Реферат на тему: «История физики»

Развитие физики

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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 материа­лизм является строго научным мировоз зрением). Все остальные фи­лософские 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 во­просах, связанных с философией. Бурный рост естествознания и вместе с тем упадок буржуазной философии породили характерные для тео­ретиков 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 материа­листами. Материалисты называют опытом проверку практикой теоре­тических 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 на­шем сознании.

Разновидностью идеализма является также агностицизм, утвер­ждающий, что мы познаём явления, но не «вещь в себе», которая не­познаваема.

В результате несоответствия между колоссальным ростом поло­жительных фактических знаний о природе и теми идеалистическими выводами, которые из этих знаний стремятся сделать буржуазные учё­ные, 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 импе­риалистов и в то же время пробуждают политическую активность у миллионов трудящихся в капиталистических и особенно в колони­альных и зависимых странах, и это заставляет деятелей капиталисти­ческого мира какими угодно средствами противодействовать росту авторитета и влияния Советского Союза. В качестве одного из ме­тодов идеологической борьбы империалистов служит фальсификация истинной картины развития науки: замалчиваются, скрываются дости­жения Советского Союза и принижается роль русских учёных в раз­витии науки.

Что касается успехов советской физики, то лучше всего о них свидетельствуют два факта: первый - в нашей стране техника до­стигла 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 мате­риализма. 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 капиталисти­ческих стран особенно рекламирует и вводит в моду такие разно­видности физических теорий, которые своим беспримерным форма­лизмом открывают дорогу для идеалистических извращений. Не случайно, что в последние годы зарубежные научные журналы по физике охотно уделяют место обсуждению некоторых неометафизи­ческих теорий. Например, видные зарубежные учёные заняты попыт­ками извлечь из физической теории относительности вывод о конеч­ности 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, соотноше­ния абсолютной и относительной истины, многие последователи Эйн­штейна, перенося результаты исследования законов движения конеч­ной, ограниченной области вселенной на всю бесконечную вселенную, договариваются до конечности мира, до ограниченности его во вре­мени и пространстве, а астроном Мили даже „подсчитал", что мир создан 2 миллиарда лет тому назад. К этим английским учёным при­менимы, 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 элек­трона, 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 не­которых советских физиков. Откровенная проповедь идеализма у нас затруднена тем, что она встречает отпор со стороны научной об­щественности. 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 диалекти­ческим материализмом, если «отбросить махистскую фразеологию» и те же воззрения снабдить «диалектическими пояснениями». Эту - крайне опасную для нашей отечественной физики - позицию подчас оправ­дывают стремлением не утратить имеющиеся в тех или иных физи­ческих 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 ма­териалистична. Господствующие теории всегда представлялись совре­менникам «верными теориями», но со временем выяснялось, что в них имеется только зерно истины, а многое, привнесённое физико-фило­софскими 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 пред­ставлений о механических колебаниях эфира, и т. д.

Нет никаких оснований абсолютизировать современные физические теории; нельзя воображать, что они окажутся вечными, что после­дующее 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 теоре­тической физике и выявляет методологически ошибочные звенья тео­рий, 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 осущест­вить необходимую для прогресса науки переработку, перестройку некоторых физических теорий, которые их авторами были развиты, в махистском или идеалистическом духе. Эта задача трудна, но по­сильна для советской физики, которая уже показала свою зрелость и силу.

Материя и движение

Простейшими орудиями познания мира являются наши органы чувств. Инструментальная физика является дополнительным снаряже­нием глаза и уха человека. Наши слуховые и зрительные восприятия субъективны; мы воспринимаем звуковые тона, цветовые оттенки, запахи и т. д. Объективное различие, существующее между звуками неодинакового тона, заключается в неодинаковой частоте звуковых колебаний. Точно так же различию в цветовых оттенках объективно соответствует различие в частотах световых колебаний. Наши вос­приятия тепла и холода порождены большей или меньшей интенсив­ностью молекулярных движений. Ощущение звука, ощущение света, вкусовые, осязательные и обонятельные ощущения представляют собой только отклики нашего тела и сознания на порождающие их физические явления.

Такие слова, как «свет», «цвет», «теплота», «звук», «сила света», «степень нагретости» и т. д., в обыденной жизни мы употребляем в одном смысле: мы вкладываем в них физиологическое содержа­ние- содержание наших ощущений. В физике мы те же самые слова употребляем в ином смысле: мы обозначаем этими словами те объек­тивно протекающие процессы, которыми порождаются наши ощуще­ния, или же такие явления, которые были бы способны породить соответствующее ощущение, если бы наши органы чувств были более совершенны.

Наши ощущения разнородны. Порождающие их явления крайне разнообразны. Однако по мере роста наших познаний мы замечаем, что многие явления имеют важные черты сходства. Мы убеждаемся, что для правильного понимания мира мы должны выработать такие понятия, которые широко обобщают результаты эксперимента и главное - отражают единство природы какого-либо изучаемого нами ряда явлений.

Самыми общими и основными категориями являются материя и движение. «Материя - объективная, реальность, существующая независимо от человеческого сознания и отображаемая им... Материя есть то, что, действуя на наши органы чувств, производит ощущения» (Ленин). Понятно, что посредством наших ощу­щений мы познаём материю только в её отдельных конкретных проявлениях; также и в нашей научной и практической деятельности мы имеем дело не с материей «вообще», а всегда с её конкретными про­явлениями.

Атрибутом (неотъемлемым свойством) материи является движение. Движение представляет собой форму существования материи. Когда мы говорим о движении, то всегда представляем себе некото­рое перемещение чего-либо, например перемещение тел, среды, частиц. Надо, однако, иметь в виду, что движение не сводится только к перемещению. «Всякое движение связано с каким-нибудь переме­щением- перемещением небесных тел, земных масс, молекул, атомов или частиц эфира. Чем выше форма движения, тем незначительнее становится это перемещение. Оно никоим образом не исчерпывает природы соответствующего движения, но оно неотделимо от него. Поэтому его необходимо исследовать раньше всего остального» (Энгельс).

Движение в философском смысле - это всякое изменение материи, всякий происходящий в природе процесс: химическая реакция, элек­тромагнитное излучение, рост дерева, мышление.

«Движение, рассматриваемое в самом общем смысле слова, т. е. понимаемое как форма бытия материи, как внутренне присущий материи атрибут, обнимает собою все происходящие во вселенной изменения и процессы, начиная от простого перемещения и кончая мышлением» (Энгельс).

Механика изучает простейшую форму движения, а именно пере­мещение тел или частиц в пространстве (механическое движение).

Некоторые физические открытия XIX в. дали возможность как бы «свести» целый ряд явлений, казавшихся совершенно разнородными, к механическому движению. Так, например, тепловое состояние тела было как будто «сведено» к механическому движению его молекул. На этой почве укрепилось предположение, что все вообще явления природы в конечном счёте представляют собой только механическое движение; был выдвинут лозунг - свести всё естествознание к меха­нике. Такое воззрение носит название механистического мировоззрения.

Это воззрение ошибочно. Сущность высоких форм движения в дей­ствительности несводима к механическому движению. Каждая форма движения имеет особые черты, составляющие её своеобразие (её каче­ство). Даже тепловое движение, хотя оно и слагается из механиче­ского движения молекул, не исчерпывается им; при тепловом движении перемещения молекул в среднем подчинены особым законам стати­стики, которые не вытекают из законов механики.

