Історія, панорама сучасного природознавства і тенденції його розвитку

На початку XX ст. роботами німецького фізика П. Друде (1863-1906) і Г. Лоренца була створена електронна теорія металів, що дозволила отримати теоретично багато раніше відкриті закони: Ома, Джоуля - Ленца та ін. Ця теорія була побудована на наступних положеннях.

1. У металі є вільні електрони - електрони провідності, що утворюють електронний газ, аналогічний за своїми властивостями ідеального.

2. Остов металу утворює кристалічна решітка, у вузлах якої знаходяться іони.

3. При своєму русі електрони зіштовхуються з іонами.

4. При наявності електричного поля електрони приходять в
впорядкований рух під дією сил поля.

В результаті робіт Дж. Томсона був відкритий електрон і визначено його питома заряд. Однак ні заряд, ні маса електрона окремо ще не були відомі. Потрібні були нові експерименти для визначення цих фундаментальних величин. Першими найбільш точними з них слід назвати досліди американського фізика Р. Міллікена (1868-1953) в 1909-1914 рр. Ідея цих дослідів зводилася до спостереження за падінням зарядженої краплі олії в однорідному полі плоского конденсатора (рис. 6).

В результаті численних експериментів з використанням масляних крапель різної ваги і при різних умовах Міллікен уклав, що в кожному випадку заряд краплі змінювався на величину, рівну або кратну значенням деякого основного заряду е - заряду електрона. Ці досліди не тільки явно доводили дискретність електричного заряду, але і дозволили визначити його найменшу величину. Подібні спроби були проведені різними вченими, в тому числі і академіком А. Ф. Іоффе. Досвід Іоффе був схожий з досвідом Міллікена, але замість крапель олії використовувалися металеві порошинки. В результаті всіх цих дослідів у фізиці були встановлені найважливіші фізичні константи: заряд електрона е = -1,60? 10 ¹⁹ Кл, маса електрона m _e = 9,1? 10 ³¹ кг. Ще в 1902 р, визначаючи ставлення е / m для електрона, Кауфман виявив, що воно не є постійною величиною, а залежить від швидкості частинок. Працюючи з в-променями (потік швидких електронів) і діючи на них електричним і магнітним полем, Кауфман виявив, що e / m зменшується зі зростанням швидкості. З цього випливало, що з ростом швидкості електрона або зменшується його заряд, або збільшується його маса.

Для пояснення цього і ряду інших явищ в цей період створюються різні гіпотези. Справедливість одних і помилковість інших були встановлені нові експерименти і спеціальною теорією відносності (СТО).

Створення А. Ейнштейном спеціальної теорії відносності

На початку 90-х років XIX ст. Г. Лоренц на основі своєї електронної теорії і гіпотези про нерухомому ефірі виводить рівняння електромагнітного поля для рухомих середовищ [6]. І робить дуже важливий висновок: ніякі оптичні і електромагнітні досліди, проведені в рівномірно і прямолінійно рухається системі відліку, не в змозі виявити цього руху. Таким чином, Лоренц сформулював принцип відноси-ності для електромагнітних процесів, але, на жаль, не надав йому того великого значення, яке він заслуговував. Подальший розвиток електродинаміки рухомих середовищ належить французькому математику Анрі Пуанкаре (1854-1912). Саме він в 1900 р на Паризькому конгресі фізиків засуджував Лоренца за недооцінку ним принципу відносності, вважаючи його, зі свого боку, загальним законом природи. Негативний результат досвіду Майкельсона, на думку Пуанкаре, як раз і є виразом цього закону. У 1904 р, називаючи принцип відносності в числі основних принципів фізики, Пуанкаре зазначає, що "закони фізичних явищ будуть однаковими як для покоїться спостерігача, так і для спостерігача, що знаходиться в стані рівномірного прямолінійного руху, так що ми не маємо і не можемо мати ніяких коштів, щоб розрізнити, знаходимося ми в такому русі чи ні ".

Так принцип відносності, сформульований Галілеєм для механічних явищ на початку XX ст., Був поширений на будь-які фізичні процеси. Цікаво відзначити, що, розглядаючи вплив принципу відносності на гравітацію, Пуанкаре приходить до висновку, що швидкість поширення сил тяжіння повинна дорівнювати швидкості світла.

Отже, ми бачимо, що попередники А. Ейнштейна чимало зробили для появи теорії відносності. Однак, розвиваючи електродинаміку і прагнучи пояснити досліди, вони спиралися на концепцію ефіру. Підійшовши до принципу відносності, вони не змогли поставити питання про сталість і, особливо, про граничному значенні швидкості світла. Це і було зроблено А. Ейнштейном (1879-1955). Основна робота Ейнштейна з теорії відносності називалася "До електродинаміки рухомих середовищ". Вона поступила до редакції журналу "Аннали фізики" 30 червня 1905 р Робота складалася з двох частин. У першій з них були викладені основи нової теорії простору і часу, в другій - застосування цієї теорії до електродинаміки рухомих середовищ. В основу своєї теорії Ейнштейн кладе два постулати.

Принцип відносності - в будь-яких інерційних системах всі фізичні процеси: механічні, оптичні, електричні та інші -протекают однаково.

Принцип постійності швидкості світла - швидкість світла у вакуумі не залежить від руху джерела і приймача, вона однакова у всіх направ-домлення, у всіх інерційних системах і дорівнює 3? 10 ⁸ м / с.

У 1907 р виходить нова робота А. Ейнштейна "Про принципі відносності і його наслідки". У ній автор знову говорить про зв'язок маси і енергії і для перевірки цього співвідношення звертається до радіоактивних процесів. Підрахунки показали, що для перевірки формули на відомих в той час радіоактивних перетвореннях потрібно знати атомні маси елементів з точністю до п'ятого знаку. Ейнштейн писав: "Це, звичайно, недосяжно. Однак не виключено, що будуть відкриті радіоактивні процеси, в яких в енергію радіоактивних випромінювань перетворюється велика частина маси вихідного атома, ніж в разі радію".

Дуже цікава остання частина роботи, де ставиться питання про Ч> X поширенні принципу відносності на системи, що рухаються з прискоренням. Саме тут вперше з'явився принцип еквівалентності, згідно з яким інертна маса тіла дорівнює його гравітаційної масі або, що те ж саме, сили гравітації фізично еквівалентні силам інерції. На основі цього принципу Ейнштейн досліджує вплив гравітації на хід годинника і поширення світла. Він робить висновок, що будь-який фізичний процес протікає тим швидше, чим більше гравітаційний потенціал в області, де розігрується цей процес, і що світлові промені викривляються в гравітаційному полі. Отже, в 1907 р Ейнштейн закладає перші основи загальної теорії відносності (ЗТВ), над розробкою якої він невпинно працював 10 років. Теорія ж, створена ним в 1905 р, в якій прин-цип відносності був сформульований тільки для інерційних систем, отримала назву спеціальної (приватної) теорії відносності (СТО).

У 1916 р була опублікована загальна теорія відносності. Вона поширила СТО на прискорені системи. Ейнштейн обмежив застосовність принципу сталості швидкості світла областями, де гравітаційними силами можна знехтувати. Зате він поширив принцип відносності на всі рухомі системи. З ОТО було отримано ряд важливих висновків.

Властивості простору-часу залежать від рухомої матерії.

Промінь світла, що володіє інертною, а отже, і гравітаційної масою, повинен скривлюватися в поле тяжіння. Зокрема, таке викривлення повинен відчувати промінь, що проходить біля Сонця. Цей ефект, як вказував Ейнштейн, можна виявити при спостереженні положення зірок під час сонячного затемнення. "Було б вкрай цікаво, - пише він, - щоб астрономи зацікавилися поставленим тут питанням".

3. Частота світла в результаті дії поля тяжіння повинна
змінюватися. В результаті цього ефекту лінії сонячного спектра під
дією гравітаційного поля Сонця повинні зміщуватися в бік
червоного світла, в порівнянні зі спектрами відповідних земних
джерел. Цей ефект, на думку Ейнштейна, також може бути
виявлений експериментально. Все це було принципово нове, і для
затвердження ОТО потрібна була її експериментальна перевірка.

Виникнення і розвиток теорії квантів

14 грудня 1900 р виступаючи в Берлінському фізичному товаристві, М. Планк для вирішення проблеми випромінювання запропонував свою, як він її скромно іменував, "робочу гіпотезу". Суть її зводилася до того, що енергія випромінюється не безперервно, як вважали раніше, а окремими порціями, т. Е. Дискретно. Це стало днем ​​народження квантової фізики - дітища XX в. Експериментальні ж коріння її йдуть глибоко в XIX в. Відкриття і вивчення рентгенівських і катодних променів, радіоактивності, теплового випромінювання, атомних спектрів, фотоефекту і ряду інших явищ з повним правом можна назвати витоками квантової фізики.

