Физика
Физика — наука о фундаментальных основах окружающего мира, его строении и взаимодействии.
Физические константы Принцип дальнодействия Энергия
Содержание
[убрать]Разделы физики
Механика
Механика изучает движение физических тел, взаимодействие между телами без вникания во внутреннюю структуру тел. Включает в себя три направления:
- Статика — рассматривает механические системы находящихся в состоянии равновесия.
- Кинематика — решает задачи движения тел и систем безотносительно побуждающих причин.
- Динамика — изучает причины движения тел.
Существует также направление квантовой механики, находящееся в разделе квантовой физики и направление теоретической механики, рассматривающее абстрактные задачи движения.
Термины: Амплитуда Модуляция Резонанс Фаза Частота Закон Архимеда Длина Время Импульс Сила Мощность
Физика сплошных сред
Изучает структуру и поведение (взаимодействия и движение) различных веществ, и их агрегатных состояний, и подразделяется на физику твёрдых тел, гидродинамику и гидростатику, аэродинамику, физику плазмы.
Теория относительности
Состоит из специальной теории относительности, являющейся расширением классической механики в область присветовых скоростей, и общей теории относительности, представляющую кардинально иной взгляд на природу гравитации, понятия события, структуру пространства-времени.
Горизонт событий Инвариантность Релятивистская физика Чёрная дыра Эфир
Термодинамика
Термодинамика — раздел, занимающийся термодинамическими системами, явлениями связанными с температурой, теплом. Рассматривает системы из очень большого числа частиц, используя методики теории вероятности и статистики для исследования их свойств.
Закон Авогадро Абсорбция Давление Кинетическая теория Вещества
Электродинамика и магнетизм
Раздел занимается электромагнитными явлениями.
Скорость света Электромагнетизм Изолятор Индукция Единицы измерения Ампер Вольт Ватт Тесла Амперметр Ваттметр Вольтметр
Оптика
Оптика изучает вопросы распространения света в различных системах.
- Геометрическая оптика, самое древнее направление оптики — направление о распространении света в системах, не включающих в себя волновые эффекты и среды с переменным показателем преломления. В законах использует простейшие геометрические представления о свете.
- Волновая оптика изучает волновые явления и явления связанные с цветом. Использует аппарат электродинамики, учитывая волновую электроманитную природу света.
- Градиентная оптика изучает распространение света в средах с переменным коэффициентом преломления.
- Нелинейная оптика изучает непосредственное взаимодействие пучков света друг с другом в различных средах.
Аберрация Дисперсия Зона Френеля Интерференция Индуцированное излучение Когерентность Лазер Мазер Поляризация
Акустка
Акустика — раздел физики, занимающийся изучением звука.
Квантовая физика
Квантовая физика изучает природу квантовых частиц и их ансамблей. Квантовомеханические явления имеют принципиально иную природу, нежели явления классической механики. Важнейшим принципом квантовой механики является принцип неопределённости. Направления:
Атом Атомная орбиталь Касп Молекулярная орбиталь Синглетное состояние Триплетное состояние Электронная корреляция Электронная оболочка
Теоретическая физика
Теоретическая физика рассматривает поведение абстрактных физических моделей без привязки конкретным физическим явлениям.
Прочие разделы физики и разделы на стыке наук
Физика активно взиможействет с другими науками, порождая смежные дисциплины: физическую химию, биофизику, астрофизику и др.
Анод Анионы Аккумуляторы Катод Катионы Ионы
Задачи Физики
К группе точных наук, изучающих явления и закономерность в последовательности их, принадлежат две родственные науки химия и физика. Обе эти науки исследуют явления, происходящие с телами природы; но в то время, как химия внимание свое почти исключительно посвящает изучению зависимости явлений от природы вещества, с которым эти явления происходят, и специально изучению тех изменений в веществе, которые этими явлениями вызываются, Ф., наоборот, стремится изучать явления раньше всего независимо от природы тел, участвующих в явлениях, и затем только обращает внимание на те особенности, которые наблюдаются в явлениях, в зависимости от характера тел, участвующих в них. Одно и то же явление может быть объектом исследования и для химии, и для физики; но характерно различны те стороны, с которых эти две родственные науки смотрят на явление. И химия, и физика найдут, напр., в горении куска угля почву для исследования; но химия обратит раньше всего внимание на явление образования из углерода и кислорода новых веществ - окиси углерода и углекислоты, изучит, сколько в этих веществах заключается углерода, сколько кислорода. Иначе взглянет на это явление Ф.; она увидит в горении угля явление нагревания тела, затем явление свечения горящего тела, и раньше всего изучит излучение света и нагревание, независимо от того, нагревается ли уголь или какое-либо другое тело. Каждое явление, рассматриваемое химией, имеет несомненно стороны, изучение которых подлежит Ф., но не наоборот: существуют большие группы разнообразных явлений - как то: явления звука, многие магнитные и электрические явления, - которые всецело принадлежат Ф. Химия не находит в них материала для исследования, так как вещество во многих из этих явлений в составе и строении, по-видимому, не меняется. Эти соображения и привели к обычному определению и разграничению областей деятельности Ф. и химии: химия исследует явления, в которых состав и строение вещества меняются; Ф. посвящена изучению явлений в веществе, не изменяющих его состава. Это обычное определение слишком узко и в то же время слишком резко разграничивает родственные области этих наук. В действительности существует обширная пограничная область, которую с одинаковым правом каждая из этих наук может считать своей, - это область, занимающаяся изучением изменений физических свойств вещества в зависимости от их химического состава. В конце истекшего (XIX) стол. эта область выделилась в отдельную дисциплину - физическую химию, значение которой с каждым днем растет. Нет ничего труднее, как точно определить границы какой-либо науки. В особенности это трудно для Ф., которая по обширности своих задач не имеет, может быть, равной себе среди других наук. Изучая некоторые стороны всех явлений, она неизбежно встречается в различных частях своих не только со всеми науками, занимающимися изучением природы, но и с науками философскими, даже с теорией искусств - художества и музыки. Таким образом, границы ее очертить нельзя и, следовательно, невозможно определить задачи Ф. указанием границ ее. Между тем, есть одна характерная сторона этой науки, которая резко отличает ее от всех других родственных ей наук: это именно методы и приемы исследования, которыми Ф. пользуется.
