Почему физику считают лидером естествознания кратко

Обновлено: 18.05.2024

В развитии естествознания физика всегда играла основополагающую роль. Это связано с тем, что, во-первых, все области естествознания опираются на общие физические законы природы, а во-вторых, все явления природы имеют внутренние механизмы, познать которые можно, только понимая их физическую сущность.

Вследствие общности и широты своих законов физика всегда оказывала воздействие на развитие философии и через нее – на развитие всех естественных наук, включая их теоретические основы, методологию, направления исследований, инструмен-товку, обработку и интерпретацию результатов.

В своей основе физика – экспериментальная наука: ее законы базируются на фактах, установленных опытным путем. Эти законы представляют собой количественные соотношения и формулируются на математическом языке. Различают экспериментальнуюфизику – опыты, проводимые для обнаружения новых фактов и для проверки известных физических законов, и теоретическуюфизику, цель которой состоит в формулировке законов природы и в объяснении конкретных явлений на основе этих законов, а также в предсказании новых явлений. При изучении любого явления опыт и теория в равной мере необходимы и взаимосвязаны.

Физические методы использовались в древности в первую очередь применительно к астрономии и были связаны с необходимостью определения времени и ориентации во время путешествий. Изобретение компаса существенно упростило проблемы навигации при мореплавании.

Изобретение микроскопа нидерландским мастером Э.Янсеном (1590) и зрительной трубы Г.Галилеем (1609-1610) привело к быстрому росту прикладных исследований в разных областях. Становление механики в XVI-XVII вв. привело к широкому использованию хронометрических методов для исследования скорости протекания различных процессов, а становление теплотехники – к использованию термометрических методов для исследования свойств различных материалов и физических тел.

Развитие электротехники в XIX в. привело к созданию широкой гаммы измерительной техники. Но еще в начале ХХ в. такие эпохальные открытия, как открытие Э.Резерфордом атомного ядра, можно было делать с помощью сравнительно простой аппаратуры.

В дальнейшем эксперимент стал очень быстро усложняться. Неизмеримо выросла роль измерительной и вычислительной техники. Современные экспериментальные исследования в области атомного ядра и элементарных частиц вещества, радиоастрономии, квантовой электроники и физики твердого тела потребовали изменения подходов и масштабов использования физических методов исследований.

Сегодня физика составляет фундамент главнейших направлений техники и практически всех видов технологий. Электротехника и энергетика, радиотехника и электроника, вычислительная техника, светотехника, строительная техника, гидротехника, значительная часть военной техники выросли на основе физики. Физические методы исследований играют решающую роль во всех естественных науках – в химии, биологии, физиологии, медицине, а также в науках о Земле, космологии, астрономии. То же касается и многих других наук.

Таким образом, от физики зависит многое, и это накладывает на саму физику и на ученых, работающих в области физики, особую ответственность, поскольку их взгляды на реальность и их достижения самым непосредственным образом сказываются на развитии всех областей естествознания. И поэтому особую роль в естествознании имеет теоретическая физика.

Зарождение теоретической физики произошло в древние времена в виде натурфилософии,т. е. философии природы, представляющей собой умозрительное истолкование природных явлений.

После длительного периода средневековья, когда все объяснялось божественным промыслом, интерес к природе как объекту познания и к ее теоретическому осмыслению вновь возник в эпоху Возрождения. Естествознание в целом и его основа – физика оказались тесно связанными с философией и уже в XVI в. вошли в противоречие с религиозными установками.

Начиная с XVIII в., религия, по сути, прекратила свое вмешательство в науку, но с этого момента в самой науке началась борьба научных школ за утверждение своих теорий. В основе самых различных теорий в разных областях естествознания лежат установки теоретической физики, основные положения которой определяют теоретические основы всех конкретных наук о природе. Поэтому ответственность физиков-теоретиков перед наукой особенно велика, ибо их мировоззренческие ошибки могут иметь далеко идущие последствия для всего естествознания.

