ÌÈÍÈÑÒÅÐÑÒÂÎ ÎÁÐÀÇÎÂÀÍÈß ÐÎÑÑÈÉÑÊÎÉ ÔÅÄÅÐÀÖÈÈ
Ñàíêò-Ïåòåðáóðãñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò àýðîêîñìè÷åñêîãî ïðèáîðîñ...
81 downloads
149 Views
727KB Size
Report
This content was uploaded by our users and we assume good faith they have the permission to share this book. If you own the copyright to this book and it is wrongfully on our website, we offer a simple DMCA procedure to remove your content from our site. Start by pressing the button below!
Report copyright / DMCA form
ÌÈÍÈÑÒÅÐÑÒÂÎ ÎÁÐÀÇÎÂÀÍÈß ÐÎÑÑÈÉÑÊÎÉ ÔÅÄÅÐÀÖÈÈ
Ñàíêò-Ïåòåðáóðãñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò àýðîêîñìè÷åñêîãî ïðèáîðîñòðîåíèÿ
Å. Í. Êîòëèêîâ
ÊÎÍÖÅÏÖÈÈ ÑÎÂÐÅÌÅÍÍÎÃÎ ÅÑÒÅÑÒÂÎÇÍÀÍÈß ÔÈÇÈÊÀ ÄËß ÃÓÌÀÍÈÒÀÐÈÅÂ
Ó÷åáíîå ïîñîáèå
Ñàíêò-Ïåòåðáóðã 2000
ÓÄÊ 57 ÁÁÊ 20 Ê73 Êîòëèêîâ Å. Í. Ê73 Êîíöåïöèè ñîâðåìåííîãî åñòåñòâîçíàíèÿ. Ôèçèêà äëÿ ãóìàíèòàðèåâ: Ó÷åá. ïîñîáèå / ÑÏáÃÓÀÏ. ÑÏá., 2000. 155 ñ.: èë. ISBN 5-8088-0053-6 Íåîáõîäèìîñòü ïðèìåíåíèÿ åñòåñòâåííî-íàó÷íûõ ìåòîäîâ è çàêîíîâ â ïðàêòè÷åñêîé äåÿòåëüíîñòè ñïåöèàëèñòîâ-ãóìàíèòàðèåâ ïðèâåëà ê ïîñòàíîâêå êóðñà "Êîíöåïöèè ñîâðåìåííîãî åñòåñòâîçíàíèÿ". Îñíîâíûì îòëè÷èåì ïðåäëàãàåìîãî êóðñà îò îïóáëèêîâàííûõ ðàíåå ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî â íåì èñïîëüçóåòñÿ áàçîâûé ïîäõîä, îñíîâàííûé íà íàó÷íîì ìåòîäå ïîçíàíèÿ. Èçó÷àåìûå çàêîíû, ÿâëåíèÿ, òåîðèè ðàññìàòðèâàþòñÿ íå òîëüêî êà÷åñòâåííî, íî è êîëè÷åñòâåííî, ÷òî ïîçâîëèò ñïåöèàëèñòàì ãóìàíèòàðíûõ ïðîôåññèé ñâîáîäíåå îðèåíòèðîâàòüñÿ â îêðóæàþùåì òåõíîëîãè÷åñêîì ìèðå. Ó÷åáíîå ïîñîáèå ïðåäíàçíà÷åíî äëÿ ñòóäåíòîâ ãóìàíèòàðíûõ ñïåöèàëüíîñòåé âñåõ ôîðì îáó÷åíèÿ.Îíî ìîæåò áûòü ðåêîìåíäîâàíî è äëÿ ñòóäåíòîâ òåõíè÷åñêèõ ñïåöèàëüíîñòåé, áîëåå óãëóáëåííî èçó÷àþùèõ ôóíäàìåíòàëüíûå êóðñû.
Ðåöåíçåíòû: êàôåäðà ôèçèêè Áàëòèéñêîãî ãîñóäàðñòâåííîãî òåõíè÷åñêîãî óíèâåðñèòåòà; êàíäèäàò ôèçèêî-ìàòåìàòè÷åñêèõ íàóê ïðîôåññîð Å. È. Áóòèêîâ; êàíäèäàò ôèçèêî-ìàòåìàòè÷åñêèõ íàóê äîöåíò À. Ñ. ×èðöîâ
Óòâåðæäåíî ðåäàêöèîííî-èçäàòåëüñêèì ñîâåòîì óíèâåðñèòåòà â êà÷åñòâå ó÷åáíîãî ïîñîáèÿ
ISBN 5-8088-0053-6
2
© ÑÏáÃÓÀÏ, 2000 © Å. Í. Êîòëèêîâ, 2000
ÏÐÅÄÈÑËÎÂÈÅ Íåîáõîäèìîñòü ïðèìåíåíèÿ åñòåñòâåííî-íàó÷íûõ ìåòîäîâ è çàêîíîâ â ïðàêòè÷åñêîé äåÿòåëüíîñòè ñïåöèàëèñòîâ-ãóìàíèòàðèåâ è ïðèâåëà ê ñîçäàíèþ êóðñà "Êîíöåïöèè ñîâðåìåííîãî åñòåñòâîçíàíèÿ".  ñîîòâåòñòâèè ñ Ãîñóäàðñòâåííûìè ñòàíäàðòàìè â ýòîò êóðñ ñàìîñòîÿòåëüíî âõîäèò âàæíûé ðàçäåë – Ôèçèêà äëÿ ãóìàíèòàðèåâ. Ýòîò ðàçäåë ðàññìàòðèâàåòñÿ â ðÿäå ó÷åáíûõ ïîñîáèé (ñì., íàïðèìåð, [1,4,5]). Îñíîâíûì îòëè÷èåì ïðåäëàãàåìîãî êóðñà îò îïóáëèêîâàííûõ ðàíåå ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî â íåì ðàññìàòðèâàþòñÿ çàêîíû, ÿâëåíèÿ, òåîðèè íå òîëüêî êà÷åñòâåííî, íî è êîëè÷åñòâåííî, ÷òî ïîçâîëèò ñïåöèàëèñòàì ãóìàíèòàðíûõ ïðîôåññèé ñâîáîäíåå îðèåíòèðîâàòüñÿ â îêðóæàþùåì òåõíîëîãè÷åñêîì ìèðå.  ïåðâóþ î÷åðåäü ýòî ñâÿçàíî ñ òåì, ÷òî âñå çàêîíû åñòåñòâîçíàíèÿ ôîðìóëèðóþòñÿ íå òîëüêî â êà÷åñòâåííîì, íî è â êîëè÷åñòâåííîì âèäå ñ ïîìîùüþ ñïåöèàëüíîãî ìàòåìàòè÷åñêîãî àïïàðàòà. Äëÿ ïîíèìàíèÿ êîëè÷åñòâåííûõ ôîðìóëèðîâîê çàêîíîâ â ïåðâîì ðàçäåëå èçëàãàþòñÿ îñíîâû íåêîòîðûõ ðàçäåëîâ âûñøåé ìàòåìàòèêè. Äðóãîé îñîáåííîñòüþ êóðñà ÿâëÿåòñÿ áàçîâûé ïîäõîä ê ðàññìàòðèâàåìûì çàêîíàì, ÿâëåíèÿì, òåîðèÿì. Îíè íå ïðîñòî êîíñòàòèðóþòñÿ èëè ôîðìóëèðóþòñÿ, ïðè èõ èçëîæåíèè âíà÷àëå äàåòñÿ îïûòíîå îáîñíîâàíèå íåîáõîäèìîñòè ââåäåíèÿ òàêèõ çàêîíîâ. Òåì ñàìûì â õîäå èçëîæåíèÿ èñïîëüçóåòñÿ íàó÷íûé ìåòîä ïîçíàíèÿ, êðèòåðèåì êîòîðîãî ÿâëÿåòñÿ îïûò. Íàñòîÿùèé êóðñ ÷èòàëñÿ â òå÷åíèå ðÿäà ëåò äëÿ ñòóäåíòîâ ãóìàíèòàðíûõ ñïåöèàëüíîñòåé Ãîñóäàðñòâåííîãî óíèâåðñèòåòà àýðîêîñìè÷åñêîãî ïðèáîðîñòðîåíèÿ. Îí ñîñòîèò èç íåñêîëüêèõ ðàçäåëîâ.  ïåðâîì ðàçäåëå ìû ðàññìîòðèì îñíîâû åñòåñòâåííî-íàó÷íîãî ìåòîäà ïîçíàíèÿ, ìàòåìàòè÷åñêèé àïïàðàò åñòåñòâîçíàíèÿ, âèäû ìàòåðèè, ò. å. îáùèå äëÿ âñåõ ðàçäåëîâ åñòåñòâîçíàíèÿ âîïðîñû. Âî âòîðîì è òðåòüåì ðàçäåëàõ, ìû ðàññìîòðèì âîïðîñû, êîòîðûå íåïîñðåäñòâåííî ñâÿçàíû ñ êîíöåïòóàëüíûìè îñíîâàìè ôèçèêè ìàêðîìèðà, îêðóæàþùåãî íàñ. Îïèñàíèå äâèæåíèÿ ìàòåðèè â ìàêðîìèðå áàçèðóåòñÿ íà ïîíÿòèè äåòåðìèíèçìà, êîòîðûé ðàññìîòðåí â åãî êëàññè÷åñêîì âàðèàíòå. Âî âòîðîì ðàçäåëå ìû ðàññìîòðèì äâè3
æåíèå ìàòåðèàëüíûõ òåë, îñíîâíûå çàêîíû ýòîãî äâèæåíèÿ.  íåãî âõîäèò êëàññè÷åñêàÿ ìåõàíèêà, òåîðèÿ îòíîñèòåëüíîñòè è çàêîíû ñîõðàíåíèÿ, êàê îòîáðàæåíèå ñèììåòðèè â ïðèðîäå. Îñíîâíûå ôóíäàìåíòàëüíûå çàêîíû ñîõðàíåíèÿ ðàññìàòðèâàþòñÿ, êàê îòîáðàæåíèå ñâîéñòâ ïðîñòðàíñòâà – âðåìåíè.  òðåòüåì ðàçäåëå, êîòîðûé ìû íàçâàëè "Ôèçèêà íåïðåðûâíîãî", ðàññìîòðèâàåòñÿ äðóãàÿ ôîðìà ìàòåðèè – ïîëÿ è äâèæåíèå ýòîãî âèäà ìàòåðèè – âîëíû.  ñëåäóþùåì ðàçäåëå êóðñà "Ìèð âîçìîæíîãî" ðàññìîòðèâàþòñÿ ÿâëåíèÿ èëè ïðîöåññû, êîòîðûå íå äåòåðìèíèðîâàíû â êëàññè÷åñêîì ïîíèìàíèè. Ïðè èõ îïèñàíèè èñïîëüçóåòñÿ íîâîå ïîíÿòèå – âåðîÿòíîñòíûé äåòåðìèíèçì. Íàèáîëåå øèðîêî è ïîëíî ýòî ïîíÿòèå ïðèìåíèìî ê ìèêðîìèðó – ìèðó àòîìîâ è ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö. Íàïðèìåð, ýëåêòðîí, ñòàëêèâàÿñü ñ ïðåïÿòñòâèåì (áàðüåðîì), ìîæåò ëèáî îòñêî÷èòü îò íåãî, ëèáî ïðîéòè ñêâîçü íåãî. Ïîñëåäíåå âîçìîæíî ëèøü äëÿ êâàíòîâûõ ÷àñòèö áëàãîäàðÿ òàê íàçûâàåìîìó "òóííåëüíîìó ýôôåêòó", õîðîøî èçâåñòíîìó â êâàíòîâîé ìåõàíèêå. Âàæíåéøèì ìîìåíòîì ïðè îïèñàíèè ÿâëåíèé ìàêðîìèðà ÿâëÿåòñÿ ñòðîãîå, äåòåðìèíèðîâàííîå îïèñàíèå ñèñòåìû, à äëÿ ìèêðîìèðà – âåðîÿòíîñòíîå îïèñàíèå ñèñòåì.  ïîñëåäíåì ðàçäåëå ðàññìàòðèâàþòñÿ îñíîâíûå êîíöåïöèè ñàìîîðãàíèçàöèè ñèñòåì. Ðàññìàòðèâàþòñÿ ýâîëþöèè çàìêíóòûõ è îòêðûòûõ ñèñòåì, ïðè÷èíû è óñëîâèÿ ñàìîîðãàíèçàöèè â íèõ. Äëÿ îïèñàíèÿ ïîâåäåíèÿ ýâîëþöèîíèçèðóþùèõ ñèñòåì èñïîëüçóåòñÿ ïðèíöèï îáðàòíîé ñâÿçè. Íà îñíîâå ýòîãî ïðèíöèïà ïðîâîäèòñÿ àíàëèç òàêèõ âîïðîñîâ, êàê òåîðèÿ êàòàñòðîô, ñèíåðãåòèêà è êèáåðíåòèêà.  çàêëþ÷èòåëüíîé ÷àñòè ýòîãî ðàçäåëà ðàññìàòðèâàåòñÿ ìåãàìèð – íàøà Âñåëåííàÿ è åå ýâîëþöèÿ íà îñíîâå ñîâðåìåííûõ ìîäåëåé.
4
1. ÂÂÅÄÅÍÈÅ Â ÅÑÒÅÑÒÂÎÇÍÀÍÈÅ Ãëàâà 1. Åñòåñòâåííî-íàó÷íàÿ è ãóìàíèòàðíàÿ êóëüòóðû Ó÷åíûå è ñïåöèàëèñòû íàñ÷èòûâàþò áîëåå 170 îïðåäåëåíèé ïîíÿòèÿ êóëüòóðà. Ýòî ñâèäåòåëüñòâóåò îá óíèâåðñàëüíîñòè äàííîãî ÿâëåíèÿ ÷åëîâå÷åñêîãî îáùåñòâà. Ïîíÿòèåì êóëüòóðà îáîçíà÷àþò è îáû÷íûå ÿâëåíèÿ, è ñîðòà ðàñòåíèé, è êóëüòóðó ïîâåäåíèÿ ÷åëîâåêà, è îáðàç æèçíè, è ñèñòåìó ïîëîæèòåëüíûõ öåííîñòåé è ò. ä.  òàêîì êîíòåêñòå âñå ñîçäàííîå ÷åëîâåêîì åñòü êóëüòóðà. Ìû èñïîëüçóåì îäíî èç îïðåäåëåíèé êóëüòóðû, êîòîðîå ñâÿçàíî ñ åå èíñòðóìåíòàëüíîé òðàêòîâêîé. Êóëüòóðà – ýòî ñèñòåìà ñðåäñòâ ÷åëîâå÷åñêîé äåÿòåëüíîñòè, áëàãîäàðÿ êîòîðîé ðåàëèçóþòñÿ äåéñòâèÿ èíäèâèäà, ãðóïï, ÷åëîâå÷åñòâà â èõ âçàèìîäåéñòâèè ñ ïðèðîäîé è ìåæäó ñîáîé. Ýòè ñðåäñòâà ñîçäàþòñÿ ëþäüìè , ïîñòîÿííî ìåíÿþòñÿ è ñîâåðøåíñòâóþòñÿ. Ïðèíÿòî âûäåëÿòü òðè òèïà êóëüòóðû: ìàòåðèàëüíóþ, ñîöèàëüíóþ è äóõîâíóþ. Ìàòåðèàëüíàÿ êóëüòóðà – ñîâîêóïíîñòü ñðåäñòâ áûòèÿ ÷åëîâåêà è îáùåñòâà. Îíà âêëþ÷àåò ðàçíîîáðàçíûå ôàêòîðû: îðóäèÿ òðóäà, òåõíèêó, áëàãîñîñòîÿíèå ÷åëîâåêà è îáùåñòâà. Ñîöèàëüíàÿ êóëüòóðà – ýòî ñèñòåìà ïðàâèë ïîâåäåíèÿ ëþäåé â ðàçëè÷íûõ âèäàõ îáùåíèÿ. Îíà âêëþ÷àåò ýòèêåò, ïðîôåññèîíàëüíóþ, ïðàâîâóþ, ðåëèãèîçíóþ è ò. ï. ðàçíîâèäíîñòè äåÿòåëüíîñòè ÷åëîâåêà. Áîëåå ïîäðîáíî ñîäåðæàòåëüíàÿ ÷àñòü ïåðâîé è âòîðîé êóëüòóð èçó÷àåòñÿ â äðóãèõ äèñöèïëèíàõ. Äóõîâíàÿ êóëüòóðà – ýòî ñîñòàâíàÿ ÷àñòü êóëüòóðíûõ äîñòèæåíèé ÷åëîâå÷åñòâà. Îñíîâíûå âèäû äóõîâíîé êóëüòóðû – ìîðàëü, ïðàâî, ìèðîâîççðåíèå, èäåîëîãèÿ, èñêóññòâî, íàóêà è ò. ä. Êàæäûé èç ýòèõ âèäîâ äóõîâíîé êóëüòóðû ñîñòîèò èç îòíîñèòåëüíî ñàìîñòîÿòåëüíûõ ÷àñòåé. Ýòè ÷àñòè âçàèìîñâÿçàíû è îòíîñÿòñÿ ê äóõîâíîé êóëüòóðå ÷åëîâå÷åñòâà. Ïîä íàóêîé â íàñòîÿùåå âðåìÿ ïîíèìàþò òó ñôåðó ÷åëîâå÷åñêîé äåÿòåëüíîñòè, ôóíêöèÿ êîòîðîé – âûðàáîòêà è òåîðåòè÷åñêàÿ ñèñòåìàòèçàöèÿ îáúåêòèâíûõ çíàíèé î äåéñòâèòåëüíîñòè. Ñèñòåìà íàóê óñëîâíî äåëèòñÿ íà åñòåñòâåííûå, îáùåñòâåííûå è òåõíè÷åñêèå íàóêè. 5
 íàóêå ïðèíÿòî âûäåëÿòü ñèñòåìó çíàíèé î ïðèðîäå – åñòåñòâîçíàíèå, êîòîðîå ÿâëÿåòñÿ ïðåäìåòîì åñòåñòâåííî-íàó÷íîé êóëüòóðû, è ñèñòåìó çíàíèé î ïîçèòèâíî çíà÷èìûõ öåííîñòÿõ áûòèÿ èíäèâèäà, ãðóïï, ãîñóäàðñòâà, ÷åëîâå÷åñòâà – ãóìàíèòàðíûå íàóêè èëè ãóìàíèòàðíóþ êóëüòóðó. Äî òîãî êàê íàóêà îôîðìèëàñü â ñàìîñòîÿòåëüíóþ ÷àñòü êóëüòóðû ÷åëîâå÷åñòâà, çíàíèÿ î ïðèðîäå è öåííîñòÿõ îáùåñòâåííîé æèçíè âõîäèëè â èíûå ñîñòîÿíèÿ äóõîâíîé êóëüòóðû: ïðàêòè÷åñêèé îïûò, ìóäðîñòü, íàðîäíóþ ìåäèöèíó, íàòóðôèëîñîôèþ è ò. ä. Âçàèìîñâÿçü åñòåñòâåííî-íàó÷íîé è ãóìàíèòàðíîé êóëüòóð çàêëþ÷àåòñÿ â ñëåäóþùåì: îíè èìåþò åäèíóþ îñíîâó, âûðàæåííóþ â ïîòðåáíîñòÿõ è èíòåðåñàõ ÷åëîâåêà è ÷åëîâå÷åñòâà, â ñîçäàíèè îïòèìàëüíûõ óñëîâèé äëÿ ñàìîñîõðàíåíèÿ è ñàìîñîâåðøåíñòâîâàíèÿ; îñóùåñòâëÿþò âçàèìîîáìåí äîñòèãíóòûìè ðåçóëüòàòàìè; âçàèìíî êîîðäèíèðóþò â ïðîöåññå ðàçâèòèÿ ÷åëîâå÷åñòâà; ÿâëÿþòñÿ ñàìîñòîÿòåëüíûìè âåòâÿìè åäèíîé ñèñòåìû çíàíèé íàóêè è äóõîâíîé êóëüòóðû â öåëîì. Ìû ÿâëÿåìñÿ ñâèäåòåëÿìè òîãî, êàê ñîöèîëîãè, þðèñòû, ýêîíîìèñòû, ìåíåäæåðû è äðóãèå ñïåöèàëèñòû – ãóìàíèòàðèè íà÷èíàþò ïðèìåíÿòü â ñâîåé ðàáîòå ñèñòåìíûé ïîäõîä, èäåè è ìåòîäû êèáåðíåòèêè è òåîðèè èíôîðìàöèè, çíàíèå ôóíäàìåíòàëüíûõ çàêîíîâ åñòåñòâîçíàíèÿ è, â ÷àñòíîñòè, ôèçèêè. Ïîÿñíèì ñêàçàííîå ïðèìåðàìè èç ïðàêòèêè. Þðèñò ðàçáèðàåò äåëî î ñòîëêíîâåíèè ñóäîâ. Êîíå÷íî, åìó íóæíî çíàòü çàêîíû, ïðèíÿòûå â ìèðîâîé ïðàêòèêå ñóäîâîæäåíèÿ. Íî, ñ äðóãîé ñòîðîíû, åñëè îí íå çíàåò, ÷òî òàêîå ìàññà, ðàäèóñ ïîâîðîòà, ñêîðîñòü, óñêîðåíèå è ò. ä., îí íå ñìîæåò ðåàëüíî ïðèìåíèòü ñâîè ïðîôåññèîíàëüíûå çíàíèÿ. Ñîöèîëîã èçó÷àåò îáùåñòâåííîå ìíåíèå ïóòåì îïðîñà. Íî êàê îí ñìîæåò îöåíèòü ñòåïåíü äîñòîâåðíîñòè ðåçóëüòàòîâ, åñëè íå èìååò ïðåäñòàâëåíèÿ î òåîðèè âåðîÿòíîñòè è òåîðèè ïîãðåøíîñòåé. Áåç çíàíèÿ ýòèõ ðàçäåëîâ åñòåñòâåííûõ íàóê, ðåçóëüòàòû åãî ïðåäïîëîæåíèé íå áóäóò ïðåäñòàâëÿòü ïðàêòè÷åñêîé öåííîñòè. Ìåíåäæåð ðåêëàìèðóåò èçäåëèå êàêîãî-òî ïðåäïðèÿòèÿ. Õîðîøî èçâåñòíî, ÷òî íà âûñòàâêàõ èëè ïðîñìîòðàõ ïåðâûå âîïðîñû âñåãäà êàñàþòñÿ òåõíè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê èçäåëèÿ. Êîíå÷íî, ïîëíîñòüþ îòâåòèòü íà òàêèå âîïðîñû ìîæåò òîëüêî ñïåöèàëèñò, èìåþùèé ôóíäàìåíòàëüíóþ åñòåñòâåííî-íàó÷íóþ ïîäãîòîâêó. Îäíàêî ðàçáèðàòüñÿ â ýòèõ âîïðîñàõ äîëæåí è ìåíåäæåð. Ñóùåñòâóåò è äðóãàÿ ñòîðîíà ðàññìàòðèâàåìîãî âîïðîñà. Íàóêà ÷àñòî îáâèíÿåòñÿ â òåõ ãðåõàõ, â êîòîðûõ ïîâèííà íå ñòîëüêî îíà 6
