ФИЗИКА [1]

 

 

Физика в современном состоянии есть одна из ведущих наук о природе, исследующая простейшие свойства, общие для всех или многих явлений. Некоторыми учеными физика рассматривается как главнейшая наука, стремящаяся к принципиальному объяснению на ее основе всех более сложных и частных свойств природы.

В точном значении слово физика (по-гречески) значит просто наука о природе, или естествознание. В таком виде этот термин применялся в античной греческой литературе для обозначения энциклопедии естествознания и считался общепринятым приблизительно до середины XVII в. Даже в XIX в. можно встретить такое же употребление слова физика. Однако еще в античной науке (Аристотель) тот же термин начи­нает применяться иначе, в более специальном и узком смысле суммарного обозначения таких дисциплин, как механика и оптика, т. е. областей естествознания, касающихся всех или очень многих явлений природы и вместе с тем конкретно не связанных ни с одним определенным объектом. Со времени великого расцвета точных наук (XVI–XVII вв.) такое употребление термина физика становится все более частым, и во второй половине XIX в. античный смысл слова окончательно утрачивается. В английской научной литературе с XVII в. (Ньютон) наряду с греческим термином как эквивалент начинает применяться термин Nаtural Philosophy (естественная философия), правильно передающий стремление к принципиальному объяснению других явлений природы. В немецком и голландском языках слово физика иногда переводится буквально (Naturkunde, Natuurkunde). В русском языке термин физика практически впервые введен Ломоносовым и не заменялся другими словообразованиями.

Необходимость специального обозначения вызывалась, конечно, фак­тическим наличием особой ветви естествознания, границы которой, од­нако, никогда не были резкими и непрерывно менялись по мере развития науки. Многочисленные попытки, начиная с XVII в. и до нашего времени, дать вполне конкретное определение физики всегда оказывались в проти­воречии с ее действительным содержанием или ее явными тенденциями. В распространенном в XVIII в. учебнике физики Мушенброка дано сле­дующее определение: «Физика есть наука, исследующая все тела небес­ные и земные, существующие в мировом пространстве, в отношении свойств их, действий, испытываемых ими влияний, числа, порядка, рас­положения, сил и всего того, что в них можно найти и доказать наблюде­нием, опытом и правильным рассуждением». Такое определение не указы­вает ничего специфического, отличающего физику от естествознания в целом, не оттеняет характерного стремления ее к объяснению явлений природы и, будучи очень широким, в то же время не охватывает всех объектов физики.

Современная физика исследует не только тела, но в некоторых отно­шениях и самое пространство и время. В «Новом физическом словаре» Либа (1806) физика определяется как наука о свойствах тел в отличие от химии, изучающей их строение из элементарных частиц, и от есте­ственной истории, описывающей конкретные формы тел. Если обратиться к современному содержанию физики, то все приведенные признаки ока­жутся неверными. Одна из основных задач новой физики — строение вещества и определение конкретных форм атомов, молекул, кристаллов и даже звезд. Много раз делались попытки определить физику как науку о неорганизованной материи (ср. сводку у П. Эренфеста «Возможно ли определить понятие физики?» «Вопросы физики», 1911). По О. Д. Хвольсону («Курс физики», т. I, 1933), «физика в широчайшем смысле есть наука о неорганизованной материи и о происходящих в ней явлениях. Эти явления называются явлениями физическими. Все другие науки о материи имеют дело с материей организованной (биологические науки). Физические явления могут повторяться и в организованной материи, однако попытки свести все явления, обнаруживающиеся в организован­ной материи, к явлениям физическим до сих пор не удались». Это противопоставление физики биологии произвольно: физика не исключает из пределов своего ведения живого вещества точно так же, как не отка­зывается исследовать формы организованной материи различной степени сложности: газы, жидкости, кристаллы, сложные молекулы и т. д.

Являясь, как и прочие науки, незаконченной и едва ли завершимой когда-либо до предела, физика, конечно, не в состоянии еще объяснить очень многое не только в живом веществе, но и в значительно более про­стых формах материи. Нет, однако, никакого запрета или принципиально непреодолимого препятствия к попыткам физики объяснить физические свойства и структуру живого вещества, и такие попытки (правда, очень сомнительные) фактически имели место за последнее время (Н. Бор и его школа). Утверждение, что особенности живого вещества должны быть сведены к физическим основам, не значит, что эти основы ограничиваются современным содержанием физики; может случиться, что будущая физика включает как первичное простейшее явление «способность, сходную с ощущением», и на ее основе будет объяснять многое другое. Сведение того или иного явления к физической основе не эквивалентно полному исчерпанию явления существующими физическими принципами, наобо­рот, самое содержание физики в результате такого сведения может из­мениться или дополниться новыми фактами и законами.

Все попытки определить физику по конкретному объекту природы, несомненно, ошибочны, поскольку она вполне универсальна и по цели своей должна быть применима к любой отрасли естествознания. Каждый предмет и каждое явление природы могут быть подвергнуты физическому исследованию. У живого, растущего дерева физик может изучить распре­деление плотности, зависимость направления ветвей от направления силы тяжести, роль капиллярных явлений при подъеме растительных соков, значение осмотического давления в жизни клеток, спектр и физические функции хлорофилла и т. д. Звезда характеризуется астрономом при по­мощи физических величин и понятий массы, скорости, спектра и т. д.

