История физики как науки

Это можно понять следующим образом: восприятие всего тела согласно Альхазену происходит путем, что из каждой точки тела исходит бесконечное число лучей и в зрачок попадает соответственно столько же.

Альхазен первым объяснил этот принцип действия (камеры-обскуры), и основанием для объяснения послужил принцип прямолинейного распространения света. Зная, что если долго смотреть на Солнце, то можно ослепнуть, Альхазен для наблюдений за затмениями пользовался специальными палатками. В этих палатках он делал маленькое отверстие и лучи солнечного света, проходя через него, образовывали на противоположной стенке палатки изображение солнца, тем самым позволяя ему безопасно наблюдать за затмением. Благодаря опыту, он снова доказал, несостоятельность теории испускания глазом лучей света.

П. Перегрин и магнетизм.

Существует очень старая легенда, которая повествует о пастухе по имени Магнус. В один момент он заметил, его палка, железный наконечник которой и гвозди его сапог притягиваются к чёрному камню. Этот камень получил название «камнем Магнуса», в честь имени пастуха или просто «магнитом», в честь холмов Магнезии, где шла добыча железной руды.

В 1269 П. Перегрин написал трактат «О магнитах» - первое научное изучение свойств магнита. В трактате автор указывает, какие признаки отличают хороший «магнитый камень» от плохого и как распознать его полюса.

Приводит описание эксперимента и его инструкцию, показывающего, что разноименные полюса магнита притягиваются, а одноименные -- отталкиваются.

П. Перегрин описывает свойство, что плавающий магнит всегда указывает на север:

«к звезде, которую называют мореходной, оттого, что она находится около полюса; но на самом деле он поворачивается не к упомянутой звезде, а к полюсу...».

Также, описывает конструкцию магнитного инструмента, «при помощи которого определяют на горизонте азимут Солнца, Луны и любой звезды».

Трактат Перегрина - это первое серьезное исследование магнетизма с использованием опытов, при этом сам автор представляет собой ученого, рассуждающего на основе экспериментов.

Р. Бэкон и опыт как основа познания.

В этот же период жил Р. Бэкон, который спорил со схоластами, и полагавший основу познания в опыте. Бэкон не поддерживал идею о единой первооснове, лишённой качеств. Он отрицал учение об атомизме, а также учение о неделимости атомов и пустоте. Считал основой любого познания мира - опыт. Бэкон выделял два типа опыта:

Жизненный опыт, получаемый в течение жизни.

Опыт - доказательство, получаемы через внешние эмоции и чувства.

Опыт может касаться только материального мира. Однако, как утверждал Бэкон, опыт может быть еще и духовный, доступный только избранным, посредством некого мистического состояния, называемого внутренним озарением. Именно опыты привели его к тому, что он измерил фокусное расстояние сферического зеркала.

Вывод «Затишье перед бурей»

Развитие физики в этом периоде не отличалось активностью достижений. Области гидростатики, оптики (трактат «Книга оптики», Альхазен (Ибн аль-Хайсам)), первое серьезное исследование магнетизма с использованием опытов (П. Перегрин, трактат «О магнитах») - вот области развития физики этого периода. Но прекрасным было уже и то, что опыт, эксперимент начал обретать свою научную силу (Р. Бэкон спорил со схоластами и полагавший основу познания в опыте). Возникла насущная потребность - новое знание, которое могло быть получено только через экспериментальное изучение мира. Так зарождалось естествознание.

Лекция 5. Эпоха Возрождения

15-16 век - век эпохальный и значимый в истории человечества. Ремесленники Европы вышли в города, изнутри разрушили господство натурального хозяйства, своими руками перевернули весь уклад жизни человечества. Они хотели производить, много, гораздо больше чем требовалось для личных нужд, совершенствовали орудия труда, изобретали и открывали. Промышленная революция стала толчком и превратила эти века в эпоху возрождения. Это было время, когда пассионарная энергия, недовольство, копившееся восемь столетий, вырвались наружу и взорвали застой и стагнацию. Это время рывка и изменения в научном знании, охватившее все стороны человеческого знания о мире. Это время изменения взглядов на место человека в мире и методы научного познания. Время рождения новой науки - экспериментального естествознания.

Коперник и идеи о вращении небесных тел. Сила всемирного тяготения.

Начало первой научной революции положил Коперник. Он создал гелиоцентрическую картину мира, которую описал в книге «Малые комментарии». Основной труд "О вращениях небесных сфер" в 6 томах был опубликован перед самой его смертью.

Проблемы, описанные Коперником:

Почему движение звезд происходит незаметно - скорей всего, расстояние до них настолько велико, что мы не видим их смещения.

Почему тела не падают с земли - в следствие движение вместе с землей (не нужно внешних сил).

Описание движения небесных тел - эпициклы, эксцентрики

Рис 9. "О вращениях небесных сфер" Коперник

Коперник придавал Земле три вращения: первое -- вращение Земли вокруг своей оси с угловой скоростью щ; второе (со скоростью щ?) -- вокруг оси мира, которая перпендикулярна плоскости земной орбиты и проходит через её центр; третье (с противоположно направленной скоростью щ??) -- вокруг оси, параллельной оси мира и проходящей через центр Земли. Два последних вращения образуют (при точном совпадении щ? и щ?? по величине) пару вращений, эквивалентную поступательному движению Земли вокруг Солнца по круговой орбите [10].

Коперник был тем, кто одним из первых предположил существование всемирного тяготения. В его книге [11] говорится:

Я думаю, что тяжесть есть не что иное, как некоторое стремление, которым божественный Зодчий одарил частицы материи, чтобы они соединялись в форме шара. Этим свойством, вероятно, обладают Солнце, Луна и планеты; ему эти светила обязаны своей шаровидной формой.

Пророчества гения да Винчи.