ñàìà, ñêîëüêî òà ñèñòåìà èíñòèòóòîâ, â ðàìêàõ êîòîðîé îíà ôóíêöèîíèðóåò è ðàçâèâàåòñÿ.  íàñòîÿùåå âðåìÿ î÷åâèäíî, ÷òî ðàçâèòèå íàóêè ìîæåò ïðèâîäèòü ê îòðèöàòåëüíûì ïîñëåäñòâèÿì, âëèÿþùèì íà âñå ÷åëîâå÷åñòâî â öåëîì. Àêòóàëüíûì ñòàíîâèòñÿ âîïðîñ î ñîöèàëüíîé îòâåòñòâåííîñòè âñåõ ëþäåé, à íå òîëüêî ó÷åíûõ çà âîçìîæíîñòü èñïîëüçîâàíèÿ èõ îòêðûòèé è äîñòèæåíèé.  íàñòîÿùåå âðåìÿ ñôîðìèðîâàëîñü íàïðàâëåíèå, íàçûâàåìîå ýòèêîé íàóêè – äèñöèïëèíà, èçó÷àþùàÿ íðàâñòâåííûå îñíîâû íàó÷íîé äåÿòåëüíîñòè. Ïðèâåäåì ïðèìåð èç èñòîðèè âòîðîé ìèðîâîé âîéíû. Ð. Îïïåíãåéìåðà íàçûâàþò îòöîì àòîìíîé áîìáû. Îí ÿâëÿëñÿ êîîðäèíàòîðîì è ðóêîâîäèòåëåì ïðîåêòà ñîçäàíèÿ àòîìíîé áîìáû. Îíà áûëà ñîçäàíà è èñïûòàíà ñíà÷àëà â Íåâàäå, à ïîòîì â Õèðîñèìå è Íàãàñàêè. Ïîçäíåå Îïïåíãåéìåð, îñîçíàâàÿ òÿæåñòü îòâåòñòâåííîñòè, óøåë èç ïðîåêòà è ñòàë çàíèìàòüñÿ äåÿòåëüíîñòüþ, íàïðàâëåííîé íà ïðåäîòâðàùåíèå èñïîëüçîâàíèÿ àòîìíûõ áîìá. Ñêàçàííîå óòâåðæäàåò íàñ â ìûñëè, ÷òî ïðåäñòàâëÿåòñÿ âåñüìà âàæíûì ïîçíàêîìèòüñÿ ñ îñíîâíûìè êîíöåïöèÿìè åñòåñòâîçíàíèÿ. Ýòî íåîáõîäèìî, äëÿ òîãî ÷òîáû: âî-ïåðâûõ, ñîçíàòåëüíî ïðèìåíÿòü èõ â ñâîåé äåÿòåëüíîñòè, âî-âòîðûõ, ÷òîáû ïîëó÷èòü áîëåå ÿñíîå è òî÷íîå ïðåäñòàâëåíèå î ñîâðåìåííîé íàó÷íîé êàðòèíå ìèðà, êîòîðóþ äàåò åñòåñòâîçíàíèå. Íåîáõîäèìîñòü ïðèìåíåíèÿ åñòåñòâåííî-íàó÷íûõ ìåòîäîâ è çàêîíîâ â ïðàêòè÷åñêîé äåÿòåëüíîñòè ãóìàíèòàðíûõ ñïåöèàëüíîñòåé è ïðèâåëà ê ïîñòàíîâêå òîãî êóðñà, êîòîðûé ìû áóäåì èçó÷àòü. Ãëàâà 2. Íàó÷íûé ìåòîä ïîçíàíèÿ, îïûò, ãèïîòåçà, çàêîí, òåîðèÿ ×òî òàêîå íàó÷íûé ìåòîä ïîçíàíèÿ? Íà ÷åì îí áàçèðóåòñÿ? ×òî ëåæèò â åãî îñíîâå è ÷åì îí îòëè÷àåòñÿ îò äðóãèõ ìåòîäîâ ïîçíàíèÿ? Ñïîñîá ïîëó÷èòü ÷àñòè÷íûå îòâåòû íà âîïðîñû ïðèäóìàí íåñêîëüêî ñîòåí ëåò íàçàä. Íàáëþäåíèå, ðàçìûøëåíèå è îïûò ñîñòàâëÿþò òàê íàçûâàåìûé íàó÷íûé ìåòîä ïîçíàíèÿ, êîòîðûé è ïîçâîëÿåò äàâàòü îòâåòû íà ìíîãèå èíòåðåñóþùèå íàñ âîïðîñû. Îñíîâîé íàó÷íîãî ìåòîäà ÿâëÿåòñÿ îïûò – ïðîáíûé êàìåíü âñåõ íàøèõ çíàíèé. Îïûò, ýêñïåðèìåíò – ýòî åäèíñòâåííûé ñóäüÿ íàó÷íîé èñòèíû. Ïðîâîäÿ íàáëþäåíèÿ êàêèõ-ëèáî ïðèðîäíûõ ÿâëåíèé, íåâîçìîæíî îõâàòèòü âñå ïðîöåññû, ñ ýòèìè ÿâëåíèÿìè ñâÿçàííûå. Ïîýòîìó íóæíî îòáðîñèòü âñå âòîðîñòåïåííûå ôàêòû è âûäåëèòü îñíîâíûå, ò. å. ñóòü ÿâëåíèÿ. Ýòîò ïðîöåññ íàçûâàåòñÿ àáñòðàãèðîâàíèåì èëè ïîñòðîåíèåì ìîäåëè ÿâëåíèÿ.  ðàçìûøëåíèÿõ ñîçäàåòñÿ îñíî7
âà íàáëþäàåìîãî ÿâëåíèÿ, åãî ìîäåëü. ×òî ÿâëÿåòñÿ ñóùåñòâåííûì äëÿ äàííîãî ÿâëåíèÿ, à ÷òî íåñóùåñòâåííûì, âîïðîñ íåîäíîçíà÷íûé è ñëîæíûé. Íå âñåãäà îí ðåøàåòñÿ ñðàçó íà ïåðâûõ ýòàïàõ íàáëþäåíèÿ è ðàçìûøëåíèÿ.  ñîçäàâàåìîé ìîäåëè äîëæíû áûòü ó÷òåíû ãëàâíûå õàðàêòåðèñòèêè è îñíîâíûå ïàðàìåòðû èçó÷àåìîãî ÿâëåíèÿ. Ïîñòðîåííàÿ ìîäåëü äîëæíà íå òîëüêî âåðíî îïèñûâàòü íàáëþäàåìîå ÿâëåíèå, íî è õîðîøî ïðîãíîçèðîâàòü åãî ðàçâèòèå â íîâûõ óñëîâèÿõ.  ñîîòâåòñòâèè ñ ãèïîòåçîé íîâûå ïðåäñêàçàíèÿ ïðîâåðÿþòñÿ ýêñïåðèìåíòîì èëè îïûòîì – âàæíåéøåé ÷àñòüþ íàó÷íîãî ìåòîäà ïîçíàíèÿ. Ñ ñàìîãî íà÷àëà íåîáõîäèìî äîãîâîðèòüñÿ, ÷òî áóäåò ïîäðàçóìåâàòüñÿ ïîä òåì èëè èíûì òåðìèíîì.  ïîíÿòèå "îïûò" áóäåì âêëàäûâàòü ñëåäóþùèé ñìûñë: íàáëþäåíèÿ çà ÿâëåíèåì ïðè êîíòðîëèðóåìûõ óñëîâèÿõ, ò. å. íàáëþäåíèÿ ñ âîçìîæíîñòüþ êîíòðîëèðîâàòü, âîñïðîèçâîäèòü è èçìåíÿòü æåëàåìûì îáðàçîì âíåøíèå óñëîâèÿ. Ñóùåñòâåííà âîçìîæíîñòü ñîçäàâàòü êàê îáû÷íûå, òàê è èñêóññòâåííûå (ò. å. â ïðèðîäå íå âñòðå÷àþùèåñÿ) óñëîâèÿ. Ôèçèêà, õèìèÿ, áèîëîãèÿ è ðÿä äðóãèõ íàóê íàçûâàþòñÿ åñòåñòâåííûìè èìåííî ïîòîìó, ÷òî â èõ îñíîâå ëåæèò îïûò. Äëÿ îáúÿñíåíèÿ ýêñïåðèìåíòàëüíûõ ôàêòîâ ïðèâëåêàþòñÿ ãèïîòåçû. Ãèïîòåçà – ýòî ïðåäïîëîæåíèå, ïîçâîëÿþùåå îáúÿñíèòü è êîëè÷åñòâåííî îïèñàòü íàáëþäàåìîå ÿâëåíèå. Îïèñàòü ÷òî-ëèáî êîëè÷åñòâåííî ìîæíî ëèøü íà ÿçûêå ìàòåìàòèêè. Ìåæäó ÿâëåíèÿìè ïðèðîäû ñóùåñòâóþò óñòîé÷èâûå, ïîâòîðÿþùèåñÿ ñâÿçè – ïðîÿâëåíèÿ çàêîíîâ ïðèðîäû. Êà÷åñòâåííàÿ ôîðìóëèðîâêà çàêîíîâ ìîæåò áûòü èíîãäà äàíà áåç ïðèâëå÷åíèÿ ìàòåìàòè÷åñêîãî àïïàðàòà. Çàêîíû, çàïèñàííûå íà ÿçûêå ôîðìóë, ïîçâîëÿþò ïåðåéòè ê áîëåå âûñîêîé ñòóïåíè ïîçíàíèÿ. Ýòó ñòóïåíü íàçûâàþò òåîðèåé. Òàêèì îáðàçîì ïðè îïðåäåëåííûõ óñëîâèÿõ âûäâèíóòàÿ ãèïîòåçà ìîæåò ïåðåéòè â òåîðèþ, â îñíîâå êîòîðîé ëåæàò çàêîíû. Òåîðèÿ äàåò ïðåäñòàâëåíèå î çàêîíîìåðíîñòÿõ è ñóùåñòâåííûõ ñâÿçÿõ â îïðåäåëåííîé îáëàñòè. Çàêîíû åñòåñòâåííûõ íàóê óñòàíàâëèâàþò êîëè÷åñòâåííûå ñîîòíîøåíèÿ ìåæäó íàáëþäàåìûìè ÿâëåíèÿìè, ò. å. èìåþò ìàòåìàòè÷åñêóþ ôîðìóëèðîâêó. Íå âñåãäà ýòà ôîðìóëèðîâêà áûâàåò ÿâíîé. Íàïðèìåð, âñåì ïðèâû÷íà ñëåäóþùàÿ, êàçàëîñü áû, êà÷åñòâåííàÿ ôîðìóëèðîâêà ïåðâîãî çàêîíà Íüþòîíà: "Ñóùåñòâóþò òàêèå ñèñòåìû îòñ÷åòà, â êîòîðûõ òåëî ñîõðàíÿåò ñîñòîÿíèå ïîêîÿ èëè ïðÿìîëèíåéíîãî ðàâíîìåðíîãî äâèæåíèÿ, åñëè íà íåãî íå äåéñòâóþò äðóãèå òåëà, èëè äåéñòâèå äðóãèõ òåë âçàèìíî êîìïåíñèðóåòñÿ". Íî ñòðîãî ñôîðìóëèðîâàòü, ÷òî òàêîå ïðÿìîëèíåéíîå ðàâíîìåðíîå äâèæåíèå, ìîæíî ëèøü íà ÿçûêå ìàòåìàòè÷åñêèõ ôîðìóë; ò. å. äàæå êà÷å8
ñòâåííàÿ ôîðìóëèðîâêà çàêîíà ïîäðàçóìåâàåò ââåäåíèå êîëè÷åñòâåííûõ ïîíÿòèé. Åñòåñòâîçíàíèå, èçó÷àþùåå êîëè÷åñòâåííûå (ò. å. òî÷íûå) ñîîòíîøåíèÿ ïðèðîäíûõ ÿâëåíèé, îòíîñèòñÿ ê òî÷íûì íàóêàì. Ïîíÿòèå "òî÷íîå" òðåáóåò êîììåíòàðèåâ. Òî÷íûå íàóêè, êàê ïðàâèëî, îïåðèðóþò íå ñ àáñîëþòíî òî÷íûìè, à ñ ïðèáëèæåííûìè âåëè÷èíàìè. Ïðè êîëè÷åñòâåííîì îïèñàíèè ëþáîãî íàáëþäàåìîãî ÿâëåíèÿ âñåãäà îãîâàðèâàþò, ñ êàêîé ñòåïåíüþ òî÷íîñòè èìåþò äåëî, ò. å. ïðèâîäÿò ïîãðåøíîñòè èçìåðÿåìûõ âåëè÷èí. Êîãäà ãèïîòåçà ïåðåðàñòàåò â òåîðèþ, ò. å. â ôîðìó íàó÷íûõ çíàíèé, äàþùèõ öåëîñòíîå ïðåäñòàâëåíèå î çàêîíîìåðíîñòÿõ è ñóùåñòâåííûõ ñâÿçÿõ îïðåäåëåííîé îáëàñòè äåéñòâèòåëüíîñòè? Êàêîé ïóòü îíà äîëæíà ïðîéòè? Îòâåò íà ýòîò âîïðîñ ÷àñòè÷íî äàí. Ãèïîòåçû äîëæíû áûòü ïðîâåðåíû ôàêòàìè, îïûòàìè, çäðàâûì ñìûñëîì.  ñâîåé îáëàñòè îíè äîëæíû îáúÿñíÿòü âñþ ñîâîêóïíîñòü èìåþùèõñÿ ÿâëåíèé. Íî ýòîãî ìàëî. Äëÿ òîãî ÷òîáû ñòàòü òåîðèåé, ãèïîòåçà äîëæíà ñôîðìóëèðîâàòü êîëè÷åñòâåííûå îòíîøåíèÿ ìåæäó íàáëþäàåìûìè ÿâëåíèÿìè. Ôàêòè÷åñêè ýòî îçíà÷àåò ôîðìóëèðîâêó çàêîíîâ. Íåïðåìåííûì óñëîâèåì ïðåâðàùåíèÿ ãèïîòåçû â òåîðèþ ÿâëÿåòñÿ ïðåäñêàçàíèå íîâûõ, äî ñèõ ïîð íå íàáëþäàâøèõñÿ è èç èçâåñòíûõ òåîðèé íå ñëåäóþùèõ ÿâëåíèé, è ïîäòâåðæäåíèå ýòèõ ïðåäñêàçàíèé â ñïåöèàëüíî ïîñòàâëåííûõ ýêñïåðèìåíòàõ. Ïåðåõîä ãèïîòåçû â òåîðèþ çà÷àñòóþ íå îáõîäèòñÿ áåç äðàì. Êëàññè÷åñêèìè ÿâëÿþòñÿ ïðèìåðû Íèêîëàÿ Êîïåðíèêà (1473–1543) è Äæîðäàíî Áðóíî (1548–1600). Í. Êîïåðíèê âûäâèíóë ãèïîòåçó î ãåëèîöåíòðè÷åñêîé ñèñòåìå ìèðà, â êîòîðîé ïëàíåòû âðàùàþòñÿ âîêðóã Ñîëíöà ïî îðáèòàì. Ýòà ãèïîòåçà ïîçâîëÿëà äîñòàòî÷íî òî÷íî è ïðîñòî îïèñûâàòü è ïðåäñêàçûâàòü íàáëþäàåìûå äâèæåíèÿ ïëàíåò. Îäíàêî ñàì Êîïåðíèê íå óòâåðæäàë, ÷òî íàøà ñèñòåìà è åñòü ãåëèîöåíòðè÷åñêàÿ. Äëÿ íåãî ìîäåëü ãåëèîöåíòðè÷åñêîé ñèñòåìû ìèðà íóæíà áûëà òîëüêî äëÿ áîëåå óäîáíîãî îïèñàíèÿ äâèæåíèÿ ïëàíåò. Ãåëèîöåíòðè÷åñêàÿ ñèñòåìà ïðîòèâîðå÷èëà Áèáëèè, â êîòîðîé ãîâîðèëîñü, ÷òî Èèñóñ Íàâèí îñòàíîâèë âðàùåíèå Ñîëíöà âîêðóã Çåìëè. Ðàçâèâàÿ ãåëèîöåíòðè÷åñêóþ êîñìîëîãèþ, Áðóíî âûäâèíóë èäåþ ìíîæåñòâåííîñòè ìèðîâ âî Âñåëåííîé, öåíòðàìè êîòîðûõ ÿâëÿþòñÿ çâåçäû. Ä. Áðóíî óòâåðæäàë, ÷òî ãåëèîöåíòðè÷åñêàÿ ñèñòåìà ÿâëÿåòñÿ íå ãèïîòåçîé Êîïåðíèêà, à êîñìîëîãè÷åñêîé òåîðèåé, îïèðàþùåéñÿ íà ôàêò äâèæåíèÿ ïëàíåò âîêðóã Ñîëíöà. È èìåííî ïîýòîìó áûë îáâèíåí â åðåñè è ñîææåí â 1600 ãîäó íà Ïëîùàäè Ðîç â Ðèìå. Åñòåñòâåííî-íàó÷íàÿ òåîðèÿ äàåò îáúÿñíåíèå öåëîé îáëàñòè ÿâëåíèé â ïðèðîäå ñ åäèíîé òî÷êè çðåíèÿ. Êâèíòýññåíöèåé òåîðèè ÿâ9
ëÿþòñÿ çàêîíû, óñòàíàâëèâàþùèå êîëè÷åñòâåííûå ñâÿçè, ñîîòíîøåíèÿ ìåæäó ðàçëè÷íûìè íàáëþäàåìûìè â îïûòå âåëè÷èíàìè. Íóæíî ðàçëè÷àòü çàêîíû ïðèðîäû è çàêîíû íàóêè. Ïåðâûå ïðîÿâëÿþòñÿ â îñîáåííîñòÿõ ïðîòåêàíèÿ ïðèðîäíûõ ÿâëåíèé è ïðîöåññîâ è âî âçàèìîñâÿçè íåêîòîðûõ âåëè÷èí. Îíè íåèçìåííû è âñåãäà âûïîëíÿþòñÿ. Íàó÷íûå çàêîíû – ýòî ïîïûòêà îïèñàòü çàêîíû ïðèðîäû íà ÿçûêå ìàòåìàòè÷åñêèõ ôîðìóë è òî÷íûõ ôîðìóëèðîâîê.  äàëüíåéøåì ðå÷ü áóäåò èäòè òîëüêî î íèõ. Íàó÷íûå çàêîíû íå òî÷íû è íå ïîñòîÿííû. Íà îïðåäåëåííûõ ýòàïàõ ðàçâèòèÿ íàóêè âîçíèêàåò íåîáõîäèìîñòü óòî÷íåíèÿ íàáëþäàåìûõ â îïûòå ÿâëåíèé è ïåðåñìîòðà çàêîíîâ èëè ãðàíèö èõ ïðèìåíèìîñòè. Ïîñòîÿííàÿ ïðîâåðêà îïûòíûõ ôàêòîâ íà áàçå íîâûõ ýêñïåðèìåíòàëüíûõ ìåòîäèê, ïîçâîëÿþùèõ óâåëè÷èòü òî÷íîñòü ïðîâåäåíèÿ ýêñïåðèìåíòà, íåîáõîäèìà âñåãäà íà ëþáîì óðîâíå çíàíèé. Ðàñõîæäåíèå ýêñïåðèìåíòàëüíûõ äàííûõ è ñóùåñòâóþùèõ çàêîíîâ ïîçâîëÿåò âûäâèãàòü íîâûå ãèïîòåçû è ñòðîèòü íîâûå òåîðèè. Ãëàâà 3. Ìàòåðèÿ è ôîðìû åå ñóùåñòâîâàíèÿ  îñíîâå âñåõ åñòåñòâåííî-íàó÷íûõ äèñöèïëèí ëåæèò ïîíÿòèå ìàòåðèè, çàêîíû äâèæåíèÿ è èçìåíåíèÿ êîòîðîé èçó÷àþòñÿ.  çàâèñèìîñòè îò òîãî, êàê ìû îïðåäåëèì ýòî ïîíÿòèå, ìû è áóäåì ðàññìàòðèâàòü ïðîÿâëåíèå ðàçëè÷íûõ òåîðèé. Äëÿ ïîíèìàíèÿ åñòåñòâåííî-íàó÷íûõ òåîðèé, â ÷àñòíîñòè êîíöåïöèé ñîâðåìåííîé ôèçèêè, ïðèåìëåìûì ÿâëÿåòñÿ îïðåäåëåíèå, äàííîå Â. È. Ëåíèíûì â ìîíîãðàôèè "Ìàòåðèàëèçì è ýìïèðèîêðèòèöèçì". "Ìàòåðèÿ – åñòü ôèëîñîôñêàÿ êàòåãîðèÿ äëÿ îáîçíà÷åíèÿ îáúåêòèâíîé ðåàëüíîñòè, êîòîðàÿ îòîáðàæàåòñÿ íàøèìè îùóùåíèÿìè, ñóùåñòâóåò íåçàâèñèìî îò íèõ. Ìàòåðèÿ – ýòî îñíîâà (ñóáñòàíöèÿ, ñóáñòðàò) âñåõ ðåàëüíî ñóùåñòâóþùèõ â ìèðå ñâîéñòâ, ñâÿçåé è ôîðì äâèæåíèÿ, áåñêîíå÷íîå ìíîæåñòâî âñåõ ñóùåñòâóþùèõ â ìèðå îáúåêòîâ è ñèñòåì".  ýòîì îïðåäåëåíèè åñòü äâà îñíîâíûõ ìîìåíòà. Âî-ïåðâûõ, ìàòåðèÿ ñóùåñòâóåò îáúåêòèâíî, íåçàâèñèìî îò íàñ, îò ÷üåãî-òî ñóáúåêòèâíîãî ñîçíàíèÿ èëè îùóùåíèÿ. Âî-âòîðûõ, ìàòåðèÿ êîïèðóåòñÿ, îòîáðàæàåòñÿ íàøèìè îùóùåíèÿìè è, ñëåäîâàòåëüíî, ïîçíàâàåìà. Ìû çäåñü èñõîäèì èç ìàòåðèàëèñòè÷åñêîãî åäèíñòâà ìèðà èç ïåðâè÷íîñòè ìàòåðèè. Ìàòåðèÿ íåñîòâîðèìà è íåóíè÷òîæàåìà. Îíà áåñêîíå÷íà. Íåîòúåìëåìûì àòðèáóòîì ìàòåðèè ÿâëÿåòñÿ åå äâèæåíèå, êàê ôîðìà 10