Законы механики важны для понимания низших форм движения, но они недостаточны для понимания высших (более сложных) форм. Уже в молекулярных движениях обнаруживаются явления, которые не могут быть объяснены и предсказаны посредством одних только ньютоновых законов. Именно эти явления, не поддающиеся исчер­пывающему объяснению, если исходить только из перемещений, выступают на первый план, когда мы обращаемся к изучению внутри* атомных движений, а также и тех движений, которые лежат в основе электрических и магнитных процессов. В столь высоких формах движения, как биологические процессы и мышление, перемещения играют, несомненно, второстепенную роль в сравнении с другими свое­образными сторонами этих процессов, несводимыми к механическому движению. Природа сложнее, чем думают механисты.

Физика изучает простейшие формы движения: 1) механическое движение (поступательное, вращательное, колебательное, волновое) и связанные с механическим движением проявления всемирного тяго­тения; 2) молекулярно-тепловое движение и процессы, обусловлен­ные межмолекулярными взаимодействиями (свойства и изменения агре­гатных состояний, диффузию и растворение, передачу тепла и т. п.); 3) электрические и электромагнитные процессы и 4) внутриатом­ное движение и свойства тел, определяемые строением атомов (в част­ности, оптические свойства тел, происхождение важнейших химиче­ских особенностей веществ, космические и лабораторные процессы преобразования элементов и т. п., вплоть до освобождения внутри­ядерной энергии).

При научном исследовании физических явлений в подавляющем большинстве случаев мы встречаемся с теснейшей взаимосвязью, со взаимопроникновением и преобразованием всех указанных форм движения материи.

В настоящее время очень нелегко провести границу между физи­кой и примыкающими к ней науками, особенно химией.

В физике изучаются как движения тел, составленных из огром­ного числа молекул, так и более тонкие формы движения материи - движение молекул, атомов, их ядер, электронов. Иногда раздел физики, имеющий дело с телами, которые содержат огромное число атомов или молекул, называют макрофизикой; раздел физики, в котором изучаются движения и взаимодействия отдельных мельчайших частиц, называется микрофизикой.

Химия также имеет дело с атомами и молекулами, но изучает качественные особенности вещества, к которым приводят количествен­ные изменения числа электронов в атоме, числа и рода атомов в мо­лекулах. В пограничной области между физикой и химией развилось несколько дисциплин: физическая химия, коллоидная химия и др.

К физике примыкают науки, изучающие конкретные состояния материи, окружающей нас на Земле (геофизика, метеорология, гидро­логия), в небесных телах (астрофизика), в живых организмах (био­физика).

Глубокая внутренняя связь между физикой, химией, астрономией, геологией, биологией обеспечивается единством, общностью строения материи во всех её конкретных проявлениях. Самые отдалённые звёзды, Солнце, земная кора, живые организмы построены из одних и тех же химических элементов. Молекулярные силы, химические междуатомные силы, внутриатомные силы в основном имеют электрическую природу. Атомы всех химических элементов построены в известной мере однотипно: из положительно заряженных массивных атомных ядер и легчайших из известных нам элементарных частиц - элек­тронов, которые в своём стремительном движении по замкнутым орбитам вокруг ядра образуют как бы электронное облако, охваты­вающее ядро. Ядра всех атомов построены из протонов - положи­тельно заряженных ядер атомов водорода, масса которых в 1836 раз превышает массу электрона, и почти таких же по массе, но элек­трически нейтральных частиц - нейтронов.

Кроме этих основных, стабильных частиц, в космических лучах обнаружилось существование малоустойчивых частиц: положительных электронов - позитронов, имеющих такую же массу, как и отри­цательные электроны, и мезонов - частиц трёх родов по заряду - отрицательных, положительных и нейтральных - и нескольких разно­видностей по величине массы: мезонов, имеющих массу примерно в 210 раз большую, чем масса электрона, и мезонов, масса которых примерно в 280 раз превышает массу электрона.

В пространстве, где находятся электрические заряды, происходят скрытые, неизвестные нам движения материи, которые проявляются в действии электрических сил на пробный заряд, внесённый в любое место этого пространства, и в действии магнитных сил на движу­щийся заряд; эту особую форму движущейся материи (отличающуюся от частиц, но порождающую взаимодействие электрически заряженных ча­стиц и намагниченных тел) называют электрическим и магнитным полем.

В отличие от электричества не существует свободного, несвязан­ного полярного магнетизма-магнитные полюсы не могут быть разъ­единены. Электрическая и магнитная энергия непрерывно распределены в электрическом и магнитном поле. Но установлено в качестве одного из главных законов физики (который разъяснён в т. III), что где имеется энергия, там имеется в пропорциональном количестве и масса. Таким образом, электрическое и магнитное поля имеют материаль­ную основу - обладают массой и энергией.

Можно сказать, что современной физике материя известна в двух основных формах, которые, однако, при всей их противоположности неразрывно связаны: в форме частиц вещества и в форме полей. Электроны представляют собой совокупность этих двух форм мате­рии: электрон - частица и в то же время он - центр порождённого им электромагнитного поля, которое является носителем его энергии и массы.

Нейтроны (электрически нейтральные частицы, имеющие массу водородного ядра) являют собой наиболее характерный пример кор­пускулярной формы материи. Какое-то поле присуще и нейтрону, но природа и строение этого поля пока остаются невыясненными.

Физике хорошо известна и другая крайность - электромагнитная форма материи. Это - свет, тепловое излучение и вообще квантовое излучение, которое представляет собой волновое электромагнитное поле, оторвавшееся от породивших его зарядов и распространяю­щееся с предельной скоростью движения - со скоростью света. Отрыв электромагнитного поля от породивших его зарядов происхо­дит по квантовому закону, согласно которому энергия излучается не иначе, как определёнными порциями, в количествах, равных или не­сколько раз повторяющих величину e=hv, где h - некоторая уни­версальная постоянная и v - частота колебаний в излучённом электро­магнитном поле. Эти порции излучения называют фотонами.

Каждой доле энергии соответствует пропорциональная ей масса: атом, излучающий фотон, вместе с энергией теряет определённую массу; эту массу уносит фотон. До излучения это была масса неко­торой части электромагнитного поля зарядов, а после излучения она же стала массой фотонов.

Встречающиеся в некоторых книгах рассуждения о превращении массы в энергию представляют собой небрежность, неточность изло­жения или же преднамеренное идеалистическое извращение физики. Никакого превращения массы в энергию никогда не происходит.

В смысле целостности и наличия массы фотоны аналогичны ча­стицам, и в определённых случаях они и проявляются как частицы, но в то же время фотоны, не имея структурно обособленных центров сосредоточения массы и энергии, представляют собой полную противо­положность частицам; фотон - это электромагнитное поле, оторвавшееся от зарядов, но сохраняющее свою целостность, несмотря на то, что оно более или менее раскинуто в пространстве как группа, пакет волн.

Вместо двух основных форм материи (частицы и поля) при более детальной классификации видов материи каждый род частиц и их устойчивых сочетаний можно рассматривать как особый вид материи. Таким образом, в физике различают материю:

в виде фотонов разной длины волны;

в виде элементарных частиц, а именно: электронов (электрон­ного облака в атоме, электронного газа в металле, электронного тока, электронных лучей) и ядерных частиц (позитронов, протонов, ней­тронов, мезонов и простейших атомных ядер, обнаруживающих себя при радиоактивности и в ядерных реакциях);

в виде атомов, ионов, молекул и их сочетаний в химические вещества.

Приведённые классификации физических форм движения мате­рии и видов материи, изучаемых физикой, соответствуют совре­менной ступени развития физики. По мере углубления наших знаний о природе и строении материи подобного рода классификации посто­янно подвергаются пересмотру и усовершенствованию.

