227
_____________________________________________ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Брянский государственный технический университет _____________________________________________________________ В.И.ПОПКОВ ФИЗИКА В СИСТЕМЕ НАУК Утверждено редакционно-издательским советом в качестве учебного пособия Брянск 2010 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

559.физика в системе наук учебное пособие

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: 559.физика в системе наук  учебное пособие

_____________________________________________

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Брянский государственный технический университет

_____________________________________________________________

В.И.ПОПКОВ

ФИЗИКА

В СИСТЕМЕ НАУК

Утверждено редакционно-издательским советом в качестве учебного пособия

Брянск

2010

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 2: 559.физика в системе наук  учебное пособие

2

УДК 53

Попков, В.И. Физика в системе наук [Текст] +

[Электронный ресурс]: учеб. пособие для студен-

тов очной формы обучения всех специальностей /

В.И.Попков. – Брянск: БГТУ, 2010. – 227 с. ISBN 978-5-89838-542-2

Рассмотрены предмет, структура, методы физи-

ческой науки, связь физики с другими науками и

техникой, нерешенные проблемы физики.

Учебное пособие предназначено для студентов

всех специальностей и направлений, изучающих

физику, а также может быть полезно аспирантам,

изучающим философию и историю науки.

Научный редактор: к. ф.-м. наук доцент М.Ю.Некрасова Рецензенты: кафедра физики Брянской государственной инженерно-технологической академии; д-р техн. наук профессор В.А.Погонышев

ISBN 978-5-89838-542-2 © Брянский государственный технический университет, 2010 © Попков В.И., 2010

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 3: 559.физика в системе наук  учебное пособие

3

Per aspera ad astra

Предисловие

В настоящее время наука и ее влияние на тех-

нику и технологию являются основными факторами

развития общества. Достижения науки привели к

созданию атомной энергетики, аэрокосмической

техники, микроэлектроники, компьютерных техно-

логий и многого другого. Наука стала производи-

тельной силой, определяющей развитие цивилиза-

ции, переход к постиндустриальному обществу. В

этом процессе, называемом научно-техническим

прогрессом, ведущую роль, несомненно, играет

физика.

В последние годы особую актуальность приоб-

рели физические явления и процессы, связанные с

получением, передачей, преобразованием и ис-

пользованием различных видов энергии, созданием

новых материалов. Физические методы исследова-

ния широко применяются в биофизике, молекуляр-

ной биологии, химии, медицине, геологии. Кванто-

вая механика и теория относительности, которые в

период их создания казались слишком абстрактны-

ми и далекими от практики, стали обычными рабо-

чими теориями, широко применяемыми в инженер-

ной практике.

Подчеркивая ведущую роль физики в ХХ веке,

член-корреспондент РАН Н.В.Карлов писал:

«Вне всяких сомнений, ХХ век был ве-

ком физики, люди именно этой науки со-

здали ХХ век таким, каким он, как некая

цельность, вошел в историю человечества

и занял в ней свое славное место… Ни один

мало-мальски серьезный культурологиче-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 4: 559.физика в системе наук  учебное пособие

4

ский дискурс, претендующий на выявление

культурной, в широком смысле слова

«культура», доминанты ХХ века, не обхо-

дится без совершенно справедливых рас-

суждений о роли фундаментальной науки

вообще и физики в особенности в создании

того облика этого века, который мы

наблюдаем как в философской отстранен-

ности, так и в жизненной повседневности.

Физика в ХХ веке – это не только осново-

полагающая наука, формирующая миро-

восприятие деятельного человека. Она не

только снабдила человечество знанием

природы вещей и умением это знание ис-

пользовать. Она построила надежное

научное основание развитию инженерного

искусства, химии и биологии, материало-

ведения и энергетики, дала мощный им-

пульс математике и обеспечила в начале

XXI века триумфальное шествие науки о

живом и информатики».

Роль физики и других естественных наук в раз-

витии общества продолжает возрастать. При ин-

тенсивном развитии новых сложных процессов и

технологий физика все чаще выступает по отноше-

нию к технологии не только как ее естественно-

научное обоснование, но и как повседневный ра-

бочий инструмент. Растет насыщенность производ-

ства физическими методами контроля, расширяют-

ся масштабы использования в технике и техноло-

гиях новых физических эффектов и явлений, нано-

технологий. Увеличение наукоемкости приближает

инженерные теории к физическим. Поэтому изуче-

ние физики является объективной необходимостью

для людей самых разных профессий. Овладение

физикой способствует пониманию широкого круга

явлений и путей практического применения физи-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 5: 559.физика в системе наук  учебное пособие

5

ческих законов, формирует научное мировоззре-

ние, позволяет творчески подходить к решению

самых разнообразных производственных задач.

Основная цель предлагаемой книги состоит в

том, чтобы раскрыть предмет и структуру физики,

ее связь с другими науками и техникой, ознакомить

с методами исследования физических явлений, по-

казать место физики в системе естественных наук,

роль физики как фундамента естествознания в

формировании научной картины мира и ее влияние

на научно-технический прогресс.

Предмет физики

Физика, как и другие естественные науки, изу-

чает объективные закономерности окружающего

нас материального мира. Физика – наука, изучаю-

щая простейшие и вместе с тем наиболее общие

свойства и формы движения материи и их взаим-

ные превращения. Вследствие этой общности не

существует явлений природы, не имеющих физиче-

ских свойств или сторон. Формы материи, движе-

ния и взаимодействия, составляющие предмет фи-

зики, встречаются в любых материальных систе-

мах, поэтому понятия физики и ее законы лежат в

основе всего естествознания. В определении физи-

ки два ключевых понятия: материя и движение.

Материя и движение

Материя есть философская категория для обо-

значения объективной реальности, которая дана

человеку в его ощущениях, которая копируется,

фотографируется, отображается нашими ощущени-

ями, существуя независимо от них. В определении

материи следует обратить внимание на два важных

момента. Во-первых, материя существует объек-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 6: 559.физика в системе наук  учебное пособие

6

тивно, т.е. независимо от нас. Во-вторых, она ко-

пируется, отображается нашими ощущениями, т.е.

познаваема. Материя – причина, содержание и но-

ситель всего многообразия материального мира. С

точки зрения философского материализма, материя

первична, а все другие формы бытия есть ее по-

рождение; весь мир – движущаяся материя в ее

бесконечно разнообразных проявлениях.

В настоящее время известны два вида материи:

вещество и поле. В последнее время в отдельный

вид материи стали выделять физический вакуум.

Вещество – вид материи, обладающей, в отличие

от физического поля, массой покоя. Вещество – со-

вокупность дискретных образований, слагающихся

из элементарных частиц, масса покоя которых не

равна нулю (в основном из протонов, нейтронов и

электронов), атомов, молекул и построенных из

них тел. Материя в виде вещества имеет опреде-

ленную форму, размеры, пространственную лока-

лизацию.

Поле как физическая реальность (т.е. как вид

материи) в науку было введено М.Фарадеем. До

Фарадея электрическое, магнитное и гравитацион-

ное взаимодействия рассматривались как взаимо-

действия на расстоянии, между взаимодействую-

щими телами была пустота. Фарадей предположил,

что физические тела взаимодействуют друг с дру-

гом через соответствующие физические поля, за-

полняющие пространство между взаимодействую-

щими телами. В классической физике вещество и

поле противопоставляются друг другу как два вида

материи, у первого из которых структура дискрет-

на, а у второго – непрерывна. Поля (электромаг-

нитные, гравитационные и др.) заполняют про-

странство непрерывным образом. Введение поня-

тия поля покончило с действиями на расстоянии и

силами, которые действуют мгновенно. По мнению

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 7: 559.физика в системе наук  учебное пособие

7

А.Эйнштейна, идея поля была самой оригинальной

идеей Фарадея, самым великим открытием со вре-

мен Ньютона. О сложной связи между веществом и

полем А.Эйнштейн и Л.Инфельд в книге «Эволюция

физики», вышедшей в 1938 г., писали:

«Мы имеем две реальности: вещество и

поле. Несомненно, что в настоящее время

мы не можем представить себе всю физи-

ку, построенной на понятии вещества, как

это делали физики в начале девятнадцато-

го столетия. В настоящее время мы прини-

маем оба понятия. Можем ли мы считать

вещество и поле двумя различными, не-

сходными реальностями? Пусть дана ма-

ленькая частица вещества; мы могли бы

наивно представить себе, что имеется

определенная поверхность частицы, за

пределами которой ее уже нет, а появляет-

ся ее поле тяготения. В нашей картине об-

ласть, в которой справедливы законы по-

ля, резко отделена от области, в которой

находится вещество частицы. Но что же

является физическим критерием, разли-

чающим вещество и поле? Раньше, когда

мы не знали теории относительности, мы

пытались бы ответить на этот вопрос сле-

дующим образом: вещество имеет массу, в

то время как поле ее не имеет. Поле пред-

ставляет энергию, вещество представляет

массу. Но мы уже знаем, что такой ответ в

свете новых знаний недостаточен. Из тео-

рии относительности мы знаем, что веще-

ство представляет собой огромные запасы

энергии и что энергия представляет веще-

ство. Мы не можем таким путем провести

качественное различие между веществом и

полем, так как различие между массой и

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 8: 559.физика в системе наук  учебное пособие

8

энергией не качественное. Гораздо боль-

шая часть энергии сосредоточена в веще-

стве, но поле, окружающее частицу, также

представляет собой энергию, хотя и в

несравненно меньшем количестве. Поэто-

му мы могли бы сказать: вещество – там,

где концентрация энергии велика, поле –

там, где концентрация энергии мала. Но

если это так, то различие между веществом

и полем скорее количественное, чем каче-

ственное. Нет смысла рассматривать веще-

ство и поле как два качества, совершенно

отличные друг от друга. Мы не можем

представить себе резкую границу, разде-

ляющую поле и вещество. Те же трудности

вырастают для заряда и его поля. Кажется

невозможным дать ясный качественный

критерий, позволяющий провести разли-

чие между веществом и полем, между за-

рядом и полем…

Мы не можем построить физику на ос-

нове только одного понятия – вещества. Но

деление на вещество и поле, после при-

знания эквивалентности массы и энергии,

есть нечто искусственное и неясно опреде-

ленное».

В классической физике вещество и поле проти-

вопоставлялись друг другу как два разных вида

материи, у первого из которых структура дискрет-

на, а у второго – непрерывна. Квантовая физика,

которая ввела идею двойственной, корпускулярно-

волновой природы любого микрообъекта, привела

к нивелированию противопоставления вещества и

поля. Выявление взаимосвязи вещества и поля

привело к углублению представлений о структуре

материи. На субатомном уровне (т.е. на уровне

элементарных частиц) различие вещества и поля

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 9: 559.физика в системе наук  учебное пособие

9

становится относительным. С точки зрения кванто-

вой теории поля, понятия частицы (вещества) и

поля, которые раньше относились к различным фи-

зическим объектам, сливаются в единое понятие

квантового поля как особой формы существования

материи. Совершенно новым свойством стала дис-

кретность, квантованность поля. Поля утрачивают

чисто непрерывный характер, им необходимо соот-

ветствуют дискретные образования – кванты поля.

А элементарные частицы выступают как кванты со-

ответствующих полей. Частица лишь особое состо-

яние поля, квант поля. Неправомерно на субатом-

ном уровне различать вещество и поле по наличию

или отсутствию массы покоя, так как различные

поля обладают массой покоя. В современной физи-

ке поля и частицы выступают как две неразрывно

связанные стороны микромира, как выражение

единства корпускулярных (дискретных) и волно-

вых (непрерывных) свойств микрообъектов. Выяв-

ление тесной взаимосвязи вещества и поля приве-

ло к углублению наших представлений о структуре

материи. Физический вакуум в квантовой теории поля─

это наинизшее энергетическое состояние всех

квантованных полей, обладающее минимальной

энергией и нулевыми в среднем значениями им-

пульса, момента импульса, электрического заряда,

спина и др., форма материи, лишенная вещества и

излучения. Физический вакуум, с точки зрения

современной физики и космологии, – фундамен-

тальное и исходное состояние материи, свойства

которого определяют собой все остальные свойства

и проявления материи. В физическом вакууме су-

ществуют флуктуации его энергии. Фактически ва-

куум представляет собой плотно заполненное про-

странство из пар виртуальных частиц и античастиц,

непрерывно создаваемых и разрушаемых. Любое

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 10: 559.физика в системе наук  учебное пособие

10

состояние материи может быть получено из физи-

ческого вакуума действием оператора рождения

частиц.

В середине 60-х годов ХХ в. Э.Глинер предпо-

ложил, что в начале расширения нашей Вселенной

материя находилась в состоянии физического ва-

куума. Возбужденное состояние такого вакуума

способно создать огромное отрицательное давле-

ние, гигантскую силу космического отталкивания.

Вакуумная материя создает гравитационное от-

талкивание вместо гравитационного притяжения.

Именно гравитационное отталкивание и послужило

причиной первотолчка, который вызвал безудерж-

ное и стремительное раздувание Вселенной с ги-

гантскими начальными скоростями расширения ма-

терии.

Полученные в последнее время космологиче-

ские данные требуют кардинального дополнения

современных представлений о структуре материи и

фундаментальных взаимодействиях элементарных

частиц. Лишь 4% массы Вселенной приходится на

понятное нам «обычное» вещество, которое назы-

вают барионной материей. Остальные 96% – это

некие субстанции: темная материя (23%) и темная

энергия (73%).

Помимо обычного вещества, во Вселенной име-

ется другой тип вещества – темная материя. Обна-

ружение темной материи (т.е. материи, не излуча-

ющей свет и не наблюдаемой телескопами) имеет

фундаментальное значение для космологии, аст-

рофизики и физики элементарных частиц. Иссле-

дователи оказались (в очередной раз в истории

развития науки) перед фактом, заключающимся в

том, что известный мир, о котором, казалось бы,

известно все или почти все, в действительности со-

ставляет лишь малую часть пока еще непознанной

Вселенной.

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 11: 559.физика в системе наук  учебное пособие

11

Впервые предположение о существовании тем-

ной материи было высказано в 1933 г. астрономом

Ф.Цвикки на основе результатов исследований га-

лактических кластеров (скоплений галактик).

Ф.Цвикки обратил внимание на то, что масса скоп-

ления галактик в созвездии Волосы Вероники (кла-

стер Coma), определяемая по оптической светимо-

сти скопления и по скорости вращения периферий-

ных галактик в этом скоплении, зависящей от их

расстояния до центра скопления, не соответствуют

друг другу. Масса, которая получается из измере-

ний скорости вращения галактик, во много раз

больше массы, измеряемой по светимости. Цвикки

высказал предположение, что для удержания га-

лактик в составе кластера силами гравитации

необходимо большое количество невидимой мате-

рии. Он ввел в обиход понятие темной (не светя-

щейся) материи. С этих пор на основе широкого

круга самосогласованных астрофизических и кос-

мологических данных было получено множество

разнообразных и неоспоримых свидетельств суще-

ствования темной материи.

Темная материя сродни обычному веществу.

Она способна собираться в сгустки (размером с га-

лактику) и участвует в гравитационных взаимодей-

ствиях. Измерения, проведенные с несколькими

сотнями спиральных галактик, показывают, что все

эти галактики «погружены» в массивное гало из

темной материи. Анализ результатов гравитацион-

ного линзирования показал, что диаметр темного

гало галактик может превосходить видимый диа-

метр более чем на порядок. Скорее всего, темная

материя состоит из новых, не открытых еще в зем-

ных условиях частиц. Эти частицы должны быть

электрически нейтральны и участвовать только в

слабом взаимодействии, подобно нейтрино, но

иметь большую массу. По одной из гипотез канди-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 12: 559.физика в системе наук  учебное пособие

12

датами на роль таких частиц считаются гипотети-

ческие тяжелые и очень тяжелые нейтрино –

нейтралино с массой в десятки ГэВ. Если нейтра-

лино составляют значительную массу Вселенной,

их поток в Метагалактике должен быть огромным.

Наша Солнечная система движется в море нейтра-

лино со скоростью 220 км/с. Через каждый квад-

ратный метр поверхности ежесекундно должно

проноситься примерно 109 нейтралино. Сейчас в

различных странах мира около 20 эксперименталь-

ных групп заняты поиском частиц темной материи,

в т.ч. и нейтралино.

Одной из популярных категорий кандидатов на

роль частиц темной материи являются гипотетиче-

ские частицы – вимпы (название образовано от ан-

глийской аббревиатуры WIMPs – Weakly Interacting

Massive Particles – слабовзаимодействующие мас-

сивные частицы), которые по предположению были

рождены в первые мгновения после Большого

взрыва, когда температура среды была чрезвычай-

но велика и могли рождаться сверхмассивные ча-

стицы. К настоящему времени эти частицы остыли

и представляют собой отдельные сгустки. Предла-

гается также новый класс небарионной холодной

темной материи: сверхслабовзаимодействующие массивные частицы ─ супервимпы, или свимпы

(SuperWIMPs).

Многочисленные астрономические наблюдения

последних лет достаточно определенно указывают

на то, что преобладающей составляющей совре-

менной Вселенной является экзотическая темная

энергия с практически однородным распределени-

ем плотности и отрицательным давлением. Темная

энергия – гораздо более странная субстанция, чем

темная материя. Она не собирается в сгустки в га-

лактиках и скоплениях галактик, а равномерно

распределена во Вселенной.

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 13: 559.физика в системе наук  учебное пособие

13

Темная энергия носит явно выраженный неве-

щественный характер, но именно она доминирует

во Вселенной. Ее нельзя наблюдать по гравитаци-

онным эффектам, создаваемым отдельными объек-

тами, но она влияет на общее расширение Метага-

лактики. Наблюдения показывают, что в последние

миллиарды лет Метагалактика расширяется с уско-

рением, тогда как обычная материя (в том числе

темная) приводила бы к замедлению расширения

под воздействием гравитации. Следовательно, тем-

ная энергия проявляет дальнодействующие свой-

ства антигравитации. Плотность темной энергии

остается постоянной с течением времени, тогда как

плотность обычной энергии обратно пропорцио-

нальна объему Метагалактики. Вероятно, темная

энергия – это особый вид материи, давление кото-

рой отрицательно и численно в точности равно

плотности энергии. По словам академика

В.А.Рубакова, открытия, сделанные в области кос-

мологии, являются прямым свидетельством непол-

ноты современных представлений об элементарных

частицах и фундаментальных взаимодействиях. В

частности, в рамках существующей теории – Стан-

дартной модели физики элементарных частиц – не-

возможно объяснить наличие темной материи во

Вселенной и тот факт, что в ней имеется вещество,

а антивещество отсутствует. Природа темной энер-

гии – это главная загадка фундаментальной физи-

ки ХХI века. Перед наукой стоит задача определить

природу темной энергии и объяснить ее доминиру-

ющую роль во Вселенной. Имеются веские основа-

ния ожидать, что несоответствие между физикой

частиц и космологией найдет свое разрешение в

результате экспериментов на Большом адроном

коллайдере.

Материю нельзя противопоставлять конкретным

вещам как некоторое первоначало, из которого все

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 14: 559.физика в системе наук  учебное пособие

14

формируется. Не существует первичной субстан-

ции, из которой затем формируются вещи; материя

существует только в виде бесконечного разнообра-

зия конкретных объектов. Вещи не состоят из ма-

терии, а являются конкретными формами ее прояв-

ления. При этом все материальные объекты обла-

дают внутренней упорядоченностью, которая про-

является в закономерном движении и взаимодей-

ствии элементов. Существуют различные структур-

ные уровни организации материи, каждый из кото-

рых имеет своего носителя и свою систему законо-

мерностей. Материальное единство мира проявля-

ется в том, что все уровни материи взаимодейству-

ют и переходят друг в друга.

Итак, материя обладает следующими свойства-

ми:

- материя объективна, то есть существует вне

нашего сознания;

- материя существует в многообразии конкрет-

ных объектов;

- существует материальное единство мира как

взаимосвязь и взаимозависимость всех уровней ма-

терии, а также наличие ее универсальных свойств

и законов;

- материя несотворима и неуничтожима, суще-

ствуют законы сохранения, изменение материи

всегда связано с устойчивостью некоторых ее

свойств;

- материя находится в состоянии непрерывного

движения, материя не существует без движения,

т.е. без взаимодействия вещей и процессов;

- движение материи происходит в пространстве

и во времени;

- материя способна к саморазвитию, т.е.

усложнению структуры без вмешательства извне;

- материя познаваема;

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 15: 559.физика в системе наук  учебное пособие

15

- все известные материальные объекты и про-

цессы подчинены принципу причинности, т.е. име-

ют свои причины и порождают следствия.

Движение - способ существования материи, ее

всеобщий атрибут. Движение, с точки зрения фи-

лософии, есть всякое изменение вообще, развитие

вообще, взаимодействие материальных объектов.

Ф.Энгельс так определял понятие движения:

«Движение, рассматриваемое в самом

общем смысле слова, т.е. понимаемое как

форма бытия материи, как внутренне при-

сущий материи атрибут, обнимает собою

все происходящие во Вселенной измене-

ния и процессы, начиная от простейшего

перемещения и кончая мышлением».

Движение – неотъемлемое свойство материи,

оно несотворимо и неуничтожимо, как и сама мате-

рия. Материя не косное вещество, к которому

нужно прикладывать движение извне, а основа и

носитель движения.

Долгое время движение понималось как пере-

мещение материальных тел, как изменение их про-

странственного положения. Все остальные процес-

сы пытались объяснить перемещением отдельных

частей тел относительно друг друга (механицизм в

науке). Но уже в ХIХ веке выяснилось, что химиче-

ские реакции, электромагнитные и оптические яв-

ления нельзя свести к механическому движению и

объяснить законами классической механики.

Движение материи многообразно по своим про-

явлениям и существует в различных формах. Вы-

деляют три основные группы форм движения мате-

рии: неорганическая природа, органическая при-

рода и общество.

К формам движения материи в неорганической

природе относятся механическое движение – пере-

мещение тел в пространстве; движение элементар-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 16: 559.физика в системе наук  учебное пособие

16

ных частиц и полей – электромагнитные, гравита-

ционные, сильные и слабые взаимодействия, про-

цессы превращения элементарных частиц и др.;

движения и превращения атомов и молекул, вклю-

чающее в себя химическую форму движения мате-

рии; изменения в структуре макроскопических тел

– тепловые процессы, изменение агрегатных со-

стояний, звуковые колебания и др.; геологические

формы движения материи; изменение космических

систем различных размеров: планет, звезд, галак-

тик и их скоплений.

В настоящее время выделяют следующие струк-

турные уровни неживой природы:

- Вселенная;

- Метагалактика;

- скопления галактик;

- галактики;

- звездные скопления;

- космические тела (звезды, планеты и т.д.);

- макротела;

- молекулы;

- атомы;

- элементарные частицы;

- кварки.

Возможно, что существуют уровни больших или

меньших масштабов, но современной наукой они

еще не идентифицированы. Размеры материальных

объектов, изучаемых современной наукой, лежат в

диапазоне от 10-15 м до 1010 световых лет. Каждому

структурному уровню соответствует своя форма

движения, но они взаимосвязаны и находятся в по-

стоянном взаимодействии. Каждой форме движе-

ния присущи свой носитель, своя область распро-

странения и свои законы.

Формы движения материи в живой природе: со-

вокупность жизненных процессов в организмах и в

надорганизменных системах: обмен веществ, про-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 17: 559.физика в системе наук  учебное пособие

17

цессы отражения, саморегуляции, управления и

воспроизводства, различные отношения в биоцено-

зах и других экологических системах, взаимодей-

ствие всей биосферы с природными системами

Земли и с обществом. Выделяют следующие струк-

турные уровни живой природы:

- Биосферный уровень – наивысший уровень

организации жизни, охватывающий все явления

жизни на планете. Биосфера включает всю сово-

купность живых организмов Земли, в том числе и

человека, вместе с окружающей их природной сре-

дой. Биотический обмен веществ объединяет все

структурные уровни организации жизни в одну си-

стему. Биосфера является единой экологической

системой. На биосферном уровне происходит кру-

говорот веществ и превращение энергии, связан-

ные с жизнедеятельностью всех живых организмов,

обитающих на Земле.

- Биогеоценозный уровень. Биогеоценоз (эко-

система) – сложная динамическая система, пред-

ставляющая собой совокупность биотических и

абиотических элементов, связанных между собой

обменом веществ, энергии и информации. Биогео-

ценозы – это участки Земли с определенными при-

родно-климатическими условиями (геоценозы) и

связанные с ними биоценозы, представляющие

единый природный взаимообусловленный комплекс

с динамичными обратными связями. Биогеоценоз

представляет собой устойчивую систему, которая

может существовать на протяжении длительного

времени в состоянии динамического равновесия.

Нарушение динамического равновесия между эле-

ментами биогеоценоза приводит к экологической

катастрофе.

- Биоценозный уровень. Биоценоз – совокуп-

ность всех организмов, населяющих участок среды

с однородными условиями жизни; совокупность

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 18: 559.физика в системе наук  учебное пособие

18

популяций, сообщество микроорганизмов, живот-

ных и растений, обитающих на определенной тер-

ритории. В биоценозе продукты жизнедеятельности

одних организмов являются условием существова-ния других организмов. Обычно биоценозы состоят

из нескольких популяций.

- Популяционно-видовой уровень (популяция -

совокупность особей одного вида, занимающих

определенную территорию, свободно скрещиваю-

щихся между собой и частично или полностью изо-

лированных от других особей своего вида).

- Организменный и органотканевый уровень.

- Клеточный уровень.

- Молекулярный (доклеточный) уровень (бел-

ки и нуклеиновые кислоты).

Общественные формы движения материи вклю-

чают в себя многообразные проявления деятельно-

сти людей, все высшие формы отражения и целе-

направленного преобразования действительности:

развитие производительных сил и производствен-

ных отношений, классовые, национальные, госу-

дарственные отношения и др. В социально органи-

зованной форме материи можно выделить следую-

щие структурные уровни:

- человек (отдельный индивид);

- семья;

- группа;

- коллективы разных уровней;

- социальные группы (классы, страты);

- этносы;

- нации;

- расы;

- государства;

- союзы государств;

- человечество в целом.

Высшие формы движения материи исторически

возникают на основе относительно низших и вклю-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 19: 559.физика в системе наук  учебное пособие

19

чают их в себя в преобразованном виде – в соот-

ветствии со структурой и законами развития более

сложной системы. Между ними существуют един-

ство и взаимное влияние. Однако высшие формы

движения качественно отличны от низших и несво-

димы к ним. Раскрытие взаимоотношения между

формами движения материи играет важную роль в

понимании единства мира, в познании сущности

сложных явлений природы и общества. Общие за-

коны движения были сформулированы Гегелем:

переход количественных изменений в качествен-

ные, борьба противоположностей, отрицание отри-

цания. Движение внутренне противоречиво, оно

представляет собой сочетание движения и покоя,

изменения и устойчивости. Устойчивость проявля-

ется всегда: как бы ни изменился объект, он со-

храняет какие-либо характеристики (это следует

хотя бы из законов сохранения). Покой – это дви-

жение, не нарушающее качественной специфики

объекта. Покой всегда относителен, абсолютный

покой невозможен.

Различные формы движения материи изучают

различные науки: физика, химия, биология, со-

циология и т.д. Физика – наука о наиболее общих

свойствах и формах движения материи и их взаим-

ных превращениях. Физика изучает механическое,

тепловое, электромагнитное движение, атомные и

внутриатомные явления и др. Любая материальная

система есть прежде всего физическая система,

поэтому физические формы движения материи

входят как составная часть в более сложные фор-

мы движения материи. Все остальные естественные

науки должны учитывать физические закономерно-

сти, лежащие в основе изучаемых ими явлений:

законы сохранения и превращения энергии, начала

термодинамики и др. Кроме того, все естественные

науки широко используют физические методы ис-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 20: 559.физика в системе наук  учебное пособие

20

следования. Поэтому физика считается основой со-

временного естествознания.

Формы движения материи взаимосвязаны, по-

этому существует взаимосвязь между науками,

изучающими различные формы движения материи.

Итак, свойства движения таковы:

- движение объективно (т.е. существует в ре-

альности, а не в наших представлениях о ней);

- движение всеобще (т.е. все движется);

- движение – неотъемлемое свойство материи,

возникает из самой материи;

- движение неуничтожимо количественно (оно

не прекращается) и качественно (каждая форма

движения может превращаться в другую), прекра-

щение одних форм движения есть возникновение

новых его форм;

- движение абсолютно (в то время как покой

относителен);

- движение имеет определенные формы, кото-

рые подчиняются своим законам, но могут перехо-

дить одна в другую.

Пространство и время

Материя существует и движется во времени и

пространстве, которые являются формами суще-

ствования (бытия) материи, ее атрибутами. Про-

странство есть форма бытия материи, характери-

зующая ее протяженность, структурность, сосуще-

ствование и взаимодействие элементов во всех ма-

териальных системах. Можно сказать, что про-

странство – форма координации одновременно су-

ществующих объектов, выражает порядок сосуще-

ствования отдельных материальных объектов. Вре-

мя – форма бытия материи, выражающая длитель-

ность ее существования, последовательность сме-

ны состояний в изменении и развитии всех матери-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 21: 559.физика в системе наук  учебное пособие

21

альных систем. Время – форма координации сме-

няющих друг друга объектов, отражает порядок

смены явлений. Порядок сосуществования объек-

тов образует структуру пространства, порядок сме-

ны этих состояний образует структуру времени.

Пространство и время неразрывно связаны между

собой, их единство проявляется в движении и раз-

витии материи.

Пространство и время являются основными по-

нятиями всех разделов физики. Они играют глав-

ную роль на эмпирическом уровне физического по-

знания: непосредственное содержание результатов

наблюдений и экспериментов состоит в фиксации

пространственно-временных совпадений. Про-

странство и время служат также одними из важ-

нейших средств конструирования теоретических

моделей, интерпретирующих экспериментальные

данные. Пространство и время имеют решающее

значение для построения научной картины мира,

обеспечивая отождествление и различение отдель-

ных фрагментов материальной действительности. В

физике свойства пространства и времени делят на

метрические (протяженность, длительность) и то-

пологические (размерность, непрерывность и связ-

ность пространства и времени, порядок и направ-

ление времени).

В механической картине мира, созданной

И.Ньютоном, пространство и время носили абсо-

лютный характер. В «Математических началах

натуральной философии» И.Ньютон дал следующие

определения свойств времени и пространства:

«I. Абсолютное, истинное математиче-

ское время само по себе и по самой своей

сущности, без всякого отношения к чему-

либо, протекает равномерно и иначе назы-

вается длительностью.

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 22: 559.физика в системе наук  учебное пособие

22

II. Абсолютное пространство по самой

своей сущности, безотносительно к чему

бы то ни было внешнему, остается всегда

одинаковым и неподвижным.

Согласно И.Ньютону, абсолютное пространство

и время представляли собой самостоятельные сущ-

ности, которые не зависели ни друг от друга, ни от

находящихся в них материальных объектов и про-

текающих в них процессов. Абсолютное простран-

ство Ньютона выполняет функцию вместилища ма-

терии, местопребывания материальных объектов и

систем. По Ньютону пространство неизменно и

неподвижно, не зависит от материальных тел и их

движения; время абсолютно и течет везде одина-

ково.

Ньютон отличает абсолютные, истинные, мате-

матические пространство и время от относитель-

ных, обыкновенных пространства и времени, кото-

рые он допускал для обыденной жизни, определяя

их следующим образом:

«…Относительное, кажущееся, или

обыденное время есть или точная, или из-

менчивая, постигаемая чувствами, внеш-

няя, совершаемая при посредстве какого-

либо движения мера продолжительности,

употребляемая в обыденной жизни вместо

истинного, математического времени, как-

то: час, день, месяц, год…

…Относительное пространство есть его

мера или какая-либо ограниченная по-

движная часть, которая определяется

нашими чувствами по положению его от-

носительно некоторых тел и которое в

обыденной жизни принимается за про-

странство неподвижное: так, например,

протяжение пространств подземного воз-

духа или надземного, определяемых по их

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 23: 559.физика в системе наук  учебное пособие

23

положению относительно Земли. По виду и

величине абсолютное и относительное

пространства одинаковы, но численно не

всегда остаются одинаковыми».

Классическая физика считала, что Вселенная в

пространственном отношении бесконечна, что про-

странство Вселенной обладает евклидовой геомет-

рией (т.е. трехмерно, однородно и изотропно).

Пространственные свойства материальных тел в

классической механике абсолютны, т.е. не зависят

от системы отсчета, скорости движения тела, вре-

мени, длительности бытия предметов, их матери-

ального взаимодействия с другими окружающими

предметами.

Свойства пространства, по современным пред-

ставлениям (без учета релятивистских эффектов),

таковы:

- объективность, т.е. независимость от созна-

ния человека;

- всеобщность – не существует материи без

пространства;

- однородность – все точки пространства обла-

дают одинаковыми свойствами (параллельный пе-

ренос не изменяет законов природы);

- изотропность – все направления в простран-

стве обладают одинаковыми свойствами (поворот

на любой угол не изменяет законов природы);

- непрерывность – между двумя точками про-

странства, как бы близко они ни находились, все-

гда можно найти третью;

- связность – между точками пространства нет

разрывов;

- трехмерность – каждая точка пространства

однозначно определяется тремя координатами, все

материальные процессы и взаимодействия реали-

зуются лишь в пространстве трех измерений.

Свойства времени таковы:

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 24: 559.физика в системе наук  учебное пособие

24

- объективность;

- всеобщность;

- необратимость – причинно-следственные от-

ношения асимметричны, время всегда направлено

от прошлого к будущему;

- одномерность;

- связность;

- однородность – явления, протекающие в оди-

наковых условиях, но в разные моменты времени,

протекают одинаково;

- непрерывность – между двумя моментами

времени всегда можно выделить третий.

Почти все реальные процессы в природе явля-

ются необратимыми: это и затухание маятника, и

эволюция звезды, и человеческая жизнь. Необра-

тимость процессов в природе как бы задает

направление на оси времени от «прошлого» к «бу-

дущему». Это свойство времени английский физик

и астроном А. Эддингтон образно назвал «стрелой

времени». По поводу необратимости времени

И.Пригожин писал:

« Итак, мы приходим к выводу, что

нарушенная временная симметрия являет-

ся существенным элементом нашего пони-

мания природы…Стрела времени не проти-

вопоставляет человека природе. Наоборот,

она свидетельствует о том, что человек яв-

ляется неотъемлемой составной частью

эволюционирующей Вселенной…

Время – не только существенная

компонента нашего внутреннего опыта и

ключ к пониманию истории человечества

как на уровне отдельной личности, так и на

уровне общества. Время – это ключ к по-

ниманию природы».

Современной теорией свойств пространства и

времени является теория относительности – специ-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 25: 559.физика в системе наук  учебное пособие

25

альная и общая, развитые А.Эйнштейном. Специ-

альная теория относительности выявила зависи-

мость пространственных и временных характери-

стик объектов от скорости их движения относи-

тельно определенной системы отсчета и объедини-

ла пространство и время в единый четырехмерный

пространственно-временной континуум – простран-

ство-время. Правда, пространственные релятивист-

ские эффекты имеют существенные значения толь-

ко при скоростях тел, близких к скорости света в

вакууме. Специальная теория относительности со-

хранила представление об евклидовом характере

физического пространства. Общая теория относи-

тельности привела к отказу от этих представлений.

Общая теория относительности вскрыла зави-

симость метрических характеристик пространства-

времени от распределения гравитационных масс,

приводящих к искривлению пространства-времени.

Эйнштейн в общей теории относительности отка-

зался от плоского псевдоевклидова пространства и

перешел к более общей концепции – искривленно-

му четырехмерному пространству Римана. При этом

он фактически свел гравитацию к геометрии про-

странства. В соответствии с таким подходом пустое

пространство, т.е. пространство, в котором отсут-

ствует гравитационное поле, просто не существует.

Пространство-время проявляется лишь как струк-

турное свойство гравитационного поля; последнее

равносильно искривлению пространства-времени.

В свою очередь, это искривление определяет зако-

ны движения материи. Таким образом, согласно

ОТО, гравитация – это искривление пространства-

времени. Уравнения гравитационного поля Эйн-

штейна связывают характеристики пространства-

времени с распределением и движением материи.

(Отметим, что в соответствии с принципом Маха

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 26: 559.физика в системе наук  учебное пособие

26

все законы физики определяются распределением

материи во Вселенной).

По форме уравнения ОТО не похожи на урав-

нения динамики Ньютона. В частности, эйнштей-

новский закон гравитации фактически сводится к

математическому описанию движения свободного

тела в искривленном четырехмерном пространстве-

времени, заданном с помощью криволинейной си-

стемы координат. Параметры, характеризующие

кривизну такого пространства, определяются гра-

витационным полем, а траекторией движения сво-

бодного тела (в том числе и светового луча) явля-

ется не евклидова прямая, а искривленная линия

(геодезическая). В то же время уравнения ОТО пе-

реходят в уравнения Ньютона в предельном случае

малых скоростей и слабых квазистатических грави-

тационных полей. В этом случае четырехмерное

пространство-время становится квазиплоским.

В рамках ОТО были предсказаны три эффекта:

отклонение светового луча в поле солнечного тяго-

тения, гравитационное красное смещение спек-

тральных линий, медленное аномальное движение

перигелия Меркурия. Эти эффекты были подтвер-

ждены экспериментально. В настоящее время по-

сле открытия квазаров, пульсаров, реликтового из-

лучения, рентгеновских звезд и др. общая теория

относительности необходима для изучения и пони-

мания фундаментальных свойств Вселенной.

Тесное переплетение свойств пространства и

времени со свойствами гравитации в ОТО привело

Эйнштейна к идее, что на более глубоком уровне

существует связь пространства-времени и с други-

ми фундаментальными физическими полями, т.е. к

программе геометризации физики, которой он по-

святил последние 30 лет своей жизни. Однако его

попытки создать единую теорию поля не были

успешными.

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 27: 559.физика в системе наук  учебное пособие

27

В общей теории относительности от характера

распределения масс зависят такие фундаменталь-

ные свойства пространства-времени, как конеч-

ность и бесконечность, которые тоже обнаружили

свою относительность. Построенная на основе об-

щей теории относительности современная космоло-

гия утверждает конечный, но безграничный харак-

тер пространства Вселенной, изменяемость про-

странственных свойств Вселенной в связи с ее

расширением, неоднородность и анизотропность

физического пространства, его неевклидов харак-

тер.

Таким образом, пространство и время – неотъ-

емлемые, объективные свойства любых материаль-

ных объектов и систем. По поводу зависимости

свойств пространства и времени от материальных

объектов и процессов А.Эйнштейн писал:

«Прежде считали, что если все матери-

альные тела исчезнут из Вселенной, время

и пространство сохранятся. Согласно же

теории относительности, время и простран-

ство исчезнут вместе с телами».

Пространству свойственна относительная пре-

рывность, проявляющаяся в раздельном существо-

вании материальных объектов и систем, имеющих

определенные размеры и границы, в существова-

нии многообразия структурных уровней материи с

различными пространственными отношениями.

Новым шагом в развитии представлений о про-

странстве стала гипотеза о дискретном, квантовом

характере реального пространства в результате

применения идей квантовой механики к теории

гравитации и космологии. Определена минимально

возможная длина кванта пространства – 10-35 м

(так называемая планковская длина). Рассматри-

вается вопрос о дискретности, квантовании време-

ни. По этому поводу В.Гейзенберг писал:

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 28: 559.физика в системе наук  учебное пособие

28

«…в предельно малых пространствен-

но-временных областях, порядок величи-

ны которых тот же, что и у элементарных

частиц, пространство и время странным

образом исчезают, а именно: для столь ма-

лых времен уже нельзя правильно опре-

делить сами понятия «раньше» и «поз-

же». Разумеется, пространственно-

временная структура в целом нисколько не

меняется, однако приходится считаться с

возможностью, что в экспериментах с про-

цессами, протекающими в крайне малых

пространственно-временных областях, об-

наружится, что некоторые из них протека-

ют в направлении времени, как бы обрат-

ным тому, которое соответствует их кау-

зальной последовательности».

Существуют альтернативные исследовательские

программы, в которых предлагаются иные кон-

струкции времени и пространства. Так, в исследо-

вательской программе Е.А.Милна, являющейся аль-

тернативой общей теории относительности Эйн-

штейна, первостепенное значение придается вре-

мени по сравнению с пространством. Понятие вре-

мени считается первичным, а понятие пространства

– производным от него.

Н.А.Козырев в своей причинной механике пред-

ложил гипотезу о субстанциональной природе вре-

мени. В рамках этой гипотезы он обнаружил влия-

ние земных и космических необратимых процессов

на вес покоящихся и вращающихся тел, на некото-

рые свойства вещества (плотность, упругость,

электропроводность и др.). Действующий фактор

необратимых процессов он связал с активными

свойствами времени, с причинностью.

В программе геометродинамики, развиваемой

Дж. Уилером, физические явления выводятся из

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 29: 559.физика в системе наук  учебное пособие

29

свойств пространства-времени. Геометродинамика

включает в себя построение из геометрии про-

странства-времени эквивалентов массы, заряда,

электромагнитного поля. В этой теории частица

выступает как чисто геометрическое понятие. Мас-

са, время, длина, электромагнитные поля и т.д. яв-

ляются объектами чистой геометрии. По мнению

Дж.Уилера:

«В мире нет ничего, кроме пустого ис-

кривленного пространства. Материя, заряд,

электромагнитные и другие физические те-

ла являются лишь проявлением искрив-

ленности пространства. Физика есть гео-

метрия. Все физические понятия должны

быть представлены с помощью пустого,

различным образом искривленного про-

странства, без каких либо добавлений к

нему».

В современной физике и математике широко

применяются абстрактные (концептуальные) мно-

гомерные пространства, которые образуются путем

добавления к трем пространственным координатам

времени и других параметров, учет взаимной связи

и изменения которых необходим для более полного

описания процессов. Например, достаточно после-

довательная квантовая теория суперструн Грина-

Шварца сформулирована непротиворечивым обра-

зом в десятимерном пространстве-времени Минков-

ского. Однако не следует отождествлять эти кон-

цептуальные пространства, вводимые как способ

описания систем, с реальным пространством, кото-

рое всегда трехмерно и характеризует протяжен-

ность и структурность материи, сосуществование и

взаимодействие элементов в различных системах.

Однородность и изотропность пространства и

однородность времени называются свойствами

симметрии пространства и времени. Из свойств

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 30: 559.физика в системе наук  учебное пособие

30

симметрии пространства и времени следует сим-

метрия (инвариантность) физических законов по

отношению к следующим непрерывным преобразо-

ваниям пространства-времени: перенос (сдвиг) или

поворот системы как целого в пространстве; изме-

нение начала отсчета времени (сдвиг во времени).

При этих преобразованиях законы, устанавливаю-

щие соотношения между величинами, характери-

зующими физическую систему, не меняются. Дру-

гими словами, поведение изолированной механи-

ческой системы не зависит от того, какой момент

времени принят за начало отсчета, в каком месте

пространства помещено начало координат и как

ориентированы в пространстве оси координат.

В 1918 г. немецкий математик Э.Нётер сформу-

лировала теорему, согласно которой для физиче-

ской системы, движение которой описывается не-

которым дифференциальным уравнением, каждому

непрерывному преобразованию пространства и

времени соответствует определенный закон сохра-

нения. Таким образом, была установлена взаимо-

связь свойств симметрии пространства и времени с

законами сохранения. Закон сохранения импульса

вытекает из однородности пространства, закон со-

хранения энергии – из однородности времени, за-

кон сохранения момента импульса – из изотропно-

сти пространства.

Материальное единство мира

Материальное единство мира – принцип, утвер-

ждающий общность и взаимосвязь всех явлений

мира, отражаемых в человеческом сознании. Мате-

риальное единство мира проявляется во взаимной

связи всех структурных уровней материи, во взаи-

мосвязи явлений микро – и мегамира.

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 31: 559.физика в системе наук  учебное пособие

31

Материальное единство мира предполагает суб-

станциональное единство мира (материя – суб-

станция всех процессов и явлений мира); атрибу-

тивное единство мира (любая часть мира обладает

всеми свойствами материи); генетическое единство

мира (все формы материи имеют общее происхож-

дение); номологическое единство мира (все про-

цессы в мире подчиняются одним всеобщим зако-

нам). О субстанциональном единстве мира извест-

ный американский физик-теоретик Р.Фейнман пи-

сал:

«…как это ни удивительно – вся мате-

рия одинакова. Известно, что материя, из

которой сделаны звезды, такая же, как и

материя, из которой сделана Земля. Харак-

тер света, испускаемого звездами, дает

нам, так сказать, отпечатки пальцев, по ко-

торым можно решить, что там атомы того

же типа, что и на Земле. Оказывается, и

живая, и неживая природа образуется из

атомов одинакового типа. Лягушки сдела-

ны из того же материала, что и камни, но

только материал этот по-разному исполь-

зован. Все это упрощает нашу задачу. У нас

есть атомы – и ничего больше, а атомы од-

нотипны, и однотипны повсюду».

Материальное единство мира находит свое вы-

ражение в наличии у материи комплекса универ-

сальных свойств и диалектических законов струк-

турной организации, изменения и развития. К чис-

лу универсальных свойств материи относятся ее

несотворимость и неуничтожимость, вечность су-

ществования во времени и пространстве, законо-

мерное саморазвитие, проявляющееся в различных

формах, превращение одних состояний в другие.