ñóùåñòâîâàíèÿ ìàòåðèè, åå âàæíåéøèé àòðèáóò. Äâèæåíèå â ñàìîì îáùåì âèäå – ýòî âñÿêîå èçìåíåíèå âîîáùå. Äâèæåíèå ìàòåðèè àáñîëþòíî, òîãäà êàê âñÿêèé ïîêîé îòíîñèòåëåí. Ïîíÿòü ýòó ìûñëü ïðîùå âñåãî ïðè ðàññìîòðåíèè ïðîñòåéøèõ âèäîâ äâèæåíèÿ. Íàïðèìåð, òåëî ïîêîèòñÿ îòíîñèòåëüíî Çåìëè, íî îòíîñèòåëüíî Ñîëíöà îíî äâèæåòñÿ. Ôîðìàìè ñóùåñòâîâàíèÿ ìàòåðèè ÿâëÿþòñÿ ïðîñòðàíñòâî è âðåìÿ. Ìàòåðèÿ íåîòúåìëåìà îò íèõ. Ñîâðåìåííàÿ íàóêà îïåðèðóåò òàêèìè ñòðóêòóðíûìè óðîâíÿìè, êàê ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû è ïîëÿ, àòîìû è ìîëåêóëû, ìàêðîñêîïè÷åñêèå òåëà, ãåîëîãè÷åñêèå ñèñòåìû, ïëàíåòû è çâåçäû, ãàëàêòèêè è ìåòàãàëàêòèêè; ñîâîêóïíîñòè îðãàíèçìîâ, ñïîñîáíûõ ê âîñïðîèçâîäñòâó, è, íàêîíåö, îáùåñòâî. Ìû áóäåì èçó÷àòü òîëüêî ïåðâûå ñòðóêòóðíûå óðîâíè – ïîëÿ è ÷àñòèöû, ìàêðîñêîïè÷åñêèå òåëà. Ðàçëè÷àþò ðÿä îñíîâíûõ ôîðì äâèæåíèÿ ìàòåðèè: ìåõàíè÷åñêóþ, ôèçè÷åñêóþ (âêëþ÷àÿ òåïëîâóþ, ãðàâèòàöèîííóþ, ÿäåðíóþ è ò. ä.), õèìè÷åñêóþ, áèîëîãè÷åñêóþ, îáùåñòâåííóþ. Âûñøèå ôîðìû äâèæåíèÿ âêëþ÷àþò â ñåáÿ áîëåå íèçøèå, íî íå ñâîäÿòñÿ òîëüêî ê íèì. Òàê, ÿäåðíûå ïðîöåññû íåâîçìîæíî îïèñàòü òîëüêî ôîðìóëàìè êëàññè÷åñêîé ìåõàíèêè. Íàìè áóäóò ðàññìîòðåíû ëèøü ïðîñòûå ôîðìû äâèæåíèÿ ìàòåðèè – ìåõàíè÷åñêàÿ, ôèçè÷åñêàÿ è õèìè÷åñêàÿ. Äëÿ îïèñàíèÿ ìàòåðèè è åå äâèæåíèÿ íåîáõîäèìî ââåñòè êîëè÷åñòâåííûå ìåðû ýòèõ âåëè÷èí èñõîäÿ èç ïîñòàâëåííûõ çàäà÷. Ìàññà ÿâëÿåòñÿ êîëè÷åñòâåííîé ìåðîé ìàòåðèè è ââîäèòñÿ êàê äëÿ ìèêðî- è ìàêðîîáúåêòîâ, òàê è äëÿ ïîëåé. Îäíîé èç êîëè÷åñòâåííûõ ìåð äâèæåíèÿ ìàòåðèè ÿâëÿåòñÿ ýíåðãèÿ. Îíà èìååò ìíîãî ôîðì: ìåõàíè÷åñêóþ, òåïëîâóþ, ÿäåðíóþ, õèìè÷åñêóþ è ò. ä. Ïîñêîëüêó ìàòåðèÿ íå ñóùåñòâóåò áåç äâèæåíèÿ, à äâèæåíèå áåç ìàòåðèè, ìåæäó êîëè÷åñòâåííûìè õàðàêòåðèñòèêàìè ìåðû è äâèæåíèÿ ìàòåðèè äîëæíà ñóùåñòâîâàòü ñâÿçü. Ýòà ñâÿçü áûëà óñòàíîâëåíà â íà÷àëå íàøåãî âåêà À. Ýéíøòåéíîì (1879–1955) â ðàáîòàõ ïî òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè. Ìû áóäåì ðàññìàòðèâàòü äâà âèäà ìàòåðèè – âåùåñòâî è ïîëå. Ê ïåðâîìó îòíåñåì ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû, àòîìû, ìîëåêóëû, âñå ïîñòðîåííûå èç íèõ ìàêðîñèñòåìû. Êî âòîðîìó îòíåñåì îñîáóþ ôîðìó ìàòåðèè, ôèçè÷åñêóþ ñèñòåìó ñ áåñêîíå÷íûì ÷èñëîì ñòåïåíåé ñâîáîäû. Ïðèìåðàìè ôèçè÷åñêèõ ïîëåé ìîãóò ñëóæèòü ýëåêòðîìàãíèòíûå è ãðàâèòàöèîííûå ïîëÿ, ïîëÿ ÿäåðíûõ ñèë, à òàêæå âîëíîâûå ïîëÿ. 11
Ãëàâà 4. Ïîñòóëàòèâíîñòü îñíîâíûõ çàêîíîâ åñòåñòâîçíàíèÿ, ãðàíèöû èõ ïðèìåíèìîñòè Äëÿ îïèñàíèÿ ïîâåäåíèÿ ïðîñòûõ è ñëîæíûõ ñèñòåì íóæíî óñòàíîâèòü "ïðàâèëà èãðû", ò. å. çàêîíû, êîòîðûì ïîä÷èíÿþòñÿ òå èëè èíûå âèäû äâèæåíèÿ ìàòåðèè.  íåêîòîðûõ íàóêàõ, êîòîðûå íå îòíîñÿòñÿ ê åñòåñòâåííûì, íàïðèìåð ãåîìåòðèè, ïîñòóïàþò ñëåäóþùèì îáðàçîì. Ñíà÷àëà ôîðìóëèðóþòñÿ àêñèîìû, à ïîòîì èç íèõ äåëàþòñÿ âûâîäû (òåîðåìû). Ëîãèêà ïîñòðîåíèÿ åñòåñòâåííûõ íàóê äðóãàÿ: íåëüçÿ ñðàçó ââåñòè çàêîíû è ñìîòðåòü, ÷òî èç íèõ ñëåäóåò. Òàê ïîñòóïèòü íåëüçÿ, ïîñêîëüêó èññëåäîâàòåëþ íåèçâåñòíû âñå çàêîíû åñòåñòâîçíàíèÿ. Îäíîé èç çàäà÷ ÿâëÿåòñÿ èìåííî èõ óñòàíîâëåíèå è ôîðìóëèðîâàíèå. Íî, îòâåòèâ íà êàæäûé âîïðîñ, èññëåäîâàòåëü íåèçáåæíî ñòàâèò íåñêîëüêî íîâûõ. ×åì áîëüøå ïîçíàåòñÿ, òåì øèðå ñòàíîâÿòñÿ ãðàíèöû íåïîçíàííîãî. Óñòàíîâëåííûå íà îïðåäåëåííîì ýòàïå ðàçâèòèÿ íàóêè çàêîíû âñåãäà ÿâëÿþòñÿ ïðèáëèæåííûìè. Ïî ìåðå íàêîïëåíèÿ çíàíèé, íîâûõ ýêñïåðèìåíòàëüíûõ ôàêòîâ, ÿâëåíèé è óâåëè÷åíèÿ òî÷íîñòè èçìåðåíèé ïîÿâëÿþòñÿ äàííûå, íå óêëàäûâàþùèåñÿ â ðàìêè èìåþùèõñÿ çàêîíîâ, è ýòè çàêîíû ïåðåñìàòðèâàþòñÿ. Åñòü è äðóãàÿ ñòîðîíà ýòîãî âîïðîñà. Äëÿ òî÷íîé ôîðìóëèðîâêè çàêîíîâ åñòåñòâîçíàíèÿ, â îñîáåííîñòè ôèçèêè, òðåáóþòñÿ íîâûå îïðåäåëåíèÿ è ïîíÿòèÿ, çíàíèå ñïåöèàëüíûõ ðàçäåëîâ ìàòåìàòèêè. Èñààêó Íüþòîíó (1643–1727) äëÿ îïèñàíèÿ çàêîíîâ ìåõàíèêè ïîòðåáîâàëîñü ñîçäàòü ñîâåðøåííî íîâûå äëÿ ñâîåãî âðåìåíè ðàçäåëû âûñøåé ìàòåìàòèêè: äèôôåðåíöèàëüíîå è èíòåãðàëüíîå èñ÷èñëåíèÿ. Ôèçèêè ÷àñòî ñòàëêèâàëèñü ñ ñèòóàöèåé, êîãäà èìåâøåãîñÿ ìàòåìàòè÷åñêîãî àïïàðàòà îêàçûâàëîñü íåäîñòàòî÷íî äëÿ ïîëó÷åíèÿ êîëè÷åñòâåííûõ ôîðìóëèðîâîê ïîëó÷åííîãî çàêîíà è òðåáîâàëîñü ñîçäàâàòü ñïåöèàëüíûé ìàòåìàòè÷åñêèé àïïàðàò. Ïðèìåð ñ Íüþòîíîì è Ëåéáíèöåì è ñîçäàíèåì äèôôåðåíöèàëüíîãî è èíòåãðàëüíîãî èñ÷èñëåíèé ÿâëÿåòñÿ êëàññè÷åñêèì.  ýòîì ðàçäåëå ìû ðàññìîòðèì ñàìûå îáùèå ïðåäñòàâëåíèÿ î òîì, êàê óñòàíàâëèâàþòñÿ çàêîíû åñòåñòâîçíàíèÿ, êàê îíè ïðèìåíÿþòñÿ è ÷åì îíè îãðàíè÷åíû. Óæå ãîâîðèëîñü, ÷òî îïûò – åäèíñòâåííûé ñóäüÿ èñòèíû. Çàêîíû åñòåñòâîçíàíèÿ ïîñòóëèðóþòñÿ íà îñíîâàíèè íàáëþäàåìûõ îïûòíûõ ôàêòîâ. Ñíà÷àëà èäåò ïðîöåññ íàêîïëåíèÿ çíàíèé â îïðåäåëåííîé îáëàñòè. Ýòè ðåçóëüòàòû àíàëèçèðóþòñÿ è äåëàåòñÿ íåêîòîðîå ïðåäïîëîæåíèå. Ýòî ïðåäïîëîæåíèå íå âûâîäèòñÿ èç äðóãèõ çàêîíîâ. Îíî âîçíèêàåò ñàìî ïî ñåáå íà îñíîâàíèè îïûòà. Ñäåëàííîå óìîçàêëþ÷åíèå, ñôîðìóëèðîâàííîå â âèäå ìàòåìàòè÷åñêîé ôîðìóëû, ñòàíîâèòñÿ ÷àñòüþ ãèïîòåçû. Åñëè ïîñëåäóþùèå 12
îïûòû ïîäòâåðæäàþò ïðàâèëüíîñòü ýòîãî ïðåäïîëîæåíèÿ, îíî ñòàíîâèòñÿ çàêîíîì. Ïðîèëëþñòðèðóåì ñêàçàííîå íåñêîëüêèìè ïðèìåðàìè. Çàêîí âñåìèðíîãî òÿãîòåíèÿ, îòêðûòûé È. Íüþòîíîì, ðîäèëñÿ â ðåçóëüòàòå àíàëèçà òðåõ çàêîíîâ äâèæåíèÿ ïëàíåò È. Êåïëåðà (1571–1630). Çàêîíû Êåïëåðà ïîçâîëÿëè ðàññ÷èòûâàòü ñ âûñîêîé òî÷íîñòüþ äâèæåíèå ïëàíåò. Íüþòîí ïîêàçàë, ÷òî ýòè çàêîíû ìîãóò áûòü ïîëó÷åíû íà îñíîâàíèè îäíîãî çàêîíà – çàêîíà âñåìèðíîãî òÿãîòåíèÿ: F=G
m1m2
, r2 ãäå G – êîíñòàíòà; m1 è m2 – ìàññû òåë; r – ðàññòîÿíèå ìåæäó íèìè. Àíàëèçèðóÿ îïûòû, Ø. Î. Êóëîí â 1785 ãîäó ñôîðìóëèðîâàë çàêîí âçàèìîäåéñòâèÿ çàðÿäîâ, ïîçæå íàçâàííûé åãî èìåíåì:
F = const
q1q2
, r2 ãäå q1 è q2 – çàðÿäû; r – ðàññòîÿíèå ìåæäó íèìè; êîíñòàíòà îïðåäåëÿåòñÿ âûáîðîì ñèñòåìû åäèíèö. Äî Êóëîíà ýòîò çàêîí íè â êàêîì âèäå íå ôîðìóëèðîâàëñÿ. Óæå îòìå÷àëîñü, ÷òî âñå íàó÷íûå çàêîíû âñåãäà ïðèáëèæåííûå. Ïî÷åìó æå ñðàçó íå óäàåòñÿ îòêðûòü "ïðàâèëüíûé çàêîí"? Ïî÷åìó âñåãäà ïðèõîäèòñÿ íà÷èíàòü ñ êàêèõ-òî ïðèáëèæåíèé? Âî-ïåðâûõ, äëÿ "òî÷íîé" ôîðìóëèðîâêè çàêîíà áûâàåò åùå íå ãîòîâ ñîîòâåòñòâóþùèé ìàòåìàòè÷åñêèé àïïàðàò, à, âî-âòîðûõ, ýêñïåðèìåíòàëüíûå äàííûå âñåãäà áûâàþò íåäîñòàòî÷íî òî÷íû. Òî÷íîñòü èçìåðåíèé îïðåäåëÿåòñÿ ñ îäíîé ñòîðîíû íàøèìè ïðèáîðàìè, à ñ äðóãîé – íåêîòîðûìè ôóíäàìåíòàëüíûìè çàïðåòàìè, ñâÿçàííûìè ñ ïðèðîäîé ÿâëåíèÿ. Ñóùåñòâóåò, íàïðèìåð, ñîîòíîøåíèå íåîïðåäåëåííîñòåé Ãåéçåíáåðãà, êîòîðîå îãðàíè÷èâàåò òî÷íîñòü îäíîâðåìåííîãî èçìåðåíèÿ èìïóëüñà è êîîðäèíàòû ÷àñòèöû. Ïðèâåäåì ïðèìåð. Ðåàëüíî ìû ìîæåì èçìåðèòü ìàññó âîë÷êà ñ òî÷íîñòüþ äî äîëåé ìèêðîãðàììà. Èçìåðÿÿ ìàññó ïîêîÿùåãîñÿ è âðàùàþùåãîñÿ âîë÷êà, ìû âñåãäà áóäåì ïîëó÷àòü îäèí ðåçóëüòàò. Îòñþäà, êàçàëîñü áû, ìîæíî áûëî âûâåñòè çàêîí, ÷òî ìàññà òåëà ïîñòîÿííà è íå çàâèñèò îò åãî ñêîðîñòè. Íî îêàçûâàåòñÿ ìàññà îò ñêîðîñòè çàâèñèò, êîãäà ñêîðîñòè ñòàíîâÿòñÿ ñðàâíèìûìè ñî ñêîðîñòüþ ñâåòà. Ñêàçàííîå ïðèâîäèò íàñ ê âûâîäó, ÷òî çàêîíû è òåîðèè íå àáñîëþòíû. Îíè ðàçâèâàþòñÿ ïî ìåðå íàêîïëåíèÿ çíàíèé. Ôóíäàìåíòàëüíûå çàêîíû åñòåñòâîçíàíèÿ îïèñûâàþò îãðîìíîå êîëè÷åñòâî ÿâ13
ëåíèé â ðàçíûõ îáëàñòÿõ. È âñå îíè ïîä÷èíÿþòñÿ íåêîòîðûì îáùèì ïðàâèëàì. Ðàññìîòðèì èõ. Âî-ïåðâûõ, çàêîíû ñàìè ïî ñåáå íå ìåíÿþòñÿ. Èìåííî ïîýòîìó îíè è íàçûâàþòñÿ ôóíäàìåíòàëüíûìè. Èíà÷å íèêàêàÿ íàóêà íå ìîãëà áû ðàçâèâàòüñÿ. Íî, íàäî ïîìíèòü î òîì, ÷òî çàêîí íàïèñàí äëÿ îïðåäåëåííîé îáëàñòè ÿâëåíèé. Âñÿêèé ðàç, êîãäà ñ îïðåäåëåííîé ñòåïåíüþ òî÷íîñòè ïîäòâåðæäàåòñÿ êàêîé-ëèáî çàêîí, ìîæíî óòâåðæäàòü, ÷òî çàêîí îêîí÷àòåëåí è íèêàêîé ðåçóëüòàò åãî íå îïðîâåðãíåò â òîé îáëàñòè, äëÿ êîòîðîé îí íàïèñàí. Îäíàêî ìîæåò òàê ñëó÷èòüñÿ, ÷òî ïîÿâëåíèå íîâûõ ýêñïåðèìåíòàëüíûõ äàííûõ èëè òåîðèé ïðèâåäåò ê òîìó, ÷òî çàêîí îêàæåòñÿ ïðèáëèæåííûì. Èíà÷å ãîâîðÿ, óâåëè÷åíèå òî÷íîñòè èçìåðåíèé ìîæåò îáíàðóæèòü íåòî÷íîñòü äàæå ñàìûõ íåçûáëåìûõ çàêîíîâ. Íèëüñ Áîð (1885–1962), àíàëèçèðóÿ ïîëîæåíèÿ êâàíòîâîé ìåõàíèêè ñôîðìóëèðîâàë "Ïðèíöèï ñîîòâåòñòâèÿ" íîâîé è ñòàðîé òåîðèé. Ýòîò ïðèíöèï ïðèìåíèì ê ëþáûì òåîðèÿì â åñòåñòâîçíàíèè. Ñóùíîñòü åãî çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî âñÿêàÿ íîâàÿ òåîðèÿ äîëæíà ñîäåðæàòü â ñåáå ñòàðóþ, êàê ÷àñòíûé ñëó÷àé, ê êîòîðîìó îíà ñâîäèòñÿ ïðè îïðåäåëåííûõ óñëîâèÿõ. Ïðîùå âñåãî ïðèíöèï ñîîòâåòñòâèÿ ïðîèëëþñòðèðîâàòü ïðèìåðîì èç êëàññè÷åñêîé ìåõàíèêè è ìåõàíèêè òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè. Ñîçäàííàÿ À. Ýéíøòåéíîì ñïåöèàëüíàÿ òåîðèÿ îòíîñèòåëüíîñòè ñîäåðæèò â ñåáå êëàññè÷åñêóþ ìåõàíèêó Íüþòîíà, â êîòîðóþ îíà ïåðåõîäèò ïðè ñêîðîñòÿõ äâèæåíèÿ V, ìàëûõ ïî ñðàâíåíèþ ñî ñêîðîñòüþ ñâåòà C. Ìàòåìàòè÷åñêè ýòî çàïèñûâàåòñÿ êàê V > S. Ïðè èçìåðåíèè i ñîáûòèÿ (i ïðèíàäëåæèò ìíîæåñòâó s, 1 < i < S) ìû ïîëó÷èëè åãî çíà÷åíèå Ni ðàç. Îòíîñèòåëüíîé ÷àñòîòîé âûïàäåíèÿ i ñîáûòèÿ íàçûâàåòñÿ âåëè÷èíà Ni /N. Åñëè óñòðåìèòü ÷èñëî èçìåðåíèé (ò. å. N) ê áåñêîíå÷íîñòè, òî îòíîñèòåëüíàÿ ÷àñòîòà âûïàäåíèÿ ñîáûòèÿ áóäåò ðàâíà âåðîÿòíîñòè âûïàäåíèÿ èëè èçìåðåíèÿ ýòîãî ñîáûòèÿ P(i):
bg
P i = lim Ni / N, ïðè N → .