При развитии физики происходит смена физических теорий, уточ­няются и совершенствуются законы и понятия физики. При развитии физики происходит смена и предмета физики и методов физиче­ского исследования мира.

Вначале физика представляла собой науку о природе, т. е. пред­мет её был, казалось бы, несоизмеримо шире современного, когда от физики отделились и обособились многочисленные естественные науки: химия, биология, геология и т. д. Однако следует учесть, что физика, понимавшаяся в древности как естествознание, в действительности имела предметом изучения немногочисленные явления, которые сде­лались известны человечеству из узкого круга наблюдений, произ­ведённых невооружённым глазом немногими людьми, интересовавши­мися наукой.

Уже в средние века, когда от физики отделялись нарождавшаяся химия и начатки некоторых других естественных наук, предмет изу­чения физики не только не сузился, но, напротив, расширился (что и вызвало отделение упомянутых наук). Действительно, к этому вре­мени весьма расширились познания людей о движении и равновесии тел, о плавании твёрдых тел в жидкостях, о тепловых явлениях, кипении, растворении, кристаллизации, о явлениях погоды и т. п. Это расши­рение области явлений, изучаемых физикой, было вызвано прак­тическими потребностями людей, в связи с распространением ремёсел и торговли, и произошло благодаря расширению и некоторому усо­вершенствованию наблюдений и простейших экспериментов.

По мере роста производственных и технических средств происхо­дило инструментальное оснащение физики; в практику физического исследования были постепенно введены весы, ареометры, термометры, гигрометры, лупы, микроскоп, оптические призмы, спектрометры и другие приборы. Наряду с этим развивались математические методы, позволявшие физикам путём вычислений мысленно проникать в область явлений, недоступных для непосредственного обследования физиче­скими приборами. Всё это в чрезвычайной степени расширило пред­мет изучения физики; изучение механических, тепловых, звуковых и световых явлений, а также свойств твёрдых, жидких и газообразных тел было дополнено изучением электрических и магнитных процессов, изучением мира молекул и атомов, а позже и раскрытием строения атома.

Развитие техники и сильно возросшее значение физики для про­мышленности привели к оснащению физических лабораторий мно­жеством точных приборов и в первую очередь высокосовершенной электроизмерительной и оптической аппаратурой. Строгие методы исследования химического состава и строения тел - спектраль­ный анализ, микроскопия и рентгеноструктурный анализ - были до­полнены ещё более тонкими методами, где световые и рентгеновы лучи были заменены атомными и электронными лучами. Были найдены способы, позволяющие из обычных веществ создавать радиоактивные вещества и осуществлять атомноядерные реакции, т. е. превращение химических элементов. В итоге физика поднялась на современную ступень экспериментальных и теоретических открытий, которые ведут к новому стремительному усовершенствованию и преобразованию тех­ники.

Из сказанного ясно, что одной из характерных черт в разви­тии физики является постепенное и планомерное исследование физи­кой всё более тонких, более скрытых видов физического движения материи, где перемещение испытывают всё более мелкие частицы вещества и где само геометрическое перемещение частиц отступает на второй план в сравнении с другими явлениями. Это направление в историческом развитии физики можно охарактеризовать схемой: исследование механического движения тел (механика твёрдых, жидких и газообразных тел) ® исследование упругих движений тел (тео­рия упругости, акустика) ® исследование молекулярного теплового движения (кинетическая теория, термодинамика) ® исследование элек­трического движения (электродинамика) ® исследование внутримоле­кулярных и внутриатомных движений (физическая химия, оптика) ® исследование корпускулярно-лучистых и внутриядерных движений (электронная физика, учение о радиоактивности и космических лучах, учение о ядерных превращениях).

Разумеется, эта схема, как и всякая вообще схема, упрощает дело. В действительности перечисленные виды движения так связаны между собой, что во многих случаях открытия, сделанные в области одного из видов движения, сильно влияют на изучение других видов движения. Поэтому нельзя четко выделить исторические этапы в развитии физики, которые строго соответствовали бы приведённой схеме. Тем не менее эта схема правильно указывает общее направление развития физики.

Обращает на себя внимание другая характерная черта в развитии физики: длительное время (в XVII, XVIII и в первой половине XIX в.) при исследовании различных физических видов движения главное место в новых физических теориях занимало понятие силы; в после­дующем, во второй половине XIX в., основное место в физических теориях заняло понятие энергии; в физике XX в. главное место в фи­зических теориях занимает понятие действия (произведение энергии на время). Это направление в развитии физики означает освобождение физики от влияния метафизических представлений, побуждавших рас­сматривать силы как «причины возникновения» движения; физикой была обнаружена необходимость поставить на первое место в тео­риях величину, которая наиболее полно определяет взаимопревращаемость различных видов движения; сначала предполагалось, что такой величиной является энергия, но оказалось, что главную роль играет действие.

Отражен ие объективной реальности в физических теориях

Материалисты и идеалисты подходят к определению цели и содер­жания физики, к оценке истинности её законов и теорий с совер­шенно различных позиций. Само понимание истины и возможности раскрытия истины при физическом исследовании мира противоположно у материалистов и идеалистов.

Представители наиболее распространённой сейчас за рубежом идеалистической школы - последователи Маха - исходят из того, что наши познания о природе формируются через ощущения, и утвер­ждают, что вследствие этого физическое исследование мира не может нам дать ничего большего, как установление общепризнанных всеми людьми связей между фактами ощущений. Мах в одном из своих сочинений (в 1872 г.) прямо писал, что задача физики заключается в том, чтобы «открывать законы связи между ощущениями».

Наиболее последовательные махисты считают, что именно ощу­щения, а не вещи являются истинными элементами мира; другие ма­хисты неокантианского толка, соглашаясь с материалистами, что причиной ощущений являются объективно существующие вещи, в то же время в противоположность материалистам считают, что наши познания ограничиваются ощущениями, что вещи остаются принци­пиально непознаваемыми.

В соответствии с этим махисты отрицают возможность раскрытия абсолютной истины. По их мнению, абсолютной истины нет, а если бы она и была, то она всегда оставалась бы вне пределов человече­ского познания.

Но что такое истина? Этот вопрос во все времена задавали себе все философы и отвечали на него по-разному.

Философы с религиозными воззрениями безуспешно искали истину в религии, некоторые философы-идеалисты усматривали истину в нрав­ственном совершенствовании человека, другие - в его субъективных представлениях, третьи - в одухотворении всей природы, четвёртые считали истину непознаваемой и т. д. По мнению махистов, знания человека не могут быть достоверными, и поэтому все истины отно­сительны; объективной, абсолютной истины нет.

По мнению махистов, цель науки-не раскрытие истины, а при­ведение фактов в такую систему, которая обеспечивала бы наиболь­шую экономию мышления. Физические понятия, законы и теории, по мнению махистов, не раскрывают природы вещей, но представляют собой только удобную форму для совершенно условного «описания фактов». Под «фактами» махисты подразумевают комплексы наших ощущений,

Как же следует в действ ительности понимать содержание и гра­ницы физического исследования мира?

"Прежде всего, следует отметить, что в действительности весь ход исторического развития науки, равно как и ход каждого отдельного научного исследования, происходит по диалектическому закону, сфор­мулированному В. И. Лениным в следующих словах: «От живого созерцания к абстрактному мышлению и от него к практике - таков диалектический путь познания истины, познания объективной реаль­ности». Таким образом, научное исследование является единством теории и практики при решающей роли практики и ведущей роли теории.