Початком фундаментальних теоретичних робіт по тепловому випромінюванню є відкриття Кирхгофом (1824-1887) в 1859-1861 рр. закону, згідно з яким відношення іспускательной здатності e _v нагрітого тіла до його поглинальної здатності a _v не залежить від природи тіла, а є однаковою для всіх тіл (універсальної) функцією довжини хвилі (частоти) і температури. Якщо ввести поняття чорного тіла, т. Е. Такого, яке поглинає всі падаючі на нього промені, то ця універсальна функція і буде дорівнює його іспускательной здатності (e * = f (v, Т). Зауважимо, що в природі немає абсолютно чорних тіл , але є тіла, близькі до них. Наприклад, поглинальна здатність сажі, платинової черні, чорного оксамиту близька до 1.

Проблема випромінювання не давала Планку спокою, і він постійно думав над нею. Розповідають, що незадовго до свого великого відкриття він піднявся на найвищу і важкодоступну в своїй альпіністської практиці гірську вершину. Натхнений перемогою, Планк занурився в роботу. Спочатку він напівемпіричні шляхом знайшов формулу, яка добре збігалася з результатами експерименту у всьому спектрі. Але формулою треба було дати реальне фізичне звучання і обгрунтувати встановлений закон. "Після декількох тижнів напруженої в моєму житті роботи темрява розсіялася, і намітилися нові, не підозрювані раніше дали", згадував пізніше Планк. А суть справи полягала в тому, що Планк змушений був відмовитися від одного з основних положень класичної фізики - про безперервне (як завгодно малими величинами) випромінюванні енергії та прийняти нову гіпотезу: випромінювання енергії може відбуватися тільки цілком певними (дискретними) порціями - квантами. Величина кванта енергії: е ₀ = hv, де h - універсальна стала, яка отримала назву постійної Планка; v - частота випромінювання. Так, у фізиці з'явився квант енергії і абсолютно нова величина h - квант дії, яка поряд з уже відомими атомизмом речовини і електрики вказувала на атомізм дії і енергії, що було абсолютно чуже класичним уявленням.

Але як бути з уявленнями класичної фізики? І Планк здригнувся. У фізиці склалася, мабуть, безприкладна ситуація: висунувши велику ідею, творець злякався масштабу її наслідків. А квантова гіпотеза тим часом пробивала собі дорогу. І першим, хто прийняв кванти Планка всерйоз, був молодий А. Ейнштейн. Він не тільки прийняв гіпотезу Планка, а пішов далі, заявивши, що світло не тільки випромінюється, але і поглинається, і поширюється квантами. Світловий квант був названий пізніше фотоном. Розвитком цієї ідеї стала фотонна теорія світла, що відродила на новому рівні корпускулярні уявлення про нього і незабаром доведена експериментально.

Використовуючи гіпотезу світлових квантів, А. Ейнштейн отримав узагальнений закон фотоефекту, розробив квантову теорію теплоємності. Для цього видатного вченого з самого початку було ясно, що квантова гіпотеза в будь-якій своїй формі несумісна з класичними уявленнями, що всі спроби введення її в електродинаміку Максвелла приречені на невдачу.

Роль відкриття Планка поступово була оцінена всіма фізиками. Цю оцінку ми підсумуємо словами А. Ейнштейна: "Відкриття Планка стало основою всіх досліджень у фізиці XX ст. І з тих пір майже повністю зумовило її розвиток. Більше того, воно зруйнувало остов класичної механіки та електродинаміки і поставило перед наукою завдання: знайти нову пізнавальну основу для всієї фізики ". Такою основою стала квантова механіка. Але це буде значно пізніше.

атомна фізика

У січні 1896 р над Європою і Америкою прокотився тайфун газетних повідомлень про сенсаційне відкриття професора Вюрцбургского університету Вільгельма Конрада Рентгена (1845-1923). Здавалося, не було газети, яка б не надрукувала знімок кисті руки, що належить, як з'ясувалося пізніше, Берті Рентген - дружині професора. А професор Рентген, зачинившись у себе в лабораторії, продовжував посилено вивчати властивості відкритих ним променів.

20 січня 1896 р американські лікарі за допомогою проміння Рентгена уже вперше побачили перелом руки людини. З тих пір відкриття німецького фізика назавжди увійшло в арсенал медицини. Росла і слава Рентгена, хоча вчений ставився до неї з цілковитою байдужістю. Він не став брати патент на своє відкриття, відмовився від почесної, високооплачуваної посади члена академії наук, від кафедри фізики в Берлінському університеті, від дворянського звання.

Хоча самим Рентгеном і іншими вченими багато було зроблено з вивчення властивостей відкритих променів, однак природа їх довгий час залишалася неясною. Але ось в червні 1912 в Мюнхенському університеті, де з 1900 року працював К. Рентген, М. Лауе (1879-1960), В. Фрідріхом і П. Кніппінгом була відкрита інтерференція і дифракція рентгенівських променів. Це доводило їх хвильову природу.

Дифракція рентгенівських променів незабаром стала не просто надбанням фізиків, а поклала початок новому, дуже сильному методу дослідження структури речовини - рентгеноструктурному аналізу. У 1914 р М. Лауе за відкриття дифракції рентгенівських променів, а в 1915 р батько і син Брегг за вивчення структури кристалів за допомогою цих променів стали лауреатами Нобелівської премії з фізики. В даний час ми знаємо, що рентгенівські промені - це короткохвильове електромагнітне випромінювання з великою проникною здатністю.

Відкриття рентгенівських променів дало поштовх новим дослідженням. Їх вивчення привело до нових відкриттів, одним з яких стало відкриття радіоактивності.

Явище радіоактивності було відкрито А. Беккерелем (1862-1908) і вивчено П'єром Кюрі (1859-1906) і його дружиною Марією Кюрі-Склодовської (1867-1934). 13 листопада 1903 р подружжя Кюрі одночасно з Беккерелем отримують телеграму зі Стокгольма, про присудження їм трьом Нобелівської премії з фізики за видатні відкриття в області радіоактивності.

Виникнення і розвиток теорії атома

Творець первісної квантової теорії атома - найбільший фізик сучасності Нільс Бор (1885-1962).

Суть теорії Бора була виражена в трьох постулатах.

Існують деякі стаціонарні стани атома, перебуваючи в яких він не випромінює і не поглинає енергії. Цим стаціонарним станам відповідають цілком певні (стаціонарні) орбіти.

Орбіта є стаціонарною, якщо момент кількості руху електрона (L = mm) кратний h / 2 р = І, тобто L = mvr = n h, де n = 1, 2, 3, ... -метою числа.

3. При переході атома з одного стаціонарного стану в інший
випускається або поглинається один квант енергії hv _nm = W _n - W _m де W _n, W _m -
енергія атома в двох стаціонарних станах, h - постійна Планка, v _nm
- частота випромінювання. При W _n> W _m відбувається випромінювання кванта, при W _n <
W _m - його поглинання.

* |. Це був переворот, хай поки що не

«S * ^WU остаточний, в поглядах фізиків на атом. "* Його подальшим поглибленням з'явилася квантова механіка.

Ці постулати Бор використовував для розрахунку *** найпростішого атома (водню), розглядаючи спочатку найбільш просту його модель: нерухоме ядро, навколо якого по круговій орбіті обертається електрон. Пояснення спектра водню було великим успіхом Рис. 7. Модель атома Бора теорії Бора.

Квантові постулати Бора були лише першим кроком у створенні теорії атома, тому довелося скористатися таким прийомом: спочатку завдання вирішувалася за допомогою класичної механіки (завідомо непридатною повністю до внутрішньоатомних рухам), а потім з усього безперервного безлічі станів руху, до яких призводить класична механіка, на основі квантових постулатів відбиралися квантові стану. Незважаючи на всю недосконалість цього методу, він привів до великих успіхів - дозволив пояснити складні закономірності в атомних і молекулярних спектрах, осмислити природу хімічних взаємодій і ін. Такий підхід, по суті, є окремим випадком загального принципу, що грає важливу роль в сучасній

теоретичної фізики - принципу відповідності, який свідчить, що будь-яка некласична теорія у відповідному граничному випадку переходить в класичну.

