трона, к попыткам изобразить материю только лишь как некоторую совокупность волн и к прочей чертовщине» (А. А. Жданов).

Идеалистические течения в зарубежной науке повлияли и на не-которых советских физиков. Откровенная проповедь идеализма у нас затруднена тем, что она встречает отпор со стороны научной об-щественности. Тем не менее вследствие преклонения перед зарубежной наукой некоторые наши теоретики в скрытой, схоластической форме иногда выступают с деятельной защитой идеалистических концепций. Они пытаются доказать, что хотя Эйнштейн, Эддингтон, Бор, Гейзенберг и др. искусно поворачивали физику на путь к махизму, но развитые ими воззрения будто бы нетрудно согласовать с диалекти-ческим материализмом, если «отбросить махистскую фразеологию» и те же воззрения снабдить «диалектическими пояснениями». Эту -- крайне опасную для нашей отечественной физики -- позицию подчас оправ-дывают стремлением не утратить имеющиеся в тех или иных физи-ческих теориях ценные математические методы. При этом забывают (или умалчивают), что для усовершенствования этих методов давно назрела необходимость разработать другую методологическую основу их применения (см. т. III).

Обманчивы заявления, будто любая «верная» теория материи ма-териалистична. Господствующие теории всегда представлялись совре-менникам «верными теориями», но со временем выяснялось, что в них имеется только зерно истины, а многое, привнесённое физико-фило-софскими воззрениями авторов теорий, оказывалось ошибочным. Так, Сади Карно открыл второе начало термодинамики, но представление о теплороде, лежавшее в основе его теории, через тридцать--сорок лет было отброшено. Ампер открыл некоторые законы электродинамики, но методологические основы электродинамики Ампера оказались ложными и были отброшены вместе с представлением о том, что электричество лишено инерции. Крупнейшие завоевания в оптике были сделаны Гюйгенсом и Френелем на базе исключённых в настоящее время пред-ставлений о механических колебаниях эфира, и т. д.

Нет никаких оснований абсолютизировать современные физические теории; нельзя воображать, что они окажутся вечными, что после-дующее развитие физики не уточнит их, и не только в деталях, но и в некоторых исходных положениях.

Диалектико-материалистический подход к физическим теориям освещает правильные, здоровые, прогрессивные направления в теоре-тической физике и выявляет методологически ошибочные звенья тео-рий, обнаруживает лженаучность отдельных теоретических предпосылок и выводов, показывает, где, в каких предположениях та или иная теория отдаляется от действительности, в каких своих частях она нуждается в усовершенствовании, в переработке.

Несомненно, потребуется много труда и таланта, чтобы осущест-вить необходимую для прогресса науки переработку, перестройку некоторых физических теорий, которые их авторами были развиты, в махистском или идеалистическом духе. Эта задача трудна, но по-сильна для советской физики, которая уже показала свою зрелость и силу.

Всю историю физики можно условно разделить на три основных этапа:

· древний и средневековый,

· классической физики,

· современной физики .

Первый этап развития физики иногда называют донаучным. Однако такое название нельзя считать полностью оправданным: фундаментальные зерна физики и естествознания в целом были посеяны еще в глубокой древности. Это самый длительный этап. Он охватывает период от времен Аристотеля до начала XVII в., поэтому и называется древним и средневековым этапом .

Начало второго этапа – этапа классической физики – связывают с одним из основателей точного естествознания – итальянским ученым Галилео Галилеем и основоположником классической физики, английским математиком, механиком, астрономом и физиком Исааком Ньютоном. Второй этап продолжался до конца XIX в.

К началу XX столетия появились экспериментальные результаты, которые трудно было объяснить в рамках классических представлений. В этой связи был предложен совершенно новый подход – квантовый, основанный на дискретной концепции. Квантовый подход впервые ввел в 1900 г. немецкий физик Макс Планк (1858–1947), вошедший в историю развития физики как один из основоположников квантовой теории. Его трудами открывается третий этап развития физики – этап современной физики , включающий не только квантовые, но и классические представления.

Дадим краткую характеристику каждого из этапов. Принято считать, что первый этап открывает геоцентрическая система мировых сфер, разработанная Аристотелем. Учение о геоцентрической системе мира начиналось с геоцентрической системы кольцевых мироустроений еще гораздо раньше – в VI в. до н. э. Ее предложил Анаксимандр (ок. 610 – после 547 до н. э.), древнегреческий философ, представитель Милетской школы. Данное учение было развито Евдоксом Книдским (ок. 406 – ок. 355 до н. э.), древнегреческим математиком и астрономом. Геоцентрическая система Аристотеля родилась, таким образом, на подготовленной его предшественниками идейной почве.

Переход от эгоцентризма – отношения к миру, которое характеризуется сосредоточенностью на своем индивидуальном «я», к геоцентризму – первый и, пожалуй, самый трудный шаг на пути зарождения ростков естествознания. Непосредственно видимая полусфера неба, ограниченная местным горизонтом, была дополнена аналогичной невидимой полусферой до полной небесной сферы. Мир стал как бы более завершенным – специфическим, но оставаясь 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, подтверждались гораздо позднее – в эпоху первых кругосветных путешествий и великих географических открытий, т. е. 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 уже доживало свои последние годы.

Почти полторы тысячи лет отделяет завершенную геоцентрическую систему греческого астронома Клавдия Птоломея (ок.90 – ок. 160) от достаточно совершенной гелиоцентрической системы (рис. 3.1) польского математика и астронома Николая Коперника (1473–1543). Вершиной гелиоцентрической системы можно считать законы движения планет, открытые немецким астрономом Иоганном Кеплером (1571–1630), одним из творцов астрономии нового времени.