Несотворимость и неуничтожимость материи

означают, что нет и не может быть никаких спосо-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 32: 559.физика в системе наук  учебное пособие

32

бов и средств, с помощью которых можно было бы

прекратить ее существование или сотворить ее из

«ничего», что не было и не будет времени, когда

материя не существовала или не будет существо-

вать. Признание несотворимости и неуничтожимо-

сти материи и форм ее существования полностью

исключают любую постановку вопроса о сотворе-

нии мира какой-то высшей, стоящей над миром си-

лой. Несотворимость и неуничтожимость материи

означает, что любые процессы, происходящие в

мире, никогда своим содержанием не имеют ни со-

творения, ни уничтожения движущейся материи.

Происходят лишь процессы преобразования,

структурной перестройки, модификации ранее су-

ществовавших состояний движущейся материи в

новые ее состояния в определенных, но разнооб-

разных пространственно-временных формах. Мате-

рия находится в состоянии вечного изменения, вы-

зываемого наличием внутренних противоречий, но

при всех изменениях, превращениях одних форм

материи в другие она неизменно остается, сохра-

няется как объективная реальность, существующая

вне и независимо от нашего сознания.

Свое всестороннее выражение в природе прин-

цип несотворимости и неуничтожимости материи и

ее атрибутов, свойств находит в физических зако-

нах сохранения. Физика открывает все новые и но-

вые явления, подтверждающие незыблемость все-

общего закона сохранения и превращения материи

и ее атрибутов, растет число частных законов со-

хранения отдельных характеристик физических

форм движения материи. С законами сохранения

связано введение в физику новых фундаменталь-

ных идей, имеющих принципиальное значение.

Одним из аспектов законов сохранения является их

связь с принципами симметрии. Законы сохранения

энергии, импульса и момента импульса связаны со

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 33: 559.физика в системе наук  учебное пособие

33

свойствами симметрии пространства и времени. За-

коны сохранения служат пробным камнем любой

физической теории. Непротиворечивость теории

этим законам служит убедительным аргументом в

ее пользу и является важнейшим критерием ее ис-

тинности. Поэтому в современных физических тео-

риях большую роль играет идея сохранения спе-

цифических для данной теории величин, причем

часто поиски этих величин являются важнейшей

частью теории. В истории науки известны случаи,

когда применение законов сохранения позволило

получить новые научные результаты. Так, опира-

ясь на законы сохранения энергии и импульса,

В.Паули предсказал существование новой элемен-

тарной частицы – нейтрино.

Одна из характерных особенностей законов со-

хранения состоит в том, что они могут проявляться

в форме ограничений или даже категорических за-

претов, выражающих невозможность прохождения

тех или иных процессов в определенных условиях.

Часто, когда исследователи сталкиваются с прин-

ципиальной невозможностью каких-либо процес-

сов, в итоге приходят к открытию новой сохраня-

ющейся величины. Об этой роли законов М.Борн

писал:

«Каждый закон природы устанавли-

вает в известном смысле предел; то, что

ему противоречит, недостижимо. Такое по-

ложение вещей оказалось в известной сте-

пени обратимым: если опыт наталкивается

на препятствие, которое он не может пре-

одолеть, несмотря на большое усилие, то,

как говорят, это препятствие является от-

правным пунктом для нового позитивного

знания, для познания нового закона при-

роды».

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 34: 559.физика в системе наук  учебное пособие

34

Таким образом, в законах сохранения находит

свое отражение важнейший материалистический

принцип неуничтожимости материи и движения,

взаимосвязь между различными формами движу-

щейся материи и специфика превращения одних

форм материи и движения в другие.

Развитие знаний о микро- и мегамире постоянно

приводит к открытию новых структурных элемен-

тов материи и связей между ними, вызывает необ-

ходимость создания новых научных понятий для их

выражения. При этом в процессе познания раскры-

ваются специфические черты различных областей

материального мира и конкретные формы его ма-

териального единства. Одним из универсальных

свойств материи является ее неисчерпаемость.

Неисчерпаемость материи философами понима-

ется двояко. С онтологической точки зрения неис-

черпаемость материи рассматривается как неис-

черпаемость, бесконечность самого материального

мира, его структурных элементов и их взаимодей-

ствий, как беспредельность делимости материи.

Универсальное взаимодействие всех разнообраз-

ных видов и состояний материи, их взаимная обу-

словленность и взаимопревращаемость – основа

множественности связей между ними, многообра-

зия и неисчерпаемости различных уровней и струк-

тур материального мира. Материя бесконечна в том

смысле, что каждый ее объект бесконечен по своим

свойствам. В.И.Ленин писал: «Электрон также

неисчерпаем, как и атом, природа бесконеч-

на». Открытие новых элементарных частиц, квар-

ков, новых объектов и свойств мегамира убеди-

тельно подтверждают тезис о неисчерпаемости ма-

терии.

С гносеологической (теоретико-познаватель-

ной) точки зрения принцип неисчерпаемости за-

ключается в признании бесконечности процесса

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 35: 559.физика в системе наук  учебное пособие

35

познания, движения к абсолютной истине через

познание относительных истин, обусловленных

уровнем развития науки и общественной практики.

Р.Фейнман писал:

«Каждый шаг в изучении природы –

это всегда только приближение к истине,

вернее, к тому, что мы считаем истиной.

Все, что мы изучаем, – это какое-то при-

ближение, ибо мы знаем, что не все зако-

ны еще знаем».

Аналогичную мысль высказывал А.Эйнштейн:

«Наука не является и никогда не будет

являться законченной книгой. Каждый

важный успех приносит новые вопросы.

Всякое развитие обнаруживает со време-

нем все новые и более глубокие трудно-

сти».

Важное значение для понимания материального

единства мира имеет установленный физиками

следующий факт: существующий набор числовых

значений фундаментальных постоянных (гравита-

ционная постоянная, постоянная Планка, скорость

света в вакууме, заряд электрона и др.) необходим

для существования основных устойчивых связан-

ных состояний материи, т.е. всей живой и неживой

природы в известных нам формах. Изменение ка-

кой-либо фундаментальной постоянной при неиз-

менности остальных приведет к невозможности су-

ществования основных устойчивых связанных со-

стояний: ядер, атомов, звезд и галактик.

Структура физики

В соответствии с многообразием исследуемых

форм движения материи физика подразделяется на

ряд дисциплин, или разделов, в той или иной мере

связанных друг с другом. Деление физики на от-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 36: 559.физика в системе наук  учебное пособие

36

дельные дисциплины можно проводить, руковод-

ствуясь различными критериями. По изучаемым

объектам физика делится на физику элементарных

частиц и физических полей, физику ядра, физику

атомов и молекул, физику твердых, жидких и газо-

образных тел, физику плазмы. Другой критерий –

изучаемые процессы или формы движения мате-

рии: различают механическое движение, тепловые

процессы, электромагнитные явления, гравитаци-

онные, сильные, слабые взаимодействия. Соответ-

ственно в физике выделяют следующие фундамен-

тальные физические теории: классическую меха-

нику – механику материальных точек и твердых

тел, механику сплошных сред (включая акустику),

термодинамику, статистическую физику, электро-

динамику (включая оптику), специальную теорию

относительности (релятивистскую механику), тео-

рию тяготения (общую теорию относительности),

квантовую механику, квантовую статистику и

квантовую теорию поля. При этом многие процес-

сы изучаются на разных уровнях: на макроскопи-

ческом уровне в феноменологических (описатель-

ных) теориях и на микроскопическом уровне в ста-

тистических теориях многих частиц. Указанные

способы подразделения физики частично перекры-

ваются вследствие глубокой внутренней взаимо-

связи между объектами материального мира и про-

цессами, в которых они участвуют. По целям ис-

следования выделяют прикладную физику. Особо

выделяется теория колебаний и волн, основанная

на общности закономерностей колебательных и

волновых процессов различной физической приро-

ды и методов их исследования.

В начале 30-х годов XX века советский физик-

теоретик М.П.Бронштейн использовал фундамен-

тальные константы – гравитационную постоянную

G, скорость света в вакууме c и постоянную План-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 37: 559.физика в системе наук  учебное пособие

37

ка h – для классификации фундаментальных физи-

ческих теорий и исследования взаимосвязи между

ними. Чтобы представить идеи М.П.Бронштейна в

наглядном виде, в 1964 г. известный советский

космолог А.Л.Зельманов предложил геометриче-

скую модель взаимоотношения основных физиче-

ских теорий. Трехмерная модель А.Л.Зельманова

получила название куба физических теорий. В ней

в вершинах куба, построенного на трех ортого-

нальных осях G, h и 1/c (Рис. 1), расположены

фундаментальные физические теории. Координаты

вершин куба зависят от используемых теориями

универсальных (фундаментальных) мировых кон-

стант: НМ(0,0,0), НГ(G,0,0), СТО(0,1/c,0), КМ

(0,0,h), ОТО(G,1/c,0), КТП(0,1/с,h), НКГ(G,0,h),

ТВ(G,1/c,h).

Рис. 1. Куб физических теорий

(Из Л.Б.Окунь, 1991)

В начале координат находится классическая

механика Ньютона НМ(0,0,0), которая не содержит

универсальных констант и является первой фунда-

ментальной теорией. Нерелятивистская гравитаци-

онная механика Ньютона (ньютоновская теория

гравитации) НГ(G,0,0) является второй фундамен-

тальной теорией и содержит одну универсальную

постоянную – гравитационную постоянную G. Ис-

торически третьей фундаментальной теорией стала

электродинамика Максвелла и связанная с ней

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 38: 559.физика в системе наук  учебное пособие

38

специальная теория относительности СТО(0,1/c,0)

Эйнштейна, где в качестве универсальной мировой

постоянной вводится скорость света в вакууме с.

Четвертой фундаментальной физической теорией

является квантовая механика КМ (0,0,h), содер-

жащая универсальную мировую константу посто-

янную Планка h как минимально возможный квант

действия. Пятой фундаментальной физической

теорией стала общая теория относительности

ОТО(G,1/c,0), содержащая две универсальные ми-

ровые постоянные G и с. Она является синтезом

специальной теории относительности СТО и нере-

лятивистской гравитационной механики НГ. Шестой

фундаментальной физической теорией является

квантовая теория поля КТП(0,1/с,h), содержащая

универсальные мировые константы c и h. Кванто-

вая теория поля является синтезом квантовой ме-

ханики КМ и специальной теории относительности

СТО. Синтез нерелятивистской гравитационной

теории НГ и квантовой механики КМ дает нереля-

тивистскую квантовую теорию гравитации

НКГ(G,0,h), содержащую универсальные мировые

постоянные G и h. Академик Л.Б.Окунь считает, что

сейчас еще неясно, существуют ли объекты, кото-

рые описывает эта теория. И, наконец, синтез всех

теорий в будущем может привести к созданию все-

объемлющей «теории всего» ТВ(G,1/c,h) – реляти-

вистской квантовой теории гравитации (единой

теории поля), содержащей все три универсальные

мировые константы G, h и c. На создание этой тео-

рии направлены в настоящее время усилия физи-

ков-теоретиков.

Все физические теории, входящие в модель

А.Л.Зельманова, взаимосвязаны между собой. Так,

классическая механика Ньютона НМ является пре-

дельным случаем ньютоновской теории гравитации

НГ, специальной теории относительности СТО и

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 39: 559.физика в системе наук  учебное пособие

39

квантовой механики КМ, т.е. соответственно полу-

чается из них при G→0, 1/c→0 и h→0. Аналогич-

ным образом ньютоновская теория гравитации НГ,

специальная теория относительности СТО и кван-

товая механика КМ представляют собой соответ-

ствующие предельные случаи нерелятивистской

квантовой теории гравитации НКГ или общей тео-

рии относительности ОТО, общей теории относи-

тельности ОТО или квантовой теории поля КТП,

квантовой теории поля КТП или нерелятивистской

квантовой теории гравитации НКГ. Очевидно, что

общая теория относительности ОТО, нерелятивист-

ская квантовая теория гравитации НКГ и квантовая

теория поля КТП являются предельными случаями

единой теории поля – «теории всего» ТВ. «Куб

теорий» отражает представление об эволюции фи-

зики в направлении объединения различных тео-

рий и создания, в конце концов, единой теории –

«теории всего». Заметим, что модель

А.Л.Зельманова охватывает не все физические

теории.

Физические методы исследования

В своей основе физика – экспериментальная

наука: ее законы базируются на фактах, установ-

ленных опытным путем. Эти законы представляют

собой строго определенные количественные соот-

ношения и формулируются на математическом

языке. Различают экспериментальную физику

(опыты, проводимые для обнаружения новых фак-

тов и для проверки открытых физических законов)

и теоретическую физику, цель которой состоит в

формулировке общих законов природы и объясне-

нии конкретных явлений на основе этих законов, а

также в предсказании новых явлений. Следует от-

метить, что при изучении любого явления опыт и

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 40: 559.физика в системе наук  учебное пособие

40

теория неразрывно связаны друг с другом. Рас-

смотрим более подробно методы, которыми поль-

зуются физики при изучении окружающего нас ма-

териального мира.

Эмпирические методы исследования

Наблюдение – целенаправленное изучение

предметов, опирающееся в основном на данные ор-

ганов чувств (ощущения, восприятия, представле-

ния). В ходе наблюдения мы получаем знание не

только о внешних сторонах объекта познания, но и

о его существенных свойствах и отношениях.

Наблюдение – целенаправленное восприятие явле-

ний и предметов, начальная ступень человеческого

познания, оно дает первые восприятия и ощуще-

ния. Наблюдение осуществляется в процессе прак-

тической деятельности. Практика - отправной

пункт всякого познания.

Научное наблюдение – целенаправленное, ор-

ганизованное восприятие предметов и явлений.

Наблюдение может быть непосредственным и опо-

средованным различными приборами и техниче-

скими устройствами (микроскоп, телескоп и др.). С

развитием науки наблюдение становится все более

сложным и опосредованным. Так, развитие радио-

физики, совершенствование радиолокационных

приборов привело к революции в астрономии. Бы-

ли сооружены гигантские радиотелескопы, улавли-

вающие излучения космических тел в радиодиапа-

зоне. Информация о космических объектах значи-

тельно выросла. Были открыты радиозвезды и ра-

диогалактики с мощным радиоизлучением; наибо-

лее удаленные от нас квазизвездные объекты –

квазары, светимость которых в сотни раз превыша-

ет светимость ярчайших галактик; реликтовое из-

лучение, возникшее на ранней стадии эволюции

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 41: 559.физика в системе наук  учебное пособие

41

Вселенной; пульсары – быстро вращающиеся

нейтронные звезды, создающие направленное из-

лучение в радио- и в видимом диапазонах, интен-

сивность которого периодически меняется из-за

вращения звезд.

Научное наблюдение проводится для сбора

фактов, выступающих основой для определенных

теоретических обобщений. Наблюдатель не может

изменить объект наблюдения, регулировать про-

цесс, управлять им и контролировать его. В наблю-

дении сохраняется полная зависимость наблюдате-

ля от изучаемого процесса.

В ходе наблюдения исследователь руководству-

ется определенной идеей, концепцией или гипоте-

зой. Он отбирает факты, которые либо подтвер-

ждают, либо опровергают его концепцию. Г.Селье

в книге «От мечты к открытию» писал о роли

наблюдения в научном познании:

«Простое наблюдение – это самый

удивительный и доступный из всех … ме-

тодов, и от него зависит большинство дру-

гих. Разумеется, просто держать глаза от-

крытыми бывает порой недостаточно. Надо

учиться тому, как смотреть, на что смотреть

и каким образом помещать изучаемый

объект в рамки нашего поля зрения. Нам

необходимо обрести способность созерцать

естественное явление с полной объектив-

ностью и предельным вниманием, не под-

даваясь предубеждениям и не отвлекаясь.

И все-таки никак не обойтись без извест-

ной доли предубеждения или, назовем его

иначе, подсознательного управления вни-

манием со стороны опыта. Только с его по-

мощью можно пробиться сквозь туман не-

существенного.

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 42: 559.физика в системе наук  учебное пособие

42

… великое преимущество наблюдения

состоит в том, что оно в отличие от химиче-

ских или физических методов воздействия

выявляет в объекте его бесчисленные

свойства и взаимосвязи. Наблюдение дает

целостный и естественный образ, а не

набор точек. Чем проще метод наблюдения

и чем менее мы полагаемся на средства

увеличения и выделения отдельных дета-

лей, тем шире поле исследования и тем

более естественным образом оно сохраня-

ется неповрежденным».

Эксперимент – наблюдение исследуемого явле-

ния в строго контролируемых условиях, позволяю-

щих следить за ходом явления, измерять количе-

ственные характеристики этого явления и воспро-

изводить это явление каждый раз при повторении

этих условий. Основные особенности эксперимен-

та:

- активное (в отличие от наблюдения) отноше-

ние исследователя к изучаемому объекту, вплоть

до его изменения и преобразования;

- возможность рассмотрения явления в чистом

виде путем изоляции его от второстепенных обсто-

ятельств или путем варьирования условий экспе-

римента;

- многократная воспроизводимость изучаемого

явления по желанию исследователя;

- возможность контроля за поведением объекта

исследования и проверки результатов;

- возможность обнаружения таких свойств яв-

лений, которые не наблюдаются в естественных

условиях (например, получение и исследование

трансурановых элементов);

- воспроизводимость другими исследователями

в аналогичных условиях.

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 43: 559.физика в системе наук  учебное пособие

43

В ходе эксперимента проводятся измерения для

объективной количественной оценки исследуемого

явления.

Еще в начале ХХ в. многие фундаментальные от-

крытия (атомного ядра, радиоактивности и др.)

были сделаны с помощью сравнительно простой

аппаратуры. В дальнейшем эксперимент стал

быстро усложняться и экспериментальные установ-

ки стали сравнимы по масштабу с промышленными

предприятиями. Современные экспериментальные

исследования в области ядра и элементарных ча-

стиц, термоядерного синтеза, радиоастрономии

требуют небывалых масштабов и затрат средств,

которые доступны лишь крупным государствам

или даже группе государств с развитой экономи-

кой.

Для проведения экспериментов создаются уни-

кальные установки (электронные микроскопы,

ускорители, радиотелескопы и др.). Ученые могут

работать в интервале температуры от абсолютного

нуля до десятков миллионов градусов, получать в

экспериментах давления в миллионы атмосфер,

изучать процессы, длящиеся 10-11 с, измерять рас-

стояния с точностью 10-12 см, увеличивать объекты

в 20 млн. раз.

Как ни странно, самые крупные физические

экспериментальные установки строятся для реги-

страции и исследования микрообъектов – элемен-

тарных частиц: различные типы ускорителей и де-

текторы к ним. Так, для регистрации «солнечных»

нейтрино сконструирован детектор, представляю-

щий собой бак, заполненный 610 т четыреххлори-

стого углерода и расположенный на глубине 1,5

км. Другой детектор для этих же целей содержит

60 т галлия и позволяет регистрировать одно «сол-

нечное» нейтрино в сутки.

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 44: 559.физика в системе наук  учебное пособие

44

Самой грандиозной экспериментальной уста-

новкой в настоящее время можно считать большой

адронный коллайдер (Large Hadron Collider – LHC)

– ускоритель встречных протонов и тяжелых ядер.

LHC – самая сложная экспериментальная установ-

ка, когда-либо созданная человеком. Большой ад-

ронный коллайдер находится на территории Швей-

царии и Франции, вблизи Женевы, в туннеле на

глубине 100 м. Длина туннеля ускорителя 27 км,

диаметр – почти 9 км. По двум кольцам ускорителя

протоны будут разгоняться до энергии 7 ТэВ. Во-

круг колца расположены детекторы, по своей

сложности не уступающие ускорительному кольцу,

например, детектор ATLAS - размером с 4-5-

этажный дом. Ожидается, что данные, полученные

на LHC, приведут к бурному развитию физики эле-

ментарных частиц и всей физики в целом.

По мере развития науки приборы, используе-

мые для исследований, становятся все более слож-

ными. Возникает вопрос о взаимодействии прибора

(наблюдателя) и объекта наблюдения. В классиче-

ской физике считалось, что введение прибора в

какую-либо исследуемую систему не изменяет со-

стояние системы. В применении к макроскопиче-

ским системам воздействие наблюдателя (субъек-

та) на объект ничтожно мало и им можно прене-

бречь. Совершенно иначе обстоят дела в микроми-

ре. При изучении микропроцессов было обнаруже-

но, что факт наблюдения изменяет состояние

наблюдаемой микрочастицы, изменяет ее волновую

функцию, которая используется для описания со-

стояния микрочастиц, обладающих корпускулярно-

волновым дуализмом. При квантово-механическом

описании природы объект изучения и прибор обра-

зуют единую систему. В квантовой механике изме-

рение обладает парадоксальными чертами. В част-

ности, свойства квантовой системы, обнаруженные

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 45: 559.физика в системе наук  учебное пособие

45

при измерении, могут не существовать до измере-

ния.

В 1927 г. Н.Бор сформулировал принцип допол-

нительности – принципиальное положение кванто-

вой механики, согласно которому получение экспе-

риментальной информации об одних физических

величинах, описывающих микрообъект (элемен-

тарную частицу, атом, молекулу), неизбежно свя-

зано с потерей информации о некоторых других

величинах, «дополнительных» к первым. Такими

взаимно дополнительными величинами являются,

например, координата и импульс микрочастицы. С

физической точки зрения, следуя Бору, принцип

дополнительности часто объясняют влиянием из-

мерительного прибора, который всегда является

макроскопическим объектом, на состояние микро-

объекта.

Рассматривать поведение изучаемого микро-

объекта имеет смысл, только исходя из результатов

его взаимодействия с прибором. Поэтому то, как

проявляет себя микрочастица – как волна или как

частица, зависит от характера проводимого изме-

рения и используемого прибора. Корпускулярный

или волновой характер частица приобретает только

в глазах экспериментатора. Имеются два класса

приборов: в одних квантовые микрообъекты ведут

себя как волны, в других – как частицы. В кванто-

вых экспериментах мы наблюдаем не реальность

как таковую, а лишь квантовое явление, включаю-

щее результат взаимодействия микрообъекта с

прибором. М.Борн заметил, что волны и частицы –

это «проекции» физической реальности на экспе-

риментальную ситуацию. По мнению

В.Гейзенберга, «наблюдение играет решающую

роль в атомном событии, реальность различа-

ется в зависимости от того, наблюдаем мы ее

или нет». Н.Бор подчеркивал:

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 46: 559.физика в системе наук  учебное пособие

46

«Данные при разных условиях опыта не

могут быть охвачены одной-единственной

картиной; эти данные должны рассматри-

ваться как дополнительные в том смысле,

что только совокупность разных явлений

может дать полное представление о свой-

ствах объекта».

Данные опыта – наиболее частный вид есте-

ственно-научного знания. Они представляют собой

констатацию показаний приборов в процессе про-

ведения опыта. Для избежания ошибок опыт мно-

гократно повторяется, результаты опытов подвер-

гаются статистической обработке. В результате

опытов иногда выявляются эмпирические законо-

мерности, например закон Ома, закон Гука, закон

Бойля – Мариотта. В эмпирические законы входят

эмпирические понятия: длина, масса, сила, ско-

рость и т.д.

Очень образно высказался о роли эксперимента

в развитии науки И.Пригожин:

«Мы считаем экспериментальный

диалог неотъемлемым достижением чело-

веческой культуры. Он дает гарантию того,

что при исследовании человеком природы

последняя выступает как нечто независимо

существующее. Экспериментальный метод

служит основой коммуникабельной и вос-

производимой природы научных результа-

тов. Сколь бы отрывочно ни говорила при-

рода в отведенных ей экспериментом рам-

ках, высказавшись однажды, она не берет

своих слов назад: природа никогда не

лжет».

Эмпирические законы описывают, как правило,

узкую группу явлений. На основании эмпирических

исследований могут быть сделаны эмпирические

обобщения. В науках описательных эмпирические

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 47: 559.физика в системе наук  учебное пособие

47

обобщения завершают исследование. В экспери-

ментальных и теоретических науках это только

начало. На основе большого количества опытов пу-

тем обобщения формируется гипотеза или теория.

Опыт может подтвердить или опровергнуть выдви-

нутую гипотезу. О роли эксперимента в физике

Г.С.Ландсберг писал:

«Отчетливое понимание … экспери-

ментального характера физических зако-

нов имеет крайне важное значение: оно

делает из физики науку о природе, а не си-

стему умозрительных построений; с другой

стороны, оно прививает мысль о границах

применимости установленных физических

законов, основанных на них теорий и от-

крывает перспективы для дальнейшего

развития науки. Не менее важным на пер-

вых шагах обучения играет правильное

представление о схематизации изучаемых

явлений, ее смысле и ценности».

Эту же мысль развивает Г.Липсон в книге «Ве-

ликие эксперименты в физике»:

«Теория играла и продолжает играть

важную роль в физике, но она всегда опи-

рается на эксперимент: теория получает

признание лишь в том случае, если она

приводит к результатам, которые могут

быть проверены экспериментально. В со-

знание многих физиков каким-то образом

проникло убеждение, что теория выше

практики и что выдвинуть новую теорию

важнее, чем провести решающий экспери-

мент. Эта точка зрения лишена всяких ос-

нований. Часто такие эксперименты в ос-

нове своей просты, и более поздние иссле-

дователи упускают из виду, сколько изоб-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 48: 559.физика в системе наук  учебное пособие

48

ретательности потребовалось, чтобы их

придумать».

Важнейшую роль эксперимента в становлении

новой теории можно проследить на примере кван-

товой механики. Теоретические основания кванто-

вой механики базируются не на одном, а на целом

ряде тончайших экспериментов, принесших нетри-

виальные результаты. Отметим лишь некоторые из

них. Возникновение квантовой теории и формула

Планка, дающая зависимость спектральной излуча-

тельной способности абсолютно черного тела от

длины волны при заданной температуре, связаны с

опытами Люммера и Прингсгейма по эксперимен-

тальному исследованию указанной выше зависимо-

сти. Опыты Перрена по изучению броуновского

движения убедительно подтвердили существование

молекул и позволили определить число Авогадро.

Опыты Резерфорда по рассеянию -частиц приве-

ли к созданию ядерной модели атома. В опытах

Д.Франка и Г.Герца, изучавших методом задержи-

вающего потенциала столкновение электронов с

атомами паров ртути, была доказана дискретность

значений энергии атомов. Эксперименты Миллике-

на по исследованию фотоэлектрического эффекта

подтвердили справедливость уравнения Эйнштейна

для фотоэффекта и корпускулярную природу све-

та. Опыты О.Штерна и В.Герлаха, обнаруживших

тонкую структуру спектральных линий атома водо-

рода, привели Д.Уленбека и С.Гаудсмита к предпо-

ложению существования спина – собственного ме-

ханического момента импульса. В опытах

К.Дж.Дэвиссона и Л.Г.Джермера, установивших,

что пучок электронов, рассевающийся на кристал-

ле никеля, дает отчетливую дифракционную кар-

тину, была подтверждена гипотеза Луи де Бройля о

корпускулярно-волновом дуализме микрочастиц. В

некоторых из этих экспериментов исследователи,

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 49: 559.физика в системе наук  учебное пособие

49

руководствуясь квантовой теорией, твердо знали,

какой эффект они ищут, а иногда даже могли

предсказать результаты опытов количественно.

Широкое распространение в науке получил

мысленный эксперимент – система мыслительных

процедур, проводимых над идеализированными

объектами. Мысленный эксперимент – это теорети-

ческая модель реальных экспериментальных ситу-

аций. Здесь ученый оперирует не реальными пред-

метами, а их концептуальными образами. История

развития физики богата фактами использования

мысленных экспериментов. Примером могут слу-

жить мысленные эксперименты Галилея, привед-

шие к открытию закона инерции. До Галилея в те-

чение двух тысяч лет в физике господствовала

точка зрения Аристотеля, согласно которой тело

движется только под действием силы. Если сила

прекращает свое действие, тело останавливается.

Обыденные наблюдения многократно это подтвер-

ждали. Реальные движения действительно прекра-

щались после прекращения действия движущей

силы вследствие наличия сил сопротивления. Га-

лилей сумел продлить наблюдения за пределы

обыденного в область идеализации. Он мысленно

представил, что силы сопротивления не действуют

на движущееся тело, и сделал вывод, что движе-

ние не прекратится, а будет продолжаться. Отсюда

он вывел закон инерции: «Всякое тело сохраняет

состояние покоя или равномерного прямолинейно-

го движения до тех пор, пока воздействие со сто-

роны других тел не заставит его изменить это со-

стояние». А.Эйнштейн и Л.Инфельд писали:

« Закон инерции нельзя вывести непо-

средственно из эксперимента, его можно

вывести умозрительно – мышлением, свя-

занным с наблюдением. Этот эксперимент

никогда нельзя выполнить в действитель-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 50: 559.физика в системе наук  учебное пособие

50

ности, хотя он ведет к глубокому понима-

нию действительных экспериментов».

Благодаря возможности абстрагироваться от

многих реальных свойств объектов, осуществлять

мысленные операции с идеальными объектами, по-

лучать в результате знания о более глубоких сущ-

ностях материального мира мысленные экспери-

менты широко применяются в познании. Все круп-

ные физики после Галилея широко пользовались

мысленными экспериментами. Максвелл, например,

с помощью мысленных экспериментов с молекула-

ми газа, представленными в виде маленьких, твер-

дых, упругих шариков, действующих друг на друга

при столкновении, получил закон распределения

молекул газа по скоростям – распределение Макс-

велла. Взяв в качестве модели электрического и

магнитного полей пространство, заполненное иде-

альной жидкостью, Максвелл осуществил над ним

ряд мысленных операций, которые дали возмож-

ность получить математические соотношения, по-

ложенные в основу теории электромагнетизма. При

выводе формулы распределения энергии в спектре

абсолютно черного тела М.Планк использовал мыс-

ленные модели (пространство, ограниченное зер-

кальными стенками и заполненное излучением и

независимыми гармоническими осцилляторами) и

мысленный эксперимент. Размышляя о движении

тел со скоростями, близкими к скорости света, и не

имея возможности наблюдать такие движения,

Эйнштейн часто прибегал к мысленным экспери-

ментам. К разбору мысленных экспериментов при-

бегали Н.Бор и А.Эйнштейн в своей многолетней

дискуссии по основам квантовой механики. Соот-

ношение неопределенностей, являющееся фунда-

ментальным положением квантовой механики, бы-

ло получено В.Гейзенбергом с помощью мысленных

экспериментов.

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 51: 559.физика в системе наук  учебное пособие

51

Измерение – совокупность действий, выполняе-

мых при помощи определенных средств с целью

нахождения числового значения измеряемой вели-

чины в принятых единицах измерений. Первона-

чально выбор единиц измерения был субъектив-

ным, основывался на свойствах человеческого тела

(фут, сажень и т.д.). Позже стали использовать бо-

лее объективные единицы, выбирая в качестве

эталонов объекты, существующие в природе (метр,

килограмм, секунда).

Первоначально метр был определен как одна

сорокамиллионная доля Парижского меридиана. На

основании измерения длины меридиана был изго-

товлен образец метра в виде платиновой линейки

«архивный» метр). Далее оказалось, что вслед-

ствие возрастания точности геодезических измере-

ний и изменения длины меридиана из-за смещения

полюсов, значения метра и соответствующей части

меридиана будут расходиться. Поэтому за точное

значение метра в 1889 г. был принят так называе-

мый международный прототип. До 1960 г. между-

народный эталон метра – длина между двумя

штрихами на платиново-иридиевом бруске, храня-

щемся в Международном бюро мер и весов в Севре

(Франция). Метр перестал быть «естественной»

мерой единицы длины.

Секунда первоначально определялась как

1/86 400 часть звездных суток. Позже было обна-

ружено систематическое замедление суточного

вращения Земли, вызванное океаническими прили-

вами и другими причинами. Было установлено, что

даже с учетом замедления длительность суток не-

постоянна – она может изменяться в обе стороны

на тысячные и даже сотые секунды. Следователь-

но, сутки нельзя использовать в качестве эталона

времени. Поэтому от измерения времени на основе

вращения Земли перешли к измерению с помощью

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 52: 559.физика в системе наук  учебное пособие

52

атомных стандартов, основанных на колебаниях

определенного типа в атоме цезия. В настоящее

время в качестве эталонов используют длины волн

излучения атомов, скорость света в вакууме, массу

электрона.

Системой единиц называют совокупность ос-

новных и производных единиц некоторой системы

физических величин, образованную в соответствии

с принятыми правилами. Система единиц строится

на основе физических теорий, отражающих суще-

ствующую в природе взаимосвязь физических ве-

личин. Для построения системы единиц произволь-

но выбирают единицы для нескольких не завися-

щих друг от друга физических величин; они назы-

ваются соответственно основными единицами и

основными величинами данной системы. Осталь-

ные величины и их единицы устанавливаются на

основании законов, связывающих эти величины с

основными. Они называются производными. Обыч-

но в качестве основных выбирают единицы, кото-

рые могут быть воспроизведены эталонами или

эталонными установками с наивысшей точностью,

соответствующей уровню развития науки и техники

в данную эпоху. Связь производных единиц с ос-

новными выражается формулами размерности.

В СССР с 1982 г. введена Международная си-

стема единиц – Система Интернациональная, при-

нятая 11 Генеральной конференцией по мерам и

весам (1960). Сокращенное обозначение системы –

SI (в русской транскрипции СИ). В ней использу-

ются семь основных единиц (метр, килограмм, се-

кунда, ампер, кельвин, моль, кандела) и две до-

полнительные (радиан и стерадиан).

Метр (м) – единица длины – равен

1 650 763,73 длины волны в вакууме излучения,

соответствующего переходу между уровнями 2p10 и

5d5 атома криптона-86. В 1983 г. 17-я Генеральная

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 53: 559.физика в системе наук  учебное пособие

53

конференция по мерам и весам приняла новое

определение метра как расстояния, проходимого в

вакууме плоской электромагнитной волной за

1/299 792 458 долю секунды. Относительная по-

грешность нового эталона метра 10-9 – 10-11.

Килограмм (кг) – единица массы – равен мас-

се международного прототипа, хранящегося в

Международном бюро мер и весов в Севре, близ

Парижа. Прототип килограмма сделан из платино-

иридиевого сплава (90% платины, 10% иридия) в

виде цилиндрической гири диаметром и высотой 39

мм. Относительная погрешность сличений с прото-

типом эталонов-копий не превышает 2∙10-9.

Секунда (с) – единица времени – равна

9 192 631 770 периодам излучения, соответствую-

щего переходу между двумя сверхтонкими уровня-

ми основного состояния атома цезия-133. Эталон

времени (и частоты), включающий атомно-лучевую

трубку с пучком атомов цезия и радиоустройство,

дающее набор электрических колебаний фиксиро-

ванных частот, позволяет воспроизводить единицы

времени (и частоты) с относительной погрешно-

стью 1∙10-11.

Ампер (А) – единица силы электрического то-

ка – равен силе неизменяющегося тока, который

при прохождении по двум параллельным прямоли-

нейным проводникам бесконечной длины и ни-

чтожно малой площади сечения, расположенным в

вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызвал

бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу

взаимодействия, равную 2∙10-7 Н.

Кельвин (К) – единица термодинамической

температуры – равен 1/273,16 части термодинами-

ческой температуры тройной точки воды.

Моль (моль) – единица количества вещества –

количество вещества системы, содержащей столько

же структурных элементов (атомов, молекул),

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 54: 559.физика в системе наук  учебное пособие

54

сколько атомов содержится в 0,012 кг изотопа уг-

лерода-12.

Кандела (кд) – единица силы света – равна

силе света в заданном направлении источника, ис-

пускающего монохроматическое излучение часто-

той 540∙1012 Гц, энергетическая сила света которо-

го в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.

Радиан (рад) – единица плоского угла – равен

углу между двумя радиусами окружности, длина

дуги между которыми равна радиусу.

Стерадиан (ср) – единица телесного угла –

равен телесному углу с вершиной в центре сферы,

вырезающему на поверхности сферы площадь,

равную площади квадрата со стороной, равной ра-

диусу сферы.

М.Планк в 1899-1900 гг. предложил «есте-

ственную систему единиц», основанную на четырех

фундаментальных физических постоянных - скоро-

сти света в вакууме c, гравитационной постоянной

G, постоянной Планка ħ и постоянной Больцмана k.

Используя метод размерностей, он получил едини-

цы длины, времени, массы и температуры, которые

предложил рассматривать как естественные (дан-

ные самой природой) единицы. Эти единицы полу-

чили название планковских. В современной физике

планковские единицы определяются следующим

образом:

- планковская длина 333 1062,1/

cGlpl

см;

- планковское время 445 1039,5//

cGcltplpl

с;

- планковская масса 5

102,2/

Gcmpl

г;

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 55: 559.физика в системе наук  учебное пособие

55

- планковская температура

;1042,1/1 325 KGck

Tpl

- планковская энергия 1952 1022,1/ GñcmE

plpl ГэВ.

Планк отметил, что эти единицы будут сохра-

нять свое значение до тех пор, пока справедливы

законы тяготения, начала термодинамики и пока

остается неизменной скорость света в вакууме.

Планковские величины не представляют (по

крайней мере, до сих пор) существенного значения

для метрологии, но имеют исключительную важ-

ность для теоретической физики как границы при-

менимости современных физических теорий. По

современным представлениям при расстояниях и

промежутках времени порядка планковских пере-

стает быть применимым понятие непрерывности

пространства и времени; при планковской энергии

гравитационное взаимодействие объединяется с

другими фундаментальными взаимодействиями –

сильным, слабым и электромагнитным.

Методы теоретического познания

Формализация – отображение содержательного

знания в знаково-символическом виде (формали-

зованном языке), отображение результатов мыш-

ления в точных понятиях и утверждениях; постро-

ение абстрактно-математических моделей, раскры-

вающих сущность изучаемых явлений.

Формализованный язык создается для точного

выражения мыслей с целью исключения возможно-

сти их неоднозначного понимания. При формали-

зации рассуждения об объектах переносятся в

плоскость оперирования со знаками (формулами),

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 56: 559.физика в системе наук  учебное пособие

56

что связано с построением искусственных языков

(язык математики, химии, логики и т.д.). Использо-

вание специальной символики позволяет устранить

многозначность слов обычного, естественного язы-

ка. В формализованных рассуждениях каждый

символ строго однозначен. Так, в уравнении

tFkxxrxm cos0

любой физик увидит уравне-

ние вынужденных колебаний.

Над формулами искусственных языков можно

производить операции, получать из них новые

формулы и соотношения. Тем самым операции с

мыслями о предметах заменяются действиями со

знаками и символами. Анализируя приведенное

уравнение, можно установить зависимость ампли-

туды вынужденных колебаний от частоты вынуж-

дающей силы, резонансную частоту, амплитуду при

резонансе.

Аксиоматизация – способ построения научной

теории на основе некоторых исходных положений

– аксиом (утверждений, доказательства истинности

которых не требуется), из которых все утвержде-

ния этой теории выводятся чисто логическим пу-

тем, посредством доказательств. Специалисты в

области точных наук убеждены, что, исходя из

строго сформулированных основных посылок, рас-

суждая последовательно в рамках системы законов

формальной логики, можно прийти только к одному

– единственно правильному выводу.

Аксиомы, лежащие в основе теории, должны

удовлетворять следующим условиям:

- система аксиом должна быть свободна от проти-

воречий;

- система аксиом должна содержать (как аксиомы)

или получать в качестве вывода (как теоремы) все

известные утверждения о законах из области, ко-

торую должна охватывать данная теория (напри-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 57: 559.физика в системе наук  учебное пособие

57

мер, уравнения движения, уравнения состояния,

уравнения поля и др.);

- аксиомы, помимо физических предположений,

должны служить необходимыми и достаточными

условиями для любого из базисных (неопределяе-

мых) понятий данной теории для того, чтобы эти

понятия имели и математический и физический

смысл;

- основные понятия системы аксиом должны быть

независимыми, то есть они не должны определять-

ся друг через друга;

- различные аксиомы теории не должны выводить-

ся друг из друга.

Механика Ньютона – первая аксиоматизиро-

ванная естественно-научная система. В «Оптике»

И.Ньютон писал:

«Вывести два или три общих начала

движения из явлений и после этого изло-

жить, каким образом свойства и действия

всех телесных вещей вытекают из этих яв-

ных начал, было бы очень важным шагом в

философии, хотя бы причины этих начал и

не были еще открыты».

Этими началами (аксиомами) в механике Нью-

тона являются три закона движения (три закона

Ньютона) и закон всемирного тяготения. Любое

утверждение земной и небесной механики, доказы-

вает Ньютон, может быть выведено на основании

этих законов. Эти утверждения истинны как для

земной, так и для небесной механики при скоро-

стях движения, близких к земным.

М.Бунге так оценивал роль аксиоматизации в

науке:

«Если мы ищем более точную формули-

ровку и, следовательно, более полное и

глубокое понимание теории …, то аксиома-

тический подход в таком случае будет

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 58: 559.физика в системе наук  учебное пособие

58

наиболее предпочтителен. В самом деле,

только он может дать глобальную оценку

теории и сосредоточить внимание на ее су-

щественных ингредиентах, не отвлекаясь

при этом на прикладные аспекты, также

как и на особенности ее исторического и

психологического развития. Аксиоматиче-

ский подход кратчайшим путем ведет к сути

любой теории. Более того, он не перегру-

жен деталями, оставляя их для прикладных

целей».

По мнению Л. де Бройля, аксиоматический ме-

тод в физике имеет ограниченное применение:

«…почему при изложении научных

теорий, не считая, может быть, области чи-

стой математики, метод, называемый «ак-

сиоматическим», удовлетворителен для

нашего ума и в то же время менее плодо-

творен практически. Многие видные умы,

особенно восприимчивые к логической

красоте способа изложения, предпринима-

ли большие усилия, чтобы изложить

надежно установленные физические тео-

рии в аксиоматической форме. Разумеется,

подобные усилия не являются бесполез-

ными; они позволяют в значительной сте-

пени уточнить исходные представления и

постулаты, лучше обнажить весь формаль-

ный костяк теории и строже определить

область ее применения и смысл следствий,

который можно из нее извлечь. Вся беда,

однако, заключается в том, что не успевает

завершиться работа, зачастую длительная

и кропотливая, по аксиоматизации науки,

как теория оказывается недостаточной для

экспериментальных фактов и возникает

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 59: 559.физика в системе наук  учебное пособие

59

необходимость расширить, а иногда и пол-

ностью пересмотреть ее основы…

Нельзя сказать, что строгие аксиомати-

ческие теории являются бесполезными, но,

вообще говоря, они почти не способствуют

наиболее замечательным успехам науки.

И глубокая причина этого в том, что аксио-

матический метод действительно стремится

устранить индуктивную интуицию – един-

ственный метод, который может помочь

выйти за пределы уже известного; аксио-

матический метод может быть хорошим

методом классификации или преподава-

ния, но он не является методом открытия».

Гипотетико-дедуктивный метод – создание си-

стемы дедуктивно связанных между собой гипотез,

из которых выводятся утверждения об эмпириче-

ских фактах. Общая структура гипотетико-

дедуктивного метода:

- ознакомление с фактическим материалом,

требующим теоретического объяснения, и попытка

объяснения с помощью уже существующих теорий

и законов;

- выдвижение догадки (гипотезы) о причинах и

закономерностях данных явлений с помощью логи-

ческих приемов;

- оценка предположений и отбор из множества

наиболее вероятных;

- выведение из гипотезы дедуктивным путем

следствий;

- экспериментальная проверка выведенных из

гипотезы следствий. Тут гипотеза или получает

экспериментальное подтверждение, или опровер-

гается. Лучшая по результатам проверки гипотеза

переходит в теорию.

Применение гипотетико-дедуктивного метода в

физике часто связано с формализацией теоретиче-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 60: 559.физика в системе наук  учебное пособие

60

ского исследования. Сначала дают строгое опреде-

ление понятий, которые будут использованы в

дальнейшем, определяют правила действий с ними,

постулируют некоторые основные связывающие их

соотношения, в частности количественные (зако-

ны). После этого в процессе исследования приме-

няются лишь логические операции. Исходные по-

ложения (определения и постулаты) предполага-

ются соответствующими истинным свойствам тех

природных объектов, которые изучает данная

наука. Эти исходные положения являются гипоте-

тическими. Выбор определений и постулатов осно-

ван только на опыте, на наблюдении и эксперимен-

те с реальными объектами. Правильность выбран-

ных гипотез подтверждается успехами науки, по-

строенной таким образом.

Формализованный гипотетико-дедуктивный ме-

тод с успехом был применен И.Ньютоном при по-

строении классической механики. В дальнейшем он

последовательно переносился на другие области

физики: термодинамику, статистическую механику,

электродинамику, теорию относительности, кван-

товую механику и т.д.

Общелогические методы и приемы

Анализ – реальное или мысленное расчленение

целостного объекта на составные части (стороны,

признаки, свойства, отношения) с целью их все-

стороннего изучения. В каждой области естество-

знания есть свой предел членения объекта, за ко-

торым наблюдается иной мир свойств и закономер-

ностей. Анализ – необходимый этап в познании

объекта, но он составляет лишь первый этап про-

цесса познания. Невозможно понять сущность объ-

екта, только разлагая его на элементы, из которых

он состоит. Сколь бы глубоко ни были изучены,

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 61: 559.физика в системе наук  учебное пособие

61

например, свойства углерода и водорода, по этим

сведениям еще ничего нельзя сказать о свойствах

многочисленных химических соединений, состоя-

щих из различного сочетания этих элементов.

