Лк 1. Физика античности и арабского востока

План лекции

Вступление. История физики и техники. Объект. Предмет и задачи.

1.Доклассическая физика

1.1. Физические знания в Античности. От натурфилософии к статике Архимеда и геоцентрической системе Птолемея

   Эволюция представлений о природе и ее первоначалах у досократиков. Пифагор и Платон — провозвестники математического естест­вознания. Античные атомисты Демокрит, Эпикур, Лукреций Кар). Физика и космология Аристотеля. Евклид и его «Начала». Архимед и Герон Александрийский: законы рычага и гидростатики, пять простых машин. Проблема измерения времени. Оптика Евклида, Архимеда, Герона Александрийского и Птолемея. Геоцентрическая система мира Птолемея.

1.2.Физика арабского Востока

1.3. Физика Средних веков (XI—XIV вв.)

   Упадок европейской науки. Освоение античного знания арабской наукой: статика и учение об удельных весах (аль-Бируни, аль-Хазини и др.), оптика Альхазен и др.), строение вещества (Аверроэс). Влияние арабов на возрождающуюся европейскую науку XI—XIII вв.

   Возникновение университетов. Статика в сочинениях Иордана Не-морария. Кинематические исследования У. Гейтсбери и Т. Брадвардина (понятие скорости неравномерного движения), а также У. Оккама и Ж. Буридана (концепция импетуса и проблема относительности движения.     Учение о свете (Р. Гроссетест, Р. Бэкон, Э. Вителлий).

История физики и техники – предмет и задачи

В науке, может быть, более, чем в другой сфере деятельности человека, прогресс возможен, и часто действительно имеет место без какого-либо знания истории; но такое знание обеспечивает воздействие на направление пути развития науки в будущем, и если хорошо усвоены уроки прошлого, прогресс в науке будет достигнут быстрее и надежнее. Джон Бернал

Задача учителя состоит в том, чтобы провести разум ребёнка тем путём, которым проходил ум его отцов, ускоряя определённые этапы развития, но не пропуская ни одного из них. В этом отношении история науки должна быть нашим проводником. Анри Пуанкаре

Предмет истории физики – процесс развития физических знаний в связи с историей человечества: являясь разделом самой физики, она в то же время тесно соприкасается с общественными науками.

Предмет истории физики – история возникновения и развития физической науки как единого целого общественного явления. История физики ставит в качестве основной задачи выяснение исторических фактов, их анализ, позволяющий раскрыть ход процесса развития как необходимо обусловленный. И наконец, история физики решает задачу установления общих законов развития физики.

1. Физика как натуральная философия

Натуральная философия – это философия природы, умозрительное истолкование природы, рассматриваемой в ее целостности, то есть это целостная система самых общих законов естествознания. Именно натурфилософия сформировала первично такие понятия как субстанция, материя, пространство, время, движение, закон природы и т.п.

Математика и астрономия. Например, египтяне вычисляли площадь круга, возводя в квадрат 8/9 диаметра (пи получается равным 3, 16). М. носила практический характер. Известны простые машины (рычаги, наклонные плоскости, катки и т.п.).

Натурфилософия античности

Этот этап можно рассматривать как начальный этап античной науки. Хронологически можно выделить три основных этапа: (примерно VII – VI в.до н.э.) старшие натурфилософы (досократики); (V – IV в. до н.э.) младшие натурфилософы; (III – I в. до н.э.) период математической физики.В натурфилософии первого этапе – три основные школы или направления: 1. Ионийская школа (Фалес Милетский, Анаксимандр, Анаксимен, Гераклит). 2. Пифагорейская школа (Пифагор, Ксенон). 3. Элейская школа (Ксенофан, Парменид, Зенон). Основные концептуальные идеи связаны с представлениями о природе и ее первоначалах, то есть о праматерии.

Для ионийской школы характерен монизм материального начала. Для Фалеса Милетского – это вода, для Анаксимандра (преемника Фалеса) – это апейрон (неопределенная материя, из которой выделяются начальные противоположности – тепло, холод, сухость, влажность), для Анаксимена – это воздух: «из него выходит все, в него возвращается все». При этом духовное и материальное начала едины: дух и воздух равнозначны. Гераклит уже ставит вопрос об источнике развития единого начала – огня: «Мир, единый из всего, не создан никем из богов и никем из людей, а был, есть и будет вечно живым огнем, закономерно воспламеняющимся и закономерно угасающим». То есть, по Гераклиту, мир – это процесс, происходящий и развивающийся в силу внутреннего самодвижения.

Пифагорейская школа прославилась разработкой математических проблем, теория звука, число является мерой всех вещей. Космогония пифагорейцев, изложенная Филолаем, говорит о сферичности Земли и ее движении по сфере вокруг центрального огня. Вокруг него вращаются и 9 сфер6 Меркурия, Венеры, Марса, Юпитера, Сатурна, Солнца, Луны, звезд и противоземли. Главное у пифагорейцев – внедрение математики в естествознание.