Рис. 3.1. Система мира по Копернику (в центре Солнце)

Астрономические открытия Галилео Галилея и его физические эксперименты, а также общие динамические законы механики вместе с универсальным законом всемирного тяготения, сформулированные Исааком Ньютоном, положили начало классическому этапу развития физики .

Между названными этапами нет четких границ. Для физики и естествознания в целом характерно в большей степени поступательное развитие: законы Кеплера – венец гелиоцентрической системы с весьма длительной историей, начавшейся еще в древние времена; 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 его механики, которая тем самым оказалась в целом внутренне противоречивой, несовершенной.

Галилей опроверг аристотелевское противопоставление Земли и Неба. Он предложил применять закон инерции Аристотеля, характеризующий равномерное движение небесных тел вокруг Земли, для земных тел при их свободном движении в горизонтальном направлении. Мысленно расчленяя всевозможные земные тела на отдельные части, он установил для них закон одинаково быстрого (или одинаково равномерно ускоренного) свободного падения независимо от их массы, когда свободное падение в вертикальном направлении к центру Земли происходит в идеальных условиях, без какого бы то ни было сопротивления, т. е. в пустоте. Этот закон находится в противоречии с канонизированным аристотелевским учением, в соответствии с которым «природа не терпит пустоты», и весомые тела падают в реальных условиях под действием присущей им силы тяжести на самом деле тем быстрее, чем больше их массы.

Кеплер и Галилей, отталкиваясь таким образом от первоначальных представлений, радикально пересмотрели всю механику. В результате перехода от геоцентризма к гелиоцентризму они пришли к своим кинематическим законам, которые предопределили принципиально единую для земных и небесных тел механику Ньютона со всеми сформулированными им классическими динамическими законами, включая универсальный закон всемирного тяготения. При этом из «Математических начал натуральной философии» – фундаментального труда Исаака Ньютона – можно заключить, что его динамические законы не только следуют из соответствующих кинетических законов Кеплера и Галилея, но и сами могут быть положены в основу всех трех кинематических законов Кеплера и обоих кинематических законов Галилея, а также всевозможных теоретически ожидаемых отклонений от них из-за сложного строения и взаимных гравитационных возмущений взаимодействующих тел.

Законы Кеплера послужили основой для открытия новых планет. Так, по результатам наблюдений отклонений в движении планеты Уран, сделанных в 1781 г. английским астрономом и оптиком Уильямом Гершелем (1738–1822), английский астроном и математик Джон Кауч Адамс (1819–1892) и французский астроном Урбен Жан Жозеф Леверье (1811–1877) независимо друг от друга и почти одновременно теоретически предсказали существование еще одной – заурановой планеты, которую обнаружил на небе в 1846 г. немецкий астроном Иоганн Галле (1812–1910). Эта планета носит название Нептун. Затем американский астроном Персиваль Ловелл (1855–1916) аналогично предсказал в 1905 г. существование еще одной заурановой планеты и организовал в созданной им обсерватории ее систематические поиски, в результате которых молодой американский любитель астрономии открыл в 1930 г. искомую новую планету – Плутон.

Стремительными темпами развивалась не только классическая механика Ньютона. Этап классической физики характеризуется также крупными достижениями и в других отраслях физики: термодинамике, молекулярной физике, оптике, электричестве, магнетизме и т. п. Ограничимся перечислением некоторых наиболее важных достижений. Были 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. Явления интерференции, дифракции и поляризации света получили волновое истолкование. Установлены законы поглощения и рассеивания света.

Конечно, можно было бы назвать и другие не менее важные достижения, среди которых особое место занимает электромагнитная теория, разработанная выдающимся английским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом. Максвелл является не только создателем классической электродинамики, но и одним из основоположников статистической физики. Он установил статистическое распределение молекул по скоростям, названное его именем. Развивая идеи Майкла Фарадея (1791–1867), он создал теорию электромагнитного поля (уравнения Максвелла), которая не только объясняла многие известные к тому времени электромагнитные явления, но и предсказала электромагнитную природу света. С электромагнитной теорией Максвелла вряд ли можно поставить рядом другую более значительную в классической физике. Однако и теория Максвелла оказалась не всемогущей.

В конце прошлого столетия при изучении спектра излучения абсолютно черного тела была экспериментально установлена закономерность распределения энергии в спектре излучения. Экспериментальные кривые распределения имели характерный максимум, который по мере повышения температуры смещался в сторону более коротких волн. В рамках классической электродинамики Максвелла не удалось объяснить закономерность распределения энергии в спектре излучения абсолютно черного тела. Правильное, согласующееся с опытными данными выражение для спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела было найдено в 1900 г. Максом Планком. Для этого ему пришлось отказаться от установившегося положения классической физики, согласно которому энергия любой системы может изменяться непрерывно, т. е. может принимать любые сколь угодно близкие значения. Согласно выдвинутой Планком квантовой гипотезе, атомные осцилляторы излучают энергию не непрерывно, а определенными порциями – квантами, причем энергия кванта пропорциональна частоте колебания.

Характерная особенность третьего этапа развития физики – современного этапа – заключается в том, что наряду с классическими широко внедряются квантовые представления, на основании которых объясняются многие микропроцессы, происходящие в пределах атома, ядра и элементарных частиц, и в связи с которыми возникли новые отрасли современной физики: квантовая электродинамика, квантовая теория твердого тела, квантовая оптика и многие другие.