Место физики в системе наук кратко

Обновлено: 02.07.2024

Гипотеза – форма знания, содержащая предположение, сформулированное на основе фактов, истинное значение которого неопределенно и нуждается в доказательстве.

Закон – форма знания, отражающая устойчивую, внутреннюю связь явлений и процессов, обусловливающая их упорядоченное и устойчивое функционирование и развитие.

Теория – наиболее развитая форма научного знания, дающая целостное отображение закономерных и существенных связей определенной области действительности.

Верификация– эмпирическое подтверждение гипотезы (признание её истинности).

Фальсификация – эмпирическое опровержение гипотезы (признание её ложности).

Научное познание – это непрерывный процесс открытия и теоретического объяснения новых фактов.

Рекомендуемая учебная литература по теме

Горелов А.А. Концепции современного естествознания. М., 2008. Главы 4-5.

Концепции современного естествознания / Под ред. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова. 4-е изд., перераб. и доп. М., 2008. Глава 2 ,§§ 2.1-2.2.

Концепции современного естествознания / Под ред. С.И. Самыгина. 4-е изд., перераб. и доп. Ростов н/Д., 2003. Раздел I.

Кохановский В.П., Лешкевич Т.Г., Матяш Т.П., Фатхи Т.Б. Основы философии науки. Ростов н/Д., 2004. Глава III, §§ 1-4; глава Y, § 5.

1. Место физики в системе естествознания.

2. Понятие физической реальности.

3. Основные концептуальные модели природы.

Физика– наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи, а также законы ее движения. В ее состав входят: классическая механика, молекулярная физика, термодинамика, электродинамика, оптика, атомная и ядерная физика, квантовая механика, астрофизика, биофизика и др.

Главная задача физики – выявление самого простого и самого общего в природе.

Под самым простым обычно понимают первичные объекты: молекулы, атомы, элементарные частицы, поля и т.д.

Под самым общим принято понимать движение, пространство, время, энергию и т.п.

Главный признак физики как фундаментальной науки. Физика изучает самые разнообразные явления и объекты природы, и при этом сложное сводит к простому, конкретное – к общему. Так устанавливаются универсальные законы и принципы, справедливость которых подтверждается не только в земных условиях и околоземном пространстве, но и во всей Вселенной.

Физика как экспериментальная наука. Законы физики базируются на фактах, установленных опытным путем, и представляют собой количественные соотношения (как правило, достаточно простые) и формулируются на том или ином математическом языке.

Тема 3. Физика как фундаментальная наука

Краткое резюме

Процедуры проверки гипотез

Формы теоретического зания

Верификация– эмпирическое подтверждение гипотезы (признание её истинности).

Фальсификация – эмпирическое опровержение гипотезы (признание её ложности).

Научное познание – это непрерывный процесс открытия и теоретического объяснения новых фактов.

Рекомендуемая учебная литература по теме

Горелов А.А. Концепции современного естествознания. М., 2008. Главы 4-5.

Концепции современного естествознания / Под ред. С.И. Самыгина. 4-е изд., перераб. и доп. Ростов н/Д., 2003. Раздел I.

1. Место физики в системе естествознания.

2. Понятие физической реальности.

3. Основные концептуальные модели природы.

Главная задача физики – выявление самого простого и самого общего в природе.

Под самым простым обычно понимают первичные объекты: молекулы, атомы, элементарные частицы, поля и т.д.

Под самым общим принято понимать движение, пространство, время, энергию и т.п.

По общему мнению, современная цивилизация носит техногенный характер. Это означает, что в системе этой цивилизации наука занимает, во всяком случае, одно из ведущих мест. Бесспорным является ведущая роль науки (прежде всего естествознания) в развитии материально-технического базиса современной цивилизации. Все, что нас окружает, во многом, создано и было бы невозможно без развитой системы научного знания. В отличие от ремесленной техники античного и средневекового общества современная техника была бы просто невозможна вне ее научного фундамента. Даже несколько неловко приводить аргументы в пользу этого тезиса: атомная промышленность и энергетика, современный транспорт, химическая промышленность, электроника, биотехнология и медицина, телевидение и интернет и т.д. и т.п. - все это немыслимо без науки.

Признание ведущей роли науки в создании и функционировании материально-технического базиса цивилизации - по-видимому, не должно вызывать возражений. Горячо обсуждается (а часто и осуждается), тезис о месте науки в системе культуры. Приходится встречаться с крайними утверждениями о том, что наука вообще чуть ли не враждебна культуре, что она нужна лишь для функционирования материально-технического базиса цивилизации и не должна претендовать на какую-то общекультурную роль.