Для постижения объекта или явления как еди-

ного целого необходимо вскрыть объективно суще-

ствующие связи между составными частями объек-

та или факторами, влияющими на явление, рас-

смотреть их в совокупности, единстве. Аналитиче-

ская стадия всегда имеет место при эксперимен-

тальном исследовании вновь открытого явления. В

эксперименте анализируется влияние различных

факторов в отдельности на явление. Так, при экс-

периментальном исследовании фотоэффекта изу-

чалось влияние величины светового потока и ча-

стоты падающего света на величину тока насыще-

ния и максимальную скорость вылетевших элек-

тронов. Были установлены следующие закономер-

ности:

1. Сила тока насыщения при неизменном

спектральном составе прямо пропорцио-

нальна величине падающего светового по-

тока.

2. Максимальная скорость вылетевших элек-

тронов не зависит от интенсивности пада-

ющего света, а определяется его частотой.

Кинетическая энергия вылетевших элек-

тронов линейно растет с ростом частоты.

3. Для каждого вещества существует мини-

мальная частота, зависящая от природы

вещества и состояния его поверхности, при

которой свет любой интенсивности фото-

эффект не вызывает.

Полученные закономерности не находили объ-

яснения с точки зрения волновой теории света,

господствовавшей в то время, и противоречили ей.

Для перехода от изучения отдельных составных

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 62: 559.физика в системе наук  учебное пособие

62

частей объекта (явления) к изучению его как еди-

ного целого используется другой метод – синтез.

Синтез – соединение ранее выделенных частей

в единое целое. Результат синтеза – совершенно

новое образование, знание. Анализ фиксирует в

основном то специфическое, что отличает части

друг от друга. Синтез не означает простого меха-

нического соединения разнородных элементов в

единую систему. Он раскрывает место и роль каж-

дого элемента в системе целого, устанавливает их

взаимосвязь и взаимообусловленность. Синтез

вскрывает то общее, что связывает части в единое

целое.

Анализируя закономерности фотоэффекта,

А.Эйнштейн пришел к выводу (синтез!), что они

могут быть объяснены на основе квантовой теории.

Предложенное Эйнштейном объяснение фотоэлек-

трического эффекта было основано на радикаль-

ном расширении рамок первоначальной квантовой

гипотезы М.Планка, согласно которой энергия, из-

лучаемая осциллятором в электромагнитное поле,

рассматривалась как квантованная величина. Раз-

вивая идеи М.Планка, Эйнштейн в 1905 г. отожде-

ствил квант с реальной частицей, позже названной фотоном. Он предположил, что свет частотой не

только испускается, но и распространяется в про-

странстве, и поглощается веществом отдельными

порциями (квантами), энергия которых зависит от

частоты. Распространение света надо рассматри-

вать не как волновой процесс, а как поток дис-

кретных частиц-фотонов. Энергия падающего фо-

тона h расходуется на совершение электроном

работы выхода из металла Авых и на сообщение вы-

летевшему электрону кинетической энергии

mv2max/2. Используя закон сохранения энергии,

Эйнштейн предложил уравнение для внешнего фо-

тоэффекта, которое носит его имя: h = Авых +

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 63: 559.физика в системе наук  учебное пособие

63

mv2max/2. На основании этого уравнения удалось

объяснить все закономерности фотоэффекта. Анализ и синтез находятся в диалектическом

единстве между собой. Анализ и синтез берут свое

начало в практической деятельности человека. Че-

ловек научился мысленно анализировать и синте-

зировать лишь на основе практического расчлене-

ния, соединения, составления предметов при изго-

товлении орудий труда т.д. Анализ и синтез – ос-

новные приемы мышления.

Абстрагирование – отвлечение от ряда несуще-

ственных для данного исследования свойств и от-

ношений изучаемого явления с одновременным

выделением интересующих исследователя свойств

и отношений. Абстрагирование составляет необхо-

димое условие возникновения и развития любой

науки и человеческого познания вообще. Вопрос о

том, что в объективной действительности выделя-

ется и от чего мышление отвлекается, в каждой

конкретной ситуации решается в прямой зависимо-

сти от природы изучаемого объекта и стоящих пе-

ред исследователем задач. Для механики, изучаю-

щей перемещение тел в пространстве, безразлич-

но, из каких веществ состоят тела. Протоны и

нейтроны обладают многими общими свойствами,

которые не зависят от наличия у частицы электри-

ческого заряда. Абстрагируясь от наличия заряда у

протона и от отсутствия заряда у нейтрона, вводят

понятие «нуклон», объединяющее эти две частицы.

Известно, что протоны и нейтроны состоят из квар-

ков, но в большинстве случаев это можно не при-

нимать во внимание и считать их элементарными

бесструктурными частицами.

Процесс познания всегда начинается с рассмот-

рения конкретных, чувственно воспринимаемых

предметов и явлений, их внешних признаков,

свойств, связей. В результате изучения чувствен-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 64: 559.физика в системе наук  учебное пособие

64

но-конкретного человек приходит к каким-то

обобщенным представлениям, понятиям, к тем или

иным теоретическим положениям, т.е. научным аб-

стракциям (например, понятие электромагнитного

поля, введенное Максвеллом в результате обобще-

ния чувственно-наглядных, эмпирических пред-

ставлений об электромагнитных явлениях Фара-

дея). В процессе абстрагирования происходит от-

ход от чувственно воспринимаемых конкретных

объектов к воспроизводимым в мышлении аб-

страктным представлениям о них. Переход от чув-

ственно-конкретного к абстрактному всегда связан

с известным упрощением действительности. Но

благодаря переходу к абстрактному исследователь

получает возможность глубже понять изучаемый

объект, раскрыть его сущность.

О роли абстрагирования в научном познании

В.Гейзенберг в книге «Шаги за горизонт» писал:

«… что такое абстракция и какую роль

она играет в понятийном мышлении? Ответ

можно сформулировать примерно так: аб-

стракция означает возможность рассмот-

реть предмет или группу предметов под

одним углом зрения, отвлекаясь от всех

других свойств рассматриваемого предме-

та. Сущность абстракции составляет выде-

ление одной особенности и противопостав-

ление ее как особо важной всем прочим.

Легко убедиться, что образование понятий

происходит в ходе формирования такого

рода абстракции, ибо оно предполагает

способность распознавать сходство. По-

скольку в наблюдаемых явлениях практи-

чески никогда не встречается полной тож-

дественности, сходство возникает только в

процессе абстрагирования, когда выделя-

ется какая-то одна особенность и устраня-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 65: 559.физика в системе наук  учебное пособие

65

ются все другие. Чтобы быть в состоянии

сформировать, скажем, понятие «дерево»,

нужно сначала сообразить, что у березы и

ели имеются некие общие черты, которые

можно выделить посредством абстрагиро-

вания и представить обособленно...

…Понятия, первоначально получен-

ные путем абстрагирования от конкретного

опыта, обретают собственную жизнь. Они

оказываются более содержательными и

продуктивными, чем можно было ожидать

поначалу. В последующем развитии они

обнаруживают собственные конструктив-

ные возможности: они способствуют по-

строению новых форм и понятий, позво-

ляют установить связи между ними и могут

быть в известных пределах применимы в

наших попытках понять мир явлений».

Идеализация – мысленное образование аб-

страктных объектов, не существующих в действи-

тельных условиях, но для которых имеются прооб-

разы в реальном мире (идеальный газ, абсолютно

черное тело). Идеализация, таким образом, особый

вид абстрагирования. Идеализация – это процесс

образования понятий, реальные прототипы кото-

рых могут быть указаны с той или иной степенью

приближения (материальная точка, точечный за-

ряд). Введение в процесс исследования идеализи-

рованных объектов позволяет осуществлять по-

строение абстрактных схем реальных объектов,

процессов, явлений, что способствует более глубо-

кому проникновению в закономерности их проте-

кания. Материальная точка – идеализация, широко

применяемая в механике, представляет собой объ-

ект, размерами которого в условиях данной задачи

можно пренебречь. Такой объект удобен при опи-

сании движения. Подобная абстракция позволяет

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 66: 559.физика в системе наук  учебное пособие

66

заменить в исследовании самые различные реаль-

ные объекты: от молекул и атомов при решении

многих задач молекулярной физики до планет Сол-

нечной системы при изучении их движения вокруг

Солнца.

Идеализация целесообразна тогда, когда под-

лежащие исследованию реальные объекты доста-

точно сложны для имеющихся средств теоретиче-

ского и математического анализа, а по отношению

к идеализированному случаю можно построить и

развить теорию, достаточно эффективную для опи-

сания свойств и поведения реальных объектов.

Примерами таких идеализаций являются абсолютно

черное тело, идеальный газ, идеальная жидкость и

др.

Индукция – метод исследования и способ рас-

суждения, в котором общий вывод строится на ос-

нове частных посылок, процесс выведения общего

положения из наблюдения единичных фактов. Ро-

доначальником индуктивного метода является

Ф.Бэкон, который считал индукцию важнейшим ме-

тодом поиска истины в науке:

«Индукцию мы считаем той формой до-

казательства, которая считается с данными

чувств, и настигает природу, и устремляет-

ся к практике, почти смешиваясь с нею».

Непосредственной основой индуктивного умо-

заключения является повторяемость признаков в

ряду предметов определенного класса. Заключение

по индукции представляет собой вывод об общих

свойствах всех предметов, относящихся к данному

классу, на основе наблюдения достаточно широко-

го множества таких предметов.

Различают два вида индукции – полную и не-

полную. Полная – вывод общего суждения о всех

объектах некоторого множества на основании рас-

смотрения всех объектов данного множества. Мо-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 67: 559.физика в системе наук  учебное пособие

67

жет применяться, когда множество объектов огра-

ничено. На практике чаще применяется неполная

индукция. Она предполагает вывод о всех объектах

множества на основе познания лишь части объек-

тов. Выводы неполной индукции часто носят веро-

ятностный характер и требуют дополнительного

подтверждения.

Индукция является основным логическим мето-

дом обработки экспериментальных данных, так как

исследователь за частными результатами конечно-

го числа экспериментов стремится увидеть общие

закономерности. Индуктивное обобщение экспери-

ментальных данных обычно рассматривается как

эмпирические законы. В качестве примеров таких

законов можно привести законы Кеплера о движе-

нии планет вокруг Солнца, закон Ома, законы фе-

номенологической термодинамики, законы Менде-

ля в биологии и многие другие. Индукция не может

существовать в отрыве от дедукции.

Дедукция – способ рассуждения, посредством

которого из общих посылок с необходимостью сле-

дует заключение частного характера. Началом (по-

сылками) дедукции являются аксиомы, постулаты

или просто гипотезы, имеющие характер общих

утверждений, а концом – следствия из посылок,

теорем. Дедукция – основное средство доказатель-

ства. Дедукция позволяет вывести из очевидных

истин знания, которые уже не могут с непосред-

ственной ясностью постигаться нашим умом.

Большую часть знаний люди приобретают путем

вывода (дедукции) из других уже имеющихся зна-

ний. Под выводом (дедукцией) в широком смысле

слова имеют в виду получение следствий из неко-

торых исходных высказываний без обращения к

опыту по особым правилам, устанавливаемым

науками, для которых построены исходные выска-

зывания – правилам логики, математики, физики,

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 68: 559.физика в системе наук  учебное пособие

68

химии и т.п., например из посылок (высказываний)

«Все металлы электропроводны» и «Медь есть ме-

талл» по правилам логики следует умозаключение

(высказывание) «Медь электропроводна».

А.Эйнштейн так писал о роли дедукции в физике:

«Для применения своего метода теоре-

тик в качестве фундамента нуждается в не-

которых общих предположениях, так назы-

ваемых принципах, исходя из которых, он

может вывести следствия. Его деятель-

ность, таким образом, разбивается на два

этапа. Во-первых, ему необходимо отыс-

кать эти принципы, во-вторых, - развивать

вытекающие из этих принципов следствия.

Для выполнения второй задачи он основа-

тельно вооружен еще со школы. Следова-

тельно, если для некоторой области и соот-

ветственно совокупности взаимосвязей

первая задача решена, то следствия не за-

ставят себя ждать. Совершенно иного рода

первая из названных задач, т.е. установле-

ние принципов, могущих служить основой

для дедукции. Здесь не существует метода,

который можно было бы выучить и систе-

матически применять для достижения цели.

Исследователь должен, скорее, выведать у

природы четко формулируемые общие

принципы, отражающие определенные об-

щие черты совокупности множества экспе-

риментально установленных фактов.

Если формулировка удалась, начинает-

ся развитие следствий, которые часто дают

непредвиденные соотношения, ведущие

далеко за пределы области фактов, из ко-

торых были получены принципы. Но до тех

пор, пока принципы, могущие служить ос-

новой для дедукции, не найдены, отдель-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 69: 559.физика в системе наук  учебное пособие

69

ные опытные факты теоретику бесполезны;

ибо он не в состоянии ничего предпринять с

единичными эмпирически установленными

общими закономерностями. Наоборот, он

застывает в беспомощном состоянии перед

единичными результатами эмпирического

исследования до тех пор, пока не раскро-

ются принципы, которые он сможет сделать

основой для дедуктивных построений».

Л. де Бройль в своем докладе «По тропам физи-

ки» отмечал роль дедукции и индукции в построе-

нии физических теорий:

«Дедуктивное рассуждение исходит из

априорных представлений и постулатов и

пытается извлечь из них с помощью логи-

ческих правил, которым подчиняется наше

мышление, следствия; эти следствия затем

можно сопоставить с фактами. Математи-

ческий язык предоставляет в распоряже-

ние дедукции точный инструмент, в кото-

ром она нуждается для совершения, по

возможности безошибочного, перехода от

посылок к выводам. Исходя в начале рас-

суждения из абстрактных формул, в кото-

рых физические величины представлены

символами, ученый, использующий дедук-

тивное рассуждение, преобразует по пра-

вилам логики свои уравнения и приходит к

окончательным соотношениям, которые он

хочет проверить. Тогда он должен заме-

нить символы цифрами, для того чтобы

получить численные результаты, которые

можно сравнить с экспериментом; рассуж-

дение уступает место расчету. Такова схе-

ма дедуктивного рассуждения в том виде, в

каком оно используется во всех науках,

достаточно точных, достаточно разрабо-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 70: 559.физика в системе наук  учебное пособие

70

танных для того, чтобы в них можно было

применять математический аппарат…

Индуктивное рассуждение значительно

сложнее для определения и анализа. Опи-

раясь на аналогию и интуицию, взывая

скорее к уму проницательному, чем к уму,

так сказать, геометрическому, оно стре-

мится угадать то, что еще не известно, так,

чтобы установить новые принципы, кото-

рые могут служить основой для новых де-

дукций. Отсюда видно, насколько индук-

тивное рассуждение смелее и рискован-

нее, чем дедуктивное рассуждение; дедук-

ция – это безопасность, по крайней мере, с

первого взгляда; индукция – это риск. Но

риск – необходимое условие любого по-

двига, и поэтому индукция, поскольку она

стремится избежать уже проторенных пу-

тей, поскольку она неустрашимо пытается

раздвинуть уже существующие границы

мысли, является истинным источником

действительно научного прогресса.

Сила строгой дедукции в том, что она

может идти почти абсолютно уверенно и

точно по прямой дороге; но слабость ее со-

стоит в том, что, исходя из совокупности

постулатов, рассматриваемых ею как

несомненные, она может извлечь из них

лишь то, что в них уже содержится. В за-

вершенной науке, основные принципы ко-

торой были бы полными и определенными,

дедукция была бы единственно приемле-

мым методом. Но в неполной, еще созда-

ющейся и развивающейся науке, какой по

необходимости является человеческая

наука, дедукция может служить лишь для

проверки и применений, конечно, очень

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 71: 559.физика в системе наук  учебное пособие

71

важных, но не открывающих действитель-

но новых глав науки. Великие открытия,

скачки научной мысли вперед создаются

индукцией, рискованным, но истинно твор-

ческим методом. Новые эры в науке всегда

начинались с изменений, вносимых в

представления и постулаты, ранее слу-

жившие основой для дедуктивного рас-

суждения.

Из этого, конечно, не нужно делать вы-

вод о том, что строгость дедуктивного рас-

суждения не имеет никакой ценности. На

самом деле лишь она мешает воображе-

нию впасть в заблуждение, лишь она поз-

воляет после установления индукцией но-

вых исходных пунктов вывести следствия

и сопоставить выводы с фактами. Лишь

одна дедукция может обеспечить проверку

гипотез и служить ценным противоядием

против не в меру разыгравшейся фанта-

зии. Но, захваченная в плен своей же стро-

гостью, дедукция не может выйти из ра-

мок, в которые она с самого начала заклю-

чена, и, следовательно, она не может дать

ничего существенно нового».

К этой же мысли Л. де Бройль возвращается в

своей работе «Роль любопытства, игр, воображе-

ния и интуиции в научном исследовании»:

«Однако нельзя недооценивать необ-

ходимой роли воображения и интуиции в

научном исследовании. Разрывая с помо-

щью иррациональных скачков…жесткий

круг, в который нас заключает дедуктив-

ное рассуждение, индукция, основанная на

воображении и интуиции, позволяет осу-

ществить великие завоевания мысли; она

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 72: 559.физика в системе наук  учебное пособие

72

лежит в основе всех истинных достижений

науки».

Аналогия – прием познания, при котором на ос-

нове сходства объектов в одних признаках заклю-

чают об их сходстве и в других признаках. Анало-

гия с тем, что известно, помогает понять то, что

неизвестно (знание переносится на менее изучен-

ный объект). Аналогия с простым помогает понять

более сложное. Метод аналогии основан на объек-

тивно существующем единстве материального ми-

ра. При анализе разнообразных явлений матери-

ального мира у многих процессов обнаруживаются

сходные черты, связи и отношения, которые часто

выступают как сходные количественные отноше-

ния. Но количественные определенности всегда

находятся в единстве с качественными характери-

стиками, поэтому при анализе количественных

данных обнаруживается качественная общность

между отдельными объектами. Это позволяет про-

водить аналогию между уже известными и еще

только исследуемыми процессами, объектами и на

ее основе делать умозаключения, приводящие к

новым знаниям.

По мнению М.Бунге, аналогия может быть пло-

дотворной при предварительном исследовании но-

вой научной области. Степень вероятности получе-

ния правильного умозаключения по аналогии будет

тем выше, чем больше известно общих свойств у

сравниваемых объектов, чем существеннее обна-

руженные у них общие свойства, чем глубже по-

знана взаимная закономерная связь этих сходных

свойств. Различают следующие виды аналогии:

простая аналогия – на основании сходства двух

предметов по одному признаку заключают об их

сходстве по другим признакам; распространенная

аналогия – на основании сходства явлений заклю-

чают о сходстве их причин; строгая аналогия – ис-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 73: 559.физика в системе наук  учебное пособие

73

ходя из сходства предметов по одному признаку

заключают об их сходстве по признакам, которые

являются зависимыми от первого признака; не-

строгая аналогия – то же относительно признаков,

зависимость которых от первого не установлена.

Аналогия с течением жидкости в трубе сыграла

важную роль в появлении теории электрического

тока. Аналогия с механизмом действия мышц, моз-

га, органов чувств животных и человека подтолк-

нула к изобретению многих технических устройств:

экскаватора, роботов, логических машин и т.д. С

помощью аналогии Дж.Максвелл строил мысленные

модели, при помощи мысленных экспериментов

ставил их в различные отношения и связи, поме-

щал в разные условия. Это позволило ему разрабо-

тать математическую теорию электромагнитного

поля. Аналогия между уравнениями Максвелла,

описывающими электромагнитное поле, и волно-

выми уравнениями позволила предсказать суще-

ствование электромагнитных волн. По аналогии

Д.И.Менделеев делал предположения о химических

свойствах еще неоткрытых элементов, исходя из их

положения в периодической таблице.

При познании микромира аналогия явилась

важным средством создания моделей, заменяющих

чувственный образ невидимого материального об-

разования. Такие модели помогают понять добыва-

емые в эксперименте данные об изучаемых объек-

тах микромира, раскрыть законы их функциониро-

вания, связи с остальным миром. По аналогии со

строением Солнечной системы Резерфорд предло-

жил планетарную модель атома. По аналогии с

корпускулярно-волновым дуализмом света Луи де

Бройль предположил, что корпускулярно-волновой

дуализм присущ и микрочастицам. Позже Луи де

Бройль писал:

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 74: 559.физика в системе наук  учебное пособие

74

«Электрон никогда явно не проявлял

волновых свойств, таких, скажем, какие

проявляет свет в явлениях интерференции

и дифракции. Попытка приписать волновые

свойства электрону, когда этому нет ника-

ких экспериментальных доказательств,

могла выглядеть как ненаучная фантазия.

И, тем не менее, как только возникла идея,

что электрон, возможно, обладает такими

свойствами, и не только электрон, но и во-

обще материальные частицы, так в голову

начали приходить разные беспокойные со-

ображения».

В 1926 г. Э.Шредингер опубликовал статью,

содержавшую волновое уравнение, ныне носящее

его имя, с помощью которого он получил строгий

метод решения квантовых задач. При создании это-

го уравнения существенную роль сыграла аналогия

между классической механикой и геометрической

оптикой.

Признавая роль аналогии в развитии физики,

М.Бунге отмечал ограниченность этого метода:

«С одной стороны, она способствует ис-

следованию неизвестного, вдохновляя нас

экстраполировать предшествующее знание

на новые области. С другой стороны, если

мир многообразен, аналогия должна рано

или поздно обнаружить свою ограничен-

ность, так как радикально новое по самой

сути есть то, что не может быть полностью

объяснено с помощью знакомых и привыч-

ных терминов».

Моделирование – изучение объекта (оригинала)

путем создания и исследования его копии (моде-

ли), замещающей оригинал с определенных сто-

рон, интересующих исследователя. Между моделью

и оригиналом должно существовать известное

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 75: 559.физика в системе наук  учебное пособие

75

сходство: физических характеристик, функций, по-

ведения изучаемого объекта и его математического

описания, структуры и др. Именно это сходство

позволяет переносить информацию, полученную в

результате исследования модели, на оригинал.

По характеру моделей выделяют материальное

(предметное или физическое) и идеальное модели-

рование, выраженное в соответствующей знаковой

форме. Материальные модели являются матери-

альными объектами, подчиняющимися в своем

функционировании естественным законам (физики,

химии, механики и т.д.). При физическом модели-

ровании модель имеет с объектом одинаковую фи-

зическую природу (модели самолетов, испытывае-

мых в аэродинамической трубе).

При идеальном (знаковом) моделировании мо-

дели выступают в виде схем, графиков, чертежей,

формул, систем уравнений, предложений есте-

ственного и искусственного (символы) языка.

Очень важной разновидностью символического

(знакового) моделирования является математиче-

ское моделирование. Символический язык матема-

тики позволяет выражать свойства, стороны, отно-

шения объектов и явлений самой различной при-

роды. Взаимосвязи между различными величинами,

описывающими функционирование такого объекта

или явления, могут быть представлены соответ-

ствующими дифференциальными и интегральными

уравнениями и их системами, т.е. в виде математи-

ческой модели, которая в дальнейшем исследуется

математическими методами. При математическом

моделировании явления и процессы, происходящие

в натурном (реальном) объекте, воспроизводятся

путем решения математических уравнений, отра-

жающих явления и процессы, происходящие в

натурном объекте. Какой бы ни была модель, она

всегда выступает как средство познания еще не

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 76: 559.физика в системе наук  учебное пособие

76

изученного объекта. Модель помогает в конечном

итоге создать научную теорию. М.Борн отмечает,

что все научные теории начинаются с моделей,

становящихся более или менее очевидными по ме-

ре продвижения исследования.

Моделирование позволяет изучать процессы,

характерные для оригинала, в отсутствие самого

оригинала и в условиях, не требующих его нали-

чия. Это часто бывает необходимо из-за неудоб-

ства исследования самого объекта или по другим

соображениям: недоступности, трудности доставки,

необозримости, дороговизны и т.д. Ценность моде-

ли в том, что ее значительно легче изготовить, с

ней легче осуществлять эксперименты, чем с ори-

гиналом. В последнее время широко применяются

электронные моделирующие устройства, в которых

с помощью электронных процессов воспроизводит-

ся по заданной программе реальный процесс.

Принцип моделирования широко применяется в ки-

бернетике.

Использование аналогии в познании часто

приводит к созданию модели исследуемого объек-

та. Этим средством широко пользовались в класси-

ческой физике. Особенно большое значение моде-

лирование приобретает в исследовании микромира.

Модель микрообъекта является заменителем изу-

чаемого предмета, который не может быть непо-

средственно воспринят органами чувств человека.

В случае познания микромира его объекты прямо

не наблюдаются, поэтому физики вынуждены на

основе немногих данных о нем создавать его гру-

бую модель. В основе модели лежат эмпирические

данные об объектах микромира, полученные в ма-

териальном эксперименте. При познании микроми-

ра физики были вынуждены использовать в каче-

стве аналогов объекты макромира и законы макро-

мира и лишь затем по мере познания микрообъекта

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 77: 559.физика в системе наук  учебное пособие

77

вносить в созданные модели уточнения, измене-

ния. М.Борн писал в связи с анализом истории изу-

чения атома:

«Изучая строение материи, физика все-

гда пользовалась методом, основанном на

следующем принципе: законы, справедли-

вые для «макроскопических» тел, т.е. для

тел, имеющих привычные глазу размеры,

сначала для пробы переносятся на элемен-

тарные частицы в неизменном виде; если

при этом обнаруживается какое-то проти-

воречие, то предпринимается видоизмене-

ние этих законов. Таким образом, научный

прогресс существенно зависит от теснейше-

го сотрудничества теории и эксперимента».

Моделирование микрообъектов началось с изу-

чения структуры атома. Рассмотрим, как постепен-

но изменялась и усложнялась модель атома. Ан-

глийский физик Р.Пайерлс, вспоминая историю по-

знания атома, писал:

«Мы оказались в положении людей, вне-

запно столкнувшихся со сложной машиной

и пытающихся понять, как она работает.

Если попытаться распутать без всякого ру-

ководства взаимодействие всех частей та-

кой машины, то мы скоро заблудимся, как в

лабиринте. Постараемся вместо этого уста-

новить сначала только главные черты ра-

боты машины. Для этой цели придумаем

модель, передающую основные детали ре-

альной вещи, но в то же время достаточно

простую для изучения. В дальнейшем, ко-

нечно, надо будет внести поправки, учиты-

вающие отброшенные осложнения, и убе-

диться, что они не меняют картину суще-

ственным образом».

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 78: 559.физика в системе наук  учебное пособие

78

Первой моделью атома была модель

Дж.Томсона, согласно которой атом состоит из по-

ложительно заряженной сферы, внутри которой

движутся отрицательно заряженные электроны. Ей

на смену пришла планетарная модель атома Ре-

зерфорда, основанная на бóльшем количестве экс-

периментальных данных и точнее отражающая

процессы в атоме. Эта модель вступила в противо-

речие с классической физикой. Согласно электро-

магнитной теории, электрон, движущийся вокруг

ядра по орбите, должен излучать электромагнит-

ные волны и терять свою энергию. Это приводило

бы к уменьшению радиуса его орбиты и в конечном

итоге – к падению электрона на ядро. В действи-

тельности этих процессов не наблюдалось. Атом

является устойчивой системой.

В 1913 г. Н.Бор предложил гипотезу, противо-

речащую классической электромагнитной теории,

основанную на двух постулатах. Согласно гипотезе

Бора, электрон, находящийся на стационарной ор-

бите, не излучает. Излучение происходит при пе-

реходе электрона с более высокой орбиты на более

низкую. Эти переходы и образуют спектр атома.

Бор сформулировал правила квантования, ввел

квантовые числа. На основании модели Бора был

рассчитан спектр атома водорода, хорошо совпав-

ший с экспериментом. Теория Бора была крупным

шагом вперед в развитии атомной физики и яви-

лась важным этапом в создании квантовой механи-

ки. Однако она обладала внутренними противоре-

чиями (основывалась на квантовых постулатах, но

применяла к описанию движения электрона законы

классической физики). С ее помощью не удалось

рассчитать спектр атома гелия, следующего в таб-

лице Менделеева за водородом.

Основанные на аналогии с Солнечной систе-

мой, грубые модели атома Резерфорда и Бора поз-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 79: 559.физика в системе наук  учебное пособие

79

волили сделать первые шаги в познании структуры

атома, которые стали исходными для дальнейшего

изучения этого сложного материального образова-

ния. Позже появилась квантово-механи-ческая мо-

дель атома, учитывающая волновые свойства элек-

трона. Она позволила более точно познать струк-

туру атома, законы, управляющие взаимодействи-

ем ядра и электронов и т.д.

Чем сложнее объект познания и чем глубже он

расположен в структуре материального мира, тем

труднее находить ему аналог в макромире, что за-

трудняет создание его модели. В таких случаях на

первых порах ученые вынуждены использовать не

одну, а несколько моделей, каждая из которых по-

могает познать какую-то сторону, свойство, зако-

номерность сложнейшего материального образова-

ния. Именно так велись исследования атомного яд-

ра. И.Адлер образно описал состояние знаний о

ядре:

«Исследование ядра физиками напоми-

нает известную историю о том, как слепые

люди осматривали слона … Подобным же

образом физики, исследуя различные свой-

ства ядра, приходят к различным выводам

о том, на что оно похоже.

На основании ряда свойств ядра можно

сделать вывод, что оно напоминает после-

довательность оболочек, в которой каждая

оболочка находится внутри другой оболоч-

ки. Другие свойства ядра приводят к выво-

ду, что оно подобно капле жидкости. Исхо-

дя из третьей группы свойств, можно сде-

лать заключение, что ядро похоже на по-

лупрозрачный шар … Каждая из них пред-

ставляет некоторую долю истины о ядре

точно так же, как каждый слепой был по

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 80: 559.физика в системе наук  учебное пособие

80

своему прав, когда давал свое определение

слону».

Первой моделью ядра была капельная модель,

разработанная независимо друг от друга Н.Бором и

Я.И.Френкелем (1936 г.). Она была основана на

аналогии между поведением нуклонов в ядре и по-

ведением молекул в капле жидкости. Капельная

модель ядра позволила объяснить механизм деле-

ния ядер и ядерных реакций. В 1949-1950 гг. аме-

риканский физик М.Гепперт-Майер и немецкий фи-

зик Х.Йенсен разработали оболочечную модель яд-

ра, которая позволила объяснить различную устой-

чивость атомных ядер, периодичность изменения

их свойств, спины и магнитные моменты ядер. Для

объяснения процесса рассеяния нейтронов различ-

ными ядрами, взаимодействия ядра с налетающими

частицами В.Ф.Вайскопфом и Г.Фешбахом была

разработана оптическая модель ядра. По мере

накопления экспериментальных данных о свой-

ствах атомных ядер появлялись новые факты, ко-

торые не могли объяснить указанные выше модели.

О.Бор и Б.Моттельсон предложили коллективную

(обобщенную) модель ядра. Позже были разрабо-

таны статистическая, кластерная и другие модели

ядра атома.

Вероятностно-статистические методы

В физике существуют два типа закономерностей

– динамические и статистические. В законах дина-

мического типа предсказания имеют точно опреде-

ленный, однозначный характер (второй закон Нью-

тона, закон Кулона и др.). В статистических зако-

нах предсказания носят не достоверный, одно-

значный, а лишь вероятностный характер (законы

статистической физики, квантовой механики).

Французский физик П.Ланжевен писал:

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 81: 559.физика в системе наук  учебное пособие

81

«Новая физика ставит фактически на

место абсолютного детерминизма детерми-

низм статистический. Она утверждает, что

наше знание материальной системы в дан-

ный момент времени позволяет нам пред-

видеть лишь вероятности последующих

возможных состояний этой системы, веро-

ятности тем более неясные, чем к более да-

леким срокам относится предвидение».

Вероятностно-статистические методы основаны

на учете действия множества случайных факторов,

которые характеризуются устойчивой частотой. В

тех случаях, когда система имеет большое число

взаимодействующих между собой степеней свобо-

ды, эффект случайных воздействий может стать

определяющим. Как показывает опыт, в системах,

в которых действуют случайные факторы, при мно-

гократном повторении наблюдений можно обнару-

жить определенные закономерности, обычно назы-

ваемые статистическими. Статистические законо-

мерности являются результатом совокупного дей-

ствия множества случайных факторов. Поэтому

статистические методы опираются на теорию веро-

ятностей.

Необходимость вероятностного подхода к опи-

санию микрочастиц является важнейшей отличи-

тельной особенностью квантовой механики. Состо-

яние микрочастицы в квантовой механике опреде-

ляется волновой функцией; квадрат модуля волно-

вой функции определяет вероятность нахождения

частицы в момент времени t в области с координа-

тами x и dxx , y и dyy , z и dzz .

В.Гейзенберг, учитывая волновые свойства микро-

частиц, пришел к выводу, что объект микромира

невозможно одновременно с одинаковой степенью

точности характеризовать его координатой и им-

пульсом. Микрочастица не может одновременно

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 82: 559.физика в системе наук  учебное пособие

82

иметь и определенную координату ),,( zyx , и

определенные соответствующие проекции импуль-

са ),,(zyx

ppp , причем, согласно соотношению не-

определенностей Гейзенберга, произведение не-

определенностей координаты и соответствующей

ей проекции импульса не может быть меньше по-

стоянной Планка h.

Ученые, которые понимали принцип причинно-

сти как возможность однозначного предсказания

будущего состояния системы по известному ее со-

стоянию в некоторый момент времени, из соотно-

шения неопределенностей делали вывод о непри-

менимости принципа причинности в квантовой ме-

ханике. На самом деле никакого нарушения прин-

ципа причинности применительно к микрообъектам

в квантовой механике не наблюдается. Состояние

частицы в квантовой механике определяется вол-

новой функцией. Знание волновой функции в дан-

ный момент времени однозначно определяет ее

значение в последующие моменты времени. Таким

образом, состояние микрочастицы однозначно вы-

текает из предшествующего состояния, как этого

требует принцип причинности. Американский фи-

зик Ю.Швингер писал по этому поводу:

«Классическая механика является де-

терминированной теорией. Знание состоя-

ния в данный момент времени допускает

точное предсказание результатов измере-

ния любого свойства системы. В противо-

положность этому квантовая механика де-

терминирована только статистически. Если

известно начальное состояние, то можно

предсказать только вероятность того или

иного результата измерения любого свой-

ства этой системы, а не результат отдельно-

го микроскопического наблюдения. Однако

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 83: 559.физика в системе наук  учебное пособие

83

обе теории удовлетворяют причинности –

знание состояния в один момент времени

подразумевает знание состояний в после-

дующие моменты».

Изучая атомные и ядерные структуры, физика

сталкивается с огромным количеством микроча-

стиц, находящихся в постоянном взаимодействии, в

движении, обладающих не только корпускулярны-

ми, но и волновыми свойствами. Возникающие при

этом закономерности являются не результатом про-

стой суммы взаимодействий частиц, а следствием

более сложных процессов, поэтому изучение их

осуществляется с помощью вероятностных (стати-

стических) теорий. Изучение микромира с помощью

статистических теорий позволило достигнуть зна-

чительных результатов. В частности, в процессе

разработки статистических теорий выяснилось, что

в зависимости от внутренней природы частиц си-

стемы определяется и вид статистики: классиче-

ская статистика Максвелла, статистика Ферми-

Дирака, статистика Бозе-Эйнштейна.

Развитие науки убедительно продемонстриро-

вало огромную эффективность использования в

физике вероятностных представлений. Мир, в ко-

тором мы живем, не является полностью детерми-

нированным и содержит неопределенности. Прак-

тически во всех областях науки строятся вероят-

ностные модели изучаемых явлений. Подавляющее

большинство современных научных теорий являют-

ся вероятностно-статистическими. Их значимость

настолько велика, что сегодня говорят о вероят-

ностной картине мира. Квантовая механика, гене-

тика, теория эволюции, теория информации явля-

ются классическими образцами такого рода теорий.

Современные эмпирические исследования так-

же немыслимы без статистической обработки дан-

ных, так как при любых измерениях допускаются

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 84: 559.физика в системе наук  учебное пособие

84

систематические и случайные погрешности. Накоп-

ление ошибок при измерениях – беда всех экспе-

риментаторов. Ошибки накапливаются и при ком-

пьютерных экспериментах из-за квантования про-

цесса и суммирования погрешностей, связанных с

округлением величин.

Более того, физик-теоретик Д.И.Блохинцев

считает:

«...основное положение классической

механики – возможность однозначного

определения будущего состояния системы

по ее начальным данным – основано на аб-

стракции, исключающей случайность. Вли-

яние этой случайности в общем случае не

может быть игнорировано, так как с тече-

нием времени неопределенность в началь-

ных данных возрастает, и предсказание по

прошествии некоторого конечного времени

становится совершенно бессодержатель-

ным. Практически хорошо известно, что

даже в такой точной науке, как небесная

механика, необходимо время от времени

подправлять исходные данные, чтобы

устранить накопившуюся ошибку…

Поклонники безукоснительного детер-

минизма делают ошибку, избирая образцом

классическую механику: движение, пред-

сказываемое классической механикой, ока-

зывается неустойчивым относительно ма-

лых случайных отклонений начальных

данных или же в результате действия слу-

чайных сил. Как бы ни были малы эти воз-

действия, всегда можно найти такое время,

при котором их эффект оказывается прева-

лирующим. Эта нестабильность движения

относительно малых случайностей полно-

стью разрушает иллюзию о возможности

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 85: 559.физика в системе наук  учебное пособие

85

однозначного предсказания будущего по

начальным данным без того, чтобы в даль-

нейшем не вносить коррективов «по ходу

дела».

Математика – универсальный язык физики

Представления об окружающем нас мире изме-

нялись по мере развития физических теорий. Од-

нако с античных времен природа понималась как

структурно-целостная система. Идея целостности

окружающего нас мира приводила к поиску зако-

номерностей, по которым этот мир функционирует,

к поиску гармонии природы, прежде всего на ма-

тематическом уровне.

Практически полезные знания о численных от-

ношениях и свойствах различных геометрических

фигур накапливались столетиями. Но только древ-

ние греки первыми превратили их в систему науч-

ных знаний, придали высокую ценность обосно-

ванным и доказательным знаниям. Фалес Милет-

ский первым поставил вопрос о необходимости до-

казательства геометрических утверждений. Пред-

ставители философской школы пифагорейцев (VI –

IV вв. до н.э.) рассматривали Космос как упорядо-

ченное, гармоничное, единое целое, которым пра-

вят числа. Тезис Пифагора «Мир есть число» пере-

водил математику из области практически-

прикладной в сферу теоретическую, в систему по-

нятий, логически связанных между собой процеду-

рой доказательства. Пифагорейцы воспринимали

число как божественное начало, сущность мира.

Числа, по мнению пифагорейцев, уравновешивают

добро и зло в мире, обеспечивают в нем возрож-

дение и предопределяют уничтожение, способ-

ствуют успеху, влияют на судьбу человека. Мир

целостен и гармоничен. Но «мир есть число», зна-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 86: 559.физика в системе наук  учебное пособие

86

чит, занятия математикой позволят установить свя-

зи между числами и тем самым постичь гармонию

окружающего мира. Мистика чисел, пронизываю-

щая все учение пифагорейцев, проникла в религи-

озные воззрения последующих столетий, прояви-

лась в магии и астрологии.

Математическая программа, предложенная Пи-

фагором и позднее развитая Платоном, по суще-

ству является первой научной программой антич-

ности. В ее основе лежало представление, что мир

(Космос) – это упорядоченное выражение целого

ряда первоначальных сущностей – чисел, которые

являются первоосновой мира. В математической

программе в основе мира лежат количественные

отношения действительности. Этот подход позво-

лил увидеть за миром разнообразных качественно

различных предметов их количественное единство.

Пифагорейцы заложили основы представления о

мире и его познании, в соответствии с которым ма-

тематические знания являются важнейшим услови-

ем познания природы: математика есть средство

познания устройства мира. Картина мира, пред-

ставленная пифагорейцами, поражала своей гар-

монией – протяженный мир тел, подчиненный за-

конам геометрии, движение небесных тел по мате-

матическим законам. Cогласно представлениям

пифагорейцев, расстояния между светилами соот-

ветствовали музыкальным интервалам дорийского

лада. При вращении светил, находящихся на кон-

центрических сферах, светила издают свой музы-

кальный тон, а вся система сфер образует гармо-

нию – «музыку сфер».

Дальнейшее развитие математическая про-

грамма пифагорейцев получила в трудах Платона,

который нарисовал грандиозную картину «истин-

ного» мира – мира идей, представляющего собой

иерархически упорядоченную структуру, создан-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 87: 559.физика в системе наук  учебное пособие

87

ную Творцом на основе математических законо-

мерностей, которые Платон пытался вычленить,

математизируя физику. Заимствовав у Левкиппа и

Демокрита представления об атомах как мельчай-

ших частицах материи, Платон мыслил их как гео-

метрические формы, как правильные многогранни-

ки (частицы земли – кубы, огня – тетраэдры, воды

– икосаэдры, воздуха - октаэдры). Правильные

многогранники служили у него символами опреде-

ленных особенностей физических характеристик

материи.

В XVII – XVIII вв. естествознание окончатель-

но встало на путь количественного исследования.

Классическое естествознание (и физика прежде

всего) начинается с умения строить математиче-

ские модели изучаемых явлений, сравнивать их с

опытным материалом, проводить рассуждения по-

средством мысленного эксперимента. Еще

Г.Галилей в книге «Пробирных дел мастер» писал:

«Философия природы написана в ве-

личайшей книге, которая всегда открыта

перед нашими глазами, – я разумею Все-

ленную, но понять ее сможет лишь тот, кто

сначала выучит язык и постигнет письме-

на, которыми она начертана. А написана

книга на языке математики, и письмена ее

– треугольники, окружности и другие гео-

метрические фигуры, без коих нельзя по-

нять по-человечески ее слова: без них –

тщетное кружение в темном лабиринте».

С Галилеем в ХХ веке перекликается П.Дирак:

«Природе присуща та фундаментальная

особенность, что самые основные физиче-

ские законы описываются математической

теорией, аппарат которой обладает не-

обыкновенной силой и красотой. Чтобы по-

нять эту теорию, нужно обладать необы-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 88: 559.физика в системе наук  учебное пособие

88

чайно высокой математической квалифи-

кацией. Вы можете спросить: почему при-

рода устроена именно так? На это можно

ответить только одно: согласно нашим со-

временным знаниям, природа устроена

именно так, а не иначе. Мы должны просто

принять это как данное. Наши жалкие ма-

тематические усилия позволяют пока по-

нять во Вселенной лишь немногое. Но раз-

вивая все более совершенные математиче-

ские методы, мы можем надеяться и на

лучшее понимание Вселенной».

Широкое и успешное применение математики

для описания и анализа естественно-научных про-

цессов и явлений стало возможным после разра-

ботки И.Ньютоном и Г.Лейбницем аппарата диффе-

ренциального и интегрального исчисления.

В.Гейзенберг писал:

«Ньютон связал основные понятия по-

средством ряда аксиом, поддававшихся

непосредственному переводу на язык ма-

тематики, и таким образом впервые создал

возможность отобразить в математическом

формализме бесконечное множество явле-

ний. Отдельные сложные процессы могли

быть таким путем поняты и «объяснены»

как следствие основных законов. Даже ес-

ли сам процесс еще не наблюдался, его ис-

ход можно было «предсказать», зная

начальные условия и физические законы».

Для современной физики применение матема-

тических методов так же характерно, как и приме-

нение экспериментальных методов. Логическая

стройность математики, ее дедуктивный характер,

общеобязательность выводов делали ее прекрас-

ной опорой физики. Американский физик

Ю.Швингер в своей Нобелевской лекции отмечал:

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 89: 559.физика в системе наук  учебное пособие

89

«Математика служит естественным язы-

ком теоретической физики. Она является

незаменимым инструментом для проникно-

вения в те области физических явлений,

которые лежат далеко за пределами повсе-

дневного опыта, на основе которого и со-

здан общепринятый язык».

Во многих случаях математика играет роль

универсального языка физики, позволяющего ла-

конично и точно описывать различные явления, в

том числе и в динамике – в зависимости от време-

ни. Н.Бор писал, что математика «похожа на

разновидность общего языка, приспособлен-

ного для выражения соотношений, которые

трудно или невозможно передать словами».

Единство природы обнаруживается в аналогично-

сти дифференциальных уравнений, относящихся к

различным областям знания. Математика своими

средствами отражает закономерности материально-

го мира, поэтому ее теории находят практическое

применение, выступают в общем синтезе средств

познания и преобразования объективной реально-

сти. Р.Оппенгеймер, анализируя роль математики

в физике, писал:

«По всей вероятности, открытия невоз-

можно было бы сделать, не применяя ма-

тематического аппарата, который дает воз-

можность быстро, кратко и четко выразить

присущий природе порядок. Поэтому не-

удивительно, что математика – неотъемле-

мая часть науки о природе».

Математика служит источником моделей, алго-

ритмических схем для связей, отношений и процес-

сов, составляющих предмет физики. Любая мате-

матическая модель упрощает реальный объект, но

это способствует выявлению сущностных особен-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 90: 559.физика в системе наук  учебное пособие

90

ностей объекта. Формулируя физическую задачу на

языке математики, исследователь должен выделить

главные свойства и особенности рассматриваемого

объекта или процесса и пренебречь несуществен-

ными свойствами и деталями, чтобы задача была

разрешимой. Математическая модель физического

объекта, как правило, не является его адекватным

отражением во всех деталях. Умение оценить и от-

делить несущественные для конечной цели свой-

ства физического явления, сформулировать мате-

матическую задачу и разработать общий, пригод-

ный для круга задач метод решения – определяют

талант исследователя. Опираясь на данные совре-

менной физики и астрофизики, используя матема-

тический аппарат, ученые создают различные мо-

дели Вселенной и ее эволюции. Сейчас ни одна

теория не считается полностью завершенной, если

не удается создать математическую модель изуча-

емого явления.

