Физика: Причины возникновения и этапы развития науки и учебной дисциплины. Цикл: Учебники по физике

Аристотель, ученик Платона, обобщил и представил древнюю натурфилософию как целостное учение. Его идеи стали основой нашего понимания природы. Аристотель жил с 384 по 322 год до нашей эры.

1. Аристотель критиковал Платона за введение ненаблюдаемых сущностей – идей. Он также был недоволен атомистами, которые, по его мнению, занимались тем же самым. Аристотель стремился создать собственное учение, но, как считается, ему это не вполне удалось. По Аристотелю, любая вещь представляет собой сочетание материи и формы.

2. Аристотель внес значительный вклад в развитие учения о движении, выделив шесть его основных форм. Его интересовало только локальное или механическое движение, которое он делил на два типа:

* **Идеальное движение небесных тел**: осуществляется по замкнутой кривой и не требует приложения сил, что делает его идеальным.

* **Движение всех остальных тел**: естественное, когда тело движется к своему естественному месту, вниз, если оно тяжелое, и вверх, если легкое; и насильственное, для которого существует «уравнение движения»: v = F/k, где v – скорость, F – сила, а k – сопротивление среды. Это означает, что вакуум невозможен.

До Аристотеля представления о движении были на уровне средней школы. Он знал, как складывать скорости, и создал теорию движения тела, брошенного под углом к горизонту. Эта теория точнее привычной, поскольку учитывает сопротивление среды.

Своим ученикам Аристотель дал задачу описать движение планет. Эвдокс объяснял это так: планеты вращаются на сферах, которые расположены вокруг указанных осей. У Аристотеля было 52 таких сферы, а у Эвдокса – 26.

В период с 3 века до н.э. (после распада империи Александра Македонского) и до середины 1 века до н.э. (когда Рим взял под свой контроль Египет) происходило множество значимых событий в истории науки.

Эпикур, представитель атомистического направления, продолжил развитие своих идей. Он утверждал, что движение атомов происходит по внутренним причинам. Чтобы у человека была свобода воли, атомы могли самопроизвольно отклоняться от своих траекторий.

Лукреций Кар в своём труде «О природе вещей» представил модель атомного (молекулярного) движения, а также идею о множественности миров и о том, что Земля является плоской и неподвижной.

Евклид, живший в 3 веке до н.э., создал геометрию, которая оставалась основой этого научного направления на протяжении двух тысячелетий.

Эратосфен измерил радиус Земли, что стало важным шагом к пониманию масштабов нашей планеты. Аполлоний и Гиппарх создали каталог на 1000 звёзд и разработали теорию эпициклов, которая описывала движение планет с помощью кругов (эпициклов) и вращения их центров вокруг Земли (деферента). Также появилась теория эксцентриков, согласно которой планеты вращаются вокруг центров, не совпадающих с положением Земли.

Хотя об авторах идеи эксцентриситета известно не так много, она стала основой для развития астрономии, которая, в свою очередь, внесла существенный вклад в области измерения времени и навигации.

Архимед, живший в Сиракузах, был талантливым ученым, внесшим значительный вклад в развитие различных областей науки, таких как гидростатика, оптика и «катоптрика» – теория отражения. Он также пытался сформулировать правило рычага, однако его геометрическая аксиоматика в механике не нашла своего применения.

Александрийский музей, созданный египетскими царями (Птолемеями), представлял собой уникальное учреждение в Северной Африке. Это был своего рода научно-исследовательский институт с полным пансионом для ученых, которые имели все необходимые условия для работы. Среди них был и Герон Александрийский, создатель эолопила – прообраза паровой турбины.

В период с середины I века до II века нашей эры подход к науке значительно изменился. Она стала более практической, что создавало трудности для натурфилософии. Однако математика и астрономия продолжали развиваться, и Птолемей (70—147 гг. н.э.) создал геоцентрическую систему, что стало значительным шагом вперед в понимании устройства мира.