Историю развития самой физики можно разделить на два неравных периода. К первому периоду можно отнести период становления и развития так называемой классической физики, этот период охватывает всю историю развития физики от древних времен до начала 20-го столетия. В течение этого периода исследователи находили закономерности природы, предполагая наличие в их основе внутренних движений материи.

Второй период – это период от начала 20-го столетия до настоящего времени. В этот период произошел отказ от традиций классической физики в связи с тем, что классическая физика оказалась не в состоянии преодолеть разрыв между накопленными опытными данными и созданными тогда теориями.

В настоящее время вновь обостряется борьба концепций в области теоретической физики. Это связано с общим кризисом физики, фактически переставшей играть руководящую роль при проведении прикладных исследований. Но прикладные проблемы естествознания стучатся в дверь, и это в очередной раз требует ревизии основ физической теории.

Физика – основа естественно-научного познания. Огромное ветвистое дерево естествознания медленно произрастало из натурфилософии – философии природы, представляющей собой умозрительное истолкование природных явлений и процессов. Натурфилософия зарождалась в VI–V вв. до н. э. в Древней Греции в ионийской школе и была, по существу, первой исторической формой философии, которая носила стихийно-материалистический характер. Ее основоположники – крупные мыслители древности: Фалес, Анаксимандр, Анаксимен, Гераклит Эфесский и др. – руководствовались идеями о единстве сущего, происхождении всех вещей из некоторого первоначала (земли, воды, воздуха, огня) и о всеобщей одушевленности материи. Интерес к природе как объекту познания вызвал новый расцвет натурфилософии в эпоху Возрождения, который связан с именами известных мыслителей – Дж. Бруно, Б. Телезио, Т. Кампанеллы и др. Позднее натурфилософские взгляды на окружающий мир, основанные на объективно-идеалистической диалектике природы как живого организма, развивались немецким философом Ф. Шеллингом (1775–1854) и его последователями.

Наряду с умозрительными и в определенной степени фантастическими представлениями натурфилософия содержала глубокие идеи диалектической трактовки природных явлений. Поступательное развитие экспериментального естествознания привело к постепенному перерастанию натурфилософии в естественно-научные знания. Таким образом, в недрах натурфилософии зарождалась физика – наука о природе, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие свойства материального мира.

Физика составляет основу естествознания. В соответствии с многообразием исследуемых форм материи и ее движения она подразделяется на механику, термодинамику, электродинамику, физику элементарных частиц, ядерную физику, физику плазмы и т. д. На ее стыке с другими естественными науками возникли биофизика, астрофизика, геофизика, физическая химия и др.

К настоящему времени известно множество естественных наук, отражающих различные свойства объектов природы. Их классификация и иерархия всегда интересовали ученых. Одну из первых классификаций провел в начале XIX в. французский физик А. Ампер (1775–1836). Уже тогда общее число естественных наук составляло более 200. Естественно-научные знания он представил в виде единой системы, состоящей из различных по характеру идей и экспериментальных сведений. В такой системе физика располагалась на первом уровне как наука наиболее фундаментальная, химия – на втором, как бы основывающаяся на физике, и т. д.

Позднее – в середине XIX в., – изучая историю развития естествознания, немецкий химик Ф. Кекуле (1829–1896) предложил свою иерархию естественных наук в форме четырех последовательных ступеней: механика, физика, химия, биология. В ней рассматривались молекулярная физика и термодинамика как механика молекул, химия – как физика атомов, а биология – как химия белков или белковых систем.