Важливим досягненням Бора та інших дослідників було розвиток уявлення про будову багатоелектронних атомів. Вжиті кроки в розвитку теорії будови більш складних (ніж водень) атомів і поясненні структури їх спектрів принесли деякі успіхи, однак тут дослідники зіткнулися з великими труднощами. Введення чотирьох квантових чисел, що характеризують стану електрона в атомі, встановлення принципу Паулі (згідно з яким дві тотожний частинки з напівцілим спіном не можуть одночасно перебувати в одному стані) і пояснення періодичної системи Менделєєва - великі успіхи теорії атома Бора.

Глава 10. Криза сучасної науки. На шляху до постнекласичної

науці XXI ст.

З середини XX в. сучасна наука стала отримувати на свою адресу численні критичні оцінки з боку філософів, культурологів, діячів літератури і мистецтва. На їхню думку, техніка зменшує й дегуманізує людини, оточуючи його суцільно штучними предметами і пристосуваннями, вона забирає його у живої природи, приводячи в потворно уніфікований світ, де мета поглинають кошти, де промислове виробництво перетворило людину в придаток машини, де рішення всіх проблем бачиться в подальших технічних досягненнях, а не в людському їх вирішенні. Під впливом нескінченних технічних нововведень сучасне життя змінюється з нечуваною швидкістю.

До цієї гуманістичної критиці незабаром приєдналися більш тривожні конкретні факти несприятливих наслідків наукових досягнень. Небезпечне забруднення води, повітря, грунту планети, шкідливий вплив на тваринну і рослинну життя, вимирання незліченних видів, корінні порушення в екосистемі всієї планети - всі ці серйозні проблеми, що постали перед людиною, заявляли про себе все голосніше і наполегливіше.

Ці факти, які виразно проявляються в сучасній науці і світогляді, говорять про їх кризі, вирішити який зможе тільки нова глобальна світоглядна революція, частиною якої буде і нова революція в науці.

На порозі XXI ст. природознавство вступає в нову історичну фазу свого розвитку - на рівень постнекласичної науки.

Для постнекласичної науки характерно висування на перший план міждисциплінарних, комплексних і проблемно орієнтованих форм досліджень. У визначенні пізнавальних цілей науки все частіше починають відіграватиме вирішальну роль не внутрінаучние мети, а зовнішні для науки мети - мети економічного, соціального, політичного, культурного характеру. Об'єктами сучасних міждисциплінарних досліджень стають унікальні системи, що характеризуються відкритістю і саморозвитком. Історично що розвиваються системи являють собою більш складний тип об'єкта навіть у порівнянні з саморегульованими системами, так як з плином часу вони формують нові рівні своєї організації, змінюють свою структуру, характеризуються принциповою необоротністю процесів і т.п. Серед таких систем особливе місце займають природні комплекси, в які включена людина (об'єкти екології, медико-біологічні об'єкти, об'єкти біотехнології, системи людина - машина і ін.)

Постнекласичної науки, на думку вчених-науковедов, буде володіти такими рисами.

Перш за все, наука повинна буде усвідомити своє місце в загальній системі людської культури і світогляду. Все, що створено людиною, є частиною його культури, важливо і потрібно для людини, виконує свої власні завдання, але має і свої межі застосування, які має усвідомлювати і не переходити. Саме це має зробити постнекласичної науки - усвідомити межі своєї ефективності і плідності, визнати рівноправність таких сфер людської діяльності і культури, як релігія, філософія, мистецтво, визнати можливість і результативність нераціональних способів освоєння дійсності.

Постмодерна наука більше цікавиться чином самої себе як певної соціокультурної реальності, включає в свій предмет людини, допускаючи елементи суб'єктивності в об'єктивно-істинне знання. Це - сучасна тенденція гуманізаніі науки. Отриманий образ не є застиглим, остаточним, він орієнтований на безперервне оновлення, відкритий інноваціям.

Важливою рисою постнекласичної науки повинна бути комплексність - стирання кордонів і перегородок між традиційно відокремленими природними, громадськими та технічними науками, інтенсифікація міждисциплінарних досліджень, неможливість розв'язання наукових проблем, без залучення даних інших наук.

Наукова діяльність буде пов'язана з революцією в засобах зберігання і отримання знань (комп'ютеризація науки, використання складних і дорогих приладових комплексів, які наближують науку до промислового виробництва), зі зростанням ролі математики.

бібліографічний список

1.Бернал, Дж. Наука в історії суспільства / Дж. Бернал. - М .: Мир, 1958.

2. Виргинский, BC Нариси історії науки і техніки до середини XV ст. / BC Виргинский, В.Ф. Хотеенков .-- М .: Просвещение, 1993.

3. Гайденко, П.П. Еволюція поняття науки / П.П. Гайденко. - М .: Думка, 1980.

4. Ільїн, В.В. Природа науки / В.В. Ільїн, А.Т. Калінкін. - М .: Знание, 1985.

5. Петров, М.К. Соціально-культурні підстави розвитку сучасної науки / М.К. Петров. - М .: Наука, 1992.

6. Тарнас, Р. Історія західного мислення / Р. Тарнас. - М .: Мир, 1995.

Значні зміни відбуваються в способі біологічного пізнання - виробляються стандарти, критерії і норми дослідження органічного світу. На зміну стихійності, спекулятивним домислів, фантазіям і забобонам поступово приходить установка на об'єктивне, доказове, емпірично обгрунтоване знання. Завдяки колективним зусиллям учених багатьох європейських країн така установка забезпечила поступове накопичення колосального фактичного матеріалу. Значну роль в цьому процесі зіграли Великі географічні відкриття, епоха яких розсунула світоглядний обрій європейців - вони дізналися безліч нових біологічних, геологічних, географічних і інших явищ. Фауна і флора знову відкритих країн і континентів не тільки значно розширили емпіричний базис біології, а й поставили питання про його систематизації.

Важливою віхою в розвитку анатомії стала творчість А. Везалия, виправив ряд великих помилок, що укоренилися в біології та медицині з часів античності. М. Сервет, що став жертвою протестантського релігійного фанатизму, і У. Гарвей досліджували проблему кровообігу. У. Альдрованди звернувся до традиції античної ембріології, а його учень В. Койтера, систематично вивчаючи розвиток курячого зародка, заклав основи методології експериментального ембріологічного дослідження. Г.Фаллопій і Б. Євстахій проводять порівняння структури людського зародка і дорослої людини, з'єднуючи тим самим анатомію з ембріологією.

Найбільшим мислителем, якому судилося почати велику революцію в астрономії, яка спричинила за собою революцію в усьому природознавстві, був геніальний польський астроном Микола Коперник. Ще в кінці XV ст., Після знайомства і глибокого вивчення "Альмагеста", захоплення математичним генієм Птолемея, змінилося у Коперника спочатку сумнівами в істинності цієї теорії, а потім і переконанням в існуванні глибоких протиріч в геоцентризмі. Він почав пошук інших фундаментальних астрономічних ідей, вивчав збережені твори чи викладу навчань давньогрецьких математиків і філософів, в тому числі і першого геліоцентріста Аристарха Самоський, і мислителів, які стверджували рухливість Землі.

Коперник першим глянув на весь тисячолітній досвід розвитку астрономії очима людини епохи Відродження: сміливого, впевненого, творчого, новатора. Попередники Коперника не мали сміливості відмовитися від самого геоцентричного принципу і намагалися або удосконалювати дрібні деталі птолемеевской системи, або звертатися до ще більш давньої схемою гомоцентріческіх сфер. Коперник зумів розірвати з цієї тисячолітньої консервативної астрономічної традицією, подолати схиляння перед стародавніми авторитетами.

Між 1505-1507 рр. Коперник в "Малому коментарі" виклав принципові засади геліоцентричної астрономії. Теоретична обробка астрономічних даних була завершена 1530 г. Але тільки 1543 р побачило світ одне з найвидатніших творінь в Історії людської думки - "Про обертання небесних сфер", де викладена математична теорія складних видимих ​​рухів Сонця, Місяця, п'яти планет і сфери зірок з відповідними математичними таблицями і додатком каталогу зірок.

У центрі світу Коперник помістив Сонце, навколо якого рухаються планети, і серед них вперше зарахована в ранг "рухливих зірок" Земля зі своїм супутником Місяцем. На величезній відстані від планетної системи знаходиться сфера зірок (рис. 2).

Його висновок про жахливу віддаленість цієї сфери диктувався геліоцентричним принципом. Тільки так міг Коперник погодити його з видимим відсутністю у зірок зсувів за рахунок руху самого спостерігача разом із Землею (тобто відсутністю у них паралаксів).

На відміну від своїх попередників, Коперник намагався створити логічно просту і струнку планетну теорію. За відсутності простоти, стрункості, системності Коперник побачив корінну неспроможність теорії Птолемея, в якій не було єдиного стрижневого принципу, що пояснює системні закономірності в рухах планет.