Будучи применимой всюду, физика, однако, не связана органически ни с одним конкретным объектом или областью объектов; функции такого рода возлагаются на более специальные дисциплины, например, на астро­физику, геофизику, биофизику и т. д. Свое содержание она черпает из самых разнообразных областей знания: закон тяготения выведен из астро­номических наблюдений, поляризация света впервые установлена по свой­ствам кристаллов, осмотическое давление открыто биологами и т. д., но эти сведения и законы обобщаются в физике, абстрагируются и получают всеобщее значение.

Абстрактность и всеобщность положений и законов физики соеди­няются с указанным выше стремлением к принципиальному объяснению на этой основе других конкретных фактов естествознания. Без этой тен­денции нельзя понять отношения физики к другим наукам и ее места в системе наук. Исторически многие естественные науки развивались почти независимо от физики, строя свои внутренние системы на основе специфических, не физических понятий, например валентности в химии, живой клетки в биологии и т. д.; и стремление физики было и остается очень далеким от реализации. Более того, сложность природы и неисчер­паемость ее разнообразия позволяют утверждать, что эта цель физики никогда не может быть достигнута, хотя она на пути к ней каждый день регистрирует новые положительные результаты. Вместе с тем именно эта тенденция физики наряду с ее универсальностью и абстрактностью опре­деляет положение физики в системе наук.

Ее роль совершенно своеобразна и аналогична положению главного штаба естествознания, собирающего сведения отовсюду и во все стороны посылающего свои директивы. Встречая новые факты в любой отрасли естествознания, физика стремится их объяснить на основании известных законов или, наоборот, дополняет или исправляет свою систему, включая в нее новое. Физика занимает центральное положение в системе естествен­ных наук о неорганической природе, распространяя свое влияние на все прочие естественно-научные дисциплины. Так, за последние годы физика очень быстро проникает, например, в области химии и астрономии, оста­вавшиеся ранее во многом автономными. Границы между физикой и хи­мией, казавшиеся в недавнем прошлом резко ограниченными по объекту, год от году оказываются все более иллюзорными.

 

Физика и математика. Универсальность положений и законов физики предполагает всеобщую применимость ее основных качествен­ных категорий: длины, времени, массы, заряда и т. д. Успешное примене­ние физики свидетельствует о том, что при помощи одного и того же образца (например, заряда) могут быть сравнены самые разнообразные явления. Сравнение качественно однородных свойств при помощи образца дает возможность счета, т. е. измерения. Таким образом, качественные категории физики превращаются в измеримые величины. Точный счет возможен только в отношении вполне равных считаемых предметов. При несоблюдении этого условия, например при счете яблок, получаются вели­чины, имеющие в лучшем случае совершенно случайные отклонения, только средний статистический смысл. Поэтому, например в биологии, явление нельзя измерять вообще или же возможны только статистические величины. Физика носит название точной науки потому, что ее катего­рии без исключения измеримы, точно или статистически. Сопоставление разных величин, измеряемых на опыте, дает возможность составить эмпи­рические равенства, справедливые при известных условиях опыта. На­пример, из опытов Галилея с наклонной плоскостью для пространства S, проходимого телом за время t, получилось равенство S=Аt2, где А — постоянная величина, зависящая от выбора единиц для S и t. Это пример самого примитивного применения математики в физике для целей сжатого изображения количественных опытов. Но естествознание вообще и физика в частности пользуются законами логики, предполагая, что все логические выводы из правильно и точно формули­рованного положения окажутся верными. Дифференцируя, например, ра­венство Галилея, находим dS/dt=2At, т. е. скорость падения тела пропорциональна времени. Этот логический вывод из исходного равенства может быть найден непосредственно опытом, но математика делает его по суще­ству излишним.

Здесь математика играет эвристическую роль как средство нахожде­ния строго логическим путем новых физических законов. Но эвристическое значение математики в физике этим не ограничивается. Мы пользо­вались до сих пор равенством Галилея в тех пределах, в которых оно проверено на опыте. Естественно, однако, его экстраполировать, предпо­лагая справедливым для больших S и t, чем на опыте. Здесь математика подсказывает направление экспериментальных поисков, но сама по себе не утверждает правильности такого направления, для этой цели необ­ходимо сделать новый опыт.

Экспериментальный контроль еще в большей степени необходим для следующей стадии математической экстраполяции, применяемой очень часто в современной теоретической физике. Пусть имеется некоторое со­отношение φ(x1, x2, x3...)=0, где x1, x2, x3... — различные физические вели­чины в пределах точности измерения, выполняющееся при определенных условиях опыта. Математически, вообще говоря, можно отыскать большое число функций F(x1, x2, x3...)=0, при данных условиях практически совпадающих с φ. Выбрав по тем или иным соображениям (иногда сообра­жениям простоты, симметрии и пр.) некоторую из таких функций F, физик делает затем из нее ряд логических выводов, подтверждаемых или отвергаемых опытом, и сверяет ее вообще со всем комплексом физических данных. Блестящими примерами такой математической экстраполяции служат уравнения электродинамики Максвелла и современная волновая механика.

