Что такое физика

С физикой мы сталкиваемся везде, ведь она изучает окружающий нас мир. В переводе с греческого слово «физика» обозначает «природа». Но значит ли это, что физика изучает все на свете?

Само название «физика» было придумано в эпоху античности греческим философом Аристотелем (384-322 до н. э.). Вначале оно действительно означало всю совокупность знаний о природе. Однако по мере накопления таких знаний и совершенствования методов исследования из физики выделились отдельные науки (астрономия, география, химия и др.), которые принято называть естественными. Отличительная особенность естественных наук заключается в том, что источником знаний о природе и критерием их истинности является опыт.

Чем же современная физика отличается от остальных естественных наук? Чтобы разобраться в этом, рассмотрим, с чего началось изучение природы.

С древних времен люди наблюдали самые разные явления за Земле и в небе: восход и заход светил, смену дня и ночи, движение и столкновение предметов, свет и звук, тепло и холод, проявление стихии — разливы рек, ураганы, грозы и многое другое. Явлений вокруг было множество. Но, несмотря на такое разнообразие, окружающий мир всегда виделся человеку единым целым. Ни одно из явлений не было изолированным, не происходило отдельно от других. Некоторые из них повторялись (например, смена времен года). Другие (такие как дождь, гроза, радуга) происходили одновременно или следовали друг за другом. Это наводило на мысли о том, что у разных явлений должны иметься какие-то общие причины — законы, скрытые от человека.

В Древнем мире закономерности различных явлений подмечали, записывали и хранили в глубокой тайне жрецы храмов. Целью их занятий было предсказание, например, разливов рек, солнечных и лунных затмений, т. е. тех природных явлений, от которых зависела жизнь человека.

Но учение Древнего мира о природе еще не было наукой. Объяснения явлений природы, которые давали посвященные в «высшие» знания люди, не содержали природных причин. Например, восходы и заходы Солнца, смену времен года, проявления стихий — грозу, ветер, землетрясение — связывали с действием богов. Поэтому деятельность ученых того времени ограничивалась лишь собиранием разных фактов и общим описанием явлений.

Исследование природы в современном понимании — описание ее явлений и изучение их закономерностей на основе продуманных экспериментов — началось лишь в эпоху Возрождения. К этому времени объем накопленных знаний стал столь значительным, что науку о природе пришлось разделить на части. Появился ряд новых дисциплин, исследующих окружающий мир в более узких областях: живую природу стали изучать своими методами зоология и ботаника, небесные тела — астрономия, поверхность и недра Земли — география и геология, превращения веществ — химия. При этом физики стали широко применять новые методы исследования, используя все более совершенные инструменты. В то же время физика сохранила прежнюю цель — искать объяснения разнообразны явлениям окружающего мира, изучать их причины, общие свойства, закономерности и взаимосвязи между ними.

Особенность физики заключается в том, что она изучает природу как единое целое. В наши дни интересы физики простираются от мельчайших частиц вещества до галактик и Вселенной в целом.

Эти закономерности (или, по-другому, физические законы) описывают количественные соотношения в природе. Часто они записываются на математическом языке, с помощью формул. Поэтому при изучении физики знание математики так же необходимо, как знание языка при чтении книг.

Как же ученые открывают эти закономерности? Прежде всего, проводятся наблюдения явлений природы и находятся количественные характеристики для их описания. После этого устанавливаются связи между этими характеристиками.

Однако вот уже на протяжении нескольких веков ученые не ограничиваются пассивным наблюдением, дожидаясь, пока интересующее их явление будет происходить самопроизвольно. Для его изучения проводится специально подготовленный опыт — эксперимент, во время которого изучаемое природное явление воспроизводится в строго определенных условиях заранее продуманным образом. Первым ученым, который использовал эксперимент для получения новых знаний, был итальянский физик и астроном Галилео Галилей (1564-1642). Исследуя движение, он сбрасывал предметы одинаковой формы с наклонной Пизанской башни и изучал, зависит ли время их падения от массы. С исследования Галилея берет начало история современной физики.

