Что было у истоков физики
Из истории физики
Семен А. Николаев
Россия, Санкт-Петербург
Февраль 17, 2013
Документы по борьбе с инакомыслием в науке.
1. Постановление ЦК ВКП(б) от 25.01.1931г.
Запрещение рассмотрения проблем физических взаимодействий на механической, материалистической основе.
2. Специальное постановление ЦК ВКП(б) от 1934г.
О дискуссии о релятивизме.
Жертвами этого постановления стали Н.А.Козырев и Н.П.Бронштейн.
3. Постановление ЦК ВКП(б) от 05.12.1942г.
4. Постановление Президиума АН от 1964г.
В этом постановлении предписывалось объявлять параноиками всех, кто критикует теории относительности Эйнштейна.
Сразу было выявлено 24 параноика среди учёных.
5. Постановление Президиума РАН от 1998г.
О создании комиссии по борьбе с лженаукой и фальсификации научных исследований во главе с академиком Э.П.Кругляковым.
Комиссия исправно функционирует.
Комиссия не скрывает, что следует принципу: ”Всё, что противоречит теориям Эйнштейна и теории ”Большого Взрыва“, является лженаукой“.
Главные идеологи этого мракобесия С.И.Вавилов, А.Ф.Иоффе, В.Л.Гинсбург.
Доклад на Ютубе
http://www.youtube.com/watch?v=eP1iYV96Sr8
Используемые источники
1. Николаев С.А. “Эволюционный круговорот материи во Вселенной”. 6-ое издание,
СПб, 2010 г., 320 с.
2. Николаев С.А. ”Ошибочный перевод Эйлера законов Ньютона“. СПб, 2011 г., 44 с.
3. Николаев С.А. “Постоянна ли скорость света? Конечно, нет”, СПб, 2012 г., 40 с.
Что было у истоков физики
Становление физики (до 17 в.). Физические явления окружающего мира издавна привлекали внимание людей. Попытки причинного объяснения этих явлений предшествовали созданию Ф. в современном смысле этого слова. В греко-римском мире (6 в. до н. э. – 2 в. н. э.) впервые зародились идеи об атомном строении вещества (Демокрит, Эпикур, Лукреций),была разработана геоцентрическая система мира (Птолемей), установлены простейшие законы статики (правило рычага), открыты закон прямолинейного распространения и закон отражения света, сформулированы начала гидростатики (закон Архимеда), наблюдались простейшие проявления электричества и магнетизма.
Итог приобретённых знаний в 4 в. до н. э. был подведён Аристотелем. Физика Аристотеля включала отдельные верные положения, но в то же время в ней отсутствовали многие прогрессивные идеи предшественников, в частности атомная гипотеза. Признавая значение опыта, Аристотель не считал его главным критерием достоверности знания, отдавая предпочтение умозрительным представлениям. В средние века учение Аристотеля, канонизированное церковью, надолго затормозило развитие науки.
Наука возродилась лишь в 15–16 вв. в борьбе со схоластизированным учением Аристотеля. В середине 16 в. Н. Коперник выдвинул гелиоцентрическую систему мира и положил начало освобождению естествознания от теологии. Потребности производства, развитие ремёсел, судоходства и артиллерии стимулировали научные исследования, опирающиеся на опыт. Однако в 15–16 вв. экспериментальные исследования носили в основном случайный характер. Лишь в 17 в. началось систематическое применение экспериментального метода в Ф., и это привело к созданию первой фундаментальной физической теории – классической механики Ньютона.
Формирование физики как науки (начало 17 – конец 18 вв.).
В 1-й половине 17 в. началось успешное изучение газов. Ученик Галилея Э. Торричелли установил существование атмосферного давления и создал первый барометр. Р. Бойль и Э. Мариоттисследовали упругость газов и сформулировали первый газовый закон, носящий их имя. В.Снеллиус и Р. Декарт открыли закон преломления света. В это же время был создан микроскоп. Значительный шаг вперёд в изучении магнитных явлений был сделан в самом начале 17 в. У.Гильбертом. Он доказал, что Земля является большим магнитом, и первый строго разграничил электрические и магнитные явления.