Методология
Основой всякого изучения природы является наблюдение, т. е. познавание отдельных явлений в природе через посредство впечатлений, производимых этими явлениями на наши органы чувств. Наблюдая внимательно все явления, мы замечаем, что некоторые характерные особенности явлений повторяются в известной последовательности или проявляются всегда при известной обстановке. Прирожденная человеку пытливость заставляет его ближе изучить эти явления, т. е. подробнее рассмотреть и точнее формулировать условия, при которых эти явления наблюдаются. Можно было бы для этой цели веками копить наблюдения над явлениями, происходящими в природе независимо от воли человека, и из огромного комплекса произведенных таким путем наблюдений черпать знания [Таким путем идет, напр., и теперь еще метеорология]. Но явления в том виде, в котором они поддаются нашему наблюдению в круговороте природы, до того сложны, что является делом в высшей степени трудным, часто невозможным, отделить существенные условия, необходимые и достаточные для того, чтобы вызвать рассматриваемое явление. Желая ускорить и облегчить изучение явлений, человек создал новый метод исследования - опыт. Вызывая в опыте искусственно условия, при которых явление происходит, можно искусственно вызвать это явление; меняя условия опыта и изучая вызванные ими изменения в характере явления, наблюдатель может отделить в явлении существенное от случайного, найти те необходимые и достаточные условия, которые явление вызывают, и внимательно изучить детали его. Помещая различные предметы на дно сосуда с водой, наливая эту воду в сосуды различной формы и материала, наблюдатель убеждается, что на величину кажущегося глазу смещения предмета, находящегося под водой, ни характер предмета, ни особенности сосуда не влияют. Заменяя воду другими жидкостями, наблюдатель находит, что у различных жидкостей это смещение будет различным. Исследуя величину смещения при различных положениях глаза относительно поверхности жидкости, наблюдатель приходит, наконец, к убеждению, что все явление это происходит так, как если бы лучи света, исходящие от тела, при переходе из жидкости в воздух внезапно меняли свое направление, увеличивая свой угол наклона к поверхности жидкости; глаз наблюдателя, помещенный над жидкостью, видит тело на пересечении продолжения лучей в новом месте, и потому тело ему кажется смещенным относительно истинного своего положения. Таким образом, изучая при помощи опыта случайное наблюдение, человек открывает новое более общее явление - явление преломления лучей света при переходе из одной среды в другую, и объясняет им свое наблюдение. Пытливость заставляет исследовать вопрос дальше: как происходит преломление лучей при переходе из одной среды в другую? Целым рядом новых опытов наблюдатель убеждается, что лучи, разно наклоненные к поверхности жидкости, разно отклоняются от своего пути; чем больше угол, образуемый лучом с перпендикуляром, восстановленным к поверхности в точке падения луча, тем больше и отклонение β луча от первоначального направления. Наблюдатель перестает затем довольствоваться найденными им качественными свойствами явления и переходит к количественному исследованию вопроса. Исследуя, напр., явление преломления света, он подвергает измерению углы преломления γ, соответствующие различным углам падения α, и из сопоставления полученных им численных данных приходит к убеждению, что величины α и γ связаны друг с другом некоторой определенной зависимостью; он старается найти эту зависимость и сформулировать ее. Математика дает ему огромное количество типов, выражающих разнообразнейшие возможные зависимости двух величин одна от другой; между этими типами зависимостей он ищет ту, которая лучше всего могла бы выразить взаимозависимость между α и γ. Наконец он находит, что отношение синусов углов α и γ есть величина постоянная, зависящая от природы жидкости, на границе которой происходит преломление: Sinα /Sin γ = n. Таким образом найден численный закон, управляющий явлением. Наблюдатель проверяет его над различными жидкостями, находит его правильным для всех из них; он определяет величину n для различных жидкостей и твердых тел и получает ряд величин (показателей преломления), характеризующих вещество по отношению к прохождению света через него. Численный закон явления представляет могущественнее орудие в руках исследователя. Он прилагает его мысленно к преломлению света через различнейшие, разнообразнейшим образом ограниченные середины, через пластины, призмы и чечевицы, и, пользуясь приемами математики для того, чтобы легче и вернее проследить за сложным ходом лучей, путем дедукции, одним умозрением может прийти к необходимости существования целого ряда новых явлений - схождения лучей в фокусе чечевицы, отклонения луча призмой и т. д. Он проверяет свои теоретические выводы снова на опытах и находит, что они подтверждаются: выросло, таким образом, целое учение о преломлении света. Дружной работой исследователей накопляется в течение многих лет столь огромный комплекс фактов и закономерных зависимостей между явлениями, что необходимым является их классифицировать по группам. В каждой группе объединяются явления и законы, по внешним признакам сходные, и таким образом физику разлагают на отделы - на учение о свете, учение о теплоте, учение о магнитных явлениях и т. д. Группы эти ни резко отграничены, ни стойки: одни и те же явления часто могут быть относимы с одинаковым правом и к одной группе, и к другой; сообразно с духом и направлением науки в данное время целый комплекс явлений причисляется то к одной из них, то к другой.