Школа элеатов признавала единство мира. Но отрицала неизменность и неподвижность всего сущего. Отрицание небытия влекло за собой отрицание пустоты. Элеаты критикуют чувственные ощущения. Эта критика имела большое значение для развития науки. Апории Зенона о движении стало началом диалектики. Ахиллес и черепаха.

Следующий этап – это младшие натурфилософы. В этот период формируются две основные концептуальные идеи материального строения мира, которые определяют все будущее развитие физики, в том числе и современной. Это концепция атомизма и континуалистическая концепция, т.е. концепция непрерывной делимости материи. Представителями первой концепции выступали Анаксагор, Левкипп. Демокрит, впоследствии Эпикур и Лукреций Кар. Представители второй концепции – Сократ и в особенности Аристотель. Обе концепции объединяло представление о законе сохранения материи. По Эмпедоклу: «Безумцы полагают, что может возникнуть что-либо никогда не бывшее или погибнуть без следа что-либо существующее... В природе нет возникновения того, что может умереть; нет полного уничтожения; ничего, кроме смешения и разделения сочетанного. Только невежды называют это рождением и смертью»

Смысл концепции атомистов: 1. Из ничего ничего не бывает: ничто из того, что есть, не может быть уничтожено. Всякое изменение есть только соединение и разделение частей. 2. Ничто не происходит случайно, но все происходит по некоторой причине и необходимости. 3. Ничего не существует, кроме атомов и пустого пространства; все же прочее есть мнение. 4. Атомы бесконечны в числе и бесконечно различны по форме. В вечном падении через бесконечное пространство, большие, которые движутся скорее, ударяются в меньшие; возникающие при этом боковые движения и круговращения суть начала образования миров. Бесконечные миры возникают и снова исчезают друг возле друга и друг после друга. 5. Различие всех предметов зависит от различия всех атомов в числе, величине, форме и порядке; качественного различия атомов не существует. Атомы не имеют «внутреннего состояния»: они действуют друг на друга посредством давления и удара.6. душа состоит из мелких, гладких и круглых атомов, подобных атомам огня. Эти атомы суть самые подвижные, и от их движения, проникающего через все тело, происходят явления жизни. Пустота... «есть начало движения атомов; они как бы побуждаются пустотой наполнить и отрицать ее» (Гегель). Космология и космогония атомистов – Вселенная бесконечна, небесные тела образуются в результате вихревых движений других тел.

Физические проблемы, разрешаемые атомистами: вечность и неуничтожимость материи, объяснение мира (из себя самого), отношение времени к материи (атомам), пространство и время, случайность и необходимость, признание близкодействия (давление и удар) как основы взаимодействия тел и т.п.

Продолжение атомизма находим в периоде математической физики. В первую очередь у Эпикура и Лукреция Кара. Причем, они не только защищают атомистическое учение, но и добавляют новые моменты к нему. Так, из поэмы Лукреций Кара «О природе вещей», узнаем, что Эпикур выдвигал идею множественности равноправных между собою миров, по-видимому, впервые он высказывает мысль о возможности самопроизвольных отклонений атомов от прямолинейного пути, вводя идею случайности (то есть развивает вопрос о случайности и необходимости), образно объясняет незамечаемость атомов и атомного движения и т.д. : «Нам очевидно, что вещь от стирания становится меньше, но, отделение тел, каждый миг из нее уходящих, нашим глазам усмотреть запретила природа ревниво». Эпикур ввел понятие веса атома, предвосхитил Галилея, считая, что в пустоте все тела независимо от веса, должны падать с одинаковыми скоростями: «тяжелейшие атомы никогда не могут падать на легчайшие». С.И. Вавилов отмечал «поразительное совпадение принципиального содержания идеи Эпикура – Лукреция о спонтанном отклонении тел с так называемым «соотношением неопределенности» современной физики».

Физика и космология Аристотеля.

Природа по Аристотелю, есть совокупность физических тел, состоящих из вещества и находящихся в непрерывном движении или изменении. Природа двояка: она одновременно есть форма и материя («...если бы мы стали изучать курносость, что она такое, т.е. ни без материи, ни со стороны [одной лишь] материи)». Всякое движение предполагает наличие пространства и времени. Пространство сплошь заполнено непрерывно распределенной материей. Следовательно, не существует ни пустого пространства, ни мельчайших неделимых частиц материи или атомов. Аристотель написал 8 книг физики, 4 книги о Вселенной и т.п.