Наиболее ярким представителем этой эпохи является Леонардо да Винчи. В области механики наиболее важным было изучение Леонардо центров тяжести плоских и объемных фигур. Также, как и Архимед, он берет за основу математические доказательства, чтобы найти центр тяжести тетраэдра. В статике расширяет понятие момента силы по отношению к точке.

Леонардо был тем, кто первым объяснил, почему небо синее. В его книге «О живописи» он написал:

«Синева неба происходит благодаря толще освещённых частиц воздуха, которая расположена между Землёй и находящейся наверху чернотой».

Леонардо очень тщательно и долговременно наблюдал за полетом птиц, в процессе он смог сформулировать сознательный метод научного исследования, это и является одним из главных результатом его работ.

План исследований полета птиц у него выглядел так:

«Если хочешь говорить о таких вещах, ты должен в первой части определить природу сопротивления воздуха; во второй - строение птицы и ее оперения; в третьей - действие этого оперения при различных движениях; в четвертой - роль крыльев и хвоста»

Не только метод научного исследования сформулировал да Винчи изучая полет птиц. Его мечтой был - полет человека. В начале Леонардо по подобию птиц разрабатывал устройство полёта при помощи крыльев, человек должен был подниматься в воздух, посредством мышечной силы. Потом он выяснил, что мускульной силы недостаточно, и перешел к другой идее.



Рис 10. «Устройство для полета человека Л. Д. Винчи»

Да Винчи представлял такое устройство, с которым у человека отсутствует соединение, для того, чтобы управлять им, а для этого нужна свобода движений. Этот аппарат, полагал он, должен был приводить себя в движение сам. Современный человек сразу проведет аналогию с аэропланом.

Также, у да Винчи есть любопытный чертеж, который он описывал так: «Если у вас есть достаточно льняной ткани, сшитой в пирамиду с основанием в 12 ярдов (примерно 7 м 20 см), то вы сможете прыгать с любой высоты без всякого вреда для своего тела».



Рис 11. «Чертеж парашюта да Винчи»

Несколько веков после сказанного Леонардо такое устройство получило название «парашют».

«Звездные» открытия и начало оптики как науки Кеплера.

Будучи великолепным наблюдателем, Тихо Браге за много лет составил объёмный труд по наблюдению планет и сотен звёзд, причём точность его измерений была существенно выше, чем у всех предшественников. Для повышения точности Браге применял как технические усовершенствования, так и специальную методику нейтрализации погрешностей наблюдения. Особо ценной была систематичность измерений. Для повышения точности Браге применял как технические усовершенствования, так и специальную методику нейтрализации погрешностей наблюдения. Особо ценной была систематичность измерений [12].

В течение нескольких лет Кеплер пристально изучает данные, полученные Браге и в конце приходит к выводу, что траектория движения Марса - эллипс, а не круг по представлениям того времени. В одном из фокусов этого эллипса располагается Солнце -- это положение в современное время называется первым законом Кеплера.

Продолжив анализировать труды Браге Кеплер подходит к открытию второго закона: про радиус-вектор, который соединяет планету и Солнце, и который в равные промежутки времени описывает равные площади. Это привело его к выводу, что чем больше расстояние разделяющее планету от Солнце, тем медленнее ее движение.

Этим законам была дана формулировка Кеплером в 1609 году в его книге «Новая астрономия», при этом они распространялись только по отношению к Марсу для того, чтобы избежать бурных негодований со стороны других ученых.

В 1618, продолжая исследования в астрономии Кеплер открыл третий закон:

отношение куба среднего удаления планеты от Солнца к квадрату периода обращения её вокруг Солнца есть величина постоянная для всех планет: aі/TІ = const.

Кеплер описывает этот закон в книге «Гармония мира», при этом, уже не опасаясь осуждения применяет его ко всем планетам Солнечной системы.

Эти три закона позволили точно объяснить неравномерность движения планет. Первый закон говорит о том, что планеты движутся по эллипсу. Второй закон установил, зависимость скорости планеты от расстояния от Солнца. Третий закон дает возможность расчета данной скорости, а также период обращения, которое совершает планета вокруг Солнца.

Несмотря на то, что система мира Кеплера основывалась на модели Коперника, общего у них только суточное вращение Земли. Кеплер ввел понятие планетной орбиты. Орбиты небесных тел у Коперника - круги, а у Кеплера -- эллипсы, при этом общим фокусом орбит является Солнце.

Кеплер был тем, кто ввел термин инерция, понимая его как свойство тел, заключающееся в сопротивлении внешней силе, которая оказывает действие на тело.

В 1604 году Кеплером был написан трактат по оптике «Дополнения к Вителлию», а в 1611 году, «Диоптрика». Считается, что именно с этих книг начинается серьезное изучение оптики. В этих произведениях раскрыта геометрическая и физиологическая оптика. Он пишет о преломлении света, об общей теорию линз.

С точки зрения современной науки Кеплер описал механизм зрения довольно верно, а также объяснил зачем глазу хрусталик.

На этом основании Кеплер построил схему телескопической подзорной, который был произведен в 1613 году Кристофом Шайнером. В итоге этот телескоп получил широкое распространение.

Галилей. Главное событие Возрождения: экспериментальный метод исследования, основы новой, неаристотелевской механики.

Но все же главным для развития физики в эпоху Возрождения -- это появление нового метода исследования - экспериментального. И первый в этом - Галилей. В 1624 году Галилей опубликовал «Письма к Инголи». Самая важная научная ценность этого произведения -- Галилей заложил основы новой, неаристотелевской механики, в дальнейшем дополненная и углубленная спустя 12 лет в последнем сочинении, которое называется «Беседы и математические доказательства двух новых наук», где излагаются основы кинематики и сопротивления материалов. В первом сочинении Галилей четко формулирует принцип относительности для равномерного движения:

Результаты стрельбы будут всегда одинаковые, к какой бы стране света она ни была направлена… это произойдет потому, что так же должно получаться, будет ли Земля в движении или стоять неподвижно… Дайте движение кораблю, и притом с какой угодно скоростью; тогда (если только движение его будет равномерным, а не колеблющимся туда и сюда) вы не заметите ни малейшей разницы (в происходящем) [13].