Замечательное совпадение математических выводов из эмпирических соотношений с законами физики и успешность метода математической экстраполяции указывают на глубокое соответствие явлений природы и работы мозга. Многие отделы математики, как, например, неевклидова геометрия, теория тензоров, теория групп, казавшиеся вначале совер­шенно абстрактными математическими построениями, получили глубокое значение в современной физике при применении метода математической экстраполяции. Связь математики и физики поэтому совершенно необ­ходима и исключительно тесна и плодотворна.

 

Физика и философия. Профессии физика и философа в древ­ней науке почти всегда сливались в одном лице. Дифференциация была вызвана главным образом усложнением и специализацией физических методов (эксперимент и математика). Попытки отождествить философию я теоретическую физику нередко встречаются и в настоящее время. При этом делается, однако, ошибка отождествления общего и частного. Фило­софия по своей основной задаче есть наука о процессе познания, наука о мышлении, практически применяемая в каждой науке, в том числе и в естествознании и в физике в частности. В этом смысле философия зна­чительно шире физики. Не совпадая с физикой по существу, философия вместе с тем имеет основное значение для физики. По словам Фр. Энгель­са: «Как бы ни упирались естествоиспытатели, но ими управляют фило­софы. Вопрос лишь в том, желают ли они, чтобы ими управлял какой-нибудь скверный модный философ, или же они желают руководствоваться разновидностью теоретического мышления, основанной на знакомстве с историей мышления и его завоеваний». Физика как практическое позна­ние природы неосуществима без гносеологических философских пред­посылок; самое ее название как науки о природе содержит материалисти­ческую предпосылку существования объективного внешнего мира. Поня­тия причинности, детерминизма явлений, пространства и времени, на каждом шагу применяемые физикой без особого анализа, как нечто само собой разумеющееся, в действительности составляют основной предмет философии и глубоко изменялись по мере развития человеческой мысли. Физика всегда на примере истории своего развития, своих конкретных результатов и теоретических схем давала ценный материал для гносео­логического анализа, на основе которого философия вырастала и разви­валась.

В свою очередь выводы философии должны учитываться физикой, ибо иначе возможен застой в ее развитии. История физики имеет при­меры торможения научной мысли в результате неправильности философ­ских предпосылок (физика неоплатоников, выраставшая на почве мисти­ческого идеализма, замедление развития теоретической физики в связи с неясностью философских позиций в вопросе о детерминизме). Кризис физики, развивающийся с начала XX столетия в связи с открытием новых неожиданных фактов, явился выражением ошибочности или неопределен­ности философских позиций современных физиков. Необходимость изме­нения основных понятий пространства, времени, массы, действия и пр. послужила поводом для перехода многих физиков к идеалистической интерпретации явлений (мир — как «комплекс ощущений», «физика чистого описания») или к безнадежной защите, вопреки фактам, положе­ний механического материализма. Только философия диалектического материализма Маркса, Энгельса и Ленина, учение об объективно и вечно существующей, диалектически движущейся материи, находится в полном соответствии с конкретным содержанием современной физики, правильно отображая противоречивость, вечную динамику и неисчерпаемость при­роды. Для новой физики философский язык диалектики стал необходи­мостью. В отличие от механического материализма с его жесткостью и ограниченностью, имевшего, впрочем, на некоторой фазе развития физики несомненное положительное значение, диалектический материализм без­гранично гибок, считая единственным условием познания природы признание объективности ее и ее движения в самом широком смысле слова.

 

Физика и техника. Применения физических фактов и законов для технических целей бессчисленны. Современную технику в ее наиболее эффективной и важной части с полным правом можно назвать практиче­ским воплощением результатов физики (механика, электротехника, тепло­техника, светотехника и т. д.). Такое положение кажется удивительным, если принять во внимание, что физика — наиболее отвлеченная из есте­ственных наук. Объяснение состоит в том, что эта абстрактность физики связана с исключительной строгостью, стройностью и простотой ее содер­жания. Выводы физики необычайно облегчают и рационализируют работу изобретательской мысли, дают возможность расчета и максимального про­стого осуществления. Исторически физика и техника всегда определяли взаимное развитие. Техника создавала материальную базу развития физики, технические потребности диктовали направление физическому исследованию и обратно — на основе вырастала новая техника.

 

Методы физики. Всякий физический вывод из опыта и прове­ряется опытом, поэтому экспериментальный метод в физике совершенно неизбежен и изолированное существование теоретической физики не­мыслимо. Однако опыт, действительно используемый как научный резуль­тат, в свою очередь не имеет никакой ценности, если он не связан с не­которыми теоретическими предпосылками и предположениями. Физиче­ский опыт часто ставится только для того, чтобы подтвердить или опро­вергнуть теорию, причем результат может полностью опровергнуть тот или иной вывод, но никогда не может служить абсолютным утверждением справедливости теории. Всегда могут существовать неучтенные обстоя­тельства опыта, которые заставляют дать ему совсем иное толкование (неосуществимость — experimentum crucis). Чисто измерительные опыты, устанавливающие возможно точное значение величин или эмпирические связи между величинами, в свою очередь целесообразны только при их рациональном выборе, основывающемся всегда на явных или скрытых теоретических предпосылках. В истории физики большое значение имели случайные экспериментальные открытия, например влияние тока на маг­нитную стрелку, радиоактивность, комбинационное рассеяние света и т. д. Такие открытия определяли, однако, развитие физики только при наличии вполне подготовленной теоретической почвы. Известно много фактов принципиальной важности, давно замеченных человеком (например, со­стояние электризации, интерференционные явления и т. д.), но оставших­ся без какого-либо влияния на развитие физики. Таким образом, экспери­ментальный метод эффективен только в тесной связи с работой теорети­ческой мысли;

Физический опыт в конечной стадии всегда приводит к количествен­ным результатам, т. е. связан с измерениями или операций счета. В от­дельных случаях (например, метод биений в колебательных процессах, радиоактивные излучения) измерение действительно сводится к простому счету, но результат имеет статистический характер, если нет уверенности в полном равенстве считаемых объектов.

