Развитие физики: от мифологизации молний к квантовой теории
Древние времена: практическая физика и природные явления
В Древнем мире физика как наука еще не сформировалась — недоставало математического аппарата, а также средств для проверки теорий и проведения измерений. Многие явления старались объяснить качественно или найти им практическое применение, не вдаваясь в подробности. Например, в Древнем Египте при строительстве использовались блочные системы, наклонные плоскости и рычаги, при этом никаких писаний с объяснением принципа их работы найдено не было.
Когда разумного объяснения или практического применения найти не удавалось, появлялись религиозные мифы или метафизические представления. Мир, состоящий из 5 элементов, и молния как проявление гнева богов — все это относится к «физике» Древнего мира.
Физика до XVI века: становление
До полноценного формирования физики как науки предпринималось множество попыток объяснения физических явлений. Мыслители из Греции выдвигали различные идеи, среди которых атомизм (Демокрит), геоцентрическая система мира (Птолемей), некоторые законы геометрической оптики. В этот период были описаны механизмы работы рычагов, основы пневматики и гидростатики (труды Архимеда). Своеобразным итогом стал трактат «Физика» Аристотеля — именно так появился знакомый нам термин. Аристотель выдвинул некоторые верные идеи, но отверг многие прогрессивные мысли предшественников.
Большой вклад в науку и изобретения внесли также римляне, а затем исламские страны.
Развитие науки было несколько заторможено из-за канонизации физики Аристотеля христианской церковью. Следующий скачок науки произошел после XIV-XV вв., когда мыслители начали спорить с идеями Аристотеля.
Физика XVI века: научная революция
Перевод античных и исламских книг на латинский и их освоение европейскими учеными, развитие более точных приборов и методов измерения, изобретения и главенство опыта, а также потребности мореплавания, строительства и артиллерии — все это приводит к взрывному развитию физики.
Первым важным этапом стало создание гелиоцентрической системы мира Николаем Коперником, а затем развитие этой идеи Джордано Бруно. Согласно им, Земля вращается вокруг Солнца, но и Солнце не стоит на месте.
Следующие важные мысли принадлежат Галилео Галилею: он заложил основы теоретической механики (принцип относительности Галилея, закон инерции и др.) и совершил множество астрономических открытий после изобретения телескопа. Благодаря ему эксперименты в физике стали решающими.
Физика XVII века: классическая механика и новые идеи
В Европе появляются первые Академии наук и научные журналы, интерес к наукам неуклонно растет. Улучшение научных приборов позволяют проверять все больше возникающих идей, а появление зрительной трубы (прародительницы всех оптических приборов) определяет развитие оптики и физики в целом на годы вперед.
Кеплер излагает открытые им три закона движения небесных тел. Декарт создает аналитическую геометрию и вводит современную математическую символику.
Гюйгенс приводит несколько важнейших формул: период колебания математического маятника и центростремительного ускорения, а также частный случай закона сохранения энергии. Выходит в свет главный труд классической механики: «Математические начала натуральной философии» Ньютона. Считается, что именно с этого момента физика становится наукой в нашем понимании.
Ньютон также заложил основы оптики, динамики, гидродинамики, математической физики и математического анализа.
Кратко об основных открытиях по областям физики:
Оптика — закон преломления света, вариацонный принцип, оценка скорости света, интерференция и дифракция света, двулучепреломление и поляризация света. Продолжение споров сторонников корпускулярной и волновой теории света. Появление принципа Гюйгенса. Труд Ньютона «Оптика».
Электричество и магнетизм — первые исследования. Доказательство того, что Земля является магнитом, изобретение электроскопа и деление веществ на электрики и диэлектрики.
Теория газов — изобретение и испытание барометра, закон Паскаля, доказательство существования атмосферного давления, закон Бойля-Мариотта.
Физика XVIII века: развитие теорий
Инструменты становятся все более точными, из физики выделяются астрономия, геология, минералогия, техническая механика и физиология. Все области физики развиваются независимо друг от друга, а первые попытки создать единую теорию не закачниваются успехом.
Механика — возникает теоретическая механика на основе трудов Лагранжа, Эйлера, Д’Аламбера. Создается динамика жидкостей и газов благодаря работам Бернулли.
Оптика — развитие фотометрии, открытие инфракрасных и ультрафиолетовых лучей.