Вопросы иерархии, классификации и взаимосвязи естественных наук обсуждаются и по сей день. При этом рассматриваются разные точки зрения. Например, одна из них – все химические явления, строение вещества и его превращение можно объяснить на основании физических знаний – ничего специфического в химии нет. Другая точка зрения – каждый вид материи и каждая форма материальной организации (физическая, химическая, биологическая) настолько специфичны и обособлены, что между ними нет прямых связей. Конечно, такие полярные точки зрения далеки от истины. Вполне очевидно: несмотря на то, что физика – фундаментальная отрасль естествознания, каждая из естественных наук при одной и той же общей задаче изучения природы имеет свой объект исследования и базируется на своих законах, не сводимых к законам других отраслей науки. Сочетание всесторонних знаний, накопленных в течение длительного времени в отдельных отраслях естествознания, способствует дальнейшему его развитию.

Возвращаясь к мысли, изложенной в начале этого параграфа, можно сказать: натурфилософия породила физику. Однако также определенно можно утверждать и другое: физика выросла из потребностей техники (например, развитие механики у древних греков было вызвано запросами строительной и военной техники того времени). Техника, в свою очередь, определяет направление физических исследований (так, задача создания наиболее экономичных тепловых двигателей стимулировала бурное развитие термодинамики). С другой стороны, от развития физики зависит технический уровень производства. Физические достижения – фундаментальная база для наукоемких технологий и новых технических средств производства.

Физика тесно связана и с философией. Такие крупные открытия, как закон сохранения и превращения энергии, второе начало термодинамики, соотношение неопределенностей и др., являлись и являются ареной острой борьбы между сторонниками разных философских течений. Научные открытия служат питательной средой для многих философских идей. Изучение открытий и их философское, концептуальное обобщение играют большую роль в формировании естественно-научного мировоззрения.

Основные этапы развития физики. Всю историю развития физики, как и естествознания, можно условно разделить на три основных этапа:

1) доклассической физики;

2) классической физики;

3) современной физики.

Первый этап развития физики – этап доклассической физики – иногда называют донаучным. Однако такое название нельзя считать обоснованным: фундаментальные зерна физики и естествознания в целом были посеяны еще в глубокой древности.

Этот этап – самый длительный: он охватывает период от времени Аристотеля (IV в. до н. э.) до конца XVI в.

Начало второго этапа – этапа классической физики – связывают с работами итальянского ученого Г. Галилея, одного из основателей точного естествознания, и трудами английского математика, механика, астронома и физика И. Ньютона, основоположника классической физики. Второй этап длился около трех веков до конца XIX в.

К началу XX в. были получены экспериментальные результаты, трудно объяснимые в рамках классических знаний. Поэтому был предложен совершенно новый подход – квантовый, основанный на дискретной концепции. Квантовую гипотезу впервые ввел в 1900 г. немецкий физик М. Планк, вошедший в историю развития физики как один из основоположников квантовой теории. С введением квантовой концепции начинается третий этап развития физики – этап современной физики, включающий не только квантовые, но и классические представления.

Почти полторы тысячи лет отделяют завершенную геоцентрическую систему древнегреческого астронома К. Птолемея (ок. 90–160) от достаточно совершенной гелиоцентрической системы польского математика и астронома Н. Коперника. В центре гелиоцентрической системы находится не Земля, а Солнце. Вершина гелиоцентрической системы – законы движения планет, открытые немецким астрономом И. Кеплером, одним из творцов естествознания Нового времени.

Астрономические открытия Г. Галилея, его физические эксперименты и фундаментальные законы механики, сформулированные И. Ньютоном, положили начало этапу классической физики, который нельзя отделить четкой границей от первого этапа. Для физики и естествознания в целом характерно поступательное развитие: законы Кеплера – венец гелиоцентрической системы с весьма длительной, начавшейся еще в древние времена историей; законам Ньютона предшествовали законы Кеплера и труды Галилея; Кеплер открыл законы движения планет в итоге логически и исторически естественного перехода от геоцентризма к гелиоцентризму, но не без эвристических идей аристотелевской механики. Механика Аристотеля разделялась на земную и небесную, т. е. не обладала надлежащим принципиальным единством: аристотелевское взаимное противопоставление Земли и Неба сопровождалось принципиальной противоположностью относящихся к ним законов механики, которая тем самым оказалась в целом внутренне противоречивой, несовершенной. Галилей опроверг аристотелевское противопоставление Земли и Неба. Он предложил представление Аристотеля об инерции, характеризующее равномерное движение небесных тел вокруг Земли, применять для земных тел при их свободном движении в горизонтальном направлении.