Таким образом, для реализации точного измерения необходимо прежде всего установить равенство считаемых объектов. Для этого они должны быть одинаковыми в качественном отношении (например, два источника света должны иметь одинаковый цвет). Далее, для установления равен­ства во всех случаях необходимо прибегнуть к пространственно-времен­ным свойствам мира. Наблюдатель (человек или прибор) может констати­ровать тождество двух качественно равных объектов только в том случае, если они находятся одновременно в одной и той же точке пространства. При несоблюдении этого условия установление равен­ства возможно только на основе более или менее произвольных предполо­жений. Если надо, например, выяснить, равны ли по силе света два малых (точечных) источника, то их следовало бы поместить одновременно в одну я ту же точку пространства и убедиться в равенстве действий, например, на глаз.

Составив набор равных источников света, можно затем при их помощи тем же методом измерить силу света любого источника, качественно не отличающегося от эталонов. Если сделать предположение об однородности пространства по всем направлениям (изотропия пространства) и очень большой (бесконечной) скорости распространения сигналов (например, света) от объектов к наблюдателю, то процедуру излагаемого опыта, лежа­щего на основе всякого измерения, можно видоизменить следующим об­разом. Сравниваемые объекты помещаются в любых направлениях на равных расстояниях от наблюдателя. Если действие от обоих, констати­руемое наблюдателем одновременно, равно, то равны и сравниваемые объекты. Для осуществления такого опыта необходимо измерить расстоя­ния от каждой из избранных точек пространства до наблюдателя. Операция измерения длины сводится в своей основе всегда к перекладыванию некоторого произвольно избранного твердого масштаба вдоль измеряемого отрезка, причем при каждом перекладывании устанавливается совпадение концов масштаба и точек измеряемого отрезка. Иначе говоря, измерение длины также основывается на констатировании одновременного совпаде­ния двух точек в пространстве при предположении неизменности твер­дого масштаба во время перекладывания.

Таким образом, всякое физическое точное измерение в своей перво­основе опирается на измерение длин или, в еще более элементарной форме, сводится к констатированию пространственного и временного совпадения точек. Все практически применяемые физические методы и приборы для измерения любых физических величин позволяют в конечном счете или измерять длины (часы, фотометры, термометры, электрические приборы), или регистрировать совпадение двух точек, например конца стрелки и деления шкалы (весы, дифференциальные приборы). В практических приборах операция измерения осуществляется не по примитивно изложенной схеме, в их основу положен ряд закономерностей, найденных ранее при помощи других измерений (например, закон обратных квадратов в фотометрии), однако операция фактического измерения все же неиз­бежно возвращается к примитивному акту — констатированию совпаде­ний двух точек в пространстве и во времени.

Теоретические методы можно разделить на три группы, которые мы условно назовем методом модельных гипотез, методом принципов и методом математических гипотез. Метод модельных гипотез основывается на наглядных образах и представлениях, возникающих у каждого человека в результате обыденных наблюдений, опыта и привычек. Этот вненаучный опыт нашел свое научное выражение в наиболее совершенной форме в законах классической механики. Самым первым и естественным шагом при построении физической теории является гипотеза, что все явления мира протекают совершенно подобно явлениям привычного нам мира обычных человеческих масштабов, где мы имеем тела, движущиеся в про­странстве и действующие друг на друга по законам механики. Это пред­ставление служит точной моделью для теории процессов, внутренняя сущность которых скрыта от обычного наблюдения и опыта. Предпола­гается, например, что всякое тело построено из отдельных частиц (ато­мов), движущихся и взаимодействующих по законам механики, и на этой почве создается кинетическая теория вещества, весьма успешно объясняю­щая многие механические и тепловые свойства тел. Свойства упругих тел выбираются как модель для физического пространства между светящи­мися телами, и на основе этой модели создается волновая теория света, предполагающая существование упругого эфира. На основе метода модель­ных гипотез выросла классическая теория тепла, света и звука. Громад­ным преимуществом метода модельных гипотез являются его наглядность и «понятность». Этот метод позволяет делать предварительные качествен­ные заключения о результатах, до выполнения количественных расчетов. Математика в этом методе играет главным образом подсобную, техниче­скую роль аппарата для выполнения количественных расчетов. Вместе с тем он является ограниченным и только приближенным, так как основан на произвольном предположении о совпадении свойств мира человеческих масштабов со свойствами микромира.