Гипотезы и теории
Каждый из выделившихся таким образом из общей совокупности знаний по физике отдел представлял бы в необработанном виде лишь хаос более или менее точно описанных явлений, связанных рядом эмпирически найденных, ничем друг с другом не связанных закономерных зависимостей. В таком виде отдел Ф. не представлял бы еще науки; ему недоставала бы путеводная нить, общая идея, которая соединила бы все разрозненное и дала бы возможность рационально вывести все наблюденное из немногих общих положений. В поисках за этой путеводной нитью, человек создает себе ряд искусственных картин того, каким образом весь этот комплекс явлений мог бы быть объяснен какими-нибудь придуманными человеком свойствами вещества. Созданная человеком гипотеза о свойствах вещества, вызывающих данный комплекс явлений, объединяет явления и законы в стройное здание. Но основы этого здания еще шатки; гипотезу необходимо проверить - и создатель гипотезы и его последователи стараются извлечь из гипотезы путем логических умозаключений необходимость возможно большого числа новых явлений, новых связей между старыми явлениями. Опыт либо подтверждает их заключения - предсказания гипотезы, либо противоречит им. В первом случае гипотеза крепнет, становится на твердую почву, право ее на существование становится временно неоспоримым; во втором случае гипотеза, не выдержавшая очной ставки с опытом, гибнет, исчезает, уступая свое место какой-либо другой, более жизнеспособной. С течением времени количество исследованных явлений и познанных законов растет, и гипотеза, чтобы удержать свое положение в науке, должна удовлетворить всем явлениям, всем законам; один какой-либо факт, сам по себе, может быть, второстепенный, еле заметный, но резко противоречащий господствующей в настоящее время гипотезе, может заставить изменить ее, а не то и низвергнуть. Зато, если гипотеза хорошо выдержала все поставленные ей искусы, она плотно внедряется в науку и становится незыблемой частью ее. Какие представления кладутся в основу гипотез? Единственное непосредственно постигаемое человеком есть вещество, единственное явление в веществе, не вызывающее в нем сомнений по природе своей, есть движение вещества. Поэтому в основании гипотезы мы видим обыкновенно предположение об особенном виде движения известного нам вещества или предположение о существовании особенного вещества, бывшего нами доселе незамеченным и движения в котором вызывают объясняемые гипотезой явления. Таковы старые и новые гипотезы о причине явлений тепловых и световых, магнитных и электрических; в основе всех лежит существующее или специально для того придуманное вещество; движения в этом веществе или возбужденные движением упругие изменения в веществе вызывают, по нашим представлениям, явления, объясняемые гипотезой. История Ф. показывает нам, что возможно одновременное появление нескольких гипотез, одинаково удачно объясняющих какой-либо комплекс явлений. Следует отдать предпочтение, очевидно, той из них, которая 1) проще других, т. е. основывается на более общих свойствах вещества, и 2) которая обнимает наиболее обширный комплекс явлений. В начале X IX в. имелось столько же отдельных гипотез, сколько было отдельных физических агентов; были гипотетические вещества - теплород, вызывавший явления тепла, электрические и магнитные жидкости, присутствие которых вызывало явления электрические и магнитные. Ни одна из этих гипотез не оказалась жизнеспособной, и все они в настоящее время исчезли, вытесненные двумя основными гипотезами о молекулярном движении вещества (явления тепловые) и о существовании упругих натяжений и сжатий (явления электрические и магнитные) и волнообразных движений (явления света и некоторые электромагнитные явления) в гипотетическом веществе эфире. Эти две новые основные гипотезы победили лишь потому, что они проще и, главным образом, значительно общнее старых. Человек не может удовольствоваться знанием точных закономерных зависимостей между явлениями, не делая попыток объяснять связь между явлениями. Гипотеза в Ф. необходима, потому что окрыляет ум, дает ему возможность одним взором охватить мысленно целый, иногда огромный, комплекс фактов; давая уму путеводную нить в классификации явлений, она является в то же время могущественнейшим мнемоническим средством. Но даже не во всем этом заключается главная научная ценность гипотез, а в том, что они дозволяют предсказывать явления, быть может, еще не наблюденные. Стремление проверить на опыте следствие, чисто логическими умозаключениями выведенное из гипотезы, является наиболее частым и наиболее могущественным стимулом к научной работе. "Предвзятая мысль или гипотеза есть необходимая точка исхода всякого опытного исследования; без нее немыслимо открыть что-либо новое", - говорит Клод Бернар. Современный физик мыслью своей живет, таким образом, в особом воображаемом, созданном им же гипотетическом мире и привыкает мало-помалу видеть явления лишь в им же искусственно созданном освещении. Естественно, что гипотезы, лежащие в основе его науки, приобретают для него мало-помалу характер реального бытия и сама наука становится мало-помалу лишь наполовину опытной, наполовину же является изучением логических дедукций из опытно найденных законов и из гипотез.
