Основные этапы развития физики

Всю историю развития физики, как и естествознания, можно условно разделить на три этапа — доклассический, классический и современный.

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 этапа классической физики связывают с работами итальянского ученого Галилео Галилея, одного из основателей точного естествознания, и трудами английского математика, механика, астронома и физика Исаака 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 Макс 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.

Этап доклассической физики открывает геоцентрическая система мировых сфер Аристотеля, которая родилась на подготовленной его предшественниками идейной почве. Переход от эгоцентризма — отношения к миру, характеризующегося сосредоточенностью на своем индивидуальном «я», к геоцентризму — первый и, пожалуй, самый трудный шаг на пути зарождения естествознания. Непосредственно видимая полусфера неба, ограниченная местным горизонтом, дополнилась аналогичной невидимой полусферой до полной небесной сферы. Мир стал более завершенным, но оставался ограниченным небесной сферой. Соответственно и сама Земля, противопоставленная остальной (небесной) сферической Вселенной как постоянно занимающая в ней особое, центральное положение и абсолютно неподвижная, стала считаться сферической. Пришлось признать не только возможность существования антиподов — обитателей диаметрально противоположных частей земного шара, но и принципиальную равноправность всех земных обитателей мира. Такие представления, носившие в основном умозрительный характер, подтвердились гораздо позднее — в эпоху первых кругосветных путешествий и великих географических открытий на рубеже XV и XVI вв., когда само геоцентрическое учение Аристотеля с канонической системой идеальных равномерно вращающихся небесных сфер, сочлененных друг с другом своими осями вращения, с принципиально различной физикой или механикой для земных и небесных тел, доживало свои последние годы.

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

Астрономические открытия Галилео Галилея, его физические эксперименты и фундаментальные законы механики, сформулированные Исааком 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 Уильямом Гершелем (1738−1822), английский астроном и математик Джон Адаме (1819−1892) и французский астроном

бен Леверье (1811−1877) независимо друг от друга и почти одновременно теоретически предсказали существование заурановой планеты, которую обнаружил в 1846 г. немецкий астроном Иоганн Галле (1812−1910). Она называется Нептун. В 1915 г. американский астроном Персиваль Ловелл (1855−1916) рассчитал и организовал поиск еще одной планеты. Ее обнаружил в 1930 г. молодой американский любитель астрономии Клайд Томбо. Эта планета получила название Плутон.

Этап классической физики характеризуется крупными достижениями не только в классической механике, но 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 рассеивания света.

Конечно, можно назвать и другие не менее важные естественно-научные достижения. Особое место в физике занимает электромагнитная теория, разработанная выдающимся английским физиком Дж.К. Максвеллом, создателем теории 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.

В конце XIX в. при экспериментальном изучении спектра излучения абсолютно черного тела была установлена закономерность распределения энергии. Полученные кривые распределения имели характерный максимум, который по мере повышения температуры смещался в сторону более коротких волн. Такие результаты эксперимента не удалось объяснить в рамках классической электродинамики Максвелла. Эта проблема была названа «ультрафиолетовой катастрофой».

Согласующееся с экспериментом объяснение предложил в 1900 г. Макс 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 столетие принесло 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 выдающиеся ученые, среди которых следует назвать датского физика Нильса Бора (1885−1962), создавшего квантовую теорию атома, немецкого физика-теоретика Вернера Гейзенберга (1901;1976), сформулировавшего принцип неопределенности и предложившего матричный вариант квантовой механики, финского физика-теоретика Эрвина Шредингера (1887−1961), разработавшего волновую механику и предложившего ее основное уравнение (уравнение Шредингера), английского физика Поля Дирака, разработавшего релятивистскую теорию движения электрона и на ее основании предсказавшего существование позитрона, английского физика Эрнеста 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. Ган 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 важную роль играют детекторы частиц, в том числе и черенковский счетчик, принцип действия которого основан на Черенкова — Вавилова излучении света, которое возникает при движении в веществе заряженных частиц со скоростью, превосходящей фазовую скорость света в нем. Это излучение было обнаружено в 1934 г. нашим соотечественником, физиком П. А. Черенковым (1904;1990), лауреатом Нобелевской премии 1958 г., под руководством академика СИ. 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, У. 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, A.M. 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 другие, которые открывают перспективные направления лазерных технологий.

Высокотемпературная сверхпроводимость, открытая в 1986 г. немецким физиком Г. Беднорцем и швейцарским ученым А. Мюллером, удостоенными Нобелевской премии 1987 г., — вне всякого сомнения выдающееся достижение современного естествознания. Созданию единой теории фундаментальных взаимодействий, управлению термоядерным синтезом — этим и многим другим проблемам современной физики уделяется большое внимание, и в их решении принимают участие ученые многих стран.