Попробуем разобраться в этом. На наш взгляд, один из возможных ракурсов, под которым можно рассматривать развитие человечества, является рассмотрение этого развития под углом зрения доминирования в общей системе культуры тех или иных мировоззренческих характеристик. На первых этапах такой доминантой являлась система религиозно-мифологических представлений. Следующим этапом (во всяком случае, для европейской ойкумены) явилась античная цивилизация, для которой такой доминантой можно считать философию. Третий этап связан с крушением античной цивилизации и наступлением эпохи средних веков. Здесь доминантой выступает религиозное (для европейской ойкумены) христианское мировоззрение.

Уже здесь напрашивается возражение, связанное с обвинением подобного подхода в так называемом европоцентризме: а где же в этой схеме Древний Восток, Индия, Китай (а можно еще добавить цивилизацию Майи, Инков, ацтеков)? Дело в том, что изложенная выше схема носит, конечно, в достаточной степени, искусственный характер. Это взгляд на предшествующую историю с точки зрения сегодняшнего дня. С этой позиции современная цивилизация является по своим доминирующим характеристикам цивилизацией в определенном смысле европейской. Сказанное отнюдь не следует понимать в смысле отрицания самобытности и ценности исламской, китайской, индийской цивилизаций, а лишь в том смысле, что все эти цивилизации усваивают, и каждая по-своему преломляет ставшие глобальными характеристики, возникшие и получившие развитие в рамках европейской цивилизации.

Эти черты, прежде всего, связаны с феноменом новоевропейской науки. Вопрос о том, когда возникла наука, часто является предметом дискуссии. Своими корнями наука уходит в глубокую древность. Бросая взгляд с позиций сегодняшнего дня, зачатки науки можно обнаружить и на Древнем Востоке, и в Китае, и в Индии[1]. Однако, наука в том виде, в каком она существует сегодня, это - новоевропейская наука, возникшая в эпоху Галилея и Ньютона. Великая научная революция ХVII века означала крупнейший общекультурный сдвиг. Б.Рассел особо выделяет в истории человечества именно ХVII век, замечая, что в начале этого века еще пылают костры, на которых сжигают ведь, а в его конце уже создается первая научная картина мира - выходят Ньютоновские "Математические начала натуральной философии". Рискнем допустить, что в рамках очерченной схемы общекультурной доминантой цивилизации нового времени является, прежде всего, наука - "орудие высшей ориентировки - по словам И.П.Павлова - человека в окружающем мире и в себе самом".

2. Физика, как фундамент естествознания

По общепринятому мнению, физик образует фундамент естествознания. Постараемся раскрыть этот тезис, рассматривая основные аспекты, в которых обычно употребляется термин "фундаментальность" и попробуем выделить основные аспекты фундаментальности физики.

Лингвистическая фундаментальность физики.

Эта черта характеризует, прежде всего, и по преимуществу, физический эксперимент (причем в сколь-нибудь сложных случаях предполагается использование соответствующих приборов). Большинство наблюдений, как в физике, так и в других науках, носит "приборный" характер, и поэтому не только осознание экспериментальных фактов и их связи друг с другом предполагает наличие соответствующей теории, но и простое описание того, что наблюдается, опирается на теоретические представления об используемых приборах, позволяющее истолковать, например трек в камере Вильсона как след определенной элементарной частицы.

Центральным в развиваемом взгляде является утверждение существенно физического характера любых используемых приборов. Приборов биологических, физиологических, химических и т.д. не бывает. Любой, используемый ученым прибор, есть всегда в своей основе физический объект и для истолкования своих показаний требует соответствующих физических теорий. Это обстоятельство делает язык физики неотъемлемым элементом языка любой другой естественнонаучной дисциплины и может быть названо лингвистической (языковой) фундаментальностью физики.

Эпистемологическая фундаментальность физики (доктрина моно- и полифундаментальности).

Среди разнообразных значений слова "фундаментальность" можно выделить еще один аспект, связанный с отношением физики к эмпирическим данным. Как известно, слово фундаментальность применительно к науке, как правило, означает различение наук теоретических, ориентированных на раскрытие законов, описывающих изучаемых объект безотносительно к его практическому использованию. В этом смысле, справедливо говорить о фундаментальном характере самых различных научных концепций в физике, химии, биологии, геологии и т.д. на наш взгляд, целесообразно ввести понятие так называемой эпистемологической фундаментальности.

Как уже отмечалось, естественные науки опираются на эмпирические данные. На первых этапах развития естествознания в методологии естественных наук доминировал так называемый индуктивистский подход, согласно которому наиболее общие положения естественных наук непосредственно выводятся из опытных данных путем прямых индуктивных обобщений. Этот упрощенный взгляд отвергнут в современной философии науки. Это обстоятельство четко сформулировано в ставшем по существу афоризмом тезисе А.Эйнштейна: "Нет логического пути, ведущего от опытных данных к теории" по выражению Эйнштейна наиболее важные фундаментальные законы науки не выводятся из опытных данных, а в лучшем случае, лишь "навеваются" ими.