Результат эксперимента, при постановке которого исследователь уже руководится определённой гипотезой, даёт возможность прове­рить гипотезу, уточнить и расширить её до степени теории, уста­новить физический закон, т. е. установить характер объективной зависимости между различными физическими величинами.

Опыт (наблюдение, эксперимент, практика) является источником всех наших знаний. Но наряду с опытом для развития знаний руко­водящее значение имеет теоретическое мышление. Без теоретических обобщений, без указаний теории о разумном направлении экспе­риментов невозможно движение науки вперёд.

Теоретические обобщения современной физики подытоживают всё, что было добыто пытливым человеческим умом в области изучения физических явлений за весь длинный период развития культуры. Чтобы уточнить обобщения и охватить неисчислимое количество фактов посредством сравнительно немногих теоретических понятий и формул, оказалось необходимым создать ряд математических наук: дифференциальное и интегральное исчисление, теорию дифференци­альных и интегральных уравнений, вариационное исчисление, матема­тическую теорию вероятностей, векторный анализ, математическую теорию поля, тензорный анализ и т. д. Нелегко овладеть этим об­ширным математическим аппаратом. Математические трудности, стоящие на пути правильного использования современных физических теорий, подчас отпугивают некоторых физиков-экспериментаторов; уделом таких физиков является плоский вульгарный эмпиризм, который заводит их исследования в тупик.

Нередко случается, что вследствие математических трудностей отдельные физики вместо правильного использования современных физических теорий придумывают свои особые, весьма упрощённые гипотезы «с потолка», гипотезы, которые не учитывают всей слож­ной совокупности изученных физикой фактов, отстают от науки и поэтому обычно оказываются беспомощными или даже вредными.

Физика, обогащаясь благодаря экспериментам, опирается в своём развитии на математику. Известная математизация физики нужна, но излишняя абстрактность физических теорий и не вызываемая дей­ствительной необходимостью математически усложнённая трактовка вопросов опасны. Такие страдающие чрезмерным формализмом фи­зические теории не используются экспериментаторами и толкают физику к отрыву от практики.

Характерно, что ненужная гипертрофия математического аппа­рата в некоторых физических теориях, допускаемая их авторами ради математического «искусства для искусства» в явный ущерб физической ясности и простоте теории, измышление без нужды мно­жества новых малополезных символов из-за любви к символике, особое пристрастие к выдуманным вспомогательным величинам и их условным преобразованиям - все эти и им подобные черты форма­лизма в физике более всего свойственны физикам-идеалистам.

Как бы абстрактна ни была теория, если она верна, если она построена правильно, то не только её выводы должны отвечать действительности, но и все звенья теории, все понятия и вели­чины, которыми она оперирует, также должны возможно точ­нее отражать объективную реальность.

Рассмотрим ближе вопрос о нормальном соотношении между теоретическим мышлением и объективной реальностью. Источником мышления являются прежде всего наши впечатления. Трудами великого русского физиолога Сеченова было установлено, что между впечатле­нием и объективными причинами, породившими впечатление, всегда существует некоторое промежуточное звено. Например, при зри­тельных впечатлениях промежуточным звеном является изображение предметов на сетчатке глаза. Промежуточное звено, например полу­ченный на дне глаза образ предмета, деятельностью нервных волокон и коры головного мозга отражается сознанием. В особенности важны убедительные доказательства Сеченова, что формы и свойства пред­метов, их распределение в пространстве, их перемещения отражаются верно, в полном соответствии с действительностью.

Этот вывод Сеченова соответствует марксистско-ленинской теории отражения: наше сознание черпает впечатления из ощущений, ко­торые, с одной стороны, являются результатом воздействия внешних предметов на органы чувств, а с другой стороны, неотделимы от работы мысли; от живого созерцания процесс познания ведёт к аб­страктному мышлению, проверяемому практикой, и в итоге челове­ческое сознание верно отражает объективную реальность.

Деятельность памяти и мышления направлена и на расчленение (анализ) фактов, и на связывание различаемого в одно целое - на обобщение (синтез) посредством отвлечения от второстепенных свойств предмета или маловажных признаков явления. В результате обобщения большого количества фактов наше сознание создаёт пред­ставления и понятия. Таким образом, абстрактное мышление опе­рирует понятиями, которые отражают в полном соответствии с, объективной реальностью типичные черты множества сходных вещей и характерные черты однородных явлений. Отражение - это согласование, соответствие между восприятием или мыслью и объективной реальностью; отражение - это образ, вернее, картина, как бы копия объективного мира.

При физическом исследовании мира, чтобы раскрыть закономер­ности, относящиеся к таким формам движения, как, например, элек­трические явления, которые непосредственно не доставляют нам большого числа чувственных восприятий, мы пользуемся представ­лениями и понятиями, выработанными при исследовании наиболее наглядной, наиболее осязаемой формы движения - механического движения. Именно так были введены в физику понятия об электри­ческой силе, об электрической работе, о магнитной силе и работе и связанные с ними представления об электрической и магнитной напря­жённости полей, об электрическом потенциале и т. п. По мере раз­вития наших познаний о более сложных формах движения некоторые неудачно введённые в физику из механики представления и понятия приходилось отбрасывать, так как ни одна сложная форма движения не сводима полностью к более простой форме движения; другие же понятия в основе своей сохранились, причём в деталях преобразо­вывались соответственно открываемым особенностям изучаемой формы движения.

Таким образом, физические понятия и представления о физических величинах вовсе не являются произвольным плодом творчества нашего мышления или простым результатом соглашений, сделанных физиками в целях унификации измерений, как это кажется махистам; физиче­ские понятия и представления о физических величинах отра­жают объективную реальность и отражают её тем вернее и полнее, чем выше ступень развития физики.

Всё ошибочное, что вводится в науку вследствие недостаточности наших познаний и по вине увлечения формализмом, который часто засоряет физику искусственными, ложными представлениями, - всё это в последующем развитии науки вскрывается как несоответствие истине и отбрасывается.

Развитие физико-теоретических представлений происходит по­средством замены одних устаревших теорий другими, более совер­шенными, которые по-новому, точнее объясняют возросший круг изученных явлений и в то же время сохраняют в себе все зёрна истины, имевшиеся в старых теориях.

Наряду с этой сменой теории, ведущей к их усовершенствованию, т. е. к более полному отражению реальности, громадное значение для развития физики имеет процесс постепенного, а иногда происходящего скачками преобразования смысла, содержания физических понятий.

Примером может служить развитие одного из основных физиче­ских понятий - понятия об атоме вещества.

Древние греки считали атом крайне малой частицей вещества, твёрдой, как крохотный камешек, имеющей шарообразную, овальную или какую-либо другую форму и снабжённой крючкообразными вы­ступами, которые своими сцеплениями при сближении атомов обеспечивают прочность тела. В XVII и XVIII вв. атом понимали как предел механического и химического деления вещества, как абсолютно твёрдую инертную частицу, которая является вместе с тем центром сил взаимного тяготения и сил молекулярного сцепления. В конце XIX и в начале XX вв. атом стали представлять себе как сложную частицу, состоящую из облака положительного электричества и не­которого числа размещённых в нём электронов, которые при внешних воздействиях на них смещаются и двигаются по законам классической электродинамики. Ещё несколько позже, в начале второго десяти­летия XX в., обнаружилось, что положительное электричество атома сосредоточено в крохотном массивном атомном ядре; вокруг ядра с громадной быстротой вращаются электроны, которые удерживаются только на определённых стационарных орбитах и испытывают изме­нение в состоянии движения не по законам классической электро­динамики, а по совершенно иным, квантовым законам. В настоящее время мы знаем, что ядро любого атома является сложным и состоит из положительных ядер водородного атома - протонов и таких же по массе нейтральных частиц-нейтронов; кроме того, стало ясным, что строение атома обрисовывается ближе к истине не геометриче­ской, а энергетической картиной, которая раскрывается волновой механикой (т. III).

