Физика является наукой о наиболее общих свойствах материи, наукой о природе. Так на греческом языке звучит слово природа-physike < physis. Изучение природы началось с момента появления мыслящего человека. Чтобы жить и выжить в этом мире, необходимо было учиться у природы. Человек делал это и достиг немалых успехов в изучении природы.
В эпоху античности (VI в. до н. э.-V в. н. э.) древнегреческие натурфилософы выдвинули ряд гипотез, сыгравших значительную роль в истории науки.
Фалес (ок. 625-547 до н. э.) из Милета возводил всё многообразие явлений и вещей к единой основе, которой считал воду; всё возникает из воды и в неё превращается. Им открыты свойства натёртого янтаря притягивать легкие предметы, а магнита-железные.
Левкипп (V в. до н. э.) и Демокрит являются основателями завершённой системы атомистики: материя состоит из бесчисленного множества мельчайших неделимых частиц-атомов.
Платон (428-348 г. до н. э.) в своих диалогах выражает свое отношение к проблемам бытия. Материя по Платону сама по себе абсолютно бесформенна, не есть ни земля, ни вода, ни воздух, ни какая-либо физическая стихия .Материя-это не сущее, сущее же только идея. Подлинным бытием для Платона является идеальное бытие, которое существует само по себе, а в материи только «присутствует». Добавим, что Платону принадлежит создание теории зрения.
Аристотель (384-322 до н. э.) охватил почти все доступные для его времени отрасли знания. Он подверг критике учение Платона об идеях. То, что существует, имеет четыре причины. Формальная причина: всякая вещь такова, какова она есть. Материальная причина: материя-то, из чего все возникает. Движущая причина есть начало движения. Целевая причина-то, ради чего что-либо осуществляется. Ему принадлежит правило равновесия рычага, установление правила сложения перемещений, перпендикулярных друг другу, а также идеи первой модели мироздания.
Архимед (ок. 287-212 до н. э.) определил понятие центра тяжести тела. Ему приписывают гордую фразу: «Дай мне точку опоры, и я переверну Землю». Он заложил основы гидростатики (знаменитый закон Архимеда).
Птолемей (ок. 90- ок. 160 н. э.) экспериментально исследовал явление преломления света, придал завершенную форму геоцентрической теории мироздания (система мира Птолемея), где центром мироздания мыслилась Земля.
В средние века (VI-XIV вв.) продолжалось накопление знаний о природе. В 1121 г. появился трактат Альгацини «Книга о весах мудрости»-своеобразный курс средневековой физики. В трактате приводились данные об удельных весах некоторых твердых и жидких тел, указывалось, что закон Архимеда применим и для воздуха. В 1553 г. был напечатан трактат Эрзама Вителлия по оптике, в котором наряду с изложением того, что сделал Евклид, содержался закон обратимости световых лучей при преломлении, подробно исследовалась радуга.
В эпоху Возрождения (XV-XVI вв.) особенно бурно развивались наука, искусство, ремесла, появились новые представления в учении о Земле и Вселенной.
Николай Кузанский (1401-1464) -философ, теолог, ученый, достигший звания кардинала при папе Пие II, развивал мысль о том, что Земля, как и любое другое небесное тело, не может быть центром Вселенной. Неподвижного центра во Вселенной нет, Вселенная бесконечна.
Леонардо да Винчи (1452-1519) -итальянский живописец, скульптор, архитектор, ученый и инженер, был близок, подобно Николаю Кузанскому, к созданию гелиоцентрической системы. Он считал Землю «точкой в мироздании» и называл механику «раем математических наук».
Николай Коперник (1473-1543) -польский астроном-совершил революционный переворот в мировоззрении людей и естествознании своим изложением гелиоцентрической системы мира. Наступал период становления физики как науки.
