Краткая история физики

До эпохи Возрождения, последовавшей за тысячелетием застоя,
большинство научных открытий было совершено в Древней Греции,
хотя родиной многих открытий и изобретений были также
 арабские страны и Китай.
Особенно больших успехов греки достигли в математике и астрономии.
 Правда, многое из того, что принято в наследство от древних греков,
 было известно уже вавилонянам.
 Однако именно греки ввели понятие доказательства.
Греческим мыслителям мы обязаны и другой важной идеей:
 о возможности объективного познания природы.
 И все же физика древних греков во многом была несовершенной.
Ее основные представления были разработаны Аристотелем и базировались
 на аналогиях с поведением человека и животных в том смысле,
 что явления природы объяснялись целями,
достижению которых они якобы служат.
Греческие астрономы наблюдали небо и записывали свои наблюдения,
однако не существует никаких свидетельств того,
что они проводили научные эксперименты.
Античный мир породил лишь две фигуры, внесшие важный вклад в формирование основ современной физики: Демокрит из Абдеры (ок. 460–370 до н.э.) во Фракии (ныне Болгария) и Архимед из Сиракуз (ок. 287–212 до н.э.). Демокрит первым из великих математиков оказал глубокое влияние на развитие физики. Более всего Демокрит известен как создатель атомистической теории. Идея атомистики, по-видимому, зародилась у его учителя Левкиппа из Милета, фигуры апокрифической, о котором мало что известно. Аргументы атомистов носили косвенный характер (чему вряд ли приходится удивляться, если принять во внимание, что прямые экспериментальные исследования атомных явлений стали возможны только в 20 в.). Они полагали, что, хотя в природе и происходят непрерывные изменения, в ней также, по всей видимости, имеется некий неизменный субстрат. Демокриту этот субстрат виделся как совокупность атомов, а рост и распад организмов и растений – лишь как проявления изменений в расположении неизменных атомов. Плавление твердых тел и испарение жидкостей он объяснял как переход совокупности атомов к менее связанному состоянию.
Эпохальные открытия часто можно отнести к одной из двух категорий.
 Открытие первого рода состоит в обнаружении неожиданно нового явления
в эксперименте,
который может быть повторен с тем же результатом кем угодно;
такое открытие заставляет пересмотреть понятия,
 ранее считавшиеся твердо установленными.
В качестве примера можно привести обнаружение
Галилеем спутников Юпитера и открытие Рентгеном излучения,
носящего ныне его имя.
 К открытиям другого рода принадлежат такие,
 в которых наблюдаемые явления оставляют место для размышлений и выводов. Такие открытия в конечном счете основаны на свойственном ученому интуитивном ощущении природы вещей,
 и именно к ним относятся открытия,
совершенные Левкиппом и Демокритом.
К этой же категории принадлежат теория строения Солнечной системы Коперника и
 специальная и общая теории относительности Эйнштейна.
Второй великий предтеча современной физики, Архимед, был величайшим математиком древности. В центре его интересов была статика, которая занимается изучением сил в состоянии равновесия. Например, Архимед показал, как находить центр тяжести различных геометрических фигур. Другая важная работа Архимеда – трактат о гидростатике и плавающих телах. Хотя его труды, в отличие от атомистической теории, не были нацелены на выяснение самой сути природы, они позволили физике подняться еще на одну ступень, показав, как с помощью математики можно расширить физические представления. Иногда математика дает возможность систематизировать все следствия некой физической гипотезы, выражая их в виде соотношений, истинность или ложность которых поддается экспериментальной проверке. В древности этот вывод сделал для себя, пожалуй, лишь Архимед; в Средние века этот урок был предан забвению, и его пришлось открывать заново в эпоху Возрождения.
В конце 16 в. в теоретической астрономии возник кризис,
распространившийся и на другие области естествознания.
Его результатом стал полный переворот во взглядах человека на самого себя
 и на окружающий его мир.
Событие, послужившие причиной такого переворота,
внешне выглядело вполне заурядно:
в 1543 вышла в свет книга Коперника Об обращениях небесных сфер (De Revolutionibus), в которой было показано,
что движение небесных тел легче понять и описать, если предположить,
 что в центре Солнечной системы находится Солнце,
 а Земля – лишь одна из планет, которые обращаются вокруг него.
 Старая птолемеевская теория помещала неподвижную Землю
 в центр мироздания,
а звезды и планеты,
которые мыслились расположенными на прозрачных сферах,
 обращались вокруг Земли.
Новая теория предлагала по-новому посмотреть на устройство мира.
 По Аристотелю, Земля находится в центре мироздания потому,
 что состоит из тяжелых веществ, которых заставило собраться в центре мира их естественное движение.
 Каждый объект во Вселенной имеет свое собственное место,
к которому он стремится, если может двигаться свободно и если его место не занято чем-то другим, что должно находиться в другом месте.
Место земли, воздуха, огня и воды – под самой низкой сферой, сферой Луны. Все в более высоких сферах состоит из особой субстанции – эфира – и не подвержено ни изменению, ни гибели.
Понятия собственного места и назначения применимы повсюду:
в царствах растений и животных, в человеческих сообществах, в нематериальном мире.
Выше всего этого стоит Бог, придающий смысл мирозданию и
дарующий ему существование.
Солнечная система была важной частью Божественного замысла,
 и когда Коперник поставил под вопрос эту часть,
стало ясно, что опасность грозит и всему целому.