(6.11)
Çíà÷èò, åñëè íàì èçâåñòíà âåðîÿòíîñòü âûïàäåíèÿ êàêîãî-òî ñîáûòèÿ, òî ïðè î÷åíü áîëüøîì ÷èñëå èçìåðåíèé N ó íàñ ñîáûòèå i âûïàäåò P(i) N ðàç. Òàêèì îáðàçîì, åñëè ìû áðîñàåì ìîíåòó 1 ðàç, ìû íå ñìîæåì ñêàçàòü, êàêîé ñòîðîíîé îíà óïàäåò. Íî, åñëè ìû áðîñàåì ìîíåòó î÷åíü ìíîãî ðàç (íàïðèìåð 10000), òî ìû ìîæåì óòâåðæäàòü, ÷òî ïðèìåðíî 5000 ðàç âûïàäåò "îðåë", à 5000 ðàç – "ðåøêà". 23
Ñóììà âåðîÿòíîñòåé âûïàäåíèÿ âñåõ ñîáûòèé âñåãäà áóäåò íîðìèðîâàíà è ðàâíà 1. Äåéñòâèòåëüíî, ïîñêîëüêó SNi = N, òî èìååì SP(i) = S(Ni/N) = (SNi)/N = 1. ×èñëî ñîáûòèé ìîæåò áûòü êîíå÷íî, à ìîæåò áûòü è áåñêîíå÷íî. Íàïðèìåð, ñîñåäíèå ñêîðîñòè àòîìîâ â ãàçå îòëè÷àþòñÿ íà áåñêîíå÷íî ìàëóþ âåëè÷èíó.  ýòîì ñëó÷àå âåðîÿòíîñòü Ð áóäåò íåïðåðûâíîé ôóíêöèåé. Äëÿ ãàçà, íàïðèìåð, ýòî áóäåò ôóíêöèÿ ðàñïðåäåëåíèÿ àòîìîâ ïî ñêîðîñòÿì, èçâåñòíàÿ èç øêîëüíîãî êóðñà êàê ôóíêöèÿ ðàñïðåäåëåíèÿ Ìàêñâåëëà.  çàêëþ÷åíèå ýòîãî ðàçäåëà ñäåëàåì àêöåíò íà äâóõ ìîìåíòàõ. 1. Ìàòåìàòè÷åñêèé àïïàðàò ñîâðåìåííîé ôèçèêè è âñåãî åñòåñòâîçíàíèÿ â öåëîì îãðîìåí è î÷åíü ñëîæåí.  ðàìêàõ êóðñà íåâîçìîæíî äàæå ïðîñòî ïåðå÷èñëèòü âñå ðàçäåëû, êîòîðûå èñïîëüçóþòñÿ â íàóêå.  ýòîì ðàçäåëå çàòðîíóò ëèøü ìèíèìóì íåêîòîðûõ ðàçäåëîâ ìàòåìàòèêè, íåîáõîäèìûõ äëÿ ïîíèìàíèÿ ôóíäàìåíòàëüíûõ çàêîíîâ åñòåñòâîçíàíèÿ: àëãåáðû, ãåîìåòðèè, òðèãîíîìåòðèè, ìàòåìàòè÷åñêîãî àíàëèçà, àíàëèòè÷åñêîé ãåîìåòðèè, âåêòîðíîãî àíàëèçà, òåîðèè âåðîÿòíîñòåé. 2.  íåêîòîðûõ ó÷åáíèêàõ ïî åñòåñòâîçíàíèþ, íàïèñàííûõ, â îñíîâíîì, ëþäüìè, íå èìåþùèìè ôóíäàìåíòàëüíîé åñòåñòâåííî-íàó÷íîé ïîäãîòîâêè, äåëàþòñÿ ïîïûòêè èçëîæèòü âñå åñòåñòâîçíàíèå, îïèðàÿñü íà îäíó òîëüêî àðèôìåòèêó. Ýòî ãëóáîêî îøèáî÷íûé ïîäõîä. Áåç ââåäåíèÿ ïîíÿòèé ïåðåìåííîé âåëè÷èíû è ôóíêöèè, è ñîîòâåòñòâóþùåãî ìàòåìàòè÷åñêîãî àïïàðàòà íåâîçìîæíî íå òîëüêî îïèñàòü, íî äàæå ïðîñòî îñìûñëèòü òîò èëè èíîé çàêîí åñòåñòâîçíàíèÿ. Âî âñåõ îáëàñòÿõ åñòåñòâåííûõ è äàæå îáùåñòâåííûõ íàóê èìåþòñÿ òàê íàçûâàåìûå "äèíàìè÷åñêèå çàêîíû", ò. å. çàêîíû, â êîòîðûõ ÷òî-ëèáî ìåíÿåòñÿ. Íî äàæå ñàìûé ïðîñòîé äèíàìè÷åñêèé ïàðàìåòð – ñêîðîñòü íåâîçìîæíî ââåñòè, íå èñïîëüçóÿ ÿçûêà âûñøåé ìàòåìàòèêè – äèôôåðåíöèàëüíîãî èñ÷èñëåíèÿ. Âåäü ñêîðîñòü – ýòî ïðîèçâîäíàÿ èññëåäóåìîé âåëè÷èíû ïî âðåìåíè.
24
2. ÔÈÇÈÊÀ ÍÅÎÁÕÎÄÈÌÎÃÎ Â íàñòîÿùåì è ïîñëåäóþùåì ðàçäåëàõ áóäóò ðàññìîòðåíû ïîíÿòèÿ è çàêîíû êëàññè÷åñêîé ôèçèêè, èëè, â áîëåå îáùåì ïîíèìàíèè, ôèçèêè íåîáõîäèìîãî.  ýòèõ ðàçäåëàõ ðàññìàòðèâàþòñÿ ÿâëåíèÿ, çàêîíû òåîðèè, â îñíîâå êîòîðûõ ëåæèò ïðèíöèï äåòåðìèíèçìà. Èäåÿ ýòîãî ïðèíöèïà ñîñòîèò â òîì, ÷òî ñîñòîÿíèå ôèçè÷åñêîé ñèñòåìû îäíîçíà÷íî îïðåäåëÿåòñÿ åå íà÷àëüíûì ñîñòîÿíèåì è çàêîíàìè åå ðàçâèòèÿ. Ïîä ôèçè÷åñêèìè ñèñòåìàìè ïîäðàçóìåâàþòñÿ ñòðóêòóðû, ñîñòîÿùèå èç âåùåñòâà èëè ïîëÿ. Ïðè íàáëþäåíèè çà êàêèì-ëèáî ïðîöåññîì èëè ÿâëåíèåì, îòíîñÿùèìèñÿ ê ýòèì ðàçäåëàì ôèçèêè, â ïðèíöèïå, âñåãäà ìîæíî ñêàçàòü, êàê ïîâåäåò ñåáÿ ñèñòåìà â áóäóùåì. Íàïðèìåð, óïðóãîå òåëî âñåãäà ñ íåîáõîäèìîñòüþ îòñêàêèâàåò îò òâåðäîé ñòåíêè; âñëåä çà ïîëíûì îáîðîòîì ïî ñâîåé îðáèòå âîêðóã Ñîëíöà Çåìëÿ ñ íåîáõîäèìîñòüþ ñäåëàåò ñëåäóþùèé.  ðàçäåëå "Ôèçèêà íåîáõîäèìîãî" ðàññìàòðèâàþòñÿ çàêîíû è ÿâëåíèÿ, ñâÿçàííûå ñ ôîðìîé ìàòåðèè, ñóùåñòâóþùåé â âèäå âåùåñòâà, ò. å. ñ ìàòåðèåé, ëîêàëèçîâàííîé â ïðîñòðàíñòâå.  ñëåäóþùåì ðàçäåëå "Ôèçèêà íåïðåðûâíîãî" áóäóò ðàññìîòðåíû ÿâëåíèÿ è çàêîíû, ñâÿçàííûå ñ äðóãîé ôîðìîé ñóùåñòâîâàíèÿ ìàòåðèè – ïîëåì è âîëíàìè. Ïîëÿ è âîëíû íå ëîêàëèçîâàíû â îãðàíè÷åííîé ÷àñòè ïðîñòðàíñòâà è äëÿ èõ îïèñàíèÿ òðåáóþòñÿ äðóãèå çàêîíû. Ãëàâà 7. Ýòàïû ðàçâèòèÿ ôèçèêè Ôèçèêà – íàóêà, èçó÷àþùàÿ ïðîñòåéøèå è âìåñòå ñ òåì íàèáîëåå îáùèå çàêîíîìåðíîñòè ÿâëåíèé ïðèðîäû, ñâîéñòâà è ñòðîåíèå ìàòåðèè, çàêîíû åå äâèæåíèÿ. Çàêîíû ôèçèêè ëåæàò â îñíîâå âñåãî åñòåñòâîçíàíèÿ. Ôèçèêà îòíîñèòñÿ ê òî÷íûì íàóêàì è èçó÷àåò êîëè÷åñòâåííûå çàêîíîìåðíîñòè ÿâëåíèé. Åå çàêîíû áàçèðóþòñÿ íà ôàêòàõ, óñòàíîâëåííûõ îïûòíûì ïóòåì.  îñíîâå ôèçèêè ëåæèò íàó÷íûé ìåòîä ïîçíàíèÿ. Ñëîâî ôèçèêà ïðîèñõîäèò îò ãðå÷åñêîãî ñëîâà Physic – ïðèðîäà.  ýïîõó àíòè÷íîé êóëüòóðû íàóêà îõâàòûâàëà âñþ ñîâîêóïíîñòü çíàíèé ÷åëîâåêà î ïðèðîäíûõ ÿâëåíèÿõ. Ïî ìåðå äèôôåðåíöèàöèè 25
çíàíèé è ìåòîäîâ èññëåäîâàíèÿ èç íåå âûäåëèëèñü ðàçëè÷íûå ðàçäåëû, â òîì ÷èñëå è ôèçèêà â ïðèâû÷íîì ïîíèìàíèè ýòîãî ñëîâà. Îäíàêî ãðàíèöû, îòäåëÿþùèå ôèçèêó îò äðóãèõ íàóê, â çíà÷èòåëüíîé ìåðå óñëîâíû è çàâèñÿò îò îáùåé ñóììû ÷åëîâå÷åñêèõ çíàíèé.  èñòîðèè ðàçâèòèÿ ôèçèêè îáû÷íî âûäåëÿþò òðè ýòàïà. Ïåðâûé èç íèõ íà÷èíàåòñÿ â àíòè÷íîñòè è çàêàí÷èâàåòñÿ â XVI âåêå.  ýòî âðåìÿ ãîñïîäñòâîâàëà ìåòàôèçèêà Àðèñòîòåëÿ. Âòîðîé ýòàï íà÷èíàåòñÿ ñ ðàáîò Êîïåðíèêà, Êåïëåðà, Ãàëèëåÿ, Äåêàðòà, Íüþòîíà è çàêàí÷èâàåòñÿ â êîíöå XIX âåêà. Íà ýòîì ýòàïå èäåò ïðîöåññ ðàçâèòèÿ ìåòîäà íàó÷íîãî ïîçíàíèÿ, î êîòîðîì óæå øëà ðå÷ü. È, íàêîíåö, òðåòèé ýòàï ïðîäîëæàåòñÿ ñ íà÷àëà íàøåãî âåêà ïî ñåé äåíü. Ýòî ýòàï ðàçâèòèÿ ñîâðåìåííîé êâàíòîâîé ôèçèêè. Ôèçè÷åñêèå ÿâëåíèÿ èçäàâíà ïðèâëåêàëè âíèìàíèå ëþäåé.  VI–II âåêàõ äî í. ý. âïåðâûå çàðîäèëèñü èäåè îá àòîìíîì ñòðîåíèè âåùåñòâà (Äåìîêðèò, Ýïèêóð, Ëóêðåöèé).  ýòî âðåìÿ â ðàáîòàõ Ïòîëåìåÿ è Àðèñòîòåëÿ âîçíèêëà ãåëèîöåíòðè÷åñêàÿ êàðòèíà ìèðà è áûëè ñôîðìóëèðîâàíû îñíîâíûå çàêîíû ñòàòèêè (ïðàâèëî ðû÷àãà) è ãèäðîñòàòèêè (çàêîí Àðõèìåäà), êîòîðûå ñ óñïåõîì ïðèìåíÿëèñü â ñòðîèòåëüñòâå, âîåííîì äåëå è â äðóãèõ îáëàñòÿõ. Èçâåñòíà ëåãåíäà îá Àðõèìåäå, îòêðûâøåì èçâåñòíûé çàêîí èçìåíåíèÿ âåñà òåëà â æèäêîñòè. Âûïîëíÿÿ çàêàç ñèðàêóçñêîãî ïðàâèòåëÿ, Àðõèìåä äîëæåí áûë îïðåäåëèòü, êàêîå êîëè÷åñòâî ñåðåáðà è êàêîå – çîëîòà ñîäåðæàëîñü â ñïëàâå, èç êîòîðîãî þâåëèð äîëæåí áûë ñäåëàòü êîðîíó. Ðåøåíèå âîïðîñà, ïî ïðåäàíèþ, îí íàøåë, ïðèíèìàÿ âàííó; ñ êðèêîì "Ýâðèêà" îí âûñêî÷èë èç âàííû.  ýòó ýïîõó íàáëþäàëèñü è èññëåäîâàëèñü ïðîñòåéøèå ïðîÿâëåíèÿ ýëåêòðè÷åñòâà è ìàãíåòèçìà. Èòîã íàêîïëåííûõ çíàíèé ïîäâåë Àðèñòîòåëü (384–322 ãã. äî í. ý.). Èç ÷èñëà äîøåäøèõ äî íàñ ðàáîò íàèáîëüøèé èíòåðåñ ïðåäñòàâëÿþò "Ïåðâàÿ ôèëîñîôèÿ", "Ìåòàôèçèêà", "Ôèçèêà".  ýòèõ òðóäàõ ñîäåðæèòñÿ ó÷åíèå îá îñíîâíûõ ïðèíöèïàõ áûòèÿ, âîçìîæíîñòè è îñóùåñòâëåíèè, ôîðìå è ìàòåðèè, äåéñòâóþùåé ïðè÷èíå è öåëè. Àðèñòîòåëü ïðèçíàâàë çíà÷åíèå îïûòà, íî íå ïðèäàâàë åìó ðåøàþùåãî çíà÷åíèÿ, ñ÷èòàÿ, ÷òî êðèòåðèåì ïðàâèëüíîñòè ÿâëÿåòñÿ óìîçðèòåëüíîå çàêëþ÷åíèå.  ñðåäíèå âåêà ó÷åíèå Àðèñòîòåëÿ áûëî êàíîíèçèðîâàíî öåðêîâüþ, ÷òî íàäîëãî çàòîðìîçèëî ðàçâèòèå åñòåñòâåííûõ íàóê. Íå âäàâàÿñü â ñëîæíûå ðàññóæäåíèÿ, ðàññìîòðèì îñíîâíóþ èäåþ ìåõàíèêè Àðèñòîòåëÿ, èñïîëüçóÿ ñîâðåìåííûé ÿçûê. Êàê èçâåñòíî èç øêîëüíîãî êóðñà ôèçèêè, ñîãëàñíî âòîðîìó çàêîíó Íüþòîíà óñêîðåíèå, ïðèîáðåòàåìîå òåëîì, ïðîïîðöèîíàëüíî ñóììå äåéñòâóþ26
ùèõ íà ýòî òåëî ñèë: a = ∑ F / m .  îñíîâå æå ìåõàíèêè Àðèñòîòåëÿ ëåæàëî óòâåðæäåíèå, ÷òî ñêîðîñòü òåëà ïðîïîðöèîíàëüíà äåéñòâóþùåé íà íåãî ñèëå: v ∼ F . Åñòåñòâåííî, ÷òî ìåõàíèêà Àðèñòîòåëÿ è ìåõàíèêà Íüþòîíà â êîðíå îòëè÷àëèñü äðóã îò äðóãà. Î âòîðîì çàêîíå Íüþòîíà ðå÷ü åùå ïîéäåò, à â îïðàâäàíèå Àðèñòîòåëÿ ñêàæåì, ÷òî, åñëè íå ñòàâèòü ñïåöèàëüíûõ ýêñïåðèìåíòîâ, à òîëüêî íàáëþäàòü çà äâèæóùèìèñÿ òåëàìè, òî âèäíî, êàê îíè îñòàíàâëèâàþòñÿ, åñëè ê íèì íå ïðèêëàäûâàòü äîïîëíèòåëüíîé ñèëû. Ñåé÷àñ ìû, êîíå÷íî, çíàåì, ÷òî òåëà îñòàíàâëèâàþòñÿ èç-çà äåéñòâèÿ íà íèõ ñèë òðåíèÿ, êîòîðûå, êàê ïðàâèëî, áûâàþò ïðîïîðöèîíàëüíû ñêîðîñòÿì òåë. Åñëè æå ê ýòèì òåëàì ïðèëîæèòü íåêîòîðóþ ñèëó, òî îíè ñòàíóò äâèãàòüñÿ ñ ïîñòîÿííîé ñêîðîñòüþ, òåì áîëüøåé, ÷åì áîëüøå ñèëà òÿãè. Íî ëåãêî áûòü óìíûì, çíàÿ îòâåò íà âîïðîñ, è î÷åíü íåïðîñòî ñàìîìó åãî íàéòè. Ðàçâèòèå ôèçèêè êàê íàóêè â ñîâðåìåííîì ïîíèìàíèè ýòîãî ñëîâà, ò. å. íàóêè, â îñíîâå êîòîðîé ëåæèò íàó÷íûé ìåòîä ïîçíàíèÿ, íà÷àëîñü íà ðóáåæå XVI–XVII âåêîâ è ñâÿçàíî, â ïåðâóþ î÷åðåäü, ñ èìåíåì èòàëüÿíñêîãî ó÷åíîãî Ãàëèëåî Ãàëèëåÿ (1564–1642). Ãàëèëåé ïîíÿë íåîáõîäèìîñòü ìàòåìàòè÷åñêîãî îïèñàíèÿ äâèæåíèÿ ìàòåðèè, ïîä êîòîðûì â åãî âðåìÿ ïîäðàçóìåâàëîñü ìåõàíè÷åñêîå äâèæåíèå òåë – èõ ïåðåìåùåíèå â ïðîñòðàíñòâå è âðåìåíè. Ãàëèëåé îïðîâåðã îøèáî÷íûå óòâåðæäåíèÿ ìåõàíèêè Àðèñòîòåëÿ è çàëîæèë îñíîâû ñîâðåìåííîé ìåõàíèêè. Èì áûëè ñôîðìóëèðîâàíû èäåè îá îòíîñèòåëüíîñòè äâèæåíèÿ, óñòàíîâëåíû çàêîíû èíåðöèè, ñâîáîäíîãî ïàäåíèÿ è äâèæåíèÿ òåë ïî íàêëîííîé ïëîñêîñòè, ñëîæåíèÿ äâèæåíèé. Ãàëèëåé ïîêàçàë, ÷òî âîçäåéñòâèå íà òåëî îêðóæàþùèõ òåë îïðåäåëÿåò íå ñêîðîñòü òåëà, à åãî óñêîðåíèå; ôàêòè÷åñêè îí îòêðûë äâà ïåðâûõ çàêîíà Íüþòîíà. Ñòîëü æå âåëèêè åãî çàñëóãè â îáëàñòè àñòðîíîìèè. Ñ ïîìîùüþ ïîñòðîåííîãî ñâîèìè ðóêàìè òåëåñêîïà îí îòêðûë ãîðû íà Ëóíå, ñïóòíèêè Þïèòåðà, ôàçû Âåíåðû, òåìíûå ïÿòíà íà Ñîëíöå. Î Ãàëèëåå, î åãî òðàãè÷åñêîé ñóäüáå, î åãî íàó÷íûõ èññëåäîâàíèÿõ è èçûñêàíèÿõ íàïèñàíî î÷åíü ìíîãî òðóäîâ. Âðÿä ëè ñåé÷àñ êòî-íèáóäü âñïîìèíàåò î òîì, ÷òî Ãàëèëåé ÿâëÿåòñÿ àâòîðîì èäåè ñîâðåìåííûõ ìàÿòíèêîâûõ ÷àñîâ. Äî íåãî ñîçäàâàëîñü îãðîìíîå êîëè÷åñòâî ÷àñîâ, ðàáîòàþùèõ íà ðàçíûõ ïðèíöèïàõ. Âñå îíè áûëè íåäîñòàòî÷íî òî÷íû è íå ïîçâîëÿëè èçìåðÿòü ìàëûå èíòåðâàëû âðåìåíè – ñåêóíäû (â òî âðåìÿ äàæå íå áûëî ïîíÿòèÿ î òàêèõ ìàëûõ ïðîìåæóòêàõ âðåìåíè). Äëÿ ïðîâåäåíèÿ ñâîèõ îïûòîâ Ãàëèëåþ òðåáîâàëîñü èçìåðÿòü âðåìÿ ñ áîëüøîé òî÷íîñòüþ. Îí îòêðûë è ðàçðàáîòàë ïðèíöèï èçîõðîííîñòè êîëåáàíèé 27
