Что изучает физика?

г) Закон всемирного тяготения

Считается, что стержнем динамики Ньютона является понятие силы, а основная задача динамики заключается в установлении закона из данного движения и, обратно, в определении закона движения тел по данной силе. Из законов Кеплера Ньютон вывел существование силы, направленной к Солнцу, которая была обратно пропорциональна квадрату расстояния планет от Солнца. Это означало физическое обоснование коперниканской гелиоцентрической системы. Обобщив идеи, высказанные Кеплером, Гюйгенсом, Декартом, Борелли, Гуком, Ньютон придал им точную форму математического закона, в соответствии с которым утверждалось существование в природе силы всемирного тяготения., обусловливающей притяжение тел. Сила тяготения (притяжения) прямо пропорциональна массе тяготеющих тел и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Данный закон описывает взаимодействие любых тел - важно лишь то, чтобы расстояние между телами было достаточно велико по сравнению с их размерами (это дает возможность принимать тела за материальные точки). В ньютоновской теории тяготения принимается, что сила тяготения передается от одного тяготеющего тела к другому мгновенно, при чем без посредства каких бы то ни было сред. (В рамках теории относительности для передачи силы тяготения от одного тела к другому требуется время - не большее, чем скорость света.)

Закон всемирного тяготения вызвал продолжительные и яростные дискуссии. Это не было случайно, поскольку этот закон имел важное философское значение. Суть заключалась в том, что до Ньютона целью создания физических теорий было выявление и представление механизма физических явлений во всех его деталях. В тех случаях, когда это сделать не удавалось, выдвигался аргумент о так называемых "скрытых качествах", которые не поддаются детальной интерпретации. Бэкон и Декарт ссылки на "скрытые качества" объявили ненаучными. Декарт считал, что понять суть явления природы можно лишь в том случае, если его наглядно представить себе. Так, явления тяготения он представлял с помощью эфирных вихрей. В условиях широкого распространения подобных представлений закон всемирного тяготения Ньютона, несмотря на то, что демонстрировал соответствие произведенных на его основе астрономическим наблюдениям с небывалой ранее точностью, подвергался сомнению на том основании, что взаимное притяжение тел очень напоминало перипатетическое учение о "скрытых качествах". И хотя Ньютон отнюдь не постулировал наличие тяготения, а установил факт его существования на основе математического анализа и экспериментальных данных, математический анализ еще не вошел прочно в сознание исследователей в качестве достаточно надежного метода. Бернулли даже обвинял Ньютона в восстановлении перипатетизма. Ньютон не рассматривал вопросы о причинах тяготения. Но стремление ограничивать физическое исследование фактами, не претендующими на абсолютную истину, позволило Ньютону завершить формирование физики как самостоятельной науки и отделить ее от натурфилософии с ее претензиями на абсолютное знание.

Ньютон соединил в себе два противоречивых принципа - Бэкона и Декарта. Он исходил из опыта ("гипотез я не измышляю"), с одной стороны. С другой - он был приверженцем строгого математического доказательства. Ньютон не претендовал на объяснение глубочайших причин - он стремился к установлению принципа: закон природы не является объяснением, исходящим из первоначально установленных причин. Закон - лишь краткая формулировка широкой области явлений, выведенная при помощи логического заключения и математического расчета. В законе всемирного тяготения наука получила образец закона природы как абсолютно точного, повсюду применимого правила, без исключений, с точно определенными следствиями. Этот закон был включен Кантом в его философию, где природа представлялась царством необходимости в противоположность  морали - царству свободы.

Физическая концепция Ньютона была своеобразным венцом физики XVII века. Статический подход к Вселенной был заменен динамическим. Эксперементально-математический метод исследования, позволив решить многие проблемы физики XVII века, оказался пригодным для решения физических проблем еще в течение двух веков. Концепция Ньютона, хотя и содержала бога нам обеспечившего первотолчок, способствовала возрастанию скептического отношения к авторитету и вере, чем ослабляла престиж религии.

6. Формирование механической картины

мира

Результатом развития  классической механики явилось создание единой механической картины мира, в рамках которой все качественное многообразие мира объяснялось различиями в движении тел, подчиняющемся законам ньютоновской механики. Согласно механической картине мира, если физическое явление мира можно было объяснить на основе законов механики, то такое объяснение признавалось научным. Механика Ньютона, таким образом, стала основой механической картины мира, господствовавшей вплоть до научной революции на рубеже XIX и XX столетий.

Механика Ньютона, в отличие от предшествующих механических концепций, давало возможность решать задачу о любой стадии движения (как предшествующей, так и последующей) и в любой точке пространства при известных фактах, обусловливающих это движение, а также обратную задачу определения величины и направления действия этих факторов в любой точке при известных основных элементах движения. Благодаря этому механика Ньютона могла использоваться в качестве метода количественного анализа механического движения. Любые физические явления могли изучаться как движение в чисто феноменологическом плане, независимо от вызывающих их факторов. Законы ньютоновской механики связывали силу не с движением, а с изменением  движения. Это позволило отказаться от традиционных представлений о том, что для поддержания движения нужна сила, и отвести  трению, которое делало силу необходимой в действующих механизмах для поддержания движения, второстепенную роль. Установив динамический взгляд на мир вместо традиционного статического , Ньютон свою динамику сделал основой теоретической физики. Хотя Ньютон проявлял осторожность  в механических истолкованиях природных явлений, тем не менее он считал желательным выведение из начал механики остальных явлений природы. Феноменологический метод стал рассматриваться в качестве универсального способа построения физических теорий. Дальнейшее развитие физики стало осуществляться в направлении дальнейшей разработки аппарата механики применительно к решению конкретных задач, по мере решения которых механическая картина мира укреплялась.

7. Корпускулярная и волновая концепции света

Во второй половине XVII века были заложены основы физической оптики. Ф. Гримальди открывает явление дифракции света (огибание светом препятствий т.е. отклонение его от прямолинейного распространения) и высказывает предположение о волновой природе света. В опубликованном в 1690 г. "Трактате о свете" Х.Гюйгенсом был сформирован принцип, согласно которому каждая точка пространства, которой достигла в данный момент распространяющаяся волна, становится источником элементарных сферических волн, и на его основе вывел законы отражения и преломления света. Гюйгенсом было установлено явление поляризации света - явление, происходящее с лучом света при его отражении, преломлении (особенно при двойном преломлении) и заключающееся в том, что колебательное движение во всех точках луча происходит лишь в одной плоскости, проходящей через направление луча, тогда как в неполяризованном луче колебания происходят по всем направлениям, перпендикулярно к лучу. Гюйгенс, разработав идею Гримальди о том, что свет распространяется не только прямолинейно с преломлением и отражением, а и с разбиением (дифракция), дал объяснение всем известным оптическим явлениям. Он утверждает, что световые волны распространяются в эфире, представляющем собой пронизывающую все тела тонкую материю.

Но что есть волна? Волна обязательно движется в каком то носителе, в котором и происходят периодические колебания. Но при распространении волны, например, на поверхности воды, не происходит перемещения воды в направлении  распространения волны - при этом поверхность воды движется лишь вверх и вниз. Но волна при своем перемещении передает действие от одной точки к другой. Аналогичным образом обстоит дело с распространением звуковой волны, но в этом случае волны распространяются в пространстве по всем направлениям. О световых колебаниях можно судить по косвенным эффектам. Явление интерференции дает и свидетельство о волновой природе света. Примером интерференционного эффекта является появление окрашенных полос или колец, которые являются при растекании тонкого слоя нефти на поверхности воды. Свет в этом случае сначала отражается от верхней поверхности пленки, а затем от нижней. Поэтому колебания в световом луче, которые отражаются от нижней поверхности пленки, отстают от колебаний в луче, отраженном от ее поверхности, причем это отставание равно расстоянию, равному удвоенной толщине пленки. Оба отраженных луча в этом случае интерферируют так, что если толщина пленки равна четверти длины волны, то второй луч отстает от первого на половину волны. Наложение гребня волны, отраженной от другой поверхности, дает темноту. Белый свет в результате интерференции после отражения становится окрашенным.

Ньютон сначала в своих докладах в Лондонском Королевском обществе и затем в "Оптике" (опубликованной в 1706 г.) изложил свою концепцию света. Следуя своему феноменологическому методу, Ньютон экспериментально исследовал явление дисперсии (разложение белого света при помощи призмы в спектр), заложил основы оптической спектроскопии : он установил, что каждому цвету соответствует определенная длина световой волны и определил их. Ньютон показал, что цвета создаются не призмой. а являются компонентами белого света. Он видел слабость волновой концепции в том, что она оказалась не в состоянии объяснить явление дифракции света - огибание светом препятствий (это удастся сделать с позиции волновой концепции более столетия позже Френелю). Ньютон же явление дифракции объяснял на основе полярности, присущей световому лучу. Другим недостатком волновой концепции было ее требование допустить существование эфира-среды, в которой распространяется свет. Тот факт, что движение планет и комет в небесном пространстве не встречает заметного сопротивления, которое обязательно отразилось бы на правильности движения, позволил Ньютону существование такой среды подвергнуть сомнению. А если отбросить возможность существования такой среды, то гипотеза о распространении света через нее утрачивает смысл. (Критикуя волновую концепцию света, представляющую свет в виде распространяющихся в эфире механических волн, Ньютон не мог еще предположить, что световые волны могут иметь не механическую природу.)

Устранение трудностей, стоящих перед волновой концепцией света, Ньютон видел на пути рассмотрения света как состоящего из корпускул - своеобразных  "малых тел" (атомов), которые могут взаимодействовать с частицами вещества. Такие тела, по его мнению, проходят через однородные среды "без загибания". Важно отметить, что, сравнивая волновую и корпускулярную концепцию света, Ньютон не высказывается безоговорочно в пользу одной из них. Его высказывания многими исследователями его творчества трактуются как своеобразный синтез волновой и корпускулярных концепций (предвосхитивший гипотезу де Бройля, высказанную в 1924 г.). Открытие явление поляризации света убеждало Ньютона в справедливости корпускулярной концепции света. Исследование же интерференции приводило его к выводу о наличии своеобразной периодичности в свойствах света. Последователи Ньютона представили Ньютона как безоговорочного сторонника корпускулярной концепции света. Авторитет имени Ньютона, таким образом, в данном случае сыграл негативную роль - задержал развитие волновой теории света.

8.    Принципы минимального времени П.Ферма и наименьшего действия П.Мопертюи

Зачатки идеи физической эквивалентности волн и частиц были видны уже в формулировке принципа минимального времени П.Ферма и принципа наименьшего действия П.Мопертюи. Принцип Ферма, сформулированный в 1660 г., устанавливал, что действительный путь распространения света из одной точки в другую есть тот путь, для прохождения которого свету требуется минимальное (или максимальное) время по сравнению с любым другим геометрически возможным путем между теми же точками. Принцип наименьшего действия Мопертюи (сформулированный в 1740 г.) устанавливал, что для определенного класса сравниваемых друг с другом движений механической системы осуществляется то, для которого действие минимально. Как оказалось, какова бы ни была среда, корпускулы и волны следовали по минимальным траекториям - волна двигалась так, чтобы сделать минимальным время прохождения лучей, т.е. свет "выбирает" путь, для которого количество действия является наименьшим (в соответствии с принципом Ферма), а движение частиц было таким, чтобы функция действия была минимальна, (в соответствии с принципом Мопертюи). Однако реализация идеи соответствия между корпускулами и волнами была осуществлена Л. де Бройлем, Э.Шредингером, В.Гейзенбергом и П.Дираком лишь в 20-х гг. XX века. Так или иначе в механику вошли важные принципы, реализовавшие идею о том, что природа действует наиболее легкими и доступными путями. Развитие этих принципов Л.Эйлером, И.Бернулли, Ж.Даламбером, позволило создать вариационное исчисление, позволяющее находить наибольшие и наименьшие значения переменных величин (функционалов), зависящих от выбора одной или нескольких функций, и построить законченную систему аналитической механики.

9. Особенности физических концепций XVIII века

Развитие буржуазных отношений способствовало бурному росту промышленности и торговли, мануфактурное производство все больше сменялось фабричным. Развитие машинной индустрии, начавшееся с текстильной промышленности, распространилось на другие отрасли производства. Запросы производства оказывали стимулирующее влияние на развитие науки, особенно механики и математики. И хотя разрыв между уровнем развития науки и техники уменьшался по сравнению с предшествующим временем, техника в целом опережала в своем развитии науки. Так, например, появлению паровоза не предшествовали соответствующие теплотехнические исследования, практическая металлургия не имела в своей основе научных данных о процессах восстановления металлов, машиностроение осуществлялось без научных знаний о природе упругости твердых тел, их прочности и т.д. Постепенно роль научного знания в развитии техники и производства начинает осознаваться, растет интерес к научному знанию. XVII век входит в историю как век Просвещения. Появляются новые академии наук: Петербургская (1726 г.), Шведская (1729 г.) и т.д., а также  новые периодические научные издания. Увеличивается число ученых. Роль науки в жизни общества осознается все больше и больше.

Развитие физики этого периода характеризуется возрастанием систематических исследований. Увеличившееся количество публикаций и переписка ученых способствует установлению связей между учеными. Картезианское направление все больше уступает место ньютоновской механике. Появляется первый систематический курс физики П. ван Бушенбрука (1739 г.). После построения Ньютоном основ механики необходимо было привести ее в стойкую систему и разработать методы вычисления конкретных задач статики и динамики. Это и предопределило, с одной стороны, разработку и использование математических концепций (вычислительной механики) и, с другой стороны, разработку технической механики. Большой вклад в развитие вычислительной механики вносят Эйлер, Даламбер, Лангранж. Д.Бернулли, Эйлер, Даламбер закладывают основы гидродинамики (физической механики) жидкостей. Ш,Дюфе открывает существование двух родов электричества и устанавливает, что одноименно заряженные тела отталкиваются, а разноименно заряженные - притягиваются. Б.Франклин устанавливает закон сохранения электрического заряда, а Ш.Кулон и Г.Кавендиш открывают основной закон электростатики, определяющий силу взаимодействия неподвижных электрических зарядов - закон Кулона. Б.Франклин, М.В.Ломоносов, Г.Рихман доказывают электрическую природу шаровой молнии. Л.Гальвани устанавливает факт "животного электричества" и возникновение разности потенциалов при контакте металла с электролитом, чем положил начало источникам постоянного электрического тока и электрофизиологии. А.Вольта создает первый химический источник электрического тока (вольтов столб). П.Бугер и И.Ламберт создают фотометрию. В.Гершель открывает инфракрасные лучи, а И.Риттер и Волластон - ультрафиолетовые.

10. Теория теплорода и механическая концепция теплоты

Практические потребности актуализировали исследования в области тепловых явлений. Машиностроение и химическая промышленность нуждались в методах точного измерения тепловых величин, прежде всего измерения температуры. Потребности метеорологии, химии. медицины также требовали совершенствования измерения температуры. Развитие термохимии (Фарангейт, Делиль, Ломоносов, Реомюр, Цельсий) основывалось на использовании теплового расширения тел. Совершенствование паровой машины Ньюкомена, использовавшейся более полувека без изменений, требовало создания количественной теории тепловых явлений.

Дж.Блэк, изучая природу теплоты, установил, что различные виды вещества нагреваются в разной степени одним и тем же количеством теплоты, что позволило ему выявить теплоемкость различных видов вещества, т.е. количество теплоты, которое необходимо подвести к телу, чтобы повысить его температуру на один градус по Цельсию или Кельвину. Он установил, что при таянии льда и снега в течение определенного времени они поглощают тепло, не становясь при этом теплее. Это позволило ему обнаружить скрытое (латентное) состояние теплоты.

Блэк понимал теплоту как некую материальную субстанцию ("субстанцию теплоты"). А. Лавуазье называл ее теплородом. Попытки взвесить ее оказались неудачными, поэтому теплоту стали рассматривать как особого рода невесомую неуничтожаемую жидкость, способную перетекать от нагретых тел к холодным. Лавуазье считал, что подобная концепция была в полном соответствии с его идеей получения теплоты с помощью химических соединений. Увлечение этой концепцией оказалось столь велико, что кинетическая теория теплоты, в рамках которой теплота представлялась как определенный вид движения частиц, отступила на второй план, несмотря на то, что ее разделяли Ньютон, Гук, Бойль, Бернулли, Ломоносов.

Почему же концепция теплорода все-таки  утвердилась, хотя и на время? П.С.Кудрявцев дает следующее объяснение. Для физического мышления XVIII века было характерно оперирование различными субстанциями - электрическими, магнитными, световыми, тепловыми. Свет, электричество, магнетизм, теплоту научились измерять. Это позволило уподобить невесомые феномены обычным массам и жидкостям, что способствовало развитию эксперимента и накоплению необходимых фактов. Иначе говоря, концепция невесомых жидкостей оказалась необходимым этапом в развитии физических концепций.[9]

11. Концепция единого универсального взаимодействия частиц вещества Р.Бошковича

Развитие учения о теплоте привело к постановке как сторонниками теплородной, так и кинетической концепции теплоты вопросов о строении вещества, о причинах таких свойств тел, как прочность, упругость, сопротивляемость и т.д. вне зависимости от интенсивности теплового движения. Учения Декарта, Галилея,  Ньютона не давали ответов на эти вопросы. Бернулли такое свойство как упругость приписывал атомам. Лейбниц утверждал. что представление о существовании неделимых атомов неверно, поэтому связывание физических свойств тел с величиной атомов бессмысленно. Р.Бошкович сформулировал идею об едином универсальном законе взаимодействия частиц вещества, на основе которого он пытался дать объяснение физическим свойствам вещества. Концепция Бошковича родственна представлениям Лейбница о существовании непротяженных первых простых элементов и ньютоновским представлениям об изменяющихся с расстоянием силах. Бошкович исходил из признания существования закона взаимодействия, действующего между любой парой точечных частиц - первых элементов материи, неделимых и непротяженных. На минимальных расстояниях между частицами действует сила отталкивания, неограниченно возрастающая при их сближении. С увеличением расстояния между частицами данная сила отталкивания убывает, постепенно переходя в силу притяжения, которая с дальнейшим увеличением  расстояния уменьшается и постепенно превращается в силу отталкивания. Т.е. сила взаимодействия многократно меняет знак на сравнительно небольших расстояниях. При достижении определенного расстояния между двумя частицами сила взаимодействия становится притягательной, убывающей, в соответствии с законом тяготения, обратно пропорционально квадрату расстояния. Рациональный смысл концепции Бошковича заключался в осознании того, что в природе нет абсолютно жестких неизменяемых тел, что любое тело является системой, состоящей из находящихся в подвижном равновесии частиц. Концепция Бошковича представляла собой физическую гипотезу, на основе которой делалась попытка объяснить физические свойства вещества. Поэтому, в отличие от ньютонианцев, стремившихся свести задачи движения и взаимодействия тел к математической форме, Бошкович стремился механические задачи свести к физике сил взаимодействия. Поскольку в это время не было достаточных данных ни о строении вещества, ни о силах, действующих между частицами, концепция Бошковича по отношению к магистральной линии развития физики этого времени оказалась маргинальной.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12