В период с III по VI века нашей эры римская цивилизация переживала не лучшие времена. На её территории возникло множество мелких государств, где было не до науки. Единственными источниками знаний оставались энциклопедии.

В это время появилось учение Иоанна Грамматика, известного как «трудолюб». Он предложил свою концепцию «импетуса», которая стала предтечей современных представлений об импульсе и энергии.

Согласно Аристотелю, стрела летит благодаря тому, что её толкает воздух. Грамматик же считал, что стрела летит благодаря «импетусу» – силе, заключённой в луке.

В древности физика была частью философских исследований. Фактически, до появления современной науки она была идентична философии природы – дисциплине, которую сегодня называют естествознанием.

Как утверждает «социологическая школа» Эмиля Дюркгейма и Люсьена Леви-Брюля, отношение древних людей к реальности можно сравнить, хоть и с некоторыми отличиями, с магическим и ясновидящим мышлением народов, которые сегодня называют «примитивными».

«Духовная сущность человека в досовременную эпоху была такова, что каждое физическое восприятие обладало одновременно психическим аспектом, который придавал ему живость и наполнял смыслом, а также особым и сильным эмоциональным тоном.

Таким образом, древняя физика могла одновременно выступать в роли теологии и трансцендентальной психологии. Из-за вспышек, исходящих от материи, которые ощущались телесными чувствами, возникали метафизические сущности и, как правило, сверхчувственный мир.

Естественная наука была также и духовной наукой, и многие символы отражали различные аспекты этого уникального знания.»

(Юлий Эвола, «Герметическая традиция», стр. 45—46, Бари, Латерца, 1931)

Аристотелевская физика была сосредоточена на изучении качеств или сущностей «подлунного» мира природы, то есть мира, расположенного ниже уровня Луны, в отличие от небесного. Эти качества включали четыре классических элемента: Землю, Воду, Воздух и Огонь. С их помощью Аристотель объяснял природу каждого движения, которое, в свою очередь, было связано с четырьмя основными причинами: формальной, материальной, эффективной и окончательной.

В эллинистические времена в греческой цивилизации началось математическое изучение воспроизводимых явлений. Это привело к возникновению ряда дисциплин, которые, хотя и задумывались тогда как часть математических наук, были включены в физику:

* Механика, где основные достижения касались изучения равновесия и расчета механического преимущества простых машин. Некоторые интересные результаты, такие как работа Стратона Ди Лампсако, также были посвящены изучению падения могил.

* Гидростатика, разработанная главным образом Архимедом.

* **Оптика**: В этой области изучались явления отражения и преломления света. Благодаря теореме Эрона, принцип минимума впервые был применён к физике.

* **Пневматика**: Пневматика особенно интересовала учёных, поскольку она способствовала созданию различных приборов, таких как термоскоп. В процессе своего становления и развития физика и натурфилософия, как науки, тесно переплетались. Оба термина использовались как синонимы для обозначения дисциплины, которая стремилась раскрыть и сформулировать основополагающие силы природы.

С течением времени и по мере углубления специализации в современных науках, физика стала рассматриваться как отдельная область естествознания, не входящая в состав астрономии, химии, геологии и инженерного дела.

Однако физика продолжает играть важнейшую роль во всех областях естественных наук. В каждой из этих дисциплин существуют разделы, которые уделяют особое внимание физическим законам и измерениям. К ним относятся астрофизика, геофизика, биофизика и даже психофизика.

Таким образом, физику можно определить как науку о материи, движении и энергии, чьи законы, как правило, выражаются на языке математики, обеспечивая их экономное и точное изложение.

Конечная цель физики – выявить единый набор законов, которые управляют материей, движением и энергией на всех уровнях – от микроскопических субатомных масштабов до огромных космических просторов, таких как внегалактические просторы. И эта амбициозная задача в значительной степени была достигнута.