пояснення зміна рухається навколо незмінним в осі свого

Мал. 2. Геліоцентрична система Коперника

Коперник був упевнений, що уявлення рухів небесних тіл як єдиної системи дозволить визначити реальні фізичні характеристики небесних тіл, тобто то, про що в геоцентричної моделі зовсім не було й мови. Тому свою теорію він розглядав як теорію реального пристрою Всесвіту. Вперше отримала пір року: Земля Сонця, зберігаючи просторі положення добового обертання.

Теорія Коперника логічно струнка, чітка і проста. Вона здатна раціонально пояснити те, що раніше або не пояснювалося зовсім, або пояснювалося штучно, зв'язати в єдине те, що раніше вважалося абсолютно різними явищами. Це - її безперечні переваги. Вони свідчили про істинність геліоцентризму. Найбільш проникливі мислителі зрозуміли це відразу.

Наступний крок у світоглядних висновках був зроблений ченцем одного з неаполітанських монастирів Джордано Бруно. Познайомившись в 60-і рр. XVI ст. з геліоцентричної теорією Коперника, Бруно спочатку поставився до неї з недовірою. Щоб виробити своє власне ставлення до проблеми пристрою Космосу, він звернувся до вивчення системи Птолемея і матеріалістичних навчань давньогрецьких мислителів, в першу чергу атомістів, про нескінченність Всесвіту. Велику роль у формуванні поглядів Бруно зіграло його знайомство з ідеями Миколи Кузанського, який стверджував, що жодне тіло не може бути центром Всесвіту в силу її нескінченності. Об'єднавши геліоцентрізм Н. Коперника з ідеями Н. Кузанського про ізотропності, однорідності і безмежності Всесвіту, Бруно прийшов до концепції множинності планетних систем у нескінченному Всесвіті.

Бруно відкидав замкнуту сферу зірок, центральне положення Сонця у Всесвіті і проголошував тотожність Сонця і зірок, множинність "сонячних систем" в нескінченному Всесвіті, множинну населеність Всесвіту. Вказуючи на колосальні розбіжності відстаней до різних зірок, він зробив висновок, що через це співвідношення їх видимого блиску може бути оманливим. Він поділяв небесні тіла на самосветящиеся - зірки, сонця, і на темні, які лише відбивають сонячне світло. Бруно стверджував, по-перше, змінність всіх небесних тіл, вважаючи, що існує безперервний обмін між ними і космічним речовиною, по-друге, спільність елементів, складових Землю і всі інші небесні тіла, і вважав, що в основі всіх речей лежить незмінна, неісчезающая первинна матеріальна субстанція.

Саме Бруно належить перший і досить чіткий ескіз сучасної картини вічної, ніким не створеною, речової, єдиної, нескінченної, що розвивається Всесвіту з нескінченним числом осередків Розуму в ній.

Новий погляд на світ і людину в епоху Відродження дозволив зробити видатні відкриття і створити нові теорії, що стали прологом наукової революції XVI-XVII ст., В ході яких оформилося класичне природознавство.

Глава 6. Наукова революція XVI-XVII ст. і становлення класичної науки

Відправною точкою наукової революції, в результаті якої з'явилася класична наука і сучасне природознавство, став вихід книги Миколи Коперника "Про обертання небесних сфер" в 1543 г. Але геліоцентричні ідеї, висловлені там, були всього лише гіпотезою, котра в доказі. Пошук аргументів на користь цієї гіпотези і став основним завданням наукової революції XVI-XVII ст., Яка починається з робіт І. Кеплера.

І. Кеплер - великий астроном і математик

Після робіт Коперника подальший розвиток астрономії вимагало значного розширення і уточнення емпіричного матеріалу, спостережних даних про небесні тіла. Європейські астрономи продовжували користуватися старими античними результатами спостережень. Але вони застаріли і часто були неточні. Проведені ж в ту пору європейськими астрономами спостереження характеризувалися великими похибками.

Кардинальні зміни намітилися лише в останній чверті XVI ст. в працях видатного астронома світу Йоганна Кеплера (1531-1630).

Цей великий німецький вчений (з дивовижною долею, життя якого була сповнена злигоднів і поневірянь) зробив найбільший науковий подвиг - заклав фундамент нової теоретичної астрономії і вчення про гравітації. Він показав, що закони треба шукати в природі, а не вигадувати їх як штучні схеми і підганяти під них явища природи.

Його перша книга, видана в 1597, вийшла під цікавою назвою "Космографіческая таємниця". У цій роботі, перебуваючи під впливом піфагорійців про всемогутню силу чисел, Кеплер поставив завдання знайти числові відносини між орбітами планет. Пробуючи різні комбінації чисел, він прийшов до геометричній схемою, за якою можна було відшукувати відстані планет від Сонця.

У 1609 р в Празі вийшла в світ книга Кеплера "Нова астрономія, або Небесна фізика з коментарями на рух планети Марс за спостереженнями Тихо Браге".

У цій книзі і були сформульовані перші два закони руху планет.

1. Всі планети рухаються по еліпсам, в одному з фокусів яких
знаходиться Сонце.

2. Радіус-вектор, проведений від Сонця до планети, за рівні
проміжки часу описує рівні площі.

У 1619 р виходить твір Кеплера "Гармонія світу", що містить третій закон небесної механіки: квадрати періодів обертання планет відносяться як шляху великих піввісь їх орбіт.

Крім уже названих вище робіт, Кеплер є автором оптичних трактатів "Доповнення до Вителло", "Діоптріка". У роботах з оптики він дає теорію камери-обскури, викладає теорію зору, виправляючи помилки Алхазов, правильно пояснює короткозорість і далекозорість, описує конструкцію телескопа (труби Кеплера), розглядає хід променів в лінзах, приходить до висновку про існування повного внутрішнього відображення, знаходить фокусні відстані плосковипуклой і двоопуклою лінз.

З математичних робіт Кеплера найбільш відомі "Рудольфови таблиці" - це астрономічні планетні таблиці, над якими Кеплер працював більше 20 років. Названі вони були так на честь імператора Рудольфа II. Ці таблиці протягом майже двох століть служили морякам і астрономам, укладачам календарів і астрологів і тільки в XIX в. були замінені більш точними. Своїми роботами з математики Кеплер вніс великий вклад в теорію конічних перетинів, в розробку теорії логарифмів, сприяв розробці інтегрального числення і винаходу першої обчислювальної машини.

Для встановлення істинного складного характеру причин орбітального руху планети потрібно уточнення основних фізичних понять і створення основ механіки.

У формуванні класичної механіки і затвердження нового ми-світогляду велика заслуга Г.Галілея.

Г. Галілей - один з основоположників дослідного природознавства і нової науки

Основи нового типу світогляду, нової науки були закладені Галілеєм (1564-1642). Він почав створювати її як математичне і дослідне природознавство.

У 1586 р з'являється перше невелике твір Галілея про сконструйованих ним гідростатичних вагах. А 1589 р двадцятип'ятирічний Галілей призначається професором математики в Пізанський університет.

Три роки роботи Галілея в Пізанського університету овіяні поруч легенд. Одна з них розповідала про публічних дослідах молодого професора зі скидання тіл з "падаючої" Пізанської вежі. Аналогічний досвід Галілей проводив для спростування вчення Аристотеля про пропорційність швидкості падіння ваги тіла. Галілей брав два тіла, однакових за формою і розмірами, наприклад, чавунний і дерев'яний кулі, щоб відволіктися від впливу побічних обставин (не враховувати опору повітря). Знаходячи співвідношення між швидкістю і часом падіння куль, між пройденим шляхом і часом падіння, він довів, що тіла падають з однаковим прискоренням.

У 1592 р Галілей став професором університету в Падуї, де пропрацював 18 років (по 1610 г.). Це був найбільш плідний період його діяльності. У ці роки він займається питаннями механіки (падіння тіл, рух їх по похилій площині і під кутом до горизонту), гідро-статикою, теорією найпростіших машин і опором матеріалів. До кінця Падуанського періоду Галілей відкрито виступає проти системи Птолемея - Аристотеля.

Почувши про винахід зорової труби, Галілей почав працювати над її конструкцією. Перша труба, створена ним протягом року, давала збільшення в 3 рази. Незабаром він виготовив трубу зі збільшенням у 32 рази. Спрямувавши цю трубу на небо, Галілей виявив гори на Місяці, чотири супутники в Юпітера, фази Венери. Чумацький Шлях виявився складається з безлічі зірок, число яких росло з ростом збільшення труби. Все це не відповідало поглядам Аристотеля про протилежності земного і небесного, а підтверджувало систему Коперника. Галілей пише "Зоряний вісник", де спокійним, діловим тоном звітує про свої спостереження і робить висновки. Книга справила на сучасників приголомшуюче враження. Галілея стали називати "Колумбом неба".