Глубокое, коренное изменение претерпело и понятие об элек­тронах, которые ещё недавно физика считала как бы мельчайшими капельками электричества, равномерно распределённого в объёме шарика или же сосредоточенного на поверхности его. Достаточно сказать, что в настоящее время электроны и позитроны мы предста­вляем себе как частицы, которые имеют не только электрические, но и чисто магнитные свойства, как бы вызываемые вращением этих частиц вокруг своей оси, а в действительности имеющие более слож­ное происхождение; кроме того, известно, что электроны и позитроны имеют, как и все вообще мельчайшие частицы материи, некоторые свойства, присущие волнам; наконец, обнаружилось, что при опреде­лённых условиях пара частиц, электрон и позитрон, может превратиться в так называемый гамма-фотон-материальный пакет электромагнит­ных волн, как бы частицу излучения, которое отличается ещё большей проникающей способностью, чем рентгеновы лучи.

Даже такие, казалось бы простые, понятия, как вес и масса, пре­терпели при развитии физики глубочайшие изменения.

Первое преобразование понятия о весе тел было вызвано откры­тием шарообразности Земли: понятие веса пришлось связать с напра­влением силы веса к центру Земли. Ньютонов закон тяготения по­зволил обнаружить неправильность понимания веса тела как неизмен­ного свойства этого тела и привёл к расширенному пониманию веса как проявления тяготения между рассматриваемым телом и земным шаром или другим небесным телом, если имеется в виду вес тела по Отношению, например, к Луне, к какой-либо планете, к Солнцу и т. д.

При этом стала ясной зависимость веса тела на Земле от высоты расположения тела над уровнем моря. В соответствии с этими зако­нами механики и фактом суточного вращения Земли и её неточно шарообразной формы обнаружилась сложная зависимость веса как давления тела на опору от географической широты местности. Ещё более расширенное представление о весе было установлено в эйнштей­новой теории тяготения: здесь понимание тяготения, а в частности, стало быть, и веса, было связано со свойствами самого пространства, в котором расположены тяготеющие массы.

Представление о массе как о количестве материи в теле и в то же время как о мере инертности было введено в физику Ньютоном. Долгое время массу понимали как абсолютное, неизменное свойство тела, совершенно независимое от состояния движения тела, от сте­пени его нагретости, наэлектризованности и т. д. Однако, когда были открыты и исследованы электроны, обнаружилось, что их масса имеет электромагнитное происхождение. Это привело в свою очередь к открытию зависимости массы тела от скорости его движения, что сказывается только при очень больших скоростях, соизмеримых со скоростью света. Это открытие подсказало, что скорость света в пу­стоте (в эфире) есть предельная, наибольшая возможная скорость движения. Наконец, было установлено, что масса тела и энергия тела являются двумя мерами материи в её движении и что эти две меры: одна, определяющая количество материи, - масса, и другая, определяющая размах движения и взаимодействия,-энер­гия, строго пропорциональны друг другу. Коэффициент пропорцио­нальности, на который нужно умножить массу тела, выраженную в граммах, чтобы получить его энергию в эргах, равен квадрату ско­рости света в пустоте (в см/сек).

В процессе развития физики, как известно, неузнаваемо измени­лись представления о теплоте, о магнетизме, о свете, о природе молекулярных сил и т. д. Каждое новое, изменившееся содержание физических понятий всё глубже, вернее, полнее отражает объектив­ную реальность.

Цель физики - содействовать покорению природы человеком и в связи с этим раскрывать истинное строение материи и законы её движения.

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.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Введение

Физические представления античности и Средних веков

Развитие физики в Новое время

Переход от классических к релятивистским представлениям в физике

Современная физика макро- и микромира

Заключение

Введение

Физика на протяжении всей новой и новейшей истории была лидером научного прогресса. Ее концепции и методы служили образцами для других наук, то есть она была как бы парадигмой естественнонаучного познания в целом. И лишь во второй половине XX века развитие других направлений привело к тому, что физика стала терять свое абсолютное лидерство. Но и сегодня во многих отношениях научно-технический прогресс базируется на основных физических концепциях и тех разработках частных вопросов, которые с этими основными концепциями связаны.

Обобщающие физические теории вполне законно стремятся раскрыть наиболее глубокую основу ещё более широкого круга явлений, но мысль физиков не удовлетворяется эти и так сказать по инерции устремляется к конкретно - физическому объяснению устройства всего мира в целом. И не раз казалось, что эта цель уже достигнута - то в виде классической механики, потом в виде термодинамики, теперь в виде обобщающих теорий полей и элементарных частиц. Но время и новые открытия неумолимо заставляют признать несбыточность подобных надежд. Применительно ко всему миру в целом приходится обходится лишь философскими размышлениями и обобщениями, лишь общей теорией диалектики, лишь качественными оценками, а не количественными расчётами.

1. Физические представления античности и Средних веков

Термин «физика» появляется в античной философской и научной мысли в VI-V веках до нашей эры. Физиками тогда, называли тех мыслителей, которые пытались дать более или менее целостную картину мира, окружающего человека. При этом они мало внимания обращали на то, каким образом, при помощи каких методов и познавательных процедур возникает это знание. К тому же разрабатываемую ими картину мира они считали абсолютной истиной, которая не нуждается ни в каком дальнейшем уточнении. И все же они выдвинули, почти не обращаясь к реальному опыту, ряд принципиальных идей, которые впоследствии получили развитие в физике Нового времени и даже стали основой ее дальнейшего прогресса.

Наиболее фундаментальной идеей в этом отношении был принцип атомизма, который позволил Демокриту и Эпикуру качественно объяснить возникновение многообразия в окружающем мире и показать, что для этого достаточно сравнительно простых моделей. Так, различие двух любых вещей полностью объясняется всего тремя свойствами: числом атомов, из которых они состоят; формой этих атомов, которая адекватно описывается геометрией; отношениями между атомами.

Всякое изменение вещи, как количественное, так и качественное, зависит от изменения этих трех характеристик и от их соотношения. Такое понимание физической реальности привело к представлению о бесконечности мира и одновременно к утверждению, что основа физической реальности, то есть атомы, абсолютно неизменны, следовательно, они существуют вне времени. Тем самым формулировался принцип несотворимости и неуничтожимости вещества и материи. Правда, для атомистов материя существовала в двух формах: как атомы, или полное, и как пустота.

Таким образом, абстрактное противоречие движущейся материи, сформулированное еще Гераклитом как единство бытия и небытия, приобрело конкретную физическую форму как отношение полного и пустого. Полное - это бытие, пустое - небытие. Противоположности оказались при этом абсолютно разделенными, что надолго предопределило развитие физических парадигм. Здесь же была поставлена еще одна проблема, а именно проблема элементарности, то есть атомы абсолютно элементарны. Ведь они никаким способом не обнаруживают своей внутренней структуры, они абсолютно неделимы.

Эта модель физической реальности использовала и такие парадигмы, которые продолжали играть важную роль на протяжении всей последующей истории физики, их коренной пересмотр произошел в сущности только в XX веке, так как только с развитием квантовой механики и исследованиями элементарных частиц были в принципе пересмотрены понятия вакуума и элементарности.

