Натурфилософия и зарождение наук

Краткая история физики

В пособии рассмотрены основные этапы развития физики и ее методологии от древнейших времен до 20 века: физика античного мира, физика средневековья и эпохи Возрождения, классическая и современная физика. Приведены краткие биографии ученых, внесших наибольший вклад в естествознание и формирование физических представлений об окружающем мире. Обсуждается взаимосвязь развития физики и общества.

Пособие подготовлено на основе курса «История физики», прочитанного автором на старших курсах Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета («ЛЭТИ») в 2001-2002 г.г. Предназначено для студентов старших курсов естественнонаучных направлений технических и педагогических вузов, а также преподавателей физики средней и высшей школы.

Оглавление

Введение 3

1. Физика античного мира 5

1.1. Натурфилософия и зарождение наук 5

1.2. Физика эллинистической эпохи 7

2. Физика в средние века 11

2.1. Физика арабского средневековья 11

2.2. Физика в эпоху Возрождения 12

2.3. Становление экспериментальной физики 17

3. Становление классической физики 24

3.1. Механика 24

3.2. Оптика 27

3.3. Термодинамика и молекулярная физика 36

3.4. Электромагнетизм 45

4. Современная физика 57

4.1. Теория относительности 57

4.2. Квантовая теория 60

4.3. Строение материи 70

5. Физика и общество 84

5.1. Взаимосвязь развития физики и культуры 84

5.2. Развитие организации научных исследований 88

Список литературы 92

Введение

История физики занимается вопросами возникновения, становления и развития физической науки, ее методов и идей. При этом рассматриваются процессы появления и изменения основных представлений о природе, вытеснения одних представлений другими, и понимание таких процессов важно для адекватного освоения самой физики.

Здесь мы не будем рассматривать сами физические законы по существу, предполагая, что это в определенной степени известно. Последнее важно в том смысле, что упоминание того или иного этапа развития должно вызвать определенные ассоциации и физика предстанет с иных, непривычных позиций. Это в значительной мере способствует новому осмыслению физической сути конкретных явлений и более глубокому пониманию как самой физики, так и ее методологии.

С другой стороны, изучение истории физики помогает решать важные задачи гуманизации естественнонаучного образования, что диктуется необходимостью подготовки и воспитания разносторонне развитого, культурного во всех отношениях человека.

Развитие физики тесно связано с развитием культуры как материальной, так и духовной. Для появления физических идей нужен вполне определенный уровень технического развития. Это позволяет накапливать разнообразные наблюдения, а в ряде случаев проводить необходимые опыты и получать важные результаты. С другой стороны, сама физика, появление новых открытий позволяет создать принципиально новые технические устройства. Такое взаимодействие и взаимное обогащение физики и техники происходит порой скачкообразно, а периодичность этих скачков определяется многими факторами.

Также важен уровень духовной культуры общества, который необходим для обобщения данных наблюдений и появления новых физических идей и представлений, создания стройной системы знаний. А последние столетия физика в свою очередь глубоко проникла в процессы духовного формирования общества.

Физика всегда имела тесный контакт с соседними науками: астрономией, химией, минералогией, биологией. Нередко, особенно в период становления классической физики ученые были по существу энциклопедистами. Да и сейчас физика иногда обращает свое внимание на смежные области, что позволяет получать новые результаты. Естественно, очень тесна связь физики с математикой, которая стала интеллектуальным орудием физики. Часто успехи физики определялись предварительными или одновременными успехами математики. И наоборот, постановка физических задач зачастую обусловливала прогресс в математике. Тесная взаимосвязь физики с другими науками предопределила появление новых самостоятельных дисциплин: математическая физика, физическая химия, астрофизика, геофизика, биофизика и т.д.

Физика своеобразно связана с философией, которая часто стимулировала развитие физики, но порой и тормозила физический прогресс. Нередко в физике работали люди, известные, прежде всего, как философы. Вне всякого сомнения, успехи естествознания оказывали сильное воздействие на всех философов. А многие физики в ряде случаев выдвигали важные философские идеи.

Подобно тому, как история народов и государств отмечает только значительные события и выдающихся людей, история физики рассматривает лишь вершины исследования и тех, кто их достигал. При этом важное место в истории физики занимают биографии выдающихся ученых, и в настоящем пособии приводятся краткие сведения об их жизни. Вместе с тем физика - плод коллективной работы и нужно помнить о тысячах людей, которые участвовали в создании науки. В этой связи очень важное значение имеют труды по истории физики самих выдающихся ученых, которые максимально хорошо понимают развитие физических представлений с учетом многих реальных факторов, ускользающих от стороннего наблюдателя.

Следует отметить, что в научном коллективе создается особая атмосфера увлеченности общим делом, и это оказывает сильное влияние на окружающих людей, т.е. окружение заражается присущим ученым энтузиазмом и добросовестным отношением к делу, своим занятиям. Поэтому существенную роль в достижении высоких результатов в физике играют формы организации научных исследований, развитие которых также рассматривается в данном пособии.

Часто говорят об объективности, истине естественнонаучного познания. Но физические представления меняются, и физика никогда не обладала на все времена готовой законченной формой и не претендовала на истину в последней инстанции. И все же существует доказательство ее объективной истинности. История физики постоянно дает примеры того, как две совершенно независимые теории (оптика и термодинамика, волновая теория рентгеновских лучей и атомная теория кристаллов) неожиданно сходятся и свободно соединяются друг с другом.