У 1612 р Галілей видає свою працю "Міркування про тіла, що перебувають у воді, і тих, які в ній рухаються". Робота була спрямована проти механіки Аристотеля. Слідом за нею з'являється лист Галілея про сонячні плями. Це було вже зіткнення з Аристотелем на головному ділянці, і воно не могло пройти непоміченим церквою. У своїх доносах в святу інквізицію перипатетики ¹ звинувачували Галілея в тому, що він доводить рух Землі і нерухомість Сонця. Вони намагаються домогтися заборони вчення Коперника.

З 1616 по 1623 рр. Галілей хоча і мовчить, але багато працює, приховуючи результати своєї праці від зовнішнього світу. В 1629 році Галілей закінчив свою основну роботу "Діалог про дві найголовніші системи світу: Птолемеевой і Коперниковой". З цього приводу він писав: "Я довів майже до пристані мій" Діалог "і розкрив дуже виразно багато, що мені здавалося майже не-зрозумілою". В "Діалог" увійшли всі твори Галілея, все те, що було створено їм з 1590 по 1625 р Мета вченого - представити не тільки астрономічні, а й механічні доводи на користь істинності вчення Коперника.

Спростовуючи аргументи Птоломея проти обертання Землі шляхом розбору безлічі механічних явищ, Галилей приходить до відкриття закону інерції і механічного принципу відносності. Відкриттям закону інерції була ліквідована багатовікова омана, висунуте Аристотелем, про необхідність постійної сили для підтримки рівномірного руху. Виявилося, що рівномірний і прямолінійний рух, так само як і спокій, може існувати за відсутності будь-яких сил. Це мало величезне не тільки чисто наукове, але і світоглядне значення. Як відомо, до інерціальним системам відліку відносяться покояться (нерухомі) системи і системи, що рухаються щодо нерухомих рівномірно і прямолінійно. Рівноправність таких систем Галилей доводить різними досвідами і логічними міркуваннями. В результаті він дійде висновку важливому висновку: "Ніякими механічними дослідами, проведеними усередині системи, неможливо установити, спочиває чи система рухається рівномірно і прямолінійно". Це і є механічний принцип відносності.

Книга Галілея "Діалог" викликала захват у наукових колах всіх країн і бурю обурення серед церковників. Єзуїти негайно почали кампанію проти Галілея, яка привела до другого процесу інквізиції 1633 р Інквізиція пригрозила Галілею не тільки засудити його як єретика, але і знищити все його рукописи і книги. Від нього вимагали визнання хибності вчення Коперника. Галілей змушений був поступитися. Ціною найтяжчому моральної тортури, неймовірних принижень перед тими, кого він так пристрасно картав у своїх творах, Галілей купив можливість завершення своєї справи.

Галілей по праву вважається одним з основоположників дослідного природознавства і нової науки. Саме він вперше сформулював вимоги до наукового експерименту, що складаються в усуненні побічних обставин, в умінні бачити головне і відволіктися від несуттєвого. Шляхом експерименту Галілей спростував вчення Арістотеля про пропорційність швидкості падіння ваги тіла. Він був першим, хто направив зорову трубу на небо в наукових цілях, тим самим значно розширивши сферу пізнання. Це був переворот в світогляді і методі науки: нескінченна Всесвіт могла досліджуватися методами земної механіки.

Галілей вірив в силу людського розуму, в нескінченність пізнання: "Хто візьме на себе сміливість поставити межа людському духу? Хто зважиться стверджувати, що ми знаємо все, що може бути пізнане?". Велику увагу він звертав на повноту і точність формулювань положень, що висуваються. Слід зауважити, що роботи Галілея написані мовою, близькою до сучасного.

Що ж Галілей конкретно зробив в механіці? Він прийшов до відкриття закону інерції і сформулював механічний принцип відносності руху, узагальнений пізніше А. Ейнштейном. Галілей вперше дав суворе визначення рівноприскореного руху, знайшов закони зміни швидкості і шляху в цьому русі. Він показав, що такий рух властиво вільно падаючого тіла.

Галілей довів, що тіло, кинуте під кутом до горизонту, буде летіти по параболі. Він дав метод розрахунку траєкторії для будь-яких кутів вильоту і різних початкових швидкостей, показавши, що найбільша дальність польоту досягається при вильоті тіла під кутом 45 ° до горизонту.

Галілей вперше встановив, що період коливань маятника залежить лише від довжини підвісу (якщо масою підвісу можна знехтувати в порівнянні з масою тіла) і не залежить від амплітуди коливань (якщо вона мала). Так як рух маятника можна розглядати як послідовний ряд падінь і підйомів тіла по дузі кола, то, в разі незалежності швидкості падіння тіла від його тяжкості, маятники однакової довжини повинні мати рівні періоди коливань незалежно від ваги вантажів. Взявши два маятника з однієї і тієї ж довжиною підвісу, однакові

за формою і розмірами, але різні за вагою, Галілей встановив однаковість їх періодів коливання, спростувавши тим самим положення Аристотеля про більшу швидкість падіння важких тіл.

Що стосується оптики, то Галілей вперше не тільки припустив, що швидкість світла є кінцевою величиною, а й зробив першу спробу визначити її в земних умовах (це загальновідомий досвід з двома спостерігачами, у кожного з яких був запалений ліхтар). Хоча досвід закінчився невдачею (інакше і не могло бути через великого значення швидкості світла, про що Галілей не припускав), але сама спроба довести кінцівку швидкості світла і в принципі вірна методика були для того часу, безсумнівно, дуже сміливим і прогресивним кроком.

Галілей розчистив шлях для творців класичної і сучасної фізики, і його безсмертні творіння завжди служитимуть прикладом того, як геніально він "все життя читав відкриту для всіх велику книгу природи".

Факел наукового знання, запалений Галілеєм, підхопив І. Ньютон. В його працях і відкриттях справа життя італійського вченого знайшло своє блискуче завершення.

І. Ньютон і створення фундаменту класичної фізики

Результати природознавства XVI-XVII ст. узагальнив Ісаак Ньютон (1643-1727). Саме він завершив будівництво фундаменту нового класичного природознавства.

Перші наукові роботи Ньютона відносяться до оптики. У 1666 р, пропускаючи світло через тригранну скляну призму, він виявив його складний склад, розклавши на сім кольорів (в спектр), тобто відкрив явище дисперсії. Крім того, виявивши хроматичну аберацію у лінз і вважаючи її непереборний, Ньютон прийшов до висновку, що лінзи в телескопі треба замінити сферичними дзеркалами. У своїх роботах з оптики Ньютон поставив дуже важливий і складний питання: "Чи не є промені світла дуже дрібними частинками, що випускаються світяться тілами?". Послідовники Ньютона відповіли на це питання ствердно і однозначно, і гіпотеза закінчення, підкріплена авторитетом Ньютона, стала панівною в оптиці XVIII ст., Не дивлячись на заперечення проти неї Ломоносова, Ейлера та інших вчених, незважаючи на успіхи хвильової теорії Гюйгенса.

Дуже цікава також думка Ньютона про можливе перетворення тіл у світ і назад. "Перетворення тел в світло і світла в тіла відповідають ходу природи, яка як би насолоджується перетвореннями", - говорив Ньютон. І дійсно, в 1933-1934 рр. були відкриті факти перетворення заряджених частинок електрона і позитрона в світло і назад. Так Ньютон передбачив одне з далеких майбутніх відкриттів атомної фізики.

1687 рік увійшов назавжди в історію фізики як рік виходу в світ видатного праці професора Кембриджського університету Ісаака Ньютона "Математичні початки натуральної філософії" (іноді його називають "Математичними основами природознавства" і навіть просто "Началами"). Однак багато хто тоді не зрозуміли значення цієї події для науки. Досить сказати, що деякі з професорів університету, за словами секретаря Ньютона, отримавши примірник "Почав" і перегорнувши його сторінки, похмуро заявляли, що треба років сім ще вчитися, перш ніж що-небудь зрозуміти в цій книзі.

"Почала" - вершина наукової творчості Ньютона - складаються з трьох частин: по-перше двох мова йде про рух тіл, остання частина присвячена системі світу.

Наведемо формулювання законів Ньютон в російській перекладі зробленому академіком А. Н. Криловим.

I. Усяке тіло продовжує утримуватися в стані спокою або
рівномірного прямолінійного руху, поки й оскільки воно не
примушується прикладеними силами змінити цей стан.

