О физике – Дикая пчела

О физике


Физика — наука, изучающая наиболее общие закономерности природы, строение и законы движения материи. Это один из способов описания мира, важнейшим элементом которого является математика. Физика как наука дает математическое описание реальности, в рамках которого обнаруживаются фундаментальные законы, управляющие поведением вещества.

Особенностью физики является то, что она оперирует понятиями, которым соответствуют измеримые, характеризуемые числом величины. Измеримые величины называются наблюдаемыми, и утверждения относительно наблюдаемых величин проверяемы.

Слово «физика» происходит от греч. physis = природа. Первоначально, в эпоху античной культуры наука, не была расчлененной и охватывала всю совокупность знаний о природных явлениях. По мере дифференциации знаний и методов исследования из общей науки о природе выделились отдельные науки, в том числе и физика. Границы, отделяющие физику от других естественных наук, в значительной мере условны и меняются с течением времени. Деление физики на отдельные дисциплины достаточно условно. Все изучаемые этой наукой темы перекрываются вследствие глубокой внутренней взаимосвязи между объектами материального мира и процессами, в которых они участвуют. Поэтому по изучаемым объектам физика делится на физику элементарных частиц, физику ядра, физику атомов и молекул, физику газов и жидкостей, физику твердого тела, физику плазмы. Другой критерий деления — изучаемые процессы или формы движения материи. Различают: механическое движение, тепловые процессы, электромагнитные явления, гравитационные, сильные, слабые взаимодействия. Соответственно в физике выделяют механику материальных точек и твердых тел, механику сплошных сред (включая акустику), термодинамику и статистическую механику, электродинамику (включая оптику теорию тяготения, квантовую механику и квантовую теорию поля. По целям исследования выделяют иногда также прикладную физику (например, прикладная оптика). Особо выделяют учение о колебаниях и волнах, что обусловлено общностью закономерностей колебательных процессов различной физической природы и методов их исследования. Здесь рассматриваются механические, акустические, электрические и оптические колебания и волны с единой точки зрения.
Особенностью физики является то, что она оперирует понятиями, которым соответствуют измеримые, характеризуемые числом величины. Многие важные понятия обыденного языка (например, ум, справедливость), а также и более утонченные философские категории не таковы. Это существенное самоограничение, но благодаря ему физические высказывания приобретают четкий и однозначный смысл и, что не менее важно, могут быть подвергнуты экспериментальной проверке.

Измеримые величины называются наблюдаемыми, и утверждения относительно наблюдаемых величин проверяемы. Физика старается избегать высказываний, которые сами либо выводимые из них следствия не могут быть в принципе проверены и либо подтверждены, либо опровергнуты (важна именно принципиальная возможность проверки, независимо от того, осуществима ли она имеющимися в данный момент средствами).
Понятия «пространство» и «время» — это одновременно и понятия обыденного языка, и важные философские категории, но также и исходные фундаментальные понятия физики. Окружающий нас мир — это множество событий, происходящих в пространстве и времени.

Понятие «пространство» связано с протяженными телами. Тела находятся в пространстве. И это понятие наглядней и кажется более простым, чем «время», но и здесь есть свои трудности.

Простейшее изменение, происходящее в окружающем мире, — это движение, когда объект, оставаясь тождественным самому себе, перемещается из одного места в другое, и не случайно математическое описание реальности начиналось именно с описания движения. Когда мы говорим о движении, то подразумеваем движение в пространстве. Понятие «движение» соединяет между собой понятия «пространство» и «время», и часто они и связанные с ними проблемы рассматривались вместе. В физике эти два понятия слились в одно — «пространство-время». Мысленно легко абстрагироваться от предметов, заполняющих пространство, и представить себе «чистое» (абсолютное — по терминологии Ньютона) пространство, в котором нет ничего. Точно так же можно абстрагироваться от конкретных процессов, протекающих во времени, и сформировать представление о «чистом» времени, о времени гамом по себе». «Абсолютное, истинное, математическое время, само по себе и по самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему протекает равномерно и иначе называется длительностью» – определение, данное Ньютоном в его знаменитом труде «Математические начала натуральной философии». Пространство — это та арена, на которой происходят все явления окружающего нас мира, и они протекают во времени. Именно эти представления лежали в основе ньютоновской механики.

Но постепенно стало ясно, что такие абстракции, как «чистое пространство» и «чистое время», не могут быть предметом и научного обсуждения. Точки «чистого пространства» не наблюдаемы. Они неотличимы одна от другой. Невозможно говорить о движении относительно абсолютного пространства, потому что утверждения о движении или покое непроверяемы.

С античных времен, однако, считали, что свойства «чистого» пространства правильно описываются специальной математической дисциплиной — евклидовой геометрией, которую до сих пор изучают в школе. Утверждения геометрии (теоремы можно было непосредственно проверить. Например, рассматривая конкретные прямоугольные треугольники и измеряя их стороны линейкой, можно убедиться в правильности теоремы Пифагора. Но главным достоинством теорем считали то, что они не нуждаются в экспериментальной проверки, потому что они «доказываются». Геометрия создавала и поддерживала иллюзию того, что могут быть осмысленные, содержательные и «правильные» (проверяемые) высказывания о некоторых свойствах реального мира, полученные чисто умозрительно, иллюзию, которая веками укрепляла философию и метафизику в их поисках умопостигаемых истин. Уверенность в том, что утверждения геометрии относятся к
реальному пространству, была поколеблена лишь в середине XIX в., после создания неевклидовых геометрий (Лобачевский, Больяи и Гаусс). И нелегко и не сразу пришло осознание того, что теоремы геометрии как математической дисциплины есть утверждения о свойствах реального физического пространства, в котором мы живем. Его свойства — предмет чтения физики, а не математики. Математик может работать, с абстрактным пространством, потому что он сам наделяет определенными свойствами. Физик имеет дело с миром, который существует сам по себе, и его свойства не могут быть установлены умозрительно.