Хотя античные мыслители разрабатывали различные аспекты понимания физических явлений, они не затрагивали самой сути физической реальности. Решающее значение для дальнейшего развития физики, да и всего естествознания имели три концепции. Это атомизм Демокрита и Эпикура, концепция возникновения порядка из хаоса Эмпедокла и Анаксагора и физика Аристотеля, в которой он попытался дать описание движения исходя из принципов своей философии. Аристотель вслед за Платоном полагал, что логически может быть выражено лишь то, что не имеет в себе противоречия. Но изменение, движение противоречивы, поэтому познание направлено на то, что является причиной движения, изменения. Такой причиной, по Аристотелю, является форма, то есть система общих свойств. Форма одновременно и причина движения, изменения, и цель процесса. Поскольку форма неизменна, то следует вывод, согласно которому движение происходит лишь постольку, поскольку действует его причина. Устранение причины устраняет и само движения. Это утверждение Аристотеля стало господствующим в средневековой физике, которая разрабатывалась в европейских университетах и в сущности оставалась в рамках философии. И хотя делались попытки пересмотреть эту аристотелевскую парадигму, она продолжала господствовать в физических представлениях вплоть до XVII века.

Галилей нанес первый серьезный удар по этой физической парадигме. Введение принципа инерции показало, что если тело движется прямолинейно и равномерно, то оно будет сохранять это состояние и тогда, когда на него не будет действовать никакая сила. Таким образом, по отношению к механическому движению был сформулирован принцип тождества противоположностей. Оказалось, что состояние равномерного и прямолинейного движения и состояние покоя настолько тождественны, что, находясь внутри системы, никаким механическим экспериментом нельзя обнаружить, движется она или покоится.

Именно эти парадигмы и определили первый этап развития физики Нового времени.

Последующее развитие физики, в частности, осуществленное Ньютоном, было лишь развитием фундаментального открытия Галилея. Однако при этом были введены в физику некоторые парадигмальные идеи. Во-первых. Ньютон в сущности понимает атомизм или корпускулярную концепцию материи возможно под влиянием работ Бойля, но распространяет это на теорию света, рассматривая свет как поток корпускул. В то же время, явно или неявно, Ньютон допускает две весьма существенные идеализации. Во-вторых, мгновенность действия и дальнодействие, по крайней мере для сил гравитации. Тем самым вводится предположение о существовании вневременного процесса. Ведь как мгновенность действия, так и дальнодействие исключают временную характеристику взаимодействия. В-третьих, Ньютон предположил, что пространство и время - это самостоятельные и независимые от материи сущности. Все физические процессы разворачиваются во времени и пространстве, но не взаимодействуют с ними.

Используя эти представления о физической реальности, Ньютон построил первую космологическую модель. Согласно этой модели в бесконечном пространстве относительно равномерно распределены звезды, их также бесконечно много. Если бы пространство было конечно или число звезд было конечным, то силы гравитации стянули бы все звезды в единое тело. Устойчивость космоса основана, таким образом, на бесконечности пространства, бесконечном числе звезд и относительной равномерности распределения этих звезд в пространстве.

Успехи механики в ХVII-ХVIII веках привели как самих физиков, так и философов-материалистов к методологической установке парадигмального характера: познать что-либо - это значит построить механическую модель изучаемой области и таким образом свести ее к законам механики. Эти законы являются наиболее фундаментальными, и любой другой закон - это лишь конкретизация законов механики. Эта установка настолько прочно вошла в сознание физиков, что даже Максвелл, создатель теории электромагнитного поля, вначале пытался объяснить его, используя механические модели. Даже в 1900 году общепризнанный авторитет в физике того времени Томпсон, он же лорд Кельвин, утверждал, что принципиально новых открытий в физике ожидать нельзя, все такие открытия уже сделаны, - это законы механики. Новая парадигмальная структура в физике начинает формироваться в связи с изучением электромагнитных явлений. Вначале, естественно, делаются попытки рассмотреть эти явления в той же системе парадигм, к которой физиков приучила механика. Вместо тяготеющих масс теперь рассматриваются электрические заряды, которые притягиваются или отталкиваются по закону, аналогичному закону тяготения. Однако вскоре выяснилось, что с электромагнитными явлениями связаны такие закономерности, с которыми классическая механика не имела дела. Поэтому пришлось пересмотреть саму субстанцию физических явлений. Изучение света показало, что корпускулярная модель, которую использовал сам Ньютон, недостаточна. Более адекватной оказалась волновая модель. Но для распространения волн нужна среда, и в качестве такой среды был постулирован эфир. Таким образом, атомы и эфир - это две субстанции, которые должны были позволить свести все физические явления к законам механики. Однако уже Максвелл в своих последних работах отказывается от механических моделей и выводит уравнения теории электромагнитного поля. Исследования этой теории показали, что она вовсе не нуждается в механике, что относится к своему собственному эмпирическому материалу так же, как классическая механики к своему. Это две независимые теории, описывающие качественно различные процессы.

Однако парадигма, господствовавшая еще в физике, требовала редукции одних законов к другим. Поэтому вместо механической картины мира возникают попытки построить электромагнитную картину мира, включающую объяснение механических явлений. Таким образом, создание теории электромагнитного поля стало завершением того процесса, который существенно изменил парадигмальную структуру физического мышления. Электромагнитные процессы разворачиваются в любой среде, в том числе в вакууме, и поэтому вакуум, в котором реализуются эти процессы, уже не является абсолютной пустотой.

Поскольку благодаря электромагнитным моделям было выявлено единство таких, казалось бы, разнородных процессов, как электричество, магнетизм, свет, то естественно было ожидать, что в основе всех этих процессов лежит одна и та же субстанция, то есть эфир. Между тем сопоставление опытов Физо и Майкельсона - Морли показало, что понятие эфира противоречиво. Он должен одновременно захватываться движением Земли и не захватываться. Но противоречивое понятие не может быть основой теоретических моделей. Открытие фотоэффекта показало, что свет, то есть электромагнитное колебание, одновременно обладает как волновой, так и корпускулярной природой. Таким образом, эфир оказался не нужным, поскольку он не в состоянии объяснить двойственную природу электромагнитных процессов.

Переход от механических моделей физических процессов к электромагнитным принципиально меняет одну из фундаментальных парадигм, которая берет начало от античного атомизма. Для всей физики от античности, до второй половины девятнадцатого века господствовала парадигма, согласно которой носителем свойств, субъектом физической реальности являются частицы, корпускулы и т.д. Теперь же оказалось, что таким носителем и соответственно субъектом является поле. Но поле в отличие от корпускул, непрерывно. Согласно математическому определению поле, в отличие от вещества, - это система, обладающая бесконечным числом степеней свободы.

3. Переход от классических к релятивистским представлениям в физике

Своё развитие концепция поля получила в теории относительности. В работах Пуанкаре и Эйнштейна были заложены основы нового понимания физической реальности. Согласно Пуанкаре, если мы сталкиваемся с ситуацией, в которой известные нам физические законы уже не могут объяснить эмпирические факты, существует две возможности решения проблемы: можно изменить, во-первых, сами законы, а во-вторых, - пространство и время. При этом мы получим тождественные по результатам решения проблемы. Однако легче произвести преобразования свойств пространства и времени. Лоренц показал, как это можно сделать математически, а Минковский построил для этой цели такое математическое представление пространства-времени, которое выявило их неразрывную связь.

В основе этих математических построений лежало обобщение идеи, которая берет начало от принципа относительности Галилея. Как уже говорилось, согласно этому принципу, находясь внутри системы, невозможно посредством механического эксперимента выяснить, движется эта система или покоится, при условии, что система инерциальна, то есть находится в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения.