Хотя полностью единая теория всех физических явлений пока не создана, удивительно небольшой набор фундаментальных законов, по-видимому, способен объяснить все известные явления.

Классическая физика, которая развивалась примерно до начала 20 века, может эффективно объяснить движение макроскопических объектов, движущихся медленно по сравнению со скоростью света, а также такие явления, как тепло, звук, электричество, магнетизм и свет.

Современные достижения в области теории относительности и квантовой механики вносят изменения в эти законы, поскольку они касаются более высоких скоростей, массивных объектов и мельчайших составляющих материи, таких как электроны, протоны и нейтроны. **Древняя физика**

Фалес, первый известный физик, стал основателем этой науки, и его теории действительно принесли ему известность. Он был убежден, что мир, несмотря на разнообразие материалов, на самом деле состоит из одного основного элемента – воды, которую в древнегреческом языке называли Природой.

Фалес считал, что свойства различных материалов определяются взаимодействием воды в разных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Это было первое объяснение, которое вывело природные явления из-под влияния божественного провидения и позволило объяснить их с точки зрения естественных законов.

Анаксимандр, наиболее известный своей протоэволюционной теорией, не согласился с идеями Фалеса. Он предположил, что вместо воды основным строительным материалом всей материи является некая субстанция, которую он назвал Бесконечностью. Оглядываясь назад, мы можем сказать, что это была поистине гениальная гипотеза, которая очень напоминает идею о том, что водород является основой всей материи в нашей Вселенной.

Одним из первых известных древнегреческих физиков был Левкипп. Этот философ решительно выступал против идеи прямого божественного вмешательства в природу, утверждая, что все явления имеют естественные причины. Вместе со своим учеником Демокритом Левкипп разработал первую атомную теорию, согласно которой материя не может быть разделена бесконечно и в конечном итоге превращается в отдельные части, которые невозможно разделить.

Первая атомная теория

Эта древняя философская гипотеза предполагала, что все сущее можно объяснить бесчисленными комбинациями твердых, мелких и неделимых частиц разного размера, но из одного и того же основного материала. В современной научной теории материи химические элементы, объединяясь, образуют единое целое. Большое разнообразие веществ состоит из агрегатов схожих субъединиц, которые обладают ядерной и электронной инфраструктурой, характерной для каждого элемента.

Евклид и математика

Из-за различий в содержании различных книг и разного уровня математического образования может показаться, что Евклид был всего лишь редактором трактатов, написанных другими математиками. В какой-то степени это верно, хотя, вероятно, невозможно определить, какие части принадлежат ему, а какие были адаптированы его предшественниками. Современники Евклида считали его последнюю и самую авторитетную работу чем-то вроде комментариев к «Стихийным элементам».

Аристотелевская физика

Интересно, что, хотя Аристотель считается отцом науки и оказал положительное влияние на историю физики своей систематикой и практикой, он фактически препятствовал прогрессу физики на протяжении нескольких тысячелетий.

Он заблуждался, утверждая, что математическая теория и физический мир не имеют точек соприкосновения. Это свидетельствует о его чрезмерной сосредоточенности на знаниях. В своей теории элементов, которая стала важным дополнением к древней физике, Аристотель попытался объяснить такие концепции, как движение и гравитация. Эта теория также оказала влияние на алхимию и медицину.

Аристотель был убеждён, что вся материя состоит из сочетания пяти элементов: земли, воздуха, огня, воды и нематериального эфира. Он пошёл ещё дальше, предположив, что царство Земли окружено воздухом, за которым следуют царства огня и эфира.

Упражнение №3 Тестовое задание для закрепления материала по теме: «1.1. Формирование представлений о физике в античности: философские корни и первые научные исследования»

Для слабых учащихся

Часть 1: Тестовые вопросы (выбор одного правильного ответа)

– Кто из древнегреческих философов утверждал, что вода является началом всего сущего?

– a) Анаксимандр

– b) Фалес

– c) Анаксимен

– Какое из следующих утверждений относится к Анаксимену?