Этот период начинается с работ Галилео Галилея (1564-1642). Им формулируется принцип инерции и принцип относительности. Никакими механическими (электрическими, оптическими) опытами, проведенными в данной инерциальной системе отсчета, нельзя установить, покоится инерциальная система или движется равномерно и прямолинейно. Законы механики выполняются во всех инерциальных системах отсчета.
Первую физическую картину мира построил великий англичанин Исаак Ньютон (1643-1727). Это механическая картина мира. Она опиралась на три основных её закона (законы Ньютона) и закон всемирного тяготения. Механическая картина мира сохранялась в течение двухсот лет.
Вторая физическая картина мира-это электродинамическая картина Джеймса Максвелла (1831-1879). Он разработал общую строгую теорию электромагнитных процессов. В ней использовалась концепция поля, предложенная Майклом Фарадеем. Опираясь на нее, Дж. Максвелл дал точные пространственно-временные законы электромагнитных явлений в виде системы уравнений (уравнений Максвелла) электромагнитного поля.
Период современной физики начинается с появления работ Альберта Эйнштейна (1879-1955). Опираясь на принцип относительности Галилея и принцип постоянства скорости света, А. Эйнштейн создал специальную теорию относительности и превратил идею кванта Макса Планка в квантовую теорию света. Произошел переход к квантово-релятивистской картине мира. Это была третья физическая картина мира. Пространство и время относительны. Абсолютное пространство и время по Ньютону не имеют физического смысла.
Создание квантовой механики открывает новый этап в постижении мира. Это квантовомеханическая или четвертая физическая картина мира. Физика проникла на атомный и ядерный уровни организации вещества. Затем на уровень фундаментальных элементарных частиц.
Развитие естествознания переплетается с судьбами людей, посвятивших себя науке. Как отмечал А. Эйнштейн, люди, пребывающие в храме науки, по-разному к ней относятся. Одни отдают ей свои силы из утилитарных целей, другим наука дает ощущение полноты жизни и удовлетворение честолюбия, третьи в занятиях наукой уходят от будничной жизни вовне в мир объективного видения и понимания. Но есть еще одна причина, добавляет
А. Эйнштейн, побуждающая людей заниматься наукой: «Человек стремится каким-то адекватным способом создать в себе простую и ясную картину мира; и это не только для того, чтобы преодолеть мир, в котором он живет, но и для того, чтобы в известной мере попытаться заменить этот мир созданной им картиной. Этим занимается художник, поэт, теоретизирующий философ и естествоиспытатель, каждый по-своему. На эту картину и её оформление человек переносит центр тяжести своей духовной жизни, чтобы в ней обрести покой и уверенность, которые он не может найти в слишком тесном головокружительном круговороте собственной жизни... Душевное состояние, способствующее такому труду, подобно религии или влюбленности: ежедневное старание проистекает не из какого-то намерения или программы, а из непосредственной потребности».
«Благодаря использованию языка математики эта картина удовлетворяет наиболее высоким требованиям в отношении строгости и точности выражения взаимозависимостей. Но зато физик вынужден сильно ограничивать свой предмет, довольствуясь изображением наиболее простых, доступных нашему опыту явлений, тогда как все сложные явления не могут быть воссозданы человеческим умом с той точностью и последовательностью, которые необходимы физику-теоретику. Высшая аккуратность, ясность и уверенность-за счет полноты. Но какую прелесть может иметь охват такого небольшого среза природы, если наиболее тонкое и сложное малодушно и боязливо оставляется в стороне? Заслуживает ли результат такого скромного занятия гордое название «картины мира»?
Я думаю-да, ибо общие положения , лежащие в основе мысленных построений теоретической физики, претендуют быть действительными для всех происходящих в природе событий…Отсюда вытекает, что высшим долгом физиков является поиск тех общих элементарных законов, из которых путем чистой дедукции можно получить картину мира. К этим законам ведет не логический путь, а только основанная на проникновении в суть опыта интуиция» [23, с.8 ].