Зміна кількості руху пропорційно прикладеній рушійну силу і відбувається по напрямку тієї прямої, по якій ця сила діє.

Дії завжди є рівна і протилежна протидія, інакше, - взаємодії двох тіл один на одного між собою рівні і спрямовані в протилежні сторони.

Четвертим законом, який Ньютон формулює в своїх "Засадах", був закон всесвітнього тяжіння.

У другій частині Ньютон розглянув сили опору середовища при русі в ній тел, гідро- і аеростатіку, закони хвильового руху, найпростіші випадки вихрових рухів.

У третій книзі вчений виклав загальну систему світу і небесної механіки, зокрема, теорію стиснення Землі біля полюсів, теорію припливів і відливів, рух комет, збурення в русі планет і т.д. Розглядаючи всі ці явища, Ньютон скрізь знаходить підтвердження свого закону тяжіння.

"Почала" Ньютона знаменували нову еру в розвитку науки. Вони з'явилися міцним фундаментом, на якому успішно будувалася фізика XVIII-XIX ст., Що отримала назву класичної. Книга підбивала підсумок усьому зробленому за попередні тисячоріччя в навчанні про найпростіші форми руху матерії.

У роботах Ньютона розкривається його світогляд і методологія досліджень. Ньютон був стихійним матеріалістом. Він був переконаний в об'єктивному існуванні матерії, простору і часу, в існуванні об'єктивних законів світу, доступних людському пізнанню. Своїм прагненням звести все до механіки Ньютон підтримував механістичний матеріалізм (механіцизм).

Свій метод пізнання, названий згодом методом принципів, Ньютон виклав в "Правилах філософствування". Цих правил чотири.

Не приймати в природі інших причин понад ті, які істинні та достатні для пояснення явищ.

Однаковим явищам необхідно приписувати однакові причини.

3. Незалежні і незмінні при експериментах властивості тіл, підданих дослідженню, треба приймати за загальні властивості матеріальних тіл.

4. Закони, індуктивно знайдені з досвіду, потрібно вважати вірними, поки їм не суперечать інші спостереження.

Не можна не сказати про математичних досягненнях Ньютона, без яких не було б і його геніальної теорії тяжіння. Свій метод розрахунку механічних рухів на основі нескінченно малих збільшень величин - характеристик досліджуваних рухів - Ньютон назвав "методом флюксий" і описав його у творі "Метод флюксий і нескінченних рядів з додатком його до геометрії кривих" (закінчено в 1671 р, повністю опубліковано в 1736 г.). Разом з методом Г. Лейбніца він склав основу диференціального й інтегрального числення. У математиці Ньютону належать також найважливіші праці з алгебри, аналітичної та проективної геометрії і ін.

Глава 7. Природознавство XVIII в.

У XVIII ст. в механіку проникають методи диференціального й інтегрального числення, і вона стає аналітичної.

Величезна заслуга в розвитку механіки належала петербурзькому академіку Леонарда Ейлера (1707-1783) і паризькому академікові Жозефу Луї Лагранжа (1736-1813). "Mexaніка" Ейлера з'явилася в 1736 р в Петербурзі в 2 томах. Eго ж "Теорія руху твердого тіла", що розглядається як 3-й том "Механіки", вийшла в 1765 р Ейлер визначає механіку як науку про рух, викладену аналітично (методами аналізу), "завдяки чому тільки і можна досягти повного розуміння речей" .

Ейлер переформулював основні поняття ньютонівської механіки, надавши їм сучасну форму, але зберігши сутність по Ньютону. Саме Ейлер вперше записав другий закон динаміки в аналітичній формі, зробивши його основним законом всієї механіки. В "Теорії руху твердого тіла" він розвинув механіку обертального руху.

Ейлер своїм генієм охоплював всі розділи математики. Прекрасні роботи виконані їм в галузі математичної фізики та гідродинаміки. Він написав підручники з арифметики і елементарної алгебри, введення в математичний аналіз і аналітичної геометрії. Його система викладу тригонометрії дійшла до нас майже в незмінному вигляді. Багато робіт Ейлера присвячено і чисто прикладних наук. Двотомна "Морська наука" зіграла колосальну роль у розвитку кораблебудування і кораблеводіння в XVIII в. Його "Теорія руху Місяця" і складені на її основі таблиці, сотні років використовувалися мореплавцями. На основі його тритомної "Діоптрики" створювалися поліпшені конструкції телескопів і мікроскопів.

XVIII століття в області механіки характеризується також пошуками більш загальних принципів, ніж закони Ньютона. У цей період створюється теоретична механіка. Найбільший внесок в її розвиток вніс Лагранж.

Головна робота Лагранжа "Аналітична механіка" вийшла в Парижі в 1788 р У ній була вирішена задача, яку він сам формулював так: "Я поставив собі за мету звести теорію механіки і методи вирішення пов'язаних з нею завдань до загальних формулах, просте розвиток яких дає всі рівняння для вирішення кожного завдання ". "Аналітична механіка" Лагранжа складається з двох частин: статики і динаміки. Ірландський математик У. Гамільтон (1805-1865), оцінюючи внесок Лагранжа в розвиток механіки, писав, що "з числа послідовників цих блискучих учених (малися на увазі Галілей і Ньютон) Лагранж, мабуть, більше, ніж будь-хто інший, зробив для розширення і надання стрункості всієї механіці. При цьому краса методу настільки відповідає гідності результату, що ця велика робота перетворюється на свого роду математичну поему ".

Одним з прикладних розділів оптики, які отримали розвиток в XVIII в., Була фотометрія. Цього вимагали практичні потреби освітлення (багато вчених займалися питаннями освітлення палаців і вулиць міст). Засновниками фотометрії є П. Бугер (1698-1758) та І. Ламберт (1728-1777). Робота Бугера "Досвід про градації світла" вийшла в 1729 р, "Фотометрія" Ламберта - в 1760 р Саме в цих роботах були введені основні фотометричні поняття: світловий потік, сила світла, освітленість, яскравість. Головним методом фотометрії був метод порівняння освітленостей. Бугер сконструював фотометр і відкрив закон поглинання світла.

Вчення про електрику і магнетизм в XVIII в. отримало подальший розвиток. У цей період закладаються основи електростатики. Великий внесок у розвиток цих розділів фізики внесли Франклін, Рихман, Ломоносов, Епінус, Кулон.

Георг Рихман, професор Петербурзької академії наук, вивчав електричні явища з 1745 г. Він намагався виміряти електрику за допомогою ваг і винайшов прилад для порівняння електричних сил. З по-міццю винайденого покажчика електрики Рихман передбачив існування електричного поля навколо зарядженого тіла.

У 1759 р вийшла робота петербурзького академіка Епінуса (1724-1802) "Досвід теорії електрики і магнетизму", де вчений шукає не відмінності, а подібності між електрикою і магнетизмом. Епінус вважав, що за аналогією з законом тяжіння сила взаємодії зарядів обернено пропорційна квадрату відстані між ними.

Закон взаємодії електричних зарядів був заново відкритий в 1784 р французьким військовим інженером, членом Паризької академії наук Ш. Кулоном (1736-1806) за допомогою сконструйованих ним крутильних ваг і по праву носить його ім'я. Тільки з відкриттям цього закону вчення про елект-річестве було поставлено на кількісну основу.

Наука про теплоту в XVIII в. робить лише перші кроки. Одним з її розділів була термометрія, що виникла в першій чверті століття. Саме в цей період створюються термометри з двома опорними точками. Великий внесок у розвиток цієї галузі науки внесли Амонтон, Фаренгейт, Реомюр, Цельсій і інші вчені.

У XVIII ст. створюються перші теорії теплоти. Одна з них розглядала теплоту як особливу невагому рідину - теплород; інша, прихильником який був М. В. Ломоносов, стверджувала, що теплота - це особливий рід руху "нечутливих частинок". Ломоносов вважав, що теплота обумовлена ​​обертальним рухом корпускул (молекул). Оскільки немає верхньої межі швидкості руху частинок, то немає, по Ломоносову, і верхньої межі температури. Але повинна існувати "найбільша і остання ступінь холоду", яка складається "в повному припиненні обертального руху частинок". Ці думки були викладені Ломоносовим в роботі "Роздуми про причину тепла і холоду", опубли-кованої в 1750 р і що стала однією з основних робіт по кінетичної теорії тепла.

Період 1745-1750 рр. характеризується великими творчими досягненнями Ломоносова. Він розробив і обгрунтував нову галузь знання - фізичну хімію, кінетичну теорію теплоти і газів, сформулював закон збереження матерії і руху.