– a) Воздух является основой всего.

– b) Бесконечное – это начало всего.

– c) Элементом материи является огонь.

– Какое из этих древних сооружений служит примером научного мышления доисторических людей?

– a) Пирамида в Египте

– b) Стоунхендж

– c) Колизей

Часть 2: Заполните пропуски

– — это начальный этап в развитии физического знания, который наблюдается в доисторические времена.

– Натурфилософские учения зародились в около VI века до нашей эры.

Часть 3: Задачи

– Изучите закон падения тел. Если тело массой 10 кг свободно падает, то какую силу тяжести оно испытывает? (Сила = масса × g, g = 9.8 м/с²)

Для средних учащихся

Часть 1: Тестовые вопросы (выбор нескольких правильных ответов)

– Основные принципы натурфилософии древней Греции включают в себя:

– a) Поиск единого первоначала.

– b) Упразднение роли религии в объяснении природы.

– c) Применение абсолютно точных экспериментальных методов.

– d) Материалистическую интерпретацию мира.

– Что повлияло на развитие физики в античности?

– a) Изобретение письменности.

– b) Религиозные учения.

– c) Навигационные пути.

– d) Металлургические технологии.

Часть 2: Заполните пропуски

– Первые научные открытия появились на берегах рек и.

– Процесс формирования научного мышления основывался на наблюдении за явлениями.

Часть 3: Задачи

– Охарактеризуйте подход Анаксимандра к объяснению окружающего мира. Как он обосновывал свои идеи?

– Рассчитайте, какую Arbeit выполняет человек при подъеме груза массой 50 кг на высоту 2 метра. (Работа = масса × g × высота)

Для сильных учащихся

Часть 1: Открытые вопросы

– Проанализируйте роль философских учений древних греков в развитии натурфилософии. Как они повлияли на дальнейшее развитие физики?

– Каковы были философские взгляды Парменида и Зенона на материю и бытие? В чем заключается их влияние на последующие теории?

Часть 2: Задачи с расчетами

– Если подъемник поднимает груз весом 1500 Н на высоту 3 м, рассчитайте работу, выполненную подъемником.

– Рассмотрите парадокс Зенона о делении движения. Как этот парадокс может быть интерпретирован с точки зрения современной физики?

Часть 3: Исследовательское задание

– Напишите обзор о том, как физические идеи и открытия античности продолжают влиять на современную науку. Используйте примеры из физики и философии, упоминаемые в материале.

Эти тестовые задания предоставляют разнообразные форматы для проверки знаний учащихся разных уровней подготовки, начиная от простых вопросов на понимание основных моментов до более сложных задач и открытых вопросов для глубокого анализа. Задания помогают закрепить представления о философских корнях физики и ее научных исследованиях в античности.

1.2. Средневековый период: развитие физических знаний в рамках схоластики и натурфилософии

С начала V века и до XV столетия исламский мир стал свидетелем впечатляющего научного прогресса. Многие работы, написанные на латинском и греческом языках, были переведены на арабский.

Один из самых выдающихся ученых того времени, Авиценна (980—1037), родившийся в Бухари (современный Узбекистан), внёс огромный вклад в развитие физики, философии, оптики и медицины. Среди его наиболее значимых работ можно выделить «Закон о медицине», который продолжал изучаться в Европе вплоть до XVII века. Также стоит упомянуть «Книгу исцеления», «Книгу о возмещении общего вреда, наносимого человеческому организму», «Книгу о раскраске», «Трактат о политике в отношении тела», «О пользе напитков», «Трактат о том, как лечить людей», «О кровопускании» и «Трактат о еде и лекарствах».