Роль механики и математики в физике
При выводе логических дедукций из опытно найденных законов могущественным орудием физики является математика. Всякая закономерная связь между факторами, определяющими явление, может считаться только тогда точно известной, когда допускает математическую формулировку закона взаимозависимости факторов. Раз такой закон известен, Ф. пытается возможно использовать его, применяя закон к решению множества вопросов, возникающих при рассмотрении сложных явлений, в основе которых лежит явление более простое (часто даже просто схема явления), характеризуемое найденным законом. В этих применениях физик и принужден прибегнуть к математике, дающей часто возможность чисто механическим путем прийти к результату, вывод которого путем одного размышления потребовал бы необыкновенной работы ума, а в большинстве случаев был бы даже немыслим. Математика не может дать ничего такого, что бы в скрытом виде не хранилось уже в положенном в основание математического анализа законе; но зато она дает нам возможность 1) охватить сразу явление такой сложности, что сделать выводы из него путем одного размышления не под силу человеческому уму; 2) прийти к окончательному выводу, не останавливаясь на промежуточных ступенях и посылках, внимательное рассмотрение каждой из которых необходимо входило бы в решение того же вопроса чисто умозрительным путем. Математикой, как всяким орудием, можно пользоваться более или менее умело. История Ф. указывает нам на наиболее блестящих страницах своих на выдающихся физиков-математиков, которые, искусно пользуясь всем арсеналом современной им математики, из нескольких простых законов умели выводить наиболее далекие, наиболее неожиданные заключения; назовем в качестве примера только Фурье - создателя всей теории теплопроводности. Но "истинный дух Ф. должен неустанно направлять рациональное употребление этого могущественного орудия" (Ог. Конт), и в истории Ф. имеются удивительные примеры того, как бесплодны могут быть для Ф. остроумнейшие работы великих математиков, если этот "истинный дух Ф." не руководил ими. Нельзя ставить математике в вину несогласие некоторых выводов ее с результатами опыта; всегда в таких случаях основные опытные законы, положенные в основание выводов, оказываются либо лишь приближенно верными, либо неполными. Наоборот, несогласие это часто указывало на неточность выведенных из опыта законов, и тем самым заставляло пересматривать, переоценивать добытые результаты, проверять их при помощи новых опытов, и тем самым способствовало развитию науки. Другое, еще более важное поле применения математики в Ф. - это применение ее к исследованию гипотез. Мы видели выше, какую важную роль играет гипотеза в развитии Ф.; гипотеза о причине какого-либо комплекса явлений основывается почти всегда, как мы видели, на предположении об особом характере движения какого-либо реального или гипотетического вещества. Если, исходя из подобной гипотезы, мы пожелаем прийти к каким-либо частным выводам относительно характера явления при наличности каких-либо особых условий, то по необходимости должны будем исследовать частный случай той или другой формы движения вещества. Наука, исследующая движение вещества, есть механика, и к ней мы должны будем прибегнуть, чтобы поставить нашу задачу и чтобы решить ее. Механика, в свою очередь, представляет лишь свод математическим анализом найденных наиболее общих зависимостей между факторами, определяющими движение вещества, причем исходной основой для применения анализа послужило опять небольшое число чисто эмпирическим путем найденных законов. Таким образом, и исследование гипотезы путем вывода из нее следствий, допускающих опытную прямую или косвенную поверку, сводится в конце концов к применению математического анализа. В этой области применения математика еще более плодотворна, чем в той, о которой мы упоминали выше; напомним только классические труды Френеля, Юнга по разработке эфирной теории света, и работы Масквелля и других последователей Фарадеевой теории электрических и магнитных явлений. Если мы будем рассматривать и излагать всю систему Ф. единственно как ряд математических дедукций из гипотез об основных причинах явлений, то Ф. сведется в главных чертах лишь к решению ряда более или менее сложных математических задач; так, рассматриваемое учение о физических явлениях называют обыкновенно математической Ф. в отличие от Ф. экспериментальной (опытной, вернее, феноменологической), рассматривающей явления и взаимозависимость между ними сами по себе, не останавливаясь на вопросе о том, могут ли эти явления и связующие их законы быть выведены как необходимые следствия из какой-либо механической картины. Очевидно, что гармоничное и успешное совершенствование Ф. возможно лишь при параллельном движении ее вперед по обеим указанным дорогам.
