Классическая физика

Однако подлинная научная революция в эпоху Возрождения произошла вначале в астрономии с появлением знаменитого труда Николая Коперника (1473–1543 гг.) “Об обращении небесных сфер” (1543 г.), в котором утверждается новое представление о строении мира и места в нем Земли и в котором он отверг продержавшуюся в науке более 13 веков систему мира Аристотеля–Птолемея и разработал гелиоцентрическую систему мира.

Следующий крупный вклад в создание теории движения планет в гелиоцентрической системе, в создание небесной механики внес немецкий ученый Иоганн Кеплер (1571–1630 гг.).

Научная революция на рубеже ХVI–ХVII вв. достигает наибольшего размаха в деятельности самой крупной фигуры европейской физической науки того времени Галилео Галилея (1564–1642 гг.). Он не только защищает и распространяет учение Коперника, но утверждает новое мировоззрение, новый взгляд на научное познание, на задачи и метод науки.

В результате его деятельности и ряда других ученых, в частности Фрэнсиса Бэкона (1561–1626 гг.) и Рене Декарта (1596–1650 гг.), начинает развиваться экспериментальное естествознание и, в частности, одна из важнейших ее частей самостоятельная наука физика.

Помимо научных исследований в области физико-математических наук Галилей много внимания уделял решению технических проблем своего времени. Так, например, Галилей в 1609 г. сконструировал зрительную трубу — телескоп и первым среди астрономов использовал ее в астрономических наблюдениях.

В результате он получил целый ряд аргументов, подтверждающих учение Коперника. Свои взгляды на систему Коперника он изложил в книге “Диалог о двух главнейших системах мира” (1632 г.).

В другом крупном научном труде “Беседы и математические доказательства о двух новых науках”, вышедшем в 1638 г., он изложил результаты своих исследований по механике и акустике.

Здесь он сформулировал два важнейших принципа в механике — принцип инерции, т. е. свойство тел сохранять свою скорость, и классический принцип относительности движения, заключающийся в том, что все законы движения одинаковы в любых системах отсчета, движущихся друг относительно друга равномерно и прямолинейно.

Установление этих важнейших принципов сделало Галилея основоположником классической механики.

Из других направлений исследований следует отметить многочисленные опыты Галилея по изучению закона свободного падения тел. Экспериментальный метод Галилея позволил установить, что скорость падения тел не зависит от их массы (в противоположность точке зрения Аристотеля), а пропорциональна времени падения, и все тела падают с одинаковым постоянным ускорением.

Галилей также заложил основы динамики. С его исследований, собственно говоря, и начинает развиваться эта область физических наук, а Галилео Галилей справедливо считается родоначальником физической науки в современном ее понимании.

Как уже отмечалось, на рубеже ХVI–ХVII вв. утверждается экспериментальное естествознание, т. е. возникает экспериментальный и математический метод исследования. В этот период возникает новая философия, философия материализма. Крупнейшими ее представителями были Фрэнсис Бэкон и Рене Декарт.

Ф. Бэкон создает так называемый “индуктивный” метод научного исследования, который заключается в необходимости постепенного последовательного накопления опытных данных, которое дополнятся теоретическим анализом с использованием математики, для построения обобщающей научной теории.

Декарт по-другому рассматривал процесс познания. Он создал так называемый “дедуктивный” метод, суть которого заключалась в следующем. Сначала надо установить некие общие принципы, лежащие в основе всех законов и явлений природы, а затем с помощью дедукции вывести множество частных закономерностей, проверяемых на опыте.

Опыт здесь играет роль критерия правильности частных выводов из общих принципов. Особое внимание он также уделял математизации физики.

Важнейшие философские и физические идеи Декарта нашли отражение в “Началах философии” (1644 г.). Декарт предложил общие принципы. Он полагал, что этими принципами являются основные свойства материи и ее движения.