Авиценна первым правильно описал первичный менингит, выявил причины желтухи, описал симптомы камней в мочевом пузыре и обратил внимание на положительное влияние психотерапии на процесс выздоровления.. Ибн Сина оставил значительный след в математике, разработав аббревиатуры, которые используются до сих пор: Евклид, маджмусти, наука о теле и артематика. Кроме того, он написал множество трудов по естествознанию и астрономии, среди которых можно выделить:

* «Послание об отмене судеб звезд»;

* «Послание о высших телах и причинах молний и грома»;

* «Послание о космосе»;

* «Послание о растениях и животных».

Ибн аль-Хайтам, математик из Басры в Ираке, живший в период с 965 по 1040 годы, по праву считается одним из основоположников современной оптики. В отличие от Птолемея и Аристотеля, которые считали, что свет падает из глаза на объекты, которые мы видим, Ибн аль-Хайтам утверждал, что свет распространяется от предметов к глазу.

Его работы были переведены и изучены в Западной Европе, в частности, Роджером Бэконом и Уитлоу. Ему приписывают изобретение фотоаппарата, и он был первым, кто полностью объяснил анатомию глаза и описал функции его органов. Кроме того, Ибн аль-Хайтам стал первым, кто исследовал эффекты и психологические аспекты зрения.

В своей книге он также изложил уравнение четвертого порядка, описывающее отражение света.. Его диссертация представляла собой трактат о свете, который служил дополнением к его книге по этой теме. В ней он исследовал свойства освещения и излучения, рассеивающегося через различные прозрачные среды.

Он также провел множество анатомических исследований человеческого глаза и изучал оптические аберрации. Его работы охватывали свойства радуги, плотность света в атмосфере и иллюзию Луны.

В рукописи статьи в «Курстуне» упоминается трактат о центрах тяжести. Кроме того, у него есть диссертация под названием «В Млечном пути», в которой он решал проблемы, связанные с галактикой и смещением Млечного пути.

В рукописи «Небесные ряды» изображена модель планет, похожая на модель Тихо Браге. В этой работе также был обнаружен четырехугольник Ламберта, также известный как четырехугольник Ибн аль-Хайтама-Ламберта.

Омар Хайям, персидский ученый, живший с 1048 по 1131 год, рассчитал продолжительность солнечного года с удивительной точностью – она отличается от текущей всего на несколько секунд.

Омар Хайям также стал первооткрывателем в области тригонометрии и алгебраических уравнений третьей степени. Он предложил метод их решения, основанный на разрезании конуса. Кроме того, Омар Хайям известен как автор кватернионов – математических объектов, которые находят применение в современной физике.

Физика в Средние века**

500 год нашей эры: Иоанн Грамматик создает теорию об оплате.

984 год: Сын Сахля открывает закон преломления.

1010 год: Ибн аль-Хайтам изучает оптику и выдвигает концепцию ограничения скорости света.

Около 1030 года: Авиценна формирует понятие силы.

1050 год: Аль-Бируни приходит к выводу, что скорость света значительно превышает скорость звука.

Около 1100 года: Багдади создает теорию движения, выделяя различия между скоростью и ускорением.

**Мусульманские ученые XVI века**

В период с VII по XIV века Восточная и Западная Римская империи развивались по-разному.

Восток

На Востоке образовалось множество арабских государств. Арабы вели завоевательные походы, чтобы получать дань, но не навязывали свою религию.

Первый университет был основан в Кордове, Испания, в 755 году. Затем появились университеты в Багдаде (795) и Каире (972).

В это время зародилась алгебра, а также теория весов и прецизионные измерения, такие как плотность и объём. Арабский язык стал языком науки. Учение о двойственности истины, например, религиозной и научной, позволяло им сосуществовать без инквизиции.

Хорезми

Мухаммед бен Муса аль-Хорезми (787 – ок. 850) – автор основополагающих трактатов по арифметике и алгебре, которые были переведены на латинский язык в XII веке. Его «Книга о восстановлении и противопоставлении» оказала значительное влияние на развитие математики в Западной Европе. Он также написал труды по астрономии, географии и другим наукам.