Если говорить современным языком, то Галилей объявил однородность пространства, то есть отсутствие центра мира и то что инерциальные системы отсчёта находятся в равноправии друг с другом. Аргументы Галилея в этом сочинении, хоть и не явно, но предполагается, что законы, которые действуют на планете Земля, должны действовать и на небесные тела. И это вразрез с учением Аристотеля.

Античные и средневековые философы объясняли явления и процессы мира, путем некой «метафизической сущности», для объяснения которой придумывались различные ее свойства. Галилей не принимал такой путь:

Поиск сущности я считаю занятием суетным и невозможным, а затраченные усилия -- в равной мере тщетными как в случае с удалёнными небесными субстанциями, так и с ближайшими и элементарными; и мне кажется, что одинаково неведомы как субстанция Луны, так и Земли, как пятен на Солнце, так и обыкновенных облаков… [Но] если тщетно искать субстанцию солнечных пятен, это ещё не значит, что нами не могут быть исследованы некоторые их характеристики, например место, движение, форма, величина, непрозрачность, способность к изменениям, их образование и исчезновение [14].

Галилей является одним из тех, основал механицизм. Этот подход полагает Вселенную механизмом, размеры которого неисчислимы, а процессы, происходящие в природе -- как совокупность причин. Главная причина - механическое движение. Об этом он писал в труде «Пробирных дел мастере» [15]:

Никогда я не стану от внешних тел требовать чего-либо иного, чем величина, фигура, количество, и более или менее быстрые движения для того, чтобы объяснить возникновение ощущений вкуса, запаха и звука; я думаю, что если бы мы устранили уши, языки, носы, то остались бы только фигуры, числа, движения, но не запахи, вкусы и звуки, которые, по моему мнению, вне живого существа являются не чем иным, как только пустыми именами.

Для проектирования и постановки опыта, а также дальнейшего осмысления его результатов, для начала требуется предварительно составить теоретическую модель исследуемого явления, и основой её Галилей полагал математику: книга природы «написана на языке математики» [16]; «Тот, кто хочет решать вопросы естественных наук без помощи математики, ставит неразрешимую задачу. Следует измерять то, что измеримо, и делать измеримым то, что таковым не является». [17]

Опыт Галилей полагал как осознанный и обдуманный вопрос, который задается природе. При этом, это мог быть и мысленный эксперимент, если результаты этого опыта не требуют подтверждения. Полученные результаты должны были быть проанализированы, и этот анализ мог привести к изменению исходной модели или даже ее замещению. Таким образом, эффективный путь познания, по мнению Галилея, состоит в сочетании синтетического (в его терминологии, композитивный метод) и аналитического (резолютивный метод), чувственного и абстрактного [15].

В последней книге, написанной Галилеем, он дал корректную формулировку законам падения:

скорость нарастает пропорционально времени, а путь -- пропорционально квадрату времени [18].

В соответствии с изложенным выше методом он сразу же для подтверждения законов падения привел результаты эксперимента. Также, Галилей рассмотрел и обобщённую задачу:

исследовать поведение падающего тела с ненулевой горизонтальной начальной скоростью.

Галилей сделал верное предположение, что полёт этого тела будет представлять собой суперпозицию (наложение) двух «простых движений»: равномерного горизонтального движения по инерции и равноускоренного вертикального падения.

Также, Галилей доказал, что указанное выше, а также любое брошенное под углом к горизонту тело летит по параболической траектории [18].

Галилей сформулировал первый закон механики (закон инерции), тем самым опровергнув второй закон Аристотеля:

при отсутствии внешних сил тело либо покоится, либо равномерно движется.

Галилей понимал инерцию, как «неистребимо запечатлённое движение». Правильную формулировку закона позднее дали Декарт и Ньютон; тем не менее общепризнанно, что само понятие «движение по инерции» впервые введено Галилеем, и первый закон механики по справедливости носит его имя [19].

Галилей является одним из тех, кто да основу принципа относительности в классической механике, в последствии который был назван в его честь. В «Диалоге о двух системах мира» Галилей сформулировал принцип относительности следующим образом [19]:

Для предметов, захваченных равномерным движением, это последнее как бы не существует и проявляет своё действие только на вещах, не принимающих в нём участия.

Все эти открытия Галилея, дали ему возможность опровергнуть в большинстве своем доводы противников гелиоцентрической системы мира, полагавших, что вращение Земли заметно сказалось бы на явлениях и процессах, происходящих на её поверхности, например, «выбивало бы почву из-под ног». На эти доводы Галилей однозначно высказал:

«Будут безрезультатны любые опыты, которые должны были бы указывать более против, чем за вращение Земли» [19].

В 1609 году Галилей построил свой первый телескоп с выпуклым объективом и вогнутым окуляром. Труба давала приблизительно трёхкратное увеличение [20]. При этом термин «телескоп» ввел именно Галилей.

Посредством данного телескопа он провел некоторые наблюдения, которые в свою очередь показали, что Луна, также, как и Земля, имеет не однообразный рельеф, поверхность была испещрена горами и кратерами. Также Галилей объяснил пепельный цвет Луны, как результат попадания солнечного света.

Благодаря Галилею представления о Млечной пути, как о сплошном сиянии, распались также как сама галактика на миллиарды звезд, которые отдельны друг от друга.

Галилей всегда яро поддерживал систему Коперника, и в «Диалоге о двух системах мира» он обосновал это [19]:

Венера и Меркурий никогда не оказываются в противостоянии, то есть в стороне неба, противоположной Солнцу. Это означает, что они вращаются вокруг Солнца, и их орбита проходит между Солнцем и Землёй.

Декарт. Оптика, механика, общее строение вселенной и рационализм как универсальный метода познания

Во времена жизни Галилея также существовало и иное направление физики, представителем которого был Декарт.

