История физики

История физики 

Физика — это  наука о материи, ее свойствах  и движении. Она является одной  из наиболее древних научных дисциплин, и первые дошедшие до нас работы восходят к временам Древней Греции.

Содержание 

1 Ранняя физика 

1.1 Античная физика

1.2 Индийский вклад

1.3 Китайский вклад

1.4 Средневековая Европа

2 Зарождение теоретической  физики 

2.1 XVII век. Метафизика  Декарта и механика  Ньютона.

2.2 XVIII век. Механика, теплород, электричество.

3 XIX век 

3.1 Волновая теория  света

3.2 Возникновение электродинамики

3.3 Теория электромагнитного  поля

3.4 Термодинамика, газы, молекулярная теория

3.5 Открытие электрона,  радиоактивность

4 XX век 

4.1 Теория относительности

4.2 Первые теории  строения атома

4.3 Квантовая теория

5 Начало XXI века

6 Литература 
 

Ранняя физика 

Античная  физика 

Одна из главных  особенностей человека — способность (в определённой мере) предсказывать будущие события. Для этого человек строит мысленные модели реальных явлений (теории); в случае плохой предсказательной силы модель уточняется или заменяется на новую. Если создать практически полезную модель явления природы не удавалось, её заменяли религиозные мифы («молния есть гнев богов»). 

Средств для проверки теорий и выяснения вопроса, какая  из них верна, в древности было крайне мало, даже если речь шла о земных каждодневных явлениях. Единственная физическая величина, которую умели тогда достаточно точно измерять — длина; позже к ней добавился угол. Эталоном времени служили сутки, которые в Древнем Египте делили не на 24 часа, а на 12 дневных и 12 ночных, так что было два разных часа, и в разные сезоны продолжительность часа была разной. Но даже когда установили привычные нам единицы времени, из-за отсутствия точных часов большинство физических экспериментов были просто невозможно провести. Поэтому естественно, что вместо научных школ возникали полурелигиозные учения. 

Преобладала геоцентрическая  система мира, хотя пифагорейцы развивали  и пироцентрическую, в которой  звёзды, Солнце, Луна и шесть планет обращаются вокруг Центрального Огня. Чтобы всего получилось священное число небесных сфер (десять), шестой планетой объявили Противоземлю. Впрочем, отдельные пифагорейцы (Аристарх Самосский и др.) создали гелиоцентрическую систему. У пифагорейцев возникло впервые и понятие эфира как всеобщего заполнителя пустоты. 

Первую формулировку закона сохранения материи предложил  Эмпедокл в V веке до н. э.: 

Ничто не может произойти  из ничего, и никак не может то, что есть, уничтожиться. 

Позже аналогичный  тезис высказывали Демокрит, Аристотель и другие. 

Термин «Физика» возник как название одного из сочинений  Аристотеля. Предметом этой науки, по мнению автора, было выяснение первопричин  явлений: 

Так как научное  знание возникает при всех исследованиях, которые простираются на начала, причины  или элементы путём их познания (ведь мы тогда уверены в познании всякой вещи, когда узнаём её первые причины, первые начала и разлагаем её впредь до элементов), то ясно, что и в науке о природе надо определить прежде всего то, что относится к началам. 

Такой подход долго (фактически до Ньютона) отдавал приоритет метафизическим фантазиям перед опытным исследованием. В частности, Аристотель и его последователи утверждали, что движение тела поддерживается приложенной к нему силой, и при её отсутствии тело остановится (по Ньютону, тело сохраняет свою скорость, а действующая сила меняет её значение и/или направление). 

Некоторые античные школы  предложили учение об атомах как первооснове  материи. Эпикур даже полагал, что свобода  воли человека вызвана тем, что движение атомов подвержено случайным смещениям. 

Кроме математики, эллины успешно развивали оптику. У Герона Александрийского встречается первый вариационный принцип «наименьшего времени» для отражения света. Тем  не менее в оптике древних были и грубые ошибки. Например, угол преломления считался пропорциональным углу падения (эту ошибку разделял даже Кеплер). Гипотезы о природе света и цветности были многочисленны и довольны нелепы. 

Индийский вклад 

Индусы представляли мир состоящим из пяти основных элементов: земля, огонь, воздух, вода и эфир/пространство. Позже, с VII в. до н.э, они сформулировали теорию атома, начиная с Kanada и Pakudha Katyayana. Поклонники теории полагали, что атом состоит из элементов, до 9 элементов в каждом атоме, каждый элемент имеет до 24 свойств. 

Индийско-арабские цифры  стали ещё одним важнейшим вкладом индусов в науку. Современная позиционная система счисления (индусско-арабская система цифр) и ноль была сначала развита в Индии, наряду с тригонометрическими функциями синуса и косинуса. Эти математические достижения, наряду с индийскими достижения в физике, были приняты Исламским Халифатом, после чего начали распространяться по Европе и другим частям света. 

Китайский вклад.  
 

Китаец «Мо Чинг»  в III веке до н. э. стал автором ранней версии закона движения Ньютона. 

«Прекращение движения происходит из-за противодействующей силы… Если не будет никакой противостоящей силы …, то движение никогда не закончится. Это верно настолько же, как и то, что бык не лошадь.» 

Средневековая Европа 

XIII век: изобретены очки, правильно объяснено явление радуги, освоен компас. 

XVI век: Николай  Коперник предложил гелиоцентрическую  систему мира. 