В это же время Гюйгенс и Г. Лейбниц сформулировали закон сохранения количества движения; Гюйгенс создал теорию физического маятника, построил часы с маятником.
Началось развитие физической акустики. М. Мерсенн измерил число собственных колебаний звучащей струны и впервые определил скорость звука в воздухе. Ньютон теоретически вывел формулу для скорости звука.
Т. о., в 17 в. была построена в основном классическая механика и начаты исследования в др. областях Ф.: в оптике, учении об электрических и магнитных явлениях, теплоте, акустике.
В 18 в. продолжалось развитие классической механики, в частности небесной механики. По небольшой аномалии в движении планеты Уран удалось предсказать существование новой планеты – Нептун (открыта в 1846). Уверенность в справедливости механики Ньютона стала всеобщей. На основе механики была создана единая механическая картина мира, согласно которой всё богатство, всё качественное многообразие мира – результат различия в движении частиц (атомов), слагающих тела, движении, подчиняющемся законам Ньютона. Эта картина многие годы оказывала сильнейшее влияние на развитие Ф. Объяснение физического явления считалось научным и полным, если его можно было свести к действию законов механики.
Важным стимулом для развития механики послужили запросы развивающегося производства. В работах Л. Эйлера и др. была разработана динамика абсолютно твёрдого тела. Параллельно с развитием механики частиц и твёрдых тел шло развитие механики жидкостей и газов. Трудами Д.Бернулли, Эйлера, Ж. Лагранжа и др. в 1-й половине 18 в. были заложены основы гидродинамики идеальной жидкости – несжимаемой жидкости, лишённой вязкости и теплопроводности. В «Аналитической механике» (1788) Лагранжа уравнения механики представлены в столь обобщённой форме, что в дальнейшем их удалось применить и к немеханическим, в частности электромагнитным, процессам.
Заметный прогресс произошёл в исследовании тепловых явлений; после открытия Дж. Блэкомскрытой теплоты плавления и экспериментального доказательства сохранения теплоты в калориметрических опытах стали различать температуру и количество теплоты. Было сформулировано понятие теплоёмкости, начато исследование теплопроводности и теплового излучения. При этом одновременно утвердились неправильные взгляды на природу тепла: теплоту стали рассматривать как особого рода неуничтожимую невесомую жидкость – теплород, способную перетекать от нагретых тел к холодным. Теория теплоты, согласно которой теплота – это вид внутреннего движения частиц, потерпела временное поражение, несмотря на то что её поддерживали и развивали такие выдающиеся учёные, как Ньютон, Гук, Бойль, Бернулли, Ломоносов и др.
Классическая физика (19 в.).
В начале 19 в. Дж. Дальтон ввёл в науку (1803) представление об атомах как мельчайших (неделимых) частицах вещества – носителях химической индивидуальности элементов.
Важнейшее значение для Ф. и всего естествознания имело открытие закона сохранения энергии, связавшего воедино все явления природы. В середине 19 в. опытным путём была доказана эквивалентность количества теплоты и работы и т. о. установлено, что теплота представляет собой не какую-то гипотетическую невесомую субстанцию – теплород, а особую форму энергии. В 40-х гг. 19 в. Ю. Р. Майер, Дж. Джоуль и Г. Гельмгольц независимо открыли закон сохранения и превращения энергии. Закон сохранения энергии стал основным законом теории тепловых явлений (термодинамики), получив название первого начала термодинамики.
Ещё до открытия этого закона С. Карно в труде «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824) получил результаты, послужившие основой для др. фундаментального закона теории теплоты – второго начала термодинамики. Этот закон сформулирован в работах Р. Клаузиуса (1850) и У. Томсона (1851). Он является обобщением опытных данных, свидетельствующих о необратимости тепловых процессов в природе, и определяет направление возможных энергетических процессов. Значительную роль в построении термодинамики сыграли исследования Ж. Л. Гей-Люссака, на основе которых Б. Клапейроном было найдено уравнение состояния идеального газа, обобщённое в дальнейшем Д. И. Менделеевым.