Исследования Декарта в области физики относятся в основной своей массе к механике, оптике и общему строению Вселенной. Физика Декарта была полностью материалистической:

Вселенная целиком заполнена движущейся материей и в своих проявлениях самодостаточна.

Он считал, что атомов и пустоты нет и быть не может, и в своих научных трудах относился к сторонникам атомизма резко негативно. Декарт, вместо атомов, внедрил объемный класс ненаблюдаемых тонких материй, посредством которых делал попытку объяснить действие теплоты, тяготения, электричества и магнетизма.

Основными видами движения Декарт считал движение по инерции, которое сформулировал (1644) так же, как позднее Ньютон, и материальные вихри, возникающие при взаимодействии одной материи с другой [21]. Взаимодействие он полагал как нечто механическое, как к примеру соударение.

В 1637 году была опубликована «Диоптрика», где Декарт описывал законы распространения света, отражения и преломления, идея эфира как переносчика света, объяснение радуги. Декарт был тем, кто первый вывел закон преломления света в математическом виде (независимо от В. Снеллиуса) на границе двух различных сред. Благодаря формулировке закона преломления данной Декартом, ученые того времени смогли успешно улучшить оптические приборы, которые широко использовались в астрономии и навигации (а с течением времени и в микроскопии).

Философия Декарта полагала дуализм души и тела, иначе говоря двойственность идеального и материального, при том, имеется ввиду что душа и тело - независимые и самостоятельные начала.

В 1644 году выходит в свет труд «Первоначала философии», в котором Декартом были сформулированы главные тезисы:

«Бог сотворил мир и законы природы, а далее Вселенная действует как самостоятельный механизм.

В мире нет ничего, кроме движущейся материи различных видов. Материя состоит из элементарных частиц, локальное взаимодействие которых и производит все природные явления.

Математика -- мощный и универсальный метод познания природы, образец для других наук».

Паскаль. Основной закон гидростатики

Паскаль Блез (19.06.1623-19.08.1662) - французский математик, физик, философ и писатель.

Основные физические работы посвящены гидростатике, важнейшие из них:

формулировка фундаментального закона о полной передаче жидкостью производимого на нее давления (закон Паскаля);

установил принцип действия гидростатического пресса;

также высказал идею о зависимости атмосферного давления от высоты;

открыл зависимость давления от температуры и влажности воздуха и предложил использовать барометр для предсказания погоды.

Впоследствии в его честь названа единица давления - «паскаль».

В конце 1646 года Паскаль, решил повторить опыт Торичелли. Далее он провел серию опыт несколько другого вида, пытаясь доказать, что пространство в трубке над ртутью не заполнено ни её парами, ни разреженным воздухом, ни некой «тонкой материей». В 1647 году Паскаль написал трактат «Новые опыты, касающиеся пустоты», в котором изложил результаты данных экспериментов. Паскаль утверждал:

что пространство в верхней части трубки «не заполнено никакими известными в природе веществами … и можно считать это пространство действительно пустым, до тех пор, пока экспериментально не доказано существования там какого-либо вещества».

Таким образом, Паскаль дал предварительное доказательство возможности пустоты и того, что гипотеза Аристотеля о «боязни пустоты» имеет пределы.

Впоследствии Паскаль стремился доказать, что давление воздуха удерживает столбик ртути в стеклянной трубке.

На основе результатов опытов он смог сделать вывод:

что давление воздуха есть частный случай равновесия жидкостей и давления внутри них.

Тем самым, Паскаль подтвердил предположение Торричелли о существовании атмосферного давления.

«Трактат о равновесии жидкостей» был опубликован в 1663, в котором Паскаль формирует идею гидравлического пресса:

«сосуд, наполненный водою, является новым принципом механики и новой машиной для увеличения сил в желаемой степени, потому что с помощью этого средства человек сможет поднять любую предложенную ему тяжесть».

Также отмечает, что принцип его действия следует тому же закону, что и принцип действия рычага, блока, бесконечного винта. Паскаль вошёл в историю науки, начав с простого повторения опыта Торричелли, он опроверг одну из основных аксиом старой физики и установил основной закон гидростатики [22].

Вывод: Эксперимент, естествознание, рационализм как метод познания мира. Завершение предыстории физики

Критика, использование, опровержение привычных многовековых истин, из глубины веков, свержение классических авторитетов и переосмысление их идей - вот чем был пропитан век возрождения. Эксперимент, естествознание, рационализм как метод познание пришли на смену наблюдению и философствованию. Серьезные успехи и открытия в области оптики, «земной» и «небесной» механики привели к рождению не просто открытий, а научных направлений. Успехи физики 16 века c одной стороны не выглядят слишком впечатляюще, в них больше случайности и хаотичны, но с другой эти открытия помогли зародиться новой культуре. Этим завершается период Возрождения в физике, завершается и ее предыстория, начинается новая фаза - становления физики как научной дисциплины.



Тема 3. Период становления физики как науки (начало ХVII в.- 80-е гг. ХVII в.)

Лекция 1. Первые самостоятельные шаги физики: успешно, серьезно и основательно

Галилей, Гюйгенс. Вращательное движения и теория маятника или кто изобрел часы?

В период становления физики как самостоятельной науки была создана теория маятника (Галилей, Гюйгенс), разработана теория вращательного движения (Гюйгенс).

Теоретическая разработка проблемы маятника имела прямую связь с решением практической задачи измерения времени: свойство маятника сохранять постоянный период колебаний, открытое Галилеем, сразу натолкнуло на мысль применить маятник для измерения времени.

Галилей понимал, что период колебания маятника зависит лишь от длины нити, на которой подвешен груз. Также, что можно считать период колебаний независящим от амплитуды колебаний. Разбирая влияние различных факторов на период качания маятника, Галилей в "Первом дне" "Бесед" говорит: "Что касается, далее, отношения времени качания тел, подвешенных к нитям различной длины, то промежутки времени относятся между собой, как корни квадратные из длин маятников, и обратно: длины маятников стоят между собой в двойной пропорции времён, т. е. относятся друг к другу как квадраты времён качания".