Симон Стевин в книгах «Десятая» (1585), «Начала статики» и  других ввёл в обиход десятичные дроби, сформулировал (независимо от Галилея) закон давления на наклонную плоскость, правило параллелограмма сил, продвинул гидростатику и навигацию. Любопытно, что формулу равновесия на наклонной плоскости он вывел из невозможности вечного движения (которое считал аксиомой). 

В Естественной и моральной Истории Индий (1590) Хосе де Акоста впервые появилась теория о четырёх линиях без магнитного склонения (он описал использование компаса, угол отклонения, различия между Магнитным и Северным полюсом; хотя отклонения были известны ещё в 15 веке, он описал колебание отклонений от одной точки до другой; он идентифицировал места с нулевым отклонением: например, на Азорских островах). После открытия Ньютоном отливов и приливов, Акоста объяснил их природу, периодичность и взаимосвязь с фазами Луны. 

В 1608 году в Голландии  изобретена зрительная труба. Галилео  Галилей, усовершенствовав её, строит первый телескоп и проводит исследование небесных объектов. Открывает четыре спутника Юпитера, фазы Венеры, звёзды в составе Млечного пути и многое другое. Решительно поддерживает теорию Коперника (но столь же решительно отвергает теорию Кеплера о движении планет по эллипсам). Формулирует основы теоретической механики — принцип относительности, закон инерции, квадратичный закон падения, даже принцип виртуальных перемещений, изобретает термометр (без шкалы). 

Иоганн Кеплер в 1609 году издал книгу «Новая астрономия»  с двумя законами движения планет; третий закон он сформулировал в  более поздней в книге «Мировая гармония» (1619). Заодно он формулирует (более чётко, чем Галилей) закон инерции: всякое тело, на которое не действуют иные тела, находится в покое или совершает прямолинейное движение. Менее ясно формулируется закон всеобщего притяжения: сила, действующая на планеты, проистекает от Солнца и убывает по мере удаления от него, и то же верно для всех прочих небесных тел. Источником этой силы, по его мнению, является магнетизм в сочетании с вращением Солнца и планет вокруг своей оси. Кеплер также значительно продвинул оптику, в том числе физиологическую (выяснил роль хрусталика, верно описал причины близорукости и дальнозоркости), существенно доработал теорию линз. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Зарождение  теоретической физики 

XVII век. Метафизика  Декарта и механика  Ньютона. 

Во второй половине XVII века интерес к науке в основных странах Европы резко возрос. Возникают первые Академии наук и первые научные журналы. 

1600: первое экспериментальное  исследование электрических и  магнитных явлений проводит врач  английской королевы Уильям Гильберт. Он выдвигает гипотезу, что Земля  является магнитом. Именно он предложил сам термин «электричество».

 

Декарт 
 

1637: Рене Декарт  издал «Рассуждение о методе»  с приложениями «Геометрия», «Диоптрика»,  «Метеоры». Считал пространство  материальным, а причиной движения  — вихри материи, возникающие, чтобы заполнить пустоту (которую считал невозможной и поэтому не признавал атомов), или от вращения тел. В «Диоптрике» Декарт впервые дал правильный закон преломления света. Создаёт аналитическую геометрию и вводит почти современную математическую символику. 

В 1644 году вышла книга  Декарта «Начала философии». В  ней провозглашается, что изменение  состояния материи возможно только при воздействии на неё другой материи. Это сразу исключает возможность дальнодействия без ясного материального посредника. Приводится закон инерции. Второй закон взаимодействия — закон сохранения количества движения — тоже приводится, однако обесценивается тем, что чёткое определение количества движения у Декарта отсутствует. 

Декарт уже видел, что движение планеты — это  ускоренное движение. Вслед за Кеплером Декарт считал: планеты ведут себя так, как будто существует притяжение Солнца. Для того чтобы объяснить притяжение, он сконструировал механизм Вселенной, в которой все тела приводятся в движение толчками вездесущей, но невидимой, «тонкой материи». Лишённые возможности двигаться прямолинейно, прозрачные потоки этой среды образовали в пространстве системы больших и малых вихрей. Вихри, подхватывая более крупные, видимые частицы обычного вещества, формируют круговороты небесных тел. Они вращают их и несут по орбитам. Внутри малого вихря находится и Земля. Круговращение стремиться растащить прозрачный вихрь вовне. При этом частицы вихря гонят видимые тела к Земле. По Декарту, это и есть тяготение. Система Декарта была первой попыткой механически описать происхождение и движение планетной системы. 

1647: Блез Паскаль  испытывает первый барометр (изобретённый Торричелли) и выясняет, что давление воздуха падает с высотой. В конце века открыт закон Бойля-Мариотта.

Христиан  Гюйгенс 

1673: выходит книга Христиана Гюйгенса «Часы с маятником». Появление точных часов наконец-то открывает путь проведению измерений переменных величин. Гюйгенс приводит (словесно) несколько важнейших формул: для периода колебаний маятника и для центростремительного ускорения.

 

Исаак Ньютон 

1687: «Начала» Ньютона.  Физические концепции Ньютона  находились в резком противоречии  с декартовскими. Ньютон верил  в атомы, считал дедукцию вторичным  методом, которому должны предшествовать  эксперимент и конструирование  математических моделей. Ньютон заложил основы механики, оптики, теории тяготения, небесной механики, открыл и далеко продвинул математический анализ. Но его теория тяготения, в которой притяжение существовало без материального носителя и без механического объяснения, долгое время отвергалась учёными континентальной Европы (в том числе Гюйгенсом, Эйлером и др.). Только во второй половине XVIII века, после работ Клеро по теории движения Луны и кометы Галлея, критика утихла.