Рассматривая теперь систему естественнонаучных дисциплин, правомерно поставить вопрос: выводятся ли наиболее важные положения данной дисциплины из каких-либо других научных концепций или их единственным оправданием является ссылка на опытные данные? (как сказали бы в ХVIII веке выводятся ли положения данной дисциплины из другой дисциплины или выводятся непосредственно из опыта?).

Теперь в связи со сказанным можно ввести понятие монофундаментальности и полифундаментальности. Тезис монофундаментальности утверждает, что есть лишь одна фундаментальная дисциплина, положения которой ни из каких других дисциплин вывести нельзя - они обречены на фундаментальный (в смысле ниоткуда не выводимы) характер. Концепция полифундаментальности предполагает наличие многих фундаментальных (в указанном смысле) наук.

В реальной истории естественных наук на фундаментальный статут претендовали (даже лучше сказать не претендовали, а им реально обладали) физика, химия, биология. Это означает, что основные положения этих наук оправдывались ссылкой на опыт и ниоткуда не могли быть выведены. Явно упрощая реальную историю науки, можно сказать, что первой лишилась фундаментального статута химия. На сегодня основные особенности химии объясняются на базе квантовой физики. То, что в ХIХ веке рассматривалось, как сугубо специфическая особенность химии (особая сила "химического сродства", валентность, периодический закон Менделеева) сегодня получает точное квантовомеханическое обоснование, если угодно выводится из квантовой физики.

Резюмировать изложенное можно так: химия лишилась фундаментального статута (разумеется, только в указанном здесь смысле), но приобрела глубокое теоретическое обоснование. В этом смысле можно сказать, что физика обречена на фундаментальный статут. Даже, если допустить, что в будущем появится некая наука, и которой можно будет теоретически вывести современную физику, то это гипотетическая наука и будет называться новой физикой.

Следует заметить, что изложенное здесь решение вопроса о статуте химии является дискуссионным, хотя возражения, на наш взгляд, и не носят достаточно убедительный характер.

Явно сложнее обстоит дело со статусом биологии. На сегодня судьба биологии становится похожей на судьбу с химией. В ХХ веке произошли радикальные сдвиги в биологи: открытие двойной спирали ДНК, создание молекулярной генетики, развитие неравновесной термодинамики и синергетики - все это позволяет не просто говорить о важнейших жизненных феноменах на языке простого описания, а раскрывать их глубокую физико-химическую основу. Тем не менее, вопрос о фундаментальности биологии на сегодня не может считаться решенным на уровне, сопоставимым с химией. Грубо говоря, признание фундаментальности биологии означает признание особого класса биологических законов в принципе на могущем быть объясненным на базе физико-химических законов. На наш взгляд, признание таких (их иногда называют биотонических) законов представляется не очень вероятным.

Подытоживая все изложенное можно сказать, что физика обладает особой фундаментальностью, которую можно назвать эпистемологической. Следует, правда, отметить и одну экзотическую возможность, а именно: признать тезис монофундаментальности и наделить такой фундаментальностью не физику, а некую другую дисциплину. Скажем, можно настаивать на тех или иных вариантах организмических концепций и приписывать монофундаментальный статус биологии. Можно утверждать, что основные особенности любых наук могут быть выведены из неких философски установок. Все такие построения конечно возможны, но они явно находятся за пределами науки.

Онтологическая фундаментальность физики (оппозиция редукционизма и антиредукционизма).

По существу положения, развитые в предыдущем разделе уже касались проблематики, которые будут рассматриваться в настоящем разделе. Концепция монофундаментальности, о которой шла речь, на несколько другом языке может быть названа и концепцией редукционизма - различие здесь в ракурсе, под которым рассматривается проблема. В предыдущем разделе она рассматривалась под эпистемологическим углом зрения, а здесь будет рассматриваться как проблема онтологическая, т.е. как проблема, касающаяся строения реальности, так сказать устройства окружающего нас мира.

Прежде всего, разберемся, что следует понимать под редукционизмом. В советской философии эта проблема часто обсуждалась в связи с развитой Энгельсом концепции форм движения материи. В концепции Энгельса, на наш взгляд, были как верные моменты, так и неверные. Безусловно, верным представляется тезис о движении как способе существования материи и выделении различных структурных уровней организации материи (названных Энгельсом формами движения материи). В диалектическом материализме советских времен основное внимание акцентировалось на подчеркивании качественной специфичности высших форм движения (биологической по сравнению с химической, химической по сравнению с физической). Подчеркивалось, что, скажем, в химической форме движения физическая форма играет побочную роль, а основное содержание поставляется химией. Стремление объяснить самые главные особенности химических процессов на базе физических законов клеймилось как редукционизм, т.е. сведение высшего к низшему, сложного к простому, целого к элементам и т.д. Для большей убедительности редукционизм еще клеймился как механицизм, как сведение всего и вся к механике.

