Физика

Николай Коперник

Значительное влияние на развитие всего естествознания и в частности физики имели работы выдающегося польского ученого Николая Коперника (1473–1543). Именно в его трактате «О вращениях небесных сфер» говорится о Земле не как о центре Вселенной, а как об одной из планет, вращающихся вокруг Солнца (поэтому предложенная ученым система была названа гелиоцентрической: от греческого hçlios – солнце). Он писал также, что Земля вращается и вокруг собственной оси. Для того чтобы описать видимое движение планет, Коперник использовал понятие об относительности движения (хотя оно не совсем совпадает с современными представлениями, для того времени это было шагом вперед).

Книга Коперника поставила перед наукой много важных проблем, среди которых важнейшими были вопросы, связанные с движением планет вокруг Солнца, выявлением причин, благодаря которым планеты удерживаются около Солнца, созданием новой математики, с помощью которой можно было бы описать эту новую систему мира.

Но не только с наукой были связаны те проблемы, которые возникли после появления труда Коперника. Католическая церковь отнеслась к новому учению как к ереси (так как оно противоречило господствующим религиозным взглядам). Несмотря на это, некоторые ученые и философы приняли и поддержали основные идеи учения Коперника, хотя им было нелегко противостоять официально признанным догмам[1]. Одним из таких ученых был Галилео Галилей (1564–1642).

Этот выдающийся итальянский физик и астроном справедливо считается одним из основателей современной физики и астрономии и первым ученым, наблюдавшим за небом при помощи построенных им «зрительных» трубок. Он обнаружил, что на поверхности Луны есть горы, равнины и впадины, увидел спутники у Юпитера, открыл, что Венеру так же, как и Луну, можно видеть с Земли по-разному (т. е., как говорят, в разных фазах).

Галилей сформировал закон о падении и движении тел. В своей знаменитой книге «Диалог о двух главнейших системах мира – Птоломеевой и Коперниковой», которая вышла в 1632 г. во Флоренции, Галилей привел собственные доводы в пользу учения Коперника. Эта книга произвела эффект взрыва в научном мире, а инквизиция начала против Галилея обвинительный процесс…

Чем все это закончилось, вы сможете узнать, обратившись к последнему разделу этой книги. Сейчас только скажем, что Галилео Галилей внес очень весомый вклад в развитие физики как науки, благодаря которому следующие поколения ученых могли идти дальше и развивать эту науку. Фигура Галилея – это одна из вершин классической физики. Он расчистил путь для новых создателей классической и современной физики. Его бессмертные научные произведения будут служить примером того, как гениально он «всю жизнь читал открытую для всех большую книгу природы» (это высказывание самого Галилея).

Имя человека, благодаря открытиям которого физика приобрела настоящий научный характер, – Исаак Ньютон (1643–1727).

Титульный лист книги Г. Галилея «Диалог о двух главнейших системах мира – Птоломеевой и Коперниковой»

Его важными научными достижениями были: открытие закона всемирного тяготения и связанная с ним теория движения планет; основные законы динамики, известные нам как «Три закона Ньютона»; открытия в области оптики. Для описания физических явлений Ньютон применил математический аппарат, который до него не существовал вообще. Этим математическим аппаратом ученые пользуются и теперь. По словам академика С. Вавилова, «ньютоновская механика – не историческая реликвия, а основа естествознания сегодняшнего дня».

Кто осмелится утверждать, что мы знаем все, что может быть познано?

Галилей

Эта выдающаяся личность интересна как своими конкретными научными результатами, так и теми методами, с помощью которых они были получены. Его знаменитое «Гипотез не измышляю…» свидетельствует о необходимости опираться на опыт, на практику, на сопоставление новой идеи, новой теории с реально происходящими явлениями.

Личный и научный авторитет Ньютона был так велик, что его поклонники и последователи довольно часто превозносили его научные предположения и гипотезы до абсолюта, считалось, что их даже обсуждать нельзя. Из-за этого Ньютону часто приписывали такие вещи, о которых он и не говорил, и не писал. Вот что могут натворить «научные фанаты»!..