Кеплер и Галилей пришли к своим кинематическим законам, предопределившим принципиально единую для земных и небесных тел механику Ньютона. Законы Кеплера и закон всемирного тяготения Ньютона послужили основой для открытия новых планет. Так, по результатам наблюдений отклонений в движении планеты Уран, открытой в 1781 г. английским астрономом У. Гершелем (1738–1822), английский астроном и математик Д. Адамс (1819–1892) и французский астроном У. Леверье (1811–1877) независимо друг от друга и почти одновременно теоретически предсказали существование заурановой планеты, которую обнаружил в 1846 г. немецкий астроном И. Галле (1812–1910). Она называется Нептун. В 1915 г. американский астроном П. Ловелл (1855–1916) рассчитал и организовал поиск еще одной планеты. Ее обнаружил в 1930 г. молодой американский любитель астрономии К. Томбо. Эта планета получила название ПлуСтремительными темпами развивалась не только классическая механика Ньютона. Этап классической физики характеризуется крупными достижениями и в других отраслях: термодинамике, молекулярной физике, оптике, электричестве, магнетизме и т. п. Назовем важнейшие из них:

– установлены опытные газовые законы;

– предложено уравнение кинетической теории газов;

– сформулирован принцип равномерного распределения энергии по степеням свободы, первое и второе начала термодинамики;

– открыты законы Кулона, Ома и электромагнитной индукции;

– разработана электромагнитная теория;

– явления интерференции, дифракции и поляризации света получили волновое истолкование;

– сформулированы законы поглощения и рассеяния света.

Конечно, можно назвать и другие не менее важные достижения, среди которых особое место занимает электромагнитная теория, разработанная выдающимся английским физиком Дж. Максвеллом (1831–1879), создателем классической электродинамики, одним из основоположников статистической физики. Он установил, кроме того, статистическое распределение молекул по скоростям, названное его именем. Теория электромагнитного поля (уравнения Максвелла) объяснила многие известные к тому времени явления и предсказала электромагнитную природу света. С электромагнитной теорией Максвелла вряд ли можно поставить рядом другую более значительную в классической физике. Однако и эта теория оказалась не всесильной.

Согласующееся с экспериментом объяснение предложил в 1900 г. М. Планк. Для чего ему пришлось отказаться от общепринятого положения классической физики о том, что энергия любой системы изменяется только непрерывно, т. е. принимает любые сколь угодно близкие значения. В соответствии с выдвинутой Планком квантовой гипотезой атомные осцилляторы излучают энергию не непрерывно, а определенными порциями – квантами, причем энергия кванта пропорциональна частоте.

Характерная особенность этапа современной физики заключается в том, что наряду с классическими развиваются квантовые представления, на основании квантовой механики объясняются многие микропроцессы, происходящие в пределах атома, ядра и элементарных частиц, – появились новые отрасли современной физики: квантовая электродинамика, квантовая теория твердого тела, квантовая оптика и многие другие.

В одной из своих статей М. Планк писал о том, как во времена его молодости (примерно в 1880 г.) один уважаемый профессор не советовал заниматься физикой, полагая, что в физике осталось только стирать пыль с существующих физических приборов, так как главное уже сделано. Сейчас очевидно: профессор в своих прогнозах ошибался – XX в. принес немало великих открытий в физике, определивших многие перспективные направления развития разных отраслей естествознания.

В формировании квантово-механических представлений важную роль сыграла квантовая теория фотоэффекта, предложенная А. Эйнштейном в 1905 г. Именно за эту работу и вклад в теоретическую физику, а не за теорию относительности, ему в 1921 г. была присуждена Нобелевская премия по физике.