Развитие физических теорий, по мнению

А.И.Корнеевой, свидетельствует, что своеобразие

объектов материального мира обусловливает ис-

пользование различных математических теорий,

формул, уравнений. В классической механике при-

менялись преимущественно дифференциальное и

интегральное исчисления. Максвелл при разработ-

ке теории электромагнитного поля применил век-

торный анализ, в теории относительности исполь-

зовался тензорный анализ, в квантовой механике

значительное место занимает теория гильбертовых

пространств, для разработки теории элементарных

частиц используют теорию групп и теорию обоб-

щенных функций. Это показывает, что единство

материального мира не есть одинаковость всего

существующего в качественном и количественном

отношении.

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 91: 559.физика в системе наук  учебное пособие

91

Об особенностях подхода к изучаемым явлени-

ям математика и физика образно писал М.Борн:

«…интересно проследить различия в

физическом и математическом мышле-

нии. Физик исходит из того, чтобы иссле-

довать, как обстоят дела в природе; экс-

перимент и теория являются лишь вспо-

могательными средствами для достиже-

ния цели. В сознании бесконечной слож-

ности сущего, с которой он встречается в

каждом эксперименте, физик сопротив-

ляется тому, чтобы считать какую-либо

теорию окончательной. Поэтому он нена-

видит слово «аксиома», которому в

обычном словоупотреблении приписыва-

ется окончательная истина; здоровое

чувство подсказывает ему, что догматизм

является злейшим врагом естествозна-

ния. Математик же имеет дело не с ре-

альными фактами, а с логическими взаи-

мосвязями, и на языке Гильберта аксио-

матическая трактовка некоторого пред-

мета вовсе не означает выдвижение

определенных аксиом в качестве вечных

истин; это просто методическое требова-

ние: в начале своих рассуждений назови

предпосылки, придерживайся их и иссле-

дуй, не являются ли эти предпосылки ча-

стично лишними или даже взаимно про-

тиворечивыми. Эта логическая последо-

вательность, несомненно, является идеа-

лом любой области познания, но чем

дальше мы отходим от чистой математи-

ки, тем менее чувствуется (или чувстви-

телен) этот идеал, и даже в точной физи-

ке довольно часто в середине изложения

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 92: 559.физика в системе наук  учебное пособие

92

находим предложения типа: «если теперь

допустить, что…».

Математика не только дает физике более точ-

ный язык для выражения уже приобретенных зна-

ний, но и позволяет делать выводы о существова-

нии еще не открытых объектов и процессов. При-

мером может служить предсказание Д.Максвеллом

существования электромагнитных волн. Г.Герц,

экспериментально подтвердивший существование

электромагнитных волн, был восхищен могуще-

ством математики:

«Трудно отделаться от ощущения, что

эти математические формулы существуют

независимо от нас и обладают своим соб-

ственным разумом, что они умнее нас, ум-

нее тех, кто открыл их, и что мы извлекаем

из них больше, чем было в них первона-

чально заложено».

Об эффективности математики в естественных

науках лауреат Нобелевской премии по физике

Ю.П.Вигнер писал:

«Математический язык удивительно хо-

рошо приспособлен для формулировки фи-

зических законов. Это чудесный дар, кото-

рый мы не понимаем и которого не заслу-

живаем. Нам остается лишь благодарить за

него судьбу и надеяться, что и в будущих

своих исследованиях мы сможем по-

прежнему пользоваться им. Мы думаем, что

сфера его применимости (хорошо это или

плохо) будет непрерывно возрастать, при-

нося нам не только радость, но и новые го-

ловоломные проблемы».

Целый ряд открытий в физике элементарных

частиц был следствием предсказаний, сделанных

физиками-теоретиками на основе применения тео-

рии групп и методов симметрии. Единство количе-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 93: 559.физика в системе наук  учебное пособие

93

ственных и качественных характеристик, присущих

объектам материального мира, все более адекватно

отражается в математическом аппарате современ-

ной физики и служит основой ее выдающихся

успехов в познании действительности. Высоко оце-

нивал роль математики в познании А.Эйнштейн:

«Весь предшествующий опыт убежда-

ет нас в том, что природа представляет со-

бой реализацию простейших математиче-

ски мыслимых элементов. Я убежден, что

посредством чисто математических кон-

струкций мы можем найти те понятия и за-

кономерные связи между ними, которые

дадут нам ключ к пониманию явлений

природы. Опыт может подсказать соответ-

ствующие математические понятия, но они

ни в коем случае не могут быть выведены

из него. Конечно, опыт остается един-

ственным критерием пригодности матема-

тических конструкций физики. Но настоя-

щее творческое начало присуще именно

математике».

В настоящее время многие вопросы космоло-

гии, физики элементарных частиц решаются на ос-

нове «геометризации» различных физических по-

лей, создания многомерных пространств. К идеям

Платона обратился В.Гейзенберг в своих работах

по физике элементарных частиц:

« Мельчайшие единицы материи в са-

мом деле не физические объекты в обыч-

ном смысле слова, они суть формы, струк-

туры или идеи в смысле Платона, о кото-

рых можно говорить однозначно только на

языке математики. И Демокрит, и Платон

надеялись с помощью мельчайших единиц

материи приблизиться к «единому», к

объединяющему принципу, которому под-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 94: 559.физика в системе наук  учебное пособие

94

чиняется течение мировых событий. Пла-

тон был убежден, что такой принцип мож-

но выразить и понять только в математиче-

ской форме. Центральная проблема совре-

менной теоретической физики состоит в

математической формулировке закона

природы, определяющего поведение эле-

ментарных частиц».

Гипотеза и теория

Традиционная модель строения физического

знания выглядит примерно следующим образом.

Познание начинается с установления путем наблю-

дения или экспериментов различных фактов. Если

среди них обнаруживается некая регулярность, по-

вторяемость, то можно в принципе утверждать, что

найден эмпирический закон, первое эмпирическое

обобщение. Как правило, рано или поздно обнару-

живаются такие факты, которые не встраиваются в

эту регулярность. Далее с помощью мышления

ученого известная реальность перестраивается так,

чтобы выпадающие из общего ряда факты вписа-

лись в новую единую схему и перестали противо-

речить данной эмпирической закономерности.

Новую схему необходимо сотворить умозри-

тельно, представив ее первоначально в виде гипо-

тезы. Если гипотеза удачна и снимает найденное

между фактами противоречие, а еще лучше – поз-

воляет предсказывать получение новых, нетриви-

альных фактов, подтверждающихся эксперимен-

том, значит, родилась новая теория, найден новый

теоретический закон. В.Гейзенберг писал:

«Мы знаем: нашим чувствам открыва-

ется многообразный, постоянно изменяю-

щийся мир явлений. Тем не менее, мы уве-

рены, что должна существовать, по мень-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 95: 559.физика в системе наук  учебное пособие

95

шей мере, возможность каким-то образом

свести его к единому принципу. Пытаясь

понять явления, мы замечаем, что всякое

понимание начинается с восприятия их

сходных черт и закономерных связей. От-

дельные закономерности познаются затем

как особые случаи того, что является об-

щим для различных явлений и что может

быть поэтому названо основополагающим

принципом. Таким образом, всякое стрем-

ление понять изменчивое многообразие

явлений с необходимостью приводит к по-

искам основополагающего принципа».

Таким образом, традиционная модель строения

физического знания предполагает движение по це-

почке: установление эмпирических фактов – пер-

вичное эмпирическое обобщение – обнаружение

отклоняющихся от правила фактов – изобретение

теоретической гипотезы с новой схемой объясне-

ния – логический вывод (дедукция) из гипотезы

всех наблюдаемых фактов, что является ее про-

веркой на истинность, – предсказание новых фак-

тов, вытекающих из новой теории, – эксперимен-

тальное обнаружение этих фактов. Подтверждение

гипотезы экспериментом превращает ее в теорию.

Подобная модель научного знания называется ги-

потетико-дедуктивной. Считается, что большая

часть современного естественно-научного знания

получена таким способом.

Гипотеза – научное предположение, выдвигае-

мое для объяснения какого-либо факта или явле-

ния и требующее проверки и доказательства, что-

бы стать научной теорией или законом. Гипотеза –

предположительное знание, истинность которого

еще не доказана, но которое выдвигается не про-

извольно, а при соблюдении ряда требований:

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 96: 559.физика в системе наук  учебное пособие

96

- основные положения гипотезы не должны

противоречить известным и проверенным фактам;

- новая гипотеза должна соответствовать

надежно установленным теориям (закон сохране-

ния и превращения энергии, первое начало термо-

динамики и др.);

- гипотеза должна быть доступна эксперимен-

тальной проверке.

Б.Рассел считал, что « часто наиболее труд-

ным этапом в поиске истины является форму-

лировка правдоподобной гипотезы; когда ги-

потеза сформулирована, ее можно проверить,

но для всего этого нужен человек, способный

ее выдумать».

Теория – система истинного, уже доказанного,

подтвержденного знания о сущности явлений,

высшая форма научного знания, всесторонне рас-

крывающая структуру, функционирование и разви-

тие изучаемого объекта, взаимоотношение всех его

элементов, сторон и связей. Теория, как правило,

описывает и объясняет обширную область явлений.

Так, молекулярно-кинетическая теория газов опи-

сывает не только группу явлений, связанных с по-

ведением идеального газа, но и другие явления из

данной области (теплопроводность, внутреннее

трение, диффузию и др.). Все эмпирические зако-

ны данной области явлений могут быть выведены

из соответствующей теории.

Прогресс в науке всегда достигался за счет

взаимодействия между теоретическими исследова-

ниями и экспериментальными наблюдениями. Фи-

зические наблюдения приобретают значение толь-

ко после их теоретической интерпретации, и, в

свою очередь, общие концепции природы и теоре-

тические гипотезы обычно возникают на основе

опытных данных. Любая теория без эксперимен-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 97: 559.физика в системе наук  учебное пособие

97

тальных подтверждений всегда остается спекуля-

цией.

Без теории невозможно целостное восприятие

действительности, в рамках теории многообразные

факты укладываются в некоторую единую систему.

По мнению А.Пуанкаре, сведение задач науки

только к сбору фактического материала означает

«полное непонимание истинного характера науки»:

«Ученый должен организовать факты,

наука слагается из фактов, как дом из кир-

пичей. И одно голое накопление фактов не

составляет еще науки, точно так же, как

куча камней не составляет дома»

Главные элементы теории – принципы (исход-

ные высказывания) и законы (следствия). Принци-

пы – наиболее важные и общие фундаментальные

положения теории. Принципы играют роль исход-

ных, основных и первичных посылок, закладыва-

ющихся в сам фундамент теории. А.Эйнштейн пи-

сал:

«Главнейшая цель всякой теории со-

стоит в том, чтобы добиться предельной

простоты и предельной немногочисленно-

сти своих фундаментальных постулатов, не

отказываясь от адекватного представления

каждого экспериментального факта».

Так, в основе молекулярно-кинетической тео-

рии лежат следующие основные положения: все

вещества состоят из мельчайших частиц – молекул;

молекулы находятся в состоянии непрерывного ха-

отического движения; интенсивность этого движе-

ния зависит от температуры. Из этих положений,

например, дедуктивным путем можно вывести все

эмпирические законы для идеальных газов.

Законы науки отражают в форме теоретических

утверждений объективные связи изучаемых явле-

ний. Категории науки – наиболее общие и важные

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 98: 559.физика в системе наук  учебное пособие

98

понятия теории, характеризующие существенные

свойства объекта теории, ее предмет, структуру,

специфику, динамику развития (энергия, сила,

масса, элементарная частица, Вселенная, инфор-

мация, энтропия, число и др.). Принципы и законы

выражаются через соотношение двух и более кате-

горий.

Естественно-научный метод предъявляет опре-

деленные требования к научной теории. Научная

теория должна удовлетворять следующим критери-

ям:

- в основание теории должно быть положено

минимальное количество принципов (аксиом);

- теория должна объяснять все установленные

к тому времени научные факты;

- теория должна предсказывать новые научные

факты. Так, теория гравитации предсказала откры-

тие планет Нептуна и Плутона. Теория Менделеева

позволила предсказать свойства химических эле-

ментов, которые впоследствии были открыты. Тео-

рия Максвелла предсказала существование элек-

тромагнитных волн.

Первой физической теорией, построенной в со-

ответствии с этими критериями, была классическая

механика, в основе которой лежат три закона Нью-

тона. В дальнейшем по этому образцу были по-

строены другие физические теории: термодинами-

ка, электромагнитная теория Максвелла, специаль-

ная теория относительности и др.

Физическая теория – это прежде всего теорети-

ческие законы, выраженные в форме математиче-

ских уравнений и отображающие сущность опреде-

ленной области физических явлений (уравнения

Максвелла, уравнения Лагранжа и др.). Теоретиче-

ские законы отличаются от эмпирических большей

степенью общности, часто включают наряду с эм-

пирическими ряд теоретических понятий, более

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 99: 559.физика в системе наук  учебное пособие

99

удаленных от непосредственного опыта, например,

понятие электромагнитного поля, сформулирован-

ное Фарадеем и Максвеллом, непосредственно из

опыта не следует. Каждый научный закон пред-

ставляет собой определенную идеализацию объек-

тивно существующей регулярности в окружающей

действительности, позволяющую в определенных

границах более или менее точно воспроизводить ее

необходимые свойства.

Наиболее общими элементами физического зна-

ния служат основные идеи, принципы и гипотезы

физики, относящиеся ко всему объекту физическо-

го познания. Принципы сохранения и превращения

энергии, начала термодинамики, соотношение не-

определенностей Гейзенберга и др. имеют силу для

любых физических явлений. А.Эйнштейн писал:

«Высшая задача физики состоит в от-

крытии наиболее общих элементарных за-

конов, из которых можно было бы логиче-

ски вывести картину мира».

Теории оперируют не реальными объектами, а

их идеализациями, идеальными моделями, которые

абстрагируются от каких-то реальных, второсте-

пенных сторон объектов и потому дают неполную

картину действительного (идеальный газ, идеаль-

ная жидкость и др.). Идеальные объекты (модели),

в отличие от реальных, характеризуются не беско-

нечным, а вполне определенным числом свойств.

Так, материальные точки, с которыми имеет дело

механика, обладают только массой и возможностью

находиться в пространстве и времени. В теории за-

даются не только идеальные объекты, но и взаимо-

отношения между ними, которые описываются за-

конами. Из первичных идеальных объектов в тео-

рии могут конструироваться производные объекты

(например, система материальных точек).

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 100: 559.физика в системе наук  учебное пособие

100

Из исходных идеальных объектов строится не-

которая теоретическая модель данного конкретно-

го явления и предполагается, что эта модель в су-

щественных своих сторонах, в определенных от-

ношениях соответствует действительности. В итоге

теория, которая описывает свойства идеальных

объектов, взаимоотношения между ними, а также

свойства конструкций, образованных из первичных

идеальных объектов, способна описать многообра-

зие данных, с которыми исследователь сталкивает-

ся на эмпирическом уровне. В теории ученый имеет

дело с интеллектуально контролируемым объектом,

в то время как на эмпирическом уровне – с реаль-

ным объектом, обладающим бесконечно большим

количеством свойств.

Научная теория – это система определенных аб-

стракций, при помощи которых раскрывается суб-

ординация существенных и несущественных в

определенном отношении свойств действительно-

сти. Можно сказать, что научная теория дает опре-

деленный срез действительности. Но ни одна си-

стема абстракций не может охватить всего богат-

ства действительности. Следует всегда иметь в ви-

ду ограниченность моделей и соответственно опи-

рающихся на них теорий.

Историк и философ науки П.Дюгем в своей кни-

ге «Физическая теория. Ее цель и строение» опи-

сал физическую теорию как «абстрактную си-

стему, предназначенную для суммирования и

логической классификации определенной

группы экспериментальных законов и не пре-

тендующую на их объяснение». По его мнению,

теории носят приближенный, временный характер

и «лишены ссылок на объективную реальность».

Теоретический уровень знания обычно расчле-

няется на две существенные части, представляе-

мые фундаментальными теориями и теориями, ко-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 101: 559.физика в системе наук  учебное пособие

101

торые описывают конкретную область реальности,

базируясь на фундаментальных теориях. Так, на

основе принципов механики, описывающей мате-

риальные точки и взаимоотношения между ними,

строятся различные конкретные теории, описыва-

ющие те или иные области реальности. Для описа-

ния небесных тел строится небесная механика. При

этом Солнце представляет собой центральное мас-

сивное тело, вокруг которого по законам механики

и по закону всемирного тяготения движутся плане-

ты. Эта модель Солнечной системы строится из ма-

териальных точек и рассчитывается, исходя из

принципов механики. Таким же образом – на базе

механики – строятся и другие конкретные теории,

например теория твердого тела.

Теория позволяет не только описать и объяс-

нить уже известные явления, но и предсказать но-

вые. Из уравнений Максвелла следовало, что в

природе должны существовать и распространяться

в пространстве электромагнитные волны, которые

позже были экспериментально открыты Г. Герцем.

Выдающийся физик Л.И.Мандельштам писал,

что всякая физическая теория состоит из двух до-

полняющих друг друга частей. Одна часть – это

уравнения теории: уравнения Максвелла, уравне-

ния Ньютона и т.д. Это просто математический ап-

парат. Но необходимую часть теории составляет

его связь с физическими объектами. Без установ-

ления связей математической конструкции с физи-

ческим миром вещей теория «иллюзорна, пуста». С

другой стороны, без математического аппарата во-

обще нет теории: «Только совокупность двух

указанных сторон дает физическую теорию».

Г.Вейль был убежден, что математика отражает по-

рядок, существующий в природе:

«В природе существует внутренне при-

сущая ей скрытая гармония, отражающаяся

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 102: 559.физика в системе наук  учебное пособие

102

в наших умах в виде простых математиче-

ских законов. Именно этим объясняется,

почему природные явления удается пред-

сказывать с помощью комбинации наблю-

дений и математического анализа. Сверх

всяких ожиданий убеждение (я бы лучше

сказал, мечта!) в существовании гармонии

в природе находит все новые и новые под-

тверждения в истории физики».

Теория – наиболее устойчивая форма научного

знания. Но и теории подвержены количественным

и качественным изменениям. По мере накопления

новых фактов теории уточняются и дополняются.

Развитие науки, и физики в том числе, определяет-

ся внешними и внутренними факторами. К первым

относится влияние государства, экономических,

культурных, национальных факторов и ценностных

установок ученых. Вторые определяются внутрен-

ней логикой развития науки. Внутренняя логика

имеет свои особенности на каждом из уровней ис-

следования. На эмпирическом уровне происходит

кумулятивное накопление знаний, так как даже от-

рицательный результат наблюдения или экспери-

мента вносит свой вклад в науку. Теоретический

уровень имеет более скачкообразный характер, так

как каждая новая теория представляет собой каче-

ственное преобразование системы знаний.

При анализе развития науки широко использу-

ется культурно-исторический подход, в рамках ко-

торого были выработаны понятия культурного фо-

на, стиля мышления, типа научной рационально-

сти, научной картины мира. Науковеды искали ме-

ханизмы, приводящие к научным революциям, пы-

тались объяснить смену стилей мышления, научных

картин мира, типов научной рациональности.

До середины ХХ века развитие науки рассмат-

ривалось как постепенный, кумулятивный процесс

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 103: 559.физика в системе наук  учебное пособие

103

накопления знаний, при котором факты, теории,

методы исследований слагаются во все возрастаю-

щий объем достижений. Предшествующее состоя-

ние науки подготавливает последующее состояние.

Однако далеко не все из прошлого науки выдержи-

вает испытание временем и сохраняет актуаль-

ность. Это свидетельствует о постоянном пере-

осмыслении накапливаемой информации, ревизии

достигнутых результатов, смене приоритетов и

направлений научного поиска. Понимание этого

привело в начале 60-х годов ХХ века к появлению

нового подхода к вопросу о сущности и закономер-

ностях прогресса в науке, который базируется на

представлении о скачкообразной смене основных

концептуальных схем, моделей постановки про-

блем и их решений. Правда, о скачкообразном ха-

рактере развития науки естествоиспытатели вы-

сказывались еще в XIX веке. Так, Л.Больцман в

речи, посвященной Й.Стефану, говорил:

«Задачей теоретической физики являет-

ся, как говорили раньше, отыскание основ-

ных причин явлений, или, как предпочита-

ют говорить теперь, объяснение с единой

точки зрения полученных эксперименталь-

но результатов, их упорядочение, описание

обозримым, ясным и по возможности про-

стым образом, чем облегчается и, пожалуй,

впервые становится возможным их пони-

мание, во всем их многообразии…

Неспециалист полагает, пожалуй, что к

уже открытым основным законам и причи-

нам явлений добавляют все новые и что

знания о природе развиваются таким не-

прерывным образом. Такое представление

– ошибочно. Теоретическая физика разви-

валась почти всегда скачкообразно. Часто

какая-либо теория развивалась десятиле-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 104: 559.физика в системе наук  учебное пособие

104

тиями и даже столетиями, предлагая до-

вольно наглядную картину известного

класса явлений. Затем обнаруживались но-

вые явления, противоречащие этой теории,

и попытки их согласовать оказывались

тщетными. Возникала борьба между сто-

ронниками старой и совершенно новой точ-

кой зрения, пока последняя не побеждала

в конце концов по всей линии. Раньше го-

ворили, что старая теория оказалась оши-

бочной. Это звучит так, будто новая теория

совершенно правильна, и что старая, из-за

ее ошибочности, была совершенно беспо-

лезной. Чтобы избежать видимости обоих

утверждений, теперь просто говорят, что

новая теория лучше, дает более совершен-

ную картину, более целесообразное описа-

ние фактов, чем старая. Этим ясно сказано,

что и старая теория была полезной тем, что

давала частичное отображение фактов, и

что не исключена возможность вытеснения

новой теории другой, в свою очередь еще

более целесообразной. Лучшей иллюстра-

цией этого может служить развитие теории

электричества».

В середине ХХ века в докладе, посвященном

Г.А.Лоренцу, Л. де Бройль так характеризовал раз-

витие науки:

«Несмотря на некоторую произволь-

ность деления непрерывного историческо-

го процесса на четко ограниченные отрез-

ки, в истории науки, однако, можно выде-

лить более или менее длительные перио-

ды, во время которых, несмотря на непре-

кращающийся прогресс науки, основные

тенденции науки, а также используемые

ею теоретические представления остаются

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 105: 559.физика в системе наук  учебное пособие

105

примерно одни и теми же. Эти эпохи отно-

сительной стабильности отделены друг от

друга краткими периодами кризисов, во

время которых под давлением фактов, ра-

нее мало известных или вовсе неизвест-

ных, ученые вдруг ставят под сомнение все

принципы, казавшиеся до этого вполне

незыблемыми, и через несколько лет

находят совершенно новые пути. Такие

неожиданные перевороты всегда характе-

ризуют решающие этапы в прогрессивном

развитии наших знаний».

Этапы развития науки, связанные с перестрой-

кой оснований науки, получили название научных

революций. К основаниям науки относятся идеалы

и методы исследования (представления о целях

научной деятельности и способах их достижений),

научная картина мира (целостная система пред-

ставлений о мире, его общих свойствах и законо-

мерностях, формирующихся на основе научных по-

нятий и законов), философские идеи и принципы,

обосновывающие цели, методы, нормы и идеалы

научного исследования. В результате научной ре-

волюции происходит перестройка методологиче-

ских, теоретических, мировоззренческих основа-

ний с учетом новых фактов, не укладывающихся в

старые теории. Так, появление релятивистской ме-

ханики привело к коренному пересмотру представ-

лений о пространстве и времени. Как правило, но-

вая теория не отрицает предшествующую полно-

стью, а включает ее в качестве частного случая и

показывает границы применения старой теории. О

путях развития физики образно писал Л. де

Бройль:

«Когда физическая теория добивается

получения связного математического

представления об известных явлениях, она

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 106: 559.физика в системе наук  учебное пособие

106

стремится к тому, чтобы предсказать новые

явления. Иногда эти предсказания под-

тверждаются дальнейшими эксперимен-

тальными исследованиями и теория, вы-

держав, таким образом, испытание, укреп-

ляется. Иногда – и можно сказать, что с те-

чением времени это всегда в конце концов

происходит, - либо эксперимент не под-

тверждает одного из предсказаний теории,

либо вдруг в ходе эксперимента обнару-

живается зачастую, независимо от воли

исследователей, новый факт, который не

согласуется с теорией. Тогда нужно доде-

лать или переделать воздвигнутое ранее

здание теории. Но, и это существенно, та-

кая переделка, поскольку она всегда

должна производиться с учетом всех

накопленных ранее фактов, должна быть

осуществлена так, чтобы включить тем или

иным образом, и зачастую в качестве пер-

вого приближения, в новую теорию

предыдущую теорию и всю совокупность

уравнений, на которых она зиждется, хотя

их истолкование может измениться. Таким

образом, новая теория должна признать

все точные предсказания старой теории,

но, отличаясь от нее в некоторых пунктах,

она должна строго предвидеть наблюдае-

мые факты, в том числе и те, которые ста-

рая теория не в состоянии предвидеть. Пу-

тем таких последовательных включений

развивается теоретическая физика; не от-

рицая ни одного из своих предыдущих

успехов, она охватывает все время изме-

няющимся и расширяющимся синтезом

возрастающее число экспериментальных

фактов».

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 107: 559.физика в системе наук  учебное пособие

107

Процесс познания мира бесконечен. Наши зна-

ния на каждой ступени развития науки обусловле-

ны исторически достигнутым уровнем познания и

не могут быть окончательными. С точки зрения фи-

лософии, наши знания об окружающем мире всегда

относительны, т.е. нуждаются в дальнейшем разви-

тии и проверке. Вместе с тем всякая научная тео-

рия содержит элементы абсолютного знания. Тео-

рия рассматривается не только как знание об объ-

екте, но и как средство познания, инструмент, с

помощью которого мы получаем информацию об

устройстве мира. Известный астрофизик А.Эддинг-

тон предложил следующую аналогию: теория – это

сеть, которую мы забрасываем в окружающий нас

мир. Все, что мы выловим в океане природы этой

сетью – это и есть предмет теории. То, что мы по-

лучаем в качестве объективного знания, определе-

но характером теоретической сети. В другой сети

(с иной конфигурацией ячеек) мы выловим в оке-

ане мира новые объекты, и это приведет к измене-

ниям наших представлений об устройстве мира.

Сколь бы хорошей ни была теория, всегда че-

рез некоторое время обнаруживаются факты, не

укладывающиеся в рамки этой теории. Ей на смену

приходит новая, более широкая теория. М.Планк

заметил:

«Первый повод к пересмотру или из-

менению какой-нибудь физической теории

почти всегда вызывается установлением

одного или нескольких фактов, которые не

укладываются в рамки прежней теории.

Факт является той архимедовой точкой

опоры, при помощи которой сдвигаются с

места даже самые солидные теории. По-

этому для настоящего теоретика ничто не

может быть интереснее, чем такой факт,

который находится в прямом противоречии

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 108: 559.физика в системе наук  учебное пособие

108

с общепринятой теорией: ведь здесь, соб-

ственно, начинается его работа».

А.Эйнштейн писал:

«Вера в существование внешнего ми-

ра, независимого от воспринимающего

субъекта, есть основа всего естествозна-

ния. Но так как чувственное восприятие

дает информацию об этом внешнем мире,

или о физической реальности, только опо-

средованно, мы можем охватить послед-

нюю только умозрительными средствами.

Из этого следует, что наши представления

о физической реальности никогда не могут

быть окончательными. Мы всегда должны

быть готовы изменить эти представления,

то есть изменить аксиоматическую базу

физики, чтобы обосновать факты восприя-

тия логически наиболее совершенным об-

разом. И, действительно, беглый взгляд на

развитие физики показывает, что ее акси-

оматическая основа с течением времени

испытывает глубокие изменения».

Свои слова он иллюстрировал сравнением фи-

зики Ньютона, основанной на принципе дально-

действия, с физикой Фарадея – Максвелла, осно-

ванной на концепции электромагнитного поля.

Концепция дальнодействия, в соответствии с кото-

рой взаимодействие между телами (электрическое,

магнитное, гравитационное) осуществляется мгно-

венно и непосредственно через пустое простран-

ство, которое не принимает в этом никакого уча-

стия, была тесно связана с корпускулярным подхо-

дом в механике Ньютона. В 30-е годы XIX века М.

Фарадей выдвинул новый подход к природе элек-

трических взаимодействий, который стали назы-

вать концепцией близкодействия. В соответствии с

этой концепцией, заряженное тело меняет свойства

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 109: 559.физика в системе наук  учебное пособие

109

окружающего пространства, создавая в нем элек-

трическое поле. Другое заряженное тело взаимо-

действует с этим полем.. Таким образом, введенное

Фарадеем поле является как бы промежуточным

звеном, «переносчиком» электрического взаимо-

действия.

Термин «поле», который применил Фарадей,

отражает континуальный подход к этой новой фи-

зической реальности. В отличие от полей, описы-

вающих состояние объектов в механике сплошных

сред, электрическое поле Фарадея обозначало но-

вую материальную сущность, отличающуюся от

вещества. Позже аналогичный подход привел Фа-

радея к еще одной физической реальности – маг-

нитному полю, с помощью которого осуществляется

магнитное воздействие между электрическими то-

ками (движущимися зарядами). В дальнейшем

Максвелл развил идеи Фарадея, объединив элек-

трическое и магнитное поле в единое электромаг-

нитное поле.

Иногда изменения затрагивают фундаменталь-

ные принципы теории. Изменения в наиболее об-

щих теориях приводят к изменению всей системы

теоретического знания. Происходит научная рево-

люция. В результате научной революции проис-

ходит не столько скачок на более высокий научный

уровень знаний, сколько перестройка самих взгля-

дов на проблему.

В начале 20-х годов ХХ века Н.Бор выдвинул

принцип соответствия – постулат квантовой меха-

ники, требующий совпадения её физических след-

ствий в предельном случае больших квантовых чи-

сел с результатами классической теории. Часто под

принципом соответствия понимают более общее

положение. Любая новая теория, претендующая на

более глубокое описание физической реальности и

на более широкую область применимости, чем ста-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 110: 559.физика в системе наук  учебное пособие

110

рая, должна включать старую как предельный слу-

чай, устанавливая для последней ограниченную

область применения. Американский физик-

теоретик В.Ф.Вайскопф по этому поводу писал:

«Любая из новых революционных идей

в современной науке возникла как усо-

вершенствование старой системы мышле-

ния, ее обобщение и расширение. Теория

относительности не устраняет механику

Ньютона – орбиты спутников все еще рас-считываются по ньютоновской теории, ─

она расширяет область применения меха-

ники на случай высоких скоростей и уста-

навливает общую значимость одних и тех

же концепций для механики и теории

электричества. Появление квантовой тео-

рии, видимо, больше других событий в

науке напоминает революцию, но даже эти

идеи, например соотношения неопреде-

ленностей, следует рассматривать как

уточнение классической механики при пе-

реходе к рассмотрению очень малых си-

стем; они не меняют степени приложимо-

сти классической механики к движению

более крупных тел».

История науки изобилует примерами острейших

противостояний различных направлений в науке,

борьбы между сторонниками и противниками тео-

рии относительности, квантовой механики, генети-

ки. Приведем по этому поводу мнение М.Планка:

«Обычно новые научные истины по-

беждают не так, что их противников убеж-

дают и они признают свою неправоту, а

большей частью так, что противники эти

постепенно вымирают, а подрастающее

поколение усваивает истину сразу».

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 111: 559.физика в системе наук  учебное пособие

111

В качестве примера борьбы идей можно при-

вести историю появления электромагнитной теории

Максвелла и специальной теории относительности.

К середине XIX века классическая механика Нью-

тона достигла больших успехов в объяснении мно-

гих физических явлений и решении многих практи-

ческих инженерных задач. Когда открывались но-

вые физические явления, их природу старались

прежде всего объяснить на основе законов механи-

ки, т.е. все многообразие окружающего мира ста-

рались объяснить с позиций механики. Это направ-

ление получило название механицизма.

Механика Ньютона явилась теоретическим

обобщением большого количества эксперименталь-

ных фактов, связанных с движением тел со скоро-

стями много меньшими скорости света в вакууме.

Лежащая в основе классической механики ньюто-

новская концепция абсолютного пространства и

абсолютного времени безраздельно господствовала

в науке вплоть до конца XIX века. Ее ограничен-

ность стала выясняться лишь в связи с развитием

представлений об электромагнетизме. Максвеллов-

ская теория электромагнитных явлений давала ма-

тематическое описание процессов без сведения их

к механике. Ряд физиков делали попытки механи-

чески интерпретировать эту теорию, вводя гипоте-

тическую субстанцию – эфир. Попытки эти привели

к неудачам. Выяснилось, что уравнения Максвелла,

лежащие в основе электродинамики, описывающие

электромагнитное поле и опирающиеся на прочный

фундамент известных к тому времени законов

электричества и магнетизма, оказались неинвари-

антными относительно преобразований Галилея.

Это было воспринято как несоответствие принципу

относительности Галилея, а следовательно, как се-

рьезное возражение против самой теории. Однако

эксперименты Г.Герца с электромагнитными волна-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 112: 559.физика в системе наук  учебное пособие

112

ми подтвердили большинство выводов теории

Максвелла, после чего ее достоверность стала счи-

таться установленной. Кроме этого, эксперименты

Майкельсона и Морли показали, что скорость света

одинакова во всех направлениях и не зависит от

движения источника или приемника света, что про-

тиворечило закону сложения скоростей в классиче-

ской механике.

Исчерпывающее непротиворечивое объяснение

всех опытных фактов, в том числе и результатов

опытов Майкельсона и Морли, было дано

А.Эйнштейном в созданной им в 1905 г. специаль-

ной теории относительности, в которой были пере-

смотрены представления классической механики

об абсолютности пространства и времени. Из ос-

новных положений классической механики в СТО

были сохранены евклидовость пространства и за-

кон инерции. Остальные представления (одновре-

менность событий, одинаковость размеров тел и

длительности событий во всех системах отсчета и

др.) возникли при изучении медленных движений,

поэтому их нельзя обобщать на движения со скоро-

стями, близкими к скорости света. В основе СТО

лежат два постулата или принципа Эйнштейна:

принцип относительности и принцип постоянства

скорости света в вакууме. В сочетании эти принци-

пы заставили отказаться от абсолютности понятий

пространства и времени. Время по-разному течет в

различных системах отсчета, пространство и время

тесно связаны друг с другом. Органическую связь

пространства и времени выражают в СТО преобра-

зования Лоренца, с помощью которых осуществля-

ется переход от одной инерциальной системы от-

счета к другой. Поэтому в теории относительности

рассматриваются неразрывно связанные между со-

бой пространственные и временные координаты,

образующие четырехмерное пространство-время.

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 113: 559.физика в системе наук  учебное пособие

113

Уравнения Максвелла оказываются инвариант-

ными относительно преобразований Лоренца, что

полностью устраняет все «противоречия» класси-

ческой электродинамики с принципом относитель-

ности. В то же время, при малых скоростях, когда

v << c, преобразования Лоренца переходят в пре-

образования Галилея, которые, следовательно, яв-

ляются предельным случаем преобразований Ло-

ренца. Классическая механика является частным

случаем СТО. Специальная теория относительности

не отвергла классическую механику, а вобрала ее

в себя в качестве предельного случая и показала

границы ее применимости. Классической механи-

кой можно пользоваться при движениях со скоро-

стями много меньшими скорости света в вакууме. В

этом заключается принцип соответствия. Развивая

идею о связи новых теорий с классической меха-

никой, И.Пригожин писал:

«В ньютоновской физике нет универ-

сальных постоянных. Именно поэтому она

претендует на универсальность, на приме-

нимость независимо от масштаба объектов:

движение атомов, планет и небесных све-

тил подчиняется единому закону.

Открытие универсальных постоянных

произвело коренной переворот в бытую-

щих взглядах. Используя скорость света

как эталон для сравнения, физика устано-

вила различие между малыми и большими

скоростями (последние приближаются к

скорости света).

Аналогичным образом постоянная

Планка h позволила установить естествен-

ную шкалу масс объектов. Атом уже не мог

более считаться крохотной планетной си-

стемой: электроны принадлежат к иному

масштабу масс, чем планеты и все тяже-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 114: 559.физика в системе наук  учебное пособие

114

лые медленно движущиеся макроскопиче-

ские объекты, включая нас самих.

Универсальные постоянные не только

разрушили однородность Вселенной вве-

дением физических масштабов, позволя-

ющих устанавливать качественные разли-

чия между отдельными типами поведения,

но и привели к новой концепции объек-

тивности».

К основным чертам научной революции отно-

сятся: возникновение кризисных ситуаций в объ-

яснении экспериментальных фактов; необходи-

мость теоретического синтеза новых эксперимен-

тальных фактов; коренная ломка существующих

представлений о природе в целом. Научные рево-

люции могут быть частными, затрагивающими одну

область знания, и глобальными, радикально меня-

ющими все отрасли знания. Ряд ученых насчиты-

вают три глобальные научные революции, связы-

вая их с именами Аристотеля, Ньютона и Эйнштей-

на.

Другие исследователи за период становления и

развития индустриальной цивилизации выделяют

четыре научные революции:

1. Становление классического естествознания

(XVII – XVIII века), в основе которого лежала ме-

ханика Ньютона. Основные принципы классическо-

го естествознания состояли в признании абсолютно

достоверных истин и абсолютно достоверного зна-

ния, жесткого детерминизма Лапласа, резком раз-

граничении сферы духа, сознания и сферы косной

материи, в переходе от геоцентрической картины

мира Птолемея к гелиоцентрической Коперника.

Основным способом познания стали эксперимент и

математические методы моделирования реально-

сти.

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 115: 559.физика в системе наук  учебное пособие

115

2. Дисциплинарная организация науки (XIX

век). К этому времени относятся возникновение

научных картин мира, нередуцируемых к механи-

стической (термодинамическая, электромагнитная,

биологическая, химическая), признание идеи раз-

вития, концепция эволюционизма.

3. Становление неклассического естествознания

(первая половина ХХ века). Основные изменения

связаны с возникновением теории относительности

и квантовой механики. Отход от классического ми-

ропонимания проявляется в новой интерпретации

проблем пространства и времени, взаимоотноше-

ний субъекта и объекта, категорий причинности,

случайности, необходимости.

4. Формирование постнеклассической науки

(вторая половина ХХ века). Постнеклассическая

наука ориентируется на исследование весьма

сложных, исторически развивающихся систем. Ее

отличительные особенности: развитие междисци-

плинарных исследований, принцип системности,

синтетическая картина реальности, численный

эксперимент, универсальный (глобальный) эволю-

ционизм. Это время характеризуется успехами в

области теории строения вещества, нелинейной

оптики, физики твердого тела, биологии и генети-

ки, информатики и компьютеризации, космонавти-

ки и др. Научная методология все более активно

усваивает базовые постулаты теории самооргани-

зующихся систем – открытость, нелинейность, дис-

сипативность.

Физика и научная картина мира

На протяжении всей человеческой истории

каждая из цивилизаций по-своему пыталась отве-

тить на вопросы: что из себя представляет окру-

жающий мир, существуют ли общие закономерно-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 116: 559.физика в системе наук  учебное пособие

116

сти материального мира, в какой степени можно

воздействовать на окружающий мир? Эти пред-

ставления постепенно обобщались в виде научных

картин мира, которые выполняют эвристическую

роль в процессе построения фундаментальных тео-

рий и одновременно обладают объяснительными и

предсказательными функциями.

Под научной картиной мира понимают целост-

ную систему общих представлений о мире, выраба-

тываемую путем обобщения и синтеза знаний, по-

черпнутых из различных наук – естественных и

социальных. Научная картина мира выделяет из

бесконечного его многообразия те сущностные свя-

зи, познание которых составляет основную цель

науки на данном этапе ее развития. Она выступает

как специфическая форма систематизации научно-

го знания. Научная картина мира – совокупность

общих представлений науки определенного исто-

рического периода о фундаментальных законах

строения и развития объективной реальности;

часть метанаучного знания, являющаяся одним из

важнейших оснований науки. Это общее понятие

разделяется на естественно-научную и социальную

картины мира. Естественно-научная картина мира

представляет собой совокупность существующих

научных представлений о строении и развитии

природы. В свою очередь, естественно-научная

картина мира разделяется на физическую, химиче-

скую, биологическую и т.д., т.е. специальные, или

частнонаучные, картины мира. Здесь термин «мир»

обозначает уже не природный мир в целом, а тот

его фрагмент, который изучается данной наукой с

помощью ее понятий, представлений и методов.

Частнонаучная картина мира – господствующие в

той или иной конкретной науке общие представле-

ния о структуре и особенностях изучаемой ею сфе-

ры реальности, типах процессов и явлений, харак-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 117: 559.физика в системе наук  учебное пособие

117

тере законов, управляющих поведением объектов

изучаемой реальности. Частнонаучные картины

мира той или иной эпохи интегрируются в соответ-

ствующую общенаучную картину этой эпохи.

Частнонаучные картины мира со временем из-

меняются. Так, частнонаучная картина неклассиче-

ской физики исходит из существенной роли струк-

туры пространства в определении характера дви-

жения и взаимодействия физических объектов;

внутренней взаимосвязи пространства и времени,

массы и скорости; относительной природы про-

странства и времени; дискретного характера пото-

ка энергии; вероятностного характера обусловлен-

ности поведения физического объекта, последую-

щего состояния физической системы ее предше-

ствующим состоянием. Эта картина существенно

отличается от картины мира классической физики,

в которой пространство и время носили абсолют-

ный характер.

В системе общих представлений о мире всегда

доминирует та ее часть, которая опирается на

науку, достигшую ведущего положения в системе

знаний. Поскольку среди других наук на роль ли-

дера больше всего претендовала физика, физиче-

ские картины мира превалировали в составе общей

картины мира на разных этапах ее развития. Так,

ядром механической картины мира была классиче-

ская механика, ядром квантово-полевой картины

мира являлась квантовая механика.

Термином «физическая картина мира» широко

пользовался Макс Планк. Под физической картиной

мира он понимал «образ мира», формируемый в

физической науке и отражающий реальные зако-

номерности природы. Физическая картина мира,

подчеркивал М.Планк, изменяется в процессе раз-

вития науки и поэтому имеет относительный харак-

тер. Создание такой картины мира, которая пред-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 118: 559.физика в системе наук  учебное пособие

118

ставляла бы собой нечто абсолютное, окончатель-

но завершенное и не нуждалось бы в дальнейших

улучшениях, Планк считал недостижимой задачей.

Луи де Бройль по этому поводу писал:

«История науки показывает нам науку

в процессе постоянного развития, науку,

непрерывно перерабатывающую и пере-

сматривающую накопленные знания и их

истолкование; она показывает нам про-

шлое, которое, несмотря на многие недо-

статки, подготавливает настоящее. Но мы

никогда не должны забывать, что наша со-

временная наука является лишь времен-

ной ступенью научного процесса, что она

сама, несомненно, изобилует недостатками

и ошибками и что ее роль с этой точки зре-

ния заключается как раз в подготовке бу-

дущего. Величайшей ошибкой, которую,

кстати, очень легко допустить, было бы

мнение о том, что современные представ-

ления науки являются окончательными.

Часто люди справедливо восторгаются по-

следними достижениями науки и хотят на

их основе совершить чрезмерную и опас-

ную экстраполяцию, тщетность которой

будет показана будущим развитием

науки».

Основу классического естествознания состав-

лял взгляд на мир как на множество материальных

объектов, взаимодействующих между собой в соот-

ветствии с некоторым множеством однозначных за-

конов (механическая картина мира). Первая науч-

ная картина мира – механическая – создана труда-

ми Н.Коперника, И.Кеплера, Г.Галилея, Х.Гюй-

генса, И.Ньютона, Г.Лейбница; она была господ-

ствующей практически до начала ХХ века.

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 119: 559.физика в системе наук  учебное пособие

119

Сформировалась научно-философская концеп-

ция, получившая название механицизма. Согласно

этой концепции: фундаментальные законы приро-

ды суть однозначные причинно-следственные за-

висимости; законы всех областей естествознания

(физики, химии, биологии, наук о человеке) в

принципе могут быть сведены к комбинации зако-

нов механики; механика является образцом по-

строения научных теорий для всех остальных об-

ластей естествознания; механика является основой

и фундаментом научной и философской картин ми-

ра. Эта концепция имела широкое распространение

среди ученых классического и, частично, неклас-

сического естествознания. Академик В.С.Степин

писал:

«После того, как возникла первая теоре-

тически оформленная область научного зна-ния ─ физика, а механическая картина мира

приобрела статус универсальной научной он-

тологии, начался особый этап истории науки.

В большинстве из наук предпринимались по-

пытки применить для объяснения фактов

принципы и идеи механической картины ми-

ра. Механическая картина мира… функциони-

ровала и как естественно-научная, и как об-

щенаучная картина мира. Обоснованная фи-

лософскими установками механического ма-

териализма, она задавала ориентиры не толь-

ко для физиков, но и для ученых, работаю-

щих в других областях научного познания.

Неудивительно, что стратегии исследований в

этих областях формировались под непосред-

ственным воздействием идей механической

картины мира».

Важнейшей стратегической задачей физиков

всегда были поиски единства и простоты научного

знания. Очень часто важнейшие физические идеи

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 120: 559.физика в системе наук  учебное пособие

120

рождались не столько для разрешения противоре-

чий между теорией и аномальными эксперимен-

тальными результатами, сколько для достижения

единства и простоты физического знания. Эта тен-

денция часто определяла направление научного

поиска. Соображения единства лежали в основе

создания первой научной картины мира, основани-

ем которой явилась классическая механика. С еди-

ной точки зрения удалось объяснить движение

земных и небесных тел. Открытые ранее Галилеем

законы движения тел вблизи поверхности Земли и

кеплеровские законы движения планет стали про-

явлением единого закона всемирного тяготения.