Сделал все, что мог, пусть другие сделают лучше.

Ньютон

Биография и творческая судьба этого выдающегося человека настолько интересна, что некоторые ее фрагменты мы вынесли в отдельный раздел в конце книги.

Ньютон. Рис. У. Блейка. 1795 г.

Таким образом, можно считать, что именно с конца XVII – начала XVIII в. началась и физическая наука, которая сегодня является основой естествознания, техники и новых супертехнологий.

Европейский научный прорыв не обошел и Россию, где благодаря открытой в 1725 г. Петербургской академии наук тоже началось бурное развитие научных, в том числе физических, исследований. Развитие физики в Академии связано с именами М. В. Ломоносова (1711–1765) и приглашенных европейских ученых – Леонарда Эйлера, Даниила Бернулли, Георга Рихмана и других.

Михаил Ломоносов оставил не много завершенных и опубликованных научных работ по физике и химии: большая часть так и осталась в виде заметок, фрагментов. Сейчас трудно даже поверить, что долгое время он вообще был известен, прежде всего, как поэт и писатель. Только, пожалуй, начиная с Пушкина, потомки стали относиться к Ломоносову как к «первому русскому университету».

II. Движение и взаимодействие

Движение всегда и везде

Задумывались ли вы когда-нибудь над тем, что такое движение? А, вообще, стоит ли над этим задумываться: может, этот вопрос не очень интересен и не достоин нашего внимания? Однако давайте поразмыслим немного над этим.

Жизнь ставит перед наукой цели; наука освещает пути жизни.

Н. Михайловский

Пожалуй, еще первобытным людям приходилось смотреть на небо, на все, что их окружает, и чувствовать (конечно, еще не понимать!), что происходят определенные изменения. Они интуитивно использовали накопленный опыт наблюдений за движением животных, птиц для собственных нужд, например для охоты.

Через десятки тысяч лет человеку уже было необходимо более сознательно учитывать особенности движений, осуществляемых им и всем, что находится вокруг. Глядя на небо, древние греки задавались вопросом, почему яркие «точки» на небе (звезды и планеты!) движутся именно так, а не иначе. А почему падает камень, выпущенный из рук? Как сделать полет стрелы или камня из пращи более точным? И еще много других «почему» заставляло людей задумываться над тем, что они наблюдали и что уже даже вошло в их обиход.

Оказалось, что абсолютно все объекты, которые находятся вокруг нас, движутся, причем даже тогда, когда они якобы находятся в состоянии покоя.

Чем различаются движение и состояние покоя?

Представьте себе, что после тяжелого трудового дня в школе вы, просмотрев любимую телевизионную передачу, уснули на диване. Вы, конечно, считаете, что в таком состоянии вы не двигаетесь?

А известно ли вам, что наша Земля вращается вокруг своей оси, делая один оборот примерно за двадцать четыре часа? Но тогда и вы, пусть и неподвижны относительно своего дивана, вращаетесь вместе с Землей! То есть вы движетесь!

Но и это еще не все. Оказывается, наша планета Земля движется вокруг Солнца, а в свою очередь Солнце со всей своей планетной семьей (следовательно, и с Землей) вращается вокруг центра нашей Галактики с огромной скоростью! А современные ученые-астрофизики говорят, что и галактики с огромной скоростью разбегаются в пространстве. Где же нам с вами найти покой?..

Каким образом можно определить, что такое движение и что такое покой?

Попробуем сначала определить, что движение – это процесс изменения положения в пространстве одного тела относительно какого-то другого (или других) тела.

Сказав так, мы отметили, что говорить о движении одного тела, не имея другого, в отношении которого мы это движение наблюдаем, просто бессмысленно. Однако, если мы такие умные, отчего же мы не заметили еще одного важного условия: изменение положения тела осуществляется со временем, так как именно каждый раз через какой-то промежуток времени (через час, минуту, секунду или долю секунды) мы замечаем изменение положения тела в пространстве. То есть, обобщая, следует сказать, что движение тела является процессом изменения его положения в пространстве относительно других тел с течением времени.

Когда же говорят о состоянии покоя определенного объекта, то имеют в виду, что этот объект не движется именно в отношении какого-либо другого объекта, избранного в качестве тела отсчета, то есть в нашем примере вы находитесь в состоянии покоя относительно дивана.

Вот это и называют относительностью движения: по отношению к разным объектам движение одного и того же тела выглядит по-разному.

Однако наряду с относительностью у механического движения есть и определенные черты того, что не меняется даже тогда, когда на то же самое движение будет смотреть какой-нибудь другой наблюдатель. Например, если относительно земли расстояние между двумя определенными телами увеличивается, то относительно какого-либо другого тела отсчета расстояние между этими телами тоже будет увеличиваться, т. е. расстояние между телами является абсолютным, одинаковым с точки зрения разных наблюдателей.

Например, представьте себе, что на палубе теплохода, плывущего по реке, расходятся танцующие пары, а вы наблюдаете их движение, сидя на берегу. Что наблюдает в это же время ваша мама, которая стоит на той же палубе, – неужели, что пары сходятся?.. Пожалуй, нет. То есть, расстояние между танцорами и с вашей точки зрения, и с точки зрения вашей мамы будет одинаковым. И вы одинаково будете видеть его увеличение.

Ученым понадобилась не одна сотня лет, чтобы понять, что движение тел является неотъемлемым их свойством (как говорят философы, формой существования материальных объектов).

Одним из важнейших разделов физики является механика. Она изучает движение тел или их частей. В механике рассматривается движение больших (макроскопических) тел. Однако оказывается, что движутся и частицы, из которых состоят все тела. Движутся определенные частицы во время того процесса, который мы называем электрическим током. Движутся частицы воздуха (пока назовем их так), которым мы дышим. А когда возникает и распространяется звук, то это тоже связано с определенным движением – колебаниями. И так далее, и так далее…

Движение действительно есть везде и всегда!

Что необходимо делать для исследования движения

Наблюдать и экспериментировать!

Ранее мы уже говорили, что в далеком прошлом движение практически не исследовали. Античные философы только наблюдали его и высказывали определенные мысли относительно особенностей этого явления.

Когда спустя много сотен лет за дело взялся выдающийся итальянский ученый Галилео Галилей, физика из «умозрительной» постепенно превратилась в действительно экспериментальную науку.

Кстати, в своих «Беседах и математических доказательствах, касающихся двух новых отраслей науки – механики и местного движения» в 1638 г. Галилей писал: «Во-первых, я сомневаюсь, чтобы Аристотель видел на опыте справедливость того, что два камня, один из которых в десять раз тяжелее другого, начавшие одновременно падать с высоты, допустим, сотни локтей, двигались с такими разными скоростями, что когда более тяжелый дошел до земли, более легкий прошел всего 10 локтей…»

Когда сам Галилей захотел определить характер движения тела, падающего с определенной высоты, он бросал камень со знаменитой Пизанской башни, измеряя время по ударам собственного пульса (тогда удобных для этого опыта часов еще не было).

Пизанская башня

А когда Галилей пытался найти закономерности движения тела, скатывающегося с наклонной поверхности, он изготовил специальный желоб-«линейку», отполировал его, а затем пустил по нему бронзовый шарик.

