Структура физики

 В основу классификации физики можно положить человека с его размерами и с возможностями его органов чувств. Масштабы, соизмеримые с размерами человека, называются макромиром. Масштабы размеры которых существенно больше, называются мегамиром. Это мир космических размеров, и для того, чтобы получать результаты за конечное время, скорости зондирующих сигналов должны быть близки к максимально доступной скорости – скорости света (с). Этот мир обладает некоторыми новыми качествами по сравнению с макромиром. Например, масса одного и того же тела существенно зависит от того, где происходит ее измерение, в движущейся или неподвижной системе отсчета, время течет с разной скоростью, линейные размеры тела меняются в разных системах отсчета. Более того, магнетизм – это есть не что иное, как релятивистское проявление электрических взаимодействий.

 

И, наконец, существует микромир – мир малых размеров, со своими законами, изучаемыми квантовой механикой и отличающийся от макро- и мегамира.

 Есть более строгие критерии для определения, каким разделом физики следует пользоваться. Для релятивисткой физики надо, чтобы скорость распространения сигнала (тела) была близка к скорости света. Т.е. v/c   1. А для квантовой механики h/S ® 1, где S – действие, механическая величина, характеризующая движение частиц, численно она может быть оценена как произведение пройденного телом пути на его импульс, а h – постоянная Планка. Из соотношения неопределенности, о котором мы будем говорить в других лекциях, следует, что произведение неопределенного пути на неопределенность импульса тела не может быть меньше h. Поэтому отношение h/S < 1. И, наконец, существует область, где отношения v/c и h/S одновременно стремятся к 1. Это область, в которой происходит объединение микро – и мегамира. Процессы, протекающие в ней, изучаются квантовой теорией поля. В этой классификации очевидно, что классическая физика отвечает условием и .

 

Наука нового времени

 То естествознание, которое мы сегодня изучаем, называют “наукой нового времени”. Что это за новое время, когда оно наступило? И чем эта наука отличается от науки “старого времени”?

 Новым временем называется период перехода от эпохи средневековья к эпохе капитализма. Этот переход произошел в Италии и назывался эпохой Возрождения. Но вклад в его дальнейшее развитие внесли и другие страны.

 Это и Великие географические открытия, приведшие к освоению новых земель, развитию мореходства и мировой торговли. Привычный мир был сильно увеличен. Произошли изменения в способе производства. Ремесла стали переходить в мануфактуры, которые, в свою очередь, послужили исходным пунктом для современной крупной промышленности. Духовная диктатура церкви была сломлена.

 Развитие товарообмена привело к необходимости защиты торговых путей, так как появилось то, что называется пиратством. Это потребовало развития оптики: создания зрительной трубы, чтобы заранее определить, что за корабль к вам приближается. Нужно было развивать навигацию и навигационное приборостроение. Для этого нужны были наблюдения за звездами, чтобы создать таблицы, помогающие ориентироваться в пространстве. Кстати, для успешного решения этой задачи нужны были точные механические часы, так что стало стимулироваться развитие механических устройств. Потребовалось изучение магнитных явлений для ориентации с помощью компаса. И, естественно, надо было развивать вооружение, в частности, артиллерию, а для последней требовалось развитие баллистики.

 Промышленность требовала новых источников и преобразователей энергии. Использующийся для этого водяной двигатель был очень неудобен, т.к. там, где было удобно его помещать, как правило, отсутствовали сырьевые ресурсы, и это место было неудобным для проживания людей – работников производств. Изобретение теплового двигателя было огромным скачком вперед. Но для его создания нужны были работы по теплофизике.

 Итак, общество поставило определенные технические задачи, решение которых и создало лицо той науки, которую мы сегодня знаем. Ясно, что это произошло не мгновенно. Этот процесс становления новой науки продолжался около полутора столетий. Для определенности его исчисляют со времени выхода книги Н. Коперника “О вращении небесных сфер” (1543 г.) и заканчивают выходом в свет “Математических начал натуральной философии” И. Ньютона (1687 г.).

 

Произошел крутой поворот от бесплодных толкований Аристотеля схоластами в университетах к экспериментальному изучению природы. Современная физика пользуется опытом не только для проверки готовых выводов, но и для решения вопросов, относительно которых еще не установилось определенных понятий, и для приобретения данных, приводящих к разработке новых идей.

 

Но ведь и до этого была какая-то наука. Она имеет свое название – Аристотелевская физика.

 Каковы ее основные положения? Пространство сплошь заполнено материей. Следовательно, не существует ни пустого пространства, ни мельчайших неделимых частиц материи или атомов. Начало вещей находится в четырех противоположностях, доступных ощущению, и не выводимо из других каких-либо начал. Это тепло и холод, сухость и влажность. Так как противоположности не могут соединяться, возможны четыре основных вещества: жаркое и сухое – огонь; жаркое и влажное – воздух; холодное и влажное – вода; холодное и сухое – земля. Эти четыре вещества содержатся во всех веществах либо в действительности, либо потенциально и могут быть выделены из тела.

 Начала по своей природе или легки и стремятся в вверх в небо, или тяжелы и стремятся вниз к земле. Все остальные движения являются вынужденными, порожденными толчком или давлением, и подобно теплу прекращаются сами собой, когда исчезает поддерживающая их причина. Идеальное движение – круговое, продолжающееся равномерно и однообразно в веке веков. Естественное прямолинейное движение неравномерно, поэтому несовершенно. Для совершения кругового движения вводится пятое начало – эфир, из которого состоит тело. Сфера неподвижных звезд состоит из эфира, поэтому движется равномерно, а планеты смешаны с земными элементами, поэтому их движение не так упорядочено. Земля состоит из тяжелых начал, поэтому она неподвижна, находится в центре Вселенной и имеет шарообразную форму. Считали, что скорость тел при падении пропорциональна их тяжести. Из простых машин Аристотель правильно описал только действие рычага.

 Вопросы акустики и оптики рассматривались в связи с описанием органов чувств. Звук – следствие ударов твердых тел друг о друга и о воздух. Последний сам по себе беззвучен из-за подвижности частиц, если же они встречают препятствие, то движение воздуха становится звуком. Орган зрения состоит из воды; орган, воспринимающий звук, – из воздуха; орган обоняния – из огня; орган осязания – из земли. Хотя глаз состоит из воды, зрение зависит не от ее наличия, а от ее прозрачности. Если в прозрачном находится нечто огненное, получается свет, в противном случае – тьма. Цвет – смешение темного и светлого. Солнце, святящее через туман, кажется красным, а радуга происходит от отражения света в более темных облаках и поэтому окрашена во все цвета.

 Теплота по Аристотелю основное качество огня как стихии. Поэтому оно присуще всем телам, содержащим эту стихию.

 С очевидной ошибочностью и бесплодностью взглядов Аристотеля можно было мириться, пока наукой занимались на уровне рассуждений и схоластических споров, но когда идеалом ученого стал инженер (в смысле изобретатель, например, Леонардо Да Винчи), правильность рассуждений стала проверяться созданием работоспособных устройств, а не следованием традиции; изменился подход к физике. Тогда она и стала наукой нового времени.