Картину мира, опирающуюся на современные достижения науки, можно представить в двадцати научных истинах так, как это сделали американские физики Роберт Хейзен и Джеймс Трефил [10, с. 490; 21, с. 118 ]:
1. Вселенная регулярна и предсказуема.
2. Все движения можно описать одним набором законов (имеются в виду три закона Ньютона).
3. Энергия не исчезает (первый закон термодинамики).
4. При всех превращениях энергия переходит из более полезных в менее полезные формы (второй закон термодинамики).
5. Электричество и магнетизм-две стороны одной и той же силы.
6. Все состоит из атомов.
7. Все-материя, энергия, квантовые характеристики частиц-выступают дискретными величинами, и нельзя измерить ни одну из них, не изменив её.
8. Атомы склеиваются электронным «клеем».
9. Поведение вещества зависит от того, какие атомы входят в его состав и как они расположены.
10. Ядерная энергия выделяется при превращении массы в энергию.
11. Атомы, из которых состоит все, сами состоят из кварков и лептонов.
12. Звезды рождаются, живут и умирают, как и все остальное в мире.
13. Вселенная возникла в прошлом в определенный момент и с тех пор она расширяется.
14. Законы природы едины для любого наблюдателя (резюме специальной и общей теории относительности).
15. Поверхность Земли постоянно изменяется, и на её лице нет ничего вечного.
16. Все процессы на Земле происходят циклами.
17. Все живое состоит из клеток, представляющих собой заводы жизни.
18. Все живое основано на генетическом коде.
19. Все формы появились в результате естественного отбора.
20. Все живое связано между собой (экологический закон-афоризм Коммонера).
Краткая хронология важнейших научных открытий и технических изобретений свидетельствует о необычайно высокой эффективности работы ученых в области естественных наук за последние сто лет [15, 22].
1895 г. -А. Попов первым продемонстрировал передачу радиосигнала.
1897 г. -Дж. Дж. Томсон открыл электрон и выдвинул гипотезу об атомах, в состав которых входят электроны.
1900 г. -М. Планк сформулировал квантовую гипотезу и ввел постоянную, имеющую размерность действия, положив начало квантовой теории.
1902-1903 г.-Э. Резерфорд и Ф. Содди создали теорию радиоактивного распада и сформулировали закон радиоактивных превращений.
1903 г. -О. Райт совершил первые в истории полеты на самолете.
1905 г.-А. Эйнштейн на основании принципа относительности и принципа постоянства скорости света создал специальную теорию относительности. Совместно с квантовой теорией света специальная теория относительности составила фундамент физики ХХ века.
1906 г. -Американец А. Фишер запатентовал электрическую стиральную машину.
1908 г. -Фирма Ford Motors Company начала массовое производство автомобилей, применив движущийся конвейер.
1911 г. -Э. Резерфорд опубликовал статью, в которой на основании ранее проведенных экспериментов (1909-1910) обосновал планетарную модель атома. В 1912 г. им введен термин «ядро».
1913 г. -Н. Бор применил идею квантования энергии к теории планетарного атома Резерфорда и ввел два квантовых постулата, которые характеризуют особенности движения электрона в атоме. Разработал первую квантовую теорию атома водорода.
1919 г. -Э. Резерфорд осуществил первую искусственную ядерную реакцию, превратив азот в кислород.
1922 г. -А. Фридман нашел нестационарные решения гравитационных уравнений Эйнштейна и предсказал расширение Вселенной.
1923 г. -Созданы электрический чайник и холодильник.
1926 г. -Э. Шредингер построил волновую механику и сформулировал её основное уравнение.
1926 г. -Шотландский изобретатель Д. Бейрд разработал метод получения телеизображения.
1927 г. -Ф. Лондон, В. Гайтлер выполнили первый расчет молекулы водорода, положив начало квантовой химии.
1929 г -Э. Хаббл экспериментально доказал удаление галактик друг от друга в расширяющейся Вселенной.