Совершенно иначе построен метод принципов, опирающийся на экстра­поляцию некоторых опытных данных, обобщаемых и считаемых принци­пами. При этом обобщение выражается только в распространении найден­ного опытного факта на более широкую группу явлений. В конкретной формулировке принципа содержится только констатирование опыта в адэкватной математической форме. Закон сохранения энергии, эксперимен­тально доказанный для ограниченного круга явлений, экстраполируется в качестве незыблемого принципа, выполняющегося с полной точностью для всякой замкнутой физической системы. Точно так же обобщается факт односторонности перехода теплоты от нагретого тела к холодному, являясь основой принципа рассеяния энергии. Такие принципы, матема­тически выраженные и обобщенные, играют в дальнейшем роль аксиом в геометрии, из которых в применении к конкретным физическим задачам делаются логические выводы. Совершенным образцом применения метода принципов служат классическая термодинамика и частная теория отно­сительности, опирающаяся на принцип относительности инерционного движения и принцип постоянства скорости света. Метод принципов, в отличие от метода модельных гипотез, весьма абстрактен и мало нагляден, но математика играет в нем также главным образом служебную техниче­скую роль.

Наиболее отвлечен и оторван от прямой связи с опытом метод матема­тической гипотезы, имеющий громадное значение в современной физике. Как уже говорилось в разделе о физике и математике, этот метод основан на широкой экстраполяции математических форм, ограничиваемой только тем, чтобы выводы не противоречили опыту. Поскольку законы классиче­ской физики, выведенные при помощи метода модельных гипотез, оказы­ваются справедливыми по меньшей мере приближенно для явлений сред­них, человеческих, масштабов, постольку должно быть установлено соот­ветствие между экстраполируемыми математическими формами и зако­нами классической физики. Для указанных масштабов экстраполируемые формы должны совпадать с результатами классической физики. Этот эври­стический принцип соответствия (Н. Бор) значительно облегчает работу по методу математической гипотезы. Примерами применения метода служит электродинамика Максвелла, общая теория относительности и кван­товая механика.

 

Этапы истории физики. Представления о некоторых свой­ствах природы, являющихся весьма общими, таких, как движение и вес. формируются в сознании отдельного человека и далее развиваются в исто­рии общества независимо от создания научных систем. В этом смысле физика существовала и существует и во вненаучном сознании, сосредото­чивая в себе сведения и наблюдения об общих свойствах окружающих явлений и их закономерностях. Этот запас общих сведений применяется каждым точно так же, как и в научной физике, для истолкования других явлений, более частных, и для технических надобностей. Топоры, стрелы и другие орудия первобытного человека, несомненно,— результат приме­нения вненаучных физических знаний. Свидетельство о разрозненных наблюдениях, которые мы теперь называем физическими у различных народов (сумрийцев, китайцев, ацтеков, египтян и т. д.), идут в глубокую древность. Эти сведения касаются разнообразных областей физики, элек­тричества, магнетизма, оптики, теплоты, молекулярной физики и т. д. Вместе с тем с давних времен относительно высокое развитие получила техника основных физических измерений длин, углов и времен, особенно в Вавилоне.

Эти разрозненные знания и технические навыки явились необходимым условием для постепенного возникновения физики как науки и системы. Исторически засвидетельствованная заслуга в этом отношении принадле­жит Греции. Шесть-семь веков (приблизительно от 600 г. до н. э. и до 100 г. н. э.) истории физики в Греции оставили научное наследство изу­мительной ценности как в отношении конкретных результатов, так и в отношении развития методов.

В пределах указанного исторического интервала только в очень при­ближенной форме можно говорить о систематическом развитии. Отсут­ствие книгопечатания, путей сообщений, замкнутость стран, городов и лю­дей приводили к тому, что научные результаты не вырастали один из другого: они получались независимо, параллельно; за прогрессивными ветвями развития нередко следовали регрессивные. Ограничение общест­венных потребностей элементарными техническими приспособлениями ли­шало физику того могучего технического стимула развития, который она получила, начиная приблизительно с XVI в., в Европе.

Еще от V в. до н. э. сохранились сведения о систематическом учении о мире (Анаксагор), содержащие космогонию на основе детализирован­ных механических представлений (центробежная сила), идею атомов и тяготения. Атомистическая концепция получает дальнейшее универсаль­ное развитие у Левкиппа (480 г. до н. э.) и Демокрита (420 г. до н. э.). От Аристотеля (384–322 гг. до н. э.) до нас дошла первая античная энциклопедия физики, содержащая, наряду с совершенно ошибочными представлениями и выводами, научные результаты высокой ценности (постановка механической проблемы, первый вариант закона инерции, принцип виртуальных скоростей при рассмотрении рычага, частные слу­чаи параллелограма скоростей, роль среды при распространении света и пр.). С именем Пифагора (550 г. до н. э.) связывается математическая теория колебаний струны, являющаяся первым историческим примером применения математики в физике. Позднее (около 30 лет до н. э.) в «Оптике» Эвклида геометрия с успехом применяется к теории отражения и создается специальная отрасль математической физики, развивающаяся до нашего времени,— геометрическая оптика.