Снова предоставим слово самому Галилею: «…Сравнивая время прохождения всей линейки со временем прохождения ее половины, двух третей, трех четвертей или других ее частей и повторяя опыты сотни раз, мы постоянно обнаруживали, что отношение пройденных Водяной указатель времени путей равно отношению квадратов времени их прохождения при любых наклонах плоскости, то есть канала, вдоль которого скатывался шарик…

Что касается способа измерения времени, то мы использовали большое ведро, которое было заполнено водой и подвешено сверху; дно ведра имело узкий канал, через который вода выливалась тонкой струей и собиралась в маленьком бокале в течение времени, пока шарик спускался по всему каналу или его части; собранное таким образом количество воды каждый раз взвешивалось с помощью самых точных весов…»

Итак, Галилей проводил тщательно продуманный физический эксперимент, на основании которого приходил к определенным выводам относительно особенностей движения тела.

Таким образом, важным этапом любого физического исследования, кроме наблюдения, должен быть и специальный опыт, эксперимент. Причем в таком специальном научном эксперименте часто удобнее применять не сам реальный объект, а его модель – упрощенный заменитель реального тела.

Сейчас у нас есть больше, чем у Галилея, возможностей и для измерения времени, и вообще для наблюдения движения. Можно, например, фотографировать объект в разные моменты времени при наблюдении его движения. Этим часто пользуются астрономы, которым приходится следить за различными космическими объектами – звездами, планетами, кометами, галактиками.

Можно снять движущееся тело на кинопленку. А еще интересно наблюдать за движущимся телом в стробоскопическом освещении.

Представьте себе, что вы находитесь в темном помещении. Если, например, где-то по столу будет катиться шарик, то в темноте вы его не увидите. Но если в помещении через маленькие интервалы времени будет загораться яркая лампочка, то шарик в эти моменты будет становиться видимым. (Это специальное устройство, которое управляет вспышками лампочки, называют стробоскопом.) Освещая таким способом различные движения различных тел, получаем интересную информацию о характере движений. Такое исследование можно сделать еще более удобным, если не просто наблюдать за телом, но и фотографировать его в стробоскопическом освещении.

На этой фотографии виден шарик, падающий вертикально. Надеемся, вы заметили, что через равные промежутки времени шарик проходит все большие и бо́льшие расстояния? Попробуйте подумать над этим и определить, какую еще информацию можно получить, анализируя эту фотографию.

Измерять!

При исследовании движения нужно найти способы сравнения различных движений, ведь недостаточно будет, например, просто сказать: этот автомобиль движется быстрее, чем другой. Необходимо выяснить, чем именно отличаются движения, как можно предвидеть дальнейшее движение любого тела, и так далее.

Для того чтобы это сделать, нужно использовать язык физических величин: путь, время, скорость.

В давние времена ученые пытались описывать явления обычным обыденным языком. Но потом оказалось, что обычные разговоры о телах и явлениях ни к чему не приводят: каждый подразумевает что-то свое, и понять, о чем именно идет речь, очень трудно. Кроме того, со временем выяснилось, что нужно количественно сравнивать определенные свойства изучаемых объектов. Так в физике появились физические величины.

Каждая из физических величин характеризует определенное свойство объекта или явления, при этом ее можно измерять, выражая с помощью определенных единиц.

Стробоскопическая фотография падающего шарика

Например, физическая величина время характеризует длительность событий. Время измеряют с помощью различных часов, а выражают чаще всего в секундах, минутах, часах, месяцах, годах. Мы говорим: продолжительность школьного урока – 45 минут (или 3/4 часа, или 2700 секунд).

Измеряй все, что доступно измерению, и делай недоступное измерению доступным.

Галилей

Когда тело движется, оно все время перемещается из одного места пространства в другое. Физическая величина путь характеризует длину того отрезка траектории, вдоль которой двигалось тело. Измерять путь можно линейками, рулетками (но чаще всего путь рассчитывают, измерив другие, связанные с ним, величины). Выражают путь с помощью различных единиц: метров, сантиметров, дюймов, футов и т. п. Вы, наверняка, видели надпись на дискете для компьютера 3,5", что значит три с половиной дюйма.

О том, как возникли некоторые единицы измерения величин и приборы, с помощью которых проводят измерения, – и пойдет речь ниже.