История физики
Можно выделить несколько этапов развития физики.
Представления о природе в античном мире
В эпоху античности ещё не существовало единой науки об устройстве мира, а были лишь, с одной стороны, фрагментарные сведения о физических явлениях, имевшие, в основном, прикладное значение, с другой стороны существовали полумифологические-полуфилософские представления об основах мироздания.
Зачатки физики, как науки
Появление физики, как науки, можно связать с появлением эксперимента как инструмента познания. Галилео Галилей поставил известный опыт с падением лёгких и тяжёлах предметов с пизанской башни. Это событие можно считать первым физическим экспериментом, открывшим эпоху активного исследования, в противовес пассивному наблюдению.
Период классической физики
Эпоха индустриализации ознаменовалась и бурным развитием естественных наук и физики в частности. В этот период появилась серьёзная необходимость в развитии и совершенствовании естественнонаучных знаний. В этот период стал важнейшим для классической механики, термодинамики, оптики. К концу периода, казалось, известно о природе почти всё, за исключением нескольких деталей.
Основные гипотезы классической физики, вещество и его строение
Убеждение в том, что в основании всех явлений природы лежит та или иная форма движения вещества, установилась в науке очень давно. Уже Декарт говорит: "Omnis materiae variatio sive omnium ejus formarum diversitas pendet a motu" ("все разновидности вещества и все разнообразие форм его проистекает от движения"). Гюйгенс решительно высказывается за необходимость такого представления о природе явлений: "истинная философия должна видеть в явлениях механических первопричину всех явлений; по моему мнению, иное представление и невозможно, если мы только не желаем потерять надежду что-либо понимать в Ф." ("Tractatus de Lumine"). Великие ученые нашего времени не менее настойчиво указывали на необходимость такого именно научного миросозерцания и видели "высшую цель, к которой должно стремиться естествознание... в сведении всех явлений природы на механику" (Кирхгоф, 1865). Почти в тех же словах выражается и Гельмгольц: "Конечной целью всех естественных наук является разыскание движений, лежащих в основе всех изменений, и причин, производящих эти движения, т. е. слияние этих наук с механикой". Свойство вещества, наиболее непосредственно бросающееся в глаза, есть его делимость; границ делимости мы ни одним механическим процессом деления достигнуть не можем. При наличности этого свойства вещества мы можем предположить либо 1) что вещество действительно делимо до бесконечности, если не на опыте, то мысленно, и, следовательно, представляет собой нечто непрерывное (continuum); либо 2) что при мысленном делении вещества мы наконец придем к частям его, которые представляются отдельными неразрушаемыми индивидуумами, из более или менее сложного агрегата которых и построено вещество. И то, и другое предположение не могут непосредственно подвергнуться опытной поверке. Первая гипотеза заманчива по своей простоте, но она должна была бы быть загромождена целым рядом новых дополнительных гипотез, чтобы объяснить явления химические - соединение нескольких тел в одно новое, разложения тел на ряд новых. Остается, таким образом, предположение о веществе, построенном из индивидуумов (атомов). На атомистической гипотезе о строении вещества выросла и окрепла современная химия. От химии атомистическую гипотезу унаследовала Ф.; в последней она тоже твердо установилась, несмотря на то, что в Ф. эта гипотеза казалась менее необходимой, чем в химии; истинную пользу от принятия атомистической гипотезы Ф. получила значительно позже, когда представление об атомах было уже общепризнанной основой науки и в Ф. В настоящее время атомистическая гипотеза составляет общее достояние всех естественных наук; признание всеми этой гипотезы объясняется (Менделеев), вероятно, естественным стремлением человека приписать то же самое строение микрокосму - веществу, какое он наблюдает в макрокосме - мире планет. В настоящее время никто не предполагает в атоме чего-либо действительно физически неделимого (каков был атом древних), и понимают под атомом наименьший вещественный индивидуум, который еще обладает всеми свойствами, присущими данному веществу. Таков атом, из которого построены тела химически простые; тела химически сложные представляют агрегаты сложных атомных комплексов - химических молекул, причем в каждой молекуле содержатся атомы всех простых веществ, входящих в состав данного химически сложного вещества. В таком веществе "атомом" в том смысле, какой был придан этому слову выше, явится молекула, так как разрушение молекулы и разложение ее на части влечет за собой переход химически сложного вещества в ряд новых - в отдельные вещества, его составляющие. Целый ряд фактов химии и Ф. требует, затем, для объяснения своего, предположения о том, что 1) химически простые тела состоят из более или менее сложных комплексов отдельных одинаковых атомов, сплоченных вместе; в зависимости от сложности комплекса данное тело представляется в одном или другом из возможных ему видов. 2) В химически сложных веществах, состоящих из молекул, строение молекул, состоящих из одного и того же числа одинаково подобранных атомов простых тел, может быть неодинаково; неодинаковость эта может вызвать различия в физических (и даже химических) свойствах веществ, которые в смысле состава их молекул абсолютно одинаковы. Затем и молекулы химически сложных тел могут существовать в теле не только в отдельности, но и в виде комплексов из нескольких связанных вместе молекул; различная сложность комплексов может объяснить различные физические свойства веществ, молекулы которых во всех отношениях одинаково построены. Все эти предположения о возможной сложности первоначальных элементов, из которых построено вещество, не произвольны, но прямо необходимы в атомистической гипотезе для объяснения явлений аллотропии, изомерии и полимерии (см. Химия), т. е. различных физических свойств веществ, химический состав которых одинаков. Молекулы в химически сложных веществах и атомы в веществах химически простых не касаются друг друга. Только в этом предположении возможно объяснение перехода тел из одного состояния в другое, из газообразного в жидкое и из последнего в твердое, а также объяснение упругости тел. Атомистическая гипотеза предполагает, что молекулы газа находятся на расстояниях друг от друга, которые огромны сравнительно с размерами самих молекул; в жидких телах расстояния между молекулами значительно меньше; меньше всего они в твердых телах. Уменьшение объема тела при увеличении давления, испытываемого телом, есть следствие сближения молекул: в газах изменение объема при данном увеличении давления весьма значительно, в жидкостях много меньше, в твердых телах наименьшее. Подробнее о размерах молекул и расстояния между ними см. соотв. ст. Между молекулами действуют силы, подобные силам тяготения между телами. Представление об этих силах необходимо для объяснения связи (сцепление) между частицами в твердых и жидких телах и для объяснения явлений поверхностного натяжения жидкостей. Силы эти принадлежат к так называемым центральным силам, т. е. величина силы, действующей между двумя данными молекулами, зависит исключительно от расстояния между последними. Это - силы притяжения между молекулами, быстро убывающие по мере возрастания расстояния между ними. Вопрос о том, согласно какому закону происходит убывание сил взаимодействия между молекулами при изменении расстояния между ними, является до сих пор нерешенным. Некоторые толкователи атомистической гипотезы считали, кроме того, необходимым признать между молекулами существование двух систем сил - одной притягательной, другой отталкивательной, сил, закон убывания которых с увеличением расстояния неодинаков. По мере удаления молекул друг от друга величина сил, действующих между ними, быстро убывает. На некотором расстоянии между молекулами взаимное действие их будет столь незначительно, что какая-либо внешняя, ничтожная по величине причина (напр. сила тяжести) может нарушить связь между молекулами и разъединить их; это расстояние называют "радиусом сферы действия молекулярных сил". Понятно, что столь неопределенное представление, как сфера действия молекулярных сил, не может дать точки опоры для численного определения радиуса этой сферы. Все высказанные различными исследователями мнения по этому вопросу сводятся к тому, что в твердых телах радиус сферы действия в несколько раз больше расстояния между молекулами; в жидких телах радиус сферы действия каждой молекулы лишь немного меньше расстояния ее от соседних молекул; в газах каждая молекула находится далеко вне сфер действия всех остальных молекул. Молекулы вещества твердого, жидкого и газообразного находятся в непрерывном движении. Движение молекул в твердых и жидких телах должно быть весьма сложным и непостоянным как по виду пути, так и по скорости частиц, так как каждая молекула, находясь в сфере действия соседних, должна изменять свое движение под влиянием сил, исходящих от соседних частиц. В газах движение должно быть по характеру проще; каждая молекула, вполне свободная, должна двигаться прямолинейно и с постоянной скоростью. Как в жидком, так и в твердом теле, и в газе молекулы должны испытывать столкновения с соседними; в твердых и жидких телах эти столкновения являются лишь моментом, усложняющим и без того в высшей степени сложное движение частиц; в газах столкновение молекул является единственной причиной, изменяющей прямолинейное и равномерное движение частиц и превращающее это движение в хаотическое движение с постоянно меняющимся направлением у каждой молекулы. Каждая молекула вещества, обладая определенной массой и некоторой скоростью, является носительницей некоторого запаса кинетической энергии; тело - совокупность молекул - обладает совокупностью этих запасов энергии. Мы не замечаем движения молекул в теле, и следовательно, для нас энергия тела, вызванная скрытым движением молекул в нем, должна представляться не энергией движения (кинетической) молекул, а каким-то видом потенциальной энергии самого тела. Еще одно в высшей степени важное следствие тотчас вытекает из вышесказанного - а именно необходимость приписать молекуле и атому абсолютную упругость. Действительно, механика учит, что лишь при столкновении абсолютно упругих тел энергия движения их не превращается в другие виды энергии; при ударе тела неупругого или неабсолютно упругого часть движения его исчезает, и после большого ряда ударов скорость тела может сделаться равной нулю. Атомистическая гипотеза является одним из наиболее крепких устоев нашего научного здания. Несмотря на это, нельзя закрыть глаза на те внутренние противоречия, которые при современном представлении об атомах кроются в самых основах ее и на которые неоднократно указывали мыслители. Раньше всего, атомы не могут быть качественно различны; являясь единственным субстратом движения в мире, в котором все видимое разнообразие есть лишь разнообразие движения вещества, атомы должны быть вполне лишены качеств (Вундт, Спенсер, Сталло). Отсюда необходимо прийти к заключению, что первообразный атом (Uratom) должен быть один, что те индивидуумы, которые химия называет атомами, представляют сложные комплексы первообразных атомов и что от большей или меньшей сложности этих комплексов зависят качественные различия атомов химии. Еще не забыта гипотеза Прута (Prout), согласно которой первообразным атомом являлся атом водорода; гипотеза эта оставлена, и для оставления ее имелись веские доводы. Вопрос о первообразном атоме после оставления гипотезы Прута временно сошел со сцены, и лишь в самое последнее время интерес к "первообразному атому" снова возник, и поводом к этому послужили некоторые последние успехи физики. Исследуя явления прохождения электрического разряда через газы, Ленард, Дж. Томсон, Кениг и др. пришли к ряду наблюдений, которые с точки зрения атомистической теории не могут быть объяснены иначе, как предположением о существовании частиц вещества в тысячи раз меньших, чем химический атом водорода; интересно, что некоторые исследования над излучением света привели Лоренца и Зеемана к необходимости совершенно тех же предположений. Эти частицы, несущие (как показало численное исследование опытов) огромные электрические заряды, может быть, явятся для науки будущего теми первичными атомами, из которых построены атомы химии. Другим слабым местом атомистической гипотезы является упругость атома. Упругость как свойство вещества, состоящего из атомов, должна сама объясняться атомистическим строением вещества. Понятно, что если мы примем, что атом химии и теории газов состоит из комплекса первичных атомов, то абсолютную неупругость следует приписать первичному атому, сложный же химический атом может быть и упругим.
Механические картины, энергетика и феноменология
Веками освященный метод теоретического исследования физических явлений при помощи механических картин нашел в новом методе - энергетическом - соперника, с которым приходится считаться. В начале появления энергетического метода основатели его осторожно исходили из представления о механической природе явлений, но только не вдавались в детальное рассмотрение картин, а непосредственно прилагали к скрыто предполагаемой механической картине общие принципы учения об энергии; этим путем добыты были, может быть, наиболее ценные результаты теоретической Ф. последних десятилетий. Многие последователи этой школы сочли возможным совсем даже отрешиться от мысли о механической картине; они рассматривают основные законы энергетики (учения об энергии) как единственное, на чем можно строить исследование явлений; они даже открыто напали на старый метод, на самые важные основы его, на вещество, на атомистическую теорию как на ненужные, лишние представления. Эта крайняя фракция энергетической школы, однако, не доказала еще на деле возможности обойтись без механических картин и не показала еще эвристической ценности своего метода. Больцман, один из лучших современных знатоков философии Ф., смотрит на нее как на реакцию против чрезмерного увлечения механическими картинами; в настоящее время энергетика не может, по его мнению, заменить вполне механической картины, она "идеал для далекого будущего". В последнее время начал обрисовываться еще один метод теоретического исследования физических явлений, метод, который Больцман назвал "феноменологическим". Феноменологи довольствуются перечислением и описанием явлений, пользуясь для этого всеми даваемыми наукой способами, но не стремятся ни к единству мировоззрения, ни к механическому объяснению, ни к какому-либо обоснованию описываемого; если каким бы то ни было путем добытые (хотя бы угаданные) закономерные зависимости между факторами, определяющими группу явлений, дают возможность количественно и качественно предсказывать явления, то они ими довольствуются, не задаваясь вопросом о происхождении и внутреннем смысле этих зависимостей. Когда знаменитый Генрих Герц десять лет тому назад впервые откровенно встал на точку зрения феноменологии, то многие сочли это, как пишет Больцман, за "скверную шутку"; между тем заметно, что феноменология приобретает сторонников. И эту новую нарождающуюся школу можно рассматривать как реакцию на то преобладающее значение, которое механический метод придает гипотезе и картине. Между тем старый метод идет неустанно своим путем, добывая Ф. все новые и новые результаты; еще в самое последнее время, как бы в ответ на притязания энергетиков и феноменологов, он выступил с грубо-механической картиной частичек электрических зарядов, так называемых электронов.
Рождение современной физики
Завершение периода классической физики определилось серией открытий, которые не могли быть объяснены в рамках классических представлений. Новый период определился появлением с одной стороны теории относительности, с другой стороны, квантовой физики.
Заключение
Еще в сравнительно недавнее время Ф. представляла совокупность нескольких совершенно обособленных и по внутреннему содержанию ничего общего друг с другом не имеющих отделов. В настоящее время многие из резких границ, определявших объемы этих отделов, стушевались. Наиболее определенно выделяются в строе современной Ф. лишь те отделы ее, которые трактуют почти исключительно о явлениях, вызванных только движением осязаемого вещества. Сюда принадлежит раньше всего учение о звуке - акустика. Внутренняя сущность механизма возникновения и распространения звука хорошо известна; звуковые явления происходят в средах, со свойствами которых мы хорошо знакомы. Ввиду всего этого задачи, встречающиеся при изучении акустики, являются поставленными настолько определенно, что дальнейшее развитие ее зависит скорее от успехов механики и математики, чем от успехов Ф. Это справедливо, однако, лишь относительно вопросов возникновения и распространения звука; учение о восприятии звука органом слуха представляет еще мало исследованную область, которая, однако, относится скорее к физиологии органов чувств, чем к Ф. (физиологическая акустика, музыкальная акустика). Движения и деформации твердого тела относятся всецело к области механики, точно так же как и вопросы движения жидкостей. В учении о жидкостях вопросы капиллярности (волосности) относят, однако, обыкновенно к Ф., так как сущность механизма капиллярных явлений еще не окончательно выяснена. Определение постоянных, характеризующих отношение вещества к движущим и деформирующим его силам (плотность, вязкость, поверхностное натяжение, упругие постоянные), входит обыкновенно в область Ф., так как применяемые для этих определений методы выработаны были этой наукой. Учение о телах в газообразном состоянии принадлежат Ф. почти всецело, причем путеводной нитью в этом учении служит кинетическая теория газов (см.). Учение о тепловых явлениях в современной физике разрабатывается в теоретической части своей на основаниях термодинамики (механической теории тепла - см.), того отдела учения об энергии, который специально трактует о явлениях тепловых. Немаловажную долю учения о тепле представляет изучение и опытное определение тех постоянных, которые характеризуют тепловые свойства тел. Кинетическая картина тепловых явлений ясно разработана лишь для газов; разработка же ее для жидких и твердых тел отступила пока на задний план и лишь медленно подвигается вперед. Господствующую роль в современной Ф. занимает учение об электрических и магнитных явлениях. Усиленная разработка этого учения началась с конца истекшего столетия, когда Фарадей-Максвеллево учение о природе электромагнитных явлений дало твердую основу для создания полной теории этих явлений. В последнее время особенный интерес привлекло изучение тех многосторонних и глубоких зависимостей, которые связуют электромагнитные явления с явлениями световыми. Учение о свете, трактовавшееся до конца истекшего столетия с точки зрения Френелевой теории, получило в настоящее время новое освещение в виде более общей электромагнитной теории света, давшей возможность рассматривать и теоретически упомянутые выше зависимости между явлениями электромагнитными и световыми. Несмотря на большие успехи, достигнутые теоретической физикой в математической обработке, разыскание новых явлений путем опыта и наблюдения не останавливается; хотя в сравнительно частых случаях теория могла делать предсказания, т. е. указывать на новые явления, ускользавшие от опыта, но нет достаточного основания предполагать такую полноту теории, которая упразднила бы опытную разработку в какой-либо части физики. Приложение физических методов к другим наукам чрезвычайно обширно. Если в астрономии теория тяготения достаточна для объяснения большинства всех явлений движения небесных тел, то понятие о составе этих тел стало возможным только с открытием спектрального анализа, что произошло, как известно, путем опыта и соображений чисто физического характера. Еще шире приложение Ф. к технике. Так, с середины истекшего столетия началось усиленное развитие технических применений электричества, которое с 80-х годов пошло столь быстро, что учение о применениях электричества пришлось выделить в отдельную прикладную науку электротехнику (см.). Точно так же и в учении о свете мало-помалу выделяется учение о расчете и конструкции оптических инструментов; можно ожидать, что, подобно электротехнике, и учение об оптических инструментах вскоре вполне отделится от основной науки Ф. и образует отдельную техническую науку. Об этих и подобных прикладных знаниях - см. соответственные статьи.
См. также:
Это интересно!
Ресурсы в Интернете
Литература
Из современных руководств по Ф., обнимающих полный объем ее, можно назвать: О. Хвольсон, "Курс физики" (4 ч., вышли пока 3 ч.); его же, "Краткий курс физики" (4 ч., вышли пока 3 ч.); П. Зидов, "Курс физики" (2 т., более элемент., чем курсы проф. Хвольсона); A. W ü llner, "Lehrbuch der Experimentalphysik" (4 тома); Müller-Pouillet, "Lehrbuch der Physik" (4 т., более элемент., чем Wüllner); Violle, "Cours de Physique" (вышли пока 2 т.) и Chappuis et Berget, "Le çons de Physique générale" (4 т., более элемент., чем Violle).