Одновременно с развитием термодинамики развивалась молекулярно-кинетическая теория тепловых процессов. Это позволило включить тепловые процессы в рамки механической картины мира и привело к открытию нового типа законов – статистических, в которых все связи между физическими величинами носят вероятностный характер.
Классическая статистическая механика была завершена в работах Дж. У. Гиббса (1902), создавшего метод расчёта функций распределения для любых систем (а не только газов) в состоянии термодинамического равновесия. Всеобщее признание статистическая механика получила в 20 в. после создания А. Эйнштейном и М. Смолуховским (1905–06) на основе молекулярно-кинетической теории количественной теории броуновского движения, подтвержденной в опытах Ж. Б. Перрена.
В 19 в. Г. Кирхгоф и Р. Бунзен заложили основы спектрального анализа (1859). Продолжалось также развитие механики сплошных сред. В акустике была разработана теория упругих колебаний и волн (Гельмгольц, Дж. У. Рэлей и др.). Возникла техника получения низких температур. Были получены в жидком состоянии все газы, кроме гелия, а в начале 20 в. Х. Камерлинг-Оннес (1998) ожижил гелий.
К концу 19 в. Ф. представлялась современникам почти завершенной. Казалось, что все физические явления можно свести к механике молекул (или атомов) и эфира. Эфир рассматривался как механическая среда, в которой разыгрываются электромагнитные явления. Один из крупнейших физиков 19 в. – У. Томсон обращал внимание лишь на два необъяснимых факта: отрицательный результат Майкельсона опыта по обнаружению движения Земли относительно эфира и непонятную с точки зрения молекулярно-кинетической теории зависимость теплоёмкости газов от температуры. Однако именно эти факты явились первым указанием на необходимость пересмотра основных представлений Ф. 19 в. Для объяснения этих и множества др. фактов, открытых впоследствии, понадобилось создание теории относительности и квантовой механики.
Релятивистская и квантовая физика. Физика атомного ядра и элементарных частиц ( конец 19 – 20 вв.).
Наступление новой эпохи в Ф. было подготовлено открытием электрона Дж. Томсоном в 1897. Выяснилось, что атомы не элементарны, а представляют собой сложные системы, в состав которых входят электроны. Важную роль в этом открытии сыграло исследование электрических разрядов в газах.
В конце 19 – начале 20 вв. Х. Лоренц заложил основы электронной теории.
В начале 20 в. стало ясно, что электродинамика требует коренного пересмотра представлений о пространстве и времени, лежащих в основе классической механики Ньютона. В 1905 Эйнштейн создал частную (специальную) теорию относительности – новое учение о пространстве и времени. Эта теория исторически была подготовлена трудами Лоренца и А. Пуанкаре.
Открытие частной теории относительности показало ограниченность механической картины мира. Попытки свести электромагнитные процессы к механическим процессам в гипотетической среде – эфире оказались несостоятельными. Стало ясно, что электромагнитное поле представляет собой особую форму материи, поведение которой не подчиняется законам механики.
В 1916 Эйнштейн построил общую теорию относительности – физическую теорию пространства, времени и тяготения. Эта теория ознаменовала новый этап в развитии теории тяготения.
На рубеже 19–20 вв., ещё до создания специальной теории относительности, было положено начало величайшей революции в области Ф., связанной с возникновением и развитием квантовой теории.
Т. о., на новом качественном уровне была возрождена корпускулярная теория света. Свет ведёт себя подобно потоку частиц (корпускул); однако одновременно ему присущи и волновые свойства, которые проявляются, в частности, в дифракции и интерференции света. Следовательно, несовместимые с точки зрения классической Ф. волновые и корпускулярные свойства присущи свету в равной мере (дуализм света). «Квантование» излучения приводило к выводу, что энергия внутриатомных движений также может меняться только скачкообразно. Такой вывод был сделан Н.Бором в 1913.