У наступне п'ятиріччя (1750-1755) діяльність Ломоносова розгортається також широким фронтом. Його наукова робота протікає за двома напрямками: електричні явища і хімія. В цей же період Ломоносов багато займається питаннями фарбування скла. До 1752 року ці досліди були в основному закінчені, а у 1753 р завдяки величезним зусиллям Ломоносова був пущений перший завод мозаїчного скла (нині це прапора-тий завод художніх виробів під Санкт-Петербургом).

Ломоносов вперше передбачив існування абсолютного нуля температури, пояснив виходячи з кінетичних міркувань закон Бойля. Ввівши в хімію ваги, він довів неправильність думки про збільшення ваги металів при їх обпаленні в "заплавленимміцно скляних судинах". Він вперше висловив думку про зв'язок електричних і світлових явищ, про електричну природу північного сяйва, про вертикальних течіях як джерелі атмосферної електрики. Захищаючи хвильову теорію світла, Ломоносов в оптиці виконав велику роботу з конструювання оптичних приладів, за кольорами і барвників, з заломлення світла.

Глава 8. Розвиток і завершення класичної науки в XIX ст.

Залишаючись в цілому метафізичної і механістичної, класична наука і особливо природознавство, готують поступове крах метафізичного погляду на природу.

На перший план висуваються фізика і хімія, які вивчають взаімопревра-щення енергії і видів речовини (хімічна атомистика). В геології виникає теорія розвитку Землі (Ч. Лайель), в біології зароджується еволюційна теорія (Ж.-Б. Ламарк), розвиваються такі науки, як палеонтологія (Ж.Кюв'є), ембріологія (К.М. Бер).

Особливе значення мали революції, пов'язані з трьома великими відкриттями другої третини XIX ст. - клітинної теорії Шлейденом і Шванном, закону збереження і перетворення енергії Майєром і Джоулем, створення Дарвіном еволюційного вчення. Потім послідували відкриття, що продемонстрували діалектику природи повніше: створення теорії хімічної будови органічних сполук (AM Бутлеров, 1861), періодичної системи елементів (Д. І. Менделєєв, 1869), хімічної термодинаміки (Я. Х. Вант-Гофф, Дж. Гіббс) , основ наукової фізіології (І. М. Сєченов, 1863), електромагнітної теорії світла (Дж. К. Максвелл, 1873).

В результаті цих наукових відкриттів природознавство піднімається на якісно новий щабель і стає дисциплінарно-організованою наукою.

XIX століття стало століттям торжества хвильової теорії світла, створеної і обгрунтованою головним чином роботами Томаса Юнга (1773-1829).

Першою роботою Юнга був твір "Спостереження над процесом зору", написане в 1793 р, в якому він розробив теорію акомодації очі. Займаючись питаннями оптики, Юнг в 1800 р сформулював принцип суперпозиції хвиль, пояснив явище інтерференції, ввівши в науку цей термін. У 1801 р вийшла його "Теорія світла і кольору", де була викладена хвильова теорія світла.

У цей період в області оптики йшло накопичення і інших експериментальних фактів, що вимагають створення єдиної теорії, що пояснює все розмаїття оптичних явищ. Творцем її з'явився французький інженер Огюстен Жан Френель.

Зі своєї теорії Френель зробив висновок про те, що швидкість світла в склі менше, ніж швидкість світла в повітрі. Висновок Ньютона, заснований на корпускулярних уявленнях, був протилежним. Фізика незабаром підтвердила правильність висновку Френеля.

З ім'ям Фарадея пов'язаний останній, переломний етап класичної фізики.В історії природознавства це був період виникнення нового методу, нового підходу до явищ природи. Якщо панівної методологією в природознавстві XVIII в. був метафізичний матеріалізм, зокрема механіцизм, розчленований світ на окремі, не пов'язані області, то відкриття фізики XIX в. привели до необхідності відмови від такого підходу. Ідея загального зв'язку явищ матеріального світу, ідея розвитку, стрибкоподібний перехід кількісних змін у нову якість і інші положення діалектичного матеріалізму поступово ставали керівними в дослідженнях вчених.

До діячів нового типу, стихійно використовують ідею загального зв'язку явищ, належав і Майкл Фарадей (1791-1867).

На початку XIX ст. з'ясувалося, що між електрикою і магнетизмом існує глибокий зв'язок. Ерстед виявив, що електричний струм створює навколо себе магнітне поле. Думка про тісний двостороннього зв'язку електрики і магнетизму здається Фарадею абсолютно очевидною, і вже в 1821 році він ставить перед собою завдання "перетворити магнетизм в електрику". Але тільки в 1831 р М. Фарадей показав, що змінне магнітне поле індукує в провіднику електричний струм. Ці відкриття лягли в основу розробки електродвигуна і електрогенератора, що грають нині настільки важливу роль в техніці.

З 1824 Фарадей - член Королівського товариства. Одержимий ідеями про нерозривний зв'язок і взаємовплив сил природи Фарадей безуспішно поки намагається знайти зв'язок між магнетизмом і електрикою. Але раз Ампер зміг за допомогою електрики створити магніти, то чому не можна за допомогою магнітів створити електрику ?! Фарадей ставить безліч дослідів, веде педантичні запису кожного експерименту, кожної думки. Про величезної працездатності Фарадея свідчить хоча б той факт, що останній параграф "Щоденника" був записаний під номером 16041! Слід зауважити, що в 1827 р Фарадей отримав професорську кафедру в Королівському інституті. Ретельна підготовка до лекцій теж вимагала чимало часу.

Але ось завзятий десятирічний працю Фарадея винагороджений: 17 жовтень 1831 р тріумфальний експеримент - відкрито явище електромагнітної індукції. Це був добре підготовлений і заздалегідь продуманий досвід.

Слідом за відкриттям електромагнітної індукції Фарадей перевіряє нову ідею. Якщо рух магніту щодо провідника створює електрику, то, мабуть, рух провідника щодо магніту повинно приводити до такого ж слідству. Значить, є можливість створити генератор електричного струму, забезпечивши безперервне відносний рух провідника і магніту. Фарадей швидко будує і випробовує нове простий пристрій: між полюсами подковообразного магніту обертається мідний диск, з якого за допомогою ковзних контактів (один на осі, інший на периферії) знімається напруга. Це був перший генератор електричного струму!

З листопада 1831 Фарадей почав систематично друкувати свої "Експериментальні дослідження з електрики", що склали 30 серій більш ніж з 3000 параграфів. Це чудовий пам'ятник наукової творчості Фарадея. Перша серія присвячена електромагнітної індукції; остання (тридцятий) - законам намагнічування (вийшла в світ в 1855 р.). У цих серіях відображена двадцятичотирирічна робота Фарадея, в них життя, думки і погляди вченого.

У першій половині XIX ст. поступово визріває і затверджується ідея єдності різних типів фізичних процесів, їх взаємного пре-обертання. Вивчення процесу перетворення теплоти в роботу і назад, встановлення механічного еквівалента теплоти зіграли основну роль у відкритті закону збереження і перетворення енергії.

Закон збереження і перетворення енергії є одним з найважливіших законів сучасного природознавства. Він висловлює положення діалектичного матеріалізму про незнищенність і несотворімості матерії і руху. Формулювання цього закону стала загальновідомою: сума всіх видів енергії ізольованої системи є величина постійна. Витоки його сягають глибокої давнини. "З нічого нічого не буває" - так древніми греками була виражена ідея збереження. Ця велика ідея розвивалася і поступово розширювала сферу свого впливу. В процесі розвитку природознавства були відкриті закони збереження маси, електричного заряду, кількості руху, а в середині XIX в. - закон збереження і перетворення енергії. Саме до цього періоду дозріли необхідні умови для появи цього закону.

Багато вчених внесли свій вклад в його встановлення, але фізика пов'язує, і по праву, його відкриття в першу чергу з іменами Р. Майера, Г. Гельмгольца, Д. Джоуля, Е. Ленца, М. Фарадея.

Значення цього закону виходило далеко за межі фізики і стосувалося всього природознавства. Поряд з законом збереження мас цей закон, висловлюючи принцип незнищенності матерії і руху, утворює наріжний камінь матеріалістичного світогляду натуралістів. Логічним його розвитком і узагальненням виступав принцип матеріальної єдності світу.

У Росії, в XIX в. видатними представниками фізики були Д.І. Менделєєв, А.Г. Столетов, П.Н. Лебедєв, А.С. Попов.

У березні 1969 р наукова громадськість нашої планети відзначила 100-річчя від дня відкриття одного з фундаментальних законів природознавства - періодичного закону хімічних елементів Д. І. Менделєєва. Відкриття цього закону Ф. Енгельс назвав "науковим подвигом" Менделєєва, який приніс вітчизняній науці нев'янучу славу і світове визнання. На основі цього закону Менделєєв зумів передбачити фізичні і хімічні властивості елементів, відкритих пізніше. І сьогодні цей закон, отримавши відповідне обґрунтування в науці, є дороговказом в наукових розвідках фізиків, хіміків.

Перу Д. І. Менделєєва належить понад 500 наукових робіт з
різних проблем хімії, фізики, метрології, геології,

повітроплавання, педагогіки.

Найбільш великим дослідженням А. Г. Столєтова, котрі принесли йому світову славу, є дослідження фотоефекту (1888-1890). В результаті цієї роботи А.Г. Столетов запропонував дуже простий метод вивчення даного явища: одна з пластин конденсатора - суцільна (в дослідах Столєтова це була полірована цинкова пластина) - з'єднується через гальванометр з негативним полюсом батареї; інша - у вигляді сітки - з'єднується з позитивним полюсом. Внутрішня поверхня суцільний пластини висвітлюється електричною дугою.

Дослідження світлового тиску стало справою всього життя П. Н. Лебедєва. З теорії Максвелла випливало, що світлове тиск на тіло одно щільності енергії електромагнітного поля. При повному відображенні тиск буде в два рази більше. Експериментальна перевірка цього положення представляла велику трудність. По-перше, тиск дуже мало і потрібен надзвичайно тонкий експеримент для його виявлення, не кажучи вже про його вимірі. І Лебедєв створює свою знамениту установку - систему легких і тонких дисків на закручувати підвісі. Це були крутильні ваги з небаченою до тих пір точністю.

По-друге, серйозною перешкодою був радіометричний ефект: при падінні світла на тіло (тонкі диски в дослідах Лебедєва), воно нагрівається. Температура освітленої сторони буде більше, ніж температура тіньової. А це призведе до того, що молекули газу від освітленої сторони диска будуть відкидатися з бульшими швидкостями, ніж від тіньової. Виникає додаткова віддача, спрямована в ту ж сторону, що і світлове тиск, але у багато разів перевершує його (в 103 рази в дослідах Крукса і Бартолі). Крім того, при наявності різниці температур виникають конвекційні потоки газу. Все це треба було усунути. П. М. Лебедєв з неперевершеною майстерністю искуснейшего експериментатора долає ці труднощі. Платинові крильця підвісу були взяті товщиною всього 0,1-0,01 мм, що призводило до швидкого вирівнювання температури обох сторін. Вся установка була поміщена в найвищий, досяжний, в той час вакуум (порядку 0,0001 мм рт. Ст.). П. М. Лебедєв зумів зробити це дуже дотепно. У скляному балоні, де знаходилася установка, Лебедєв поміщав краплю ртуті і злегка підігрівав її. Ртутні пари витісняли повітря, що відсмоктується насосом. А після цього температура в балоні знижувалася, і тиск залишилися ртутної пари різко зменшує шум при роботі-лось (ртутні пари, як кажуть, заморожувалися).

Копітка праця увінчалася успіхом. Попереднє повідомлення про тиск світла було зроблено П. М. Лебедєв в 1899 р, потім про свої досліди він розповів в 1900 р в Парижі на Всесвітньому конгресі фізиків, а в 1901 р в німецькому журналі "Аннали фізики" була надрукована його робота "Дослідне дослідження світлового тиску". Робота отримала найвищу оцінку вчених і стала новим, блискучим експериментальним підтвердженням теорії Максвелла.

Крім робіт, пов'язаних зі світловим тиском, П. М. Лебедєв багато зробив для вивчення властивостей електромагнітних хвиль. Удосконаливши метод Герца, він отримав найкоротші в той час електромагнітні хвилі (А = 6 мм, в дослідах Герца А = 0,5 м), довів їх подвійне променезаломлення в анізотропних середовищах. Слід зауважити, що прилади Лебедєва були настільки малі, що їх можна було носити в кишені. Наприклад, генератор електромагнітних хвиль Лебедєва складався з двох платинових циліндриків, кожен по 1,3 мм довжиною і 0,5 мм в діаметрі. Дзеркала Лебедєва мали висоту 20 мм, а ебонітова призма для дослідження заломлення електромагнітних хвиль була заввишки 1,8 см, шириною 1,2 см і важила близько 2 м Нагадаємо, що призма Герца для цієї ж мети важила 600 кг. Мініатюрні прилади Лебедєва завжди викликали восх-щення фізиків-експериментаторів, а необхідність зменшення розмірів різних приладів і схем в даний час є однією з найважливіших, що стоять перед вченими і конструкторами.

Електромагнітну теорію Максвелла експериментально вперше довів Г. Герц, відкривши електромагнітні хвилі. Це відкриття Герца привернуло до себе увагу найширших верств суспільства. Саме в цей період багато хто відразу ж висловили ідею про можливість бездротового зв'язку за допомогою "променів Герца". У списку вчених, які вирішували це завдання, на першому місці стоїть ім'я професора А. С. Попова (1859-1905).

Після відкриття Герца, Попов захопився електромагнітними хвилями. Читаючи в 1889 р в Мінних класах цикл лекцій "Новітні дослідження про співвідношення між світловими і електричними явищами", А.С. Попов супроводжував їх демонстраціями. Це мало величезний успіх, і А.С. Попову було запропоновано повторити цей цикл в Петербурзі в Морському музеї. Уже в цьому циклі Попов висловлює думку, що досліди і роботи Герца становлять великий інтерес не тільки в строго науковому плані, але також і в можливості їх застосування для бездротової передачі сигналів.

7 травня 1895 на засіданні Російського фізико-хімічного товариства А.С. Попов демонстрував сконструйований ним прилад для прийому і реєстрації електромагнітних коливань.

У 1899-1900 рр. радіотелеграф А.С. Попова виявився незамінним засобом і зіграв свою першу практичну роль при знятті з каменів броненосця "Генерал-адмірал Апраксин", який зазнав аварії в районі о. Гогланда. Події тих днів змусили скористатися телеграфом А.С. Попова і ще в одній важливій справі. На крижині в морі були понесені рибалки. Їх життя залежало від оперативності рятувальної служби. Наказ криголаму "Єрмак", що знаходиться в морі, був переданий по бездротового зв'язку. Рибалки були врятовані. Так всім стала очевидна величезна користь цього винаходу.

У XIX і початку XX ст. наука вступила в свій золотий вік. У всіх її найважливіших областях відбулися дивні відкриття, широко поширилася мережа інститутів і академій, організовано проводили спеціальні дослідження різного роду, на основі поєднання науки з технікою надзвичайно швидко розцвіли прикладні області. Оптимізм цієї епохи був безпосередньо пов'язаний з вірою в науку, її здатність до невпізнання перетворити стан людського знання, забезпечити здоров'я і добробут людей.

Ситуація, що склалася в науці та світогляді вимагала свого вирішення.Воно з'явилося в ході новітньої революції в природознавстві, що почалася з 90-х рр. XIX ст. і тривала до середини XX в. Це була глобальна наукова революція, за своїми результатами і значенням порівнянна з революцією XVI-XVII ст. Вона почалася у фізиці, потім проникла в інші природничі науки, кардинально змінила філософські, методологічні, гносеологічні, логічні підстави науки в цілому, створивши феномен сучасної науки.

Глава 9. Наукова революція в природознавстві початку XX ст.

Розвиток електронної теорії.

Ідея атомарного будови електрики випливала із законів електролізу Фарадея, на що свого часу звернув увагу і сам Фарадей, вказуючи, що "атоми тіл, еквівалентні один одному щодо їх звичайного хімічного дії, містять рівні кількості електрики, природно пов'язаного з ними".

Максвелл в своєму "Трактаті про електрику і магнетизм" теж говорить про "молекулі електрики", але вважає, що "теорія молекулярних зарядів" хоча і "служить для вираження великого числа фактів електролізу", однак є тимчасовою і буде відкинута, як тільки на основі поля з'явиться теорія електричного струму.

У 1875 р голландський фізик Г.А. Лоренц у своїй докторській дисертації "До теорії відображення і заломлення променів світла" пояснює зміну швидкості світла в середовищі впливом її заряджених частинок. Лоренц вважає, що теорія Максвелла потребує доповнення, так як в ній не враховується структура речовини. У ній властивості тел характеризуються різними коеф-фициент: діелектричної і магнітної проникністю, провідністю. "Але ми не можемо задовольнитися простим введенням для кожної речовини цих коефіцієнтів, значення яких повинні визначатися з досвіду. Ми будемо змушені звернутися до якої ...........