1932 г. -Дж. Чедвик открыл нейтрон.
1935 г. -Немецкая компания AEG выпустила пластиковую ленту с магнитным покрытием для звукозаписи.
1938 г. -Венгерский художник и журналист Л. Биро и его брат Георг, химик, запатентовали шариковую ручку.
1939 г. -Русский инженер Андрей Сикорский, эмигрировавший в Америку, построил первый действующий вертолет.
1940 г. -Г. Флеров, К. Петржак открыли явление спонтанного деления урана-235.
1942 г. -Э. Ферми осуществлена цепная управляемая реакция деления урана в первом ядерном реакторе.
1945 г. -В Америке придумали микроволновую печь.
1946 г. -Состоялась публичная демонстрация первого электронного компьютера.
1948 г. -В США изобрели электронные транзисторы.
1953 г. -Д. Уотсон, Ф. Крик и М. Уилкинс расшифровали структуру ДНК.
1954 г. -Построена первая атомная электростанция в г. Обнинске.
1957 г. -Советский Союз запустил первый искусственный спутник Земли.
1961 г. -Полет в космос первого космонавта Ю. Гагарина.
1966 г. -Первая мягкая посадка на Луну автоматической станции «Луна-9» и передача на Землю лунной фотопанорамы.
1969 г. -Первое посещение с посадкой на Луну. Космонавты Н. Армстронг и Э. Олдрин пробыли на поверхности Луны почти сутки, а космонавт М. Коллинз на селеноцентрической орбите. Затем они вернулись на Землю. После этого посещения американские космонавты высаживались на Луну еще 5 раз. Всего ходили по поверхности Луны 12 космонавтов из 21, посланных на Луну в период с 1969 по 1972 г.
1971 г. -Корпорация Intel изобрела микропроцессор.
1972 г. -Создан «домашний» кассетный видеомагнитофон.
1975 г. -Прорыв в генной инженерии, в Кембридже методом клонирования созданы идентичные микроорганизмы.
1975 г. -Сошел с конвейера первый электромобиль.
1975 г. -В США поступают в продажу первые персональные компьютеры.
1976 г. -Начались регулярные полеты сверхзвукового пассажирского авиалайнера «Конкорд» со скоростью 2200 км/час.
1977 г. -Запущен первый космический корабль многоразового использования Space Shuttle.
1978 г. -Получен первый ребенок из «пробирки».
1981 г. -Регулярное телевещание осуществляется в 137 странах мира.
1982 г. -Выпущены цифровые компакт-диски.
1990 г. -Французский скоростной поезд поставил мировой рекорд скорости на железной дороге-515,3 км/час.
1993 г. -В США осуществлен успешный термоядерный синтез. Получена энергия в 300 миллионов ватт.
1994 г. -А. Зевайл осуществил наблюдение с помощью быстрой лазерной спектроскопии за движением атомов в молекуле во время химической реакции. Фемтохимия (одна фемтосекунда равна 10-15сек) позволяет следить за разрывом и образованием химических связей в реальном времени химического превращения.
1995 и последующие годы -Глобальная компьютерная сеть Internet и сети мобильной телефонной связи охватывают планету.
2001 г. и в течение последующих 20 лет предполагается
прорыв генной терапии в борьбе с раком;
разработка сети видеотелефонов, охватывающая весь мир;
создание прививки против СПИДА;
высадка на Марсе первого человека.