Из общих положений он формулирует принцип сохранения движения в природе. А затем он впервые устанавливает закон, близкий по смыслу к современному закону сохранения “количества движения”.

В 1637 г. вышла его книга “Рассуждение о методе как средстве направлять свой разум и отыскивать истину в науках”. Здесь он применил свой метод для решения некоторых вопросов в геометрии и оптике. В области геометрии Декарт изложил начала аналитической геометрии, ввел “метод координат”. В оптике он сформулировал закон отражения и преломления света.

Английского ученого Уильяма Гильберта (1544–1603 гг.) называют “отцом науки об электричестве и магнетизме”. Он проводил классические опыты с магнитной стрелкой, что позволило ему улучшить компас.

Большой заслугой Галилея перед наукой является также то, что он создал целую школу своих последователей — блестящих физиков-экспериментаторов.

В последние годы жизни Галилея его помощником при проведении опытов по механике был Эвангелиста Торичелли (1608–1647 гг.), который в дальнейшем развил область механики, связанную с баллистикой, с движением тел в воздухе.

В результате Торичелли установил существование атмосферного давления и разработал методы его измерения. Он впервые выяснил, что ветер — это движение воздушных масс, возникающее из-за разности атмосферного давления. А в 1643 г. он разработал метод получения вакуума (“торичеллиевой пустоты”).

Вторая половина XVII в. отмечена существенным продвижением принципиального характера в области оптических исследований.

Франческо Гримальди (1618–1663 гг.) в сочинении “Физический трактат о свете, цвете и радуге” описал эксперименты, приведшие его к открытию дифракции света. Термин “дифракция” введен Гримальди и используется до сих пор. Им также было описано явление интерференции света.

В 1669 г. датский ученый Эразм Бартолин (1625–1698 гг.) открыл явление двойного лучепреломления в исландском шпате.

Значительное внимание в этот период уделялось и вопросу о природе света. Еще в древние времена наметилось два основных взгляда на природу света, которые в XVII в. оформились в два основных направления. Согласно первому из них свет — это некое действие или движение, передающееся от светящегося предмета особой средой.

Согласно второму свет — это некоторая субстанция, распространяющаяся от светящегося тела. Эти направления явились исходном пунктом двух теорий света — волновой и корпускулярный.

В ХVII в. было немало ученых, которые придерживались корпускулярной теории и рассматривали свет как поток особых атомов — световых частиц. Это были, например, Г. Галилей и И. Ньютон.

Основателем волновой теории можно считать Декарта. Сторонниками этой теории были также крупнейшие ученые XVII в. голландец Христиан Гюйгенс (1629-1695 гг.) и англичанин Роберт Гук (1635–1703 гг.).

Свои работы по оптике Гюйгенс обобщил в “Трактате о свете” (1690 г.), где он изложил стройную волновую теорию света.

В ней он впервые ввел понятие эфира, заполняющего все пространство. Рассматривая свет как распространение движения в эфире, обладающем определенными свойствами, Гюйгенсу удалось объяснить с точки зрения волновой теории прямолинейное распространения света, законы отражения и преломления, в том числе и двойное лучепреломление света.

Объясняя механизм распространения света в эфире, он выдвинул свой знаменитый принцип, носящий его имя. Другим достижением Гюйгенса в оптике было открытое им в 1678 г. явление поляризации света.

Другим крупным физиком — сторонником волновой теории света был Р. Гук, который, как и Гюйгенс, имеет большие заслуги как в оптике, так и в механике. В области оптики он впервые выдвинул гипотезу о поперечности световых волн (что, как известно, подтвердилось в дальнейшем).

Гук заложил основы физической оптики и микроскопии, высказал прогрессивные
идеи о природе света и теории цветов. Он существенно усовершенствовал микроскоп и впервые применил его для научных исследований. В области механики Гук открыл закон, носящий его имя, играющий важную роль в теории упругости материалов.