На смену механической картине мира пришла

электромагнитная картина мира, основанная на

идее движения электрических зарядов, связи элек-

трических и магнитных полей, континуальном по-

нимании материи и понятии близкодействия. При

создании этой картины, как и при создании меха-

нической картины мира, руководящую роль играли

поиски единства научного знания. Дальнейший шаг

в направлении к единству физического знания был

сделан Максвеллом. Он предсказал существование

электромагнитных волн и показал, что свет являет-

ся разновидностью электромагнитных волн, тем

самым объединив оптику и электромагнетизм.

При создании специальной теории относитель-

ности А.Эйнштейн также руководствовался поиска-

ми единства научного знания. Распространение

принципа относительности на электромагнитные

явления привело к глубоким преобразованиям

классических представлений на пространство и

время, но позволило сохранить единство научной

картины мира. Эйнштейн писал:

«Специальная теория относительности

выросла из электродинамики и оптики. Она

мало изменила положения этих теорий, но

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 121: 559.физика в системе наук  учебное пособие

121

значительно упростила теоретические по-

строения, т.е. вывод законов, и – что

несравненно важнее – заметно уменьшила

число независящих друг от друга гипотез,

лежащих в основе теории».

Те же соображения единства и унификации

научного знания руководили Эйнштейном при со-

здании общей теории относительности. При разра-

ботке этой теории Эйнштейн стремился доказать,

что законы природы инвариантны относительно не

только инерциальных, но и неинерциальных систем

отсчета, что инерциальные системы отсчета не яв-

ляются преимущественными, выделенными систе-

мами. Поиски единой теории поля, предпринятые

Эйнштейном в последние тридцать лет его научной

деятельности, были мотивированы все тем же

стремлением к единству научного знания. Попытки

Эйнштейна объединить на основе общей теории

относительности гравитационное и электромагнит-

ное взаимодействия успехом не увенчались.

Квантово-полевая картина мира отражает от-

крытия, связанные со строением вещества и взаи-

мосвязью вещества и энергии. В ней изменились

представления о причинности, роли наблюдателя в

системе, о времени и пространстве. Исследования

в области атомного ядра привели к открытию еще

двух типов фундаментальных взаимодействий –

сильного и слабого, действующих лишь на малых

расстояниях (10-15 м и 10-19 м соответственно) в от-

личие от гравитационного и электромагнитного,

имеющих бесконечно большой радиус действия.

Все четыре типа взаимодействия резко различают-

ся по своим свойствам. Кроме того, дальнейшее

проникновение в область микромира привело к от-

крытию большого числа различных элементарных

частиц. Стремление к единству физических воззре-

ний натолкнулось на открывающееся разнообразие

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 122: 559.физика в системе наук  учебное пособие

122

сущностей и взаимодействий. Оказалось, что физи-

ки далеки от своей желанной цели – выработать

единую физическую картину мира.

Дальнейшим шагом на пути к единству физиче-

ских теорий явилось создание в 60-е годы ХХ века

Ш.Глэшоу, С.Вайнбергом и А.Саламом теории

электрослабого взаимодействия. С точки зрения

этой теории электромагнитное и слабое взаимодей-

ствия при энергиях порядка 100 ГэВ представляют

собой различные стороны единого электрослабого

взаимодействия. Эта энергия на много порядков

больше энергий, характерных для атомной и ядер-

ной физики (10 -10 – 10 -2 ГэВ). При малых харак-

терных энергиях электромагнитное и слабое взаи-

модействия существуют отдельно и не влияют друг

на друга. Поэтому в обычных физических явлениях

они не проявляют своей единой сущности. В элект-

рослабом взаимодействии участвуют лептоны и

кварки, излучая и поглощая фотоны или тяжелые

промежуточные векторные бозоны W+, W -, Z 0. Та-

ким образом, теория электрослабого взаимодей-

ствия свела все многообразие элементарных ча-

стиц к двум видам – лептонам и кваркам.

Следующим шагом на пути к единству физиче-

ских теорий является построение единой теории

сильного и электрослабого взаимодействия. Эта

теория получила название «теории великого объ-

единения». Создание этой теории позволит рас-

сматривать все три взаимодействия (исключая гра-

витацию) как проявление какого-то первичного

фундаментального взаимодействия и объединить в

единое семейство лептоны и кварки. Характерная

энергия для такого объединения оказывается по-

рядка 1015 ГэВ, что значительно превосходит ха-

рактерную энергию объединения слабого и элек-

тромагнитного взаимодействий. В рамках теории

Большого взрыва считается, что «великое объеди-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 123: 559.физика в системе наук  учебное пособие

123

нение» существовало в первые мгновения жизни

нашей Вселенной.

Предпринимаются попытки разработки теории,

объединяющей в единое целое все четыре типа

фундаментальных взаимодействий. Одна из моде-

лей получила название супергравитации (расши-

ренной супергравитации). Она является дальней-

шим обобщением теории гравитации Эйнштейна на

основе понятия суперсимметрии. В ней фундамен-

тальные взаимодействия рассматриваются как про-

явление некоей первичной силы – Суперсилы. Су-

персимметрия – такая симметрия физической си-

стемы, которая объединяет состояния, подчиняю-

щиеся разным статистикам – статистике Бозе-

Эйнштейна (бозоны) и статистике Ферми-Дирака

(фермионы). Преобразования суперсимметрии

должны переводить фермионные состояния в бо-

зонные и наоборот. Таким образом, супергравита-

ция призвана связать между собой два класса, на

которые делятся элементарные частицы – фермио-

ны (частицы с полуцелым спином) и бозоны (ча-

стицы с нулевым или целочисленным спином).

Другой путь поиска создания единой теории

взаимодействий связан с теорией струн, предло-

женной Дж. Шварцем и М.Грином, в которой объек-

ты микромира рассматриваются не как точечные

частицы, а как протяженные объекты – струны.

Соединение теории струн с суперсимметрией ведет

к созданию суперструнной теории. На этом пути,

возможно, удастся построить самосогласованную

квантовую теорию всех фундаментальных взаимо-

действий. Однако теория суперструн далека от за-

вершения.

Физическая картина мира является составной

частью и основой современной научной картины

мира. В состав научной картины мира включаются

система понятий, с помощью которых описывается

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 124: 559.физика в системе наук  учебное пособие

124

действительность (материя, движение, простран-

ство, время и т.д.); принципы, на основе которых

объясняется мир (принцип материального единства

мира, принцип причинности, принцип всеобщей

связи и взаимообусловленности явлений и т.д.);

общенаучные понятия и законы (закон сохранения

и превращения энергии и т.д.); фундаментальные

понятия отдельных наук (вещество, поле, вакуум,

энергия, химический элемент, биологический вид,

ген и т.д.); совокупность наглядных представлений

о мире (различные модели строения атома, Все-

ленной и т.д.). Научная картина мира связана и с

реальным опытом. Когда начинают изучаться объ-

екты, для объяснения которых теории еще нет, в

соответствии с той или иной научной картиной ми-

ра проводятся наблюдения, ставятся эксперименты

по выявлению природы изучаемых объектов. Полу-

ченные таким образом данные могут уточнять и

конкретизировать картину мира. Научная картина

мира задает систематизацию знаний в рамках кон-

кретной науки и функционирует в качестве науч-

но-исследовательской программы или парадигмы,

определяющих постановку задач и выбор средств

их решения. Научная картина мира тесно связана с

мировоззрением, являясь одним из действенных

способов его формирования.

Об исключительной важности целостного миро-

воззрения академик Б.В.Раушенбах писал:

«Человечеству нужно целостное миро-

воззрение, в фундаменте которого лежит

как научная картина мира, так и вненауч-

ное (включая и образное) восприятие его.

Мир следует постигать и мыслью, и серд-

цем. Лишь совокупность научной и «сер-

дечной» картины мира даст достойное че-

ловека отображение мира в его сознании и

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 125: 559.физика в системе наук  учебное пособие

125

сможет быть надежной основой для пове-

дения».

Главное отличие научной картины мира от до-

научной или вненаучной (например, религиозной)

состоит в том, что она строится на основе опреде-

ленной фундаментальной научной теории (или

теорий), служащей ее основанием. Так, физиче-

ская картина мира XVII – XIX веков строилась на

базе классической механики, а современная физи-

ческая картина мира – на базе квантовой механи-

ки, специальной и общей теории относительности.

В настоящее время формируется эволюционная

картина мира (синергетическая), связанная с воз-

можностью описания состояний и развития слож-

ных систем, междисциплинарными подходами, поз-

воляющими единообразно рассматривать явления

живой и неживой природы.

Дифференциация и интеграция в физике

В логике развития физики отражается единство

процессов дифференциации и интеграции научного

знания. Процесс дифференциации знаний есть

объективная форма развития науки. Дифференци-

ация физического знания объясняется несколькими

причинами. Во-первых, в основе современной фи-

зики лежит аналитический подход к изучению дей-

ствительности, т.е. расчленение изучаемых пред-

метов на простейшие составляющие. Во-вторых, по

мере развития физики резко возрастает число объ-

ектов, доступных для научного изучения. В-

третьих, дифференциация является следствием

бесконечной сложности самой материи, неисчерпа-

емости ее свойств, форм и видов, следствием бес-

конечности и сложности человеческого познания.

Дифференциация физического знания проявляет-

ся:

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 126: 559.физика в системе наук  учебное пособие

126

- в выделении отдельных разделов физики в

самостоятельные дисциплины со своими специфи-

ческими задачами и методами исследования;

- детализации научных понятий;

- установлении новых научных принципов, за-

конов, закономерностей развития природы;

- детализации научных проблем изучения дей-

ствительности.

Быстрый рост объема знаний, увеличение пото-

ков информации приводит к тому, что в наше вре-

мя стали невозможными ученые-энциклопедисты,

т.е. люди, знакомые практически со всей наукой. В

прошлом, например, одни и те же физики могли

заниматься и электричеством, и теплотой, и опти-

кой. Теперь даже специалисты, работающие в

близких областях физики, не всегда понимают друг

друга. И физика, и другие науки глубоко диффе-

ренцировались, специализировались, и этот про-

цесс продолжается. Наука стала тоньше, ювелир-

нее, изощреннее. Современные исследования ста-

ли уже, чем прежде.

Объект нынешней физики расчленен и разло-

жен на составляющие части, раздроблен. Такое

дробление – неминуемый этап познания: сначала

изучаются части, потом судят о целом. Процесс

дифференциации характерен и для других обла-

стей естествознания (химии, биологии и др.) В то

же время дифференциация научного знания несет

в себе опасность разложения единой научной кар-

тины мира. В результате дифференциации наука из

целостной системы знания превращалась в сумму

различных научных дисциплин, изолированных

друг от друга, с нарушенными связями между ни-

ми. Как писал Станислав Лем:

“Известно, что на открытия наиболее

плодотворно влияет скрещивание инфор-

мации из различных областей науки, по-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 127: 559.физика в системе наук  учебное пособие

127

этому очень может быть, что уже сейчас в

научных книгохранилищах всех континен-

тов находится множество сведений, кото-

рые при простом сопоставлении друг с дру-

гом компетентным специалистом дали бы

начало новым ценным обобщениям. Но

именно это и затормаживается ростом спе-

циализации, внутренней постоянно расту-

щей дифференциацией наук... Ходячим

афоризмом стало выражение, что откры-

тие совершается ныне дважды: один раз -

когда оно публикуется, и второй раз - ко-

гда это уже (и, может быть, давно) опуб-

ликованное сообщение открывает для себя

популяция специалистов”.

Взаимное размежевание наук было характерно

для науки XIX века, что в итоге привело к кризису

единства науки. По поводу дифференциации науки

А.Эйнштейн образно заметил:

«Круг охватываемых наукой вопросов

чрезвычайно расширился, теоретическое

познание во всех областях естествознания

непредвиденно углубилось. Но познава-

тельная способность человека ограничена

узкими рамками и не изменяется. Поэтому

деятельность отдельных исследователей

неизбежно стягивается ко все более огра-

ниченному участку всеобщего знания. Эта

специализация, что еще хуже, приводит к

тому, что единое общее понимание всей

науки, без чего истинная глубина исследо-

вательского духа обязательно уменьшает-

ся, все с большим трудом поспевает за

развитием науки. Создается ситуация, по-

добная той, которая символически изло-

жена в библейской истории о Вавилонской

башне. Каждому серьезному ученому зна-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 128: 559.физика в системе наук  учебное пособие

128

комо это болезненное чувство невольной

ограниченности сужающимся кругом пред-

ставлений; она угрожает отнять у исследо-

вателя широкую перспективу, принижая

его до уровня ремесленника».

Чем глубже проникает наука в суть деталей,

тем она лучше вскрывает связи между различными

областями действительности, а отсюда возникает

необходимость в интеграции научного знания. Уже

в рамках классического естествознания постепенно

утверждается идея принципиального единства всех

явлений природы, а следовательно, и отражающих

их научных дисциплин. Тенденция, обратная диф-

ференциации, существовала всегда. В основе инте-

грации научного знания лежит философский прин-

цип единства мира. Интеграция научного знания

представляет собой синтез предметного содержа-

ния и (или) методов различных наук и научных

дисциплин, позволяющий решать более сложные

(или по-другому) теоретические и практические

проблемы наук, включенных в процесс интегриро-

вания. Основаниями интеграции различных наук

являются такие факторы, как использование уни-

версального языка математики, общенаучных

представлений и принципов, переноса идей и

принципов из одной области науки в другую и др.

Интеграция научного знания проявляется:

- в организации комплексных междисциплинар-

ных исследований;

- в разработке:

• научных дисциплин, выполняющих общеме-

тодологические функции (общая теория систем,

синергетика);

• научных методов, применяемых в ряде от-

раслей научного знания (спектральный анализ,

компьютерное моделирование и др.);

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 129: 559.физика в системе наук  учебное пособие

129

• теории и принципов исследования общих

связей на стыках смежных научных дисциплин

(астрофизика, биофизика и др.).

Чем больше наука вскрывает общие связи, тем

лучше она уясняет суть деталей, а отсюда следует

дифференциация научного знания. Процессы диф-

ференциации и интеграции находятся в постоянном

единстве, но они не равнозначны на различных

этапах развития науки. Длительное время, пока в

науке происходит накопление материала, преобла-

дает дифференциация. Переход на новую каче-

ственную ступень, что обычно связано с созданием

более совершенной научной картины мира, сопро-

вождается интеграцией научного знания. Академик

Л.Б.Окунь по этому поводу писал:

«В развитии физики бросаются в глаза

две противоположные и на первый взгляд

даже взаимоисключающие тенденции. С

одной стороны, экспоненциальное нараста-

ние числа исследуемых явлений, всё боль-

шая специализация, всё более детальное

ветвление каждого направления… С дру-

гой стороны, не менее интенсивно идет и

противоположный процесс – процесс объ-

единения, синтеза, интеграции. С каждым

годом становится всё яснее связь между

отдельными крупными ветвями физики,

между явлениями, которые до этого каза-

лись не имеющими между собой ничего

общего.

Механика Ньютона объединила движе-

ние земных и небесных тел. Электродина-

мика Максвелла объединила электриче-

ские, магнитные и оптические явления.

Специальная теория относительности Эйн-

штейна объединила пространство и время.

Квантовая механика в концептуальном

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 130: 559.физика в системе наук  учебное пособие

130

плане объединила понятия частицы и вол-

ны, детерминизм и вероятность, и на осно-

ве этого – атомную физику с химией и фи-

зикой конденсированных сред. Квантовая

теория поля объединила частицы и силы.

Развитие квантовой теории поля, происхо-

дящее на наших глазах, объединяет между

собой различные типы элементарных ча-

стиц и фундаментальных взаимодействий

между ними. Я здесь имею в виду так назы-

ваемые теории великого объединения и су-

перобъединения…

В свою очередь, каждый новый этап

на пути синтеза неизменно приводил к раз-

нообразным и далеко идущим новым

направлениям, причем не только в науке,

но и в технике, радикально меняя течение

жизни всего человечества. Достаточно

вспомнить радиотехнику и ядерную техни-

ку. Первая явилась производной электро-

динамического синтеза, вторая – реляти-

вистского и квантового. Представляется

очень правдоподобным, что идеи теорий

великого объединения и суперобъединения

откроют не менее захватывающие перспек-

тивы».

Сейчас в науке наблюдается период интенсив-

ной интеграции. В объединении усилий специали-

стов разных отраслей знаний кроется путь к реше-

нию проблем, которые долго не могут решить уси-

лиями одной науки. Интеграция, например, ярко

проявляется при разработке новых теоретических

моделей о происхождении и эволюции Вселенной.

Здесь приходится использовать практически все

физические дисциплины одновременно: квантовую

механику, квантовую теорию поля, физику элемен-

тарных частиц и сверхвысоких энергий, ядерную и

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 131: 559.физика в системе наук  учебное пособие

131

атомную физику, статистическую физику, общую

теорию относительности и др.

Практически до сегодняшних дней научная

картина мира, по существу, распадалась на три

картины мира (неорганическую, органическую, со-

циальную), в которых процессы самоорганизации,

саморазвития материи не были объединены еди-

ным системным подходом. Это стало возможным в

рамках синергетического подхода, объединяющего

в особый класс динамические, физические, хими-

ческие, биологические и социальные структуры,

которые ранее принципиально не сводились вме-

сте. Синергетический подход в современной науч-

ной картине мира позволяет выявить инвариантные

характеристики эволюционных процессов разного

типа и выразить их в форме, пригодной для мате-

матико-информационной обработки.

Наука объективно не может развиваться лишь

отдельными частями: она является целостной и

может развиваться только как таковая. Выдающий-

ся физик М.Планк писал:

«Наука представляет собой внутренне

единое целое. Ее разделение на отдельные

части обусловлено не столько природой

вещей, сколько ограниченностью способ-

ностей человеческого познания. В действи-

тельности существует непрерывная цепь от

физики к химии, через биологию и антро-

пологию к социальным наукам, цепь, кото-

рая ни в одном месте не может быть разо-

рвана, разве лишь по произволу».

Современное естествознание с помощью си-

нергетического подхода снимает противоречие

между миром живого и неживого, доказывая един-

ство и преемственность механизмов эволюции и

развития. В.Гейзенберг утверждает:

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 132: 559.физика в системе наук  учебное пособие

132

«В поле зрения современной науки,

прежде всего – сеть взаимоотношений че-

ловека с природой, те связи, в силу кото-

рых мы, телесные существа, представляем

собой часть природы, зависящую от других

ее частей, и в силу которых сама природа

оказывается предметом нашей мысли и

действия только вместе с самим человеком.

Наука уже не занимает позиции только

наблюдателя природы, она осознает себя

как частный вид взаимодействия человека

с природой. Научный метод, сводившийся к

изоляции, аналитическому объяснению и

упорядочению, натолкнулся на свои грани-

цы. Оказалось, что его действие изменяет и

преобразует предмет познания, вследствие

чего сам метод не может быть отстранен от

предмета. В результате естественнонаучная

картина мира, по существу, перестает быть

только естественной».

Физика и философия

Вследствие общности и широты своих законов

физика всегда оказывала воздействие на развитие

философии и сама находилась под ее влиянием.

Физика всегда была тесно связана с философией.

Выдающиеся ученые-естествоиспытатели Пифагор,

Аристотель, Н.Коперник, Р.Декарт, Г.Галилей,

И.Ньютон, Г.Лейбниц, Д.И.Менделеев, Д.Гильберт,

А.Пуанкаре, К.Гедель, М.Планк, А.Эйнштейн,

Н.Бор, М.Борн, В.Гейзенберг и другие не только

внесли весомый вклад в развитие физики, опреде-

ливший главные направления ее дальнейшего раз-

вития, но и существенным образом повлияли на

стиль научного мышления своего времени, на его

мировоззрение. Физика лежит в основе научного

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 133: 559.физика в системе наук  учебное пособие

133

мировоззрения, сущность которого в том, что су-

ществуют законы природы, никогда не нарушае-

мые в рамках своей применимости. Закон обеспе-

чивает необходимую связь между настоящим со-

стоянием мира или любой его части и состоянием,

непосредственно следующим за ним. В этом заклю-

чается предсказательная функция физики.

Философское осмысление достижений науки

начало приобретать особенно большое значение

начиная с XVII века, когда наука, прежде всего

физика, стала превращаться в значительное обще-

ственное явление. Но только со второй половины

XIX века философские и методологические про-

блемы науки превращаются в самостоятельную об-

ласть исследований. Внимание ученых стали при-

влекать такие философские и методологические

проблемы, как содержание понятий пространства,

времени, причинности, массы, силы, энергии; со-

четание в научном познании анализа и синтеза,

индукции и дедукции, теории и опыта; роль эмпи-

рических и теоретических гипотез; роль интуиции

в познании и др.

Философские основания физики формируются

путем отбора и последующей адаптации идей, вы-

работанных в философском познании, к потребно-

стям физики, что приводит к конкретизации исход-

ных философских идей, их уточнению и развитию.

Особую роль в разработке проблематики, связан-

ной с формированием и развитием философских

оснований физики, сыграли выдающиеся естество-

испытатели, соединившие в своей деятельности

конкретно-научные и философские исследования

(Р.Декарт, И.Ньютон, Г.Лейбниц, А.Эйнштейн,

Н.Бор, Л.Больцман, М.Борн, В.Гейзенберг,

М.Планк, Н.Винер и др.).

Философия часто рассматривается как методо-

логическая база научных исследований, как ре-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 134: 559.физика в системе наук  учебное пособие

134

зультат предельного обобщения эмпирических

данных различных дисциплин, как способ интегра-

ции частных наук в единое целое, как основа для

создания целостной картины мира. Это верно, фи-

зика может оперировать предельно обобщенными

категориями, сформулированными в философии

(материя и движение, пространство и время, ко-

нечное и бесконечное, необходимое и случайное,

причина и следствие и т.д.). С другой стороны, фи-

зика дает огромный фактический материал для

конкретизации и развития философских законов и

категорий, понимания многих методологических

проблем науки; данные физики могут быть отправ-

ной точкой для создания философской концепций

и их развития. В рамках физики получили даль-

нейшее развитие философские категории «мате-

рия» и «движение», представления о которых су-

щественно изменила физика ХХ века. Глубокий

смысл понятия материи раскрывается не в класси-

ческой физике, а именно тогда, когда вводятся по-

нятия поля, физического вакуума, темной материи

и темной энергии, как различных видов материи,

т.е. в теории относительности, квантовой механи-

ке, атомной и ядерной физике, физике элементар-

ных частиц. Принципы соответствия и дополни-

тельности, предложенные Н.Бором, стали общефи-

лософскими принципами. Исключительная общ-

ность и универсальность законов сохранения,

сформулированных в физике, определяют их мето-

дологическое и философское значение.

А.Эйнштейн так подчеркивал роль физики в разви-

тии философии:

« Результаты научного исследования

часто вызывают изменения в философских

взглядах на проблемы, которые распро-

страняются далеко за пределы ограничен-

ных областей самой науки. Какова цель

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 135: 559.физика в системе наук  учебное пособие

135

науки? Что требуется от теории, которая

стремится описать природу? Эти вопросы,

хотя и выходят за пределы физики, близко

связаны с ней, так как наука дает тот мате-

риал, из которого они вырастают. Фило-

софские обобщения должны основываться

на научных результатах. Однако, раз воз-

никнув и получив широкое распростране-

ние, они очень часто влияют на дальней-

шее развитие научной мысли, указывая

одну из многих возможных линий разви-

тия. Успешное восстание против принятого

взгляда имеет своим результатом неожи-

данное и совершенно новое развитие, ста-

новясь источником новых философских

воззрений».

Тем не менее, существует определенная грани-

ца между физикой и философией. Проблематика

философии всегда принципиально иная, чем у фи-

зики. Физика задается вопросами о формах и спо-

собах существования явлений окружающего мира,

а философия – о причинах и целях. В отличие от

физики и других естественных наук философия

стремится к целостному восприятию мира. В фило-

софском знании одновременно представлены как

объективное описание мира в целом, так и субъек-

тивная, личная позиция философа, зависящая от

его личного жизненного и морального опыта.

В структуре научного знания выделяют эмпири-

ческий и теоретический уровни. Но для адекватно-

го описания локальной области знания этих двух

уровней недостаточно. Необходимо выделить еще

один существенный уровень структуры научного

знания – метатеоретический уровень, в состав ко-

торого входят философские основания науки, со-

держащие общие представления о действительно-

сти и процессе познания, выраженные в системе

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 136: 559.физика в системе наук  учебное пособие

136

философских понятий. Философские основания

науки включают в себя философские идеи и прин-

ципы, обосновывающие идеалы и нормы науки,

вписывающие научные знания в культуру, а также

научную картину мира. Философские основания

выявляют себя в большей или меньшей степени в

зависимости от того, с какой наукой мы имеем де-

ло. Но в любой науке ученый исходит из философ-

ского положения о том, что все реальные объекты

и явления, с которыми он сталкивается, причинно

обусловлены.

Философские основания науки участвуют в со-

здании новых теорий, перестройке идеалов иссле-

дований. Обращая внимание на значение филосо-

фии для научного познания, Л.Бриллюэн писал,

что «ученые всегда работают на основе неко-

торых философских предпосылок, и, хотя,

многие из них могут не сознавать этого, эти

предпосылки в действительности определяют

их общую позицию в исследовании». В совре-

менных условиях удельный вес философской со-

ставляющей в системах принятия решений, осо-

бенно при выборе методологии исследования, рез-

ко увеличивается. А.Эйнштейн писал по этому по-

воду:

«В наше время физик вынужден зани-

маться философскими проблемами в го-

раздо большей степени, чем это приходи-

лось делать физикам предыдущих поколе-

ний. К этому физиков вынуждают трудно-

сти их собственной науки».

По мере развития физики, усложнения ее задач

все больше выявляется необходимость в специаль-

ном исследовании ее философских оснований. По

мнению М.Борна, современная физика не может

обойтись без обращения к философии, осуществ-

ляющей «исследование общих черт структуры

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 137: 559.физика в системе наук  учебное пособие

137

мира и наших методов проникновения в эту

структуру». Н.Бор отмечал, в свою очередь,

большое значение физики для развития философ-

ского мышления:

«Важное значение физической науки

для развития общего философского мыш-

ления основано не только на ее вкладе в

наше непрерывно возрастающее познание

той природы, частью которой мы являемся

сами; физическая наука важна и тем, что

время от времени она давала случай пере-

сматривать и улучшать нашу систему поня-

тий как орудие познания. В нашем столе-

тии изучение атомного строения материи

обнаружило неожиданное ограничение

области применимости классических фи-

зических идей и пролило новый свет на

содержащиеся в традиционной философии

требования к научному объяснению. Необ-

ходимый для понимания атомных явлений

пересмотр основ и предпосылок однознач-

ного применения наших элементарных по-

нятий имеет поэтому значение, выходящее

далеко за пределы одной только физиче-

ской науки».

Особенно важна правильная философская ори-

ентация в кризисные моменты развития физики,

когда старые представления подвергаются корен-

ному пересмотру. Лишь понимание соотношения

между абсолютной и относительной истиной, убеж-

денность в материальности и познаваемости окру-

жающего нас мира, позволяют в рамках принципа

соответствия правильно оценить сущность револю-

ционных преобразований в физике и принимать

лишь те из них, которые не приводят к крушению

физических теорий, а обогащают и углубляют наши

представления о материи и движении.

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 138: 559.физика в системе наук  учебное пособие

138

Связь физики с другими науками

Физика тесно связана с другими науками о

природе. Это обусловлено тем, что физические

формы движения материи входят составной частью

в качественно более сложные формы движения,

изучаемые другими естественными науками. Любая

материальная система (в том числе и живой орга-

низм) состоит из атомов и молекул, поэтому в ней

имеют место все физические формы движения ма-

терии и выполняются все физические закономер-

ности. Еще раз напомним слова М.Планка о взаи-

мосвязи и взаимопроникновении естественных

наук:

«Наука представляет собой внутренне

единое целое. Ее разделение на отдельные

области обусловлено не столько природой

вещей, сколько ограниченностью способ-

ности человеческого познания. В действи-

тельности существует непрерывная цепь от

физики и химии через биологию и антро-

пологию к социальным наукам, цепь, кото-

рая ни в одном месте не может быть разо-

рвана, разве лишь по произволу».

Многие естественные науки используют физиче-

ские средства и методы исследования, регистриру-

ющие приборы, заимствованные у физики. Это

обусловило быстрый прогресс этих наук. Физика

глубоко вросла в астрономию, геологию, химию и

другие естественные науки, что привело к образо-

ванию ряда пограничных дисциплин: астрофизики,

геофизики, химической физики, физической хи-

мии, биофизики, молекулярной биологии и др.

Химия – одна из важнейших естественно-

научных дисциплин – изучает структуру молекул, а

также процессы взаимодействия молекул и поведе-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 139: 559.физика в системе наук  учебное пособие

139

ние веществ при различных химических реакциях.

Современная химия изучает не только простейшие

молекулы, но и сложные молекулярные образова-

ния, состоящие из тысяч и более атомов, которые

встречаются в органической химии и химии биоло-

гических существ. Проблемы сложных молекуляр-

ных образований требуют применения всех дости-

жений микрофизики. Поэтому возникла и получила

широкое развитие новая научная дисциплина – хи-

мическая физика. Химическая физика исследует

строение электронных оболочек атомов и их изме-

нения при образовании молекул. В ней с позиции

квантовой механики объясняется общая природа

химической связи и химической валентности. При

этом используются методы современной атомной и

субатомной физики с применением квантово-

механических математических расчетов. Знание

пространственного распределения электронов в

электронной системе молекул позволяет понимать

их физико-химические свойства. В становление

химической физики большой вклад внес лауреат

Нобелевской премии акад. Н.Н.Семенов, создавший

теорию цепных химических реакций.

Только открытие строения атома и принципа

Паули, лежащего в основе систематики заполнения

электронных состояний в атомах, позволяет объяс-

нить Периодическую систему элементов

Д.И.Менделеева. С помощью физических методов

удается осуществить химические реакции, не иду-

щие в обычных условиях. Вопросами энергетиче-

ской активизации реагентов с использованием фи-

зических процессов занимается химия экстремаль-

ных состояний, которая включает плазмохимию,

радиационную химию, химию высоких энергий, хи-

мию высоких давлений и температур. «Меченые

атомы» позволяют проследить кинетику химиче-

ских реакций. Созданы физические методы изме-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 140: 559.физика в системе наук  учебное пособие

140

рения скорости протекания быстрых химических

реакций с помощью пучков мюонов, полученных на

ускорителях. Физиками осуществлен синтез транс-

урановых химических элементов, отсутствующих в

природе, что существенно расширило границы таб-

лицы Менделеева.

В течение длительного времени наши зна-

ния о космическом пространстве базировались на

данных наблюдательной астрономии, основными

инструментальными средствами которой были оп-

тические телескопы различных типов. В настоящее

время астрофизика переживает период бурного

развития. Это связано с расширением технических

возможностей исследований, появлением радио-,

гамма-, рентгеновских телескопов, позволивших

изучать Вселенную во всем диапазоне электромаг-

нитных волн. Благодаря этому за последние полве-

ка удалось обнаружить объекты, о которых астро-

номы ранее не подозревали: квазары, пульсары,

рентгеновские источники и др. Выход человека за

пределы атмосферы и в ближний космос позволил

исследовать космическое пространство с помощью

спутников, межпланетных станций, различных кос-

мических аппаратов. Новые открытия показали

многообразие нашей Вселенной.

Более 20 лет одним из главных источников

уникальной информации о дальних звездах и га-

лактиках является космический телескоп имени

Э.Хаббла (КТХ) – обсерватория, летающая вокруг

Земли на высоте около 610 км. Телескоп представ-

ляет собой весьма внушительное сооружение: дли-

на – 13,1 м; диаметр – 4,2 м; размах солнечных

батарей – 12 м; масса – 11,3 т; диаметр главного

зеркала телескопа-рефлектора – 2,4 м. КТХ пере-

дал на Землю огромное количество фотографий

самых разных космических объектов: планет сол-

нечной системы, диффузных и планетарных туман-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 141: 559.физика в системе наук  учебное пособие

141

ностей, галактик всех типов и возрастов. Благода-

ря КТХ установили, что расширение Вселенной

происходит не замедленно, как думали раньше, а

ускоренно. Это свидетельствует о том, что во Все-

ленной, кроме сил гравитационного притяжения,

действуют силы вселенского отталкивания, обу-

словленные таинственной темной энергией. С по-

мощью КТХ удалось уточнить возраст нашей Все-

ленной, отсчитываемый от момента Большого

взрыва, – 13,7 млрд лет.

От простого описания космических объектов и

их классификации ученые перешли к проблемам

происхождения и эволюции нашей Вселенной.

Космология – физическое учение о Вселенной в

целом, основанное на изучении наиболее общих

свойств Метагалактики (части Вселенной, охвачен-

ной астрономическими наблюдениями) и законов

ее эволюции. Современная космология бурно раз-

вивается. Особенностью современной космологии

является то, что при разработке новых теоретиче-

ских моделей о происхождении и эволюции Все-

ленной приходится использовать практически все

физические дисциплины одновременно: квантовую

механику, квантовую теорию поля, физику элемен-

тарных частиц и сверхвысоких энергий, ядер и

атомов, статистическую физику, общую теорию от-

носительности и др. Они составляют теоретический

фундамент космологии. Особую роль в космологии

играет теория тяготения, так как именно тяготение

определяет взаимодействие масс на больших кос-

мологических расстояниях, а, следовательно, и ди-

намику космических тел. В основе современной

космологии лежит эйнштейновская теория тяготе-

ния – общая теория относительности. По сути, со-

временная космология – это удивительный симбиоз

новейших научных достижений, яркий пример

науки, вобравшей в себя за последние двадцать-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 142: 559.физика в системе наук  учебное пособие

142

тридцать лет преимущества физических подходов и

методов описания нашего мира.

Российские физики внесли весомый вклад в

разработку важнейших представлений современ-

ной космологии. А.А.Фридман нашел нестационар-

ные решения гравитационного уравнения Эйн-

штейна, доказав возможность существования не-

стационарной (расширяющейся) Вселенной. Акад.

А.Д.Сахаров объяснил происхождение барионной

асимметрии Вселенной. Акад. Я.Б.Зельдович полу-

чил фундаментальные результаты в теории инфля-

ции, теории реликтового излучения и его взаимо-

действия с веществом, нелинейной теории структу-

ры Вселенной; разработал теорию строения сверх-

массивных звезд, модель квазаров, исследовал

свойства «черных дыр»; предложил несколько аст-

рономических методов поиска «черных дыр»;

предположил, что массивные «черные дыры» яв-

ляются источниками энергии квазаров и радиога-

лактик; на основании законов квантовой механики

выдвинул идею излучения вращающейся черной

дыры. Акад. В.Л.Гинзбург развил теорию магнито-

тормозного космического радиоизлучения и теорию

происхождения космических лучей. Член.-корр.

РАН И.Д.Новиков совместно с Я.Б.Зельдовичем

предложил метод поиска «черных дыр» в нашей

Галактике, который оказался успешным; изучал

структуру аккреционного диска вокруг «черной

дыры».

По мнению акад. В.А.Рубакова, развитие мето-

дов наблюдений и расчетов в космологии сделало

ее количественной наукой. В этой области можно

надеяться на подтверждение инфляционной теории

и измерение параметров инфлантонного поля,

надежное измерение современного значения кос-

мологической постоянной. Вполне возможно, что

будет выяснена природа темной материи. Физика

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 143: 559.физика в системе наук  учебное пособие

143

элементарных частиц и космология находятся на

пороге нового, очень интересного этапа развития.

Взаимовлияние физики частиц и космологии, мик-

ро- и макрофизики обеспечит интенсивное разви-

тие фундаментальной физики в обозримом буду-

щем.

Тела неживой природы и живые организмы по-

строены из одних и тех же атомов и молекул. По-

этому органический мир починяется тем же единым

законам, учитывающим ядерно-электронное строе-

ние всех тел. Проблемы соотношения физики и

биологии стали сейчас особенно актуальными.

Живой организм и любая его функциональная

часть являются весьма сложными открытыми тер-

модинамическими системами. Все биологические

системы как открытые системы активно и постоян-

но обмениваются с окружающей средой веществом,

энергией и информацией через процессы дыхания,

поглощение продуктов питания и т.д. Термодина-

мика открытых систем отличается от термодинами-

ки изолированных систем, в которых энтропия при

наличии необратимых процессов может только воз-

растать. В случае открытых систем закон возраста-

ния энтропии относится только к общей системе,

состоящей из самой открытой системы, где энтро-

пия может убывать, и к окружающей среде, с кото-

рой открытая система взаимодействует. Основы

термодинамики неравновесных открытых систем

были разработаны И.Пригожиным и др. По совре-

менным представлениям, живой организм – это от-

крытая, саморегулируемая и самовоспроизводяща-

яся гетерогенная система, важнейшим функцио-

нальным веществом которой служат биополимеры –

белки и нуклеиновые кислоты. Такая система под-

лежит комплексному физическому и химическому

исследованию.

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 144: 559.физика в системе наук  учебное пособие

144

Физиков давно интересовали биологические

проблемы. Н.Бор рассматривал проблему связи

биологии и физики на основе принципа дополни-

тельности, считая, что собственно биологические

законы дополнительны законам, которым подчи-

няются тела неорганического мира. Нельзя одно-

временно определять физико-химические свойства

организма и явления жизни – анализ свойств одно-

го исключает подробный анализ другого. Таким

образом, Н.Бор рассматривал биологические и фи-

зико-химические исследования как дополнитель-

ные, т.е. несовместимые, хотя и не противореча-

щие друг другу. Он в 30-е годы ХХ века предска-

зывал, что исследование жизни на атомном уровне

приведет к парадоксу, аналогичному тому, который

возник при исследованиях спектров атомов и кото-

рый был разрешен только с помощью новой кван-

товой механики. Бор считал, что:

«Существование жизни следует прини-

мать как некий элементарный факт, кото-

рый нельзя объяснить и который следует

рассматривать как начальную точку биоло-

гии, точно так же как квант действия, ко-

торый выглядит иррациональным с точки

зрения классической механики, но оказы-

вается фундаментальной основой атомной

физики, если его рассматривать с точки

зрения физики элементарных частиц. Не-

возможность объяснения жизненных яв-

лений на основе законов физики или хи-

мии аналогична недостаточности механи-

ческого подхода для понимания стабиль-

ности атомов».

В 1945 г. Э.Шредингер написал книгу «Что та-

кое жизнь? С точки зрения физика», где рассмот-

рел три основные проблемы биофизики:

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 145: 559.физика в системе наук  учебное пособие

145

1. Термодинамические основы жизни. Организм

– открытая высокоорганизованная упорядоченная

система, находящаяся в неравновесном состоянии

благодаря потоку энтропии во внешнюю среду,

способная поддерживать упорядоченность за счет

саморегуляции и самовоспроизведения.

2. Молекулярные основы жизни. Автор опре-

деляет молекулярную природу гена, ответственно-

го за наследственность. Ген должен быть молеку-

лой с апериодической структурой. Поставлен во-

прос о структуре вещества наследственности и о

причинах его устойчивого воспроизводства в ряду

поколений.

3. Квантово-механические закономерности.

Шредингер отмечает соответствие биологических

процессов законам квантовой механики, что отчет-

ливо проявляется в радиобиологических явлениях.

На теоретической основе неравновесной тер-

модинамики М.Эйгеном была создана физико-

математическая модель, объясняющая возникнове-

ние информационных макромолекул в неравновес-

ных открытых системах мономеров, обладающих

избыточной химической энергией. Эволюция таких

систем, подверженных мутационным изменениям,

приводит к возникновению биологического кода.

Проблема происхождения жизни является

предметом специального направления биофизики,

и пока остается дискуссионной. При попытках фи-

зического описания возникновения живых существ

из неживой материи возникают трудности, связан-

ные с оценкой маловероятных событий. Академик

В.Л.Гинзбург в своей лекции говорил о возможно-

сти объяснения происхождения жизни только с фи-

зической точки зрения:

«Мы полагаем в настоящее время, что

знаем, из чего устроено все живое — из

электронов, атомов и молекул. Знаем стро-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 146: 559.физика в системе наук  учебное пособие

146

ение атомов и молекул, а также управляю-

щие ими и излучением законы. Поэтому

естественна гипотеза о редукции — воз-

можности все живое объяснить на основе

физики, уже известной физики. Конкретно,

основными являются вопросы о происхож-

дении жизни и появлении сознания (мыш-

ления). Образование в условиях, царивших

на Земле несколько миллиардов лет назад,

сложных органических молекул уже про-

слежено, понято и смоделировано. Каза-

лось бы, переход от таких молекул и их

комплексов к простейшим организмам, к их

воспроизводству можно себе представить.

Но здесь имеется какой-то скачок, фазовый

переход. Проблема не решена, и я склонен

думать, будет безоговорочно решена толь-

ко после создания «жизни в пробирке».

Думается, что и создание «жизни в пробирке»

не поставит точку в вопросе о происхождении жиз-

ни. Сегодня мы располагаем суммой фактов о жи-

вой материи, но первые страницы возникновения

жизни на Земле существуют только как гипотезы.

Математическое моделирование не дает ответа на

этот вопрос. Задача восстановления причины по

следствию является некорректной обратной зада-

чей. Г.Р.Иваницкий (Институт теоретической и экс-

периментальной биофизики РАН) считает, что даже

если когда-нибудь удастся в лабораторных услови-

ях смоделировать полный процесс зарождения жи-

вой материи, то и тогда ответ будет вероятност-

ным. Мы не сможем с абсолютной уверенностью

утверждать, что жизнь на Земле развивалась имен-

но по этому сценарию. Необходимо будет доказать,

что такая траектория является единственно воз-

можной или, по крайней мере, наиболее вероят-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 147: 559.физика в системе наук  учебное пособие

147

ной. Вопрос о происхождении жизни с точки зре-

ния физики остается открытым.

Электронный и туннельный микроскопы на не-

сколько порядков превысили границы оптических

методов исследований и дали возможность наблю-

дать отдельные атомы и молекулы. С помощью

рентгеноструктурного анализа изучается структура

сложных биологических молекул и живых тканей. В

1953 г. Д.Уотсон и Ф.Крик, используя метод рент-

генографии, установили, что молекула ДНК имеет

двойную спиральную структуру. Революция в био-

логии, связанная с возникновением молекулярной

биологии и генетики, была бы невозможна без фи-

зики. Проблема генетического кода была впервые

теоретически сформулирована физиком Г.Гамовым,

но экспериментальная расшифровка кода стала

возможной только после рентгеновских исследова-

ний Д.Уотсона и Ф.Крика. Только использование

физических методов позволило осуществлять изу-

чение геномов живых организмов, в том числе и

человека. Именно физики способствовали изуче-

нию атомной структуры биополимеров и их биоло-

гических функций, а также механизма наслед-

ственности и изменчивости в живых организмах,

построенных из них.

Функционирование живой клетки и всех много-

клеточных организмов обеспечивается в основном

за счет свободной энергии, освобождающейся при

ферментативном гидролизе молекул аденозинтри-

фосфорной кислоты (АТФ). Более 35 лет назад в

биофизике появилось понятие «молекулярные ма-

шины». Молекулярная машина является макромо-

лекулярным устройством природного происхожде-

ния (например, молекула белка или белковый ком-

плекс), которое осуществляет преобразование хи-

мической энергии в энергию направленного дви-

жения макромолекул или их отдельных фрагмен-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 148: 559.физика в системе наук  учебное пособие

148

тов, перенос молекул и ионов через биологические

мембраны и т.д. Представление о ферментах как о

наноразмерных молекулярных машинах подразу-

мевает существование в них сравнительно неболь-

шого числа выделенных (механических) степеней

свободы, связанных с согласованным движением

групп атомов или с наличием подвижных фрагмен-

тов. Это означает, что отдельные части белка или

белкового комплекса могут рассматриваться как

элементы макромолекулярного устройства, подоб-

ные деталям макроскопических машин и механиз-

мов.

В последнее десятилетие биофизики научились

манипулировать отдельными молекулами биополи-

меров, используя лазерные и магнитные «пинце-

ты», что привело к настоящей революции в изуче-

нии биологических макромолекулярных машин.

Особый интерес представляет изучение вращаю-

щихся молекулярных машин и механизмов, работа

которых связана с направленным вращением их

ротора. Они обычно встроены в биологическую

мембрану, приводятся в действие за счет разности

электрохимических потенциалов, генерируемой на

мембране. Их иногда называют «электромоторами»

природного происхождения. Типичным представи-

телем молекулярных «электромоторов» является

АТФ-синтаза типа F0F1 – белковый комплекс, обес-

печивающий синтез аденозинтрифосфорной кисло-

ты – основы энергетики живой клетки. Биофизик

Л.А.Блюменфельд писал:

«Если бы для описания клетки нам при-

шлось выбирать между двумя крайними

моделями – часовым механизмом и гомо-

генной химической реакцией в газовой

фазе, выбор был бы однозначен: клетка

несравненно ближе к часовому механизму,

чем к чисто статистической системе».

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 149: 559.физика в системе наук  учебное пособие

149

Важнейшая роль в изучении биофизических

механизмов работы биологических машин и меха-

низмов принадлежит современным физическим ме-

тодам исследования, позволяющим не только сле-

дить за состоянием индивидуальных молекул бел-

ков и белковых комплексов, но и целенаправленно

манипулировать отдельными макромолекулами.

