Физика и астрономия — древнейшие науки о природе. Достопримечательности человеческой культуры, найденные в различных уголках земного шара, являются свидетельствами древнего интереса человека к природным явлениям. Наблюдать за природными явлениями заставляли человека жизненные потребности, а также известная каждому из нас любознательность. Особенно людей привлекало звездное небо, которое и до сих пор остается таинственным и неизведанным.
В этой статье мы рассмотрим теоретические и прикладные результаты объяснения механических процессов в природе и технике. Для объяснения многих явлений нужно будет проявить математическую компетентность — применить знания по алгебре и геометрии для объяснения физических процессов!
Первые представления о мироздании были очень наивными, они тесно переплетались с религиозными верованиями, в основу которых было положено разделение мира на две части — земную и небесную. Если сейчас каждый ребенок знает, что Земля — это небесное тело, то раньше «земное» противопоставлялось «небесному». Люди думали, что существует «твердь небесная», к которой прикреплены звезды, а Землю принимали за неподвижный центр мироздания.
Возникновение естественных наук
Но, в конце концов, благодаря человеческой деятельности накопилось столько знаний, что это привело к зарождению первых наук. Первыми физиками были греческие мыслители, которые попытались объяснить наблюдаемые явления природы. Самым выдающимся из древних мыслителей был Аристотель (384-322 гг. до н.э.), который ввел слово «фюзис», что в переводе с греческого означает природа. Еще в античные времена начали развиваться методы научного познания природы (наблюдение, предположение (гипотеза), моделирование, мыслительный эксперимент и т.д.). Из трудов ученых-философов античного периода начали свое развитие все естественно-математические науки — физика, астрономия, химия, география, биология, математика.
Развитие математики, географии, физики, химии, а также других наук, если не прямо, то косвенно было связан с успехами и запросами астрономии в исследовании небесных тел.
Астрономия (от греч. «Астпрон» — звезда и «номос» — закон) — наука о небесных телах, о законах их движения, строения и развития, а также о строении и развитии Вселенной в целом.
Во II в. н. е. александрийский астроном Птолемей предложил геоцентрическую ( «гео» — земля) «систему мира». Вокруг Земли, по Птолемею, движутся (в порядке удаленности от Земли) Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер, Сатурн, звезды. Но уже в то время видимые наблюдения за движением Луны, Солнца, планет указывали на то, что это движение гораздо сложнее. Поэтому каждая из планет, по мнению Птолемея, движется не просто вокруг Земли, а вокруг некоторой точки, которая, в свою очередь, движется по кругу, вокруг Земли. Система мироздания Птолемея была (под покровительством церкви) доминирующей в науке в течении четырнадцати веков. Первыми, кто стал предлагать новые взгляды на мироздание, были большие итальянские ученые Николай Кузанский и Леонардо да Винчи, которые утверждали, что Земля движется, что она не является центром Вселенной и не занимает в ней чрезвычайного места.
Смелым ученым, «сдвинувшим Землю, остановившим Солнце», был поляк Николай Коперник (1473-1543 гг.). Гелиоцентрическая ( «гелио» — Солнце) «система мира» Коперника не признавалась церковью. По приговору инквизиции в 1600 г. был сожжен в Риме выдающийся итальянский философ, последователь Коперника Джордано Бруно (1548-1600 гг.), который, развивая учение Коперника, утверждал, что во Вселенной нет и не может быть центра, что Солнце — это только центр Солнечной системы. Он также высказывал гениальную догадку о том, что звезды — такие же «солнца», как наше, причем вокруг них движутся планеты, на многих из которых существует жизнь.
Развитие физики и астрономии
Начальные сведения о фундаментальных физических теориях легли в качестве основы современных физики и астрономии. С середины XVI в. наступает качественно новый этап развития физики — исследователи начинают применять эксперименты и опыты. Мощным толчком к формированию физики и астрономии как наук стали научные работы Исаака Ньютона. В своей работе «Математические начала натуральной философии» (1687 г.) он разрабатывает математический аппарат для объяснения и описания механических явлений. На сформулированных им законах была построена так называемая классическая (ньютоновская) механика. А знаменитый закон всемирного тяготения заложил основы небесной механики. Гениальность Ньютона заключается в том, что он доказал универсальность силы тяжести, или гравитации, то есть что та же сила, которая действует на яблоко во время его падения на Землю, притягивает также Луна, которая вращается вокруг Земли. Сила притяжения управляет движением звезд и галактик, а также влияет на эволюцию всей Вселенной.
Принцип инерции, открытый Галилео Галилеем, закон всемирного тяготения Исаака Ньютона и общая теория относительности Альберта Эйнштейна — все эти открытия были подтверждены в дальнейшем на основании астрономических данных.
Влияние физики на технический прогресс
Быстрый прогресс в изучении природы, открытие новых явлений и законов природы способствовали развитию общества. Начиная с конца XVIII в., развитие физики вызывает бурное развитие техники. В это время появляются и совершенствуются паровые машины. В связи с широким их использованием в производстве и на транспорте этот период времени называют «эпохой пара». Одновременно углубленно изучаются тепловые процессы, в физике выделяется новый раздел — термодинамика. Множество новых открытий происходит и в области электричества и магнетизма, что способствует разработке так называемой классической электродинамики, которая объясняла свойства электромагнитных полей, электромагнитную природу света. В конце XIX и в начале XX в. появляются и совершенствуются электрические машины. Благодаря широкому использованию электрической энергии это время называют «эпохой электричества». В физике выделяются новые разделы — электродинамика, электротехника, радиотехника и др.
В начале XX в. физики получили многочисленные экспериментальные результаты, которые нельзя было согласовать с положениями классической механики и электродинамики. В физике начинается новый этап развития — создание квантовой и релятивистской теорий. Люди научились добывать и широко применять ядерную энергию, осваивать космическое пространство, конструировать новые автоматизированные устройства и механизмы. XX в. называют «атомным веком», «космической эрой». В физике интенсивно проводятся исследования атомного ядра, плазмы, управляемых термоядерных реакций, полупроводников и тому подобное. Интенсивно развивается астрономия благодаря применению физических исследований.
Начало XXI в. сопровождается огромным прорывом в области информационных технологий, спутниковой связи, нанотехнологий. Но основой любой области техники и технологий есть законы физики. Астрономия тесно связана с другими фундаментальными и естественными науками.
В астрономических исследованиях применяют все фундаментальные законы физики, широко используют методы физики, математики, химии и других смежных наук. Особенностью астрономии по сравнению с другими естественными науками является то, что она — преимущественно наблюдательный наука. Ее еще можно назвать и потребителем физических достижений и компьютерных технологий. В то же время астрономия — прогрессивная наука, которая обогащает физику и химию результатам исследований вещества при таких физических условиях (температура, давление, магнитное поле и т.п.), которые невозможно воспроизвести в земных лабораториях.
Заключение
Мировоззренческий потенциал естественных наук огромен. Физика и астрономия — это не просто результат кропотливой и пытливой труда ученых, но и большое достояние человеческой цивилизации, важная составляющая культуры человечества. Прежде всего физика дает систематизированную информацию об окружающем мире вместе с умением получать такую информацию. Поэтому ее методы и теории широко используют другие естественные науки, и больше всего — астрономия.