В тот же период (конец 19 – начало 20 вв.) начала формироваться Ф. твёрдого тела в её современном понимании как Ф. конденсированных систем из огромного числа частиц (
Представление о кристалле как о совокупности атомов, упорядоченно расположенных в пространстве и удерживаемых в положении равновесия силами взаимодействия, прошло длительный путь развития и окончательно сформировалось в начале 20 в. Разработка этой модели началась с работы Ньютона (1686) по расчёту скорости звука в цепочке упруго связанных частиц и продолжалась др. учёными: Д. и И. Бернулли (1727), Коши (1830), У. Томсоном (1881) и др.
Созданный Бором первый вариант квантовой теории был внутренне противоречивым: используя для движения электронов законы механики Ньютона, Бор в то же время искусственно накладывал на возможные движения электронов квантовые ограничения, чуждые классической Ф.
Достоверно установленная дискретность действия и её количественная мера – постоянная Планка h – универсальная мировая постоянная, играющая роль естественного масштаба явлений природы, требовали радикальной перестройки как законов механики, так и законов электродинамики. Классические законы справедливы лишь при рассмотрении движения объектов достаточно большой массы, когда величины размерности действия велики по сравнению с h и дискретностью действия можно пренебречь.
В 1926 Шрёдингер, пытаясь получить дискретные значения энергии атома из уравнения волнового типа, сформулировал основное уравнение квантовой механики, названное его именем. В.Гейзенберг и Борн (1925) построили квантовую механику в др. математической форме – т. н. матричную механику.
Квантовая статистика сыграла важнейшую роль в развитии Ф. конденсированных сред и в первую очередь в построении Ф. твёрдого тела. На квантовом языке тепловые колебания атомов кристалла можно рассматривать как совокупность своего рода «частиц», точнее квазичастиц, – фононов(введены И. Е. Таммом в 1929). Такой подход объяснил, в частности, спад теплоёмкости металлов (по закону T 3 ) c понижением температуры Т в области низких температур, а также показал, что причина электрического сопротивления металлов – рассеяние электронов не на ионах, а в основном на фононах. Позднее были введены др. квазичастицы. Метод квазичастиц оказался весьма эффективным для исследования свойств сложных макроскопических систем в конденсированном состоянии.
В 1928 А. Зоммерфельд применил функцию распределения Ферми – Дирака для описания процессов переноса в металлах. Это разрешило ряд трудностей классической теории и создало основу для дальнейшего развития квантовой теории кинетических явлений (электро- и теплопроводности, термоэлектрических, гальваномагнитных и др. эффектов) в твёрдых телах, особенно в металлах и полупроводниках.
Согласно принципу Паули, энергия всей совокупности свободных электронов металла даже при абсолютном нуле отлична от нуля. В невозбуждённом состоянии все уровни энергии, начиная с нулевого и кончая некоторым максимальным уровнем (уровнем Ферми), оказываются занятыми электронами. Эта картина позволила Зоммерфельду объяснить малость вклада электронов в теплоёмкость металлов: при нагревании возбуждаются только электроны вблизи уровня Ферми.
В работах Ф. Блоха, Х. А. Бете и Л. Бриллюэна (1928–34) была разработана теория зонной энергетической структуры кристаллов, которая дала естественное объяснение различиям в электрических свойствах диэлектриков и металлов. Описанный подход, получивший название одноэлектронного приближения, имел дальнейшее развитие и широкое применение, особенно в Ф. полупроводников.
В 1928 Я. И. Френкель и Гейзенберг показали, что в основе ферромагнетизма лежит квантовоеобменное взаимодействие (которое на примере атома гелия было в 1926 рассмотрено Гейзенбергом); в 1932–33 Л. Неель и независимо Л. Д. Ландау предсказали антиферромагнетизм.
Открытия сверхпроводимости Камерлинг-Оннесом (1911) и сверхтекучести жидкого гелия П. Л.Капицей (1938) стимулировали развитие новых методов в квантовой статистике. Феноменология. теория сверхтекучести была построена Ландау (1941); дальнейшим шагом явилась феноменология, теория сверхпроводимости Ландау и В. Л. Гинзбурга (1950).