Эксперимент в современной физике — основной метод изучения природы. Именно эксперимент является источником и критерием истинности наших знаний о природе. Физические законы основываются и проверяются на фактах, установленных опытным путем.

Второй, не менее важный способ познания — теоретическое описание явлений окружающего нас мира. На основе физических теорий ученые получают общие законы природы, объясняют с их помощью уже известные явления и предсказывают новые, еще не открытые. Основоположник теоретического метода в физике — английский физик и математик Исаак Ньютон (1643-1727), создавший первую физическую теорию (классическую механику).

Изобретение и усовершенствование компьютеров привело к развитию третьего, самого молодого способа познания окружающего мира. Это — компьютерное моделирование явлений и процессов, или численный эксперимент.
Эксперимент, теоретическое описание и компьютерное моделирование — основные научные методы познания природы. В современной физике они используются совместно.

Но зачем физика занимается исследование природы? Что движет учеными, кроме обычного любопытства? Еще в самом начале цивилизации люди поняли, что знания об окружающем мире делают человека сильнее и помогают обустроить жизнь. Открытие законов природы изменило отношение человека к окружающему миру, что привело к появлению техники. У человека появились новые возможности: рычаг сделал его сильнее, паровой двигатель освободил от тяжелого труда. С помощью самолета люди покорили воздушное пространство, а с помощью ракеты — космос. Мобильный телефон, СВЧ-печь, компьютер, Всемирная сеть Интернет — вот очевидные успехи прикладной физики последних десятилетий. Можно сказать, что в наши дни благодаря развитию науки и техники человек живет уже в новом окружающем мире и физика играет в этом мире все более важную роль. Знание законов природы позволяет человеку использовать ее для своих нужд, создавать новые приборы, устройства, материалы. А поскольку наши потребности и возможности все время растут, то и физика постоянно развивается.

Чтобы упростить изучение физики, изучаемые ею явления принято делить на механические, тепловые, электромагнитные, световые и квантовые.

Эти явления изучаются в различных разделах физики: механике, молекулярной физике, термодинамике, электромагнетизме, оптике, атомной и ядерной физике. Но нужно помнить: природа не знает о том, что люди разделили знания о ней на части. Поэтому для объяснения того или иного явления могут потребоваться законы, изучаемые не только в разных разделах физики, но и в разных естественных науках.

Итоги

• Физика появилась в результате наблюдений разнообразных явлений природы и стремления понять причины возникновения этих явлений.
• Физика стала наукой в современном понимании лишь в эпоху Возрождения, когда люди начали описывать явления и изучать их закономерности на основе продуманных экспериментов.
• Физика изучает природу как единое целое: от мельчайших частиц вещества до галактик и Вселенной.
• Основные способы современных физических исследований — эксперимент, теоретическое описание и компьютерное моделирование. В современной физике они используются совместно.
• Физические законы описывают количественные соотношения в природе. Часто они записываются на математическом языке, с помощью формул. Физические законы основываются и проверяются на экспериментальных фактах.
• Знание законов природы изменило отношение человека к окружающему миру и привело к появлению техники.

Вопросы

1. Назовите, какие из перечисленных явлений изучает физика, а какие — другие науки: падение камня, рост дерева, полет самолета, горение спички, свечение лампочки, извержение вулкана.
2. Как в древние времена люди отвечали на вопрос о причинах природных явлений? Почему их учение о природе еще не было наукой? Когда физика стала наукой в современном понимании?
3. Запланируйте и проведите наблюдение и описание известного вам физического явления, например ветра, используя знания из курса «Естествознание». Сформулируйте цель исследования, обстоятельства и условия проведения наблюдения. Укажите различные проявления этого явления. Какие понятия потребовались вам для описания?
4. Что такое эксперимент, чем он отличается от наблюдения? Перечислите основные методы изучения природы, используемые в физике.
5. Приведите примеры физических явлений, которые: а) происходят периодически (повторяются); б) происходят одновременно; в) следуют друг за другом.