Рис 12. «Маятник Галилея»

Галилей первым развил теорию маятника. Почти за сто лет до Гюйгенса он доказал, что период качания маятника зависит лишь от длины подвеса, если массой подвеса можно пренебречь по сравнению с массой качающегося тела.

Галилей доказал также, что период качания маятника не зависит от амплитуды его качания.

При помощи маятников Галилей очень наглядно показал неправильность утверждения Аристотеля, что скорость падения тела зависит от его веса.

Разработка и осуществление практически пригодных часов принадлежит голландскому ученому X. Гюйгенсу (1629-1695). В 1657 г. Гюйгенс запатентовал изобретенные им часы с маятником. Одновременно он разработал теорию маятника. Гюйгенс разработал также теорию вращательного движения для материальной точки, равномерно движущейся по окружности.



Рис 13. «Часы X. Гюйгенса»

В последней, пятой части своего сочинения Гюйгенс дает тринадцать теорем о центробежной силе. Гюйгенс приводит в ней несколько фундаментальных формул.

Свет. Снеллиусом с закон преломления света. Гримальди с интерференцией, дифракцией и картой Луны.

Также, был установлен закон преломления света. Впервые он был экспериментально установлен голландским ученым Снеллиусом (1580-1626) на границе воздух - вода, однако, Снеллиус не дал его современной формулировки. Позднее в современной формулировке он был опубликован Декартом в сочинении "Диоптрика" (1637). Декарт вывел этот закон теоретически, исходя из постулатов о различной скорости света в средах с различной плотностью. Открытие закона преломления света давало возможность приступить к количественному расчету оптических систем. В дальнейшем была получена формула линзы и развиты основы теории оптических систем.



Рис 14. «Формула линзы Снеллиуса»

Предложил использовать метод подобия треугольников при проведении геодезических измерений, при помощи которого нашёл решение задачи, названной впоследствии «задачей Потенота»:

В его работе «Eratosthenes Batavus» («Голландский Эратосфен»), опубликованной в 1617 году, описывался метод триангуляции и приводились результаты измерений между городами Берген-оп-Зомом и Алкмаром дуги меридиана 1°11?30?.

В 1621 году открыл закон преломления света. Однако результаты многочисленных экспериментов по оптике опубликованы не были. Позже они были обнаружены в архивах Рене Декартом, который использовал их при написании своих «Рассуждений о методе ...» в приложении «Диоптрика» (1637).

Закон Снеллиуса (также Снелля или Снелла) описывает преломление света на границе двух прозрачных сред. Также применим и для описания преломления волн другой природы, например, звуковых.

В этот же период были открыты явления интерференции и дифракции света. Эти явления были впервые описаны итальянским ученым Ф. Гримальди (1618--1663) в его труде "Физико-математические рассуждения о свете, цветах и радуге" (1665).

Гримальди заметил, что если на пути узкого пучка световых лучей поставить предмет, то на экране, поставленном сзади, не получается резкой тени. Края тени размыты, кроме того, вдоль тени появляются цветные полосы. Открытое явление Гримальди назвал дифракцией, но объяснить его правильно не сумел. Он понимал, что наблюдаемое им явление находится в противоречии с законом прямолинейного распространения света, а вместе с тем и с корпускулярной теорией. Однако он не решился полностью отказаться от этой теории.

Другой опыт, описанный Гримальди, заключался в следующем: свет пропускался через два узких отверстия в ставне, расположенных близко друг к другу, так что на экране два конуса лучей накладывались друг на друга. Рассматривая картину на экране.

Гримальди пришел к выводу, что "прибавление света к свету" (интерференция) может привести к уменьшению его интенсивности.

В 1665 г. Гримальди открыл дифракцию света. Кроме того, совместно с Дж. Б. Риччиоли составил карту Луны и ввёл название лунных образований, употребляющиеся по сей день.

Торричелли, Паскаль. Учение об атмосферном давлении, первый барометр и основы гидравлики.

В период становления физики как самостоятельной науки было создано учение об атмосферном давлении (Торричелли, Паскаль) В 1603 г. Э. Торричелли (1608-1647) провел первый опыт с трубкой, наполненной ртутью и пришел к заключению о возможности существования пустоты, а также измерил величину атмосферного давления.

Имя Торричелли навсегда вошло в историю физики как имя человека, впервые доказавшего существование атмосферного давления и сконструировавшего первый барометр - прибор для измерения атмосферного давления.

Позже Декарт высказал мысль, что атмосферное давление должно уменьшаться с высотой и что это можно проверить, подняв барометр в гору. Такой опыт проделал Б. Паскаль (1623-1663) и установил, что, действительно, высота ртутного столба с подъемом уменьшается. Опыты Торричелли-Паскаля привели к изобретению нового прибора - барометра, который начал применяться в метеорологических исследованиях.

Торичелли был наиболее блестящим из прямых учеников Галилея. Известен как автор концепции атмосферного давления и продолжатель дела Галилея в области разработки новой механики.

Основные работы в области пневматики и механики. В 1643 стимулировал изучение вакуума (Торичеллева пустота), нанеся удар по утверждению: “природа боится пустоты”. Сформулировал (1641) закон вытекания жидкости из отверстий сосуда (формула Торичелли).

Первые работы Торичелли были посвящены исследованию механического движения: формулировка принципа движения центра тяжести, изучение движения тела, брошенного под произвольным углом, и истечения жидкости из отверстия в дне сосуда. Он выдвинул гипотезу, эквивалентную закону сохранения энергии. Основным же достижением Торичелли является открытие и исследование атмосферного давления, что вызвало большой резонанс среди физиков. Он также по существу открыл закон о распространении давления газа во все стороны, который окончательно сформулировал Паскаль.