ìàÿòíèêà, êîòîðûé ïîëîæèë â îñíîâó ñåêóíäîìåðà.  êàìíå, êà÷àþùåìñÿ íà âåðåâêå, Àðèñòîòåëü âèäåë ëèøü ñäåðæèâàåìîå âåðåâêîé ïàäåíèå, à Ãàëèëåé óâèäåë ïåðèîäè÷åñêèé ïðîöåññ. Ãîâîðÿ îá îñíîâîïîëîæíèêàõ êëàññè÷åñêîé ôèçèêè íåëüçÿ íå óïîìÿíóòü Ðåíå Äåêàðòà (1596–1650). Ôðàíöóçñêèé ôèëîñîô, ìàòåìàòèê, ôèçèê, îí çàëîæèë îñíîâû àíàëèòè÷åñêîé ãåîìåòðèè, åãî èìÿ íîñèò ñèñòåìà êîîðäèíàò. Îí ââåë â ìàòåìàòèêå ïîíÿòèå ïåðåìåííîé âåëè÷èíû è ôóíêöèè, à òàêæå ââåë ìíîæåñòâî àëãåáðàè÷åñêèõ îáîçíà÷åíèé.  ôèçèêå îí ââåë ïîíÿòèå èìïóëüñà è ñôîðìóëèðîâàë çàêîí åãî ñîõðàíåíèÿ. Íàèáîëüøóþ èçâåñòíîñòü ïîëó÷èëè åãî ðàáîòû â îáëàñòè ïîçíàíèÿ. Îñíîâíîå äîñòèæåíèå ôèçèêè XVII âåêà – ýòî ñîçäàíèå êëàññè÷åñêîé ìåõàíèêè. Èñààê Íüþòîí (1643–1727) â ñâîåì òðóäå "Ìàòåìàòè÷åñêèå íà÷àëà íàòóðàëüíîé ôèëîñîôèè" (1687) ñôîðìóëèðîâàë è äàë ìàòåìàòè÷åñêóþ òðàêòîâêó âñåì îñíîâíûì çàêîíàì ýòîé íàóêè, êîòîðûå äîøëè ïðàêòè÷åñêè áåç èçìåíåíèé äî íàøèõ äíåé. Êëàññè÷åñêàÿ ìåõàíèêà ëåæèò â îñíîâå ìíîãèõ ôèçè÷åñêèõ è òåõíè÷åñêèõ äèñöèïëèí, êîòîðûå èçó÷àþòñÿ è â íàøå âðåìÿ ñïåöèàëèñòàìè â îáëàñòè íàóêè è òåõíèêè. Àñòðîíîìè÷åñêèå íàáëþäåíèÿ ïîâåäåíèÿ íåáåñíûõ òåë â XVIII–XIX âåêàõ è îòêðûòèÿ íîâûõ ïëàíåò ñîëíå÷íîé ñèñòåìû ñòàëè áëåñòÿùèìè ïîäòâåðæäåíèÿìè ó÷åíèÿ Íüþòîíà. Íå áóäåì ñåé÷àñ îñòàíàâëèâàòüñÿ íà îñíîâíûõ êîíöåïöèÿõ íüþòîíîâñêîé òåîðèè, à âåðíåìñÿ ê íèì â ñëåäóþùèõ ðàçäåëàõ êóðñà, ïðè èçó÷åíèè çàêîíîâ ìåõàíè÷åñêîãî äâèæåíèÿ. Áëàãîäàðÿ ðàáîòàì Íüþòîíà, îñíîâàííûì íà ìíîãî÷èñëåííûõ ýêñïåðèìåíòàõ è íàáëþäåíèÿõ, à òàêæå íà ñïåöèàëüíî ðàçðàáîòàííûõ Íüþòîíîì ìàòåìàòè÷åñêèõ ìåòîäàõ (ìåòîäå äèôôåðåíöèàëüíîãî è èíòåãðàëüíîãî èñ÷èñëåíèÿ) áûëî îêîí÷àòåëüíî óñòàíîâëåíî, ÷òî çàäà÷à åñòåñòâåííîé íàóêè ñîñòîèò â îòûñêàíèè íàèáîëåå îáùèõ êîëè÷åñòâåííûõ ôîðìóëèðîâîê çàêîíîâ ïðèðîäû.  ðàáîòàõ ó÷åíûõ XVIII âåêà áûëè ïðîäîëæåíû ïîèñêè íàèáîëåå îáùèõ ôîðìóëèðîâîê äâèæåíèÿ ñèñòåì, ìàòåðèè. Áûëè çàëîæåíû îñíîâû ìåõàíèêè òâåðäîãî òåëà, àêóñòèêè, ãèäðîäèíàìèêè, òåïëîòû.  1788 ãîäó ôðàíöóçñêèé ó÷åíûé Æ. Ë. Ëàãðàíæ (1736–1813) âûâåë óðàâíåíèÿ ìåõàíèêè â íàèáîëåå îáùåì âèäå, ïîëó÷èâ òàê íàçûâàåìûå óðàâíåíèÿ Ëàãðàíæà. Ñ èõ ïîìîùüþ ïîâåäåíèå ñèñòåìû îïèñûâàëîñü ÷åðåç ïîâåäåíèå åå ýíåðãèè. Ýòè óðàâíåíèÿ äî ñèõ ïîð èñïîëüçóþòñÿ â ñîâðåìåííûõ ðàçäåëàõ ôèçèêè – â êâàíòîâîé ìåõàíèêå è ýëåêòðîäèíàìèêå. Ê êîíöó XVIII âåêà áûëà ñîçäàíà åäèíàÿ ìåõàíèñòè÷åñêàÿ êàðòèíà ìèðà, ñîãëàñíî êîòîðîé âñå ìíîãîîáðàçèå ìèðà – ðåçóëüòàò äâè28
æåíèÿ àòîìîâ è òåë, èç êîòîðûõ îíè ñîñòîÿò è äâèæåíèå êîòîðûõ ïîä÷èíÿåòñÿ çàêîíàì Íüþòîíà. Îáúÿñíåíèå íàáëþäàåìûõ ôèçè÷åñêèõ ÿâëåíèé ñ÷èòàëîñü íàó÷íûì è ïîëíûì, åñëè èõ óäàâàëîñü îïèñàòü íà îñíîâå òåîðèè Íüþòîíà. Åñòåñòâåííî, òàêèå "øîðû" íå ìîãëè óñòðàèâàòü ïûòëèâûå óìû èññëåäîâàòåëåé. Îäèí èç èíòåðåñíûõ ýïèçîäîâ èñòîðèè ôèçèêè îòíîñèòñÿ ê òåîðèè ñâåòà.  XVII âåêå áûëè âûäâèíóòû äâå ãèïîòåçû. È. Íüþòîí ïîëàãàë, ÷òî ñâåò – ýòî ïîòîê ÷àñòèö, êîðïóñêóë, äâèæåíèå êîòîðûõ îïðåäåëÿåò åãî ñâîéñòâà è çàêîíû. Äðóãîé ó÷åíûé Õ. Ãþéãåíñ (1629–1695) ñ÷èòàë, ÷òî ñâåò – ýòî âîëíû, ðàñïðîñòðàíÿþùèåñÿ â ïðîñòðàíñòâå. Èç òåîðèè Íüþòîíà ñëåäóåò, ÷òî ñêîðîñòü ñâåòà â ñðåäå v = nc, ãäå c – ñêîðîñòü ñâåòà â âàêóóìå, à n – êîýôôèöèåíò ïðåëîìëåíèÿ ñâåòà. Èç òåîðèè Ãþéãåíñà ñëåäîâàëî, ÷òî v = c / n . Î÷åâèäíî, ÷òî ðàçëè÷èå ýòèõ ôîðìóë íîñèò ïðèíöèïèàëüíûé õàðàêòåð. Îäíàêî èç-çà ñëàáîãî ðàçâèòèÿ ýêñïåðèìåíòàëüíîé áàçû âïëîòü äî âòîðîé ïîëîâèíû XIX âåêà ïðîâåðêà ýòèõ ôîðìóë áûëà íåâîçìîæíîé.  1818 ãîäó ôðàíöóçñêèé ó÷åíûé Î. Æ. Ôðåíåëü íàïèñàë ðàáîòó íà êîíêóðñ Ôðàíöóçñêîé Àêàäåìèè íàóê.  îñíîâó òåîðèè ðàñïðîñòðàíåíèÿ ñâåòà îí ïîëîæèë âîëíîâûå ñâîéñòâà. Îäèí èç ÷ëåíîâ æþðè – Ïóàññîí "óñîìíèëñÿ" â ïðàâèëüíîñòè âûâîäîâ òåîðèè. Èç òåîðèè Ôðåíåëÿ ñëåäîâàëî, ÷òî â öåíòðå òåíè, îòáðàñûâàåìîé ïðåäìåòîì íà ýêðàí, îáÿçàòåëüíî äîëæíî áûòü ñâåòëîå ïÿòíî. Íàëèöî áûëî äàæå íå êîëè÷åñòâåííîå, à êà÷åñòâåííîå ðàñõîæäåíèå ñ èçâåñòíûìè ôàêòàìè. Âèäèìî, äàæå ñåãîäíÿ áîëüøèíñòâó èç íàñ òàêîå ïÿòíî êàæåòñÿ íåðåàëüíûì. Îäíàêî â ñïåöèàëüíî ïîñòàâëåííûõ ýêñïåðèìåíòàõ Ä. Àðàãî (1786–1853) ýòî ïÿòíî áûëî îáíàðóæåíî è, òåì ñàìûì, ïîäòâåðæäåíû âûâîäû òåîðèè Ôðåíåëÿ. Ýòè îïûòû ïåðåâåðíóëè îáûäåííûå ïðåäñòàâëåíèÿ î ñâîéñòâàõ ñâåòà è ïåðåâåëè ïî÷òè âñåõ ïðîòèâíèêîâ âîëíîâîé òåîðèè Ôðåíåëÿ, äàæå ñàìûõ "ìàñòèòûõ" â ÷èñëî åå ñòîðîííèêîâ. Íà÷àëîñü ïîáåäíîå øåñòâèå âîëíîâîé òåîðèè ñâåòà.  50-õ ãîäàõ XIX âåêà áûëè ïðîâåäåíû ýêñïåðèìåíòû ïî îïðåäåëåíèþ ñêîðîñòè ñâåòà â ñðåäå, êîòîðûå ïîäòâåðäèëè ñïðàâåäëèâîñòü ôîðìóëû v = c / n . Îäíàêî èñòîðèÿ ôèçèêè ïîëíà ïàðàäîêñîâ. Íàáëþäàåìîå ïÿòíî òåïåðü íàçûâàåòñÿ "ïÿòíîì Ïóàññîíà", ò. å. íîñèò èìÿ ÷åëîâåêà, óñîìíèâøåãîñÿ â åãî ñóùåñòâîâàíèè. Ê íà÷àëó XIX âåêà áûëè ñôîðìóëèðîâàíû ïðîñòåéøèå çàêîíû â îáëàñòè òåïëîòû, ýëåêòðè÷åñòâà, ìàãíåòèçìà. Óæå áûëè íàêîïëåíû ñâåäåíèÿ î ìàêðîñêîïè÷åñêèõ ñâîéñòâàõ òâåðäûõ òåë, èçó÷åíû òåìïåðàòóðíûå çàâèñèìîñòè ïîâåäåíèÿ òâåðäûõ òåë è ãàçîâ. Îñíîâíûå äîñòèæåíèÿ ôèçèêè XIX âåêà áûëè îôîðìëåíû â ñòðîéíûå, íåïðî29
òèâîðå÷èâûå òåîðèè ýëåêòðîìàãíèòíûõ âîëí è òåïëîâîãî äâèæåíèÿ àòîìîâ è ìîëåêóë. Ñåé÷àñ ýòè ðàçäåëû ôèçèêè íàçûâàþò êëàññè÷åñêîé ýëåêòðîäèíàìèêîé, òåðìîäèíàìèêîé è ñòàòèñòè÷åñêîé ôèçèêîé. Êî âòîðîé ïîëîâèíå XIX âåêà áëàãîäàðÿ äîñòèæåíèÿì òàêèõ ó÷åíûõ, êàê À. Âîëüòà (1745–1827), Ø. Î. Êóëîí (1736–1806), Ý. Ê. Ýðñòåä (1777–1862), Æ. Á. Áèî (1774–1862), Ï. Ñ. Ëàïëàñ (1749–1827), Ê. Ô. Ãàóññ (1777–1855), À. Ì. Àìïåð (1775–1836), Ì. Ôàðàäåé (1791–1867), Ã. Ð. Ãåðö (1857–1894) è ìíîãèõ äðóãèõ, ýëåêòðè÷åñêèå è ìàãíèòíûå ÿâëåíèÿ áûëè óæå òàê õîðîøî èçó÷åíû, ÷òî îêàçàëîñü âîçìîæíûì ïîñòðîèòü åäèíóþ ñòðîéíóþ òåîðèþ ýëåêòðîìàãíåòèçìà. Òâîðöîì êëàññè÷åñêîé ýëåêòðîäèíàìèêè ñòàë Äæåéìñ Êëàðê Ìàêñâåëë (1831–1879). Ìàêñâåëë ñîñòàâèë ñèñòåìó óðàâíåíèé, îïèñûâàþùèõ âçàèìîäåéñòâèå ïîäâèæíûõ è íåïîäâèæíûõ çàðÿäîâ; ýëåêòðè÷åñêèõ è ìàãíèòíûõ ïîëåé; ïðîöåññ ðàñïðîñòðàíåíèÿ ïåðåìåííûõ ýëåêòðîìàãíèòíûõ ïîëåé â ïðîñòðàíñòâå. Ñëåäñòâèåì óðàâíåíèé Ìàêñâåëëà ñòàë ôàêò ïîñòîÿíñòâà ñêîðîñòè ðàñïðîñòðàíåíèÿ ýëåêòðîìàãíèòíûõ âîëí, êîòîðûé íå áûë îáúÿñíåí â ðàìêàõ òåîðèè Ìàêñâåëëà. Ðåøàþùèé âêëàä â ñòàíîâëåíèå è ðàçâèòèå òåðìîäèíàìèêè è ñòàòèñòè÷åñêîé ôèçèêè âíåñëè Ä. Ê. Ìàêñâåëë, Ä. Ó. Ãèááñ (1839– 1903), Ã. Ë. Ãåëüìãîëüö (1821–1894), Ë. Áîëüöìàí (1844–1906), Ð. Êëàóçèóñ (1822–1888) è ðÿä äðóãèõ ó÷åíûõ, îäíî ïåðå÷èñëåíèå êîòîðûõ, äàæå áåç óïîìèíàíèÿ ðàáîò, çàíÿëî áû íå îäíó ñòðàíèöó. Âî âòîðîé ïîëîâèíå XIX âåêà áûëè ñôîðìóëèðîâàíû ïåðâîå è âòîðîå íà÷àëà òåðìîäèíàìèêè, ñôîðìóëèðîâàíû îñíîâíûå çàêîíû ìîëåêóëÿðíî-êèíåòè÷åñêîé òåîðèè ãàçîâ è òâåðäûõ òåë, ðàçâèò âåðîÿòíîñòíûé ìåòîä ïîäõîäà ê îïèñàíèþ òåïëîâûõ ÿâëåíèé. Ñóùåñòâåííî, ÷òî òåðìîäèíàìèêà è ñòàòèñòè÷åñêàÿ ôèçèêà áàçèðîâàëèñü íà óòâåðæäåíèè, ÷òî äâèæåíèå àòîìîâ è ìîëåêóë îïèñûâàåòñÿ êëàññè÷åñêîé ìåõàíèêîé.  îñíîâå âñåõ òåîðèé ëåæàë òåçèñ î íåïðåðûâíîñòè âñåõ ïðîöåññîâ â ïðèðîäå. Ïðèíöèïèàëüíî íîâûõ ïîëîæåíèé ïðè îïèñàíèè äâèæåíèÿ íà àòîìíî-ìîëåêóëÿðíîì óðîâíå ïî ñðàâíåíèþ ñ êëàññè÷åñêîé ìåõàíèêîé íå ââîäèëîñü. Ýêñïåðèìåíòàëüíûå îñíîâû íîâîãî ýòàïà ðàçâèòèÿ ôèçèêè áûëè çàëîæåíû íà ðóáåæå XIX–XX âåêîâ. Äâàäöàòûå ãîäû íàøåãî ñòîëåòèÿ ïðèíÿòî ñ÷èòàòü íà÷àëîì íîâîãî òðåòüåãî ýòàïà ðàçâèòèÿ ôèçèêè – ýòàïà êâàíòîâîé ôèçèêè. Ïåðå÷èñëèì ëèøü íåêîòîðûå ÿâëåíèÿ è îòêðûòèÿ, êîòîðûì íå áûëî ìåñòà â ðàìêàõ ñòàðûõ ìåõàíèñòè÷åñêèõ òåîðèé, è êîòîðûå ïåðåâåðíóëè ñòàðóþ ôèçèêó. Óïîìÿíåì èçëó÷åíèå ðàçðåæåííûõ ãàçîâ è íàãðåòûõ òâåðäûõ òåë, îòêðûòèå 30