Аристотель резко разграничивает «небесное» и «земное». Согласно Аристотелю «земное» построено из четырех основных элементов: земля, огонь, воздух и вода, которые возникают в результате соединения основных и противоположных качеств (холод и тепло, сухость и влажность), объединяющихся попарно. «Небесное» построено из эфира. Всем вещам присущи абсолютные свойства тяжести и легкости. Понятия пространства, времени и материи у А. взаимосвязаны и не существуют друг без друга. Под движением А. понимал изменение вообще, превращение возможного (потенциального) в действительное, называя это превращение специальным термином – «энтелехия». Механическое перемещение – это один из видов движения, оно может быть насильственное и естественное. Естественное движение разное на Земле и в небесной сфере. На Земле – это отвесные движения вверх и вниз абсолютно легких и абсолютно тяжелых тел. Естественное движение небесных тел – круговое движение вокруг неподвижной и шарообразной Земли.

Все остальные движения – насильственные. Они происходят под действием других тел – «двигателей». Путем рассуждений А. показывает. Что в пустоте все тела падали бы на Землю с одинаковыми скоростями, но так как пустота невозможна, то делает ложный вывод о пропорциональности скорости весу тела («Закон» А.). Что им сделано в физике: 1. Геоцентрическая картина мира. 2. Противопоставление небесного и земного миров. 3. Учение о механическом движении и начало формирования основных физических понятий: сила, скорость, и т.п. 4. формулировка правила сложения перемещение, перпендикулярных друг другу. 5. Словесная формулировка правила равновесия рычага (намечен закон сохранения силы 6. Рассмотрение свободно падающих тел (неправильный вывод). 7. Правильное представление о распространении звука в воздухе, как его сжатия и разрежения. 8. Объяснение эха. 9. Известно явление преломления света. 10. Ввел понятие естественных и вынужденных движений. 11. Признание объективного существования материи, однако это лишь возможность существования реальной вещи, а для этого она должна обречь форму. Всякая вещь есть единство материи и формы. А отсюда учение о 4-х действующих причинах: материальной, формальной, действующей и конечной. Оформление материи в форму осуществляется при действии третьей причины – движения. Но все это совершается в результате действия последней причины – целевого поведения природы, которая намечает конечные цели.

А. признает пространство и существование вещей в пространстве. Однако место не может быть ни формой. Ни материей, ибо последние неотделимы от предмета. А место отделимо. Поэтому место по А. – это граница объемлющего тела. Время он определяет как чувственное восприятие предыдущего и последующего в движении.

Александрийский период (период математической физики) В этом периоде наибольшую роль в развитии физики сыграли Эвклид. Архимед, Птоломей и Герон Александрийский,. О последнем будем говорить в связи с развитием техники в античности. Основные достижения этого периода связаны с механикой и оптикой и космологией.

Архимед был первым, кто установил пределы числа пи. Основные достижения Архимеда в механике: закон рычага и закон Архимеда для жидкостей, установленные геометрическим путем. Он – родоначальник математической физики. Статика Архимеда изложена в работах «О равновесии плоскостей» и «О плавающих телах». Только у Архимеда впервые находим отчетливое представление о центре тяжести – точке внутри тела, относительно которой уравновешиваются веса всех остальных точек его, так что тело, опертое в этой точке, будет в равновесии. Все положения Арх. облачал в форму аксиом. Например: «Из равных весов, действующих на неравных расстояниях, перевешивает отдаленный» и т.д. Именно Арх. положил, что жидкость во всех частях однородна и непрерывна, и что во всякой жидкости менее сжатая часть смещается другой, более сжатой и. что всякая часть жидкости претерпевает давление от лежащей отвесно над нею жидкости. Главная работа Эвклида «Начала» (в латинизированной форме — «Элементы») содержит изложение планиметрии, стереометрии и ряда вопросов теории чисел; в ней он подвёл итог предшествующему развитию греческой математики и создал фундамент дальнейшего развития математики. Начала состоят из тринадцати книг. Первая и некоторые другие книги предваряются списком определений. Первой книге предпослан также список постулатов и аксиом. Как правило, постулаты задают базовые построения (напр., «требуется, чтобы через любые две точки можно было провести прямую»), а аксиомы — общие правила вывода при оперировании с величинами (напр., «если две величины равны третьей, они равны между собой»).

Эвклид был также основателем геометрической оптики («Оптика», «Катоптрика»). Следуя Платону. Лучи – прямые линии. Видимость предмета – результат направленного потока света из глаз в виде конуса лучей, направленных касательно к границе предмета. Величина предмета определяется углом зрения. Здесь впервые формулируется закон прямолинейного распространения света. Изучал отражение света и открыл закон отражения. Ему известно преломление света, которое затем опытно исследовал Птоломей. Таблицу углов получил, но закон не вывел. Герон Александрийский впервые обосновал закон отражения света принципом наименьшего времени: световой луч отражается от зеркала таким образом, что световой путь. Соединяющий источник света, зеркало и приемную точку требует для своего прохождения наименьшего времени. Это начало истории вариационного принципа Ферма.-Гамильтона.