В основном труде по механике «О движении свободно падающих и брошенных тяжёлых тел» (1641) Торричелли развил идеи Галилея о движении, сформулировал принцип движения центров тяжести, решил ряд задач баллистики. Использовал кинематические представления, в частности, принцип сложения движений, причём в понимании движения по инерции продвинулся дальше Галилея.

До середины XVII века считалось непререкаемым утверждение древнегреческого учёного Аристотеля о том, что вода поднимается за поршнем насоса потому, что «природа не терпит пустоты». Однако при сооружении фонтанов во Флоренции обнаружилось, что засасываемая насосами вода не желает подниматься выше 34 футов. Недоумевающие строители обратились за помощью к престарелому Галилею, который сострил, что, вероятно, природа перестает бояться пустоты на высоте более 34 футов, но все же предложил разобраться в этом своим ученикам -- Торричелли и Вивиани. Трудно сказать, кто первым догадался, что высота поднятия жидкости за поршнем насоса должна быть тем меньше, чем больше её плотность. Так как ртуть в 13 раз плотнее воды, то высота её поднятия за поршнем будет во столько же раз меньше. Тем самым опыт получил возможность «перейти» со стройплощадки в лабораторию и был проведен Вивиани по инициативе Торричелли. Осмысливая результаты эксперимента, Торричелли в 1643 году сделал два вывода: пространство над ртутью в трубке пусто (позже его назовут «торричеллиевой пустотой»), а ртуть не выливается из трубки обратно в сосуд потому, что атмосферный воздух давит на поверхность ртути в сосуде. Из этого следовало, что воздух имеет вес. Это утверждение казалось настолько невероятным, что не сразу было принято учёными того времени.

Роберт Бойль и газ (закон Бойля-Мариотта).

Открытие атмосферного давления в середине XVII в. послужило отправной точкой для начала глубоких, всесторонних исследований свойств газа. Из газовых законов первым был открыт закон, устанавливающий связь давления газа с занимаемым им объемом. Он был опубликован в 1660 г. английским физиком.

Истоки исследований Бойлем свойств газов, по всей видимости, лежат в работах по усовершенствованию воздушного насоса, разработанного Отто Герике. Пытаясь понять принцип работы насоса, он изобрел несколько несложных приборов, которые позволяли измерять изменение объема данного количества воздуха при изменении его давления.

Один из этих приборов представлял из себя изогнутую, запаянную с одного конца, стеклянную трубку, которая заполнялась ртутью. При заполнении трубки ртутью, в ее коротком отростке оставался запертый столбик воздуха. Когда Бойль доливал в длинный отросток ртуть, длина воздушного столбика уменьшалась. При изменении этой длины в два раза, разность уровней ртути в коленах оказывалась равной атмосферному давлению. Опыт наводил на мысли о существовании обратно пропорциональной зависимости между давлением и объемом. При повторных опытах Бойль доливал ртуть малыми порциями и получил полное подтверждение своему предположению.

Закон Бойля в 1679 г. был переоткрыт французским физиком Эдмом Мариоттом. Во Франции этот закон до сих пор называют законом Мариотта. При этом никто не оспаривает приоритета Бойля. Но дело в том, что Бойль свое открытие считал просто интересным свойством воздуха, тогда как Мариотт этому закону нашел разнообразные применения, в частности, показал, как вести расчет высоты местности по показаниям барометра.

Утверждение закона состоит в следующем: при постоянных температуре и массе газа произведение давления газа на его объём постоянно.

Здесь р₁ и V₁ - соответственно начальные давление и объем данной массы газа; р₂ и V₂ - конечные.

В изучении природы он был последователем Бэкона Веруламского, противником схоластической философии и давал предпочтение опыту перед умозрением; иногда это направление мешало ему делать обобщения смысла замеченных им явлений. Весьма важный физический закон сжатия газов, который носит теперь его имя (закон Бойля -- Мариотта), остался бы, может быть, незамеченным Бойлем, если б не первоначальное указание его ученика Ричарда Таунли на правильность сжатия газов с увеличением давления в опытах Бойля.

Он доказал, что явление капиллярности, а именно поднятие жидкостей в узких трубках, происходит в разреженном пространстве, чем и опровергнул существовавшее тогда мнение, что в этом явлении участвует атмосферное давление. Опыт ему доказал также, что сифон не может в разреженном воздухе служить для переливания жидкостей, что дым, как и всякое другое тело, падает, следовательно, подвержен действию тяжести, что трение тел и гашение извести отделяют теплоту и в разреженном воздушном пространстве.

Эти и многие другие опыты Бойль производил при помощи воздушного насоса, незадолго перед тем изобретённого Отто фон Герике, но получившего различные усовершенствования в руках Бойля. После появления сочинения Герике, в котором описаны его опыты над электричеством и магнетизмом, Бойль занялся воспроизведением этих опытов и внёс в них, как всегда, нечто новое; однако он иногда ошибался, как, например, в том случае, когда полагал, что железо отпадает от магнита под колоколом воздушного насоса вследствие разрежения воздуха.

Бойль принимает, подобно своим предшественникам, существование в природе абсолютно пустого пространства, в котором находятся материальные частицы определённой величины и формы; атомы жидкостей находятся в постоянном движении, а твёрдых тел -- в покое, промежутки же между частицами наполнены некоторым очень тонким веществом. Для объяснения сцепления твёрдых тел он ошибочно принимает давление на них воздуха -- общераспространённое тогда мнение.

Физические и химические изменения вещества Бойль объяснял соединением и разъединением атомов, отрицал существование четырёх элементов (Аристотель) или трёх алхимических и высказал проницательную догадку, что истинные элементы будут найдены при последовательном разложении тел.