К началу 1600-х годов опасность стала еще более реальной.
 Немецкий астроном И.Кеплер (1571–1630) усовершенствовал
 коперниковскую теорию, заменив круговые орбиты эллипсами,
а неравномерное движение – равномерным,
 после чего новая теория стала настолько точной,
что обращение к старой стало просто неуместным.
 В 1608 флорентийский математик и физик Галилео Галилей (1564–1642) изобрел телескоп,
 с помощью которого вскоре удалось получить наглядное подтверждение правильности новой теории,
и решился высказать мысль,
которая должна была произвести переворот в умах итальянцев
 и прежде всего – в умах папы Урбана VIII и кардиналов.
«О философии – писал Галилей – можно прочесть в величественной книге – я имею в виду Вселенную, и эта книга постоянно открыта нашему взору, но понять ее может лишь тот, кто сначала научится постигать ее язык и толковать символы, которыми она пользуется. Написана же она на языке математики, а символы ее – треугольники, круги и другие геометрические фигуры, без которых человек не смог бы понять в ней ни единого слова; без них он был бы обречен блуждать в потемках по лабиринту».
Тысячу лет люди искали истину в бесконечных спорах о латинских текстах отцов церкви. Оказывается, они использовали не тот язык и не те книги. После нескольких тайных заседаний суда инквизиции Галилею было запрещено следовать коперниковскому учению. Галилей не подчинился и в 1633 в возрасте 70 лет был вызван на публичный процесс, отрекся от своего учения, несмотря на это, был приговорен к пожизненному домашнему аресту. Но этот запрет вернул Галилея к фундаментальным исследованиям, и через пять лет он опубликовал свой последний и наиболее значительный труд Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки. Науки эти – статика, динамика. Эта работа Галилея стала основой исчерпывающего объяснения коперниковской системы, которое Ньютон дал спустя 50 лет.
До 1940-х годов основные виды известной тогда материи выглядели довольно просто: атом состоял из электронов, движущихся вокруг массивного ядра; при некоторых условиях он испускал свет в форме квантов, называвшихся фотонами; ядра состояли из нейтронов и протонов (нуклонов), каждый из которых обладал массой, примерно в 1840 раз превышающей массу электрона; частица третьего типа с массой, промежуточной между массой электрона и протона, названная «мезоном», отвечала за взаимодействие частиц ядра (нуклонов), а фотон, квант электромагнитного поля, удерживал вместе электрон и ядро. В то время было естественно рассматривать все перечисленные выше частицы как элементарные формы материи, аналогичные элементам традиционной химии, из которых состоит все, что нас окружает. Однако с открытием в последнее время большого числа новых частиц зародилось сомнение в том, что все они действительно элементарны. Основные работы в этой очень трудной области физики ведутся в научно-исследовательских центрах, располагающих чрезвычайно дорогостоящими экспериментальными установками. В Соединенных Штатах это Брукхейвенская и Аргоннская национальные лаборатории, Национальная лаборатория ускорителей близ Чикаго, Станфордский линейный ускоритель, в Западной Европе – ЦЕРН, Европейский совет по ядерным исследованиям (European Council for Nuclear Research) в Женеве, объединяющий 12 стран. Несколько научно-исследовательских центров, возникших при больших ускорителях, имеется в России. Главная задача фундаментального изучения материи состоит в том, чтобы как можно больше узнать о всех возможных ее формах, т.е. установить, какие бывают элементарные частицы и каковы их свойства, объяснить, почему наша Вселенная содержит именно эти, а не другие разновидности частиц. В 1970-х годах возникла теория, в которой элементарные частицы считались состоящими из еще более фундаментальных «кирпичиков» материи – кварков. Сначала кварков было всего три, затем их стало 12, а чуть позже – 15. Как это часто бывало в прошлом с другими теориями материи, с каждым таким расширением списка частиц усиливалось подозрение, что теория кварков при всей ее привлекательности все же не является подлинно фундаментальной. Второе общее направление, которому следует в своем развитии фундаментальная физика сегодня, – это изучение форм материи, состоящих из большого числа связанных частиц. Одно из направлений такого рода исследований занимается изучением газов, частицы которых слабо связаны и основное время проводят в свободном полете. Если не считать поведения газов при экстремальных условиях (такого рода вопросы интересуют тех, кто, например, занимается изучением ракетных двигателей), в этой области знаний сейчас нет ни одного принципиального вопроса, на который нельзя было бы дать ответ.