ýëåêòðîíà, ÿâëåíèÿ ðàäèîàêòèâíîñòè, ôîòîýôôåêòà, àòîìíîãî ÿäðà è, íàêîíåö, ñîçäàíèå òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè. Íà÷àëîì àòîìíîãî âåêà ìîæíî ñ÷èòàòü äâå äàòû. Ïåðâàÿ – 1942 ãîä, êîãäà ïîä ðóêîâîäñòâîì Ý. Ôåðìè (1901–1954) áûë çàïóùåí ïåðâûé ÿäåðíûé ðåàêòîð è ÷åëîâå÷åñòâî âïåðâûå çà ñâîþ èñòîðèþ ïîëó÷èëî ýíåðãèþ íå îò Ñîëíöà, à ïðèíöèïèàëüíî íîâóþ – àòîìíóþ. Ëåòîì 1945 ãîäà áûëî ïðîâåäåíî èñïûòàíèå ïåðâîãî àòîìíîãî îðóæèÿ, è ýòî òîæå âåõà â ðàçâèòèè ÷åëîâå÷åñòâà – ïðàêòè÷åñêîå ïðèìåíåíèå íîâîãî âèäà ýíåðãèè. Îäíàêî ýòèì ñîáûòèÿì ïðåäøåñòâîâàë äîêëàä Ìàêñà Ïëàíêà (1848–1947) â Áåðëèíñêîì óíèâåðñèòåòå â 1900 ãîäó î ïîëó÷åííîé èì íîâîé ôîðìóëå èçëó÷åíèÿ. Ïëàíê îòêðûë ýëåìåíòàðíûé êâàíò äåéñòâèÿ, íîâóþ åñòåñòâåííóþ êîíñòàíòó, è ýòî îòêðûòèå ïîëîæèëî íà÷àëî íîâîé ýïîõå â ðàçâèòèè ôèçèêè. Îíî ïîêàçàëî, ÷òî òåçèñ î áåñêîíå÷íîé íåïðåðûâíîñòè âñåõ äåéñòâèé â ïðèðîäå áûë çàáëóæäåíèåì. Âûÿñíèëîñü, ÷òî â ïðèðîäå áûâàþò èçìåíåíèÿ, êîòîðûå ïðîèñõîäÿò íå ïëàâíî, à ñêà÷êîì – "âçðûâîîáðàçíî", êàê ñêàçàë ñàì Ïëàíê. Ðåçóëüòàòîì îòêðûòèÿ Ïëàíêà ñòàë îòêàç îò ïðèíöèïà "Natura non facit saltus" (ïðèðîäà íè÷åãî íå äåëàåò ñêà÷êîì), êîòîðûé âëàäåë óìàìè íàòóðôèëîñîôîâ ñî âðåìåí È. Íüþòîíà (1643– 1727) è Ã. Â. Ëåéáíèöà (1646–1716). Îòêðûòèå Ïëàíêà ýïîõàëüíîå, ðåâîëþöèîííîå. Çíà÷åíèå åãî íå ñíèæàåò äàæå òîò ôàêò, ÷òî äî êîíöà æèçíè ñàì Ïëàíê ñ÷èòàë êâàíòû íè ÷åì èíûì, êàê àáñòðàêöèåé, ìîäåëüþ, êîòîðàÿ íå èìååò íè÷åãî îáùåãî ñ äåéñòâèòåëüíîñòüþ. Äðóãèå èññëåäîâàòåëè, ìåíåå ïðèâåðæåííûå ê òðàäèöèè, ÷åì îí, âñêîðå çíà÷èòåëüíî îáîãíàëè è ðàçâèëè íîâûå îáëàñòè è ðàçäåëû ñîâðåìåííîé ôèçèêè.  ñîâðåìåííîé ôèçèêå âîçíèê ðÿä íîâûõ íàïðàâëåíèé, íåâåäîìûõ êëàññè÷åñêîé. Îãðàíè÷èìñÿ ïåðå÷èñëåíèåì ëèøü íåêîòîðûõ è î÷åðòèì êðóã çàäà÷, ñòîÿùèõ ïåðåä íèìè. Ôèçèêà ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö. Åå îñíîâíîé ïðîáëåìîé áûëî è îñòàåòñÿ èññëåäîâàíèå ìàòåðèè íà óðîâíå ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö. Íå âñå òåîðåòè÷åñêèå ïîëîæåíèÿ ýòîãî ðàçäåëà ôèçèêè ïîëó÷èëè ïðÿìîå ïîäòâåðæäåíèå ýêñïåðèìåíòàìè. Îáøèðíûé ýêñïåðèìåíòàëüíûé ìàòåðèàëà äî ñèõ ïîð íå îáîáùåí. Ñóùåñòâóþò òîëüêî ïîïûòêè ïîñòðîåíèÿ òåîðèè, îáúåäèíÿþùåé âñå âèäû âçàèìîäåéñòâèé: ãðàâèòàöèîííîå, ýëåêòðîìàãíèòíîå, ñëàáîå è ñèëüíîå. Ôèçèêà ÿäðà.  30-õ ãîäàõ áûëà ñîçäàíà ïðîòîííî-íåéòðîííàÿ ìîäåëü ÿäðà, áûë äîñòèãíóò áîëüøîé ïðîãðåññ â ïîíèìàíèè ñòðóêòóðû ÿäåð è äîñòèãíóò áîëüøîé óñïåõ â ïðàêòè÷åñêîì ïðèìåíåíèè ÿäåðíûõ ðåàêöèé. Îäíà èç âàæíåéøèõ çàäà÷ â ýòîé îáëàñòè – ðåøå31
íèå ïðîáëåìû óïðàâëÿåìîãî òåðìîÿäåðíîãî ñèíòåçà. Ðàáîòû â ýòîì íàïðàâëåíèè âåäóòñÿ îáúåäèíåííûìè óñèëèÿìè èññëåäîâàòåëåé èç ðÿäà ñòðàí. Àñòðîôèçèêà. Ðàçâèòèå ôèçèêè ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö è àòîìíîãî ÿäðà ïîçâîëèëî ïðèáëèçèòñÿ ê ïîíèìàíèþ òàêèõ ñëîæíûõ ïðîáëåì, êàê ýâîëþöèÿ Âñåëåííîé íà ðàííèõ ñòàäèÿõ åå ðàçâèòèÿ, ýâîëþöèÿ çâåçä, îáðàçîâàíèå õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ. Îäíàêî íåñìîòðÿ íà âïå÷àòëÿþùèå äîñòèæåíèÿ ñîâðåìåííîé àñòðîôèçèêè, îñòàåòñÿ íåÿñíûì, êàêîâî ñòðîåíèå ìàòåðèè ïðè îãðîìíûõ ïëîòíîñòÿõ âíóòðè íåéòðîííûõ çâåçä è "÷åðíûõ äûð". Íå âûÿñíåíà ïðèðîäà êâàçàðîâ è ïðè÷èíà âñïûøåê ñâåðõíîâûõ çâåçä.  öåëîì, ìîæíî ñ÷èòàòü, ÷òî ïîëîæåíî òîëüêî íà÷àëî ðåøåíèþ ïðîáëåìû ýâîëþöèè Âñåëåííîé. Îïòèêà è êâàíòîâàÿ ýëåêòðîíèêà. Íà ôóíäàìåíòå êâàíòîâîé òåîðèè èçëó÷åíèÿ, çàëîæåííîé À. Ýéíøòåéíîì, âîçíèêëà íîâàÿ íàóêà – êâàíòîâàÿ ýëåêòðîíèêà. Óñïåõè â ýòîé îáëàñòè ñâÿçàíû, â ïåðâóþ î÷åðåäü ñ ñîçäàíèåì ñâåðõ÷óâñòâèòåëüíûõ ïðèåìíûõ ñèñòåì è ïðèíöèïèàëüíî íîâûõ èñòî÷íèêîâ ñâåòà – ëàçåðîâ èëè îïòè÷åñêèõ êâàíòîâûõ ãåíåðàòîðîâ. Èõ ñâîéñòâà óíèêàëüíû ïî ñâîèì ïàðàìåòðàì. Ñîçäàíèå ëàçåðîâ äàëî æèçíü íîâîìó ðàçäåëó îïòèêè – íåëèíåéíîé îïòèêå. Ïðàêòè÷åñêè ñòðîãàÿ ìîíîõðîìàòè÷íîñòü ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ ïîçâîëÿåò ïîëó÷èòü îáúåìíîå èçîáðàæåíèå îáúåêòà – ãîëîãðàììó. Âåäóòñÿ ðàáîòû ïî èñïîëüçîâàíèþ ëàçåðîâ â óïðàâëÿåìûõ òåðìîÿäåðíûõ ðåàêöèÿõ. Ðàçâèòèå ýòîé îáëàñòè ñâÿçàíî ñ äàëüíåéøèì ïîâûøåíèåì ìîùíîñòè ëàçåðîâ è ñ ðàñøèðåíèåì äèàïàçîíà ðàáî÷èõ ÷àñòîò. Ñåé÷àñ ñòîèò çàäà÷à ñîçäàíèÿ ðåíòãåíîâñêèõ è ãàììà-ëàçåðîâ. Ôèçèêà ïëàçìû. Âàæíîñòü èçó÷åíèÿ ïëàçìû ñâÿçàíà ñ äâóìÿ îáñòîÿòåëüñòâàìè. Âî-ïåðâûõ, â ïëàçìåííîì ñîñòîÿíèè íàõîäèòñÿ ïîäàâëÿþùàÿ ÷àñòü âåùåñòâà Âñåëåííîé. Âî-âòîðûõ, èìåííî â âûñîêîòåìïåðàòóðíîé ïëàçìå èìååòñÿ âîçìîæíîñòü îñóùåñòâèòü óïðàâëÿåìóþ òåðìîÿäåðíóþ ðåàêöèþ. Ïîëó÷åíèå òàêèõ ðåàêöèé ïîçâîëèò äàòü ÷åëîâå÷åñòâó ïðàêòè÷åñêè âå÷íûé ýêîëîãè÷åñêè ÷èñòûé èñòî÷íèê ýíåðãèè. Ýòà ïðîáëåìà î÷åíü àêòóàëüíà, ïîñêîëüêó óæå â áëèæàéøåå âðåìÿ ÷åëîâå÷åñòâî ñòîëêíåòñÿ ñ ïðîáëåìîé ýíåðãåòè÷åñêîãî ãîëîäà. Ôèçèêà òâåðäîãî òåëà. Ïîæàëóé, íè îäèí èç ðàçäåëîâ ôèçèêè íå èìååò ñòîëüêèõ îòâåòâëåíèé â ïðèêëàäíûå îáëàñòè, êàê ýòîò. Ïðîãðåññ â êîìïüþòåðîñòðîåíèè öåëèêîì áàçèðóåòñÿ íà äîñòèæåíèÿõ ôèçèêè òâåðäîãî òåëà. Òóííåëüíûé ýôôåêò – ÿâëåíèå èç îáëàñòè êâàíòîâîé ôèçèêè, çàêëþ÷àåòñÿ â ñïîñîáíîñòè ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö ïðîíèêàòü ñêâîçü áàðüåð, êîòîðûé ÷àñòèöà â êëàññè÷åñêîé ôèçèêå 32
íå ìîæåò ïðîéòè â ïðèíöèïå. Íà îñíîâå òóííåëüíîãî ýôôåêòà ñîçäàíû ñïåöèàëüíûå ïðèáîðû – òóííåëüíûå ìèêðîñêîïû, êîòîðûå ïîçâîëÿþò íàáëþäàòü îòäåëüíûå àòîìû. Ïðîãðåññ â ýòîé îáëàñòè çàøåë òàê äàëåêî, ÷òî êîëëåêòèâó ñîòðóäíèêîâ ôèðìû IBM óäàëîñü íàïèñàòü íàçâàíèå ôèðìû áóêâàìè, ðàçìåðîì âñåãî â ïÿòü àòîìîâ ïî âûñîòå. Ïî-âèäèìîìó, ýòî ñàìàÿ ýôôåêòíàÿ ðåêëàìà â ìèðå. Ðàçìåð ýòèõ áóêâ âî ñòîëüêî æå ðàç ìåíüøå áóêâ, íàïèñàííûõ Ëåâøîé íà ïîäêîâå áëîõè, âî ñêîëüêî ïåñ÷èíêà ìåíüøå Ýéôåëåâîé áàøíè. Ñâåðõïðîâîäèìîñòü – îñîáîå ñîñòîÿíèå íåêîòîðûõ âåùåñòâ, îòêðûòîå äîñòàòî÷íî äàâíî. Îíî çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî ïðè òåìïåðàòóðàõ ïîðÿäêà 5B20° Ê ýëåêòðè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå ñîâåðøåííî èñ÷åçàåò. Òîê ìîæåò öèðêóëèðîâàòü â òàêîì ïðîâîäíèêå ãîäàìè.  íàñòîÿùåå âðåìÿ ñèíòåçèðîâàíû ìàòåðèàëû, â êîòîðûõ ñâåðõïðîâîäèìîñòü âîçíèêàåò ïðè òåìïåðàòóðàõ 100B150° Ê. Òàêèå ìàòåðèàëû ìîãóò øèðîêî èñïîëüçîâàòüñÿ â íàóêå è òåõíèêå.  çàêëþ÷åíèå îòìåòèì, ÷òî âàæíåéøåé îñîáåííîñòüþ ñîâðåìåííîãî ôèçè÷åñêîãî ýêñïåðèìåíòà ñòàëà íåèçìåðèìî âîçðîñøàÿ ðîëü èçìåðèòåëüíîé è âû÷èñëèòåëüíîé òåõíèêè. Ñîâðåìåííûå èññëåäîâàíèÿ âåäóòñÿ îáû÷íî íà áîëüøèõ óñòàíîâêàõ è òðåáóþò çíà÷èòåëüíûõ çàòðàò. Ðàçâèòûå ñòðàíû èäóò íà ýòî, è íå òîëüêî ïîòîìó, ÷òî åñòåñòâåííûå íàóêè ñîñòàâëÿþò ÷àñòü êóëüòóðû ÷åëîâå÷åñòâà, íî è ïîòîìó, ÷òî èìåííî îíè ïîçâîëÿþò óâåëè÷èâàòü öåëîñòíîñòü, íåçàâèñèìîñòü è áëàãîñîñòîÿíèå ãîñóäàðñòâà. Ãëàâà 8. Âåùåñòâî è ìàññà, ïðèíöèï ýêâèâàëåíòíîñòè  ôèçèêå ïîä âåùåñòâîì ïîäðàçóìåâàþò òàêîé âèä ìàòåðèè, êîòîðûé îáëàäàåò ìàññîé ïîêîÿ, ò. å. â ñîñòîÿíèè íåïîäâèæíîñòè (õîòÿ áû è îòíîñèòåëüíîé) ìàññà ñèñòåìû íå ðàâíà íóëþ.  êîíå÷íîì ñ÷åòå, âåùåñòâî ñëàãàåòñÿ èç àòîìîâ (èëè ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö).  ñëåäóþùèõ ðàçäåëàõ ìû óçíàåì, ÷òî ñóùåñòâóþò ÷àñòèöû, èìåþùèå íóëåâóþ èëè ìíèìóþ ìàññó ïîêîÿ; òàêèå ÷àñòèöû ìîãóò ñóùåñòâîâàòü òîëüêî â äâèæåíèè. Âåùåñòâî âñåãäà ëîêàëèçîâàíî â îãðàíè÷åííîé ÷àñòè ïðîñòðàíñòâà. Åãî ïîëîæåíèå ìîæíî çàäàòü ñ ïîìîùüþ îãðàíè÷åííîãî ÷èñëà ïàðàìåòðîâ, êîòîðûå ïðèíÿòî íàçûâàòü ñòåïåíÿìè ñâîáîäû.  ïðîñòåéøåì ñëó÷àå äâèæåíèÿ òî÷êè, åå ïîëîæåíèå â ïðîñòðàíñòâå çàäàåòñÿ 3 íåçàâèñèìûìè êîîðäèíàòàìè (ñòåïåíÿìè ñâîáîäû). Äàæå êîãäà âåùåñòâî íåëüçÿ ìîäåëèðîâàòü òî÷êîé (íàïðèìåð, òâåðäîå òåëî), åãî ïîëîæåíèå âñå ðàâíî îïðåäåëÿåòñÿ êîíå÷íûì ÷èñëîì íåçàâèñèìûõ êîîðäèíàò – ñòåïåíåé ñâîáîäû. Åñëè âåùåñòâî ñîñòîèò èç N àòîìîâ, òî ìû ìîæåì îïèñàòü ïîëîæåíèå êàæäîãî àòîìà â îòäåëüíî33
ñòè. Âñåãî ïîòðåáóåòñÿ çàäàòü 3 N ïàðàìåòðîâ. Ðåàëüíî àòîìû îáðàçóþò ñâÿçè; êàæäàÿ ñâÿçü ïðåâðàùàåò îäíó èç íåçàâèñèìûõ êîîðäèíàò â çàâèñèìóþ, è ÷èñëî íåçàâèñèìûõ ïàðàìåòðîâ (êîîðäèíàò) óìåíüøàåòñÿ. Ïîëîæåíèå òâåðäîãî òåëà, îêàçûâàåòñÿ, ìîæíî çàäàòü âñåãî ëèøü 6 ïàðàìåòðàìè: òðåìÿ êîîðäèíàòàìè – ïîëîæåíèå öåíòðà ìàññ òåëà è åùå òðåìÿ óãëàìè – åãî îðèåíòàöèþ (ðàçâîðîò) îòíîñèòåëüíî êîîðäèíàòíûõ îñåé.  íàñòîÿùåé è â ïðîøëûõ ãëàâàõ óïîìèíàëîñü ïîíÿòèå ìàññû, êîòîðîå òðåáóåò äîïîëíèòåëüíîãî îáñóæäåíèÿ.  íà÷àëå íàøåãî êóðñà ãîâîðèëîñü, ÷òî ìàññà õàðàêòåðèçóåò êîëè÷åñòâî ìàòåðèè. Ýòà ôîðìóëèðîâêà êà÷åñòâåííàÿ. Îíà òðåáóåò óòî÷íåíèÿ. Ïðàâèëüíåå ãîâîðèòü, ÷òî ìàññà – îäíà èç îñíîâíûõ õàðàêòåðèñòèê ìàòåðèè, îïðåäåëÿþùàÿ åå èíåðöèîííûå è ãðàâèòàöèîííûå ñâîéñòâà. Îñòàíîâèìñÿ íà ýòîì âîïðîñå ïîäðîáíåå.  òåîðèè Íüþòîíà ìàññà ðàññìàòðèâàëàñü, êàê êîëè÷åñòâî âåùåñòâà. Ïîíÿòèå ìàññû ââåë â ìåõàíèêó È. Íüþòîí, äàâàÿ îïðåäåëåíèå èìïóëüñà – P = mv. Ìàññîé îí íàçâàë êîýôôèöèåíò ïðîïîðöèîíàëüíîñòè m, ïîñòîÿííóþ äëÿ òåëà âåëè÷èíó. Ýêâèâàëåíòíîå îïðåäåëåíèå ìàññû âûòåêàåò è èç âòîðîãî çàêîíà Íüþòîíà: F = ma. Çäåñü ìàññà – ýòî êîýôôèöèåíò ïðîïîðöèîíàëüíîñòè ìåæäó ðåçóëüòèðóþùåé ñèëîé è âûçûâàåìûì åþ óñêîðåíèåì. Îïðåäåëåííàÿ òàêèì îáðàçîì ìàññà õàðàêòåðèçóåò èíåðòíîñòü òåëà. Óòî÷íèì, ÷åì áîëüøå ìàññà òåëà, òåì ìåíüøåå óñêîðåíèå îíî ïðèîáðåòàåò ïîä äåéñòâèåì ïîñòîÿííîé ñèëû. Îïðåäåëåííàÿ òàêèì îáðàçîì ìàññà íàçûâàåòñÿ èíåðòíîé.  òåîðèè ãðàâèòàöèè È. Íüþòîíà ìàññà âûñòóïàåò êàê èñòî÷íèê ïîëÿ ñèë òÿãîòåíèÿ. Êàæäàÿ ìàññà ñîçäàåò âîêðóã ñåáÿ ïîëå ñèë òÿãîòåíèÿ (ãðàâèòàöèîííîå ïîëå). Íà ëþáîå òåëî, ïîìåùåííîå â ýòî ïîëå, äåéñòâóåò ñèëà, ïðîïîðöèîíàëüíàÿ åãî ñîáñòâåííîé ìàññå, ìàññå èñòî÷íèêà è íàïðàâëåííàÿ ê èñòî÷íèêó. Ýòî çíà÷èò, ÷òî ãðàâèòàöèîííûå ñèëû âñåãäà ÿâëÿþòñÿ ñèëàìè ïðèòÿæåíèÿ. Çàêîí âñåìèðíîãî òÿãîòåíèÿ ôîðìóëèðóåòñÿ â ñëåäóþùåì âèäå:
F=G
m1m2
, (8.1) r2 ãäå G = 6,670⋅10–11ì3/(êã⋅ñ2) – ãðàâèòàöèîííàÿ ïîñòîÿííàÿ; m1 è m2 – ìàññû òåë; r – ðàññòîÿíèå ìåæäó òåëàìè. Èç ýòîé ôîðìóëû ìîæíî ïîëó÷èòü ñâÿçü ìåæäó ìàññîé òåëà è åãî âåñîì Ð â ïîëå òÿãîòåíèÿ Çåìëè, åñëè ñ÷èòàòü, ÷òî m1 – ìàññà òåëà; m2 = M – ìàññà Çåìëè; à r = Rç – ðàäèóñ Çåìëè: Ð=G 34
mM R32
=
GM R32
= mg ,
ò. å. P = mg .