Ибн аль-Хайсам, известный как Альгазен (965, Басра – около 1039), был арабским учёным, который работал в Каире. Он написал два трактата, посвящённых анализу «Начал» Евклида. В этих работах он рассматривал определения, аксиомы и постулаты, а также теорию параллельных.

Кроме того, Ибн аль-Хайсаму принадлежат работы в области физики, где он дал наиболее полное изложение оптики своего времени. Также он оставил работы по медицине, в которых его данные о строении глаза были близки к современным. Кроме того, он занимался философией.

Омар Хайям, также известный как Гиясаддин Абу-ль-Фатх ибн Ибрахим, родился примерно в 1048 году в Нишапуре и умер после 1122 года там же. Этот персидский и таджикский поэт, математик и философ провёл большую часть своей жизни в городах Средней Азии и Ирана.

В философии он был последователем Аристотеля и Ибн Сины. Его математические сочинения включают трактат «О доказательствах задач алгебры и алмукабалы», где он представил систематическое изложение решения уравнений до третьей степени включительно в геометрической форме.

В трактате «Комментарии к трудным постулатам книги Евклида» он разработал оригинальную теорию параллельных. В работе «Об искусстве определения количества золота и серебра в состоящем из них теле» он рассмотрел известную классическую задачу, ранее решенную Архимедом.

Аль-Хазини был учеником Омара Хайяма, который вместе с учителем развивал теорию весов. В результате они создали «весы мудрости» – устройство, позволяющее определять чистоту драгоценных металлов и выявлять подделки. Эти весы представляли собой градуированное коромысло с пятью перемещающимися чашечками. Их точность составляла до 1/1000 от полной нагрузки, которая составляла 4,464 кг или 1000 мискалей.

Улугбек (1409 – 1449) – известный астроном, который в 1428 году построил обсерваторию Улугбека в Самарканде. Она представляла собой стенной квадрант с радиусом 40 метров. Улугбек составил каталог на 1018 звезд.

Западная Европа. С 10 века на территории бывшей Западной Римской империи, где ранее господствовали варвары, начали возникать государства. Появились первые «колледжи», а затем и университеты, которые находились под сильным влиянием церкви. В этот период были переизобретены бумага и компас, созданы механические часы (12 век), огнестрельная артиллерия (13 век) и книгопечатание (14 век), что было связано с именем Гуттенберга. В производственном плане Запад значительно опередил Восток.

Учение о двойственности истины не получило широкого распространения. **Физика в средневековом мусульманском мире**

В Средние века механика была одной из самых развитых наук, развивавшейся на основе основных положений Аристотеля. Средневековые физики критиковали и пытались улучшить многие аспекты аристотелевской физики.

Одной из ключевых проблем в аристотелевской механике было движение снаряда. Анализ этой проблемы стал одним из самых впечатляющих достижений средневековой физики, поскольку для объяснения непрерывного движения снаряда после потери контакта с землёй требовалось постоянное воздействие динамики. В период Средневековья и эпохи Возрождения многочисленные труды античных и раннесредневековых ученых способствовали сохранению и передаче знаний о природе.

Особое значение в арабском культурном пространстве имели сборники и комментарии Авиценны и Аверроэса, которые также оказали влияние на восприятие античных идей на латинском Западе в XII и XIII веках.

Однако на протяжении долгого времени на латинском Западе был утрачен интерес к систематизации и обобщению физических знаний, который проявлял Аристотель. Вместо этого, природа рассматривалась как знак божественной воли и, следовательно, как источник откровения, что нашло отражение, например, в библейском толковании Августина, созданном около 400 года.

Интерес к природе как к источнику объяснений становится особенно заметным в начале 12 века. Одним из ярких представителей этого направления является Аделард Батский. Он уже не рассматривает природу как «книгу» божественных знамений, а описывает естественные биологические, физиологические, космологические и климатологические явления в своих работах. Аделард опирается не на книжное знание, а на наблюдения и эксперименты, хотя и не разрабатывает методологию этого процесса.