Этот принцип отождествляет движение и покой лишь с точки зрения механического движения. Но к началу XX века физика уже имела дело с качественно разнообразными процессами. Отсюда естественное обобщение принципа Галилея: находясь внутри инерциальной системы, никаким физическим экспериментом нельзя обнаружить, движется она или покоится. Следовательно, тождество покоя и движения обобщается по отношению к любому физическому процессу. Но для того чтобы построить специальную теорию относительности, нужен второй постулат, и в качестве такого постулата был использован результат эксперимента Майкельсона - Морли, согласно которому скорость света в вакууме не зависит от скорости источника света. Для вакуума эта величина постоянная и вообще является пределом скорости для всех физических взаимодействий. Применяя математический аппарат Лоренца и Минковского и введя ряд эпистемологических допущений, основанных на мысленном эксперименте, можно показать. Во-первых, не существует универсального способа выявления одновременности событий, поскольку для этого необходимо обмениваться сигналами, а скорость прохождения сигнала конечна. Следовательно, два наблюдателя, движущиеся относительно друг друга, получат разные результаты при попытке установить одновременность одного и того же события. Во-вторых, при раздельном измерении пространственного и временного интервала мы, в зависимости от системы отсчета, будем получать разные значения. Абсолютной величиной, не зависящей от наблюдателя, обладает лишь пространственно-временной интервал.

Несмотря на всю революционность этой концепции пространства и времени как основы понимания всех физических процессов, ее нередко относят к классической физике. Дело в том, что теория относительности сохранила то понимание детерминизма, которое было парадигмальным для классической физики, в то время как с созданием квантовой механики был пересмотрен лапласовский детерминизм. Ему на смену пришло представление о вероятностной детерминации и неопределенности как неотъемлемой характеристики всякого физического взаимодействия.

В специальной теории относительности тождество покоя и движения было представлено в обобщенной форме, поскольку речь в ней идет не только о механических взаимодействиях, но о любых физических экспериментах и, следовательно, о том, что любые физические законы инвариантны, в инерциальных системах. Но даже и такое обобщение является неполным. Ведь речь идет лишь об инерциальных системах.

Следующий шаг, обобщающий принцип тождества покоя и движения в физических процессах, должен был состоять в том, чтобы распространить его и на ускоренное движение. Это было сделано в общей теории относительности. В ней утверждалось, что никаким физическим экспериментом, находясь внутри системы, нельзя выяснить, покоится система или движется, независимо от того, каким является это движение. Иными словами, был введен принцип тождества гравитационной и инерциальной массы.

Такая постановка проблемы движения и физического взаимодействия вообще привела к изменению понимания пространства и времени. Гравитацию можно было представить как кривизну пространства, зависящую от распределения в нем тяготеющих масс. Вполне естественным казался вывод, доказанный Эйнштейном и Инфельдом, согласно которому общая теория относительности является третьим и последним этапом в развитии теории движения. Ведь принцип тождества покоя и движения получил в ней предельное обобщение.

Создание обшей теории относительности позволило по-новому поставить проблему создания космологических моделей. Хотя вплоть до XX века астрономы исходили из ньютоновской модели Вселенной, однако уже в XIX веке выяснилось, что эта модель содержит в себе противоречие наблюдаемым фактам. Яснее всего это выразилось в так называемом фотометрическом и гравитационном парадоксах. Как показал Ольберс, если пространство бесконечно и равномерно заполнено звездами, то их свет должен суммироваться и, следовательно, ночное небо должно светиться с яркостью Солнца, поскольку Солнце по своей светимости средняя звезда. Однако этого не наблюдается. Следовательно, что-то в предположениях, на которых построена эта модель, неверно. Позднее Зейлегер доказал так называемый гравитационный парадокс. Согласно этому парадоксу, если в пространстве бесконечно много тел, то силы тяготения суммируются и ускорение в любой точке пространства под действием этих сил будет бесконечно большим.

Единственный способ избавиться от этих парадоксов при сохранении мира в пространстве состоит в том, чтобы принять определенные соотношения между звездами и звездными системами. Если эти расстояния выстраиваются в ряд Даламбера, который сходится, то парадоксы исчезают, но при этом количество вещества в пространстве стремится к нулю. Поскольку ньютоновская модель была построена на основе классической механики, то с созданием релятивистской механики, то есть механики теории относительности, появилась возможность построить принципиально новую космологическую модель. Предположив определенную плотность вещества во Вселенной, несколько большую величины грамм на десять в минус двадцать девятой степени на кубический сантиметр, Эйнштейн получил космологическую модель Вселенной в виде четырехмерного множества событий в форме цилиндра с конечным радиусом и бесконечной временной осью. При этом он рассмотрел лишь то решение уравнений, которое описывало стационарную модель.

Как показал впоследствии Фридман, эти уравнения имеют и нестационарное решение. При этом пространство будет либо сжиматься, либо расширяться. При положительной кривизне, когда плотность массы выше критической, кривизна положительна и «Вселенная» сжимается, при плотности меньшей критической кривизна отрицательна и «Вселенная» расширяется. Когда в 1929 году Хаббл обнаружил красное смещение в спектрах удаленных Галактик, он истолковал его по принципу Доплера, согласно которому при удалении источника колебаний идущая от него частота колебаний уменьшается, что для света и означает сдвиг в красную сторону спектра. Это было воспринято как подтверждение вывода Фридмана о нестационарности Вселенной, а точнее о том, что Вселенная расширяется.

Теория относительности произвела революцию прежде всего в понимании мегамира и лишь позднее выяснилось, что на уровне микромира также действуют законы, сформулированные в ней.

хаос релятивистский физика анаксагор

4. Современная физика макро- и микромира

Наиболее фундаментальным результатом, который изменил одну из основных парадигм физики, был вывод о том, что все фундаментальные физические законы имеют статистический характер. Решающее значение при этом имело открытие принципа неопределенности Гейзенберга. Согласно этому принципу дельта X, умноженная на дельта P, больше, равно H.

При уменьшении одной из этих погрешностей вторая растет и, таким образом, состояние элементарной частицы всегда оказывается неопределенным. Но если исходное состояние не может быть точно определено, то тем более оказывается неопределенным последующее состояние частицы. Важно, что такая неопределенность присуща не только положению частицы в пространстве, но и ее энергетическому состоянию. Следовательно, с физической точки зрения неопределенность оказывается неотъемлемым свойством всякого физического взаимодействия во всех формах его проявления.

Развитие теории элементарных частиц и квантовой механики позволило поставить ряд фундаментальных физических и философских проблем. Во-первых, это вопрос о неисчерпаемости физической реальности вглубь. Подобно тому, как Эйнштейн и Инфельд доказали теорему, согласно которой общая теория относительности дает столь полное описание движения, что никакой дальнейший качественный прогресс в этой области уже невозможен, точно так же фон Нейман доказал теорему о скрытых параметрах. Согласно этой теореме, законы квантовой механики - это последняя ступень в описании физических взаимодействий в микромире. Более глубокого описания не может быть. Если скрытые параметры и существуют, то они не могут проявиться. Поэтому законы квантовой механики могут основываться не на других физических закономерностях, а лишь на законах больших чисел, то есть на математической структуре. В это пункте физика как бы вновь вернулась к пифагорийскому обоснованию физической реальности.