Разумеется, термин редукционизм, имеет множество разнообразных оттенков. Ну скажем, редукционизмом объявлялось объяснение феномена сознания материальными процессами головного мозга. Ряд авторов вообще ставил знак равенства между редукционизмом и материализмом. Мы не будем здесь касаться всего многообразия оттенков, связываемых в разных контекстах со словом редукционизм, а подчеркнем лишь следующее. В последующем изложении под редукционизмом никак не будет пониматься отрицание качественного своеобразия более высоких уровней материальной организации по сравнению с нижележащими (и в этом смысле более фундаментальными) уровнями. Вместе с тем, редукционизм не довольствуется лишь описанием этого качественного своеобразия, а ставит задачу его объяснения на основе законов нижележащего уровня. Разумеется, объект химии (атом и молекула) сложнее элементарных частиц, но его функционирование объяснятся на основе законов, описывающих поведение элементарных частиц. Поэтому редукционизм это не отрицание качественного своеобразия, а требование его объяснения. В основе так понятого редукционизма лежит, конечно, определенная онтологическая предпосылка, а именно - иерархическая структура реальности. Предельно упрощенно формулируется основной тезис редукционизма, можно сказать словами Р.Фейнмана: Все в мире состоит из атомов. Все может быть описано на языке движений, колебаний, покачиваний этих атомов.

В заключение несколько слов об оппозиции редукционизма и антиредукционизма (в частности, так называемого холизма). На наш взгляд, (безусловно, дискуссионный и спорный) антиредукционизм фиксирует некую целостность, некий качественно своеобразный феномен и дает его первоначальное описание. В этом его продуктивная роль. Редукционизм всегда требует идти глубже, попытаться понять целое на основе познания его элементов - объяснить целостность, а не просто констатировать ее наличие.

[1] Упомянем здесь широко известную книгу Ван ден Вардена "Пробуждающаяся наука", излагающую математические знания древних египтян и вавилонян.

Физика является экспериментальной наукой, и изучение природных явлений (явление — это процесс, в результате которого изменяется состояние объекта) осуществляется в следующих циклических этапах:

Место физики в системе естественных наук

Впервые оно появилось в 4 веке до н.э. в трудах Аристотеля в Древней Греции. Такие ученые, как Демокрит, Эпикур и Лукреций, основатели наивного материализма, считали, что весь мир состоит из атомов, мельчайших частиц, и что они движутся. Однако физика как наука развивалась на основе этих первоначальных представлений и на основе утверждения Галилея о том, что причиной движения является ускорение, а не скорость.

Математика играет очень важную роль в физике. Без математики современная физика была бы немыслима. Физика относится к точным наукам и выражает свои понятия и законы в математических терминах.

Другие дисциплины, такие как неорганическая и органическая химия, теоретическая механика, электротехника, физическая химия и химия растворов, биология и медицина, а также основные области технического образования, такие как материаловедение, механика и механика, метрология, термодинамика, теплопередача, гидравлика, теория процессов и устройств, широко используют физические понятия и законы природных явлений, методы исследования и различные физические приборы. Эти области тесно связаны с физикой, поскольку в них широко используются физические понятия, законы, методы исследования и различные физические приборы.

Сегодня хорошо развиты такие науки, как физика частиц, астрофизика, физика плазмы, ядерная физика и квантовая электроника.

В физике есть как экспериментальные, так и теоретические аспекты.

Физика — это наука, изучающая простейшие, но наиболее общие формы движения материи и их взаимопревращения. Формы движения материи включают механические, гравитационные, электромагнитные, внутриатомные и внутриядерные процессы.

Предметом физики являются общие законы природных явлений, таких как механика, электричество, магнетизм, тепло, звук и свет.

Преобразование материи и появление ее свойств без изменения ее состава называются физическими явлениями.

Разделы физики

Физика — это наука об окружающем нас мире, изучение наиболее общих и фундаментальных законов, определяющих структуру и эволюцию материального мира. Законы физики являются основой всех естественных наук.

Ученые различают макроскопическую и микроскопическую физику, а физические части науки рассматривают как отдельные отрасли науки (астрофизика, геофизика и т.д.).

Микрофизика включает разделы, изучающие науку на микроскопическом уровне (атомы, кварки, глюоны), которые невидимы человеческому глазу.
Макрофизика, с другой стороны, не рассматривает малые физические тела, а изучает макроскопические объекты (планеты, спутники и т.д.).