Высшей точки развития греческая математическая физика достигает в творениях Архимеда (288–212 гг. до н. э.; законы рычага, определение центра тяжести простейших тел, гидростатика). С именем Герона Але­ксандрийского (около 130 лет до н. э.) связаны различные применения физики к техническим вопросам (эолипила, основанная на действии водяного пара, машина с нагретым воздухом, воздушный термометр и пр.); ему же принадлежит первое применение метода математической экстраполяции в виде принципа кратчайшего пробега светового луча, примененного для вывода закона отражения света. На закате греческой: культуры стоит Птоломей (около 100 лет до н. э.), оставивший в обла­сти физики первые измерения преломления света.

В Греции физика определилась как наука. Конкретные результаты греческой физики, сохранявшие полностью свое значение и до нашего времени: механическая статика, геометрическая оптика и учение об ато­мах. Теоретические методы физики были найдены и применены греками: атомизм Анаксагора, Левкиппа, Демокрита и Эпикура — пример метода модельных гипотез; механика, гидростатика, геометрическая оптика ос­нованы на методе принципов, наконец, как указано, оптический принцип Герона — первый, хотя и очень скромный, пример применения метода математической экстраполяции. Сравнительно слабое развитие в Греции получил экспериментальный метод: опытный материал черпался главным образом из повседневных наблюдений. Только на закате греческой культуры (Герон, Птоломей) намеренный физический опыт начинал находить применение.

Греческая физика в течение почти тысячи лет оставалась мертвым на­следством, к счастью, частично дошедшим до новых времен в виде пись­менных памятников. Изумительная эпоха научного застоя в средние века приводит к предположению, что и сама греческая физика могла явить­ся возрождением неизвестной нам, более ранней культуры, которая так же заглохла, как это случилось с греческой. Только в XIII и XIV вв. н. э. физика действительно возрождается и на основе греческого наследства на­чинается оживленная подготовка к созданию новой науки. Почти един­ственной заслугой арабской физики (IX и Х вв.) явилось сохранение гре­ческой традиции. Только в «Оптике» Альгазена содержатся новые наблю­дения и заметна критическая мысль, говорящие о живой науке, а не толь­ко об изучении классиков. Знакомство с греческой физикой в условиях средневековой Европы привело естественным образом к канонизации гре­ческого наследства. Физика Аристотеля, дошедшая в наиболее полном и систематическом виде в результате особого покровительства богословских писателей первых веков нашей эры, стала на почве почти полного отсут­ствия научных знаний готовой энциклопедией физики и приобрела на долгое время господствующее значение. Новая наука в XIII, XIV вв. и позднее растет во многом под знаменем борьбы с Аристотелем. Исследо­вания П. Дюгема о предшественниках Леонардо да Винчи открыли много ранее неизвестных страниц из истории физики на заре ее великого рас­цвета в XVII в. Школа парижских механиков, учение Николая Кузанского об относительном движении, о законе инерции, о законах падения (1401–1464 гг.), фрагментарная, но в целом энциклопедическая физика Леонардо да Винчи (1451–1519 гг.) с греческими реминесценциями, заимствованиями у современников и собственными гениальными прозре­ниями по самым разнообразным вопросам, первые успешные попытки экспериментирования и построения приборов делла Порта (1536–1616 гг.) подготовили почву для Галилея и Кеплера.

Пробуждение физики после тысячелетнего средневекового сна объяс­няется в значительной мере глубоко изменившимися техническими и эко­номическими условиями в Европе. Практика строительства, военное дело, повышение требований к сухопутным и водным путям в связи с разви­тием торговли и промышленности прямо или косвенно поощряли исследо­вания, в особенности по вопросам механики. Оптика получила внуши­тельный стимул к дальнейшему росту после того, как выяснились замечательные свойства линз, помогающие улучшению зрения. Свойства магнитов начали изучаться для целей мореплавания. Настоятельная по­требность в новой технике и популяризация античной науки трудами гуманистов, воскресивших забытые манускрипты и распространивших их путем книгопечатания,— вот те благоприятные факторы новой истории, которые и определили дальнейший рост науки.

Начало чрезвычайно резко выраженной фазы этого роста датируется первыми десятилетиями XVII в. Наступает эпоха, когда этапы развития физики начинают измеряться не столетиями, а десятилетиями и даже го­дами. С начала нового века до его 30-х годов в разных странах Европы (Италия, Германия, Англия, Франция, Голландия) открываются основ­ные законы механики (Галилей), законы движения планет, подготови­вшие путь к теории тяготения (Кеплер); после потрясающих астрономи­ческих открытий Галилея при помощи телескопов начинается новая эра оптики; геометрическая оптика распространяется на преломляющие си­стемы (Кеплер), формулируются законы преломления света (Снелль, Де­карт), выясняется полное внутреннее отражение (Кеплер), конструирует­ся микроскоп (Янсен). Исследования Джильберта в области электриче­ства и магнетизма впервые устанавливают основные факты электростати­ки и магнетостатики. Галилей строит первый термометр, пролагая таким образом путь к созданию учения о теплоте. В трудах Бэкона и Гассенди воскресает и модернизируется учение об атомах. «Discorsi» («Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей нау­ки») Галилея (1638 г.) в блестящей форме подводят первые итоги новой физики, главным образом механики, выступающей во всеоружии экспе­риментального и математического метода и покидающей почву античной традиции.