Искусственные радиоактивные изотопы («ме-

ченые атомы») позволили исследовать процессы

обмена веществ в живых организмах. Это позволи-

ло решить многие проблемы биологии и медицины.

Более столетия медики широко используют для ди-

агностики рентгеновское излучение. Сейчас широ-

кое применение находит ЯМР-томография (ЯМР –

ядерный магнитный резонанс), обладающая много-

численными преимуществами по сравнению с рент-

генографией и электрокардиографией; внедряется

позитронно-эмиссионная томография для диагно-

стики различных заболеваний. Применение радио-

активных изотопов, различных видов излучений,

лазеров способствует лечению многих видов забо-

леваний. Перспективными для лечения злокаче-

ственных опухолей являются протонная и ионная

лучевая терапия. В настоящее время в мире прото-

нами облучаются более 30 тыс. пациентов, страда-

ющих заболеваниями спинного мозга и раком про-

статы.

Проникновение физики и физических методов

исследования в геологию идет через геофизику.

Идеи ядерной физики стали неотъемлемой частью

геологических концепций. Расшифровка истории

Земли строится на параллельном изучении двух ис-

точников информации: реконструкции геологиче-

скими методами минерального состава и последо-

вательности накопления осадочных и магматиче-

ских пород земной коры; анализа геохимических

данных, позволяющих вскрыть процессы эволюции

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 150: 559.физика в системе наук  учебное пособие

150

горных пород и установить их временную последо-

вательность. Для расчета возраста этих пород

обычно используют радиоизотопный метод датиро-

вания. Возраст Земли геологами оценивается в 4,5

– 4,7 млрд лет. Это возраст расчетный, так как ни-

каких пород от тех времен не сохранилось (или

неизвестно, где их искать). Древнейшие найден-

ные породы имеют возраст 4,03 млрд лет (северо-

западные территории Канады) и 4,27 млрд лет (в

Западной Австралии). Для изучения внутреннего

строения Земли используются различные физиче-

ские методы зондирования. Широко применяются

физические методы при разведке полезных иско-

паемых.

Отмечая тесную связь физики с другими есте-

ственными науками, В.Гейзенберг писал:

«…многие естественно-научные дисци-

плины в своих основаниях тесно связаны с

атомной физикой и, следовательно, приво-

дят в конечном счете к тем же принципи-

альным проблемам, что и сама атомная

физика. Химия возводит свое здание на

фундаменте атомной физики, астрономия

теснейшим образом связана с ней, без

атомной физики в ней едва ли возможен

какой бы то ни было прогресс, и даже в

биологии уже перебрасываются мосты к

атомной физике. В последние десятилетия

в гораздо большей степени, чем раньше,

стали заметны связи между различными

естественными науками».

Физика и техника

Физика тесно связана с техникой. Трудно найти

сейчас такую отрасль техники, которая не выросла

бы из физики. Вся история развития техники пред-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 151: 559.физика в системе наук  учебное пособие

151

ставляет собой галерею блестяще реализованных в

инженерных конструкциях и технологиях теорети-

ческих и экспериментальных физических откры-

тий: законы термодинамики, использованные в

тепловых двигателях; научные идеи К.Э.Циолковс-

кого, воплощенные в ракетной технике; электро-

динамика Максвелла – Фарадея, ставшая основой

современной радиоэлектроники; открытие элек-

трона Д.Томсоном, положившее начало техниче-

ской электронике; теория относительности

А.Эйнштейна и открытие деления урана, лежащие

в основе ядерной энергетики; предсказание

В.А.Фабрикантом возможности создания молеку-

лярного генератора световых волн на основе тео-

рии индуцированного излучения А.Эйнштейна и со-

здание лазеров Н.Г.Басовым, А.М.Прохоровым и

Ч.Таунсом; полупроводниковая техника и многое

другое. Физика в настоящее время стала непосред-

ственной производительной силой человеческого

общества. Многие физические эффекты и явления,

на первый взгляд весьма далекие от технических

применений, становятся основой новых отраслей

техники, обеспечивают дальнейший технический

прогресс. Академик Б.М.Понтекорво писал по по-

воду невозможности предсказать, какое техниче-

ское применение найдет вновь открытое физиче-

ское явление:

«Стоит ли напоминать, что на заре свое-

го развития физика элементарных частиц,

установив с теоретической точки зрения

казалось бы второстепенный факт, что при

делении урана испускается более двух

нейтронов, породила современную ядер-

ную энергетику?».

Проникновение физики в изучение структуры

атомного ядра и всего субатомного мира вызвало

почти сразу же революционные изменения и от-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 152: 559.физика в системе наук  учебное пособие

152

крытия в современной технике. Рассмотрим более

подробно реализацию некоторых физических зако-

нов и явлений в конкретных технических устрой-

ствах, существенно преобразивших наш мир в ХХ

веке.

Начнем с лазеров. В 1916 г. А.Эйнштейн, при-

менив принцип детального равновесия к излуче-

нию атома, предсказал существование индуциро-

ванного, или вынужденного излучения атомов, мо-

лекул и других квантовых структур. Вынужденное

излучение строго когерентно с вынуждающим из-

лучением, т.е. испущенные фотоны имеют такую

же частоту, фазу, поляризацию и направление

распространения. Испущенные атомом фотоны не-

отличимы от фотонов, падающих на атом. В 1951 г.

советские ученые В.А.Фабрикант, М.М.Вудынский и

Ф.А.Бутаева указали на возможность усиления

электромагнитного излучения за счет индуциро-

ванного излучения, тем самым высказали идею

квантового усилителя. В 1954 г. Н.Г.Басов,

А.М.Прохоров (СССР) и Ч.Таунс (США) создали

первые квантовые квантовые генераторы - молеку-

лярные генераторы на пучке молекул аммиака, ра-

ботающие в сантиметровом диапазоне. Они полу-

чили название мазеров (Maser – аббревиатура от

английских слов: Microwave Amplfication by Stimu-

lated Emission of Radiation – усиление микроволн

при помощи индуцированного излучения). В 1955

г. Н.Г.Басов и А.М.Прохоров предложили трехуров-

невый метод создания неравновесных квантовых

систем, широко используемый в квантовых генера-

торах и усилителях радио- и оптического диапазо-

на. В 1958 г. Ч.Таунс и А.Шавлов разработали

принцип работы лазера. В 1960 г. Т.Г.Мейман

(США) изобрел первый оптический квантовый ге-

нератор – рубиновый лазер (Laser – аббревиатура

от английских слов: Ligpt Amplfication by Stimulated

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 153: 559.физика в системе наук  учебное пособие

153

Emission of Radiation – усиление света при помощи

индуцированного излучения). В 1964 г. Н.Г.Басов,

А.М.Прохоров и Ч.Таунс за фундаментальные ис-

следования в области квантовой электроники, ко-

торые привели к созданию генераторов и усилите-

лей нового типа – мазеров и лазеров, – были удо-

стоены Нобелевской премии.

Лазерное излучение обладает следующими

важными свойствами: временнáя и пространствен-

ная когерентность, строгая монохроматичность,

большая мощность излучения, очень малое рас-

хождение в пучке. Благодаря этим свойствам лазе-

ры в настоящее время находят широкое примене-

ние. По совокупности признаков (рабочая среда,

способ накачки, генерируемая мощность и др.) вы-

деляют следующие виды лазеров:

1. Твердотельные лазеры. Используются в ла-

зерной спектроскопии, нелинейной оптике, для ла-

зерных технологий (сварка, закалка, упрочнение

поверхности, резка металлов).

2. Полупроводниковые лазеры. Применяются в

спектроскопии, в оптических стандартах частоты,

оптических линиях связи, звуко- и видеосистемах,

для проекционного лазерного телевидения, опти-

ческой обработки информации.

3. N2 – CO2- и CO-лазеры высокого давления.

Применение: спектроскопия, лазерная химия, ме-

дицина, технология.

4. Ионный аргоновый лазер. Применение:

спектроскопия, медицина, нелинейная оптика.

5. Эксимерные лазеры. Применение: спектро-

скопия, химия. Рассматривается возможность ис-

пользования для лазерного термоядерного синтеза.

6. Лазеры на красителях.

7. Химические лазеры. Применение: спектро-

скопия, лазерная химия, контроль состояния атмо-

сферы.

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 154: 559.физика в системе наук  учебное пособие

154

8. Газодинамические лазеры.

9. Гамма-лазеры и рентгеновские лазеры. Об-

суждается их применение в системах вооружения.

10. Параметрические лазеры с перестройкой

частоты генерируемого излучения.

11. Лазеры с ядерной накачкой.

Развитие электроники и создание современных

ЭВМ базируется на достижениях физики твердого

тела. Успехи теоретической и экспериментальной

физики твердого тела привели к внедрению полу-

проводников, а теперь и сверхпроводников в элек-

тронную промышленность, что позволило обеспе-

чить микроминиатюризацию электронных

устройств. Полупроводники представляют собой

широкий класс веществ, характеризующийся зна-

чениями удельной электропроводности, промежу-

точными между удельными электропроводностями

металлов и хороших диэлектриков. Характерной

особенностью полупроводников, отличающей их от

металлов, является возрастание электропроводно-

сти с ростом температуры. Для полупроводников

характерна высокая чувствительность электропро-

водности к другим внешним воздействиям (свет,

поток быстрых частиц, сильное электрическое поле

и т.д.), а также к содержанию примесей и дефектов

в кристаллах. Возможность в широких пределах

управлять электропроводностью полупроводников

изменением температуры, введением примесей и

т.д. является основой их многочисленных и разно-

образных применений. Первым шагом к созданию

микроэлектроники был транзистор. Пионерами

транзисторной эры стали Уильям Шокли, Джон

Бардин и Уолтер Браттейн, которые в 1947 г. в

«Bell Labs» впервые создали действующий бипо-

лярный транзистор. В настоящее время промыш-

ленность располагает широким классом полупро-

водниковых приборов: диодные и триодные тири-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 155: 559.физика в системе наук  учебное пособие

155

сторы, полевые транзисторы, туннельные диоды,

светодиоды, лавинно-пролетные диоды, фоторези-

сторы, терморезисторы, солнечные батареи, детек-

торы элементарных частиц, полупроводниковые

лазеры различных типов и многие другие.

Логика развития современной полупроводнико-

вой электроники такова, что интегральные схемы

становятся все более сложными и объединяют все

большее число элементов. До сих пор изготовите-

лям интегральных схем удавалось увеличивать

плотность размещения транзисторов, диодов и дру-

гих элементов за счет уменьшения их размеров.

При уменьшении размеров до долей микрона со-

здатели электронных приборов должны учитывать

тот факт, что описание микрообъектов возможно

только в рамках законов квантовой механики.

К настоящему времени в физике накоплен

большой опыт по созданию и изучению искус-

ственных полупроводниковых структур, имеющих

размеры в несколько нанометров или несколько

десятков ангстремов. Нанообъекты размером 0,1

нм – 1 мкм, имеющие кристаллическую структуру,

получили название нанокристаллов. К ним отно-

сятся так называемые квантовые ямы, квантовые

нити и квантовые точки. В этих микроструктурах

электроны ведут себя как квантовые объекты.

Названные структуры, а также переходные состоя-

ния между ними объединяются под одним названи-

ем – гетероструктуры или гетеросистемы. Сюда же

относятся сверхрешетки и более сложные гетеро-

системы. Основоположником теории гетероструктур

является лауреат Нобелевской премии академик

РАН Ж.И.Алферов. Оказалось, что, изменяя раз-

мерность и регулируя величину квантового ограни-

чения, можно в широком диапазоне изменять энер-

гетический спектр гетеросистемы, что позволяет

создавать совершенно новые полупроводниковые

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 156: 559.физика в системе наук  учебное пособие

156

приборы. Особенностью и огромным преимуще-

ством искусственных наноструктур перед твердыми

телами, созданными природой, является то, что в

них можно реализовывать широкий комплекс

свойств, нередко весьма необычных, для разного

рода приборных применений. По мнению акад.

Ж.И.Алферова, гетероструктуры в XXI веке оставят

обычным полупроводникам в электронике не более

1%, станут основной материальной базой микро-

электроники и оптоэлектроники.

Электроника на гетероструктурах широко ис-

пользуется во многих областях человеческой дея-

тельности. Применяются телекоммуникационные

системы, основанные на лазерах с двойной гетеро-

структурой, гетероструктурные светодиоды и бипо-

лярные транзисторы, малошумящие транзисторы с

высокой подвижностью электронов для высокоча-

стотных применений, включая системы спутниково-

го телевидения. Солнечные батареи на гетеро-

структурах широко используются в космосе и на

Земле. Отдельную ветвь микроэлектроники —

оптоэлектронику — составляют приборы, постро-

енные на основе гетероструктур по созданию «тех-

нического» света — полупроводниковые лазеры и

светодиоды. С использованием полупроводниковых

лазеров связана новейшая история цифровой запи-

си — от обычных CD-дисков до знаменитой сегодня

технологии Blue Ray на нитриде галлия (GaN). Ла-

зеры с двойной гетероструктурой используются в

проигрывателях для лазерных дисков.

Современное состояние физики и техники до-

стигло такого уровня, который позволяет опериро-

вать отдельными атомами и молекулами и даже от-

дельными электронами. Эти объекты составляют

элементную базу нанотехнологий – новых разделов

высоких технологий, которые позволяют использо-

вать в практических целях процессы, происходя-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 157: 559.физика в системе наук  учебное пособие

157

щие в областях нанометровых размеров (1 нм=10-9

м). Цель нанотехнологий состоит в управлении по-

ведением отдельных наночастиц – атомов, молекул

и молекулярных систем – при создании новых

наноструктур со специальными физическими, хи-

мическими и биологическими свойствами. Эти объ-

екты обладают очень интересными физическими

особенностями и имеют широкие перспективы при-

менения в радиоэлектронике, лазерной технике,

информационных технологиях, биологии, медицине

и т.д. Использование наноматериалов способно в

будущем обеспечить грандиозную экономию энер-

гии, сырья и регенерацию комфортной для челове-

ка окружающей среды. Широкое практическое ис-

пользование наноструктур составляет суть проис-

ходящей в настоящее время нанотехнологической

революции.

Важным и перспективным объектом нанотехно-

логий являются углеродные нанотрубки. Долгое

время считалось, что углерод имеет две кристалли-

ческие модификации: графит и алмаз. В конце ХХ

века было установлено, что атомы углерода могут

составлять каркасные структуры – сложные моле-

кулы с поверхностями, образованными правильны-

ми пяти-, шести-, семи- и восьмиугольниками, в

вершинах которых находится углерод. Были экспе-

риментально открыты разнообразные формы эле-

ментарного углерода, среди которых следует выде-

лить фуллерены С60 и нанотрубки.

Углеродные нанотрубки (УНТ) представляют

собой протяженные цилиндрические структуры

диаметром от одного до нескольких десятков нано-

метров и длиной до нескольких микрон, состоящие

из одного или нескольких свернутых в трубку гек-

сагональных графитовых слоев. Углеродные нано-

трубки обладают необычными физико-химическими

свойствами. В зависимости от угла ориентации

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 158: 559.физика в системе наук  учебное пособие

158

графитовой плоскости, составляющей УНТ, относи-

тельно ее оси, нанотрубка может обладать либо

металлической проводимостью, либо иметь полу-

проводниковые свойства с шириной запрещенной

зоны, зависящей от ее геометрии. Тем самым УНТ

образуют принципиально новый класс электронных

приборов рекордно малых размеров. Разработка

интегральных схем, включающих в себя элементы

на основе УНТ, может привести к революционным

изменениям в области миниатюризации современ-

ных компьютеров. Хорошая проводимость в соче-

тании с миниатюрными размерами делает нано-

трубки уникальным источником автоэлектронной

эмиссии. Использование нанотрубок в качестве

электронных эмиттеров в холодных катодах позво-

ляет улучшить рабочие характеристики плоских

мониторов, катодолюминесцентных источников

света, рентгеновских трубок, уменьшить их габари-

ты и массу, понизить уровень потребления энер-

гии. Чрезвычайно привлекательны для прикладных

целей механические свойства УНТ. Нанотрубки об-

ладают аномально высокой прочностью на растя-

жение и изгиб. Введение даже небольшого количе-

ства УНТ в состав композитных полимерных мате-

риалов существенно улучшает механические ха-

рактеристики последних.

В последние годы в центре внимания физиков-

экспериментаторов находится графен. Графен

представляет собой двухмерную модификацию уг-

лерода, слой атомов углерода толщиной в один

атом. Кристаллическая решетка графена представ-

ляет собой плоскость, состоящую из шестиуголь-

ных ячеек, то есть является двухмерной гексаго-

нальной кристаллической решеткой. Его можно

представить как одну плоскость графита, отделен-

ную от объемного кристалла. Расстояние между

ближайшими атомами углерода в шестиугольниках

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 159: 559.физика в системе наук  учебное пособие

159

составляет 0,142 нм. Графен обладает высокой

прочностью (он в 100 раз прочнее листа стали

аналогичной толщины), теплопроводностью (про-

водит тепло в 10 раз лучше меди), максимальной

подвижностью электронов среди всех известных

материалов. Это делает его перспективным мате-

риалом для наноэлектроники. Рассматривается

возможность замены им кремния в интегральных

микросхемах. В 2010 г. Нобелевская премия по фи-

зике присуждена выходцам из России А.Гейму и

К.Новоселову «за пионерские эксперименты, каса-

ющиеся двухмерного материала графена».

Ярким примером использования физических

эффектов на практике является создание и разви-

тие ядерной энергетики, возникновение которой

связано с крупными достижениями ядерной физи-

ки. К началу сороковых годов ХХ в. работами мно-

гих ученых – Э.Ферми, О.Гана, Ф. Штрассмана,

О.Фриша, Л.Мейтнер, Г.Н.Флерова, К.Н.Петржака –

было установлено, что при облучении урана

нейтронами образуются элементы из середины

таблицы Менделеева (лантан и барий). Так были

открыты реакции деления тяжелых ядер. Деление

ядер сопровождается выделением большого коли-

чества энергии, которая распределяется между

осколками (вновь образовавшимися ядрами и

нейтронами). При делении одного ядра урана вы-

деляется примерно 240 МэВ энергии. Деление ядер

сопровождается испусканием двух-трех вторичных

нейтронов. Испускаемые при делении ядер вторич-

ные нейтроны способны вызвать новые акты деле-

ния, что делает возможным осуществление цепных

ядерных реакций, в которых частицы, вызывающие

их, образуются и как продукты этих реакций.

Устройства, в которых осуществляется и под-

держивается управляемая цепная ядерная реакция

деления, называются ядерными реакторами. Пер-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 160: 559.физика в системе наук  учебное пособие

160

вый ядерный реактор был запущен в 1942 г. в США

под руководством Э.Ферми, в СССР – в 1946 г. под

руководством И.В.Курчатова. Ядерные реакторы

являются основой ядерной энергетики, в которой

источником получаемой полезной энергии является

ядерная энергия. Она преобразуется в электриче-

скую и тепловую на атомных электрических уста-

новках: атомных электростанциях (АЭС), атомных

теплоэлектроцентралях (АТЭЦ) и атомных станциях

теплоснабжения (АСТ).

Первая атомная электростанция (мощностью 5

МВт), положившая начало использованию ядерной

энергии в мирных целях, была пущена в СССР в

1954 (г. Обнинск Калужской области). В 1956 г. в

Колдер-Холле (Великобритания) была введена в

эксплуатацию АЭС мощностью 46 МВт. Через год

вступила в строй АЭС мощностью 60 МВт в Шип-

пингпорте (США). В 1958 г. была введена в экс-

плуатацию 1-я очередь Сибирской АЭС мощностью

100 МВт. На протяжении многих лет научные и

технические проблемы ядерной энергетики в СССР

разрабатывались акад. А.П.Александровым в Ин-

ституте атомной энергии им. И.В.Курчатова. Под

его научным руководством были построены мощ-

ные атомные электростанции, водо-водяные реак-

торы, первый в мире атомный ледокол «Ленин».

К началу 90-х гг. в 27 странах мира работало

свыше 430 ядерных энергетических реакторов об-

щей мощностью около 340 ГВт. По грубым оценкам

в настоящее время доля АЭС в общемировом про-

изводстве энергии составляет 5%. Ядерный сектор

экономики наиболее значителен в промышленно

развитых странах, где недостаточно природных

энергоресурсов – во Франции, Японии, Швеции и

др. Во Франции до 80% электроэнергии произво-

дится на АЭС, на Украине – до 50%, в США –

12,5%. В России в 2008 г. на АЭС выработано 170

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 161: 559.физика в системе наук  учебное пособие

161

млрд кВт-ч электроэнергии. Крупнейшая в мире

АЭС находится в городе Касивадзаки префектуры

Ниигата (Япония). На ней установлены 7 кипящих

ядерных реакторов, суммарная мощность которых

составляет 8,212 ГВт.

Преимуществом АЭС по сравнению с тепловыми

электростанциями является небольшой объем ис-

пользуемого топлива. Реактор ВВЭР-1000 за 1-1,5

года использует тепловыделяющие сборки с ура-

ном массой 41 т. Троицкая ГРЭС мощностью 2000

МВт за сутки сжигает два железнодорожных соста-

ва угля. Вторым преимуществом АЭС является ее

относительная экологическая чистота. Тепловые

электростанции на 1000 МВт установленной мощ-

ности ежегодно выбрасывают в атмосферу вредные

вещества (сернистый газ, оксиды азота и углерода,

углеводороды, альдегиды, золовую пыль) в объеме

до 13 000 т. на газовых станциях и до 165 000 т на

пылеугольных. На АЭС эти выбросы отсутствуют.

ТЭС мощностью 1000 МВт ежегодно потребляет 8

миллионов тонн кислорода для сжигания топлива.

АЭС не потребляют кислорода вообще. Из-за со-

держания в угле природных радиоактивных ве-

ществ удельная активность выбросов ТЭС в не-

сколько раз выше, чем на АЭС.

К недостаткам АЭС относятся повышенное теп-

ловое загрязнение окружающей среды, трудности с

захоронением и хранением радиоактивных отхо-

дов, тяжелые последствия возможных аварий, со-

провождающихся выбросами радиоактивных ве-

ществ, проблемы, связанные с ликвидацией АЭС

после выработки ими ресурса.

Несмотря на эти недостатки, по прогнозам спе-

циалистов, доля ядерной энергетики в общей

структуре выработки электроэнергии в мире будет

непрерывно возрастать при условии реализации

основных принципов концепции безопасности

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 162: 559.физика в системе наук  учебное пособие

162

атомных электростанций. Главные принципы этой

концепции — существенная модернизация совре-

менных ядерных реакторов, усиление мер защиты

населения и окружающей среды от вредного техно-

генного воздействия, подготовка высококвалифи-

цированных кадров для атомных электростанций,

разработка надежных хранилищ радиоактивных

отходов и др.

В настоящее время потребление энергии в мире

составляет около 16 ТВт. По прогнозам Междуна-

родного агентства по энергетике, к 2030 г. потреб-

ление энергии возрастет на 50%. 80% потребляе-

мой миром энергии сейчас удовлетворяется за счет

сжигания ископаемого топлива, извлекаемые запа-

сы которого могут быть израсходованы в течение

ближайших 50 – 100 лет. Поэтому уже сейчас че-

ловечество должно готовиться к исчерпанию иско-

паемого топлива и искать пути его замены. Запасы

дешевого природного урана также могу быть из-

расходованы в течение 50 лет. Возможности энер-

гетики, основанной на реакциях деления ядер, мо-

гут быть расширены за счет создания реакторов,

использующих торий (ториевые бридерные реакто-

ры), а также создания плутониевых реакторов-

размножителей на быстрых нейтронах.

Управляемый термоядерный синтез, основой ко-

торого являются термоядерные реакции, потенци-

ально представляет собой неистощимый источник

энергии, является экологически и экономически

перспективным направлением энергетики будуще-

го. Для управляемого термоядерного синтеза

наиболее важной представляется реакция слияния

ядер дейтерия и трития с образованием ядра гелия

и выделением 17,6 МэВ энергии на один акт синте-

за. Для инициирования реакции синтеза необходи-

мо нагреть смесь дейтерия и трития до температу-

ры более 100 млн градусов. При этой температуре

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 163: 559.физика в системе наук  учебное пособие

163

смесь представляет собой полностью ионизирован-

ную плазму, возникает проблема удержания плаз-

мы и эффективной термоизоляции ее от стенок ра-

бочего объема. В 1950 г. академики И.Е.Тамм и

А.Д.Сахаров предложили идею удержания и тер-

моизоляции плазмы сильным магнитным полем

специальной конфигурации, создаваемым в торои-

дальной камере магнитными катушками. Эта идея

была положена в основу конструкции термоядер-

ных установок, получивших название токамаков

(сокращение от «тороидальная камера с магнитны-

ми катушками»).

Первые экспериментальные исследования этих

систем в СССР начались в 1956 г. под руководством

акад. Л.А.Арцимовича. Началом современной эпохи

в изучении термоядерного синтеза следует считать

1969 г., когда на российской термоядерной уста-

новке «Токамак-3» в плазме объемом 1 м3 была до-

стигнута температура 3 млн К. В 1975 г. в Институ-

те атомной энергии была запущена крупнейшая в

мире термоядерная установка «Токамак-10», в ко-

торой была получена плазма с температурой 7-8

млн К. в объеме 5 м3. В настящее время на суще-

ствующих установках типа токамак достигнуты

температуры порядка 150 млн К (европейская

установка JET – Joint Europpean Torus). С 1988 г.

СССР (с 1992 г. – Россия), США, странами Европы и

Японией совместно разрабатывается проект Меж-

дународного термоядерного экспериментального

реактора - токамака ITER, который должен стать

первой крупномасштабной энергетической уста-

новкой, рассчитанной на длительную эксплуата-

цию. Мощность реактора должна составлять не ме-

нее 500 МВт. Запуск реактора планируется осуще-

ствить в 2018 г., а получение водородно-

дейтериевой плазмы – в 2026 г.

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 164: 559.физика в системе наук  учебное пособие

164

В настоящее время роль физики и других есте-

ственных наук должна возрастать. При интенсив-

ном развитии новых сложных процессов и техноло-

гий физика все чаще выступает по отношению к

технологии не только как ее естественно-научное

обоснование, но и как повседневный рабочий ин-

струмент. Растет насыщенность производства фи-

зическими методами контроля, расширяются мас-

штабы использования в технике и технологиях но-

вых физических эффектов и явлений, нанотехно-

логий. Увеличение наукоемкости приближает ин-

женерные теории к физическим. В настоящее вре-

мя не может быть выдающихся технических реше-

ний без использования фундаментальных откры-

тий.

Можно привести еще много примеров исполь-

зования достижений физики в технике. Но и техни-

ка, и практика оказывают влияние на физику и ее

развитие. Практика, техника ставят перед физикой

определенные задачи и тем самым побуждают ее к

новым исследованиям, двигают физику вперед.

Известный русский ученый Н.А.Умов писал:

«… история наук показывает, что уста-

новлением своих основных истин и – ча-

стью – своим дальнейшим ростом они обя-

заны запросам жизни. Геометрия вышла из

потребности съемки планов, возведения

зданий и т.п.; механика – из потребности

перемещать значительные тяжести, ограж-

дать себя о нападения врагов. Точные ис-

следования свойств газов вышли из по-

требности усовершенствовать паровую ма-

шину. Потребность в передаче мыслей на

расстояние, в освещении, в передаче сил и

т.д. послужила быстрому развитию наших

знаний об электричестве».

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 165: 559.физика в системе наук  учебное пособие

165

Вместе с тем техника вносит свой вклад в инду-

стриализацию физики, создавая необычайно мощ-

ные и громадные по размерам экспериментальные

физические установки и приборы, позволяющие

физикам проводить исследования в условиях, ко-

торые ранее им были недоступны. Без развития

электротехники, электроники, радиотехники, тех-

нологии производства сверхчистых материалов бы-

ло бы невозможно создание таких устройств как

ускорители элементарных частиц, огромные пу-

зырьковые и искровые камеры, полупроводнико-

вые приборы и т.д. Благодаря современным техни-

ческим устройствам ученые могут работать в широ-

ком интервале температур (от близких к абсолют-

ному нулю до десятков миллионов градусов), в ши-

роком интервале давлений (от 10-15 атмосфер до

миллионов атмосфер). Ученые могут изучать про-

цессы длительностью в миллиардные доли секун-

ды, измерять расстояния с точностью до 10-12 м,

наблюдать объекты при увеличении в десятки мил-

лионов раз. Это взаимное обогащение техники фи-

зикой и физики техникой приводит к получению

новых фундаментальных результатов в физике и

появлению новых разделов физики и новых науч-

ных направлений, а в технике – к возникновению

новых технологий и новых технических отраслей.

Физика не только обеспечивает технологиче-

ский прогресс, но и формирует менталитет инже-

нера, особый тип рационального мышления. Кри-

тически–аналитическая рациональность, свой-

ственная физическому знанию, важна для мировоз-

зренческой ориентации современного инженера.

Она приучает инженера к относительности систем

отсчета и суждений, к уяснению ограниченности и

модельности наших представлений о мире, к новым

представлениям об объективности научного зна-

ния, к пониманию дополнительности и альтерна-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 166: 559.физика в системе наук  учебное пособие

166

тивности как природных, так и социальных фено-

менов. Инженеру необходимо систематическое

знакомство с методами физического моделирова-

ния как специфической формой научного мышле-

ния и познания окружающего мира. Физическое

моделирование приучает к анализу и учету усло-

вий функционирования объекта, к необходимости

сопоставления теоретических построений с дей-

ствительностью, к относительности области приме-

нения тех или иных моделей, а также к абстраги-

рованию и формализации информации.

Достижения неклассической физики определя-

ют направление и темпы развития техники, откры-

тие новых источников энергии, создание новых ма-

териалов с наперед заданными характеристиками.

В то же время они влияют на развитие общества в

целом, на философские установки ученых и инже-

неров, ставят вопрос моральной ответственности в

научной и технической сфере. Нынешнюю стадию

развития индустриального общества часто назы-

вают «обществом риска». Риск становится атрибу-

том современного нестабильного социума. Степень

его неопределенности и неустойчивости начала

расти с тех пор, как скорость развития технологий

стала превышать скорость осознания человеческим

обществом причин и особенно последствий этого

развития. Наше общество можно назвать обще-

ством опасностей и катастроф, причем основные

опасности сегодня зависят не от природы, а от

действий и решений, принятых или не принятых

человеком. Риск часто непосредственно связан с

опасностями современных технологий, которые

угрожают планетарной цивилизации; сегодня тех-

нико-экологические риски приобретают первосте-

пенное значение. В XXI веке человечеству пред-

стоит создать новую культуру взаимоотношений с

природой. Экологические представления проника-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 167: 559.физика в системе наук  учебное пособие

167

ют во все сферы жизни и являются фактором, объ-

единяющим человечество перед угрозой глобаль-

ных катастроф. Экологическое образование стано-

вится неотъемлемой частью подготовки инженера.

И здесь естественно-научное мировоззрение, за-

кладывающее базу знаний о закономерностях про-

исходящих в природе явлений, становится неисся-

каемым источником новых творческих решений

эколого-сберегающих технических задач.

Нерешенные проблемы физики

Несмотря на огромные успехи, достигнутые фи-

зикой в раскрытии закономерностей окружающего

нас мира на всех структурных уровнях организации

материи, многие физические проблемы на сего-

дняшний день остаются нерешенными. В 1999 г.

академик В.Л.Гинзбург в журнале «Успехи физиче-

ских наук» опубликовал статью «Какие проблемы

физики и астрофизики представляются сейчас осо-

бенно важными и интересными (тридцать лет спу-

стя, причем уже на пороге XXI века)», в которой

перечислил список проблем, которые занимали

особенно важное место в физике и астрофизике на

конец ХХ века. Позже им была опубликована ста-

тья «Какие проблемы физики и астрофизики пред-

ставляются особенно важными и интересными в

начале XXI века». В обеих статьях речь шла о

наиболее важных нерешенных проблемах физики и

астрофизики. Приведем этот список.

1. Управляемый термоядерный синтез.

2. Высокотемпературная и комнатнотемпера-

турная сверхпроводимость.

3. Металлический водород. Другие экзотиче-

ские вещества.

4. Двумерная электронная жидкость (аномаль-

ный эффект Холла и некоторые другие эффекты).

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 168: 559.физика в системе наук  учебное пособие

168

5. Некоторые вопросы физики твердого тела

(гетероструктуры в полупроводниках, квантовые

ямы и точки, переходы металл-диэлектрик, волны

зарядовой и спиновой плотности, мезоскопика).

6. Фазовые переходы второго рода и родствен-

ные им. Некоторые примеры таких переходов.

Охлаждение (в частности, лазерное) до сверхниз-

ких температур. Бозе-эйнштейновская конденсация

в газах.

7. Физика поверхности. Кластеры.

8. Жидкие кристаллы. Сегнетоэлектрики. Фер-

ротороики.

9. Фуллерены. Нанотрубки.

10. Поведение вещества в сверхсильных маг-

нитных полях.

11. Нелинейная физика. Турбулентность. Соли-

тоны. Хаос. Странные аттракторы.

12. Разеры, гразеры, сверхмощные лазеры.

13. Сверхтяжелые элементы. Экзотические яд-

ра.

14. Спектр масс элементарных частиц. Кварки и

глюоны. Квантовая хромодинамика. Кварк-

глюонная плазма.

15. Единая теория слабого и электромагнитного

взаимодействия. W±- и Z0- бозоны. Лептоны. 16. Стандартная модель. Великое объединение.

Суперобъединение. Распад протона. Масса нейтри-

но. Магнитные монополи.

17. Фундаментальная длина. Взаимодействие

частиц при высоких и сверхвысоких энергиях. Кол-

лайдеры.

18. Несохранение СР-инвариантности.

19. Нелинейные явления в вакууме и в сверх-

сильных электромагнитных полях. Фазовые пере-

ходы в вакууме.

20. Струны. М-теория.

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 169: 559.физика в системе наук  учебное пособие

169

21. Экспериментальная проверка общей теории

относительности.

22. Гравитационные волны, их детектирование.

23. Космологическая проблема. Инфляция.

член и «квинтэссенция» (темная энергия).

Связь между космологией и физикой высоких энер-

гий.

24. Нейтронные звезды и пульсары. Сверхно-

вые звезды.

25. Черные дыры. Космические струны.

26. Квазары и ядра галактик. Образование га-

лактик.

27. Проблема темной материи (скрытой массы)

и ее детектирование.

28. Происхождение космических лучей со

сверхвысокой энергией.

29. Гамма-всплески. Гиперновые.

30. Нейтринная физика и астрономия. Нейтрин-

ные осцилляции.

Разумеется, проблемы современной физики не

сводятся только к перечисленным. Свои нерешен-

ные задачи есть во всех областях физики. В част-

ности, одной из важнейших проблем физики явля-

ется изучение структуры и свойств полимеров, в

том числе и биополимеров, к которым относятся

белки. В списке В.Л.Гинзбурга половина проблем

относится к физике элементарных частиц, астро-

физике и космологии. Академик В.А.Рубаков в од-

ной из своих лекций отмечал:

«Естествознание сейчас находится в

начале нового, необычайно интересного

этапа развития. Он замечателен прежде

всего тем, что наука о микромире – физика

элементарных частиц – и наука о Вселен-

ной – космология – становятся единой

наукой о фундаментальных свойствах

окружающего нас мира. Различными мето-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 170: 559.физика в системе наук  учебное пособие

170

дами они отвечают на одни и те же вопро-

сы: какой материей наполнена наша Все-

ленная сегодня? Какова была её эволюция

в прошлом? Какие процессы, происходящие

между элементарными частицами в ранней

Вселенной, привели в конечном итоге к её

современному состоянию? Если сравни-

тельно недавно обсуждение такого рода

вопросов останавливалось на уровне гипо-

тез, то сегодня имеются многочисленные

экспериментальные и наблюдательные

данные, позволяющие получать количе-

ственные ответы на эти вопросы».

Учитывая наличие у окружающего нас мира

бесконечного множества структурных уровней и

сторон, можно с уверенностью отвергать скептиче-

ские утверждения некоторых ученых о том, что век

физики завершается. Интерес представляет выска-

зывание академика РАН В.А.Черешнева:

«ХХ век был веком физики. Но боль-

шинство мировых экспертов считают, что

ХХI век будет веком биологии, веком био-

технологии. Наверное, это так, потому что

биология сейчас вступила в интересный

период - период пост-генома, когда решены

задачи на уровне генома, и сейчас необхо-

димо искать, выделять и внедрять так

называемые «функциональные гены».

Технология, связанная с генной, белковой

и клеточной инженерией, привела уже к

громадным успехам. Появляются новые

продукты в сельском хозяйстве, трансген-

ные животные и растения. Создаются но-

вые лекарства. Изменяются продукты пита-

ния. Все это так. Но мне все-таки кажется,

что не только биология будет «царицей

наук» в ХХI веке. Главное – интеграция,

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 171: 559.физика в системе наук  учебное пособие

171

сочетание, объединение наук. Это, прежде

всего, микроэлектроника, оптоэлектроника,

искусственный интеллект и программы,

связанные с биоразнообразием. И самое

главное – гуманизация всего общества, без

которой само существование человечества

оказывается под вопросом».

Бесконечность мира во времени и безгранич-

ность в пространстве, структурная и качественная

неисчерпаемость, бесконечное разнообразие

свойств материи дают право утверждать, что пред-

мет физики потребует от ученых еще много усилий

для познания его закономерностей. Неисчерпае-

мость материального мира обусловливает уверен-

ность и в том, что физика не утратит своего значе-

ния и для других естественных наук, использую-

щих физические данные, приемы, способы для ис-

следования своих объектов. Следовательно, физи-

ка будет жить и развиваться, пока существует и

развивается окружающий нас материальный мир

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 172: 559.физика в системе наук  учебное пособие

172

ПЕРСОНАЛИИ

АЛЕКСАНДРОВ А.П. (1903 – 1994) – совет-

ский физик, академик, трижды Герой социалисти-

ческого труда, директор Института атомной энер-

гии им. И.В.Курчатова (с 1960 г.), президент АН

СССР (1975 – 1986 гг.). Научные работы посвяще-

ны ядерной физике, физике твердого тела, физике

полимеров, ядерному реакторостроению. Разрабо-

тал статистическую теорию прочности, один из со-

здателей физики полимеров. В годы Великой Оте-

чественной войны разработал метод противомин-

ной защиты кораблей. Один из создателей совет-

ской атомной науки и техники. Разрабатывал науч-

ные и технические проблемы ядерной энергетики.

Под его научным руководством построены мощные

атомные электростанции, водо-водяные реакторы,

первый в мире атомный ледокол «Ленин».

АЛФЕРОВ Ж.И. (род. в 1930 г.) – российский

физик, лауреат Нобелевской премии (2000г.), ака-

демик РАН, вице-президент РАН, директор Физико-

технического института имени А.Ф.Иоффе, депутат

Государственной Думы Российской Федерации. Ав-

тор фундаментальных работ в области физики по-

лупроводников, полупроводниковых приборов,

квантовой электроники. Участвовал в создании

отечественных транзисторов, фотодиодов, герма-

ниевых выпрямителей высокой мощности. Осново-

положник нового направления в физике полупро-

водников и полупроводниковой электронике – по-

лупроводниковые гетероструктуры и приборы на

их основе. Обнаружил явление сверхинжекции в

гетероструктурах.

АРИСТОТЕЛЬ (384 – 322 до н.э.) – древнегре-

ческий философ и ученый-энциклопедист, в своих

работах охватил почти все известные в то время

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 173: 559.физика в системе наук  учебное пособие

173

области знания; его идеи в философии, логике,

физике, биологии, риторике, теории искусства и

др. оказали огромное влияние на развитие мировой

философии и науки. Основоположник формальной

логики. В своих работах систематизировал огром-

ный естественно-научный материал своих предше-

ственников и свои наблюдения. В трактатах «Фи-

зика», «Механика», «О небе» и других изложил

свои представления о природе. Исследования Ари-

стотеля относятся к механике, акустике, оптике,

космологии. Физика Аристотеля, основанная на

принципе целесообразности, содержала отдельные

правильные положения, но отрицала прогрессив-

ные идеи атомизма и гелиоцентризма, высказанные

его предшественниками. Космология Аристотеля, в

основе которой лежала идея геоцентризма, господ-

ствовала в науке до Коперника. Основными эле-

ментами или стихиями Аристотель считал землю,

воздух, воду, огонь и эфир. Учение Аристотеля бы-

ло выхолощено и канонизировано церковью и

вплоть до XV – XVI вв. тормозило дальнейшее раз-

витие науки.

АРЦИМОВИЧ Л.А. (1909 – 1973) – советский

физик, академик АН СССР, Герой Социалистическо-

го Труда. Основные научные работы в области

атомной и ядерной физики, управляемых термо-

ядерных реакций. Разработал метод электромаг-

нитного разделения изотопов. Исследовал процес-

сы взаимодействия быстрых электронов с веще-

ством. Руководил исследованиями по физике высо-

котемпературной плазмы и проблеме управляемого

термоядерного синтеза в СССР. Вместе с сотрудни-

ками открыл нейтронное излучение высокотемпе-

ратурной плазмы. Под его руководством проводи-

лись работы на термоядерных установках «Тока-

мак», завершившиеся получением физической тер-

моядерной реакции. На установке «Токамак-4» бы-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 174: 559.физика в системе наук  учебное пособие

174

ли зарегистрированы первые термоядерные

нейтроны (1968).

БАРДИН Дж. (1908 – 1991) – американский

физик, дважды лауреат Нобелевской премии

(1956, 1972). Основные научные работы посвяще-

ны физике твердого тела и сверхпроводимости.

Вместе с У.Браттейном открыл в 1948 г. транзи-

сторный эффект и создал первый полупроводнико-

вый транзистор (Нобелевская премия 1956 г.). В

1957 г. совместно с Л.Купером и Дж.Шриффером

построил микроскопическую теорию сверхпрово-

димости (Нобелевская премия 1972 г.).

БАСОВ Н.Г. (1922 – 2001) – российский фи-

зик, лауреат Нобелевской премии (1959 г.), два-

жды Герой Социалистического труда, академик

РАН, один из создателей квантовой электроники.

Научные работы в различных областях квантовой

радиофизики и ее применений. Открыл принцип

генерации и усиления излучения квантовыми си-

стемами, разработал физические основы стандар-

тов частоты, выдвинул ряд идей в области созда-

ния полупроводниковых лазеров, разработал ла-

зерный метод нагрева плазмы для управляемого

термоядерного синтеза, выполнил ряд исследова-

ний по мощным газовым и химическим лазерам. В

1954 г. вместе с А.М.Прохоровым построил первый

квантовый генератор на пучке молекул аммиака

(Нобелевская премия 1959 г. совместно с

А.М.Прохо-ровым и Ч.Таунсом).

БЛОХИНЦЕВ Д.И. (1908 – 1979) – советский

физик-теоретик, член-корреспондент АН СССР.

Научные работы посвящены физике полупроводни-

ков, акустике, квантовой механике, ядерной физи-

ке, теории ядерных реакторов, физике элементар-

ных частиц, методологии современной физики.

Разработал методы расчета реакторов на медлен-

ных, промежуточных и тепловых нейтронах. Вы-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 175: 559.физика в системе наук  учебное пособие

175

двинул идею импульсного реактора на быстрых

нейтронах. Руководил сооружением первой в мире

атомной электростанции в Обнинске, возглавлял

работы по проектированию и сооружению реактора

на быстрых нейтронах. Был первым директором

Объединенного института ядерных исследований в

Дубне (1956 г.).

БЛЮМЕНФЕЛЬД Л.А. (1921 – 2002) - россий-

ский биофизик и физико-химик, доктор химических

наук. Исследовал механизм фотосинтеза и фермен-

тативного катализа. Заложил основы нового науч-

ного направления – применение электронного па-

рамагнитного резонанса для исследования биоло-

гических объектов. Изучал структурные перестрой-

ки белков, связанные с их функционированием в

качестве катализаторов биохимических реакций,

разработал концепцию ферментативного катализа

и преобразования энергии в биологических систе-

мах.

БОЗЕ Ш. (1894 – 1974) – индийский физик.

Один из создателей квантовой статистики частиц с

целым спином – так называемых бозонов (стати-

стика Бозе-Эйнштейна), теории конденсата Бозе-

Эйнштейна. Применив свою статистику к фотонам,

вывел формулу Планка для теплового излучения

абсолютно черного тела.

БОЙЛЬ Р. (1627 – 1691) – английский физик и

химик. Физические исследования посвящены изу-

чению световых и электрических явлений, гидро-

статике, акустике, теплоте. Открыл закон измене-

ния давления воздуха при изменении его объема

(закон Бойля-Мариотта). Сторонник атомистиче-

ской гипотезы. Сформулировал понятие химиче-

ского элемента, ввел в химию экспериментальный

метод.

БОЛЬЦМАН Л. (1844 – 1906) – австрийский

физик-теоретик, один из основоположников стати-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 176: 559.физика в системе наук  учебное пособие

176

стической физики, физической кинетики и термо-

динамики. Вывел основное уравнение кинетиче-

ской теории газов, закон распределения газовых

молекул по импульсам и координатам. Связал эн-

тропию физической системы с вероятностью ее со-

стояния, доказал статистический характер второго

начала термодинамики. Сформулировал Н-теорему,

положенную в основу теории необратимых процес-

сов. Применив к излучению принципы термодина-

мики, теоретически открыл закон теплового излу-

чения. Из термодинамических соображений пред-

положил существование давления света. Известен

своими работами по философии и методологии

науки.