Макроскопическая физика включает следующие разделы:

Механика (кинематика, динамика, механика жидкости, акустика) — это область физики, изучающая движение объектов и взаимодействие между ними.
Классическая механика — это изучение движения объектов во времени и пространстве, причин и законов движения, и подразделяется на статику (равновесие объектов), кинематику (движение объектов без учета причин и без учета действующих на них сил) и динамику (движение объектов и его причины).
Релятивистская механика — это отрасль физики, которая рассматривает движение объектов и частиц со скоростями, сравнимыми со скоростью света.
Квантовая механика — это теоретическая отрасль физики, изучающая квантовые системы и законы их движения.
Термодинамика — это раздел физики, изучающий преобразование тепла в движение и движения в тепло. Термодинамика рассматривает распространение тепла в различных средах и физические и химические изменения, связанные с поглощением и выделением тепла.
Оптика — отрасль физики, которая занимается изучением света и всех явлений, связанных со светом, включая инфракрасное и ультрафиолетовое излучение.
Электродинамика — отрасль физики, изучающая взаимодействие электромагнитных полей и заряженных объектов, а также взаимосвязь между электрическими и магнитными явлениями.

Микрофизика включает следующие разделы:

Статистическая физика — это теоретическая отрасль физики, которая рассматривает свойства макроскопических объектов как систем, состоящих из множества мелких частиц (атомов, молекул, протонов) на основе свойств этих частиц.
Физика конденсированных сред изучает поведение сильно связанных систем, которые не поддаются тонкому разделению.
Квантовая физика: теоретическая область физики, которая имеет дело с квантовыми системами и законами их движения.
Атомная физика: отрасль физики, изучающая структуру и свойства атомных ядер и атомные реакции (столкновения атомов).
Физика частиц — это отрасль физики, которая изучает структуру и свойства элементарных частиц (протонов, электронов, фотонов и кварков) и их взаимодействие.

В этой статье мы рассмотрели основные разделы физики. Хотелось бы отметить, что каждый раздел имеет свою структуру и требует глубокого изучения.

Если вы не можете найти здесь нужную информацию, вы можете обратиться за помощью к нашим онлайн-репетиторам по физике. Наш сайт предлагает реальную помощь школьникам в решении задач по физике, математике и химии. Решение проблем на этом сайте осуществляется в режиме онлайн. Репетиторы всегда онлайн, поэтому вам не придется ждать, чтобы получить помощь.

В это время ваш онлайн-репетитор вместе с вами решит задачу и подробно объяснит расчеты. Решив одну задачу с онлайн-репетитором, вы сможете решать подобные задачи самостоятельно.

Физика как наука

Слово физика было введено в русский язык Михаилом Васильевичем Ломоносовым, когда он опубликовал первый русский учебник по физике, переведенный с немецкого языка.

Физика — одна из фундаментальных наук о природе.

Если мы внимательно посмотрим на то, что происходит вокруг нас, то увидим, что происходит множество изменений, или явлений.

Изменения, происходящие в окружающих нас телах и веществах, называются явлениями.

Например, если внести лед в теплое помещение, он начнет таять. Вода в чайнике на огне начинает закипать. Когда на провод подается электрический ток, он нагревается и иногда светится красным светом, как лампочка.

Таяние льда, кипение воды, падение камня, нагревание провода электрическим током, создание ветра и молнии — все это разные явления.

В физике мы изучаем такие явления, как механика, электричество, магнетизм, тепло, звук и свет. Все эти явления называются физическими явлениями.

Все явления превращения и свойства материи, которые происходят без изменения состава материи, называются физическими явлениями.

Как может одна наука, например, физика, изучать так много явлений?

Физика обладает необычной особенностью. Изучая простейшие явления, можно вывести общие законы.

Например, изучая свободное падение шаров разного размера и высоты, мы можем установить законы, управляющие падением других объектов.

Задача физики — открыть и изучить законы, которые связывают различные физические явления, происходящие в природе.

Например, мы знаем, что различные предметы падают на Землю, потому что они притягиваются к ней. Смену дня и ночи можно объяснить тем, что Земля вращается. Одной из причин возникновения ветра является, например, неравномерное нагревание воздуха.

Существуют и другие науки, изучающие природу, такие как биология, химия, география и астрономия. Во всех этих науках применяются законы физики. Например, в географии они необходимы для объяснения климата рек и образования ветров. В астрономии мы используем законы физики для изучения структуры и эволюции небесных тел.

Фи́зика (от др.-греч. φύσις — природа) — область естествознания, наука, изучающая наиболее общие и фундаментальные закономерности, определяющие структуру и эволюцию материального мира. Законы физики лежат в основе всего естествознания. [1]

В современном мире значение физики чрезвычайно велико. Всё то, чем отличается современное общество от общества прошлых веков, появилось в результате применения на практике физических открытий. Так, исследования в области электромагнетизма привели к появлению телефонов и позже мобильных телефонов, открытия в термодинамике позволили создать автомобиль, развитие электроники привело к появлению компьютеров.

Физическое понимание процессов, происходящих в природе, постоянно развивается. Большинство новых открытий вскоре получают применение в технике и промышленности. Однако новые исследования постоянно поднимают новые загадки и обнаруживают явления, для объяснения которых требуются новые физические теории. Несмотря на огромный объём накопленных знаний, современная физика ещё очень далека от того, чтобы объяснить все явления природы.