В развитие современной физики существенный вклад внесли многие выдающиеся ученые, среди которых следует назвать датского физика Н. Бора (1885–1962), создавшего квантовую теорию атома, немецкого физика-теоретика В. Гейзенберга (1901–1976), сформулировавшего принцип неопределенности и предложившего матричный вариант квантовой механики, австрийского физика-теоретика Э. Шредингера (1887– 1961), разработавшего волновую механику и предложившего ее основное уравнение (уравне-ние Шредингера), английского физика П. Дирака (1902–1984), разработавшего релятивистскую теорию движения электрона и на ее основании предсказавшего существование позитрона, английского физика Э. Резерфорда (1871–1937), создавшего учение о радиоактивности и строении атома, и многих других.

В первые десятилетия XX в. исследовалась радиоактивность и выдвигались идеи о строении атомного ядра. В 1938 г. сделано важное открытие: немецкие радиохимики О. Ганн и Ф. Штрассман обнаружили деление ядер урана при облучении их нейтронами. Это открытие способствовало бурному развитию ядерной физики, созданию ядерного оружия и рождению атомной энергетики.

В исследовании ядерных процессов большую роль играют детекторы частиц, в том числе и черенковский счетчик, действие которого основано на Черенкова – Вавилова излучения света, которое возникает при движении в веществе заряженных частиц со скоростью, превосходящей фазовую скорость света в нем. Это излучение было обнаружено нашим соотечественником, физиком П.А. Черенковым (1904–1990), лауреатом Нобелевской премии 1958 г., под руководством академика С.И. Вавилова (1891–1951), основателя научной школы физической оптики.

Одно из крупнейших достижений физики XX в. – это, безусловно, создание в 1947 г. транзистора выдающимися американскими физиками Д. Бардиным, Д. Браттейном и У. Шокли, удостоенными в 1956 г. Нобелевской премии по физике. С развитием физики полупроводников и созданием транзистора зарождалась новая технология – полупроводниковая, а вместе с ней и перспективная, бурно развивающаяся отрасль естествознания – микроэлектроника. В 1958 г. собрана первая интегральная схема в виде пластины из монокристалла кремния площадью несколько квадратных сантиметров, на которой располагались два транзистора и RC-цепи. Современный микропроцессор размером 1,8 см содержит около 8 млн транзисторов. Если размеры элементов первых транзисторов составляли доли миллиметра, то сегодня они равны 0,35 мкм. Это современный технологический уровень. В последнее время разрабатывается технология формирования элементов нанометровых размеров.

Создание квантовых генераторов на основе вынужденного излучения атомов и молекул – еще одно важнейшее достижение физики XX в. Первый квантовый генератор на молекулах аммиака – источник электромагнитного излучения в СВЧ-диапазоне (мазер) – разработан в 1954 г. российскими физиками Н.Г. Басовым, А.М. Прохоровым и американским ученым Ч. Таунсом. В 1964 г. за эту работу им присуждена Нобелевская премия по физике. К настоящему времени разработано много модификаций квантовых генераторов, в том числе и оптических квантовых генераторов, называемых лазерами, получивших широкое практическое применение. Появились уникальные лазеры – химические, атомные и др., которые открывают перспективные направления лазерных технологий.

Арбиева Александра Борисовна

Учитель I квалифика-ционной категории. Руководитель район-ного методического объединения учителей физики. Стаж работы - 24 года

Суворова Ия Алексеевна

Учитель I квалификационной категории. Соросовский учитель

Стаж работы - 36 лет

Чевыкалова Ирина Леонидовна

Учитель высшей квалификационной категории. Заместитель директора по информа-ционным технологиям. Стаж работы - 17 лет

Физика - это наука понимать природу.

Э. Роджерс

Физика - ведущая наука естествознания!