БОР Н. (1885 – 1962) – датский физик-

теоретик, лауреат Нобелевской премии (1922 г.),

создал первую квантовую теорию атома, один из

основоположников квантовой механики, внес

большой вклад в развитие теории атомного ядра и

ядерных реакций, процессов взаимодействия эле-

ментарных частиц со средой; ему принадлежат

большие заслуги в философском истолковании

квантовой механики; сформулировал принципы со-

ответствия и дополнительности, имеющие важное

методологическое значение. Основатель большой

школы физиков.

БОР О. (1922 – 2009) – датский физик-

теоретик. Научные работы относятся к теории ядра

и сверхпроводимости. Совместно с Б.Моттельсоном

разработал коллективную (обобщенную) модель

ядра (Нобелевская премия по физике, 1975 г.).

БОРН М. (1882 – 1970) – немецкий физик-

теоретик, лауреат Нобелевской премии (1954 г.),

один из основателей квантовой механики. Основ-

ные научные работы посвящены динамике энергии

кристаллической решетки, термодинамике кри-

сталлов, кинетической теории конденсированных

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 177: 559.физика в системе наук  учебное пособие

177

газов и жидкостей, теории относительности, атом-

ной физике. Совместно с В.Гейзенбергом и

П.Иорданом разработал матричную квантовую ме-

ханику. Дал статистическое толкование волновой

функции. Предложил способ расчета электронных

оболочек атома, разработал метод решения кван-

товомеханических задач о столкновении частиц,

основанный на теории возмущений. Автор много-

численных книг по философским проблемам науки.

БРАТТЕЙН У. (1902 – 1987) – американский

физик, лауреат Нобелевской премии (1956). Науч-

ные работы посвящены физике и технике полупро-

водников. Совместно с Дж.Бардиным открыл в 1948

г. транзисторный эффект и построил первый полу-

проводниковый транзистор.

БРОЙЛЬ Луи де (1892 – 1987) – французский

физик, лауреат Нобелевской премии (1929 г.),

один из создателей квантовой механики, автор

идеи о волновых свойствах материи (волны де

Бройля). Автор работ по релятивистской квантовой

механике, строению ядра, распространению волн в

волноводах.

БРОНШТЕЙН М.П. (1906 – 1938) – советский

физик-теоретик. Работы в области релятивистской

квантовой теории, астрофизики, космологии и тео-

рии гравитации. Автор нескольких научно-

популярных книг по физике.

БРИЛЛЮЭН Л. (1889 – 1969) – французский

физик. Основные научные работы посвящены

квантовой механике (теорема Бриллюэна, формула

Бриллюэна-Вигнера, метод Бриллюэна-Вентцеля-

Крамерса), радиофизике, физике твердого тела,

кибернетике, теории информации, философским

проблемам науки. Предсказал (независимо от

П.Дебая) диффузионное рассеяние рентгеновских

лучей колебаниями кристаллической решетки, яв-

ление рассеяния света в кристаллах (эффект Брил-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 178: 559.физика в системе наук  учебное пособие

178

люэна-Мандельштама), объяснил теорию парамаг-

нетизма. Ввел понятие «запрещенные зоны» в кри-

сталлах, заложил основы зонной теории твердых

тел (совместно с Ф. Блохом).

БУНГЕ М. (род. в 1919 г.) – канадский фило-

соф и физик, специалист в области философии

естествознания, исследователь процессов научного

поиска, интерпретатор достижений физики. Автор

книг «Интуиция и наука», «Философия физики» и

др.

БУТАЕВА Ф.А. (1907 – 1992) – советский фи-

зик. Исследования в области оптики газового раз-

ряда, принимала участие в разработке и освоении

производства люминесцентных ламп. Совместно с

В.А.Фабрикантом и М.М.Вудынским сформулирова-

ла принцип усиления электромагнитного излучения

при прохождении сред с инверсионной заселенно-

стью (идея квантового усилителя).

БЭКОН Ф. (1561 – 1626) – английский фило-

соф, развивал материалистическую традицию в ис-

толковании реальности, обосновал фундаменталь-

ное значение эксперимента и индуктивных обоб-

щений в познании реальности.

ВАЙНБЕРГ С. (род. в 1933 г.) – американский

физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии

(1979 г., совместно с А.Саламом и Ш.Глэшоу).

Научные работы в области физики элементарных

частиц, теории гравитации, космологии. Один из

авторов теории электрослабого взаимодействия

(совместно с А.Саламом и Ш.Глэшоу). Популяриза-

тор науки, автор книги «Мечты об окончательной

теории».

ВАЙСКОПФ В.Ф. (1908 – 2002) – американ-

ский физик-теоретик. Научные работы посвящены

ядерной физике, физике элементарных частиц,

квантовой теории поля, квантовой электродинами-

ке, физике твердого тела. Построил теорию поля-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 179: 559.физика в системе наук  учебное пособие

179

ризации вакуума. Исследовал влияние конечных

размеров ядер на сверхтонкую структуру, предска-

зал кулоновское возбуждение ядер, сформулиро-

вал совместно с другими оптическую и статистиче-

скую модели ядра. Внес существенный вклад в

проблему перенормировок в анализе значений

масс и заряда в квантовой электродинамике.

ВЕЙЛЬ Г. (1885 – 1955) – математик и физик,

член Национальной АН США. Исследования отно-

сятся к теории дифференциальных и интегральных

уравнений, дифференциальной геометрии, теории

групп, математической логике, основаниям матема-

тики, теории относительности, квантовой механи-

ке. Исследовал значение теории групп для разви-

тия квантовой механики.

ВИГНЕР Ю.П. (1902 – 1995) – американский

физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии

(1963 г.). Научные работы посвящены квантовой

механике и электродинамике, ядерной физике,

теории ядерных реакторов, физике элементарных

частиц. Широко использовал идеи симметрии и

теории групп в теоретической физике. Ввел поня-

тие четности волновой функции, сформулировал

закон сохранения четности. Сформулировал закон

сохранения изотопического спина в нуклон-

нуклонных взаимодействиях и закон сохранения

барионного заряда.

ВИНЕР Н. (1894 – 1964) – американский ма-

тематик. Автор трудов по математическому анализу

(ряды и интегралы Фурье, теория потенциала,

обобщенный гармонический анализ, квазианалити-

ческие функции и др.), теории вероятностей и ста-

тистике, электрическим сетям и вычислительным

машинам. Создал стройную теорию случайных про-

цессов, сформулировал проблему спектрального

синтеза. Основоположник кибернетики – науки об

управлении, связи и обработке информации в тех-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 180: 559.физика в системе наук  учебное пособие

180

нике, живых организмах и человеческом обществе.

Разработал общие принципы построения и функци-

онирования управляющих систем, показал решаю-

щую роль информации во всех этих системах вне

зависимости от их природы. Рассматривал мир как

вероятностно-статистическую систему.

ГАЛИЛЕЙ Г. (1564 – 1642) – выдающийся ита-

льянский физик и астроном, один из основателей

точного естествознания. Оказал значительное вли-

яние на развитие физики. Сформулировал принцип

относительности для прямолинейного и равномер-

ного движения и принцип постоянства ускорения

силы тяжести. Установил закон инерции, законы

свободного падения, движения тела по наклонной

плоскости и тела, брошенного под углом к горизон-

ту, открыл закон сложения движений. Изобрел

первый термометр, маятниковые часы. Проводил

исследования в области гидростатики и прочности

материалов. Построил первый телескоп, с помощью

которого исследовал поверхность Луны, открыл

фазы у Венеры, пятна на Солнце, спутники у Юпи-

тера, установил, что Млечный Путь состоит из

множества звезд. В «Диалоге о двух главнейших

системах мира» (1632) отстаивал гелиоцентриче-

скую систему мира, за что подвергся преследова-

нию церкви.

ГАМОВ ДЖ. (1904 – 1968) – американский

физик-теоретик российского происхождения.

Научные работы посвящены квантовой механике,

атомной и ядерной физике, астрофизике, космоло-

гии, биологии и истории физики. Существенный

вклад внес в теории альфа- и бета-распадов. Зна-

чительных успехов достиг в астрофизике и космо-

логии. Широко использовал ядерную физику для

интерпретации звездной эволюции. Первым начал

рассчитывать модели звезд с термоядерными реак-

циями, исследовал эволюционные треки звезд,

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 181: 559.физика в системе наук  учебное пособие

181

предложил модель оболочки красного гиганта, ис-

следовал роль нейтрино при вспышках новых и

сверхновых звезд. Разработал теорию образования

химических элементов путем последовательного

нейтронного захвата, выдвинул теорию «горячей»

Вселенной. Предложил механизм звездного кол-

лапса. Впервые четко поставил проблему генетиче-

ского кода.

ГАН О. (1879 – 1968) – немецкий радиохимик

и физик, лауреат Нобелевской премии по химии,

1944 г.). Основные работы в области ядерной фи-

зики и ядерной химии, открыл ряд радиоактивных

элементов, явление ядерной изомерии у естествен-

ных радиоактивных элементов. Совместно с

Ф.Штрассманном открыл явление деления ядер

урана нейтронами.

ГАУДСМИТ С.А. (1902 – 1978) – американский

физик-теоретик. Научные работы относятся к кван-

товой механике, атомной и ядерной физике, теории

ядра. В 1925 г. вместе с Дж.Уленбеком ввел поня-

тие спина электрона.

ГЕГЕЛЬ Г.В.Ф. (1770 – 1831) – выдающийся

немецкий философ, представитель немецкой клас-

сической философии, создатель систематической

теории диалектики на основе объективного идеа-

лизма. Сформулировал основные законы диалекти-

ки. Много внимания уделял истории духовной

культуры. С помощью диалектического метода кри-

тически переосмыслил все сферы современной ему

культуры.

ГЕДЕЛЬ К. (1906 – 1978) – австрийский логик

и математик, доказал теорему о неполноте богатых

формальных систем: в таких системах имеются

правильно построенные предложения, которые в

рамках этих систем не могут быть ни доказаны, ни

опровергнуты.

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 182: 559.физика в системе наук  учебное пособие

182

ГЕЙЗЕНБЕРГ В. (1901 – 1976) – немецкий фи-

зик-теоретик, лауреат Нобелевской премии (1932

г.), один из создателей квантовой механики, сфор-

мулировал соотношение неопределенностей, огра-

ничивающее применение к микрообъектам класси-

ческих представлений и понятий. Автор работ по

структуре атомного ядра, по релятивистской кван-

товой механике и единой теории поля, магнетизму,

теории элементарных частиц, один из авторов про-

тонно-нейтронной модели ядра; автор большого

количества работ по проблемам философии и ме-

тодологии науки.

ГЕЙМ А.А. (род. в 1958 г.) – физик, профессор

Манчестерского университета (Великобритания),

лауреат Нобелевской премии по физике (2010 г).

Окончил Московский физико-технический инсти-

тут.

ГЕППЕРТ-МАЙЕР М. (1906 – 1972) - амери-

канский физик-теоретик. Научные работы относят-

ся к ядерной физике, квантовой механике, теории

кристаллической решетки, статистической механи-

ке, физической химии. Предсказала и разработала

теорию двойного бета-распада. Разработала неза-

висимо от Х.Йенсена оболочечную модель ядра

(Нобелевская премия, 1963 г.).

ГЕРЛАХ В. (1889 – 1979) – немецкий физик-

экспериментатор. Научные исследования посвяще-

ны атомной и ядерной физике, квантовой теории,

магнетизму. Выполнил опыты по определению по-

стоянной в законе Стефана-Больцмана. В 1922 г.

совместно с О.Штерном экспериментально доказал

наличие магнитного момента у атома. Вывел эмпи-

рические соотношения между удельным электриче-

ским сопротивлением и намагниченностью ферро-

магнетиков во внешнем магнитном поле (формулы

Герлаха).

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 183: 559.физика в системе наук  учебное пособие

183

ГЕРЦ Г.Л. (1887 – 1975) – немецкий физик,

лауреат Нобелевской премии (1925 г.). Научные

работы относятся к спектроскопии, рентгеновским

спектрам поглощения, диффузии, электронной

эмиссии, разрядам в газах, физике плазмы, ультра-

звуку, полупроводникам. Совместно с Д.Франком

выполнил ряд опытов по столкновению электронов

с атомами паров ртути, в которых было доказано

существование в атомах дискретных уровней энер-

гии, что подтверждало квантовые постулаты

Н.Бора (опыт Франка-Герца). Разработал метод

разделения изотопов путем диффузии.

ГЕРЦ Г.Р. (1857 – 1894) – немецкий физик.

Научные работы относятся к электродинамике, од-

ним из основоположников которой он является, и

механике. В 1888 г. экспериментально доказал су-

ществование электромагнитных волн, предсказан-

ных теорией Максвелла. Установил, что скорость

распространения электромагнитных волн равна

скорости света. В 1887 г. открыл внешний фото-

эффект. Занимался исследованием катодных лу-

чей, теорией удара упругих тел.

ГИЛЬБЕРТ Д. (1862 – 1943) – немецкий мате-

матик. Основные исследования относятся к теории

инвариантов, алгебраической геометрии, теории

алгебраических чисел, теории интегральных урав-

нений, математической логике, математической

физике. В книге «Основания геометрии» дал пол-

ную систему аксиом евклидовой геометрии. Сфор-

мулировал 23 важнейшие проблемы математики,

требующие разрешения. В соавторстве с

Р.Курантом опубликовал книгу «Методы математи-

ческой физики».

ГИНЗБУРГ В.Л. (1916 – 2009) – российский

физик, лауреат Нобелевской премии (2003 г.).

Научные работы посвящены квантовой электроди-

намике, физике элементарных частиц, теории из-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 184: 559.физика в системе наук  учебное пособие

184

лучения, оптике, теории конденсированных сред,

физике плазмы, радиоастрономии, астрофизике.

Разработал квантовую теорию эффекта Вавилова-

Черенкова, предсказал переходное излучение.

Совместно с Л.Д.Ландау создал феноменологиче-

скую теорию сверхпроводимости. Построил полу-

феноменологическую теорию сверхтекучести. Раз-

вил теорию магнитотормозного космического ра-

диоизлучения и теорию происхождения космиче-

ских лучей. За пионерский вклад в теорию сверх-

проводимости и сверхтекучести В.Л.Гинзбургу сов-

местно с А.А.Абрикосовым и Э.Д.Леггетом присуж-

дена Нобелевская премия по физике.

ГЛИНЕР Э.Б. (род. в 1923 г.) – российский

ученый, специалист в области физики Солнца, об-

щей теории относительности, космологии. С 1980 г.

работает в США.

ГЛЭШОУ Ш.Л. (род. в 1932 г.) – американский

физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии

(1979 г., совместно с А.Саламом и С.Вайнбергом).

Научные работы посвящены физике элементарных

частиц. Предложил принцип калибровочной инва-

риантности. Один из авторов теории электрослабо-

го взаимодействия (совместно с А.Саламом и

С.Вайнбергом). Предсказал наличие слабых

нейтральных токов между элементарными частица-

ми. Внес существенный вклад в теорию сильного

взаимодействия, введя в употребление четвертый

(очарованный) тип кварков.

ГРИН М. (род. в 1946 г.) – английский физик-

теоретик, 18-й профессор математики им. Лукаса

Кембриджского университета. Научные работы от-

носятся к физике элементарных частиц, квантовой

теории поля, квантовой гравитации. Один из осно-

вателей теории струн.

ГУК Р. (1635 – 1703) – английский физик.

Научные работы относятся к теплоте, упругости,

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 185: 559.физика в системе наук  учебное пособие

185

оптике, небесной механике. Положил начало физи-

ческой оптике. Придерживался волновой теории

света, осуществил опыты по дифракции света, вы-

двинул гипотезу о поперечности световых волн.

Открыл клеточное строение организмов. Независи-

мо от Ньютона пришел к выводу, что сила тяготе-

ния обратно пропорциональна квадрату расстоя-

ния.

ГЮЙГЕНС Х. (1629 – 1695) – голландский фи-

зик, механик, математик и астроном. Сконструиро-

вал первые маятниковые часы, разработал их тео-

рию. Вывел законы столкновения упругих тел. Раз-

работал волновую теорию света, объяснил ряд оп-

тических явлений, открыл поляризацию света. Усо-

вершенствовал телескоп, открыл кольца Сатурна и

спутник Сатурна Титан.

ДЕКАРТ Р. (1596 – 1650) – французский фи-

лософ, физик, математик и физиолог. В математике

первым ввел понятие переменной величины и

функции, заложил основы аналитической геомет-

рии. Ввел метод ортогональных координат, понятие

уравнения кривой. Разработал теорию алгебраиче-

ских уравнений. Физические исследования отно-

сятся к механике, оптике и строению Вселенной. В

«Диоптрике» изложил законы распространения,

отражения и преломления света. В философии был

родоначальником рационализма, один из осново-

положников методологии. Создал общую картину

мира исходя из предположения, что все простран-

ство сплошь заполнено материей, находящейся в

состоянии непрерывного движения. Все процессы в

природе сводил к пространственному перемеще-

нию. Считал, что все физиологические процессы

сводятся к механическому движению, поэтому жи-

вой организм можно представить в виде машины.

ДЕМОКРИТ (460 – около 370 до н.э.) – древ-

негреческий философ, ученый-энциклопедист,

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 186: 559.физика в системе наук  учебное пособие

186

ученик Левкиппа. Главным вкладом Демокрита в

развитие философских идей является учение об

атомах. Развивая идею античных философов о

первоначалах, Демокрит считал первоначалом

предельно мелкие материальные частицы – атомы,

которые нельзя непосредственно ощутить с помо-

щью органов чувств. Атомы неделимы, различают-

ся по величине, форме, находятся в пустом про-

странстве и вечном движении. Вследствие их со-

единения и разъединения возникают и гибнут миры

и вещи. Атомистическая концепция Демокрита ока-

зала большое влияние на историю философской и

научной мысли.

ДЖЕРМЕР Л.Х. (1896 – 1971) – американский

физик. Научные исследования посвящены изуче-

нию термоионных явлений, кристаллов, атомной

физике. В 1927 г. совместно с К.Дэвиссоном от-

крыл дифракцию электронов на монокристалле ни-

келя.

ДИРАК П.А.М. (1902 – 1984) – английский

физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии

(1933 г.), один из создателей квантовой механики.

Научные работы относятся к квантовой механике,

квантовой электродинамике, теории поля и эле-

ментарных частиц, теории гравитации. Разработал

математический аппарат квантовой механики (тео-

рию преобразований, метод вторичного квантова-

ния). Заложил основы квантовой теории излуче-

ния. Построил релятивистскую теорию движения

электрона. Предсказал существование позитрона и

других античастиц. Разработал теорию дырок.

Один из авторов статистики частиц с полуцелым

спином (статистика Ферми-Дирака). Предположил

существование элементарных магнитных зарядов –

монополей Дирака.

ДЭВИССОН К.Д. (1881 – 1958) – американ-

ский физик, лауреат Нобелевской премии (1937

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 187: 559.физика в системе наук  учебное пособие

187

г.). Научные работы относятся к термоэлектронной

и термоионной эмиссии, электронной микроскопии,

тепловому излучению, физике кристаллов. В 1927

г. вместе с Л.Джермером открыл явление дифрак-

ции электронов на монокристалле никеля, что яви-

лось экспериментальным подтверждением теории

де Бройля о волновых свойствах материи.

ДЮГЕМ П. (1861 – 1916) – французский фи-

зик-теоретик и историк науки. Работы в области

термодинамики, гидродинамики, теории упругости,

истории и философии естествознания. Ввел поня-

тие термодинамических потенциалов и скорости

производства энтропии. Отрицал атомистическую

теорию.

ЕВКЛИД (ок. 340 – ок. 287 до н.э.) – древне-

греческий ученый. Является автором первого до-

шедшего до нас трактата по математике («Нача-

ла»), в котором изложены планиметрия, стерео-

метрия и ряд вопросов теории чисел. Является со-

здателем геометрической системы (евклидовой

геометрии), на которой основывается вся класси-

ческая физика. В трактатах «Оптика» и «Катопти-

ка» изложены его оптические исследования.

Сформулировал закон прямолинейного распро-

странения света и закон отражения света. В своих

трудах рассматривал образование тени, получение

изображения с помощью малых отверстий, отраже-

ние от плоских и сферических зеркал. ЗЕЛЬДОВИЧ Я.Б. (1914 – 1987) – советский фи-

зик, академик, трижды Герой Социалистического

Труда. Научные работы посвящены химической

физике, теории горения, физике ударных волн,

физической химии, физике ядра и элементарных

частиц, астрофизике и космологии. Совместно с

Ю.Б.Харитоном заложил основы физики реакторов

и ядерной энергетики, дал расчет ядерного цепно-

го процесса в уране, развил теорию гомогенного

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 188: 559.физика в системе наук  учебное пособие

188

реактора на тепловых нейтронах, рассмотрел кине-

тику реактора. Принимал участие в создании ядер-

ного оружия. В области ядерной физики и физики

элементарных частиц разработал теорию мюонного

катализа, ввел понятия барионного и лептонного

зарядов, предсказал бета-распад заряженных пио-

нов и явление сохранения векторного тока. Полу-

чил ряд фундаментальных результатов в области

астрофизики и космологии (строение сверхмассив-

ных звезд, модель квазаров и ядер галактик, свой-

ства «черных дыр» и методы их поиска, теория ре-

ликтового излучения, нелинейная теория структу-

ры Вселенной и др.). Создал новую отрасль астро-

физики – релятивистскую астрофизику.

ЗЕЛЬМАНОВ А.Л. (1913 – 1987) – советский

математик и астрофизик. Научные работы посвя-

щены космологии, философским проблемам совре-

менного естествознания. Развил релятивистскую

теорию анизотропной неоднородной Вселенной,

разработал математический аппарат хронометриче-

ских и кинематических инвариантов.

ИНФЕЛЬД Л. (1898 – 1968) – польский физик-

теоретик. Научные работы относятся к общей тео-

рии относительности, классической, релятивист-

ской и квантовой теории поля. Вместе с

А.Эйнштейном вывел из общей теории относитель-

ности уравнения движения двойных звезд. Разра-

батывал проблемы релятивистской теории гравита-

ции. Известен как научный публицист и писатель.

ЙЕНСЕН Х. (1907 – 1973) – немецкий физик-

теоретик. Научные работы относятся к теории ядра

и физике твердого тела. Независимо от М.Гепперт-

Майер разработал оболочечную модель ядра (Но-

белевская премия, 1963 г.).

КАРЛОВ Н.В. (род. в 1929 г.) – российский

физик и общественный деятель, член-

корреспондент РАН. Научные работы посвящены

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 189: 559.физика в системе наук  учебное пособие

189

статистической радиофизике, квантовой электро-

нике, парамагнитным мазерам и приемникам ра-

диоизлучения на их основе, молекулярным лазе-

рам, интенсивным резонансным взаимодействиям

излучения с веществом. Ректор Московского физи-

ко-технического института (1987 – 1997).

КЕПЛЕР И. (1571 – 1630) – немецкий астро-

ном, один из творцов небесной механики. Открыл

законы движения планет – законы Кеплера. Был

активным сторонником учения Коперника, своими

работами способствовал его утверждению и разви-

тию. Считал, что Солнце – одна из многочисленных

звезд, причем другие звезды также окружены пла-

нетами. Разработал таблицы, по которым можно

было с высокой точностью вычислить положение

планет для любого момента времени. В оптике со-

здал теорию геометрического построения изобра-

жения. Известен и как конструктор телескопа.

КОЗЫРЕВ Н.А. (1908 – 1983) – советский аст-

роном-астрофизик. Основные научные работы по-

священы физике звезд, исследованию планет и

Луны. Разработал теорию протяженных звездных

атмосфер, теорию солнечных пятен. Обнаружил

молекулярный азот в атмосфере Венеры и водород

в атмосфере Меркурия. Получил спектрограммы

лунного кратера Альфонс, свидетельствующие о

вулканических явлениях на Луне. Предсказал от-

сутствие магнитного поля у Луны. Разработал тео-

рию физических свойств времени – причинную ме-

ханику, согласно которой источником звездной

энергии является текущее время. Научное сообще-

ство признало эту теорию ошибочной.

КОПЕРНИК Н. (1473 – 1543) – выдающийся

польский астроном, создатель гелиоцентрической

системы мира, согласно которой Земля и другие

планеты вращаются вокруг Солнца. Выступил про-

тив многовекового авторитета Аристотеля и Птоле-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 190: 559.физика в системе наук  учебное пособие

190

мея, а также церкви, сделавшей геоцентрическую

систему мира составной частью своего мировоззре-

ния. Научный подвиг Коперника разрушил основы

религиозного мировоззрения средневековья и при-

вел к перевороту в естествознании.

КРИК Ф.Х.К. (1916 – 2004) – английский фи-

зик, работающий в области молекулярной биоло-

гии, лауреат Нобелевской премии (1962 г.). Основ-

ные работы посвящены изучению структуры нук-

леиновых кислот. Предложил совместно с

Дж.Д.Уотсоном модель ДНК в виде двойной спира-

ли, объяснил процесс репликации ее молекул при

делении клеток. Установил основные принципы ге-

нетического кода. Доказал, что группа из трех

нуклеиновых оснований (кодон) определяет при-

роду аминокислоты в синтезируемой молекуле бел-

ка, занимался расшифровкой структуры кодонов.

КУРЧАТОВ И.В. (1903 – 1960) – советский

физик, организатор советской атомной науки и

техники, академик АН СССР, трижды Герой Социа-

листического Труда. Первые научные работы по-

священы физике диэлектриков, сегнетоэлектрикам.

С 1932 г. научные работы посвящены ядерной фи-

зике. Выполнил ряд исследований по нейтронной

физике, совместно с другими открыл явление

ядерной изомерии искусственно радиоактивных

ядер, изучал ядерные реакции, обусловленные

быстрыми и медленными нейтронами. Возглавлял в

СССР исследования по овладению ядерной энерги-

ей. Под его руководством построен и запущен пер-

вый советский уран-графитовый реактор, созданы

атомная и водородная бомбы, введена в строй пер-

вая в мире атомная электростанция, начаты работы

по проблеме управляемого термоядерного синтеза.

ЛАГРАНЖ Ж.Л. (1736 – 1813) – французский

математик и механик. Научные исследования по-

священы механике, геометрии, теории дифферен-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 191: 559.физика в системе наук  учебное пособие

191

циальных уравнений, математическому анализу,

алгебре, теории чисел и другим разделам матема-

тики, теоретической астрономии. В механике вы-

полнил работу по систематизации полученных ра-

нее результатов и их обоснованию. Ввел обобщен-

ные координаты и придал уравнениям движения

новую форму (уравнения Лагранжа). Дал общее

решение задачи колебания струны, построил тео-

рию длинных волн. В математике разработал ос-

новные положения вариационного исчисления, по-

строил формулы остаточного члена ряда Тейлора,

создал теорию условных экстремумов, ввел трой-

ные интегралы, доказал несколько теорем, сфор-

мулированных П.Ферма. Использовал функции

комплексного переменного для решения задач гид-

родинамики. Развил теорию квадратичных форм,

решил неопределенные уравнения второй степени

с двумя неизвестными, разработал общий метод

решения дифференциальных уравнений с частны-

ми производными первого порядка.

ЛАНДСБЕРГ Г.С. (1890 – 1957) – советский

физик, академик. Научные работы посвящены фи-

зической оптике, молекулярной физике и приклад-

ной спектроскопии. Вместе с Л.И.Мандельштамом

открыл явление комбинационного рассеяния света

(независимо и раньше индийского физика

Ч.Рамана), явление селективного рассеяния света

и др. Внес вклад в развитие спектроскопии, созда-

ние спектроскопических приборов. Автор вузовско-

го учебника «Оптика» и трехтомного «Элементар-

ного учебника физики» для школьников.

ЛАНЖЕВЕН П. (1872 – 1946) – французский

физик. Научные работы посвящены теории иониза-

ции газов, квантовой теории, магнетизму и теории

относительности. Разработал термодинамическую и

статистическую теории диа- и парамагнетизма, до-

казал связь диамагнетизма с эффектом Зеемана,

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 192: 559.физика в системе наук  учебное пособие

192

построил теорию эффекта Керра. Принимал актив-

ное участие в развитии теории относительности.

Независимо от А.Эйнштейна установил взаимосвязь

между массой и энергией (1906 г.), первый пришел

к понятию дефекта массы (1913 г.). Используя пье-

зоэффект, разработал метод получения ультразву-

ковых волн, применил его в подводной сигнализа-

ции и для обнаружения подводных лодок. Прини-

мал активное участие в общественной деятельно-

сти и борьбе за мир.

ЛАПЛАС П.С. (1749 – 1827) – французский

астроном, физик и математик. В астрономии объяс-

нил движение тел солнечной системы на основе

закона всемирного тяготения, разработал теорию

возмущения небесных тел, предложил новый спо-

соб вычисления их орбит, доказал устойчивость

солнечной системы в течение очень длительного

времени, предложил гипотезу о происхождении

солнечной системы. Физические исследования от-

носятся к молекулярной физике, теплоте, акустике,

электричеству и оптике. Один из авторов закона

Био-Савара-Лапласа в электродинамике. Автор

концепции детерминизма – необходимого характе-

ра протекания любых процессов в мире. В матема-

тике внес вклад в развитие теории вероятностей,

алгебры, дифференциальных уравнений. Развил

теорию ошибок и метод наименьших квадратов.

ЛЕВКИПП (ок. 500 – 440 до н.э.) – древнегре-

ческий философ. Считается основоположником ан-

тичной атомистики. Ввел в атомистику понятия аб-

солютной пустоты и атомов, движущихся в пустоте.

Полагал, что множества атомов порождают вихри и

затем – миры. Более крупные атомы собираются в

середине Космоса и формируют плоскую землю.

Небесные светила образуются из воспламенивших-

ся атомов. Эти процессы закономерны и необходи-

мы. Сформулировал понятие механической необхо-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 193: 559.физика в системе наук  учебное пособие

193

димости: «Ни одна вещь не возникает беспричин-

но, но все возникает на каком-либо основании в

силу необходимости».

ЛЕЙБНИЦ Г.В. (1646 – 1716) – немецкий ма-

тематик, физик, философ, изобретатель, юрист, ис-

торик, языковед. Основные математические работы

посвящены разработке дифференциального и инте-

грального исчислений (независимо от И.Ньютона).

Заложил основы теории рядов и теории дифферен-

циальных уравнений. Один из основоположников

математической логики. Изучал движение, утвер-

ждал относительность пространства, уточнил поня-

тие силы, ввел в механику понятие живой силы.

Сформулировал принцип наименьшего действия.

Изобрел счетную машину и первый интегрирующий

механизм. Как философ пытался примирить рели-

гию и естествознание, веру и разум, откровение и

философию. Физический мир рассматривал как

несовершенное чувственное выражение истинного

мира неделимых первоэлементов – монад.

ЛЕМ С. (1921 – 2006) – польский писатель-

фантаст, автор большого количества научно-

фантастических произведений («Солярис», «Непо-

бедимый», «Рассказы о пилоте Пирксе» и др.) и

футурологических прогнозов («Фантастика и футу-

рология», «Сумма технологии»). Пытался наметить

маршруты развития современной цивилизации,

предполагая, что она сохранит в будущем техно-

генную основу.

ЛЕНИН В.И. (1970 – 1924) – российский и со-

ветский государственный и политический деятель,

революционер, создатель партии большевиков,

один из организаторов и руководителей Октябрь-

ской революции 1917 г., основатель Советского

государства, председатель Совета Народных Ко-

миссаров РСФСР и СССР. Философ, марксист, пуб-

лицист, основоположник ленинизма. Основные

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 194: 559.физика в системе наук  учебное пособие

194

научные работы посвящены философии и экономи-

ке.

ЛИПСОН Г. – английский физик, профессор

Манчестерского университета. Основная область

исследований – строение твердых тел. Автор книги

«Великие эксперименты в физике».

ЛОРЕНЦ Г.А. (1853 – 1928) – нидерландский

физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии

(1902 г.). Научные работы посвящены многим раз-

делам теоретической физики: электродинамике,

термодинамике, статистической механике, оптике,

теории излучения, квантовой теории, атомной фи-

зике и др. Создатель классической электронной

теории. Дал выражение для силы, действующей со

стороны магнитного поля на движущийся электри-

ческий заряд (сила Лоренца), развил теорию дис-

персии света, разработал основы электродинамики

движущихся сред. Выдвинул гипотезу о сокраще-

нии размеров тел в направлении их движения (ло-

ренцово сокращение), ввел понятие о местном

времени, которое в движущихся телах протекает

иначе, чем в покоящихся. Вывел формулы, связы-

вающие между собой пространственные координа-

ты и моменты времени одного и того же события в

двух различных инерциальных системах отсчета

(преобразования Лоренца). Впервые получил фор-

мулу зависимости массы электрона от скорости.

Предсказал явление расщепления спектральных

линий в сильном магнитном поле (эффект Зеемана)

и разработал его теорию.

ЛЮММЕР О.Р. (1860 – 1925) – немецкий фи-

зик-экспериментатор. Научные работы относятся к

спектроскопии, оптике, внес существенный вклад в

развитие теории теплового излучения. Совместно с

Э.Прингсгеймом установил отклонение от закона

теплового излучения В.Вина в области длинных

волн. Ввел в технику спектроскопии плоскопарал-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 195: 559.физика в системе наук  учебное пособие

195

лельные стеклянные пластинки (пластинки Люмме-

ра-Герке), создал фотометр Люммера-Бродхуна.

МАЙКЕЛЬСОН А.А. (1852 – 1931) - американ-

ский физик, лауреат Нобелевской премии (1907

г.). Основные научные работы в области оптики.

Изобрел интерферометр (интерферометр Майкель-

сона). Осуществил совместно с Э.У.Морли серию

опытов по точному определению скорости света и

определению движения Земли относительно эфира.

Результаты опытов сыграли значительную роль в

становлении специальной теории относительности.

Сконструировал спектральный прибор высокой

разрешающей способности (эшелон Майкельсона).

МАКСВЕЛЛ Д.К. (1831 – 1879) – английский

физик. Научные работы посвящены электродина-

мике, молекулярной физике, общей статистике, оп-

тике, механике, теории упругости. Один из основа-

телей кинетической теории газов, установил стати-

стический закон распределения молекул газа по

скоростям (распределение Максвелла). Разработал

теорию электромагнитного поля, предсказал суще-

ствование электромагнитных волн. Сформулировал

теорему в теории упругости, развивал теорию

цветного зрения, исследовал устойчивость колец

Сатурна. Сконструировал ряд приборов.

МАНДЕЛЬШТАМ Л.И. (1879 – 1944) – совет-

ский физик, академик. Основные научные работы

относятся к оптике, радиофизике, теории нелиней-

ных колебаний, квантовой механике. Объяснил

рассеяние света неоднородностью среды. Один из

авторов открытия комбинационного рассеяния све-

та и селективного рассеяния света. Совместно с

М.А.Леонтовичем разработал теорию прохождения

частицы через потенциальный барьер. Внес боль-

шой вклад в теорию нелинейных колебаний, ра-

диофизику и радиотехнику.

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 196: 559.физика в системе наук  учебное пособие

196

МАРИОТТ Э. (1620 – 1684) – французский фи-

зик. Научные работы относятся к механике газов и

жидкостей, теплоте и оптике. Независимо от Бойля

установил закон изменения давления газа от объе-

ма при постоянной температуре (закон Бойля-

Мариотта).

МЕЙМАН Т.Г. (1927 – 2007) – американский

физик. Изобрел в 1960 г. первый оптический кван-

товый генератор – рубиновый лазер.

МЕЙТНЕР Л. (1878 – 1968) – австрийский фи-

зик и радиохимик. Научные работы относятся к

ядерной физике и ядерной химии. Вместе с

О.Ганом открыла протактиний и ряд других радио-

активных изотопов, изучала ядерную изомерию.

Совместно с О.Фришем правильно объяснила опы-

ты О.Гана и Ф.Штрассманна.

МЕНДЕЛЕЕВ Д.И. (1834 – 1907) – русский

ученый. Научные работы преимущественно в обла-

сти химии, физики, метрологии. Открыл периоди-

ческий закон химических элементов и на его осно-

ве создал периодическую таблицу химических эле-

ментов. Предсказал существование четырех новых

химических элементов и вычислил приблизительно

их атомные веса. Нашел общее уравнение состоя-

ния идеального газа (уравнение Менделеева-

Клапейрона), открыл существование критической

температуры. Создал барометр, разработал физи-

ческую теорию весов, точные приемы взвешива-

ния. Выдвинул идею подземной газификации угля.

МЕНДЕЛЬ Г. (1822 – 1884) – австрийский био-

лог, основоположник генетики, сформулировал ос-

новные законы наследственности (расщепление и

комбинирование наследственных факторов – зако-

ны Менделя), построил теоретическую модель

наследования, одним из первых использовал в

биологии вероятностно-статистические методы.

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 197: 559.физика в системе наук  учебное пособие

197

МИЛЛИКЕН Р.Э. (1868 – 1953) – американ-

ский физик, лауреат Нобелевской премии (1923

г.). Научные работы в области атомной физики,

спектроскопии, физики космических лучей. С по-

мощью разработанного им капельного метода

определил заряд электрона. Проверил уравнение

Эйнштейна для фотоэффекта, определил постоян-

ную Планка.

МИЛН Е.А. (1896 – 1950) – английский астро-

физик. Внес значительный вклад в теорию атмо-

сфер Солнца и звезд. Исследовал лучистый пере-

нос энергии и ионизацию вещества в звездных ат-

мосферах, построил количественную модель дис-

сипации планетных атмосфер, заложил основы со-

временной теории звездного ветра. Создал кинема-

тический вариант общей теории относительности

для объяснения явления красного смещения в

спектрах галактик.

МИНКОВСКИЙ Г. (1864 – 1909) – немецкий

физик и математик. Основные работы посвящены

теории чисел, геометрии, гидродинамике и матема-

тической физике. Выдвинул идею об объединении

трехмерного пространства и времени в одно четы-

рехмерное пространство (пространство Минковско-

го), обладающего псевдоевклидовой геометрией.

Постулировал, что все физические законы должны

быть инвариантными относительно группы преоб-

разований Лоренца. Предложил четырехмерную

интерпретацию уравнений Максвелла.

МОРЛИ Э.У. (1838 – 1923) – американский

физик и химик. Осуществил совместно с А.А.Май-

кельсоном серию опытов по точному определению

скорости света и определению движения Земли от-

носительно эфира. Результаты опытов сыграли

значительную роль в становлении специальной

теории относительности. В химии с большой точно-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 198: 559.физика в системе наук  учебное пособие

198

стью определил удельные массы водорода и кисло-

рода в составе воды.

МОТТЕЛЬСОН Б. (род. в 1926 г.) – физик-

теоретик. Научные работы посвящены ядерной фи-

зике. Совместно с О.Бором разработал коллектив-

ную (обобщенную) модель ядра (Нобелевская пре-

мия, 1975 г.).

НЁТЕР Э. (1882 – 1935) – немецкий математик.

Основные труды относятся к алгебре, способство-

вала созданию общей, или абстрактной, алгебры

(общая теория колец, полей, идеалов). Сформули-

ровала фундаментальную теорему теоретической

физики, устанавливающую связь между свойствами

симметрии физической системы и законами сохра-

нения.

НОВИКОВ И.Д. (род. в 1935 г.) – российский

астрофизик, член-корр. РАН, зам. директора Аст-

рокосмического центра ФИАН, директор Института

теоретической астрофизики (Копенгаген). Создал

теорию внутреннего строения «черных дыр». Сов-

местно с А.Г.Дорошкевичем указал на возможность

обнаружения реликтового излучения. Совместно с

Я.Б.Зельдовичем предсказал, что «черные дыры»

могут быть рентгеновскими источниками в двойных

системах.

НОВОСЕЛОВ К.С. (род. в 1974 г.) – физик,

профессор Манчестерского университета (Велико-

британия), лауреат Нобелевской премии по физике

(2010 г.). Окончил Московский физико-техни-

ческий институт.

НЬЮТОН И. (1643 – 1727) – великий англий-

ский ученый, заложивший основы современного

естествознания, создатель классической физики.

Научные работы относятся к механике, оптике,

астрономии и математике. Сформулировал основ-

ные законы классической механики, открыл закон

всемирного тяготения, дисперсию света, развил

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 199: 559.физика в системе наук  учебное пособие

199

корпускулярную теорию света, разработал (неза-

висимо от Г.Лейбница) дифференциальное и инте-

гральное исчисление. Установил закон сопротивле-

ния и закон внутреннего трения в жидкостях и га-

зах. Создал физическую картину мира, которая

длительное время господствовала в науке (ньюто-

новская теория пространства и времени). Ньюто-

новская теория дальнодействия и его схема мира

господствовали до конца XIX века. Исследовал ин-

терференцию и дифракцию света, открыл кольца

Ньютона. Сконструировал зеркальный отражатель-

ный телескоп. Главные труды: «Математические

начала натуральной философии» (1687), «Оптика»

(1704).

ОКУНЬ Л.Б. (род. в 1929 г.) – российский фи-

зик-теоретик, академик РАН, начальник лаборато-

рии Института теоретической и экспериментальной

физики. Специалист по теории элементарных ча-

стиц (теория слабых взаимодействий, составные

модели элементарных частиц, теория сильных вза-

имодействий и др.). Сформулировал правила отбо-

ра по изоспину и гиперзаряду для слабых распа-

дов. Построил (совместно с другими) феноменоло-

гическую теорию слабых взаимодействий на

встречных электронно-позитронных пучках, рас-

смотрел следствия нарушения P-, C- и CP-

инвариантности в слабых процессах, разработал

калибровочную теорию электрослабых взаимодей-

ствий. Предложил составную модель адронов. Ввел

в физику сам термин «адрон».

ОМ Г.С. (1787 – 1854) – немецкий физик. Ос-

новные научные исследования относятся к элек-

тричеству. Ввел понятие электрического сопротив-

ления и экспериментально установил закон, связы-

вающий между собой силу тока, напряжение и со-

противление цепи (закон Ома). Занимался также

акустикой, оптикой и кристаллооптикой.

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 200: 559.физика в системе наук  учебное пособие

200

ОППЕНГЕЙМЕР Ю.Р. (1904 – 1967) – амери-

канский физик. Научные работы относятся к кван-

товой механике, теории относительности, физике

космических лучей, физике элементарных частиц,

теории нейтронных звезд. В 1943-1945 гг. возглав-

лял Лос-Аламосскую лабораторию, в которой были

созданы первые американские атомные бомбы.

ПАЙЕРЛС Р.Э. (1907 — 1995) – английский

физик-теоретик, иностранный член АН СССР и РАН.

Основные труды по математической физике, кван-

товой механике и квантовой электродинамике,

квантовой теории твердого тела, физике элемен-

тарных частиц, атомной и ядерной физике. Руково-

дил теоретическими исследованиями по разделе-

нию изотопов в рамках Манхэттенского проекта

(1943-46, США).

ПАУЛИ В. (1900 – 1958) – швейцарский фи-

зик-теоретик, лауреат Нобелевской премии (1945

г.). Научные работы относятся ко многим разделам

современной теоретической физики: квантовой ме-

ханике, квантовой электродинамике, теории отно-

сительности, квантовой теории поля, теории твер-

дого тела, ядерной физике, физике элементарных

частиц. Предположил существование спинового и

магнитного момента ядер, сформулировал принцип

запрета Паули, объяснил парамагнетизм электрон-

ного газа в металле, создал теорию спина электро-

на. Высказал гипотезу о существовании нейтрино.

В окончательном виде сформулировал СРТ-

теорему, отражающую симметрии элементарных

частиц.

ПЕРРЕН Ж.Б. (1870 – 1942) – французский

физик и физикохимик, лауреат Нобелевской пре-

мии (1926 г.). В 1895 г. экспериментально доказал,

что катодные лучи являются потоком отрицательно

заряженных частиц. Экспериментально исследовал

броуновское движение, подтвердил, что оно явля-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 201: 559.физика в системе наук  учебное пособие

201

ется следствием теплового движения молекул. На

основании опытов вычислил число Авогадро. Ис-

следовал рентгеновские лучи, флюоресценцию.

Часть работ посвящена радиоактивности, атомной

физике, акустике.

ПЕТРЖАК К.А. (1907 – 1998) – советский фи-

зик-экспериментатор. В 1940 г. совместно с

Г.Н.Флеровым открыл новое физическое явление –

спонтанное деление ядер урана. Разработал метод

экспрессного определения содержания плутония и

сопутствующих радиоактивных элементов в техно-

логических продуктах переработки облученного

урана.

ПИФАГОР (ок. 570 – ок. 500 до н.э.) – древне-

греческий философ и математик. Основатель уче-

ния (пифагореизма), согласно которому в основе

всего сущего лежит число. Ему принадлежат пер-

вые попытки построения планиметрии, введения в

геометрию доказательства. Доказал теорему, но-

сящую его имя. Основал философско-религиозное

братство «Союз пифагорейцев», главной задачей

которого было распространение пифагореизма.

ПЛАНК М.К.Э.Л. (1858 – 1947) – выдающийся

немецкий физик-теоретик, лауреат Нобелевской

премии (1918 г.). Научные работы относятся к тер-

модинамике, теории теплового излучения, теории

относительности, квантовой теории, истории и ме-

тодологии физики, философии. В 1900 г. ввел

квант действия, чем положил начало квантовой

теории, вывел закон распределения энергии в

спектре излучения абсолютно черного тела. Посто-

янная Планка является одной из универсальных

постоянных в физике. Вывел уравнения реляти-

вистской динамики, получив выражения для энер-

гии и импульса электрона, провел обобщение тер-

модинамики в рамках специальной теории относи-

тельности.