Общенаучные основы физических методов разрабатываются в теории познания и методологии науки.

Содержание

Предмет физики

Физика — это наука о природе (естествознание) в самом общем смысле (часть природоведения). Она изучает различные субстанции бытия (материю, вещество, поля) и наиболее простые и вместе с тем наиболее общие формы её движения, а также фундаментальные взаимодействия природы, управляющие движением материи.

Физика тесно связана с математикой: математика предоставляет аппарат, с помощью которого физические законы могут быть точно сформулированы. Физические теории почти всегда формулируются в виде математических выражений, причём используются более сложные разделы математики, чем обычно в других науках. И наоборот, развитие многих областей математики стимулировалось потребностями физических теорий (см. математическая физика).

Научный метод

Физика — естественная наука. В ее основе лежит экспериментальное исследование явлений природы, а ее задача — формулировка законов, которыми объясняются эти явления. Физика сосредоточивается на изучении фундаментальных и простейших явлений и на ответах на простые вопросы: из чего состоит материя, каким образом частицы материи взаимодействуют между собой, по каким правилам и законам осуществляется движение частиц и т. д. В основе физических исследований лежат наблюдения. Обобщение наблюдений позволяет физикам формулировать гипотезы о совместных общих черт этих явлений, по которым велись наблюдения. Гипотезы проверяются с помощью продуманного эксперимента, в котором явление проявлялось бы в как можно более чистом виде и не осложнялось бы другими явлениями. Анализ данных совокупности экспериментов позволяет сформулировать закономерность. На первых этапах исследований закономерности носят преимущественно эмпирический, феноменологический характер, то есть явление описывается количественно с помощью определенных параметров, характерных для исследуемых тел и веществ. Анализируя закономерности и параметры, физики строят физические теории, которые позволяют объяснить изучаемые явления на основе представлений о строении тел и веществ и взаимодействие между их составными частями. Физические теории, в свою очередь, создают предпосылки для постановки точных экспериментов, в ходе которых в основном определяются рамки их применения. Общие физические теории позволяют формулировки физических законов, которые считаются общими истинами, пока накопления новых экспериментальных результатов не потребует их уточнения.

Так, например, Стивен Грей заметил, что электричество можно передавать на довольно значительное расстояние с помощью увлажненных нитей и начал исследовать это явление. Георг Ом сумел найти для него количественную закономерность — ток в проводнике пропорционален напряжению (закон Ома). При этом, конечно, эксперименты Ома опирались на новые источники питания и на новые способы измерять действие электрического тока, что позволило количественно охарактеризовать его. По результатам дальнейших исследований удалось абстрагироваться от формы и длины проводников и ввести такие феноменологические характеристики, как удельное сопротивление проводника и внутреннее сопротивление источника питания. Закон Ома и поныне основа электротехники, однако исследования установили также рамки его применения — открыли элементы электрической цепи с нелинейными вольт-амперными характеристиками а также вещества, не имеющие электрического сопротивления — сверхпроводники. После открытия заряженных микроскопических частиц — электронов, была сформулирована микроскопическая теория электропроводности, объясняющая зависимости сопротивления от температуры посредством рассеяния электронов на колебаниях кристаллической решетки, примесях и т. д.

Количественный характер физики

Физика — количественная наука. Физический эксперимент опирается на измерения, то есть сравнение характеристик исследуемых явлений с определенными эталонами. С этой целью физика развила совокупность физических единиц и измерительных приборов. Отдельные физические единицы объединяются в системы физических единиц. Так, на современном этапе развития науки стандартом является Международная система СИ.

Полученные экспериментально количественные зависимости позволяют использовать для своей обработки математические методы и строить теоретические, то есть математические модели изучаемых явлений.

С изменением представлений о природе тех или иных явлений меняются также физические единицы, в которых измеряются физические величины. Так, например, для измерения температуры сначала были предложены произвольные температурные шкалы, которые делили промежуток температур между характерными явлениями (например, замерзанием и кипением воды) на определенное количество меньших промежутков, которые получили название градусов температуры. Для измерения количества теплоты была введена единица — калория, которая определяла количество теплоты, необходимой для нагрева грамма воды на один градус. Однако со временем физики установили соответствие между механической и тепловой формой энергии. Таким образом, оказалось, что предложенная ранее единица количества теплоты, калория, является излишней, как единица измерения температуры. И количество теплоты и температуру можно измерять в единицах механической энергии. В современную эпоху калория и градус не вышли из практического употребления, но между этими величинами и единицей энергии Джоулем существует точное числовое соотношение. Градус, как единица измерения температуры входит в систему СИ, а коэффициент перехода от температурной к энергетическим величинам, постоянная Больцмана, считается физической постоянной.