Вывод «физика - самостоятельная наука»

Вращательное движения и теория маятника; свет, интерференция, дифракция и законы преломления света; карта Луны и учение об атмосферном давлении, первый барометр, часы и основы гидравлики и свойства газа. В сравнении с прежним периодом эксперимент занял прочное место и его ценность уже не подлежит сомнению. =научная мысль проникает все глубже, результатами опытов становятся уже не эпизодические сюжеты о свойствах вещей, а системные, структурные выводы. Теперь уже не рассуждение подтверждено практикой, а скорее эксперимент заставляет искать объяснение. Таким образом, в течение небольшого для науки временного отрезка (начало и середина 17 века) произошло становление физики как самостоятельной науки. Становление физики как самостоятельной науки сопровождалось развитием экспериментального метода познания природы, заложенного Галилеем, и выдающимися достижениями в области механики, оптики, физики жидкостей и газов.



Тема 4. Период классической физики (конец XVII в.- начало ХХ в.)

Классическая физика -- физика до появления квантовой теории и теории относительности. Основы классической физики были заложены в средние века Ньютоном и другими физиками.

Классическая физика основана на следующих принципах:

причины должны быть жестко связаны со следствиями (детерминизм)

пространство обладает евклидовой геометрией

течение времени одинаково в любых системах отсчета и не зависит от скорости их движения относительно друг друга.

Период классической физики в принятой схеме делится на три этапа: от И. Ньютона до Дж. Максвелла (1687 - 1859), от Дж. Максвелла до В. Рентгена (1860 - 1894) и от В. Рентгена до А. Эйнштейна (1895 - 1904).

Лекция 1. Первый этап - второй этап (конец ХVII в. - 60-е гг. ХIХ в.) от И. Ньютона до Дж. Максвелла (1687 - 1859)

Иссак Ньютон. Физика и ее математически обеспеченная целостность: системность, структурированность, закономерность.

Первый этап проходит под знаком полного господства механики Ньютона, его механическая картина мира совершенствуется и уточняется, физика представляется уже целостной наукой.

Ньютоном были открыты четыре закона механики:

I закон, или закон инерции. (Фактически, это закон, открытый еще Галилеем, но сформулированный более строго): всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, пока оно не будет вынуждено изменить его под действием каких-то сил.

II закон. Этот закон по праву является ядром механики. Он связывает изменение импульса тела (количества движения) с действующей на него силой , т.е. изменение импульса тела в единицу времени равно действующей на него силе и происходит в направлении ее действия. Так как в механике Ньютона масса не зависит от скорости (в современной физике, как мы впоследствии увидим, это не так), то

где, а - ускорение противодействия равны по величине и противоположны по направлению. Масса в этом выражении предстает как мера инертности. Нетрудно увидеть, что при постоянной силе воздействия ускорение, которое можно придать телу тем меньше, чем больше его масса.

III закон отражает тот факт, что действие тел всегда носит характер взаимодействия, и что силы действия и противодействия равны по величине и противоположны по направлению.

IV закон, сформулированный Ньютоном - это закон всемирного тяготения.

Размышляя о движении Луны, Ньютон сделал вывод, что она на орбите удерживается той же силой, под действием которой камень падает на землю, т.е. силой тяготения: «Луна тяготеет к Земле и силою тяготения постоянно отклоняется от прямолинейного движения и удерживается на своей орбите». Используя формулу своего современника Гюйгенса для центростремительного ускорения и астрономические данные, он нашел, что центростремительное ускорение Луны в 3600 раз меньше ускорения падения камня на Землю. Поскольку расстояние от центра Земли до центра Луны в 60 раз больше радиуса Земли, то можно предположить, что сила тяготения убывает пропорционально квадрату расстояния. Затем, на основе законов Кеплера, описывающих движение планет, Ньютон распространяет этот вывод на все планеты.

«Силы, которыми главные планеты отклоняются от прямолинейного движения и удерживаются на своих орбитах, направлены к Солнцу и обратно пропорциональны квадратам расстояний до центра его».

Наконец, высказав положение о всеобщем характере сил тяготения и одинаковой их природе на всех планетах, показав, что «вес тела на всякой планете пропорционален массе этой планеты», установив экспериментально пропорциональность массы тела и его веса (силы тяжести), Ньютон делает вывод, что сила тяготения между телами пропорциональна массе этих тел. Так был установлен знаменитый закон всемирного тяготения, который записывается в виде:

,

где g - гравитационная постоянная, впервые определенная экспериментально в 1798 г. Г. Кавендишем. По современным данным g = 6,67*10^-11Н*м²/кг².

Важно отметить, что в законе всемирного тяготения масса выступает в качестве меры гравитации, т.е. определяет силу тяготения между материальными телами.

В письме к Пардизу Ньютон сформулировал «золотое правило науки» [23]:

«Лучшим и наиболее безопасным методом философствования, как мне кажется, должно быть сначала прилежное исследование свойств вещей и установление этих свойств с помощью экспериментов, а затем постепенное продвижение к гипотезам, объясняющим эти свойства. Гипотезы могут быть полезны лишь при объяснении свойств вещей, но нет необходимости взваливать на них обязанности определять эти свойства вне пределов, выявленных экспериментом… ведь можно изобрести множество гипотез, объясняющих любые новые трудности».

Такой подход не только ставил вне науки умозрительные фантазии (например, рассуждения картезианцев о свойствах «тонких материй», будто бы объясняющих электромагнитные явления), но был более гибким и плодотворным, потому что допускал математическое моделирование явлений, для которых первопричины ещё не обнаружены. Это и произошло с тяготением и теорией света -- их природа прояснилась гораздо позже, что не мешало успешному многовековому применению ньютоновских моделей.

Ньютон, так же как Галилей, полагал, что в основе всех процессов природы лежит механическое движение[24]:

«Было бы желательно вывести из начал механики и остальные явления природы… ибо многое заставляет меня предполагать, что все эти явления обусловливаются некоторыми силами, с которыми частицы тел, вследствие причин покуда неизвестных, или стремятся друг к другу и сцепляются в правильные фигуры, или же взаимно отталкиваются и удаляются друг от друга. Так как эти силы неизвестны, то до сих пор попытки философов объяснить явления природы и оставались бесплодными».