(8.2)
Îïðåäåëåííàÿ òàêèì îáðàçîì ìàññà íàçûâàåòñÿ ãðàâèòàöèîííîé.  ïðèíöèïå, íèîòêóäà íå ñëåäóåò, ÷òî ìàññà, ñîçäàþùàÿ ïîëå òÿãîòåíèÿ, è ìàññà, îïðåäåëÿþùàÿ èíåðöèþ òåëà, – îäèíàêîâû. Îäíàêî ñïåöèàëüíûå îïûòû ïîêàçàëè, ÷òî èíåðöèîííàÿ è ãðàâèòàöèîííàÿ ìàññû ïðè âûáîðå îäèíàêîâîé ñèñòåìû åäèíèö ðàâíû. Ýòîò ôóíäàìåíòàëüíûé çàêîí ïðèðîäû íàçûâàåòñÿ ïðèíöèïîì ýêâèâàëåíòíîñòè ìàññ. Ýêñïåðèìåíòàëüíî ýòîò ïðèíöèï áûë ïðîâåðåí â 1971 ãîäó ñ î÷åíü âûñîêîé òî÷íîñòüþ – 10–12.  êëàññè÷åñêîé ôèçèêå ñ÷èòàëîñü, ÷òî ìàññà òåëà íå ìåíÿåòñÿ íè â êàêèõ ïðîöåññàõ. Ýòî óòâåðæäåíèå ôîðìóëèðîâàëîñü â âèäå çàêîíà ñîõðàíåíèÿ ìàññû. Ïîíÿòèå ìàññû ïðèîáðåëî áîëåå ãëóáîêèé ñìûñë â ðàìêàõ ðåëÿòèâèñòñêîé ìåõàíèêè èëè òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè, ðàññìàòðèâàþùåé äâèæåíèå òåë ñ áîëüøèìè ñêîðîñòÿìè. Ðåëÿòèâèñòñêàÿ ìåõàíèêà ïîêàçûâàåò, ÷òî íå ñóùåñòâóåò ïî îòäåëüíîñòè çàêîíîâ ñîõðàíåíèÿ ìàññû è ýíåðãèè. Îíè ñëèòû âîåäèíî. Ýòî åñòåñòâåííî, òàê êàê ìàòåðèÿ (êîëè÷åñòâî êîòîðîé õàðàêòåðèçóåòñÿ ìàññîé) íåâîçìîæíà áåç äâèæåíèÿ (êîëè÷åñòâî êîòîðîé õàðàêòåðèçóåòñÿ ýíåðãèåé). Ïîäðîáíåå ðàññìîòðèì ýòîò âîïðîñ ïîñëå èçó÷åíèÿ çàêîíîâ ñîõðàíåíèÿ è ñïåöèàëüíîé òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè. Ïðèðîäà ìàññû – âàæíåéøèé, äî ñèõ ïîð íå ðåøåííûé âîïðîñ ôèçèêè. Ïðèíÿòî ñ÷èòàòü, ÷òî ìàññû ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö îïðåäåëÿþòñÿ ïîëÿìè, ñ íèìè ñâÿçàííûìè. Îäíàêî äî íàñòîÿùåãî âðåìåíè íå ñîçäàíà êîëè÷åñòâåííàÿ òåîðèÿ ìàññû. Íå ñóùåñòâóåò òåîðèé, îáúÿñíÿþùèõ, ïî÷åìó ìàññû ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö îáðàçóþò íå íåïðåðûâíûé, à äèñêðåòíûé, ò. å. ïðåðûâíûé ñïåêòð çíà÷åíèé, è òåì áîëåå, ïîçâîëÿþùèõ ðàññ÷èòàòü ýòè çíà÷åíèÿ. Ãëàâà 9. Âçàèìîäåéñòâèå, ïîëå. Ïðèíöèïû áëèçêîäåéñòâèÿ è äàëüíîäåéñòâèÿ Óæå íåñêîëüêî ðàç óïîìèíàëîñü ïîíÿòèå ïîëå. ×òî æå ñëåäóåò ïîä íèì ïîíèìàòü?  ìåõàíèêå Íüþòîíà âçàèìîäåéñòâèå òåë êîëè÷åñòâåííî õàðàêòåðèçóåòñÿ ñèëîé. Áîëåå îáùåé õàðàêòåðèñòèêîé âçàèìîäåéñòâèÿ òåë ÿâëÿåòñÿ ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèÿ. Íî íå äëÿ âñåõ ñèë îíà ìîæåò áûòü ââåäåíà. Ïåðâîíà÷àëüíî â êëàññè÷åñêîé ìåõàíèêå óòâåðäèëàñü êîíöåïöèÿ, ÷òî âçàèìîäåéñòâèå ìåæäó òåëàìè ïðîèñõîäèò ÷åðåç ïóñòîå ïðîñòðàíñòâî, êîòîðîå íå ïðèíèìàåò ó÷àñòèÿ âî âçàèìîäåéñòâèè, ïåðåäà÷à âçàèìîäåéñòâèÿ ïðîèñõîäèò ìãíîâåííî. Òàê, íàïðèìåð, ñ÷èòàëîñü, ÷òî ïåðåìåùåíèå Çåìëè ìãíîâåííî ïðèâîäèò ê èçìåíåíèþ ñèëû òÿãîòåíèÿ, äåéñòâóþùåé íà Ëóíó.  ýòîì è ñîñòîÿëà òàê íàçûâàåìàÿ êîíöåïöèÿ äàëüíîäåéñòâèÿ. Ïî ñóòè äåëà óòâåðæäàëàñü âîçìîæíîñòü 35
ìãíîâåííîé ïåðåäà÷è êàêîãî-ëèáî âîçäåéñòâèÿ îò îäíîãî òåëà äðóãîìó. Ïðè ýòîì íå îãîâàðèâàëñÿ ìåõàíèçì ýòîé ïåðåäà÷è. Îäíàêî äàííûå ïðåäñòàâëåíèÿ áûëè îòêèíóòû, êàê íå ñîîòâåòñòâóþùèå ðåàëüíûì, ïîñëå îòêðûòèÿ è èññëåäîâàíèÿ ýëåêòðè÷åñêèõ è ìàãíèòíûõ ïîëåé. Ïîíÿòèå ïîëÿ â ïðèìåíåíèè ê ýëåêòðè÷åñêîìó è ìàãíèòíîìó ïîëÿì áûëî ââåäåíî â 30-õ ãîäàõ XIX âåêà Ì. Ôàðàäååì. Êîíöåïöèÿ ïîëÿ áûëà âîçðîæäåíèåì òåîðèè áëèçêîäåéñòâèÿ, îñíîâîïîëîæíèêîì êîòîðîé áûë Ð. Äåêàðò. Ñîãëàñíî åãî êîíöåïöèè áëèçêîäåéñòâèÿ âçàèìîäåéñòâóþùèå òåëà ñîçäàþò â êàæäîé òî÷êå îêðóæàþùåãî èõ ïðîñòðàíñòâà îñîáîå ñîñòîÿíèå – ïîëå, êîòîðîå ïðîÿâëÿåòñÿ â ñèëîâîì âîçäåéñòâèè íà äðóãèå òåëà, â ýòè ïîëÿ ïîìåùåííûå. Ýêñïåðèìåíòàëüíî áûëî ïîêàçàíî, ÷òî âçàèìîäåéñòâèå ýëåêòðè÷åñêè çàðÿæåííûõ òåë îñóùåñòâëÿåòñÿ íå ìãíîâåííî. Ïåðåìåùåíèå îäíîé çàðÿæåííîé ÷àñòèöû ïðèâîäèò ê èçìåíåíèþ ñèë, äåéñòâóþùèõ íà äðóãóþ çàðÿæåííóþ ÷àñòèöó, íå â òîò æå ìîìåíò, à ñïóñòÿ íåêîòîðîå âðåìÿ.  ðàçäåëÿþùåì ÷àñòèöû ïðîñòðàíñòâå ïðîèñõîäèò íåêîòîðûé ïðîöåññ, êîòîðûé ðàñïðîñòðàíÿåòñÿ ñ êîíå÷íîé, õîòÿ è î÷åíü áîëüøîé ñêîðîñòüþ. Áûë ñäåëàí âûâîä, ÷òî èìååòñÿ ïîñðåäíèê, îñóùåñòâëÿþùèé âçàèìîäåéñòâèå ìåæäó çàðÿæåííûìè ÷àñòèöàìè. Ýòîò ïîñðåäíèê áûë íàçâàí ýëåêòðîìàãíèòíûì ïîëåì. Êàæäàÿ çàðÿæåííàÿ ÷àñòèöà ñîçäàåò âîêðóã ñåáÿ ýëåêòðîìàãíèòíîå ïîëå, äåéñòâóþùåå íà äðóãèå çàðÿæåííûå ÷àñòèöû. Ñêîðîñòü ðàñïðîñòðàíåíèÿ ýëåêòðîìàãíèòíûõ âîëí íå ïðåâûøàåò ñêîðîñòè èõ ðàñïðîñòðàíåíèÿ â âàêóóìå, ðàâíîé 3⋅108 ì/ñ. Òàêèì îáðàçîì, âîçíèêëà íîâàÿ êîíöåïöèÿ – êîíöåïöèÿ áëèçêîäåéñòâèÿ. Ñîãëàñíî ýòîé êîíöåïöèè, âçàèìîäåéñòâèå ìåæäó òåëàìè îñóùåñòâëÿåòñÿ ïîñðåäñòâîì òåõ èëè èíûõ ïîëåé, íåïðåðûâíî ðàñïðåäåëåííûõ â ïðîñòðàíñòâå. Âñåìèðíîå òÿãîòåíèå, íàïðèìåð, îñóùåñòâëÿåòñÿ çà ñ÷åò ãðàâèòàöèîííûõ ïîëåé. Âçàèìîäåéñòâèå òåë ïåðåäàåòñÿ íå ìãíîâåííî, à ÷åðåç íåêîòîðûé ïðîìåæóòîê âðåìåíè. Ñêîðîñòü ïåðåäà÷è âçàèìîäåéñòâèÿ îãðàíè÷åíà ñêîðîñòüþ ñâåòà â âàêóóìå.  ñîâðåìåííîé ôèçèêå ñóùåñòâóåò êâàíòîâàÿ òåîðèÿ ïîëÿ. Ñîãëàñíî ýòîé òåîðèè, ëþáîå ïîëå íå íåïðåðûâíî, à äèñêðåòíî. Äèñêðåòíîñòü îçíà÷àåò íàëè÷èå íåêîòîðûõ ÷àñòèö ïîëÿ – êâàíòîâ. Êàæäîìó ïîëþ ñîîòâåòñòâóþò ñâîè ÷àñòèöû. Íàïðèìåð, ýëåêòðîìàãíèòíîìó ïîëþ ñîîòâåòñòâóþò êâàíòû, íàçûâàåìûå ôîòîíàìè, èçâåñòíûìè èç øêîëüíîãî êóðñà ôèçèêè. Ôîòîíû – ýòî ïåðåíîñ÷èêè ýëåêòðîìàãíèòíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ. Êàê íàãëÿäíî ïðåäñòàâèòü ñåáå ïðîöåññ âçàèìîäåéñòâèÿ ïîñðåäñòâîì êâàíòîâ ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ. Äîïóñòèì âû ñòîèòå â ëîäêå, âàø ïðèÿòåëü òîæå ñòîèò â äðóãîé ëîäêå. Âàì íàäî ñäâèíóòüñÿ òàê, ÷òîáû â ëîäêå íè÷åãî íå èçìåíèëîñü. Íåëüçÿ êàñàòüñÿ äðóãîé 36
ëîäêè è ñâîåãî ïðèÿòåëÿ, íåëüçÿ ïðîñòî âûêèíóòü ÷òî-ëèáî èç ëîäêè. Ïðîùå âñåãî ïðèéòè â äâèæåíèå, ïåðåêèíóâøèñü ñ ïðèÿòåëåì êàêèìè-òî îäèíàêîâûìè âåùàìè, íàïðèìåð, âåñëàìè. Âû êàê áû îòòîëêíåòåñü äðóã îò äðóãà, íå êàñàÿñü è íè÷åãî íå âûêèäûâàÿ èç ëîäîê. Òî÷íî òàêæå è òåëà, îáìåíèâàþòñÿ îäèíàêîâûìè êâàíòàìè, íè÷åãî íå òåðÿÿ, è òàêèì îáðàçîì âçàèìîäåéñòâóþò äðóã ñ äðóãîì. Íåñìîòðÿ íà âåëèêîå ìíîãîîáðàçèå âçàèìîäåéñòâèé òåë äðóã ñ äðóãîì, â ïðèðîäå ñóùåñòâóåò ÷åòûðå âèäà âçàèìîäåéñòâèé è, ñîîòâåòñòâåííî, ÷åòûðå òèïà ïîëåé. Ïåðå÷èñëèì èõ âñå â ïîðÿäêå âîçðàñòàíèÿ âåëè÷èíû âçàèìîäåéñòâèÿ. Ãðàâèòàöèîííûå âçàèìîäåéñòâèÿ îáåñïå÷èâàþò òÿãîòåíèå òåë äðóã ê äðóãó. Ñëàáûå âçàèìîäåéñòâèÿ îòâåòñòâåííû çà áîëüøèíñòâî ðàñïàäîâ è ïðåâðàùåíèé ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö. Ýëåêòðîìàãíèòíûå âçàèìîäåéñòâèÿ – ýòî âçàèìîäåéñòâèå çàðÿæåííûõ òåë. Ñèëüíûå âçàèìîäåéñòâèÿ ñâÿçûâàþò ïðîòîíû è íåéòðîíû (íóêëîíû) â àòîìíîì ÿäðå. Ðàçíûå âèäû âçàèìîäåéñòâèÿ ðàçëè÷àþòñÿ íà ìíîãî ïîðÿäêîâ ïî âåëè÷èíå äåéñòâóþùèõ ñèë. Ïðèâåäåì òàêîé ïðèìåð. Ñèëó òÿãîòåíèÿ äâóõ ïåñ÷èíîê, íàõîäÿùèõñÿ íà ðàññòîÿíèè 20 ì äðóã îò äðóãà, íåëüçÿ èçìåðèòü ñ ïîìîùüþ ñàìûõ òî÷íûõ è ñîâðåìåííûõ ïðèáîðîâ. Íî, åñëè ïåðåìåñòèòü èç âñåõ àòîìîâ îäíîé ïåñ÷èíêè ïî îäíîìó ýëåêòðîíó â àòîìû äðóãîé ïåñ÷èíêè, òî ïåñ÷èíêè áóäóò ïðèòÿãèâàòüñÿ äðóã ê äðóãó ñ ñèëîé B1010 íüþòîíîâ. Ïîñêîëüêó ïîëÿ çàäàíû â êàæäîé òî÷êå ïðîñòðàíñòâà, ò. å. â áåñêîíå÷íîì ÷èñëå òî÷åê, äëÿ èõ îïèñàíèÿ òðåáóåòñÿ íå êîíå÷íîå, à áåñêîíå÷íîå ÷èñëî ïàðàìåòðîâ – ñòåïåíåé ñâîáîäû. Ñêàçàííîå íå îçíà÷àåò, ÷òî äëÿ îïèñàíèÿ ïîëÿ íàäî ðåàëüíî çàäàâàòü áåñêîíå÷íîå ÷èñëî ïàðàìåòðîâ. Äîñòàòî÷íî óñòàíîâèòü çàêîíû, ïîçâîëÿþùèå íàõîäèòü ïîëå â êàæäîé òî÷êå ïðîñòðàíñòâà. Òàêîâûìè ÿâëÿþòñÿ: çàêîí âñåìèðíîãî òÿãîòåíèÿ äëÿ ãðàâèòàöèîííûõ ïîëåé, çàêîí Êóëîíà äëÿ ýëåêòðè÷åñêèõ ïîëåé è çàêîí Áèî-Ñàâàðà-Ëàïëàñà äëÿ ìàãíèòíûõ ïîëåé. Îñîáîé ôîðìîé ñóùåñòâîâàíèÿ ìàòåðèè ÿâëÿþòñÿ âîëíû. Âîëíà ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ïðîöåññ ðàñïðîñòðàíåíèÿ âîçìóùåíèÿ êàêîãîëèáî ôèçè÷åñêîãî ïàðàìåòðà â ïðîñòðàíñòâå. Òàê æå, êàê è ïîëÿ, âîëíà íå äåòåðìèíèðîâàíà â ïðîñòðàíñòâå, ïîñêîëüêó îíà ñ íåîáõîäèìîñòüþ ðàñïðîñòðàíÿåòñÿ â ïðîñòðàíñòâå è ñóùåñòâóåò â êàæäîé òî÷êå ïðîñòðàíñòâà. Ðàçëè÷àþò âîëíû â óïðóãèõ ñðåäàõ (ïðèìåðîì êîòîðûõ ÿâëÿþòñÿ çâóêîâûå âîëíû â ãàçàõ èëè òâåðäûõ òåëàõ), êîòîðûå ëîêàëèçîâàíû â ñàìîé ñðåäå, è âîëíû (ýëåêòðîìàãíèòíûå, ãðàâèòàöèîííûå), íå îãðàíè÷åííûå ñðåäîé, ò. å. íå ëîêàëèçîâàííûå â îãðàíè÷åííîé ÷àñòè ïðîñòðàíñòâà. 37
