Материя, движение, энергия (вместо введения)

Рассказывают, что однажды на общем приеме император Наполеон обратился к представленному ему немецкому философу Якоби с вопросом: «Что такое материя?». Не получив ответа, император повернулся спиной к озадаченному философу. Ответить на вопрос «что такое?» в форме краткого рапорта, которого, очевидно, ожидал император, не всегда легко и не всегда возможно.

В жизни мы постоянно имеем дело с различными предметами. Наблюдая и изучая их, мы приобретаем опыт, а через опыт постепенно познаем мир. Мы наблюдаем происходящие вокруг нас различные явления, осязаем предметы, ощущаем тепло и холод, и в нашем сознании постепенно складываются определенные представления. Так, подумав о снеге, мы представляем его себе белым, холодным, рыхлым; подумав об угле, мы представляем его плотным и черным, способным гореть.

Все в мире находится во взаимной связи. Снег, принесенный в теплую комнату, тает, из него образуется вода. На горячей плите воду можно довести до кипения и превратить в пар. Познавая и изучая последовательность и взаимосвязь явлений, исследователи открывают законы природы.

Началом всякого познания является вопрос «что такое?». Великий русский ученый, физиолог Иван Петрович Павлов считал, что каждое живое существо обладает способностью отзываться на внешнее раздражение. Он так и назвал эту реакцию на внешнее раздражение «исследовательским» рефлексом, рефлексом «что такое?». «Если бы у животного не было этой реакции, то жизнь его каждую минуту, можно сказать, висела бы на волоске. А у нас этот рефлекс идет чрезвычайно далеко, проявляясь, наконец, в виде той любознательности, которая создает науку, дающую и обещающую нам высочайшую, безграничную ориентировку в окружающем мире».

Первым шагом всякой науки является ответ на вопрос «что такое?». Ответить на такой вопрос – это значит выделить предмет или явление из множества других, подвести данное понятие под другое, более широкое. Вспомните какой-нибудь из вопросов, который вам задает обычно учитель в школе, например: «Что называется квадратом?» Вы отвечаете: «Квадратом называется такой параллелограмм, у которого все стороны равны, а углы прямые». Отвечая так, вы подвели понятие «квадрат» под более широкое – «параллелограмм» и, кроме того, указали, к какому виду параллелограммов относится квадрат, потому что ведь не всякий параллелограмм есть квадрат.

Возвращаясь к вопросу: «Что такое материя?», мы должны признать, что не существует более широкого понятия, которое бы включало в себя понятие материи. Вы можете приводить примеры различных материальных тел, некоторые из них будут твердые (камень), другие жидкие (вода, керосин), третьи газообразные (водород, кислород), но это будут только примеры материальных тел. Материя – это предельно широкое понятие.

Ответом на вопрос: «Что такое материя?» – является ленинское определение: «Материя есть то, что, действуя на наша органы чувств, производит ощущение; материя есть объективная реальность, данная нам в ощущении...», «Мир есть движение этой объективной реальности».

Мир, природа – φνσιξ («фюзис») по-гречески. Отсюда произошло и название науки – физика. Так называл ее греческий философ Аристотель, написавший за две с лишним тысячи лет до нас первую «Физику».

«Физика» Аристотеля! При знакомстве с этой книгой воображение уносит нас в давно минувшие века, в Грецию эпохи завоевательных походов Александра Македонского, воспитанника и ученика великого Аристотеля. В то время как знаменитый полководец вел свои фаланги на Восток и древние царства падали к ногам победителя, его учитель, прогуливаясь в тенистых аллеях основанного им в Афинах лицея, учил своих учеников рассуждать о том, что такое мир, время, движение. В эту эпоху и была написана им «Физика».

Не подумайте, что «Физика» Аристотеля хоть сколько-нибудь похожа на современные учебники физики. Нет! В ней вы не найдете ни одного описания опыта или прибора, ни одного рисунка, ни одного чертежа, ни одной формулы. В ней – философские рассуждения о предмете, о месте, о времени, о движении вообще. «Так как природа есть начало движения и изменения, а предметом нашего исследования является природа, то нельзя оставлять невыясненным, что такое движение: ведь незнание движения необходимо влечет незнание природы» – так начинается глава о движении.

Надо признать, что многие суждения Аристотеля о движении оказались неверными. Так, например, Аристотель утверждал, что тело движется только до тех пор, пока на него действует другое тело. Движение брошенного камня или полет стрелы, выпущенной из лука, он объяснял «подталкивающим действием» воздуха, врывающегося в пустоту, которая образуется позади движущегося тела. «Все движущееся должно приводиться в движение чем-нибудь»,– писал он и тем показывал, насколько далек был древний мир от понимания закона инерции.

Известны ошибки Аристотеля и во взглядах на падение тел. Этот вид движения Аристотель относил к «естественным движениям», не нуждающимся в двигателе, а происходящим в силу «естественного» стремления всякого тела занять «свое место». Такое место, по Аристотелю, для тяжелых тел, например камня, внизу, а для легких, например дыма, вверху. Подчиняясь этому стремлению, тяжелые тела падают вниз и тем быстрее, чем они тяжелее. Лишь через двадцать веков это утверждение Аристотеля было опровергнуто Галилеем.

Несмотря на все эти ошибки, мы ценим в Аристотеле глубокого мыслителя, одного из основателей науки о природе.

Под движением Аристотель понимал всякое изменение, происходящее с телом. Более сложный вид движения, по утверждению Аристотеля, включает в себя предыдущий, более простой. Но в подтверждение он не приводил никаких примеров. Поэтому, чтобы сделать понятной мысль Аристотеля, воспользуемся примерами из современной физики.

Самым простым является механическое движение, связанное с изменением места или положения тела по отношению к другим телам. Кроме механического движения, существуют более сложные виды движения: тепловое, электрическое, внутриатомное. Такие движения более сложны уже потому, что представляют собой движение невидимых глазу частиц, а главное, потому, что происходят они по законам, отличающимся от законов механики. Тепловое движение, например, представляет собой движение молекул, из которых состоит тело. Движение одной отдельно взятой молекулы есть движение, для которого в определенной степени справедливы законы механики, но движение всего множества молекул, составляющих какое-нибудь тело (например, 27 000 000 000 000 000 000 молекул, которые содержатся в 1 см³ любого газа при температуре 0°С и давлении 760 мм рт. ст.), вследствие хаотичности их движения нельзя описать по законам механики. Здесь приходится прибегать к законам статистики, теории вероятности, в некоторых случаях и к квантовой физике.

Различные виды движения могут превращаться друг в друга. Здесь мы подходим к другому важнейшему понятию физики – к энергии. Понятие энергии вошло в физику лишь тогда, когда было установлено, что один вид движения может перейти в другой, хотя слово «энергия» можно встретить значительно раньше. Тот же Аристотель писал об энергии, понимая под этим словом движение, еще не завершенное. Слово «энергия» без достаточной ясности употреблялось и Галилеем. Тогда под этим термином смешивали два понятия: «энергия» и «сила».

Термин «энергия» в современном понимании появился лишь в XIX веке. Английский физик Т. Юнг в «Лекциях по натуральной философии» (1807 г.) определил энергию как работоспособность движущихся масс, измеряемую произведением массы тела на квадрат его скорости. В 1809 году французский ученый Г. Кориолис уточнил это определение и ввел известную вам формулу – . Однако понятие энергия длительное время распространялось только на механическое движение.

В середине XIX века, после появления работ Майера, Джоуля, Гельмгольца, когда был установлен закон сохранения и превращения энергии, понятие энергии распространилось на другие виды движения и окончательно утвердилось.

Большое значение для выяснения физического содержания понятия энергии имеют работы русского физика Николая Алексеевича Умова (1846–1915). Умов в 1874 году защитил диссертацию «Уравнения движения энергии», в которой изложил основы учения о движении энергии.

В настоящее время понятие энергии является одним из основных понятий физики. Это понятие неразрывно связано с представлением о превращении одной формы движения материи в другую (при сохранении общего количества энергии). Пытаясь дать определение энергии, мы вынуждены обращаться к примерам превращения одних видов движения в другие, отмечая при этом, что понятие энергии неразрывно связано с движением, вечным свойством материи.

Новые научные открытия дают возможность использовать новые виды энергии. В свою очередь новые технические достижения, вызванные растущими потребностями человека, побуждают науку к новым открытиям. Вам, юные читатели, предстоит перешагнуть через порог нового столетия, в 2000 год. Вам предстоит освоить энергию недр, солнечных лучей, приливов и отливов, морских волн. Когда будет осуществлено управление термоядерной энергией, тогда в десятки тысяч раз увеличится количество вырабатываемой электроэнергии по сравнению с современным уровнем. Вы будете жить в этом преображенном мире. Но новая наука, новая техника делается людьми. Вы должны стремиться овладеть новой наукой, и в первую очередь физикой.