Электричество и магнетизм — открытие электростатической индукции, существования двух видов электрических зарядов и закона их сохранения. Формулируется закон Кулона и закладываются основы электростатики.
Тепловые явления — изобретение термометра, шкал Фаренгейта, Цельсия и Реомюра. Создание теории теплоемкости и разделение теплоты и температуры.
Физика XIX века: классическая физика
В XIX веке на место качественных метафизических понятий приходят новые теории и модели. Их совокупность в конце века получит всеобщее признание и широкое применение, а также совместное название «классическая физика».
В механике появляется Гамильтонова механика на основе вариационного принципа. Этот принцип имел универсальный характер и был успешно использован в других областях физики.
В оптике развивается волновая теория благодаря опытам Юнга и Френеля. Они продемонстрировали ряд явлений, которые корпускулярная теория объяснить не могла, а также описали математически все известные на тот момент свойства света.
В области электричества и магнетизма благодаря появлению вольтова столба (первой батарейки) сделаны открытия электролиза и электрической дуги. Вскоре Ампер обнаружил взаимодействие двух проводников с током. Это дало толчок к возникновению первых теорий, связывающих электричество и магнетизм — в частности, закон Био-Савара-Лапласа. За короткий промежуток времени создали и открыли: первый электродвигатель, термоэлемент, гальванометр, а также закон Ома и электромагнит. В 1840 года появились первые коммерческие телеграфные линии. Дальнейшие важные исследования проводились Гауссом, Вебереом, Фарадеем, Кирхгофом, Умовым, Столетовым.
Фарадей ввел в физику понятие поля и конкретно электрического и магнитного полей, а также высказался о том, что они связаны. Используя его идеи и математический аппарат дифференциальных уравнений в частных производных для сплошных сред Максвелл создал систему уравнений, описывающих электромагнитное поле. Эта система собрала воедино все открытые к тому моменту явления в электромагнетизме и позволила предсказать новые. Одним из важных следствий этих уравнений было существование электромагнитных волн и конечность скорости их распространения. Вскоре были созданы первые радиопередатчики — к этому приложили руку Маркони и Попов.
Открытие закона сохранения энергии и эквивалентности количества теплоты и работы заложило основы термодинамики. Позже были описаны два ее начала. Развивалась и молекулярно-кинетическая теория тепловых процессов, вытесняя теорию теплорода. На это оказал большое влияние Михаил Васильевич Ломоносов, разработавший проект Московского Университета, ныне носящего его имя. Благодаря молекулярно-кинетической теории начало получила и статистическая физика.
Благодаря серии опытов ученые открыли электрон и описали его свойства — заряд и массу. Открытие рентгеновских лучей и радиоактивности урана подтвердили эти измерения.
Физика XX века: новый мир
В начале XX века обнаружилось множество противоречий между устоявшимися теориями классической физики и опытными данными. Некоторые явления оставались необъясненными: независимость скорости света от системы отсчета, спектр абсолютно черного тела, фотоэффект, атомные спектры излучений, радиоактивность, рентгеновские лучи, существование электрона, несовпадение движения Меркурия с предсказаниями ньютоновской небесной механики. Помимо этого физики XX века обнаружили связи между пространством и временем, веществом и излучением, гравитацией и геометрией, массой и энергией.
Все это привело к возникновению новых разделов физики — теории относительности, квантовой механики, атомной физики, электроники, аэродинамики, радиофизики, физики плазмы, космологии и многих других.
Новые исследования нашли обширное практическое применение и сделали мир таким, каким мы знаем его сейчас.
Физика XXI века: современные задачи
Сейчас в физике ведутся активные работы в рамках существующих теорий. На данный момент Ли Смолин — один из выдающихся физиков-теоретиков современности — выделяет пять фундаментальных физических проблем:
1) Разработка квантового варианта теории гравитации, построение «теории всего».
2) Физическое (не только математическое) обоснование квантовой механики или обобщение её до теории с более понятным физическим смыслом.
3) Объединить в одной теории частицы и все четыре силы взаимодействия.
4) Найти причины «тонкой настройки Вселенной», для чего желательно свести число фундаментальных констант к минимуму.
5) Выяснить, что собой представляют тёмная материя и тёмная энергия или, если они не существуют, определить, как и почему тяготение в очень больших масштабах действует вопреки теории. Расширить экспериментальную базу космологии.
Занимайтесь физикой, и кто знает, может быть именно с вас начнется следующий большой скачок в физике!