История может быть рассмотрена с различных точек зрения и при условии сохранения достоверности любая может быть оправдана. Так, можно придерживаться чистой хронологии, описывая всю совокупность событий, а можно рассматривать отдельные явления в их историческом развитии. Необходимо лишь, чтобы со всех этих позиций появлялось какое-либо новое историческое знание. Изучать историю физики также можно различными путями: либо в виде отдельных специальных курсов, либо по мере изучения того или иного раздела в основном курсе физики дополнять тематический материал сведениями исторического характера.

Физика античного мира

У шумеров, вавилонян и египтян по отдельным вопросам физики были определенные ценные знания, которые, однако, производят впечатление чего-то случайного, несистематического. К числу первых наук следует отнести астрономию и математику, которые зародились в Вавилонии, Египте, Индии и Китае. Это было связано с развитием материальной культуры. Астрономия обеспечила создание календаря, измерение времени, что было необходимо для земледелия, предсказания погоды. Математика также возникла в связи с развитием хозяйственной жизни, решением практических задач (расчетов при обмене, измерение земельных участков и т.д.). Но это были зачаточные познания, и науки как системы знаний еще не существовало.

Натурфилософия и зарождение наук

Важный этап становления наук - установление строгой связи явлений с логическими доказательствами - возникновение древней философии. Это происходило почти одновременно в Индии, Китае и Древней Греции. Последняя оказала определяющее влияние на развитие мирового естествознания. Наличие обширного комплекса знаний и технических навыков, высокий общий культурный уровень, а также отточенный на тонких философских и математических исследованиях язык создали в Греции в 6 веке до н.э., т.е. в период расцвета греческого государства, почву для начала работ по описанию, упорядочению и объяснению явлений природы. Само слово физика происходит от греческого jusiz - природа.

Родоначальниками греческой науки были представители Ионической школы и, прежде всего, Фалес Милетский (624-547 г.г. до н.э.). Они выдвинули идею о материальной первооснове всех вещей и явлений, например, о воде, воздухе, огне и т.п. Одновременно развивалось и идеалистическое направление Пифагором (580-500 г.г. до н.э.) и его школой, которая приписывала божественную роль числам, управляющими миром. Дальнейшее развитие философии связывается с отказом от праматерии и появлением концепции элементов, атомистики. Ярким представителем этого направления был Демокрит (460-370 г.г. до н.э.).

Античные ученые стремились дать цельную картину мира, объясняя все явления на основе небольшого числа "начал". При этом отсутствие строго установленных фактов компенсировалось догадками, вымыслом, логическими спекуляциями. Эти первые этапы научного мышления, развития естествознания получили название натуральной философии.

Первые результаты систематизации знаний о природе - труды Аристотеля.

Аристотель (384 - 322 г. до н.э.) - древнегреческий ученый и философ. Родился в Стагире на севере Греции в семье придворного врача македонских царей. В 367-347 г. до н.э. учился в Академии Платона в Афинах. После смерти Платона он отправился по Греции, в 343-335 г. до н.э. был воспитателем Александра Македонского. Последний очень ценил Аристотеля: “Я чту Аристотеля наравне со своим отцом, т.к. если отцу я обязан жизнью, то Аристотелю обязан всем, что дает ей цену”. В 335 г. до н.э. Аристотель вернулся в Афины и основал там при всесторонней поддержке венценосного покровителя школу "Ликей", которой руководил в течение 12 лет. После смерти Александра Македонского школа была закрыта, Аристотель покинул Афины и вскоре умер.

Исследования относятся к области механики, акустики, оптики. В основе мира по Аристотелю - геоцентрическая система. Физика Аристотеля основана на целесообразности природы, содержала отдельные правильные положения, но не принимала ряд идей предшественников (гелиоцентризм, атомизм и др.). Учение Аристотеля было канонизировано церковью и тормозило до 16 века развитие естествознания.

Аристотель написал ряд натурфилософских работ ("Физика", "О небе", "О возникновении и уничтожении", "Метеорология", "Механические проблемы", "Метафизика" и др.), которые систематизируют все естественнонаучные знания того времени. В них он изложил свои представления о движении и природе. Первичными качествами материи считал две пары противоположностей: "теплое - холодное" и "сухое - влажное", основными элементами или стихиями - землю, воздух, воду и огонь. Наиболее совершенным считал пятый элемент - эфир. Аристотель пытался основать физику на наблюдении и эксперименте, однако стремился охватить и объяснить все. По традиции философов того времени в своих работах он стремился создать законченную научную картину замкнутого и ограниченного мира.

Особый интерес представляет учение о движении, которое по Аристотелю есть любое количественное и качественное изменение, благодаря которому явление реализуется. Это учение господствовало в физике до эпохи Возрождения, и, несмотря на выявленные существенные ошибки и заблуждения, ряд принципиальных представлений остался незыблимым до сегодняшнего дня. Большой заслугой Аристотелевой кинематики была формулировка точного правила сложения перемещений. К данным современной науки близко стоят его исследования по статике: равновесие рычагов, действие весов и блоков.

Чего не хватало аристотелевой физике - это аналитической обработки, критичности и осторожности при обобщении. Современная физика относится к данным эксперимента с критической осторожностью, а аристотелева наука - с наивным простодушием. Неудачи Аристотеля определяются недостаточностью его методов исследования.