Почему физику считают сейчас ведущей наукой естествознания? Да, действительно физика является лидером современного естествознания и фундаментом научно-технического прогресса, а оснований для этого достаточно. Физика в большей мере, чем любая из естественных наук, расширила границы человеческого познания.

Во-первых, физика глубже других наук проникала в строение вещества, в микромир - на расстояния до 10 -16 м, что равно диаметру сердцевины нуклона и одновременно дальше других наук проникла в мегамир - до расстояний 2 10 25 м, равных наибольшей удаленности от Земли видимых в телескоп галактик.

Во-вторых, именно физика дала в руки человека наиболее мощные источники энергии, чем резко увеличила власть человека над природой.

В-третьих, именно физика является сейчас теоретическим фундаментом большинства основных направлений технического прогресса и областей практического использования теоретических знаний. Атомная энергетика и реактивная техника, инфракрасная и космическая техника, полупроводники и ультразвуковая техника, электронно-вычислительная техника и ускорители элементарных частиц - все перечисленное и многое другое имеет теоретической основой современную физику.

В-четвертых, физика, ее явления и законы действуют в мире живой и неживой природы, что имеет весьма важное значение для жизни и деятельности человеческого организма. Человек - элемент физического мира природы. На него, как и на все объекты природы, распространяется законы физики, например, законы Ньютона, закон сохранения и превращения энергии и другие.

Важно, что значимость физики растет с научно-техническим прогрессом, с продвижением страны к развитому обществу, отсюда возрастает и жизненная значимость физических знаний, которые приобретаются в школе.

Физика занимает особое место в системе естественных наук. Ее предметом считаются наиболее простые и самые общие закономерности процессов и явлений, происходящих в объективной реальности. В центре рассмотрения физики лежат вопросы строения материи, что делает ее одной из главных наук, изучающих природу.

Почему физику считают одной из основных наук о природе
Естественные науки: история возникновения
Зачем нужна физика

Физика как отрасль научного знания изучает особенности возникновения, становления и развития материальных объектов и явлений природы. Одна из ее центральных задач – сбор фактов, их проверка, систематизация, а также выявление наиболее общих закономерностей развития материи. Зачатки физики историки науки находят уже в сочинениях философов древности, стоявших на позициях материализма.

Традиционно физику принято относить к точным наукам. В сфере естествознания она является признанным лидером. Понятийный аппарат, используемый в физике, законы движения материи, различные теории, объясняющие физические явления, находят применение в большинстве современных отраслей техники и науки. Во все времена физика находилась на острие научно-технического прогресса.

Достижения, которыми славится эта наука, положены в основу множества изобретений и технических новшеств. Благодаря успехам физики в жизнь человечества вошли практически все виды транспорта, включая автомобильный, железнодорожный и воздушный. Эта наука положила начало повсеместному использованию электричества и возникновению атомной энергетики. Физические явления лежат в основе современного радио, телевидения, мобильной связи и других полезных технических приспособлений.

Без достижений в области физики не пришлось бы говорить об успехах в социальной сфере и экономике. Известно, что современное производство остро нуждается в дешевой и чистой энергии. Над этими задачами работают научно-исследовательские группы, в состав которых входят и ученые-физики. Есть все основания полагать, что именно физические исследования в обозримом будущем дадут возможность человечеству перейти к альтернативным источникам энергии.

Физика на нынешнем этапе ее развития представляет собой совокупность связанных друг с другом специальных научных дисциплин, изучающих разные уровни движения материи. Каждое направление содержит в себе множество частных теорий и концепций. Но есть и наиболее общие закономерности и принципы, выработка которых происходила на стыке естественных наук и философии.

Значение физики в рамках естествознания не только не уменьшается, но и возрастает. Данные, которые ученые черпают из физических исследований и экспериментов, становятся основой для развития общих представлений о строении Земли, Солнечной системы и необъятной Вселенной. Выкладки физиков подтверждают тот факт, что единство мира состоит в его материальности.

Читайте также: