История физики как науки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

ФГОС ВПО для направления «Физика» предъявляют современные требования к уровню подготовленности выпускника, а также к организации и содержанию образовательного процесса. Кроме обязательной, инвариантной части, предполагающей содержание базовой подготовки, в образовательной программе должны быть вариативные модули, значительно выходящие за пределы обязательных учебных дисциплин. Такое содержание позволить предложить студентам высшего образования возможность углублённого и расширенного изучения научного знания. Формами освоения таких модулей могут быть курсы по выбору, факультативы, курсы для дополнительной самостоятельной учебной работы. Данное требование закономерно и оправданно запросами современной жизни. Сегодня требуется не узкопрофильный специалист, а человек способный и готовый конструктивно и оперативно адаптироваться к постоянно изменяющимся условиям жизни, следовательно, уровень его компетенции должен отвечать вызовам стремительно меняющейся цивилизации. Следовательно, закономерно возникшее требование общества и государства, предъявляемое к содержательному компоненту компетенции выпускника ВУЗа. В результате освоения ООП ВПО по направлению «Физика» выпускник должен обладать следующими компетенциями. Общепрофессиональными: способностью свободно владеть фундаментальными разделами физики, необходимыми для решения научно-исследовательских задач (ПК-1); способностью использовать знания современных проблем физики, новейших достижений физики своей научно-исследовательской деятельности (ПК-2). Компетенциями, позволяющими осуществлять научно-исследовательскую деятельность: способностью самостоятельно ставить конкретные задачи научных исследований в области физики (в соответствии с профилем магистерской программы) и решать их с помощью современной аппаратуры, оборудования, информационных технологий с использованием новейшего отечественного и зарубежного опыта (ПК-3); способностью и готовностью применять на практике навыки составления и оформления научно-технической документации, научных обзоров, докладов и статей (в соответствии с профилем магистерской программы) (ПК-4). Кроме того, воспитательная функция образования также вменяется в обязанность Вуза, что предполагает наличие у выпускника общекультурной компетенции. А именно: способностью демонстрировать углубленные знания в области математики и естественных наук (ОК-1); способностью порождать новые идеи (креативность) (ОК-5); способностью применить основные методы защиты производственного персонала и населения от возможных последствий аварий, катастроф, стихийных бедствий (ОК- 18); способностью использовать нормативные правовые документы в своей деятельности (ОК-20);

Наличие данных компетенций требует формирования определенных знаний, умений и навыков в процессе обучения. В результате освоения дисциплины обучающийся должен знать: основные этапы развития отдельных разделов физики, основные этапы развития физики в целом, как совокупности этих разделов, связь развития физики с развитием техники и других наук; уметь: сопоставлять физические представления на различных этапах развития науки, оценивать роль конкретных открытий и исследований в развитии физики, анализировать значение рассматриваемых исторических фактов с точки зрения современных физических представлений; владеть: навыками работы с исторической и мемуарной литературой, навыками критического анализа популярной литературы по темам, связанным с историей науки.

Даже поверхностный анализ этих требований четко показывает, что для их выполнения требуется системная, межпредметная, углубленная и расширенная подготовка студентов. В отличие от основных, базовых дисциплин в ООП ВПО по направлению «физика», образовательный курс по истории физики, опираясь на базовый цикл естественнонаучной и общественной дисциплины, носит смежный, межпредметный и интегративного характер. Это особенность позволяет формировать естественнонаучную картину мира студентов в генезисе ее возникновения и развития. Иначе говоря, за счет изучения научного фактического знания в логике ее развития, выпускник получает одновременно составляющие всех трех компетенций: он знает идею физики, может сам отследить логику ее возникновения и развития, установить закономерности и сделать прогноз ее развития и использования. Таким образом, в рамках реализации задач повышения качества профессиональной подготовки выпускников высшего образования, целесообразность разработки и использования образовательного курса по истории физики в ООП ВПО очевидна.

К сожалению, на сегодняшний момент курс «История физики» в ИМФИ КГПУ им. В. П. Астафьева отсутствует. Именно эта проблема побудила к выполнению данной работы. Очевидная нужность и целесообразность такого курса обучения определяет актуальность работы.

Целью изучения дисциплины «История физики» является формирование представлений о физике и методах научного познания в историческом аспекте ее развития. Задачами: раскрытие и анализ истории возникновения и развития фундаментальных принципов, идей, понятий, законов, теорий и концепций физики как науки; формирование общепрофессиональных, общекультурных компетенций, а также компетентности в области научных исследований.

Предполагается, что курс должен содержать изучение основных этапов развития физики, начиная с элементов науки, существовавших в древних цивилизациях. В курсе должен быть рассмотрен период сохранения элементов античной физики в работах средневековых ученых, развитие основных направлений классической физики, начиная от Галилея вплоть до конца 19-го века, возникновение основных направлений современной физики, связь физики и техники, роль физики в современном мире, основные проблемы, стоящие перед современной физикой. Это требование определило цель, объект и предмет нашей работы.

Цель: разработка содержания курса лекций по учебной дисциплине «История физики с периода античности (VI в. до н. э.- V в. н. э.) до периода современной физики.

Объект: история физики как науки

Предмет: содержание курса лекции по истории физики как науки

Задачи:

сбор материала по теме лекций

составление плана лекций

отбор материала для лекций

составление конспекта лекций

Методы: при разработке лекций отобранный материал располагался согласно хронологическому методу и методу «по лицам».

Структура работы. Выпускная квалификационная работа состоит из введения, основной главы, заключения, списка литературы и приложений.



Тема 1. Основа периодизации истории физики

Лекция 1. Периодизации истории физики

Понятие истории физики

История физики - это интегральная отрасль науки, возникшая на стыке естественнонаучных общественных наук, предметом изучения которой является возникновение и развитие физики как науки. История физики изучает развитие физики как нечто единое и целое общественное явление, возникшее на определённой стадии развития человеческого общества, также оно рассматривается с точки зрения взаимосвязи и его изменения с развитием общества.

Понятие физики как науки

Физика как наука природе возникла во второй половине 17 века. До этого времени была натуральная философия, которая представляла собой целостную систему общих законов естествознания. Физика как наука с течением времени развивалась, и это развитие имеет свой особый тип закономерности. Особенность состоит в том, что в физике присутствует процесс смены периодов эволюционных и революционных (изменений теорий, основных принципов). В эволюционный период развитие идет под общими взглядами, мнениями физиков. Благодаря устойчивым традициям, общей методике исследований, то есть существует общая научная атмосфера. Глобальное научное знание не меняется, изучаются конкретные вопросы, уточняются закономерности, методы принимают более совершенный вид. Но с течением времени появляются новые вопросы, которые не объясняются имеющийся информацией, и тогда появляются ученые с новыми идеями и теориями. Так происходит процесс смены периода эволюционного на революционный. Вследствие чего, устанавливаются новые теории, новая общая атмосфера. Таким образом, возникает потребность в периодизации истории физики.

Периодизации истории физики

Существует несколько методов [1].

Хронологический, то есть по течению времени, к примеру, по векам.

Данный подход был связан с тем, что основная часть рассматриваемой истории приходилась на период, когда еще физическая наука развивалась в общей системе наук. Здесь этот подход правомерен, так как временные интервалы обширны, а фактический материал, относящийся к области физики, ограничен [1].

Другой метод называется «по лицам». Это означает, что история физики будет излагаться в «лицах», то есть в идеях и суждениях ученых. Метод хорошо реализуем от Аристотеля до Ньютона и затем Максвелла. В этот период исследования велись отдельными учеными, а начиная с XX века - коллективами, где исследования уже планировались авторскими коллективами.

Метод периодизации по общественно-экономическим формациям. История науки - органическая часть истории общества. Что означает - развитие обусловлено потребностями практики.

Существует внутренняя логика развития физики, и четвертый метод основывается на ней. На момент периода классической физики, наука стала представлять собой разветвленную ветвь, которая взаимодействует с другими науками и с жизнью общества. Появилась необходимость учета внешних связей, а также того факта, что физика будучи развивающейся наукой порождает другие области знаний, которые со временем получат возможность развиваться самостоятельно.

Храмов Ю. А. [2] предложил схему периодизации физики и определил основные этапы ее развития:

ОСНОВНЫЕ ПЕРИОДЫ И ЭТАПЫ В РАЗВИТИИ ФИЗИКИ

Предыстория физики. Период возникновения отдельных элементов физических знаний (VI в. до н. э. - ХVI в.):

эпоха античности (VI в. до н. э.- V в. н. э.);

средние века (VI - ХIV вв.);

эпоха Возрождения (ХV - ХVI вв.).

Период становления физики как науки (Начало ХVII в.- 80-е гг. ХVII в.).

Период классической физики (конец XVII в.- начало ХХ в.):

первый этап (конец ХVII в. - 60-е гг. ХIХ в.);

второй этап (60-е гг. ХIХ - конец ХIХ в.);

третий этап (конец ХIХ - начало ХХ в.).

Период современной физики (с 1905):

первый этап (1905 - 1931);

второй этап (1932 - 1954);

третий этап (с 1955).

Началом третьего периода Ю. А. Храмов [2] выбрал 1955 год, и обосновал данный выбор следующим: «С начала 50-х годов благодаря появлению современных ускорителей было открыто немало новых элементарных частиц - антипротон (1955), антинейтрон и антинейтрино (1956), ряд гиперонов, явление взаимопревращения частиц, появились доказательства внутренней структуры нуклона, в частности установлено, что нуклон изменяет свое состояние при взаимодействии с частицами высоких энергий. Физики проникли на новый уровень материи - субъядерные, в области порядка 10^-14 см. Все это дает основания говорить о новом этапе в развитии физики, начавшемся в 50-х годах (условно возьмем 1955, когда ученые впервые проникли в мир нуклона - опыты Хофштадтера по бомбардировке нуклонов электронами высоких энергий) и продолжающемся и сейчас».

Как написал Храмов Ю. А. [2]: - «история физики хранит немало событий и фактов, оказавших большое влияние на ход развития этой древней науки и составивших золотой фонд ее памяти. Размещенные в строгой временной последовательности, эти факты дают возможность проследить генезис основных физических идей и теорий, их взаимосвязь, преемственность и эволюцию, тенденции развития, а некоторые из них, в силу своей фундаментальной роли, открывают новые страницы в летописи физики, изменяя или пополняя научную картину природы.

Столетиями эволюционировали физические знания: от первых интуитивных и наивных идей о природе материи (атомах вещества) до современных представлений о частицах. И как любая другая наука физика прошла долгий и сложный путь развития».

Этапы научного исследования.

Любое научное исследование всегда проходит три этапа, и на основании этого история физики включает для себя три задачи:

Отбор, проверка и систематизация, накопленных фактов.

Ответить на вопрос: почему именно так развивалась физика. То есть анализируем прохождение процесса развития.

Выявление и описание общих закономерностей развития физики.

Выводы:

В физике исследование происходит путем эксперимента. Можно ли историю физики исследовать тем же методом? История физики - не экспериментальная наука, следовательно, и метод выбирается другой - метод исторического исследования.



ТЕМА 2. «Предыстория физики. Период возникновения отдельных элементов физических знаний (VI в. до н. э. - ХVI в.)»

Лекция 1. «Поиск первоосновы и блестящие идеи». Эпоха античности (VI в. до н. э.- V в. н. э.)

Краткое описание исторического периода и географического положения научных школ античности

Эпоха античности во всех отраслях человеческого знания явилась период описания и сбора информации. Человечество на ранних этапах своего развития могло себе позволить только наблюдать, зачастую с изумлением, за постоянно меняющимся вокруг миром и задавать себе больше вопросов, чем получать ответов. Древние философы и мудрецы, наблюдая, не только фиксировали происходящее, но и пытались объяснить. Эти попытки, хотя и были несовершенными, дали миру богатейший фактический материал для дальнейшего развития науки. Именно в это время зарождалось то, что потом будет назваться физика. По некоторым вопросам были выявлены важные знания и объяснены некоторые процессы, протекающие в мире, однако они являлись несистематичными и случайными. Человечество, выйдя из периода выживания, стремительно расширяло границы жизнедеятельности, развивалась земледельчество, скотоводство, ремесло, процветала торговля и военное дело. Эти социально-экономические достижения заставляли людей задумываться, обращать внимание на изменение погодных условий, смены дня и ночи, времен года, просчитывать торговые пути, открывать и изобретать способы строительства. Сама жизнь предоставила тем, кто был способен размышлять богатейший фактический материал. Строительство пирамид в Египте заставило увидеть силу, заключенную в рычаге, нагруженная телега столкнула с трением и инерцией. Анализ карт того периода указывает на высокую плотность расселения на определенных территориях (см. Рис 1, 2. «Карты расположения научных школ»). В силу географической близости и постоянной торговли знания быстро распространялись, дополняя друг друга. К числу первых наук можно отнести астрономию и математику, которые были зарождены в Вавилонии, Египте, Индии и Китае.

Прародителями современной физики и философии стали основные направления и школы. Человечество, увидев однажды как из семени вырастает стебель, а камень превращается в песок, сделало вывод, что все состоит из всего и задумалось: «Что же является первоосновой всего, из чего всего состоит и из чего порождается». Так возникла идея, прародительница физики элементарных частиц. Разные мудрецы ответили на этот вопрос неоднозначно. Так возникли научные школы и основные идеи.

Научные школы античности

Таблица 1 Основные идеи, суждения и учения научных школ античности и отдельных натурфилософов.

Школа/ направление	Автор	Первооснова	Основные идеи	Приложение идей
М И Л Е Т С К А Я Ш К О Л А	Фалес	Вода	Вода - первооснова. Все возникает из воды и в неё превращается.	Понимание происхождения мира (нахождение естественных причин явлений и вещей)
	Анаксимандр	Апейрон (бесконечное божественное начало)	Айперон - первооснова.	Понимание происхождения мира (нахождение естественных причин явлений и вещей)
	Анаксимен	Воздух	Воздух - первооснова.	Понимание происхождения мира. (нахождение естественных причин явлений и вещей)
Диалектика Гераклита	Гераклит	Огонь	Учение об огне. Тождество противоположностей. Нет ничего неизменного. «Все течет, все меняется».	Понимание происхождения и устройства мира (нахождение естественных причин явлений и вещей)
Пифагорейский союз	Пифагор	Число	Количественные закономерности развития мира.	Познать и описать душу человека
Платоники	Платон	Идеи	Учение о познании, о душе	Познание самих сущностей вещей
Школа Аристотеля	Аристотель	Материя, форма, действующая причина, цель	Учение о четырех причинах. Учение о движении.	Понимание происхождения мира (нахождение естественных причин явлений и вещей. Стремление систематизировать научные знания
А Т О М И С Т Ы	Демокрит	Атомы	Атомы и пустота	Понимание происхождения мира. (нахождение естественных причин явлений и вещей.
	Эпикур	Атомы	Теория познания, Учение о природе	Понимание происхождения мира. (нахождение естественных причин явлений и вещей.
	Лукреций	Атомы	Поэма «О природе вещей»	Понимание происхождения и описания мира. (нахождение естественных причин явлений и вещей.
	Сократ		Признание единства знания и добродетели. Диалектика Сократа. «Никто не делает зла по доброй воле»	Познание человеческого сознания, души, человеческой жизнь в целом
	Архимед		Основной закон гидростатики: закон Архимеда. Рычаг. Зеркало Архимеда	Для нахождения объема тела неправильной формы (по легенде: короны)
	Эвклид		«Начала» Эвклида. Законы перспективы (оптика).	Систематизация основных положений той или иной математической науки.



Рис 1. «Карты расположения научных школ»

Рис 2. «Карты расположения научных школ»



Фалес

Анализируя по картам географическое расположение школ, несложно заметить, что они возникали они в точках оживлённой жизнедеятельности. Милетская школа была основана в городе Милет. В то время город был крупнейшим торгово-ремесленным и культурным древнегреческим центром на западном берегу Малой Азии, связанным морскими путями и с Востоком и Западом. Основатель ионийской (милетской) натурфилософской школы Фалес Милетский, живший в 640/624 -- 548/545 до н.э. считается основоположником греческой философии и науки, один из «семи мудрецов», заложивших основы греческой культуры и государственности. Его основные научные идеи и заслуги:

Замена мифологического толкования окружающего мира на научное.

Идея о том, что «Земля находится в центре Вселенной; при уничтожении Земли рухнет весь мир». Следовательно, по Фалесу, Земля является центром и все небесные явления обращаются вокруг нее. Таким образом, именно Фалес был основоположником геоцентрической системы мира.

Теорема Фалеса. Существует легенда. Когда Фалес был в Египте правил фараон Амасис. И для того, чтобы удивить и поразить фараона, мудрец решил узнать высоту пирамиды. Что он сделал: подождал, пока длина его тени и его рост совпали, и тогда тем же методом измерил длину тени пирамиды.

Для этого использовал подобие треугольников. Впоследствии эта теорема была названа именем Фалеса: если параллельные прямые, пересекающие стороны угла, отсекают равные отрезки на одной его стороне, то они отсекают равные отрезки и на другой его стороне.

Анаксимандр

Представителем той же школы что и Фалес, был его ученик Анаксимандр. Ему принадлежат идеи:

Абстрактное понятие первовещества, заполняющее собой все и назвал его апейрон (бесконечное, божественное начало).

Понятие горизонта.

Система мира. Система мира Анаксимандра почти не отличается от системы мира Фалеса. Пути небесных тел - круги, что было идеей новаторской для того времени.

К примеру, кольцо Луны в 19 раз превышает Землю.

Рис 3. «Система мира Анаксимандра»

Таблица 2

«Параметры космологической системы Анаксимандра (реконструкция Джерарда Наддафа [3])»

	Джерард Наддаф
	Радиус
Земля	1
Звезды (кольцо)	7/9
Луна (кольцо)	17/19
Солнце (кольцо)	27/29

Анаксимен

И у Анаксимандра был ученик - Анаксимен, который был последним представителем милетской школы. Как и его учитель, полагал, что существует некая материя, лежащая в основе всего. Этой материей он считал воздух, говоря, что из него создается все. Анаксимен полагал, что из воздуха, не имеющего предела, создается мир, и все вещи по сути своей воздух, находящиеся в разных состояниях. Когда воздух нагревается, то создается огонь, а когда происходит охлаждение, то, к примеру, ветер, вода, земля. Небесные светила возникают, порожденные огнем, а тот в свою очередь, когда воздух нагревается.

Анаксимен не разделял взгляды своего учителя насчет системы мира, полагая, что Земля удерживается от падения воздухом. Он был тем, кто впервые предположил, что звезды - самые далекие объекты от Земли.

Гераклит

Дальнейшее развитие натурфилософии продолжалось в Эфесе. Гераклит, также, как и философы милетской школы, полагал, что существует первоматерия, но в отличие от последних, утверждавших, что все возникает из первовещества, рассматривает мир как «вечно живой огонь». Это значит, что все произошло от огня, и в соответствие ему нестабильно, находится в постоянном изменении.

Пифагор

Другая идея о основе всего сущего принадлежит Пифагору. Его основа - это идеальное начало в виде числа.

Иначе говоря, чтобы познать мир, нужно познать управляющие им числа.

Пифагор также был известен как создатель религиозно-философской школы пифагорейцев.

Основу философского учения пифагорейцев составляют две противоположности -- «предел» и «беспредельное». То есть, беспредельное не является основой всего сущего, а если так, то тогда нечто определенное (предел) не может существовать.

Среди последователей и учеников помимо обычного населения, также оказалась знать, которая попыталась распространить пифагорейское учение, через изменение законов. Это спровоцировало мятежи, так как большинство населения не разделяет взглядов пифагорейцев. В тот момент погибло много людей. И пифагорейский союз перестал существовать.

Платон

Противник милетской школы Платон, считал, что в основе лежат абсолютные сущности - идеи.

Об этом он рассказывает в диалоге «Тимей» [4]:

Во-первых, есть тождественная идея, нерожденная и негибнущая, ничего не воспринимающая в себя откуда бы то ни было, и сама ни во что не входящая, незримая и никак иначе не ощущаемая, но отданная на попечение мысли. Во-вторых, есть нечто подобное этой идее и носящее то же имя -- ощутимое, рождённое, вечно движущееся, возникающее в некоем месте и вновь из него исчезающее, и оно воспринимается посредством мнения, соединенного с ощущением. В-третьих, есть ещё один род, а именно пространство: оно вечно, не приемлет разрушения, дарует обитель всему роду, но само воспринимается вне ощущения, посредством некоего незаконного умозаключения, и поверить в него почти невозможно.

Аристотель

Аристотель, ученик Платона, все учения и идею учителя свел в единое целое, то есть систематизировал.

В основе мира по Аристотелю - геоцентрическая система. Он был тем, кто первым в своих сочинениях употребил термин «физика».

Существует «Аристотелев корпус», в который включены труды Аристотеля, написанные им самим, такие как: Категории / Кбфзгпсй?н / Categoriae (о логике), Физика / Цхуйк? ?ксьбуйт / Physica (о природе), а также те, которые написаны другими авторами. Труды, не принадлежащие Аристотелю, но изгалающие его учения, к примеру: О мире / Рес? кьумпх / De mundo, Механика / МзчбнйкЬ / Mechanica. В этих трудах речь идет о природе. Также, существуют другие, в которых авторство Аристотеля является сомнительным: Афинская полития / ?изнбЯщн рплйфеЯб. Труд описывает этику и политику.

Аристотель не поддерживал своего учителя за введение ненаблюдаемых абсолютных сущностей и не принимал ряд идей предшественников (гелиоцентризм, атомизм и др.). Физика Аристотеля основана на целесообразности природы.

Он говорит о том, что мир един, что идеи и вещи не могут быть самостоятельными. Когда идеи и вещи соединяются, то образуется идеальная первопричина - форма. Также форма означает суть вещи.

Таким образом, мы может перейти к учению о 4-х первопричинах, которое он развивает в книге «Метафизика».

Материя - то, из чего произошла вещь. Бесформенная материя - небытие, соответственно и форма не существует без материи. Первичная форма - это пять первоэлементов, соответственно: воздух, вода, земля, огонь и эфир, иначе небесная субстанция.

Форма - суть, или же мир идей как души вещей. Как говорилось выше, соединение формы и материи.

Движущая первопричина - то есть то, откуда идет начало изменения. Именно за счет движения одни формы перетекают в другие. Все движется, иначе все изменяется. В движении происходит слияние фoрмы и мaтерии.

Цель - не имеет материальной формы. Каждая вещь имеет цель. Высшая цель всего сущего - Благо.

Кроме того, Аристотель полагал движение как переход от возможного к действительному, благодаря этому процессу форма воплощается в материю.

Учение о движении по Аристотелю, есть любое количественное и качественное изменение, благодаря которому явление реализуется.

Он определил шесть форм движения. Однако, представляет интерес локальное движение, то есть механическое и движение всех остальных тел. Механическое - движение небесных тел, соответственно идеальное, так как движение происходит по замкнутой кривой без приложения каких-либо сил. Движение остальных тел, обусловленное законами природы, к примеру тело падает вниз, значит тяжелое; взлетает вверх, соответственно легкое.

Далее, Аристотель, анализирую потенцию и акт, пришел к выводу, что, то и другое невозможно, так как сущее, оно уже действительно, а из не-сущего, иначе говоря, из ничего что-то возникнуть не может.

То есть речь идет об «Учение о потенции (возможности) и акте (действительности)». Существует некая апория элейцев, иначе логически верное суждение, которое невозможно в действительности. Апория, по которой сущее возникает из уже сущего, или из не-сущего. Акт - осуществление чего-либо в действительности, а потенция - сила, способная осуществить. Прежде чем, вещь будет существовать в реальности, она существует в потенции.

Таким образом можно делать вывод, что Аристотель - основоположник формальной логики, которая до сих пор определяет стиль научного мышления.

Вывод «Первооснова есть. Но что она?»

Наблюдая явления роста и распада, соединения и разложения, первые мыслители заметили, что некоторые свойства и состояния, вещей во всех превращениях сохраняются. Эту постоянно сохраняющуюся основу вещей они назвали первоматерией. Одни философы считали, что все вещи состоят из жидкой материи (воды), другие -- из огненной материи, третьи -- из воды, огня, земли и воздуха. [5]

Установление строгой связи явлений с доказательствами - это то, что характеризует любую науку. Но, характерными чертами древнегреческого естествознания были множество накопленных фактов и большое количество гипотез и теорий, а также слабый эмпирический фундамент. В эту эпоху зародились начальные идеи об атомарном, дискретном строении материи.



Лекция 2. Атомы, пустота, физическая сущность вещей и поэзия Лукреция Кара

Демокрит и «яблочные» атомы

Слово «атом» -- греческого происхождения, и переводится оно «неделимый».

Впрочем, есть сведения, что уже в 7 веке до н.э. в системе знаний индийского мудреца Канады материальная субстанция строилась из атомов, которые соединялись попарно. В качестве связующих сил предполагалось наличие «воли Бога или еще чего-либо». Очень интересно, что о существовании атомов мудрец считал возможным узнать «не восприятием, а рассуждением». [6].

По легенде, Демокрит, сидя у моря на камне, держал в руке яблоко и размышлял: «Если я буду резать это яблоко ножом на все более мелкие части, всегда ли у меня в руках будет оставаться часть, которая все еще имеет свойства яблока?» Обдумав эту гипотезу, Демокрит пришел к следующим выводам:

«Начало вселенной -- атомы и пустота, все же остальное существует лишь во мнении.

Миров бесчисленное множество, и они имеют начало и конец во времени.

И ничто не возникает из небытия, не разрешается в небытие.

И атомы бесчисленны по величине и множеству, носятся же они во вселенной, кружась в вихре, и таким образом рождается все сложное: огонь, вода, воздух, земля… Атомы же не поддаются никакому воздействию и неизменяемы вследствие твердости». [6]

Древнегреческие философы давно спорили о том, подвержена ли изменениям суть наблюдаемого мира или же все изменения происходят только во вне. Демокрит представлял изменения во Вселенной иначе: существующая связь между атомами менялась, а сами атомы оставались неизменными и неделимыми.

Эпикур

Идеи Демокрита развивал Эпикур. Он говорил об этике - учении о поведении, приводящем к счастью, при этом определяя место человека в природе, иначе в физике. Учение об атомах у Демокрита и Эпикура схожи, есть некоторые отличия:

Движение атомов обуславливается внутренними свойствами (потоком частиц), а не внешней необходимостью. При этом возникал вопрос, полагая, что движение атомов определено: почему человек также не запрограммирован?

Атом не движется прямолинейно, он может самопроизвольно отклонятся.

Лукреций Кар. Поэзия и физическая сущность вещей

Об Эпикуре говорится в поэме Лукреция Кара «О природе вещей» [7]. Поэма полностью дошла до нас, и известный советский физик Вавилов С. И. говорил о ней:

«Такая двухтысячелетняя действенность - редчайший случай в истории культуры, заслуживающий особого внимания».

Вавилов С. И. в своей статье об этой поэме говорит о том, что Лукреция интересует именно физическая сущность явлений, а не явления сами по себе. Это объясняет, то, что поэма и в наше время действенна.

Лукреций был тем, у кого множество идей родились раньше времени. Стоит привести наиболее интересные рассуждения Лукреция из поэмы «О природе вещей».

Сам Лукреций, говорит о себе, как о человеке, находящимся в ранее неизведанном. Вот эти строки:

По бездорожным полям Пиэрид я иду, по которым

Раньше ничья не ступала нога

(IV, 1-2)

У Лукреция существует принцип сохранения тел:

За основание тут мы берём положенье такое:

Из ничего не творится ничто по божественной воле.

. . . отнюдь не в ничто превращаются вещи,

Но разлагаются все на тела основные обратно.

Словом, не гибнет ничто, как будто совсем погибая,

Так как природа всегда возрождает одно из другого

И ничему не даёт без смерти другого родиться.

(I, 149-150; 248-249; 262-264)

Это его исходная аксиома. В этом отрывке обращаем внимание на «тела», здесь же нет объяснения того, как Лукреций их понимает.

. . . ведь то, что является признаком тела: ….

Противодействовать и не пускать . . . ,-

(I, 336-337)

А также:

Действовать иль подвергаться воздействию тело лишь может. . .

(I, 443)

Данное определение до некоторой степени совпадает с имеющейся, гораздо более современной концепцией Бошковича об элементарных телах (о которой можно более подробно прочитать в книге Годыцкого-Цвирко A. M [8]). Понятия массы и энергии, которые в то время еще не существовали, не позволяли Лукрецию дать иное определение телам.

Также, Лукреций опередил свое время в понимании пространства и вселенной, говоря о первом - что оно безгранично, а о втором - что бесконечна.

Нет и краёв у неё, и нет ни конца ни предела.

И безразлично, в какой ты находишься части вселенной:

Где бы ты ни был, везде, с того места, что ты занимаешь,

Всё бесконечной она остаётся во всех направленьях . . .

(I, 964-967)

Материя тоже бесконечна.

. . . природа блюдёт, чтоб вещей совокупность предела

Ставить себе не могла: пустоту она делает гранью

Телу, а тело она ограждать пустоту принуждает,

Чередованьем таким заставляя быть всё бесконечным.

(I, 1008--1011)

Строкой «Чередованьем таким заставляя быть всё бесконечным», Лукреций полагает, что вселенная повторяется. С одной стороны, кажется, что картина мира Лукреция схожа со схемой Ньютона, но с другой нельзя сказать, что они совпадают - видны существенные отличия. Между абсолютным пространством Ньютона и телами нет никакой связи, иначе говоря это пространство в одних случаях безгранично пустое. В отличии от классической схемы Ньютона пространство-пустота Лукреция и тела обусловлены друг другом.

Первооснова Лукреция - атомы, и представлял он их абсолютно твердыми, плотными. Это рассуждение вполне приближено к элементарным частицам современной физики. Соответственно пытается доказать, беря за основу имеющегося определение тела:

Прежде всего, раз уж найдено здесь основное различье

Между вещами двумя, по их двоякой природе,-

Именно, телом и местом, в котором всё происходит,-

То существуют они непременно вполне самобытно.

Ибо, где есть то пространство, что мы пустотой называем,

Тела там нет, а везде, где только находится тело,

Там оказаться никак не может пустого пространства.

Значит, начальные плотны тела, и нет пустоты в них.

(I, 503-510)

Это доказательство вполне логично, но берем во внимание, что Лукреций жил в эпоху античности, и дать доказательство, которое бы соответствовало современности, не мог. Что можно сказать о его определении плотности, или же твёрдости. Плотность, как современное понятие применяется к любым телам: к сложным к примеру, кристаллу, и к элементарной частице, - к примеру, протону, а Лукреций, представляя “абсолютную плотность”, имеет ввиду плотность тела без пустот.

Эпикур и Лукреций в своем учении полагают, что движение присуще первоосновам, как тело и вес. Именно вес и падение тел определяют ограниченность их движения:

Если же думаешь ты, что стать неподвижно способны

Первоначала вещей и затем возродить в них движенье,

Бродишь от истины ты далеко в заблужденьи глубоком.

Ведь, в пустоте находясь и витая по ней, неизбежно

Первоначала вещей уносятся собственным весом

Или толчками других .

(II, 80-85)

Говоря о фотонах современной физики, нельзя сказать, что они находятся в покое, и в этом смысле первоосновы Лукреция можно сравнить с «атомами света».

Далее Лукреций, приводит доказательство, на примере движения пылинок в солнечном луче. Получившаяся картина вполне правильная иллюстрация теории броуновского движения. И эта картина опережает свое время на два тысячелетия:

Вот посмотри: всякий раз, когда солнечный свет проникает

В наши жилища и мрак прорезает своими лучами,

Множество маленьких тел в пустоте, ты увидишь, мелькая,

Мечутся взад и вперёд в лучистом сиянии света;

Будто бы в вечной борьбе они бьются в сраженьях и битвах

В схватки бросаются вдруг по отрядам, не зная покоя,

Или сходясь, или врозь беспрерывно опять разлетаясь.

Можешь из этого ты уяснить себе, как неустанно

Первоначала вещей в пустоте необъятной мятутся.

Так о великих вещах помогают составить понятье

Малые вещи, пути намечая для их постиженья.

(II, 114-124)

Затем Лукреций описывает его на более глубоком уровне:

Знай же: идёт от начал всеобщее это блужданье.

Первоначала вещей сначала движутся сами,

Следом за ними тела из малейшего их сочетанья,

Близкие, как бы сказать, по силам к началам первичным,

Скрыто от них получая толчки, начинают стремиться,

Сами к движенью затем понуждая тела покрупнее.

Так, исходя от начал, движение мало-помалу

Наших касается чувств, и становится видимым также

Нам и в пылинках оно, что движутся в солнечном свете,

Хоть незаметны толчки, от которых оно происходит.

(II, 132-141)

Можно заметить главное положение современной теории броуновского движения. Единственная неточность заключается в том, что на самом деле, движение пылинок в солнечном луче искажается тепловыми вихрями, радиометрическим эффектом и пр. Стоит напомнить, что Лукреций жил две тысячи лет назад, и заострение внимания на данной неточности становится неактуальным.

Лукреций жил в эпоху, когда микроскопов не существовало, но это не помешало ему образно, но с предельной точностью объяснить, отсутствие видимого движения первооснов в больших телах:

Здесь не должно вызывать удивленья в тебе, что в то время

Как обретаются все в движении первоначала,

Их совокупность для нас пребывает в полнейшем покое,-

Если того не считать, что движется собственным телом,-

Ибо лежит далеко за пределами нашего чувства

Вся природа начал. Поэтому, раз недоступны

Нашему зренью они, то от нас и движенья их скрыты.

Даже и то ведь, что мы способны увидеть, скрывает

Часто движенья свои на далёком от нас расстояньи:

Часто по склону холма густорунные овцы пасутся,

Медленно идя туда, куда их на пастбище тучном

Свежая манит трава, сверкая алмазной росою;

Сытые прыгают там и резвятся, бодаясь, ягнята.

Всё это издали нам представляется слившимся вместе,

Будто бы белым пятном неподвижным на склоне зелёном.

Также, когда, побежав, легионы могучие быстро

Всюду по полю снуют, представляя примерную битву,

Блеск от оружия их возносится к небу, и всюду

Медью сверкает земля, и от поступи тяжкой пехоты

Гул раздается кругом. Потрясённые криками, горы

Вторят им громко, и шум несётся к небесным созвездьям;

Всадники скачут вокруг и в натиске быстром внезапно

Пересекают поля, потрясая их топотом громким.

Но на высоких горах непременно есть место, откуда

Кажется это пятном, неподвижно сверкающим в поле.

(II, 308-332)

Данный способ объяснения ничуть не уступает в убедительности методу с использованием микроскопа. Однако, эта картина состояния движения вещества не оказала практически никакого влияния на других философов того времени. С удивительной прозорливостью из чисто умозрительных представлений Лукреций, просто предполагая, очень точно утверждает, что тела в пустоте падают с одинаковой скоростью, вне зависимости от веса. При этом Галилей сделает этот вывод на тысячелетия позже. Лукреций утверждает, что тело в воде или в воздухе:

Падать быстрее должно в соответствии с собственным весом

Лишь потому, что вода или воздуха тонкая сущность

Не в состояньи вещам одинаковых ставить препятствий,

Но уступают скорей имеющим большую тяжесть.

Наоборот, никогда никакую нигде не способна

Вещь задержать пустота и явиться какой-то опорой,

В силу природы своей постоянно всему уступая.

Должно поэтому всё, проносясь в пустоте без препятствий.

Равную скорость иметь, несмотря на различие в весе.

(II, 231-239)

Лукреций также рассуждает о строении Вселенной:

Трудно наверно решить, какая же действует в этом

Мире причина; но то, что возможно и что происходит

В разных вселенной мирах, сотворённых на разных началах,

Я объясняю и ряд излагаю причин, по которым

Может движенье светил совершаться в пространстве вселенной.

Всё же из этих причин непременно одна побуждает

Звёзды к движенью и здесь; но какая - предписывать это

Вовсе не должен тот, кто исследует всё постепенно.

(V, 526-533)

Есть представление о Земле как о бесконечном полупространстве, которая ограничена плоскостью. Вследствие чего, полагается, что первоосновы, которые находятся под действием тяготения, должны в пустоте перемещаться параллельным отвесным потоком с одинаковой скоростью. Следуя этой логике, столкновение между собой первооснов невозможно ввиду параллельности. Что делает образование вещей соответственно невозможным.

Эпикур и Лукреция вводят спонтанные отклонения первооснов, что решает данную трудность. Обращаясь к Меммию, Лукреций пишет:

«Я бы желал, чтобы ты был осведомлён здесь точно так же,

Что уносясь в пустоте, в направлении книзу отвесном,

Собственным весом тела изначальные в некое время

В месте неведомом нам начинают слегка отклоняться,

Так что едва и назвать отклонением это возможно.

Если ж, как капли дождя, они вниз продолжали бы падать,

Не отклоняясь ничуть на пути в пустоте необъятной,

То никаких бы ни встреч, ни толчков у начал не рождалось.

И ничего никогда породить не могла бы природа».

(II, 216-224)

Вывод «Жизнь первоосновы»

Сомнений в наличии первоосновы уже нет, но и названия конкретного нет тоже. Но замечательно уже то, что ее описали . То есть по сути, была создана умозрительная модель атома, его свойств и закономерностей взаимодействия. Первооснова неделима, тверда и взаимодействуют между собой и миром особым образом.

Лекция 3. Изобретения и открытия античности

Архимед

В эпоху античности сыграл важную роль Архимед, который вошел в историю, как основатель статики и гидростатики. Условие равновесия он получил непосредственно из постулатов, проводя экспериментов с рычагами. Также его можно считать прародителем математической физики. Решение научных проблем, происходило на основании строгих геометрических доказательствах. Именно на основании экспериментальных данных был сформулирован закон гидростатики Архимеда.

Существует легенда о короне царя Гиерона. Архимеду предстояло определить изготовлена она из чистого золота или ювелир, делавший ее, добавил серебро. На тот момент уже был известен удельный вес золота, но корона имела форму, не позволяющую точно измерить ее объем. Архимеда это озадачило, и он на протяжении долгого времени думал. Однажды садясь в ванну, наполненную водой, он обратил внимание на то, что вытекает из нее воды ровно столько, сколько занимает объем его тела. Соотнести данное наблюдение с короной не составило труда. Если положить корону в воду и измерить объем, вытесненной ей воды, то можно будет установить ее объем. Если верить легенде [9], Архимед будучи голым выбежал голые на улицу, крича «Эврика!», иначе «Нашел!». Таким образом, так был открыт основной закон гидростатики: закон Архимеда.

Формулируется этот закон следующим образом: на тело, погружённое в жидкость (или газ), действует выталкивающая сила, равная весу жидкости (или газа) в объёме тела.

Существует также еще одна легенда, Гиерон построил тяжелый многопалубный корабль под названием «Сиракузия». Построен он был в подарок, а именно египетскому царю Птолемею. Когда корабль был готов к спуску на воду, оказало, что сделать это не удается. Архимед выручил Гиерона, соорудив систему блоков - полиспаст, благодаря которой все получилось. Согласно легенде, Архимед сказал:

«Будь в моём распоряжении другая Земля, на которую можно было бы встать, я сдвинул бы с места нашу». Или же самый известный вариант: «Дайте мне точку опоры, и я переверну мир».

Однако, сделать нечто подобное в свое время он бы естественно не смог, потому что поднять что-либо размером с Землю хоть на один сантиметр, ему бы нужно было двигать несколько десятков миллионов лет, не говоря о том, что рычаг бы потребовался невероятно длинный.

Рис 5. «Архимед, переворачивающий Землю»



Вследствие чего Архимед сформулировал закон равновесия, связав понятия силы, груза, плеча.

«Усилие, умноженное на плечо приложения силы, равно нагрузке, умноженной на плечо приложения нагрузки, где плечо приложения силы -- это расстояние от точки приложения силы до опоры, а плечо приложения нагрузки -- это расстояние от точки приложения нагрузки до опоры».

Следующая легенда утверждает, что при обороне Сиракуз великий Архимед, помимо создания подъемных и метательных машин, придумал способ, благодаря которому он с помощью зеркал, сжег корабли Марцелла. Однако, труды античных историков, не упоминают об Архимеде и его зеркалах. Диодор Сицилийский - историк, существовавший на рубеже нашей эры, написал «Римскую историю», в которой упоминались зеркала в одной из частей. Описания зеркал были пересказаны двумя византийскими учеными:

1. Архимед... самым невероятным образом сжег римский флот. Направив особого рода зеркало на Солнце, он собрал пучки его лучей и, благодаря толщине и гладкости зеркала, сумел зажечь солнечным светом воздух так, что возникло колоссальное пламя. Он направил лучи на стоявшие на якоре корабли, и они сгорели дотла.

2. Когда Марцелл убрал корабли на расстояние, превышающее полет стрелы, старик соорудил особое шестиугольное зеркало; на расстоянии, пропорциональном размеру зеркала, он расположил похожие четырехугольные зеркала, которые можно было перемещать с помощью специальных рычагов и шарниров. Зеркало он обратил к полуденному солнцу - зимнему или летнему - и, когда пучки лучей отразились в нем, огромное пламя вспыхнуло на кораблях и с расстояния полета стрелы превратило их в пепел.



Рис 6. «Зеркало Архимеда»

Зеркало Архимеда - это большого размера деревянная рама на подвижной восьмиугольной доске, как показано на рисунке, на которой были установлены двадцать пять больших квадратных бронзовых зеркал, по одному из мнений - из щитов, используемые в то время воинами. Зеркала были установлены таким образом, чтобы все их лучи пересекались в одном и том же месте на расстоянии около 100 м.

Можно обратить внимание, что, зеркало Архимеда, являлось прообразом современных гелиоконцентраторов, которые сейчас используются в солнечной энергетике.



Рис 7. «Гелиоконцентратор»

Евклид

Гениальный геометр Евклид, кроме создания геометрии на 2000 лет, написал первый трактат по оптике, содержание которого основано на прямолинейном распространении света.

Платон выдвинул теорию зрительных лучей, в которой идет речь о том, что из глаза исходят лучи, сталкиваясь с предметами, освещают их и таким образом мир становится видимым.

Евклид, опираясь на эту теорию, пришел к выводу о прямолинейности распространения света и установил закон отражения.

Также, он геометрически вывел законы перспективы, когда наблюдал оптические явления, и результатом стали четырнадцать исходных положений.

Геометрически вывел законы перспективы:

Лучи, исходящие из глаза, распространяются прямолинейно и расходятся в бесконечность.

Фигура, охватываемая совокупностью зрительных лучей, есть конус, вершина которого расположена в глазу, а основание - на поверхности видимых предметов.

Видимы те предметы, на которые падают зрительные лучи, и невидимы те, на которые зрительные лучи не падают.

Предметы, видимые под большими углами, кажутся больше, видимые под меньшими углами кажутся меньше, а видимые под равными углами кажутся одинаковыми.

Предметы, видимые под большими углами. различаются более отчетливо.

Все лучи обладают одинаковой скоростью.

Луч есть прямая линия, средние участки которой соединяют концы.

Все, что видимо, видимо в прямолинейном направлении.

В трактате «Оптика» Эвклид, упоминает законе отражения, считает тем, что уже известно, и говорит, что доказательство этого закона приводится в трактате «Катоптрика», к сожалению, который не сохранился.

Птолемей

Птолемей, в трактате "Оптика", осуществил наиболее полное исследование преломления света, в двух средах - в стекле и в воде, оформленные в таблицах. Он искал причину того, о чем говорится в законе отражения Евклида, и причину неравенства углов при преломлении. Птоломей считал угол преломления пропорциональным углу падения. Однако, закон преломления будет открыт Снеллиусом в XVII веке.

Также, К. Птоломей окончательно оформил геоцентрическую модель мира.

У Птолемея в центре Вселенной - Земля, соответственно вокруг нее - все остальные космические тела, известные ему. Он полагал, что Луна - это самое близкое к Земле космическое тело. Далее расположил Меркурий и Венеру, а после - орбиту Солнца. Затем остальные три планеты: Марс, Юпитер и Сатурн. Относительно Солнца получились две группы планет: внешние и внутренние.



Рис 8. Геоцентрическая модель мира Птоломея.

Вывод «Пока одни поэтично рассуждали, другие просто изобретали»

Основали статику и гидростатику, открыли закон равновесия, закон отражения, законы перспективы, изобрели зеркало Архимеда - прообраз современных гелиоконцентраторов, которые сейчас используются в солнечной энергетике, провели полное исследование преломления света, создали геоцентрическую модель мира. Эпоха античности во всех отраслях человеческого знания явилась периодом описания и сбора информации. Древние философы и мудрецы, наблюдая, не только фиксировали происходящее, но и пытались объяснить. Именно в это время зарождалось то, что потом будет назваться физика. И хотя идеи и учения того времени отличаясь оригинальностью, были несистематичны и неструктурированны, они послужили прекрасной базой для дальнейшего этапа развития физики.



Лекция 4 «Достижения средневековья (VI - ХIV вв.) или время застоя и зарождения естествознания»

В средние века арабами была создана огромная империя, в которой в начальный момент к греческой культуре отношение было недоверчивое и презрительное. Начиная с середины 8 века мнение арабов меняется. В процессе смешения культур на первых этапах в первую очередь стали переводиться на арабский язык с греческого и сирийского труды греческих естествоиспытателей. Начинают возникать школы в новых столицах - Дамаске и Багдаде. Интересовали арабских ученых в большинстве случаев механические и оптические исследования. Аристотель был канонизирован, его учения взяты за основу. Исследования в механике арабы проводили, опираясь на Аристотеля. Однако, кроме области гидростатики, других значительных изменений и идей в эту область они не привнесли. В это время на основе принципа сообщающихся сосудов объяснили действие артезианских колодцев, а также стали применяться гидростатические весы.

Альхазен (Ибн аль-Хайсам) и его оптика

Наиболее выдающимся арабским физиком-оптиком был Альхазен (Ибн аль-Хайсам). Альхазеном был написан трактат под названием «Книга оптики», в которой он выдвигает свою идею о теории зрения. Альхазен дает описание строения глаза, которое уже было известно по исследованиям Галена. Но он опровергнул представления Платона и Евклида, что световые лучи испускаются глазом и сталкиваясь с вещами делают мир видимым. Доказательство несостоятельность этих представлений он демонстрирует посредством нескольких экспериментов, к примеру, показывая, что при попадании на глаза яркого солнечного света происходит ослепление.

Согласно Альхазену влияют на глаз естественный свет (солнечный) и цветовые лучи (солнечный свет, который отразился от цветных вещей). И происходит создание зрительного образа посредством лучей, испускаемыми видимыми телами, которые и попадают в глаз.

Также, Альхазен утверждал, что каждой точке наблюдаемого предмета есть возможность соотнести некоторую воспринимающую точку глаза.

...