Важным достижением оптики в XVII в. было также определение скорости света, произведенное датским астрономом Оле Кристенсеном Ремером (1644–1710 гг.). Ремер, наблюдая за одним из спутников Юпитера, впервые доказал конечность скорости света и сделал соответствующие количественные оценки.

И замыкает плеяду выдающихся ученых XVII — начала XVIII в. великий английский математик, физик, астроном и философ Исаак Ньютон (1643–1727 гг.).

В области математики он создал важнейшие разделы современной высшей математики — дифференциальное и интегральное исчисление. В области физики он, как и многие другие его современники-физики, занимался проблемами оптики и механики.

Свои основные достижения в оптике он опубликовал в большом труде “Оптика”, вышедшем в 1704 г. Здесь Ньютон изложил свои опыты по дисперсии солнечного света и впервые дал научное объяснение этому явлению. Эти исследования сыграли большую роль в дальнейшем развитии взглядов на природу света.

В частности, результаты этих опытов было легко толковать с точки зрения корпускулярной теории.

Другим достижением было наблюдение хорошо известного сейчас интерференционного явления, названного “кольцами Ньютона”. И, наконец, в последней части “Оптики” дается описание экспериментов по дифракции света.

Однако главные и важнейшие открытия Ньютон сделал в области механики. Он создал основы классической механики и разработал теорию движения небесных тел. Основное научное наследие Ньютона содержится в его главном труде — “Математических началах натуральной философии”, вышедшем в 1687 г. (окончательный вариант издан в 1726 г.).

В “Началах” при формировании основных понятий механики он прежде всего коснулся общих методологических вопросов: о пространстве и времени, о силе, о природе силы тяжести.

Затем Ньютон более точно определил понятие силы (F), “врожденной силы” (инерции) и массы (m) как количественной меры материи, а также количественную меру движения — “количество движения” (mv, где v — скорость движущегося тела).

После определения основных понятий механики он устанавливает общеизвестные сейчас три знаменитых закона механики, которые и составляют основу классической механики. Важно подчеркнуть, что законы механики представлены им в строгом, количественном математическом виде.

Введение Ньютоном понятия силы как причины изменения движения сыграло огромную роль в дальнейшем развитии науки, так как во многих других разделах физики ученые прежде всего стремились установить природу тех или иных сил (электромагнитных, ядерных, сил тяготения и т. д.).

Да и сам Ньютон для объяснения законов небесной механики нашел выражение для силы, действующей между телами, имеющими массы m1 и m2:

где R — расстояние между телами; R 2— так называемая гравитационная постоянная.

Таким образом, применение законов механики позволило Ньютону дать теоретическое описание гелиоцентрической системы мира. А следующим шагом на этом пути явилось открытие им закона всемирного тяготения.

Итак, Ньютон сыграл важнейшую роль в развитии физики. Он является одним из основателей современной научной методологии, основоположником классической механики. Он завершил период становления физики как самостоятельной науки. Ньютон окончательно отделил физику от натурфилософии и наметил научную программу, по которой развивалась физика в ХVII–ХIХ вв.

С общенаучной, философской точки зрения в этот период продолжалась борьба между двумя основными концепциями строения материи — корпускулярной (Демокрит) и континуальной (Аристотель).

Что касается строения вещества, то большинство ученых придерживалось атомистической (корпускулярной) концепция.

С другой стороны, исследования по оптике, где встал вопрос о природе света, в большей мере отдавали предпочтение континуальной точке зрения.

Открытие таких явлений, как дифракция, интерференция, поляризация света, привело к утверждению волновой теории света (Гюйгенс, Гук), распространяющегося через некую упругую среду — эфир.

В то же время многие ученые, в том числе и Ньютон, считали, что свет представляет собой поток частиц — корпускул. Окончательный ответ на этот многовековой спор в науке был дан только в XX в.

Узнай цену консультации

"Да забей ты на эти дипломы и экзамены!” (дворник Кузьмич)