Что касается жидкостей и твердых тел,
 то здесь предстоит выяснить еще многое.
 В частности, твердые тела обладают разнообразными механическими, электрическими и магнитными свойствами,
для объяснения которых недостаточно знать,
из каких частиц эти тела состоят,
 поскольку упомянутые свойства зависят также от их агрегатного состояния. Физика твердого тела – быстро развивающаяся область науки,
и отчасти это связано с ее большим прикладным значением:
так, транзисторы и другие полупроводниковые устройства,
созданные как результат исследований и
 разработок в области физики твердого тела,
произвели настоящую революцию в электронике.
Еще одно состояние агрегации мы находим в атомном ядре.
Поскольку ядро очень мало и его составляющие прочно связаны ядерными силами, оно представляет собой очень трудный объект для изучения,
так что сведения о его структуре и типах внутриядерного движения весьма скудны. Исследования в этой области широко поддерживаются правительствами, поскольку ядерной энергии придется удовлетворять значительную часть энергетических потребностей человечества,
когда иссякнут источники нефти и угля.
 Наконец, упомянем о физике плазмы, одной из новых областей науки.
Плазма – это раскаленный газ, состоящий из проводящих электричество ионов и электронов, но его поведение заметно отличается от поведения газа при обычных условиях. Если учесть, что все звезды и значительная часть межзвездного вещества – плазма, то получается,
что во Вселенной в таком состоянии находится более 99% материи. Следовательно, для проникновения в тайны космоса необходимо как можно более полно исследовать свойства самой плазмы.
Кроме того, для создания наиболее перспективных –
термоядерных источников энергии, по-видимому,
 потребуется воспроизвести условия,
царящие в недрах звезд.
До Второй мировой войны почти все значительные исследования в области физики выполнялись в университетских лабораториях, поддерживаемых университетскими фондами. После войны ситуация изменилась по трем причинам. Во-первых, создание новых экспериментальных установок стало для университетских бюджетов слишком дорогим делом, что привело к необходимости широкомасштабного участия государства в субсидировании научных программ. Во-вторых, правительства осознали необходимость поддержки научных исследований в собственных военных, экономических и политических целях. Это в особенности касается космических программ и исследований в области физики элементарных частиц, а также различных видов деятельности, связанных с решением энергетических проблем. В-третьих, коренным образом изменилось отношение деловых людей к науке: теперь большой бизнес во всем мире участвует в создании лабораторий, в которых проводятся серьезные исследования.
Все предпринимавшиеся ранее попытки предсказать будущее науки кончались провалом, однако очевидно, что мы можем ожидать большого прогресса в указанных выше направлениях. Ясно также, что в будущем появятся совершенно новые направления исследований, которые сейчас невозможно предвидеть, как невозможно было предсказать сто лет назад появление ядерной физики. Подлинно всеобъемлющая физическая теория позволит рассматривать с единой точки зрения процессы, протекающие во всех масштабах – от космического до субатомного. Ныне же, хотя нам известно многое, мы видим лишь интригующие фрагменты полной картины мира.
                                   
                                     Физика  


Используются технологии uCoz