В 50-х гг. были развиты новые мощные методы расчётов в статистической квантовой теории многочастичных систем, одним из наиболее ярких достижений которых явилось создание Дж.Бардином, Л. Купером, Дж. Шриффером (США) и Н. Н. Боголюбовым (СССР) микроскопической теории сверхпроводимости.
Попытки построения последовательной квантовой теории излучения света атомами привели к новому этапу развития квантовой теории – созданию квантовой электродинамики (Дирак, 1929).
Создание ускорителей заряженных частиц позволило изучать различные ядерные реакции. Важнейшим результатом этого этапа Ф. явилось открытие деления атомного ядра.
Как работает двигатель прогресса?
Глава первая. Век восемнадцатый
Изначально отдельные вопросы физики (преподававшейся по Аристотелю) изучались в рамках курса философии в двух крупнейших славяно-греко-латинских академиях: Киево-Могилянской и Московской. Только в начале XVIII века физика выделилась в самостоятельный предмет, отделившись от натурфилософии, сформировав свои собственные цели и задачи, как и приличествует настоящей дисциплине. Обучение тем не менее продолжалось на классических языках, то есть латинском и греческом, что существенно снижало количество изучаемых предметов.
Тем не менее, забегая вперед, отметим, что работа по созданию отечественной методической литературы по физике началась в России куда раньше, чем на Западе. Ведь у нас физика как учебный предмет была введена в школу в конце XVIII века, в то время как в Европе – только в конце XIX.
Пока же – Петр Первый. Эта фраза содержит в себе все: ожидание европеизации образования, его распространения и популяризации. Бороды тут ни при чем, забудьте о бородах. Повсеместное открытие новых учебных заведений позволило физике выйти на новый уровень и во второй половине XVIII века стать отдельным предметом в университетах.
 | Линия УМК А. В. Перышкина. Физика (7-9 классы) В доработанную версию УМК в конец каждой главы был добавлен обобщающий итоговый материал, включающий краткую теоретическую информацию и тестовые задания для самопроверки. Учебники также были дополнены заданиями разных типов, направленных на формирование метапредметных умений: сравнение и классификацию, формулирование аргументированного мнения, работу с разнообразными источниками информации, в том числе электронными ресурсами и интернетом, решение расчетных, графических и экспериментальных задач |
В Московском университете чтение лекций по физике с 1757 года сопровождалось демонстрацией опытов. В середине столетия оснащение университетов приборами позволило перейти от «мелового этапа» к этапу более сложному – «приборной физике», но в большинстве случаев изучение физических явлений не просто сопровождалось, но сводилось к детальному изучению приборов. Студент однозначно имел представление о принципе действия стержней, пластин, термометров и вольтова столба.
Глава вторая. Век девятнадцатый
От чего зависит успешность преподавания любого предмета? От качества программ, методов, материальной базы и языка учебников, наличия физических приборов и реактивов, уровня самого педагога.
В период, о котором мы говорим, единой программы по физике не существовало ни в школе, ни в университете. Что делали школы? Школы работали на основании материалов, которые разрабатывались в учебном округе, университеты – опираясь на курс авторитетного автора либо следуя авторскому курсу, утвержденному Коллегией профессоров.
Все изменилось во второй половине века. Уже упомянутый Физический кабинет Московского университета рос, коллекция демонстрационных приборов увеличивалась, активно влияя на эффективность преподавания. А в программе по физике 1872 года рекомендовалось давать учащимся основательные знания, для этого же «ограничиться числом фактов по каждому отделу явлений и изучать их вполне, чем иметь огромное количество поверхностных сведений». Вполне логично, учитывая, что теория физики на тот момент была логична и лишена крайне неустойчивых дилемм.