Приблизительно за 50 лет, разделяющих «Discorsi» от «Principia» (1683 г.) («Математические начала натуральной философии») Ньютона, развертывается новый, еще более блистательный период развития физи­ки. Механика оформляется в стройную систему, опирающуюся на новый математический метод анализа бесконечно малых, и становится на долгое время теоретическим остовом физики. Впервые ясно выкристаллизовы­ваются основные понятия классической физики пространства, времени, силы, живой силы и т. д. На основе механики решается фундаментальная задача астрономии о движении планет и комет, открывается закон все­мирного тяготения, создается теория маятника и устанавливается пропор­циональность тяжелой и инертной массы (Ньютон, Гюйгенс). Как част­ная глава механики развивается гидростатика, кладутся начала теории упругости (Гук), возникает физическая акустика. Гюйгенс на опыте определяет скорость звука, и Ньютон дает теоретический вывод для скоро­сти звука. В учении о газах новые пути открываются опытами Торичелли, конструкцией воздушного насоса (Герике) и установлением соотношения между давлением и объемом газа (Бойль). В эти годы создается физиче­ская оптика. Гримальди открывает диффракцию света. Гук и затем Ньютон исследуют интерференционные цвета тонких пластинок; Ньютон устанавливает понятие о простых монохроматических цветах. Бартолин открывает двойное лучепреломление исландского шпата. Ромер опреде­ляет скорость света; Гук и Гюйгенс создают теорию световых волн.

Если принять во внимание ничтожное число исследователей-физиков, разбросанных в эти десятилетия по разным странам Европы, скудость экспериментального оборудования и недостаточность математического ап­парата и сопоставить с такими неблагоприятными условиями перечислен­ные результаты, то станет ясным, что время между «Discorsi» и «Principia» есть эпоха величайшего напряжения в истории физики. В эти годы был создан прочный фундамент классической физики и почти до конца XIX в. физика строилась на его основе.

В последние годы XVII в. и в течение всего XVIII в. нельзя указать результатов столь же фундаментального значения, как за только что рас­смотренный период, хотя по некоторым отделам физики и нет основания говорить о понижении темпов исследования. Механика продолжает раз­виваться почти предписанным путем, по дороге, указанной Ньютоном, в трудах Бернулли, Эйлера, Лагранжа, Даламбера и Лапласа, достигая вы­сокого математического совершенства и разрешая многочисленные част­ные задачи механики систем и гидродинамики. Темпы развития оптики в XVIII в. замедляются; наиболее существенным шагом вперед являются создание и детальная разработка фотометрии в трудах Бугера и Лам­берта и создание ахроматических и оптических систем (Эйлер, Доллонд). В области физической оптики можно указать только эпизодические открытия (определение скорости света методом аберрации Бредлеем, от­крытие инфракрасных лучей Гершелем и Волластоном). В XVIII в. су­щественное развитие получило учение о теплоте. За это время определи­лось эмпирическое понятие о температуре, изобретен ртутный термометр и были установлены шкалы Фаренгейта, Цельсия и Реомюра, применя­ющиеся до сего времени. В работах Вилька, Блэка, Лавуазье и Лапласа установлены понятия о количестве тепла, удельной теплоте и найдены методы калориметрии. Опыты Румфорда привели к первым догадкам о механической природе теплоты. Наряду с этим шло развитие паровой ма­шины (Папен, Ньюкомэн, Ватт). Старая мысль о связи теплоты с движе­нием молекул начала уточняться в исследованиях Д. Бернулли и Ломоно­сова. Со времени Джильберта электрические явления не исчезали из тематики физиков XVII и XVIII вв., ограничиваясь, однако, во многих слу­чаях обнаружением эпизодических явлений. Наиболее существенные ре­зультаты электростатики XVIII в.: открытие существования положитель­ных и отрицательных зарядов (Дюфе) и установление основного закона электростатики (Кулон, Кавендиш).

XIX век быстро компенсирует замедленность развития физики в предыдущем столетии. В связи с переходом к капиталистическим формам в области экономики увеличивается потребность в более совершенной тех­нике производства, транспорта и всего жизненного уклада. Возрастает число технических школ, увеличивается внимание к преподаванию физи­ки, появляются новые физические журналы. Параллельно росту числа лиц, занимающихся физикой, возрастают суммарная продуктивность и число работ фундаментального значения. На основе физических открытий XIX в. появляется новая техника (техника тепловых двигателей и элект­ротехника), создавая совершенно очевидное практическое оправдание дальнейшему развитию физики. Появление железных дорог и улучшение других видов транспорта необычайно укрепили международные научные связи. Обилие научных журналов и легкость научной корреспонденции превратили коллектив исследователей в мощную международную орга­низацию исключительной продуктивности.

Страны, ранее находившиеся в состоянии почти полной научной изо­ляции (например, Япония), в новых условиях в несколько десятилетий достигали среднего научного уровня эпохи, успешно участвуя в дальней­шем в работе мирового коллектива. При учете этой, исключительно бла­гоприятной обстановки для развития науки делается понятным трудно обозримое богатство важных результатов физики XIX в. К концу этого столетия принципиальное содержание классической, ньютоновской физи­ки оказалось почти исчерпанным и, наоборот, стала ясной ее недостаточ­ность.