Ãëàâà 10. Ñîñòîÿíèå ñèñòåìû, åå èçìåíåíèå âî âðåìåíè Ïîñëå ââåäåíèÿ ïîíÿòèÿ âåùåñòâà è ïîëÿ ïåðåéäåì ê ðàññìîòðåíèþ êëàññè÷åñêèõ ïîäõîäîâ â îïèñàíèè ôèçè÷åñêèõ ÿâëåíèé.  îñíîâå ðÿäà òåîðèé åñòåñòâîçíàíèÿ, â òîì ÷èñëå êëàññè÷åñêîé ôèçèêè, ëåæèò ïðåäñòàâëåíèå î íåïðåðûâíîñòè ïðîöåññîâ èëè ÿâëåíèé. Èçìåíåíèå ñîñòîÿíèÿ ëþáîé ñèñòåìû ïðîèñõîäèò ïëàâíî, íåïðåðûâíî îò îäíîé òî÷êè ê äðóãîé. Ïðîñòåéøåé ôîðìîé äâèæåíèÿ ìàòåðèè ÿâëÿåòñÿ ìåõàíè÷åñêîå äâèæåíèå, ïîä êîòîðûì ìû ïîíèìàåì ïåðåìåùåíèå òåë â ïðîñòðàíñòâå è âðåìåíè. Íàóêà, èçó÷àþùàÿ òàêîé âèä äâèæåíèÿ ìàòåðèè, íàçûâàåòñÿ ìåõàíèêîé.  åñòåñòâîçíàíèè äëÿ îïèñàíèÿ ñèñòåì ââîäÿòñÿ ìîäåëè. Ïðîñòåéøåé ìîäåëüþ, íà êîòîðîé óäîáíî èçó÷àòü ìåõàíè÷åñêîå äâèæåíèå, ÿâëÿåòñÿ ìàòåðèàëüíàÿ òî÷êà, ò. å. òåëî, èìåþùåå ìàññó, íî íå èìåþùåå ãåîìåòðè÷åñêèõ ðàçìåðîâ. Ìàòåðèàëüíàÿ òî÷êà – ýòî àáñòðàêöèÿ, ìîäåëü; òàêèõ òåë â ïðèðîäå íå ñóùåñòâóåò. Êîãäà æå ðåàëüíóþ ñèñòåìó ìîæíî çàìåíèòü òî÷êîé? Èãðàþò ëè ïðè ýòîì ðåøàþùóþ ðîëü åå ðàçìåðû? Òåëî ìîæíî çàìåíèòü ìàòåðèàëüíîé òî÷êîé, åñëè â ðàìêàõ ïîñòàâëåííîé çàäà÷è ìîæíî ïðåíåáðå÷ü åãî ðàçìåðàìè è ôîðìîé, ò. å. åñëè ïåðåìåùåíèå òåëà ìíîãî áîëüøå ðàçìåðîâ ñàìîãî òåëà. Îäíî è òîæå òåëî â îäíèõ óñëîâèÿõ ìîæíî ñ÷èòàòü ìàòåðèàëüíîé òî÷êîé, à â äðóãèõ – íåò. Íàïðèìåð, íàøà ïëàíåòà îãðîìíà ïî ñðàâíåíèþ ñ ðàçìåðàìè ÷åëîâåêà, è åñëè ÷åëîâåê îãèáàåò çåìíîé øàð, òî åãî äâèæåíèå ìîæíî ïðåäñòàâèòü êàê äâèæåíèå òî÷êè íà îãðîìíîì ãëîáóñå.  ñâîþ î÷åðåäü, ðàçìåðû çåìíîé îðáèòû âî ñòîëüêî æå ðàç áîëüøå ðàçìåðîâ Çåìëè, âî ñêîëüêî ðàç ñàìà Çåìëÿ áîëüøå ÷åëîâåêà. Òàê ÷òî è Çåìëþ ìîæíî ñ÷èòàòü ìàòåðèàëüíîé òî÷êîé ïðè åå äâèæåíèè âîêðóã Ñîëíöà. Åùå îäèí ïðèìåð. Ïðè èçìåðåíèè ïðîéäåííîãî àâòîìîáèëåì ðàññòîÿíèÿ íèêîìó íå ïðèäåò â ãîëîâó âîïðîñ, äî êàêîé òî÷êè àâòîìîáèëÿ ýòî ðàññòîÿíèå èçìåðÿòü, îäíàêî, êîãäà òîò æå àâòîìîáèëü çàåçæàåò â ãàðàæ íåîáõîäèìî ñëåäèòü, ÷òîáû îí íèêàêîé ñâîåé ÷àñòüþ íè çà ÷òî íå çàöåïèëñÿ.  ïåðâîì ñëó÷àå àâòîìîáèëü ìîæíî çàìåíèòü ìàòåðèàëüíîé òî÷êîé, à âî âòîðîì – íåëüçÿ, òàê êàê îáÿçàòåëüíî íóæíî ó÷èòûâàòü åãî ôîðìó è ðàçìåðû. Òàêèì îáðàçîì, äîïóñòèìîñòü ìîäåëè ìàòåðèàëüíîé òî÷êè, êàê, âïðî÷åì, è ëþáîé ôèçè÷åñêîé ìîäåëè, îïðåäåëÿåòñÿ óñëîâèÿìè ïîñòàâëåííîé çàäà÷è è òðåáóåìîé òî÷íîñòüþ èñêîìîãî ðåçóëüòàòà. Ðàçäåë ìåõàíèêè, â êîòîðîì îïèñûâàåòñÿ äâèæåíèå òåëà, è íå âñêðûâàþòñÿ ïðè÷èíû, åãî âûçûâàþùèå, íàçûâàåòñÿ êèíåìàòèêîé. 38
Äëÿ îïèñàíèÿ äâèæåíèå òåëà, íåîáõîäèìî ââåñòè ñèñòåìó îòñ÷åòà, îòíîñèòåëüíî êîòîðîé çàäàòü åãî êîîðäèíàòû, ââåñòè äèíàìè÷åñêèå ïåðåìåííûå, îïèñûâàþùèå èçìåíåíèå ïîëîæåíèÿ òåëà âî âðåìåíè è ââåñòè çàêîíû äâèæåíèÿ òåëà. Âîîáùå ãîâîðÿ, ñèñòåìà îòñ÷åòà äîëæíà â ñåáÿ âêëþ÷àòü ñèñòåìó òåë, êîòîðûå ìû ñ÷èòàåì íåïîäâèæíûìè, è ÷àñû. Ñ ñèñòåìîé íåïîäâèæíûõ òåë íåîáõîäèìî ñâÿçàòü ñèñòåìó êîîðäèíàò, íàïðèìåð äåêàðòîâûõ. Ïîëîæåíèå òî÷êè â êîîðäèíàòíîì ïðîñòðàíñòâå çàäàåòñÿ ðàäèóñîì-âåêòîðîì r (t), ò. å. âåêòîðîì, ïðîâåäåííûì èç íà÷àëà êîîðäèíàò â âûáðàííóþ òî÷êó. Íà÷àëüíîå ïîëîæåíèå òåëà çàäàåòñÿ ðàäèóñîì-âåêòîðîì â íà÷àëüíîé ìîìåíò âðåìåíè r0 = r (t0), êàê ýòî ïîêàçàíî íà ðèñ. 10.1. Ïîëîæåíèå òî÷êè â ïðîñòðàíñòâå ñ òå÷åíèåì âðåìåíè ìåíÿåòñÿ, è êîíåö ðàäèóñà-âåêòîðà âû÷åð÷èâàåò ëèíèþ, êîòîðàÿ íàçûâàåòñÿ òðàåêòîðèåé äâèæåíèÿ. dr ∆r r(t0) = r0
r(t)
r(t)
0
0
Ðèñ. 10.2
Ðèñ. 10.1
Òðàåêòîðèþ ìîæíî ðàçáèòü íà áåñêîíå÷íî ìàëûå ó÷àñòêè – dr, êàê ýòî ïîêàçàíî íà ðèñóíêå 10.2. Ïîñêîëüêó ïåðåìåùåíèå dr, áåñêîíå÷íî ìàëî, îíî ëåæèò íà òðàåêòîðèè äâèæåíèÿ. Âðåìÿ dt, çà êîòîðîå ïðîèñõîäèò ýòî ïåðåìåùåíèå, òîæå áåñêîíå÷íî ìàëî. Ïåðåìåùåíèå dr è âðåìÿ dt ñâÿçàíû äðóã ñ äðóãîì äèíàìè÷åñêèì ïàðàìåòðîì – ìãíîâåííîé ñêîðîñòüþ, îïðåäåëåíèå êîòîðîé v(t) = dr(t)/dt.
(10.1)
dr = vdt,
(10.2)
Òàêèì îáðàçîì, ñëåäîâàòåëüíî, íàïðàâëåíèå ìãíîâåííîé ñêîðîñòè ñîâïàäàåò ñ íàïðàâëåíèåì ýëåìåíòàðíîãî ïåðåìåùåíèÿ dr. Èíûìè ñëîâàìè, ìãíîâåííàÿ ñêîðîñòü âñåãäà íàïðàâëåíà ïî êàñàòåëüíîé ê òðàåêòîðèè. Ïî ïðàâèëó ñëîæåíèÿ âåêòîðîâ ñóììà âñåõ dr ïëþñ r0 äàñò íàì âåêòîð r. Íî, îïåðàöèÿ ñóììèðîâàíèÿ ïî áåñêîíå÷íî ìàëûì âåëè÷èíàì íàçûâàåòñÿ èíòåãðèðîâàíèåì. Òàêèì îáðàçîì, ïðîÿñíÿåòñÿ íà39
ãëÿäíûé ñìûñë èíòåãðèðîâàíèÿ âåêòîðíîé ôóíêöèè è ïðàâèëî âû÷èñëåíèÿ çíà÷åíèÿ r(t) â ëþáîé ìîìåíò âðåìåíè. t
bg
r t = r0 +
z bg
v t dt .
(10.3)
t0
Ñêîðîñòü ìàòåðèàëüíîé òî÷êè, â ñâîþ î÷åðåäü, òîæå ìîæåò ìåíÿòüñÿ ñî âðåìåíåì. Óäîáíî ââåñòè åùå îäèí äèíàìè÷åñêèé ïàðàìåòð – óñêîðåíèå, êîòîðîå òîæå ÿâëÿåòñÿ âåêòîðíîé âåëè÷èíîé è òîæå ìîæåò çàâèñåòü îò âðåìåíè è êîîðäèíàò: a(t) = d v(t)/dt.
(10.4)
Èç ýòîãî îïðåäåëåíèÿ ñëåäóåò, ÷òî d v(t) = a(t)dt. Åñëè ôóíêöèÿ a(t) èçâåñòíà, òî ñ åå ïîìîùüþ ìîæíî íàéòè ñêîðîñòü òåëà â ëþáîé ìîìåíò âðåìåíè, à çíàÿ åå, ïðè ïîìîùè (9.2) ìîæíî íàéòè ïîëîæåíèå òåëà â ëþáîé ìîìåíò âðåìåíè: t
bg
z bg z FGGH z b g
v t = v0 + a t dt ,
(10.5)
t0
t
bg
r t = r0 +
I JJ K
(10.6)
zz b g
(10.7)
t
v0 + a t dt dt ,
t0
t0
èëè t
bg
b g
r t = r0 + v0 t − t +
a t dtdt .
t0
 ýòèõ ôîðìóëàõ v0 – íà÷àëüíàÿ ñêîðîñòü òåëà, ò. å. åãî ñêîðîñòü â ìîìåíò âðåìåíè t0. Òàêèì îáðàçîì, åñëè íàì èçâåñòíû íà÷àëüíîå ïîëîæåíèå ìàòåðèàëüíîé òî÷êè – r0 è íà÷àëüíàÿ ñêîðîñòü – v0, à òàêæå çàâèñèìîñòü âåêòîðà ñêîðîñòè èëè âåêòîðà óñêîðåíèÿ îò âðåìåíè, ìîæíî íàéòè êîîðäèíàòû ñèñòåìû â ëþáîé ïîñëåäóþùèé ìîìåíò âðåìåíè – r(t). Òîëüêî ÷òî ìû ðàññìîòðåëè è îáîçíà÷èëè ïóòü ðåøåíèÿ îñíîâíîé çàäà÷è êèíåìàòèêè. Ïðè ðåøåíèè ýòîé çàäà÷è íå ñòàâèëñÿ âîïðîñ, çà ñ÷åò ÷åãî ìåíÿåòñÿ óñêîðåíèå òåëà, íî â ðàìêàõ êèíåìàòèêè òàêîé âîïðîñ íå ñòàâèòñÿ. Ðàññìàòðèâàëîñü ïîëîæåíèå òåëà â ïðîèçâîëüíûå ìîìåíòû âðåìåíè.  ðÿäå ñëó÷àåâ òðåáóåòñÿ íàéòè íå òîëüêî ïîëîæåíèå òåëà, íî è òîò ïóòü, êîòîðûé îíî ïðîéäåò. Ïðîéäåííûé ïóòü åñòü ñêàëÿðíàÿ âåëè÷èíà, îíà îáîçíà÷àåòñÿ S è ÷èñëåííî ðàâíà äëèíå òðàåêòîðèè. Èç ðèñóíêà î÷åâèäíî, ÷òî ïóòü â îáùåì ñëó÷àå íå ðàâåí äëèíå (ìî40
äóëþ) âåêòîðà ïåðåìåùåíèÿ ∆r. ×òîáû íàéòè ïðîéäåííûé ïóòü S íåîáõîäèìî ïðîñóììèðîâàòü äëèíû âåêòîðà dr, ò. å. ïðîâåñòè èíòåãðèðîâàíèå ïî ìîäóëþ âåêòîðà dr: t
S=
t
z z bg dr =
t0
v t dt .
(10.8)
t0
Çäåñü íàäî ïîìíèòü, ÷òî ìîäóëü âåêòîðà, ò. å. åãî äëèíà âñåãäà ïîëîæèòåëüíà. Ïðè âûïîëíåíèè ðàñ÷åòà ïî ýòîé ôîðìóëå v(t) âñåãäà íàäî áðàòü ñî çíàêîì ïëþñ.  ñëó÷àå îäíîìåðíîãî äâèæåíèÿ, êîãäà òåëî ïåðåìåùàåòñÿ âäîëü ïðÿìîé, âåêòîðíóþ ôóíêöèþ ìîæíî çàìåíèòü åå ïðîåêöèåé íà âûáðàííóþ îñü. Ïðîåêöèè âåêòîðà íà äðóãèå îñè ðàâíû íóëþ, ïîýòîìó ìîæíî íå ïîëüçîâàòüñÿ ïîíÿòèåì âåêòîð. Ãëàâà 11. Êëàññè÷åñêàÿ ìåõàíèêà § 1. Îñíîâíûå ïîëîæåíèÿ ìåõàíèêè Ãàëèëåÿ Êëàññè÷åñêóþ ìåõàíèêó áóäåì ðàññìàòðèâàòü â êîíòåêñòå òåõ ïðèíöèïîâ, êîòîðûå èñïîëüçîâàëèñü ïðè åå ñòàíîâëåíèè âïëîòü äî ðàçâèòèÿ ñîâðåìåííîé ôèçèêè. Íå íàäî äóìàòü, ÷òî ðàçâèòèå ñîâðåìåííîé ôèçèêè ïåðå÷åðêíóëî âñþ êëàññè÷åñêóþ ìåõàíèêó è çàñòàâèëî èñïîëüçîâàòü ïðè îïèñàíèè êàêèå-òî ïðèíöèïèàëüíî íîâûå ïîëîæåíèÿ. Êëàññè÷åñêàÿ ìåõàíèêà, â ñôîðìèðîâàííîì Íüþòîíîì âèäå, èãðàåò áîëüøóþ ðîëü â ñîâðåìåííîé íàóêå è òåõíèêå. Äîñòàòî÷íî ñêàçàòü, ÷òî òàêàÿ áîëüøàÿ îáëàñòü òåõíèêè, êàê ìàøèíîñòðîåíèå, öåëèêîì áàçèðóåòñÿ íà çàêîíàõ êëàññè÷åñêîé ìåõàíèêè. Ïðè äàëüíåéøåì ðàññìîòðåíèè íàñòîÿùåãî ðàçäåëà íàñ áóäóò èíòåðåñîâàòü, â îñíîâíîì, ñëåäóþùèå ïîëîæåíèÿ. Êëàññè÷åñêàÿ ìåõàíèêà ðàçâèëàñü êàê ðàçäåë íàóêè (ôèçèêè), â êîòîðîì ðàññìàòðèâàëîñü ìåõàíè÷åñêîå äâèæåíèå ìàêðîñèñòåì, ò. å. ñèñòåì, ðàçìåðû êîòîðûõ îïðåäåëÿþòñÿ îêðóæàþùèìè íàñ òåëàìè. Äèàïàçîí ìàññ è ðàçìåðîâ îãðîìåí. Ñ îäíîé ñòîðîíû, ýòî è àòîìû, èç êîòîðûõ ñîñòîÿò âåùåñòâà, äâèæåíèå êîòîðûõ ìû ìîæåì ñ áîëüøîé òî÷íîñòüþ îïèñûâàòü êëàññè÷åñêèìè ïîíÿòèÿìè. Ñ äðóãîé ñòîðîíû, ýòî è òàêèå áîëüøèå îáðàçîâàíèÿ, êàê ïëàíåòû è çâåçäû. Ìåõàíè÷åñêîå äâèæåíèå ðàññìàòðèâàåìûõ ñèñòåì îïðåäåëÿåòñÿ ñêîðîñòüþ äâèæåíèÿ ñèñòåìû. Õîòÿ ñêîðîñòü ïîíÿòèå îòíîñèòåëüíîå, íî âñåãäà ìîæíî âûáðàòü êàêóþ-òî ñèñòåìó îòñ÷åòà, îòíîñèòåëüíî êîòîðîé ìû è ðàññìàòðèâàåì ñêîðîñòü. Òàêîé ñèñòåìîé îòñ÷åòà ìîæåò áûòü è íàøà Çåìëÿ, è íàøå Ñîëíöå, è öåíòð íàøåé 41
Ãàëàêòèêè. Âñå ýòè ñèñòåìû îòñ÷åòà äâèæóòñÿ äðóã îòíîñèòåëüíî äðóãà ñ íåáîëüøèìè, ïî ñðàâíåíèþ ñî ñêîðîñòüþ ñâåòà, ñêîðîñòÿìè.  íàñòîÿùåì ðàçäåëå áóäóò ðàññìàòðèâàòüñÿ äâèæåíèÿ, íà ñêîðîñòü êîòîðûõ íàêëàäûâàåòñÿ óñëîâèå: v