Свой научный метод Ньютон сформулировал в книге «Оптика» [23]:

«Как в математике, так и при испытании природы, при исследовании трудных вопросов, аналитический метод должен предшествовать синтетическому. Этот анализ заключается в том, что из экспериментов и наблюдений посредством индукции выводят общие заключения и не допускают против них никаких возражений, которые не исходили бы из опытов или других надёжных истин. Ибо гипотезы не рассматриваются в экспериментальной философии. Хотя полученные посредством индукции из экспериментов и наблюдений результаты не могут ещё служить доказательством всеобщих заключений, всё же это -- наилучший путь делать заключения, который допускает природа вещей».

Огромной заслугой Ньютона перед развитием физики является решение двух фундаментальных задач.

Создание для механики аксиоматической основы, которая фактически перевела эту науку в разряд строгих математических теорий.

Создание динамики, связывающей поведение тела с характеристиками внешних воздействий на него (сил).

Ньютону принадлежат фундаментальные открытия в оптике. Ньютон создал математическую теорию открытых Гуком интерференционных колец, которые с тех пор получили название «кольца Ньютона». В письме к Флемстиду, он изложил подробную теорию астрономической рефракции[25]. Но его главное достижение -- создание основ физической (не только геометрической) оптики как науки[26] и разработка её математической базы, превращение теории света из бессистемного набора фактов в науку с богатым качественным и количественным содержанием, экспериментально хорошо обоснованным[25]. Оптические опыты Ньютона на десятилетия стали образцом глубокого физического исследования[26].

Ньютон и Гук. Споры: научные и не совсем…

В 1675 году Ньютон прислал Научному Обществу свой трактат с новыми исследованиями и рассуждениями о природе света. Роберт Гук на заседании заявил, что всё, что есть ценного в трактате, уже имеется в ранее опубликованной книге Гука «Микрография». В частных беседах он обвинял Ньютона в плагиате[23]:

«Я показал, что господин Ньютон использовал мои гипотезы об импульсах и волнах» (из дневника Гука).

Гук оспаривал приоритет всех открытий Ньютона в области оптики, кроме тех, с которыми он был не согласен[27]. Ольденбург тут же известил Ньютона об этих обвинениях, и тот расценил их как инсинуации. На этот раз конфликт удалось погасить, и учёные обменялись примирительными письмами (1676). Однако с этого момента и вплоть до смерти Гука (1703) Ньютон никаких работ по оптике не публиковал, хотя у него накопился огромный материал, систематизированный им в классической монографии «Оптика» (1704).

Другой приоритетный спор был связан с открытием закона тяготения. Ещё в 1666 году Гук пришел к выводу, что движение планет есть суперпозиция падения на Солнце благодаря силе притяжения к Солнцу, и движения по инерции по касательной к траектории планеты. По его мнению, эта суперпозиция движения и обусловливает эллиптическую форму траектории планеты вокруг Солнца[28]. Однако доказать это математически он не смог и послал в 1679 году Ньютону письмо, где предложил сотрудничество по решению этой задачи. В этом письме было также изложено предположение об убывании силы притяжения к Солнцу обратно пропорционально квадрату расстояния[29]. В ответ Ньютон заметил, что ранее занимался проблемой движения планет, но оставил эти занятия. Действительно, как показывают найденные впоследствии документы, Ньютон занимался проблемой движения планет ещё в 1665--1669 гг., когда он на основании III закона Кеплера установил, что «стремление планет удалиться от Солнца будет обратно пропорционально квадратам их расстояний от Солнца»[30]. Однако представление об орбите планеты как исключительно результате равенства сил притяжения к Солнцу и центробежной силы у него до конца в те годы ещё не выработалось[30].

Впоследствии переписка между Гуком и Ньютоном прервалась. Гук вернулся к попыткам построения траектории планеты под действием силы, убывающей по закону обратных квадратов. Однако эти попытки также оказались безуспешными. Между тем, Ньютон вернулся к изучению движения планет и решил эту задачу.

Когда Ньютон готовил к публикации свои «Начала», Гук потребовал, чтобы Ньютон в предисловии оговорил приоритет Гука относительно закона тяготения. Ньютон возразил, что Буллиальд, Кристофер Рен и сам Ньютон пришли к той же формуле независимо и раньше Гука[23]. Разгорелся конфликт, немало отравивший жизнь обоим учёным.

Современные авторы отдают должное и Ньютону, и Гуку. Приоритет Гука заключается в постановке задачи о построении траектории планеты благодаря суперпозиции её падения на Солнце по закону обратных квадратов и движения по инерции. Возможно также, что именно письмо Гука непосредственно подтолкнуло Ньютона завершить решение этой задачи. Однако сам Гук задачу не решил, а также не догадался об универсальности гравитации.

Рассуждения С. И. Вавилова[25], приводят к следующему выводу. «Если связать в одно все предположения и мысли Гука о движении планет и тяготении, высказанные им в течение почти 20 лет, то мы встретим почти все главные выводы «Начал» Ньютона, только высказанные в неуверенной и мало доказательной форме. Не решая задачи, Гук нашел её ответ. Вместе с тем перед нами вовсе не случайно брошенная мысль, но несомненно плод долголетней работы. У Гука была гениальная догадка физика-экспериментатора, прозревающего в лабиринте фактов истинные соотношения и законы природы. С подобной редкостной интуицией экспериментатора мы встречаемся в истории науки ещё у Фарадея, но Гук и Фарадей не были математиками. Их дело было довершено Ньютоном и Максвеллом. Бесцельная борьба с Ньютоном за приоритет набросила тень на славное имя Гука, но истории пора, спустя почти три века, отдать должное каждому. Гук не мог идти прямой, безукоризненной дорогой «Математических начал» Ньютона, но своими окольными тропинками, следов которых нам теперь уже не найти, он пришел туда же».

...