История физики

Физика — это наука о материи, ее свойствах и движении. Она является одной из наиболее древних научных дисциплин. Люди пытались понять свойства материи из древнейших времен: почему тела падают на землю, почему разные вещества имеют различные свойства и т. д. Интересовали людей также вопрос о строении мира, о природе Солнца и Луны. Сначала ответы на эти вопросы пытались искать в философии. В основном философские теории, которые пытались дать ответы на такие вопросы не проверялись на практике. Однако, несмотря на то, что нередко философские теории неправильно описывали наблюдения, еще в древние времена человечество добилось значительных успехов в астрономии, а греческий мудрец Архимед даже сумел дать точные количественные формулировки многих законов механики и гидростатики.

Период до научной революции

Научная революция

Период научной революции характеризуется утверждением научного метода исследований, вычленением физики из массы натурфилософии в отдельную область и развитием отдельных разделов физики: механики, оптики, термодинамики и т. д.

После установления законов механики Ньютоном, следующим исследовательским полем стало электричество. Основы создания теории электричества заложили наблюдения и опыты таких ученых 17-го века, как Роберт Бойль, Стивен Грей, Бенджамин Франклин. Сложились основные понятия — электрический заряд и электрический ток. В 1831 году английский физик Майкл Фарадей объединил электричество и магнетизм, продемонстрировав, что движущийся магнит индуцирует в электрической цепи ток. Опираясь на эту концепцию, Джеймс Клерк Максвелл построил теорию электромагнитного поля. Кроме электромагнитных явлений уравнения Максвелла описывают свет. Подтверждение этому нашел Генрих Герц, открыв радиоволны.

С построением теории электромагнитного поля и электромагнитных волн победой волновой теории света, основанной Гюйгенсом, над корпускулярной теорией Ньютона, завершилось построение классической оптики. На этом пути оптика обогатилась пониманием дифракции и интерференции света, достигнутым благодаря трудам Френеля и Янга.

Под конец девятнадцатого века физики подошли к значительному открытию — экспериментальному подтверждению существования атома.

В конце девятнадцатого века изменилась роль физики в обществе. Возникновение новой техники: электричества, радио, автомобиля и т. д., требовало большого объема прикладных исследований. Занятия наукой стало профессией. Фирма General Electric первой открыла собственные исследовательские лаборатории. Такие же лаборатории стали появляться в других фирмах.

Смена парадигм

Конец девятнадцатого, начало двадцатого века был временем, когда под давлением новых экспериментальных данных физикам пришлось пересмотреть старые теории и заменить их новыми, заглядывая все глубже в строение материи. Эксперимент Майкельсона — Морли выбил основу из-под ног электромагнетизма, поставив под сомнение существование эфира. Были открыты новые явления, такие как рентгеновские лучи и радиоактивность. Не успели физики доказать существование атома, как появились доказательства существования электрона, эксперименты с фотоэффекта и измерения спектра теплового излучения давали результаты, которые невозможно было объяснить, исходя из принципов классической физики. В прессе этот период назывался кризисом физики, но одновременно он стал периодом триумфа физики, сумевшей выработать новые революционные теории, которые не только объяснили непонятные явления, но и многие другие, открыв путь к новому пониманию природы.

В 1905 году Альберт Эйнштейн построил специальную теорию относительности, которая продемонстрировала, что понятие эфира не требуется при объяснении электромагнитных явлений. При этом пришлось изменить классическую механику Ньютона, дав ей новую формулировку, справедливую при больших скоростях. Коренным образом изменились также представления о природе пространства и времени. Эйнштейн развил свою теорию в общую теорию относительности, опубликованную в 1916 году. Новая теория включала в себя описание гравитационных явлений и открыла путь к становлению космологии — науки об эволюции Вселенной.

Рассматривая задачу о тепловом излучении абсолютно черного тела Макс Планк в 1900 году предложил невероятную идею, что электромагнитные волны излучаются порциями, энергия которых пропорциональна частоте. Эти порции получили название квантов, а сама идея начала построение новой физической теории — квантовой механики, которая еще больше изменила классическую ньютоновскую механику, на этот раз при очень малых размерах физической системы. В том же 1905-м году Альберт Эйнштейн применил идею Планка для успешного объяснения экспериментов с фотоэффектом, предположив, что электромагнитные волны не только излучаются, но и поглощаются квантами. Корпускулярная теория света, которая, казалось, потерпела сокрушительное поражение в борьбе с волновой теорией, вновь получила поддержку.

Спор между корпускулярной и волновой теорией нашел свое решение в корпускулярно-волновом дуализме, гипотезе, сформулированной Луи де Бройлем. По этой гипотезе не только квант света, а любая другая частица проявляет одновременно свойства, присущие как корпускул, так и волны. Гипотеза Луи де Бройля подтвердилась в экспериментах с дифракции электронов.