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 202: 559.физика в системе наук  учебное пособие

202

ПЛАТОН (427 – 347 до н.э.) – великий древне-

греческий философ, философские взгляды которо-

го являются важнейшим интеллектуальным дости-

жением античной эпохи. Работы Платона оказали

определяющее влияние на развитие западно-

европейской философии.

ПОНТЕКОРВО Б.М. (1913 – 1993) – советский

физик итальянского происхождения, академик АН

СССР. Научные работы посвящены ядерной физи-

ке, физике высоких энергий, физике слабых взаи-

модействий и физике нейтрино, астрофизике. Ис-

следовал роль нейтрино в процессах звездной эво-

люции, способствовал созданию нейтринной аст-

рофизики. Исследовал взаимодействие пионов с

нуклонами и ядрами, экспериментально установил

самопроизвольный распад мюона на электрон и два

нейтрино.

ПРИГОЖИН И.Р. (1917 – 2003) – бельгийский

физик и физикохимик, лауреат Нобелевской пре-

мии (1977 г.), один из основателей термодинамики

неравновесных процессов и нового научного

направления − синергетики – современной теории

самоорганизации. Основные работы посвящены

неравновесной термодинамике и статистической

механике необратимых процессов. Ввел понятие

производства энтропии и потока энтропии, дал ло-

кальную формулировку второго начала термодина-

мики, предложил принцип локального равновесия.

Сформулировал теорию диссипативных структур.

Считая, что неравновесность может служить источ-

ником упорядоченности, доказал существование

неравновесных термодинамических систем, кото-

рые при определенных условиях, поглощая мате-

рию и энергию из окружающей среды, могут со-

вершать качественный скачок к усложнению. До-

казал одну из основных теорем термодинамики

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 203: 559.физика в системе наук  учебное пособие

203

неравновесных процессов – о минимуме производ-

ства энтропии в открытой системе.

ПРИНГСГЕЙМ Э. (1859 – 1917) – немецкий

физик. Основные научные работы посвящены изу-

чению спектров и тепловому излучению. Совместно

с О.Люммером установил отклонение от закона

теплового излучения В.Вина в области длинных

волн.

ПРОХОРОВ А.М. (1916 – 2002) – российский

физик, лауреат Нобелевской премии (1964 г.),

дважды Герой Социалистического Труда, академик

РАН, один из создателей квантовой электроники.

Научные исследования в области квантовой элек-

троники, радиоспектроскопии, физики ускорите-

лей, электронного парамагнитного резонанса, ла-

зерного термоядерного синтеза, физики твердого

тела, радиоастрономии, технологии материалов. В

1954 г. вместе с Н.Г.Басовым создал молекулярный

генератор на аммиаке (Нобелевская премия сов-

местно с Н.Г.Басовым и Ч.Таунсом). Создатель ряда

оптических генераторов непрерывного действия,

газодинамического лазера. Главный редактор тре-

тьего издания Большой Советской Энциклопедии.

ПТОЛЕМЕЙ Клавдий (II в. н. э.) – древнегре-

ческий ученый, придал завершенный вид геоцен-

трической системе мира, разрабатываемой до него

Эвдоксом Книдским, Аристотелем и Гиппархом. Ав-

тор трактата «Великое математическое построение

астрономии в XIII книгах», где объяснил видимые

движения планет, дал метод расчета лунных и сол-

нечных затмений, поместил каталог 1028 звезд и

т.д.

ПУАНКАРЕ А. (1854 – 1912) – французский

математик, физик, астроном и философ. Внес ве-

сомый вклад в развитие многих областей матема-

тики: теорию дифференциальных уравнений, тео-

рию функций, топологию, математическую физику

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 204: 559.физика в системе наук  учебное пособие

204

и др. Физические исследования относятся к теории

относительности, термодинамике, электричеству,

оптике, теории упругости, молекулярной физике.

Высказал принцип относительности в качестве все-

общего и строгого положения, ввел термины «пре-

образования Лоренца», «группа Лоренца». Близко

подошел к созданию теории относительности, но

решающего шага не сделал. Известен своими глу-

бокими трудами по философским и общеметодоло-

гическим проблемам науки.

РАССЕЛ Б. (1872 – 1970) – английский фило-

соф, логик, математик, социолог, писатель, обще-

ственный деятель, лауреат Нобелевской премии по

литературе (1950 г.). Автор многочисленных работ

по философии науки и истории философии, осно-

воположник философского логического анализа,

основал направление логического обоснования ма-

тематики, оказал большое влияние на развитие ма-

тематической логики. Один из инициаторов Па-

гуошского движения ученых, выступающих за мир,

разоружение и международную безопасность.

РАУШЕНБАХ Б.В. (1915 – 2001) – российский

ученый, академик РАН. Основные труды посвяще-

ны механике, процессам автоматического управле-

ния ориентацией космических аппаратов, теории

горения, теории перспективы в математике и жи-

вописи.

РЕЗЕРФОРД Э. (1871 – 1937) – английский

физик, основоположник ядерной физики, лауреат

Нобелевской премии (1908 г.). Фундаментальными

открытиями в области радиоактивности, атомной и

ядерной физики заложил основы современного

учения о радиоактивности и теории строения ато-

ма. Открыл альфа- и бета- радиоактивность и но-

вый радиоактивный элемент – радон, разработал

теорию радиоактивного распада, установил закон

радиоактивных превращений. Предсказал суще-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 205: 559.физика в системе наук  учебное пособие

205

ствование трансурановых элементов. Создал пла-

нетарную модель атома. Открыл протон, осуще-

ствил первую искусственную ядерную реакцию,

заложил основы современной физики ядра. Дока-

зал электромагнитную природу гамма-лучей, осу-

ществив их дифракцию на кристалле. Эксперимен-

тально доказал справедливость закона взаимосвя-

зи массы и энергии в ядерных реакциях. Осуще-

ствил реакцию синтеза дейтронов с образованием

трития. Создатель большой школы физиков.

РИМАН Г.Ф.Б. (1826 – 1866) – немецкий ма-

тематик. Исследования относятся к теории функ-

ций, геометрии, математической и теоретической

физике, теории дифференциальных уравнений.

Является создателем геометрического направления

теории аналитических функций, им введены так

называемые римановы поверхности, важные при

исследовании многозначных функций. Разработал

теорию конформных отображений. Создал римано-

ву геометрию, которая является многомерным

обобщением геометрии поверхности и представля-

ет собой теорию римановых пространств, где в ма-

лых областях приближенно имеет место евклидова

геометрия. Развил идею о математическом про-

странстве, включив в него функциональные и то-

пологические пространства. Ввел понятие обоб-

щенных римановых пространств, частными случая-

ми которых являются пространства геометрий Ев-

клида, Лобачевского и Римана. Ввел понятие рима-

новой кривизны; расширил применение мнимых

величин, введя их в теорию трансцендентных

функций. Развил теорию абелевых интегралов.

РУБАКОВ В.А. (род. в 1955 г.) – академик

РАН, доктор физ.-мат. наук, профессор, известный

физик-теоретик в области квантовой теории поля,

физики элементарных частиц, космологии.

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 206: 559.физика в системе наук  учебное пособие

206

САЛАМ А. (1926 – 1996) – пакистанский фи-

зик-теоретик, лауреат Нобелевской премии (1979

г., совместно с Ш.Глэшоу и С.Вайнбергом). Науч-

ные работы относятся к квантовой электродинами-

ке, физике элементарных частиц, теории гравита-

ции. Предсказал (независимо от Л.Д.Ландау, Т.Ли и

Ч.Янга) сохранение комбинированной четности в

слабых взаимодействиях, выдвинул гипотезу двух-

компонентного нейтрино. Разработал теорию силь-

ных взаимодействий. Один из авторов теории элек-

трослабого взаимодействия (совместно с Ш.Глэшоу

и С.Вйнбергом).Предсказал, что переносчиками

слабого взаимодействия являются частицы W+, W-

и Z0 (еще не открытые в то время).

САХАРОВ А.Д. (1921 – 1989) – российский

физик и общественный деятель, академик АН

СССР, трижды Герой Социалистического Труда, ла-

уреат Нобелевской премии мира (1975 г.), один из

создателей водородной бомбы в СССР. Труды по

магнитной гидродинамике, физике плазмы, управ-

ляемому термоядерному синтезу, элементарным

частицам, астрофизике, гравитации. Предложил

(совместно с академиком И.Е.Таммом) идею маг-

нитного удержания высокотемпературной плазмы,

легшей в основу управляемого термоядерного син-

теза. Провел основополагающие расчеты установок

по управляемому термоядерному синтезу. Предло-

жил использовать лазерное обжатие для получения

управляемой термоядерной реакции. За политиче-

ские взгляды был отстранен от всех работ, связан-

ных с военными секретами, в 1980 г. был задержан

и выслан в г. Горький. В 1986 г. возвращен из

ссылки. В 1989 г. избран народным депутатом

СССР.

СЕЛЬЕ Г. (1907 – 1982) – канадский биолог и

врач. Автор учения о стрессе. На основе клиниче-

ских и экспериментальных исследований инфекци-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 207: 559.физика в системе наук  учебное пособие

207

онных болезней выдвинул гипотезу общего адап-

тационного синдрома, согласно которой болезне-

творный фактор запускает выработанные в процес-

се эволюции механизмы адаптации к раздражите-

лю. Позже конкретизировал это учение примени-

тельно к человеческому организму и поведению,

что дало основание к выработке и развитию теории

психологического стресса.

СЕМЕНОВ Н.Н. (1896 – 1986) – советский хи-

мик и физик, академик АН СССР, дважды Герой Со-

циалистического Труда, лауреат Нобелевской пре-

мии (1956 г.), один из основоположников химиче-

ской физики. Открыл разветвленные цепные хими-

ческие реакции лавинообразного характера, со-

здал общую теорию цепных разветвленных и не-

разветвленных химических реакций, разработал

теорию теплового взрыва и горения газовых сме-

сей.

СТЕПИН В.С. (род. в 1934 г.) – российский

философ, академик РАН. Автор работ по философ-

ской антропологии, социальной философии, теории

познания, логике и методологии науки. Разработал

философско-методологическую концепцию, рас-

крывающую механизм функционирования науки в

социокультурном контексте – от анализа законо-

мерностей становления конкретно-научной теории

до исследования природы метатеоретических осно-

ваний науки (картины мира, идеалов и норм иссле-

дования, стиля научного мышления). Осуществил

анализ процесса формирования научного знания

как феномена культуры. Разработал системную мо-

дель социокультурной детерминации науки, смены

парадигм научного поиска.

СТЕФАН Й. (1835 – 1893) – австрийский фи-

зик. Научные работы в области оптики, акустики,

электромагнетизма, кинетической теории, гидро-

динамики, теплового излучения. Экспериментально

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 208: 559.физика в системе наук  учебное пособие

208

установил пропорциональность энергии, излучае-

мой нагретым телом, четвертой степени абсолют-

ной температуры. Позже этот закон теоретически

вывел Л.Больцман (закон Стефана – Больцмана).

ТАММ И.Е. (1895 – 1971) – советский физик-

теоретик, академик АН СССР, лауреат Нобелевской

премии (1958 г.), Герой Социалистического Труда.

Научные работы посвящены электродинамике,

квантовой механике, теории твердого тела, ядер-

ной физике, теории элементарных частиц и взаи-

модействий при высоких энергиях, термоядерному

синтезу. Построил квантовую теорию рассеяния

света в кристаллах (1930 г.), открыл (1932 г.) су-

ществование уровней особого типа в металлах

(уровни Тамма), заложил основы квантовомехани-

ческой теории фотоэффекта на металлах (1931 г.).

Создал первую теорию ядерного взаимодействия

(1934 г.), которая явилась основой последующих

теорий взаимодействия. Вместе с И.М.Франком

развил (1937 г.) теорию излучения электрона,

движущегося в среде со скоростью, превышающую

фазовую скорость света в этой среде (эффект Ва-

вилова-Черенкова). Первый начал исследования по

проблеме термоядерного синтеза, совместно с

А.Д.Сахаровым выдвинул идею термоизоляции го-

рячей плазмы сильным магнитным полем (1950 г.).

Предложил приближенный квантовомеханический

метод описания взаимодействия элементарных ча-

стиц (метод Тамма-Данкова).

ТАУНС Ч.Х. (род. в 1915г.) – американский

физик, лауреат Нобелевской премии (1964), один

из создателей квантовой электроники. Научные

работы относятся к микроволновой спектроскопии,

квантовой электронике, нелинейной оптике, радио-

и инфракрасной астрономии, созданию мазеров и

лазеров и их применению. Независимо от совет-

ских физиков Н.Г.Басова и А.М.Прохорова разрабо-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 209: 559.физика в системе наук  учебное пособие

209

тал принципы усиления и генерации электромаг-

нитного излучения в квантовых устройствах, со-

здал в 1954 г. первый квантовый генератор на ам-

миаке. В 1958 г. совместно с А.Шавловым предло-

жил принцип работы лазера.

ТОМСОН Д.Д. (1856 – 1940) – английский фи-

зик, лауреат Нобелевской премии (1906 г.). Науч-

ные работы посвящены прохождению электриче-

ского тока через разреженные газы, катодным и

рентгеновским лучам, атомной физике, физике ме-

таллов. Открыл электрон и измерил величину его

заряда. Разработал теорию движения электрона в

магнитном и электрическом полях. Предложил одну

из первых моделей атома. Предложил принцип

действия масс-спектрометра. Один из основопо-

ложников классической электронной теории метал-

лов.

УИЛЕР Дж. (1911 – 2008) – американский

физик-теоретик. Совместно с Н.Бором разработал

теорию деления атомного ядра, математически

обосновал возможность цепной реакции деления

урана, развил методы управления ядерным реакто-

ром. Выдвинул идею универсальности взаимодей-

ствия Ферми, развил коллективную модель ядра

(совместно с Д.Хилом). Один из создателей геомет-

родинамики, изучающей структуру пространства-

времени малых масштабов. Широко известны его

исследования, посвященные квантованию гравита-

ционного поля, структуре материи высокой плотно-

сти, гравитационному коллапсу, теории нейтрон-

ных звезд. Ввел в употребление термин «черная

дыра».

УЛЕНБЕК Д.Ю. (1900 – 1988) – американский

физик-теоретик. Научные работы относятся к кван-

товой механике, атомной и ядерной физике, кине-

тической теории, статистической механике, кван-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 210: 559.физика в системе наук  учебное пособие

210

товой теории поля. В 1925 г. вместе с С.Гаудсмитом

ввел понятие спина электрона.

УМОВ Н.А. (1846 – 1915) – русский физик.

Создал учение о движении энергии: ввел понятия о

скорости и направлении движения энергии, потоке

энергии (вектор Умова), плотности энергии в дан-

ной точке среды. Решил задачу о распределении

электрических токов на поверхности любого типа.

Экспериментальные работы посвящены диффузии

водных растворов, поляризации света в мутных

средах и др.

УОТСОН Д.Д. (род. в 1928) – американский

ученый в области молекулярной биологии, лауреат

Нобелевской премии (1962 г.). Основные научные

работы посвящены синтезу белка и изучению

структуры ДНК. Совместно с Ф.Х.К.Криком рас-

шифровал структуру ДНК и предложил ее модель в

виде двойной спирали. Провел исследования бак-

териальных рибосом, изучал роль РНК в белковом

синтезе, структуру вирусов и их роль в возникно-

вении злокачественных образований.

ФАБРИКАНТ В.А. (1907 – 1991) – советский

физик. Научные работы посвящены физической

электронике и физике плазмы. Разработал количе-

ственную теорию интенсивности спектральных ли-

ний в низкотемпературной плазме, показал воз-

можность усиления света за счет вынужденного

испускания в плазме с инверсией населенностей на

энергетических уровнях, сформулировал принцип

усиления электромагнитного излучения при про-

хождении сред с инверсной заселенностью (идея

квантового усилителя).

ФАЛЕС МИЛЕТСКИЙ (625 – 547 до н.э.) –

древнегреческий философ, родоначальник антич-

ной и европейской философии и науки; основатель

греческой астрономии и геометрии, осуществил

первые доказательства ряда геометрических

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 211: 559.физика в системе наук  учебное пособие

211

утверждений, предсказал солнечное затмение.

Считал, что начало всего сущего – вода.

ФАРАДЕЙ М. (1791 – 1867) – английский фи-

зик, научные работы в области химии и электро-

магнетизма. Первый осуществил сжижение хлора,

открыл бензол. В 1831 г. открыл явление электро-

магнитной индукции, установил основной закон

электромагнитной индукции. Открыл законы элек-

тролиза, явление диа- и парамагнетизма, явление

вращения плоскости поляризации света в магнит-

ном поле. Для описания электрических и магнит-

ных явлений ввел представление об электрических

и магнитных силовых линиях, а также понятие по-

ля. После работ Фарадея материя стала выступать

не только в форме вещества, но и в форме поля.

ФЕЙНМАН Р.Ф. (1918 – 1988) – американский

физик, лауреат Нобелевской премии (1965 г.).

Научные работы посвящены вопросам квантовой

теории поля и квантовой электродинамики, физике

элементарных частиц, сверхпроводимости, теории

гравитации. Один из создателей современной кван-

товой электродинамики, количественной теории

слабых взаимодействий. Развил теорию квантовых

вихрей. Одним из первых предложил применять

методы теории возмущений квантовой теории поля

к проблеме квантования гравитации. Автор извест-

ного курса «Фейнмановские лекции по физике».

ФЕРМИ Э. (1901 – 1954) – выдающийся ита-

льянский физик, лауреат Нобелевской премии

(1938 г.). Научные работы относятся к атомной и

ядерной физике, статистической механике, физике

космических лучей, физике высоких энергий, тех-

нической физике. Разработал статистику частиц с

полуцелым спином (статистика Ферми-Дирака), со-

здал количественную теорию бета-распада, открыл

искусственную радиоактивность, обусловленную

нейтронами, обнаружил эффект замедления

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 212: 559.физика в системе наук  учебное пособие

212

нейтронов. Доказал возможность осуществления

цепной ядерной реакции деления урана, построил

первый ядерный реактор. Основоположник

нейтронной оптики и нейтронной спектроскопии.

Разработал теорию происхождения космических

лучей. Исследовал взаимодействие пионов с про-

тонами, предложил первую составную модель эле-

ментарных частиц.

ФЕШБАХ Г. (род. в 1917 г.) – американский

физик-теоретик. Научные работы относятся к спек-

тоскопии, ядерной физике, математической физике

и физике элементарных частиц. Вместе с

В.Вайскопфом разработал оптическую модель яд-

ра.

ФЛЕРОВ Г.Н. (1913 – 1990) – советский фи-

зик-экспериментатор, академик АН СССР, Герой

Социалистического Труда. Научные работы отно-

сятся к физике ядра, ядерной энергетике, физике

космических лучей. Совместно с К.А.Петржаком в

1940 г. открыл явление спонтанного деления ядер

урана. Совместно с Л.И.Русиновым провел опыты

по определению числа вторичных нейтронов, воз-

никающих при делении. Исследовал зависимость

сечений радиационного захвата медленных

нейтронов от их энергии. Под руководством

Г.Н.Флерова осуществлен синтез новых химических

элементов с атомными номерами 102 – 110, полу-

чено большое количество новых ядер, находящих-

ся на границе стабильности, открыты новые виды

радиоактивности, новые механизмы ядерного вза-

имодействия.

ФРАНК Д. (1882 – 1964) – немецкий физик,

лауреат Нобелевской премии (1925 г.). Научные

работы посвящены атомной и ядерной физике,

спектроскопии молекул. Совместно с Г.Герцем вы-

полнил ряд опытов по столкновению электронов с

атомами паров ртути, в которых было доказано су-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 213: 559.физика в системе наук  учебное пособие

213

ществование в атомах дискретных уровней энер-

гии, что подтверждало квантовые постулаты

Н.Бора (опыт Франка-Герца). Изучал уровни энер-

гии в атомах, исследовал фотохимические процес-

сы в молекуле хлорофилла.

ФРЕНКЕЛЬ Я.И. (1894 – 1952) – советский

физик-теоретик. Научные работы относятся к фи-

зике твердых и жидких тел, квантовой теории по-

ля, магнетизму. Первый сформулировал основные

концепции квантовой теории электропроводности,

независимо от Н.Бора разработал капельную мо-

дель ядра, развил теорию контактных потенциалов

и поверхностного натяжения металлов, независимо

от В.Гейзенберга разработал квантовомеханиче-

скую теорию ферромагнетизма. Развил теорию

движения атомов и ионов в кристаллах, ввел поня-

тия «дефектов по Френкелю», дырочной проводи-

мости, предложил идею экситонов. Разработал ки-

нетическую теорию жидкостей. Сформулировал ос-

новы деления тяжелых ядер, предсказал спонтан-

ное деление тяжелых ядер.

ФРИДМАН А.А. (1888 – 1925) – российский

физик и математик. Основные научные работы в

области гидромеханики, теории тяготения, теоре-

тической геофизики. Заложил основы теоретиче-

ской метеорологии. Нашел нестационарные реше-

ния гравитационного уравнения Эйнштейна, дока-

зав возможность существования нестационарной

(расширяющейся) Вселенной.

ФРИШ О. (1904 – 1979) – английский физик-

экспериментатор. Вместе с Л.Мейтнер дал пра-

вильную интерпретацию опытов О.Гана и

Ф.Штрассманна как явления деления ядер урана

нейтронами. Вместе с О.Штерном впервые измерил

магнитный момент протона в водородной молекуле.

Участник Манхэттенского проекта, в 1940 г. сов-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 214: 559.физика в системе наук  учебное пособие

214

местно с Р.Пайерлсом дал первую оценку критиче-

ской массы урана-235.

ХАББЛ Э.П. (1889 – 1953) – американский

астроном, основатель внегалактической астроно-

мии. Доказал звездное строение Туманности Ан-

дромеды и некоторых других туманностей, оценил

расстояние до некоторых из них. Составил первую

подробную классификацию галактик по их формам

и другим особенностям. В 1929 г. Хаббл обнару-

жил, что между скоростями движения галактик и

расстоянием до них существует линейная зависи-

мость (закон Хаббла), определил численное значе-

ние коэффициента этой зависимости (постоянная

Хаббла). Это открытие стало наблюдательной ба-

зой теории расширяющейся Вселенной.

ЦВИККИ Ф. (1898 – 1974) – швейцарский аст-

роном и физик. Основные научные работы относят-

ся к внегалактической астрономии и физике сверх-

новых звезд. Открыл и описал десятки тысяч га-

лактик и скоплений галактик. Сделал вывод о су-

ществовании межгалактического поглощающего

вещества облачной структуры и общего межгалак-

тического поля темной материи. Совместно с

В.Бааде высказал предположение, что в результате

взрывов сверхновых звезд образуются нейтронные

звезды. Цвики принадлежат 50 патентов в области

ракетной техники, он изобрел ряд реактивных и

гидротурбореактивных двигателей. ЦИОЛКОВСКИЙ К.Э. (1857 – 1935) – российский

ученый и изобретатель в области аэродинамики,

ракетодинамики, теории самолета и дирижабля,

основоположник современной космонавтики. Зало-

жил основы теории движения ракет, теории ЖРД,

обосновал возможность применения ракет для

межпланетных сообщений, решил ряд проблем ме-

ханики тел переменной массы. Разработал теорию

многоступенчатых ракет, рассмотрел влияние ат-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 215: 559.физика в системе наук  учебное пособие

215

мосферы на полёт ракеты, впервые решил задачу

посадки космического аппарата на поверхность

планет, лишенных атмосферы. Высказал ряд кон-

структивных идей, нашедших применение в раке-

тостроении. Разработал теорию полета реактивных

самолетов в стратосфере, схемы самолетов для по-

лета с гиперзвуковыми скоростями. Построил

первую в России аэродинамическую трубу, разра-

ботал методику эксперимента на ней. Разработал

конструкцию дирижабля с металлической оболоч-

кой. Высказал идею постройки самолета с метал-

лическим каркасом. Явился первым идеологом и

теоретиком освоения человеком космического про-

странства. Предложил идею создания околоземных

станций как искусственных поселений, рассмотрел

медико-биологические проблемы, возникающие

при длительных космических полетах.

ЧЕРЕШНЕВ В.А. (род. в 1944 г.) – академик

РАН, директор Института иммунологии и физиоло-

гии УрО РАН. Научные работы посвящены изуче-

нию иммунных механизмов регуляции физиологи-

ческих функций.

ШАВЛОВ А. (1921 – 1999) – американский

физик. Научные работы относятся к микроволновой

и оптической спектроскопии, квантовой электрони-

ке и сверхпроводимости. В 1958 г. совместно с

Ч.Таунсом предложил принцип работы лазера, вы-

двинул идею применения кристалла искусственно-

го рубина как рабочего вещества лазера.

ШВАРЦ Д.Г. (род. в 1941 г.) – американский

физик-теоретик. Научные работы в области теоре-

тической и математической физики, квантовой тео-

рии гравитации. Один из создателей теории струн.

ШВИНГЕР Ю. (1918 – 1994) – американский

физик-теоретик, один из создателей релятивист-

ской квантовой электродинамики, лауреат Нобе-

левской премии (1965 г.). Научные работы отно-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 216: 559.физика в системе наук  учебное пособие

216

сятся к ядерной физике, релятивистской квантовой

механике, статистической физике, теории элемен-

тарных частиц.

ШОКЛИ У.Б. (1910 – 1989) – американский

физик, лауреат Нобелевской премии (1956 г.).

Научные работы в области физики твердого тела и

физики полупроводников. Предсказал возможность

осуществления триода с p – n- переходом и пред-

ложил p – n – p- транзистор.

ШРЕДИНГЕР Э. (1887–1961) – австрийский

физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии

(1933 г.), один из создателей квантовой механики.

Научные работы в области статистической физики,

квантовой теории, квантовой механики, общей

теории относительности, других разделов теорети-

ческой физики. Разработал волновую механику, в

основе которой лежит уравнение Шредингера. До-

казал эквивалентность волновой механики и кван-

товой механики в матричной форме. Сделал не-

сколько попыток по разработке единой теории по-

ля.

ШТЕРН О. (1888 – 1969) – немецкий физик-

экспериментатор, лауреат Нобелевской премии

(1943). Научные исследования в области кинетиче-

ской теории, молекулярной физики, магнетизма,

атомной и ядерной физики, квантовой теории. Раз-

работал метод молекулярных пучков, эксперимен-

тально измерил скорость теплового движения мо-

лекул газа, подтвердил распределение молекул га-

за по скоростям – распределение Максвелла. Сов-

местно с В.Герлахом доказал наличие магнитного

момента у атома. Вместе с О.Фришем впервые из-

мерил магнитный момент протона.

ШТРАССМАНН Ф. (1902 – 1980) – немецкий

физик и химик. Научные работы относятся к ядер-

ной химии и физике, изучению радиоактивных изо-

топов урана и тория. Вместе с О.Ганом открыл де-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 217: 559.физика в системе наук  учебное пособие

217

ление ядер урана в результате бомбардировки их

нейтронами.

ЭДДИНГТОН А.С. (1882 – 1944) – английский

астрофизик и физик. Научные работы посвящены

изучению движения звезд и их внутренней струк-

туры, теории относительности, гравитации и кван-

товой теории. Рассчитал модели звезд, находящих-

ся в состоянии лучистого равновесия, определил

время «жизни» Солнца, исследовал природу белых

карликов. Экспериментально обнаружил предска-

занное А.Эйнштейном в общей теории относитель-

ности отклонение света звезды в поле тяготения

Солнца. Выдвинул идею объяснения энергии звезд

термоядерными реакциями синтеза гелия из водо-

рода. Открыл зависимость между массой и свети-

мостью звезд, теоретически определил постоянную

тонкой структуры.

ЭЙГЕН М. (род. в 1927 г.) – немецкий физико-

химик, лауреат Нобелевской премии (1967 г.). Ос-

новное направление научных работ – исследова-

ние сверхбыстрых химических реакций, стимули-

руемых нарушением равновесия с помощью очень

коротких импульсов энергии. Изучал ферментатив-

ный катализ, механизм передачи информации и

другие вопросы молекулярной биологии. Исследо-

вал гиперциклы: самоорганизацию индивидуаль-

ных нуклеиновых кислот в более сложные структу-

ры, их взаимодействие с белками и появление

примитивных генов.

ЭЙНШТЕЙН А. (1879 – 1955) – выдающийся

физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии

(1922 г.), один из создателей современной физики.

С 1933 г. работал в США в Принстонском институте

перспективных исследований. Создатель специ-

альной и общей теории относительности. Открыл

закон взаимосвязи массы и энергии, лежащий в ос-

нове ядерной физики. Ввел представление о дис-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 218: 559.физика в системе наук  учебное пособие

218

кретной, квантовой структуре светового излучения,

рассматривая его как поток фотонов. Исходя из

квантовой теории света, объяснил такие явления,

как фотоэффект, правило Стокса для флюоресцен-

ции. Предсказал явление индуцированного излуче-

ния, вывел формулу для распределения энергии в

спектре равновесного излучения. В статистической

физике развил молекулярно-статистическую тео-

рию броуновского движения, создал квантовую

статистику частиц с целым спином (статистика Бозе

– Эйнштейна). Предсказал и совместно с В. де Га-

зом экспериментально обнаружил эффект измене-

ния механического момента при намагничивании

тела (эффект Эйнштейна – де Гааза). В рамках об-

щей теории относительности вывел систему основ-

ных уравнений, описывающих поле тяготения,

предсказал эффекты, подтверждающие его теорию

(искривление светового луча в поле тяготения

Солнца, смещение перигелия Меркурия, гравита-

ционное красное смещение). Исходя из общей тео-

рии относительности, предложил новую стационар-

ную модель Вселенной, однако эта модель не соот-

ветствует действительности. С 1933 г. работы Эйн-

штейна посвящены разработке единой теории по-

ля, однако попытки построить такую теорию окон-

чились неудачей.

ЭНГЕЛЬС Ф. (1820 – 1895) – немецкий мысли-

тель и общественный деятель, один из основопо-

ложников марксизма.

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 219: 559.физика в системе наук  учебное пособие

219

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Адлер, И. Внутри ядра / И.Адлер. – М.: Атомиз-

дат, 1968. – 147 с.

2. Алферов, Ж.И. Двойные гетероструктуры: кон-

цепция и применения в физике, электронике и

технологии / Ж.И.Алферов // УФН. – 2002. – Т. 172.

- № 9. – С. 1068-1086.

3. Блохинцев, Д.И.Принципиальные вопросы

квантовой механики / Д.И.Блохинцев. – М.: Наука,

1966. – 160 с.

4. Больцман, Л. Статьи и речи / Л.Больцман. – М.:

Наука, 1970. – 406 с.

5. Бор, Н. Избранные научные труды: в 2 т. /

Н.Бор. – М.: Наука, 1971. – Т. 2. – 676 с.

6. Борн, М. Размышления и воспоминания физи-

ка: Сборник статей/ М.Борн. – М.: Наука, 1977. –

280 с.

7. Борн, М. Атомная физика / М.Борн. – М.: Мир,

1965. – 484 с.

8. Бройль, Л. По тропам науки / Луи де Бройль. –

М.: Иностранная литература, 1962. – 408 с.

9. Бройль, Л. Революция в физике (новая физика

и кванты) / Луи де Бройль. – М.:Атомиздат, 1965. –

232 с.

10. Бунге, М. Философия физики / М.Бунге. – М.:

Прогресс, 1975. – 352 с.

11. Вайнберг, С. Мечты об окончательной теории:

Физика в поисках самых фундаментальных законов

природы/ С.Вайнберг. – М.: Едиториал УРСС, 2004.

– 256 с.

12. Вигнер, Ю. Этюды о симметрии / Ю.П.Вигнер.

– М.: Мир, 1971. – 311 с.

13. Визгин, В.П. Математизация физики / В.П.Виз-

гин. – [Электронный ресурс]. – Режим доступа:

http://philosophy.mipt.ru/works/vizgin/vizginpubl01.

html?xsl.

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 220: 559.физика в системе наук  учебное пособие

220

14. Вонсовский, С.В. Современная естественно-

научная картина мира / С.В.Вонсовский. – Москва

– Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динами-

ка»; Институт компьютерных исследований, 2006.

– 680 с.

15. Воронов, В.К. Современная физика /

В.К.Воронов, А.В.Подоплелов. – М.: КомКнига,

2005. – 512 с.

16. Гейзенберг, В. Шаги за горизонт/

В.Гейзенберг. – М.: Прогресс, 1987. – 368 с.

17. Гейзенберг, В. Философские проблемы атом-

ной физики/ В.Гейзенберг. – М.: Едиториал УРСС,

2004. – 192 с.

18. Гинзбург, В.Л. Какие проблемы физики и аст-

рофизики представляются сейчас особенно важны-

ми и интересными (тридцать лет спустя, причем на

пороге XXI века)? / В.Л.Гинзбург // УФН. – 1999. –

Т. 169. – № 4. – С. 419-442.

19. Гинзбург, В.Л. О некоторых успехах физики и

астрономии за последние три года / В.Л.Гинзбург //

УФН. – 2002. – Т. 172. - № 2. – С. 213-219.

20. Гинзбург, В.Л. Какие проблемы физики и аст-

рофизики представляются особенно важными и ин-

тересными в начале XXI века / В.Л.Гинзбург // О

науке, о себе и о других. – М.: Издательство

«ФИЗМАТЛИТ», 2003. – 544 с.

21. Готт, В.С. Философские вопросы современной

физики: учеб. пособие / В.С.Готт. – М.: Высш. шк.,

1988. – 343 с.

22. Дюгем, П. Физическая теория. Ее цель и стро-

ение / П.Дюгем. – М.: КомКнига, 2007. – 328 с.

23. Елецкий, А.В. Углеродные нанотрубки и их

эмиссионные свойства / А.В.Елецкий // УФН. –

2002. – Т. 172. - № 4. – С. 401-436.

24. Иваницкий, Г.Р. XXI век: что такое жизнь с

точки зрения физики / Г.Р.Иваницкий // УФН. –

2010. – Т. 180. - № 4. – С. 337-369.

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 221: 559.физика в системе наук  учебное пособие

221

25. Каганов, М. Об абстракции в физике /

М.Каганов // Квант. – 2003. - № 1.

26. Кемпфер, Ф. Путь в современную физику /

Ф.Кемпфер. – М.: Мир, 1972. – 375 с. – (В мире

науки и техники).

27. Корнеева, А.И. Проблемы познания микроми-

ра / А.И.Корнеева. – М.: Мысль, 1978. – 246 с.

28. Крейчи, В. Мир глазами современной физики /

В.Крейчи. – М.: Мир, 1984. – 311 с. – (В мире наки

и техники).

29. Липсон, Г. Великие эксперименты в физике/

Г.Липсон. – М.: Мир, 1972. – 216 с.

30. Ллуэллин-Смит, К. На пути к термоядерной

энергетике: материалы к лекции, прочитанной 17

мая 2009 г. в ФИАНе / К. Ллуэллин-Смит. – [Элек-

тронный ресурс]. - Режим доступа:

http://elementy.ru/lib/430807?page_ design=print.

31. Мамчур, Е.А. Идеалы единства и простоты в

современном научном познании / Е.А.Мамчур //

Вопросы философии. – 2003. - № 12. – С. 100-112.

32. Мандельштам, Л.И. Лекции по основаниям

квантовой механики / Л.И.Мандельштам // Полное

собрание трудов: в 5 т. – М.: АН СССР, 1950. – Т.5.

– 980 с.

33. Мартинсон, Л.К. Физические основы приборов

нанотехнологий в курсе физики технического уни-

верситета / Л.К.Мартинсон, А.Н.Морозов,

Е.В.Смирнов // Физическое образование в вузах. –

2010. – Т. 16. - № 2. – С. 24-36.

34. Мукушев, Б.А. Проблемы формирования науч-

ного мировоззрения личности / Б.А.Мукушев // Al-

ma mater. Вестник высшей школы. – 2010. –

№ 5. – С. 21-29.

35. Над чем думают физики. Физика атомного яд-

ра. – Вып. 1. – М.: Наука, 1962. – 100 с.

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 222: 559.физика в системе наук  учебное пособие

222

36. Ньютон, И. Математические начала натураль-

ной философии / И.Ньютон. – М.: Наука, 1989. –

690 с.

37. Ньютон, И. Оптика / И.Ньютон. – М.: Гос. изд-

во, 1927. – 374 с.

38. Окунь, Л.Б. Физика элементарных частиц /

Л.Б.Окунь. – М.: Наука. Главная ред. физ.-мат.

лит-ры, 1984. – 224 с.

39. Окунь, Л.Б. Фундаментальные константы фи-

зики / Л.Б.Окунь // УФН. – 1991. – Т. 161. - № 9. –

С. 177-194.

40. Оппенгеймер, Р. Летающая трапеция. Три

кризиса в физике / Р.Оппенгеймер. – М.: Атомиз-

дат, 1967. – 82 с.

41. Планк, М. Единство физической картины мира

/ М.Планк. – М.: Наука, 1966. – 288 с.

42. Понтекорво, Б.М. Физика элементарных ча-

стиц – дорогая вещь! Нужна ли она? / Б.М.Понте-

корво // УФН. – 1965. – Т. 86. – Вып. 4. – С. 729-

732.

43. Попков, В.И. Мировоззренческие и методоло-

гические вопросы в курсе физики / В.И.Попков. –

Брянск: БИТМ, 1982. – 20 с.

44. Попков, В.И. Формирование диалектико-

материалистического мировоззрения студентов при

изучении курса физики / В.И.Попков // Учебный

процесс в техническом вузе: Активизация познава-

тельной деятельности студентов: межвуз. сб. ста-

тей. – Брянск: БИТМ, 1987. – С. 5-15.

45. Попков, В.И. Мировоззренческая направлен-

ность преподавания физики / В.И.Попков,

П.П.Рогонов // Мировоззренческое воспитание сту-

дентов в процессе преподавания общетехнических

и специальных дисциплин: Материалы межвузовск.

конф. : в 2-х ч. - Тбилиси, 1989. - Часть 1. – С.

188-195.

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 223: 559.физика в системе наук  учебное пособие

223

46. Попков, В.И. Использование принципа исто-

ризма для гуманизации курса физики / В.И.Попков

// Проблемы гуманизации образования в техниче-

ском вузе: Тезисы докл. межвузовск. конф. -

Брянск, 1992. - С. 26-28.

47. Попков, В.И. Проблемы взаимодействия

школьного и вузовского образования по физике /

В.И.Попков // Учебный процесс в техническом ву-

зе: сб. научн. трудов / под ред. В.И. Попкова. –

Брянск: БГТУ, 2001. – С.166-170.

48. Попков, В.И. Естественно-научная подготовка

инженеров / В.И.Попков // Качество инженерного

образования: материалы 2-й междунар. науч.-

метод. конф. / под ред. О.А.Горленко,

В.И.Попкова. – Брянск: БГТУ, 2005. – С.17 – 25.

49. Попков, В.И. Физика – основа профессио-

нальной подготовки инженера / В.И.Попков // Вестник БГТУ. – 2008. ─ № 4. – С. 127-133.

50.Попков, В.И. Безопасность и устойчивое раз-

витие – новые парадигмы сохранения цивилиза-

ции: учеб. пособие / В.И.Попков. – Брянск: БГТУ,

2008. – 32 с.

51. Попков, В.И. Ученые о естествознании /

В.И.Попков. – Брянск: БГТУ, 2008. – 256 с.

52. Попков, В.И. Введение в логику и методоло-

гию естественных наук / В.И.Попков. – Брянск:

БГТУ, 2009. – 175 с.

53. Попков, В.И. Устойчивое развитие как пара-

дигма сохранения цивилизации / В.И.Попков //

Вестник БГТУ. – 2009. – № 2. – С. 140-149.

54. Попков, В.И. Физика и её парадигмы в датах и

цитатах / В.И.Попков. – М.: Издательский дом

«ЛИБРОКОМ», 2010. – 208 с.

55. Попкова, Н.В. Введение в историю европей-

ской философии: учеб. пособие / Н.В.Попкова.

Брянск: Изд – во БГТУ, 2001. – 220 с.

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 224: 559.физика в системе наук  учебное пособие

224

56. Пригожин, И.Р. От существующего к возника-

ющему. Время и сложность в физических науках /

И.Р.Пригожин. – М.: Наука, 1985. – 328 с.

57. Пригожин, И.Р. Время, хаос, квант /

И.Р.Пригожин, М.Стенгерс. – М.: Прогресс, 1994. –

272 с.

58. Пригожин, И. Порядок из хаоса / И.Пригожин,

И.Стенгерс. – М: Прогресс, 1986. – 432 с.

59. Романовский, Ю.М. Молекулярные преобразо-

ватели энергии живой клетки. Протонная АТФ-

синтаза – вращающийся молекулярный мотор /

Ю.М.Романовский, А.Н.Тихонов // УФН. – 2010. –

Т.180. – № 9. – С. 931-956.

60. Рубаков, В.А. Темная материя и темная энер-

гия во Вселенной: презентация лекции /

В.А.Рубаков. – http://elementy/ru/lib/25560/25567

61. Рубаков, В.А. Физика частиц и космология:

состояние и надежды / В.А.Рубаков // УФН. – 1999.

– Т. 169. – № 12. – С. 1299-1309.

62. Светлов, В.А. История научного метода /

В.А.Светлов. – М.: Академический проект; Деловая

книга, 2008. – 700 с. – (Gaudeamus).

63. Селье, Г. От мечты к открытию. Как стать уче-

ным / Г. Селье. – М.: Прогресс, 1987. – 368 с.

64. Стёпин, В.С. Наука и философия / В.С.Стёпин

// Вопросы философии. – 2010. - № 8. – С. 58-75.

65. Тригг, Дж. Решающие эксперименты в физике

/ Дж.Тригг. – М.: Мир,1974. – 160 с.

66. Тришин, В.Н. Геометрические и топологиче-

ские структуры физики / В.Н.Тришин // Гиперком-

плексные числа в геометрии и физике. – 2008. – Т.

5. – № 1 (9). – С. 42-43.

67. Уилер, Дж. Гравитация, нейтрино и Вселенная

/ Дж.Уилер. – М.: Наука, 1962. – 498 с.

68. Фейнман, Р. Характер физических законов /

Р.Фейнман. – М.: Изд – во «Мир», 1968. – 232 с.

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 225: 559.физика в системе наук  учебное пособие

225

69. Физический энциклопедический словарь. –

М.: Сов. энциклопедия,1983. – 928 с.

70. Философский энциклопедический словарь. –

М.: Сов. энциклопедия, 1983. – 840 с.

71. Храмов, Ю.А. Физики: Биографический спра-

вочник / Ю.А.Храмов. – Киев: Наукова думка,

1977. – 510 с.

72. Чернавский , Д.С. Проблема происхождения

жизни и мышления с точки зрения современной

физики / Д.С.Чернавский // УФН. – 2000. – Т. 170.

- № 2. – С. 157-183.

73. Чернин, А.Д. Физика времени / А.Д.Чернин. –

М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит.,1987. – 224 с. –

(Б-чка «Квант»).

74. Швингер, Ю. Релятивистская квантовая тео-

рия поля / Ю.Швингер // УФН. – 1967. – Т. 91. –

Вып. 1. – С. 49-59.

75. Шредингер, Э. Что такое жизнь? С точки зре-

ния физика / Э.Шредингер. – М.: Атомиздат, 1972.

– 88 с.

76. Шредингер, Э. Мой взгляд на мир /

Э.Шредингер. – М.: КомКнига, 2005. – 152 с.

77. Эйген, М. Игра жизни / М.Эйген, Р.Винклер. –

М.: Наука, 1979. – 96 с.

78. Эйнштейн, А. Эволюция физики / А.Эйнштейн,

Л.Инфельд. – М.: Наука, 1965. – 327 с.

79. Эйнштейн, А. Физика и реальность /

А.Эйнштейн. – М.: Наука, 1965. – 360 с.

80. Эйнштейн, А. Собрание научных трудов: в 4 т.

/ А.Эйнштейн. – М.: Наука, 1967. – Т. 4. – 600 с.

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 226: 559.физика в системе наук  учебное пособие

226

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие …………………………………………………………….3

Предмет физики ……………………………………………….......5

Материя и движение ……………………………………………….5

Пространство и время …………………………………………..20

Материальное единство мира ………………………………30

Структура физики ………………………………………………….35

Физические методы исследования ………………………39

Эмпирические методы исследования ..………..40

Методы теоретического познания ………………..55

Общелогические методы и приемы ……………..60

Вероятностно-статистические методы …………80

Математика – универсальный язык физики ………85

Гипотеза и теория в физике ………………………………..94

Физика и научная картина мира ……………………….115

Дифференциация и интеграция в физике ……….125

Физика и философия ………………………………………….132

Связь физики с другими науками.……………………..138

Физика и техника ………………………………………………..150

Нерешенные проблемы физики …………………………167

Персоналии ………………………………………………………….172

Список использованной литературы …………………219

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Page 227: 559.физика в системе наук  учебное пособие

227

Учебное издание

Попков Владимир Иванович

ФИЗИКА В СИСТЕМЕ НАУК

Редактор издательства Т.И.Королева Компьютерный набор В.И.Попков

Темплан 2010 г., п. 72 Подписано в печать 30.11.10. Формат 60×84 1/16 Бумага офсетная. Офсетная печать. Усл. печ. л. 13,18. Уч.-изд. л. 13,18. Тираж 50 экз. Заказ

Издательство Брянского государственного технического университета 241035, Брянск, бульвар им. 50-летия Октября, 7, тел. 58 – 82 – 49 Лаборатория оперативной полиграфии БГТУ, ул. Институтская, 16

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»