Открытие электромагнетизма (Эрстедт) и дальнейшие исследования в этой области Ампера, Фарадея и других послужили экспериментальной основой для электродинамики Максвелла. Дифференциальные уравнения этой теории не могут быть выведены из классических представлений: они получены путем математической экстраполяции. Попытки вывести эти уравнения на основе различных механических моделей эфира оказались тщетными, механика Ньютона потерпела на этом участке физики реши­тельное поражение. Но эта неудача в области электромагнитных явлений повлекла за собой и отказ от механического истолкования света. Еще в начала XIX в. опыты Юнга и Френеля с интерференцией света доказали наличие волновых свойств в световом потоке. Электродинамика Максвел­ла одновременно явилась и теорией света, интерпретируя свет как элек­тромагнитные волны. Таким образом, световые волны оказались не меха­ническими волнами.

Наиболее успешно применение механических представлений в XIX в. удалось провести в области тепловых явлений и при истолковании различ­ных агрегатных состояний вещества (газ, жидкость, твердое тело). Кине­тическая теория газов (Клаузиус, Максвелл, Больтцман) основывается на представлении о молекулах, движущихся и сталкивающихся по зако­нам механики.

Выводы теории получили экспериментальные подтверждения и дали возможность определить ближе понятие атомов и молекул, найти их число, размеры и связанные с ними силы. В основе теории, помимо меха­нических представлений, лежит гипотеза о хаотичности состояния, при­водящая к необходимости пользоваться статистическими методами для расчета. Эта гипотеза не противоречит законам механики, но и не может быть выведена из них. Таким образом, и в этой области механика оказа­лась недостаточной для создания полной физической теории. В помощь методу наглядных моделей в XIX в. для интерпретации тепловых про­цессов был привлечен метод принципов (Клаузиус, В. Томсон, Гельмгольц). На основе принципов сохранения и рассеяния энергии удалось построить науку о тепловых и молекулярных явлениях, термодинамику, позволяющую формальным абстрактным путем трактовать явления, от­носящиеся не только к газам, но и к жидкостям и твердым телам. Термо­динамика во многих случаях явилась способом обойти затруднения, свя­занные с методом механических моделей. Только в области акустики XIX в. механика оказалась вполне достаточной для развития детальной теории (Рэлей).

Последние десятилетия XIX в. — эпоха неожиданных открытий в об­ласти строения атома (открытие электронов и радиоактивность). С этого времени физика фактически вторглась в область химии и границы между обеими науками год от году стали делаться все менее определенными.

Если XIX век в истории физики можно характеризовать как период постепенного выяснения недостаточности ньютоновской механической схемы, то протекшие годы нового XX в. могут быть названы эпохой соз­дания новой теоретической схемы: она была подсказана вновь обнару­женными явлениями. В самом начале нового века анализ особенностей температурного равновесного излучения привел к открытию дискретности, прерывности основной механической величины действия (Планк). Применение теории кванта действия и энергии к спектральным законо­мерностям дали ключ к пониманию строения атомов (Бор). Эмпирически проверенные квантовые постулаты стали основой (путем метода матема­тической экстраполяции) современной волновой механики де Бройля, Шредингера, Гейзенберга и Дирака. Новая теория, заключающая клас­сическую схему как предельный случай, оказалась исключительно плодотворной и согласующейся почти со всем имеющимся опытным материалом в области физики и химии. Только в вопросах строения ядра атома, где за последние годы с громадной быстротой накапливаются новые факты, новая теория, повидимому, окажется недостаточной. Во всяком случае новые факты (например, открытие элементарных ча­стиц — нейтронов) опережают теорию.

Наряду с теорией квантов с начала нового века независимым путем развивается другая основная ветвь современной теоретической физики — теория относительности (Эйнштейн). Ее истоки — анализ классических ньютоновских представлений о физическом пространстве и времени, обна­ружение их недостатков и построение новой теории пространства — вре­мени. Для случая равномерных прямолинейных движений теория одно­значно вытекает из обобщенных эмпирических фактов — принципов от­носительности движения и постоянства скорости света. В общем случае ускоренных движений единственный путь создания теории — метод ма­тематической экстраполяции. О неограниченности и своеобразии этого ме­тода в применении к объектам общей теории относительности можно судить хотя бы по тому, что теория относительности имеет тенденцию к полной перемене ролей простого и сложного в физике. Современная атом­ная физика строит системы из элементарных частиц, теория относитель­ности стремится объяснить самую частицу и другие свойства реальной природы из свойств мира в целом, угадываемых путем математической экстраполяции (космологические задачи теории относительности). Пути теории квантов и теории относительности до сего времени во многом шли раздельно и, несомненно, будущее теоретической физики — на месте их слияния.

 

 

Источник: С.И.Вавилов. Собрание сочинений. Т.3,

М.: Изд-во АН СССР, 1956, с.148-164.

Первоначальная публикация: Под знаменем марксизма, 1935, № 1, 124–136.

 

 


[1] Статья «Физика» написана С.И.Вавиловым для 57 тома первого издания БСЭ и была опубликована в порядке обсуждения в журнале «Под знаменем марксизма», № 1 за 1935 г. В БСЭ несколько измененная статья под указанным названием опубликована за подписями С. И. Вавилова и А. А. Максимова (см. БСЭ, 1936, т. 57, стр. 228–244). — Ред.