В 1911 году Эрнест Резерфорд предложил планетарную теорию атома, а в 1913 году Нильс Бор построил модель атома, в которой постулировал квантовый характер движения электронов. Благодаря работам Вернера Гайзенберга, Эрвина Шредингера, Вольфганга Паули, Поля Дирака и многих других квантовая механика нашла свое точную математическую формулировку, подтвердждённую многочисленными экспериментами. В 1927 году была произведена копенгагенская интерпретация, которая открывала путь для понимания законов квантового движения на качественном уровне.

Физика современности

С открытием радиоактивности Анри Беккерелем началось развитие ядерной физики, которая привела к появлению новых источников энергии: атомной энергии и энергии ядерного синтеза. Открытые при исследованиях ядерных реакции новые частицы: нейтрон, протон, нейтрино, дали начало физике элементарных частиц. Эти новые открытия на субатомном уровне оказались очень важными для физики на уровне Вселенной и позволили сформулировать теорию её эволюции — теорию Большого взрыва.

Сложилось окончательное разделение труда между физиками-теоретиками и физиками-экспериментаторами. Энрико Ферми был, пожалуй, последним выдающимся физиком, успешным как в теории, так и в экспериментальной работе.

Передний край физики переместился в область исследования фундаментальных законов, ставя перед собой цель создать теорию, которая объясняла бы Вселенную, объединив теории фундаментальных взаимодействий. На этом пути физика получила частичные успехи в виде теории электрослабого взаимодействия и теории кварков, обобщённой в так называемой стандартной модели. Однако, квантовая теория гравитации до сих пор не построена. Определенные надежды связываются с теорией струн.

Начиная с создания квантовой механики, быстрыми темпами развивается физика твердого тела, открытия которой привели к возникновению и развитию электроники, а с ней и информатики, которые внесли коренные изменения в культуру человеческого общества.

Теоретическая и экспериментальная физика

В основе своей физика — экспериментальная наука: все её законы и теории основываются и опираются на опытные данные. Однако зачастую именно новые теории являются причиной проведения экспериментов и, как результат, лежат в основе новых открытий. Поэтому принято различать экспериментальную и теоретическую физику.

Экспериментальная физика исследует явления природы в заранее подготовленных условиях. В её задачи входит обнаружение ранее неизвестных явлений, подтверждение или опровержение физических теорий. Многие достижения в физике были сделаны благодаря экспериментальному обнаружению явлений, не описываемых существующими теориями. Например, экспериментальное изучение фотоэффекта послужило одной из посылок к созданию квантовой механики (хотя рождением квантовой механики считается появление гипотезы Планка, выдвинутой им для разрешения ультрафиолетовой катастрофы — парадокса классической теоретической физики излучения).

В задачи теоретической физики входит формулирование общих законов природы и объяснение на основе этих законов различных явлений, а также предсказание до сих пор неизвестных явлений. Верность любой физической теории проверяется экспериментально: если результаты эксперимента совпадают с предсказаниями теории, она считается адекватной (достаточно точно описывающей данное явление).

При изучении любого явления экспериментальные и теоретические аспекты одинаково важны.

Прикладная физика

От своего зарождения физика всегда имела большое прикладное значение и развивалась вместе с машинами и механизмами, которые человечество использовало для своих нужд. Физика широко используется в инженерных науках, немало физиков были одновременно изобретателями и, наоборот. Механика, как часть физики, тесно связана с теоретической механикой и сопротивлением материалов, как инженерными науками. Термодинамика связана с теплотехникой и конструированием тепловых двигателей. Электричество связано с электротехникой и электроникой, для становления и развития которой очень важны исследования в области физики твердого тела. Достижения ядерной физики обусловили появление ядерной энергетики, и тому подобное.

Физика также имеет широкие междисциплинарные связи. На границе физики, химии и инженерных наук возникла и быстро развивается такая отрасль науки как материаловедение. Методы и инструменты используются химией, что привело к становлению двух направлений исследований: физической химии и химической физики. Все мощнее становится биофизика — область исследований на границе между биологией и физикой, в которой биологические процессы изучаются исходя из атомарного структуры органических веществ. Геофизика изучает физическую природу геологических явлений. Медицина использует методы, такие как рентгеновские и ультразвуковые исследования, ядерный магнитный резонанс — для диагностики, лазеры — для лечения болезней глаз, ядерное облучение — в онкологии, и тому подобное.

Основные теории

Хотя физика имеет дело с разнообразными системами, некоторые физические теории применимы в больших областях физики. Такие теории считаются в целом верными при дополнительных ограничениях. Например, классическая механика верна, если размеры исследуемых объектов намного больше размеров атомов, скорости существенно меньше скорости света, и гравитационные силы малы. Эти теории всё ещё активно исследуются; например, такой аспект классической механики, как теория хаоса был открыт только в XX веке. Они составляют основу для всех физических исследований.

Читайте также: