История физики
Физика легла в основу всех наук, и без нее все наши знания в области других наук искрошились бы в пыль. В наши дни мы получили возможность изучать природу в любых ракурсах и ипостасях, вплоть до масштабов микромира, однако в физике все еще остается много неоткрытого.
Великие достижения
Каждая из наших историй связана с прорывом — решением серьезной проблемы, которое претендует на важное открытие, поскольку меняет понимание мира и нашего места в нем. Но знания не приходят к нам полностью сформированными и «готовыми к употреблению». Нам приходится немало потрудиться, чтобы усвоить уже известные научные факты и добавить к ним собственные.
Оглядываясь на историю науки, мы можем видеть, что наиболее прогрессивные суждения сначала всегда воспринимаются обществом как совершенно неправильные, если не смехотворно дикие. Но сейчас вполне очевидно, что наш мир, объединенный высокими технологиями, как раз и построен на этих технических достижениях. Он и поныне развивается вместе с наукой, которая шаг за шагом «рисует» все более ясную и точную картину реальности.
Природа вещей
История физики представляет собой, по сути, исследование природы. Даже само слово «физика» переводится с языка древних греков как «природа». На заре цивилизации первые естествоиспытатели задавались вопросом, почему воздух, вода и земля таковы, каковы они есть, и связаны ли они со звездами, которые блистают над нашим миром. Тогда казалось, что наш маленький земной мир находится в процессе непрерывных изменений, а «небесная твердь» незыблема. Как растение из семени, физика произросла из идеи единства законов во Вселенной, связав валы океанических волн со светом далеких звезд.
Века размышления и экспериментов (не забываем и об открытиях, которые несет нам слепой случай) показали правильность этого интуитивного предположения. Универсальные законы физики позволили понять то, что происходит на звездах в далеких галактиках, а также закономерности движения электронов в чипах суперкомпьютеров. Столь существенные достижения действительно делают физику матерью всех наук.
Дочери физики
А как же химия, биология или, скажем, геология? Этот список можно было бы продолжать еще долго, ведь каждая из наук гордится своей собственной историей и действительно вносит неизмеримый вклад в «компендиум» наших знаний о мире. Но все они основываются на платформе физики, создавая надстройки, с которых открываются новые горизонты понимания. Так, химия объясняет структуру миллионов веществ искусственного и естественного происхождения, из которых состоит мир. Но чтобы сделать это, химии пришлось «позаимствовать» у физики концепцию атома и понять, как он будет вступать в химические реакции, образуя и разрывая связи. Да, именно так возникли все вещества на Земле.
Биология может поведать нам о том, как функционируют формы жизни — кстати, наиболее сложные системы во Вселенной. При этом биология опирается на физику в вопросах того, как перетекает наполняющая живые организмы энергия. Геология рассказывает нам о том, что даже твердые породы находятся в непрерывном движении, и, чтобы сделать это, она более широко «разворачивает» представление физики о законах распространения в различных материалах тепла и звука. Без этого не понять, какие могучие силы действуют внутри и снаружи нашей планеты, непрерывно изменяя ее облик. Так что давайте посмотрим, как физика — наиболее фундаментальная из наук — сама выросла из мифов и догадок, став основой всех научных знаний о мире.
Архимед и его открытие
Многие ученые древности сумели изменить мир, но наибольший вклад принадлежит Архимеду. Одно из своих самых известных и великих достижений он совершил, погрузившись в ванну.
Действительно, почему твердые тела плавают? Когда мы познаем мир вокруг нас, этот вопрос часто поднимается в первые строчки нашего списка. Но ответ на этот вопрос был получен вовсе не с целью познания природы. Напротив, он был решен в ходе древнего дела о мошенничестве.
Развязку истории легенда относит к общественным термам (баням) в городе Сиракузы — одной из первых эллинских колоний на восточном берегу острова Сицилия. Именно там великий изобретатель древности Архимед испытал свое первое в жизни озарение. Оттуда пошло и знаменитое слово «Эврика!», которое переводится с древнегреческого языка как «Нашел!». Но что же Архимед искал?
Эту историю полнее всего пересказал в 15 году до н.э. — т.е. 250 лет спустя — Витрувий, римский архитектор и механик, ученый-энциклопедист и большой почитатель Архимеда. Тиран Сиракуз Гиерон II заказал себе золотую корону, чтобы носить ее как дар богов. Но, получив корону, он заподозрил мастера в том, что тот добавил в золото другой металл. Желая узнать истину, Гиерон обратился к Архимеду, считавшемуся самым умным в городе человеком, но запретил ему плавить корону или разрезать ее. Это заставило Архимеда искать иные пути решения.
Итак, Архимеду потребовалось рассчитать плотность металла, из которого была сделана корона. Сравнив плотность чистого золота с полученной величиной, он мог бы ответить на вопрос Гиерона. Легенда рассказывает нам о том, что однажды Архимед окунулся в ванную, увидел, как его тело вытесняет воду, и его осенило, что в этом и кроется ответ. Если опустить корону в воду, она вытеснит ровно такой объем воды, какой имеет сама. Поделив массу короны на ее объем, можно узнать ее плотность. Эврика!
Метод гидростатического взвешивания, как сказали бы в наши дни, показал, что коварного Гиерона действительно хотели обмануть. Плотность короны свидетельствовала о том, что она была сделана из сплава серебра и золота.
Законы механики
Физика основана на интуитивном предположении, что вселенная функционирует по единому набору правил. В XII веке арабские ученые пришли к мысли, что один и тот же закон может как заставить тело двигаться, так и остановить его.
В XIV веке редко какой ученый подвергал сомнению теорию Аристотеля о движении тел. Эта теория говорит о том, что при движении предмет разрывает воздух перед собой, а позади него этот воздух схлопывается, толкая предмет вперед. Другими словами, движение есть результат действия постоянной силы. Персидский ученый аль-Бируни поставил эту теорию под сомнение. Ведь когда тело движется неравномерно, т.е. меняется направление или скорость, оно должно испытывать периодические ускорения и замедления.
Другой ученый, из Багдада, Абуль-Баракат дополнил эту идею, сказав, что движение — это результат короткого действия силы, а при постоянном приложении силы тело должно ускоряться. Век спустя персидский исследователь аль-Хазин изучил принцип действия работу рычажных весов. Он построил свою работу на трудах предшественников, объединив идеи динамики (создающие движение неуравновешенные силы) и статики (уравновешенные силы) в науку механику. И, как мы теперь понимаем, все эти ученые занимались изучением того, как сила действует на тело.
Силы и инерция
Западноарабский философ-энциклопедист ибн Рушд, известный в Европе как Аверроэс, жил в Испании в ХII веке. Он, в частности, предложил одну из первых теорий инерции. В наши дни это понятие занимает в механике центральное положение.
Аверроэс перевел с сирийского языка и прокомментировал три сочинения Аристотеля по физике. Влияние ибн Рушда было столь велико, что в европейской философии Позднего Средневековья и Возрождения на него ссылаются как на «комментатора». Аверроэс определял силу как нечто, изменяющее характер движения тела. Он также установил связь между величиной силы и скоростью, с которой изменяется характер движения.
Особо значимо следующее предположение ибн Рушда: тела от природы обладают способностью сопротивляться изменению характера движения, что можно заметить по влиянию сопротивления воздуха на падающие предметы разной массы. По сути, Аверроэс ввел понятие инерции, основываясь, правда, на пятом элементе — эфире. По Аристотелю, эфир существует только в «надлунном» мире, т.е. за сферой Луны, так что и Аверроэс предполагал, что инерцией обладают только небесные тела. Именно поэтому, считал ученый, они не могут двигаться с бесконечными скоростями. В конечном итоге инерцию стали считать универсальным свойством материи во Вселенной.