Цивилизация в XX веке достигла уровня знаний, позволившего построить атомные электростанции, выйти в космическое пространство, посетить Луну, раскрыть тайну структуры молекулы ДНК. Но, похоже, что от этого мы не стали счастливее. Мы больше не хотим покорять природу. «Следует помнить, что точное знание хотя и очень важное, но только часть общечеловеческой культуры и только в этом контексте можно понять ее истинное место и роль в развитии нынешней цивилизации», - отмечает Е. С. Климов в своей работе [26]. Положение монополиста среди живых систем природы вынуждает человека изменять свое поведение. Альберт Эйнштейн отмечал, что наиболее важные проблемы, с которыми сталкивается человек, не могут быть решены на том уровне мышления, которое существовало, когда возникли эти проблемы. Значит, мы должны изменять свое сознание, совершить прорыв в развитии наук о разуме, сознании, обществе. Мы просто обязаны совершить такой прорыв, чтобы выжить как вид, и обеспечить себе и последующим поколениям достойное существование. Надежды на совершение такого прорыва есть. Наше умение достигать поставленной цели вселяет уверенность в будущем человечества.
ЛИТЕРАТУРА
1. Азимов А. Краткая история химии-М.: Мир, 1983. – 187с.
2. Аршинов В., Буданов В., Суханов А. Естественно-научное образование гуманитариев: на пути к единой культуре //Общественные науки и современность, №5, 113-118, 19
3. Вернадский В.И., Биосфера, т. 1-2, Л., 1926.
4. Данин Д.С. Резерфорд. – М.: Молодая гвардия, 1967. – 624 с.
5. Дмитриев И.С. Электрон глазами химика, 2-е изд. – Л.: Химия, 1986, 228 с.
6. Добротина Н.А., Щвец И.М. Введение в экологию человека–Н.Новгород, ННГУ. 1994.-203 с.
7. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. 2-е издание.-М.: ИВЦ «Маркетинг»; Новосибирск.: ЮКЭА. 2000. -832 с.
8. Грушевицкая Т.Г., Садохин А.П. Концепции современного естествознания – М.: Высшая. школа., 1998. – 383 с.
9. Gharajedaghi J., Ackoff R.L.// Toward systemic education of systems scientists // System Research, V. 2, №1, P. 21-27, 1985.
10. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. .-М.: Культура и спорт, ЮНИТИ, 1997. – 520 с.
11. Кутырев В.А. Естественное и искусственное: борьба миров.-Н. Новгород: Издательство «Нижний Новгород». 1994.-199 с.
12. Лапо А.В. Следы былых биосфер или рассказ о том, как устроена биосфера и что осталось от биосфер геологического прошлого. 2-е изд. – М.: Знание, 1987 – 208 с.
13. Маркс. К., Энгельс Ф., Сочинения, 2 изд., т. 20, с.550.
14. Моисеев Н.Н. Историческое развитие и экологическое образование.–М.: Изд. МНЭПУ, 1995.-54 с.
15. На марсе счастья нет //«Семь пятниц», 27 декабря 2000 г.-2 января 2001 г.
16. Никаноров А.М., Хоружая Т.А. Экология.-М.: «Издательство ПРИОР». 1999.-304 с.
17. Орир Дж. Физика. М.: Мир. 1981. Т.2– 288 с.
18. Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П. Введение в системный анализ. – М.:Высш шк., 1989. – 367 с.
19. Розенберг Т.С., Мозговой Д.П., Гелашвили Д.Б. Экология. Элементы теоретических конструкций современной экологии. – Самара, Самарский научный центр РАН, 1999. – 396 с.
20. Сноу Ч.П. Портреты и размышления. -М.: Прогресс. 1985. -368 с.
21. Хейзен Р., Трефил Дж. -Наука и жизнь.1992– №5,6 – С.118.
22. Храмов Ю. Физика: Библиографический справочник. – 2-е изд. – М.: Наука, 1983.
23. Эйнштейн А. Физика и реальность. - М.: Наука. 1965. -360 с.
24. Энциклопедия для детей. Т. 8. Астрономия – М.: Аванта+, 1997.– 668 с.
25. Эткинс П. Порядок и беспорядок в природе – М.: Мир, 1987. – 224 с.
26. Климов Е. С. Концепции современного естествознания. Часть 1. О природе вещей. Ульяновск: Изд-во СВНЦ, 1997. 190 с.