О педагогической деятельности Николая Алексеевича Любимова, выдающегося русского физика, профессора, одного из учредителей Московского математического общества, писали так: «Педагогическая деятельность Н. А. в Московском университете, несомненно, представляла значительный шаг вперед. В постановке преподавания физики приходилось начинать почти с азбуки, и доведение его до совершенства, которого оно достигло в руках Η. Α., требовало больших усилий и недюжинных способностей».Так-так, азбука – метафора или реальное положение дел? Кажется, что реальное и довольно похожее на современное положение дел во многих образовательных учреждениях.
Одним из самых популярных методов преподавания физики в XIX веке было механическое заучивание материала, в первом круге – по записям лекций, позже – по кратким учебникам. Неудивительно, что состояние знаний студентов вызывало тревогу. Тот же Николай Алексеевич довольно ясно выразился об уровне знаний гимназистов:
«Величайший недостаток учения у нас состоит в том, что оно доставляет только поверхностные сведения… Не одну сотню ответов пришлось нам слушать на экзаменах. Впечатление одно: отвечающий не понимает того, что сам доказывает».
Другой выдающийся и знакомый всем русский хирург, естествоиспытатель и педагог Николай Иванович Пирогов придерживался того же мнения, высказываясь в поддержку идеи важности не только личных качеств учителя, но методов его деятельности.
«Пора понять нам, что обязанность гимназического учителя не состоит только в одном сообщении научных сведений и что главное дело педагогики состоит именно в том, как эти сведения будут сообщены ученикам».
Понимание ошибочности такого подхода позволило перейти к принципиально новому по сравнению с веком восемнадцатым методу экспериментального преподавания. Не детальное изучение приборов и заучивание текста поставлено во главу угла, но самостоятельное получение новых знаний из анализа опытов. Список приборов Московского университета, составленный в 1854 году, насчитывал 405 приборов, большинство из них относились к разделу механики, около 100 – к разделу электричества и магнитных свойств, порядка 50 приборов – к теплоте. Стандартный набор любого кабинета и приборы, описание которых можно было бы найти в любом учебнике: архимедов винт, сифоны, ворот, рычаг, геронов фонтан, барометр, гигрометр.
Читайте по теме:
ЕГЭ по физике: решение задач о колебаниях
Устав 1864 года предписывал реальным (в приоритете предметы естественно-научного цикла) и классическим гимназиям иметь в распоряжении физические кабинеты, первым же – и химический класс в придачу. Активное развитие физики в 1860-х, ее неразрывная связь с промышленностью и развитием техники, общее повышение уровня студентов, как и количества желающих посвятить себя прикладной дисциплине, влияющей на будущее отечества, привели к «научному голоданию». Как это? Это острое ощущение нехватки специалистов, обладающих практикой научной работы. Как решить эту проблему? Верно, учить, как работать, и учить, как учить.
Первой обобщающей работой по методике преподавания физики стала книга Федора Шведова, выпущенная в 1894 году, «Методика физики». В ней были рассмотрены построение учебного курса, классификация методов и их психологическое обоснование, впервые было дано описание задач предмета.
«Задача науки методики состоит не только в развитии искусства, так сказать, виртуозности изложения, а главным образом в выяснении логических основ науки, которые могли бы послужить точкой отправления как для выбора материала, так и для порядка его расположения в каждом излагаемом курсе, цель которого предполагается намеченною».
Эта идея была прогрессивной для своего времени, более того, абсолютно не утратила своего значения и в современности.
Дореволюционный период характеризовался резким ростом числа методических изданий. Если собрать все новаторские идеи, содержащиеся в трудах Лерманова, Глинки, Баранова и Кашина, может получиться интереснейший список:
Именно расширение научных лабораторий, внедрение практик лабораторных работ в гимназическом и университетском образовании, развитие научных исследований привели к всплеску научных открытий на рубеже веков. Многие тенденции остались неизменными до наших дней, обеспечивая непрерывность и постоянное усовершенствование преподавания одной из самых важных для понимания мира дисциплин.
Глава третья. Век двадцатый
Двадцатый век можно считать не просто главой, но апогеем истории человечества. Две мировые войны, самые масштабные научные открытия, новые имена и полностью перевернувшаяся картина научного мира.