Между тем исследования в области элементарных частиц были направлены на то, чтобы найти более глубокий уровень организации элементарных частиц. Долгое время казалось, что теорема фон Неймана в определенном смысле подтверждается экспериментом. Такое подтверждение видели в том, что при попытке выявить структуру элементарной частицы, найти те частицы, из которых она состоит, каждый раз возникала парадоксальная ситуация, качественно отличная от взаимодействия на микроуровне. Макротела при достаточно сильном внешнем воздействии распадаются на те части, из которых они состоят. В отличие от этого, если мы прикладываем к элементарной частице даже такую энергию, которая превосходит ее собственную, то есть E = M*C2, где M - масса частицы, на которую осуществляется воздействие, она не разрушается, а порождает частицы того же уровня. Поэтому стали говорить, что неисчерпаемость физической реальности на уровне микромира состоит не в том, что есть более глубокий, более тонкий уровень организации, а в том, что многообразие элементарных частиц образует неисчерпаемое множество свойств и взаимосвязей.

И все же стремление найти более глубокий структурный уровень организации материи сохраняется. На этом пути были созданы несколько теорий, которые частично получили подтверждение в эксперименте. Такова, например, теория кварков, теория партонов, то есть частичных частиц, которые не существуют вне целого, то есть вне своей частицы. Хотя сегодня уже открыты сотни элементарных частиц, большинство из них обладают очень коротким периодом жизни, и только несколько частиц являются стабильными, например электрон, протон, фотон, нейтрино.

Всякое взаимодействие на уровне элементарных частиц осуществляется через виртуальные частицы. Они связывают между собой элементарные частицы. Например, посредством пи-мезонов протоны взаимодействуют с нейтронами, благодаря чему атомные ядра устойчивы. Виртуальные частицы остаются до конца непонятыми и весьма загадочными. С одной стороны, они реально существуют, так как без них не было бы взаимодействия, атомные ядра развалились бы, а электроны не могли бы вращаться по атомным орбитам. С другой стороны, их безусловное существование многие теоретики не признают, так как в этом случае нарушается закон сохранения энергии. Поэтому приходится вслед за Гераклитом утверждать, что они одновременно как существуют, так и не существуют.

Благодаря исследованию, области квантовой механики и элементарных частиц появилась возможность по-новому взглянуть на вакуум. Оказалось, что в вакууме постоянно возникают и исчезают парами частицы и античастицы. Однако время их существования настолько мало, что экспериментально обнаружить их невозможно. Обнаружение таких частиц противоречило бы принципу неопределенности Гейзенберга. Именно в силу краткости существования частиц вакуума тела, движущиеся в нем, практически не испытывают сопротивление. Однако специальными экспериментами, основанными на математических моделях, можно косвенно обнаружить появление и исчезновение виртуальных пар частиц и античастиц. Здесь также мы имеем ситуацию, когда частицы присутствуют в вакууме и в то же время их там нет.

Уже в 1930-е годы стало ясно что в основе всех физических явлений лежат четыре вида взаимодействий. Это гравитационное, имеющее решающее значение на макро- и мегауровнях организации физической реальности; электромагнитные, проявляющиеся на микро- и макроуровнях; сильные взаимодействия, определяющие внутриядерные силы; слабые взаимодействия, определяющие распад протонов. При этом сразу возник вопрос: можно ли эти силы свести к некоторому единству, то есть возникла проблема создания единой теория поля. Естественно, что вначале попытались идти тем путем, который всегда давал хорошие результаты, то есть осуществить редукцию одних законов к другим. Так, Эйнштейн много лет пытался создать единую теорию поля, стремясь вывести из общей теории относительности три другие взаимодействия. Неудача, которая постигла его на этом пути, определялась тем, что успешно вывести одно из другого можно лишь тогда, когда это отражает объективную связь. Между тем все четыре взаимодействия являются следствием более общего исходного взаимодействия. Успех появился лишь тогда, когда потребность объяснить Большой взрыв заставила подойти к этой проблеме эволюционно и начать при этом с самого простого - с вакуума. Именно так разрабатывается эта проблема в моделях Большого взрыва. Если первоначально предполагалось, что исходным состоянием эволюции нашей Вселенной было особое, сверхплотное сгущение вещества и энергии, и затем благодаря взрывному процессу пошел синтез элементарных частиц и тем самым возникло то исходное состояние, в котором уже действовали известные нам четыре физические взаимодействия, то в современной космологии в качестве исходного состоянии принимают вакуум.

Большой взрыв рассматривается как флуктуация вакуума, в процессе которой нарушилось относительное равновесие сил притяжения и отталкивания, что и привело к колоссальному выделению энергии.

Таким образом, наша Вселенная возникает из того, что является предельно простым в современной физической реальности, то есть из вакуума, или из «ничего». Гегель в своей «Логике» утверждал, что развитие идет от ничего через нечто к ничему. В.И. Ленину это утверждение показалось сомнительным, он писал по этому поводу, что к ничему бывает, но из ничего не бывает. Но с точки зрения модели Большого взрыва, как раз из «ничего» и возникает наша Вселенная. Ведь само понятие «небытие» в философии Гегеля относительно, поскольку оно тождественно понятию «бытие». Поэтому начинать с бытия или небытия не имеет в этой философии принципиального значения. Каждое из этих понятий непосредственно превращается в другое, давая тем самым понятие «становление». А становление порождает наличное бытие, то есть такую определенность, в которой уже задано качество. Примерно так же дело обстоит и в космологической модели Большого взрыва. Внутреннее противоречие, заложенное в вакууме, порождает процесс, а результат этого процесса - определенность законов физической реальности.

Заключение

Формирование научной картины мира в эпоху становления и развития классического естествознания в значительной степени зависело от быстро изменяющегося отношения между натурфилософским знанием и знанием, основанным на опытном исследовании. Все более усиливающийся приоритет научного знания и в связи с этим акцентированное внимание к методологической и гносеологической проблематике привел к замене натурфилософской картины мира концепциями природы, в центре которых оказывались фундаментальные для данной эпохи области естествознания.

В то же время процесс формирования подлинно научной картины мира был достаточно противоречив. Так, хотя натурфилософия и гуманизм оказали разрушительное влияние на средневековую схоластику, они быта еще не в состоянии полностью вытеснить миросозерцание элементов схоластического перипатетизма и мистики. Лишь с возникновением классической механики и астрономии основанных на аксиоматике и развитой математике, картина мира приобретает существенные черты научного миросозерцания. Выдающуюся роль в этом процессе сыграла новая гелиоцентрическая парадигма Коперника, галилеевский образ науки, ньютоновская методология в построении системы мира. Стало возможным формирование научной картины мира, в основе которой лежало эмпирически обоснованное знание.

На данный момент наукой установлено огромное многообразие материальных объектов, представляющих микро, макро и мега миры, но остается открытым вопрос, исчерпывают ли эти открытия все существующее вообще. Многообразие материи и её движение бесконечно, при чем не только количественно, но и качественно. Принцип качественной бесконечности природы, означает признание неограниченного многообразие структурных форм материи, различающихся самыми фундаментальными законами бытия.

Список использованной литературы

1.Введение в историю и философию науки. М.: Академический Проект, 2005 -407 с.

.Войтов, А.Г. История и философия науки: учебное пособие для аспирантов - М.: Дашков и К, 2007 - 691 с.

.Горелов А. А. Концепции современного естествознания. - М.: Центр, 2007. -226 с.

.Гусейханов М. К., Раджабов О. Р. Концепции современного естествознания. -М.: ИТК «Дашков и К°», 2008. - 378 с.

.Небел Б. Наука об окружающей среде. Как устроен мир. - М.: Мир, 2010. - 280 с.

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.