История развития физики – как науки. Новейшие разработки в области науки и технологий.
1. История физики: хронология, ученые-физики и их открытия
Хотя история физики как самостоятельной науки началась только в XVII веке, ее истоки относятся к самой глубокой древности, когда люди начали систематизировать первые свои знания об окружающем их мире. До Нового времени они относились к натуральной философии и включали в себя сведения о механике, астрономии и физиологии.
Настоящая же история физики началась благодаря опытам Галилея и его учеников. Также фундамент этой дисциплины был заложен Ньютоном.
В XVIII и XIX столетии появились ключевые понятия: энергия, масса, атомы, импульс и т. д.
В XX веке стала ясной ограниченность классической физики (помимо нее, зародилась квантовая физика, теория относительности, теория микрочастиц и т. д.). Естественнонаучные знания дополняются и сегодня, так как перед исследователями остается множество нерешенных проблем и вопросов о природе нашего мира и всей вселенной.
Древность
Многие языческие религии Древнего мира основывались на астрологии и знаниях звездочетов. Благодаря их исследованиям ночного неба произошло становление оптики. Накопление астрономических знаний не могло не повлиять на развитие математики. Однако теоретически объяснить причины природных явлений древние не могли.
Жрецы приписывали молнии и солнечные затмения божественному гневу, что не имело ничего общего с наукой.
В то же время в Древнем Египте научились измерять длину, вес и угол. Эти знания были необходимы архитекторам при строительстве монументальных пирамид и храмов. Развивалась прикладная механика. Сильны в ней были и вавилоняне. Они же, основываясь на своих астрономических знаниях, стали использовать сутки для измерения времени.
Древнекитайская история физики началась в VII веке до н. э.
Самым известным их автором считается Мо-цзы, живший в IV столетии до н. э. Он предпринял первую попытку сформулировать основополагающий закон инерции.
Уже тогда китайцы первыми изобрели компас. Они открыли законы геометрической оптики и знали о существовании камеры-обскуры.
В Поднебесной появились зачатки теории музыки и акустики, о которых еще долгое время не подозревали на Западе.
Античность
Античная история физики больше всего известна благодаря греческим философам: Аристотель, Платон, Архимед, Лукреция Кар и Герон.
Греческие философы объясняли физические законы не мифическими понятиями, а строго с научной точки зрения.
Вклад александрийских греков - Демокрит сформулировал теорию атомов, согласно которой все тела состоят из неделимых и крохотных частиц.
Эмпедокл предложил закон сохранения материи.
Архимед заложил основы гидростатики и механики, изложив теорию рычага и подсчитав величину выталкивающей силы жидкости. Он же стал автором термина «центр тяжести».
Александрийский грек Герон создал паровую турбину, обобщил знания об упругости воздуха и сжимаемости газов.
История развития физики и оптики продолжилась благодаря Евклиду, исследовавшему теорию зеркал и законы перспективы.
Средневековье
После падения Римской империи настал крах античной цивилизации. Многие знания были преданы забвению. Европа почти на тысячу лет остановилась в своем научном развитии. Прогресс развития тормозила церковь. Мыслители, пытавшиеся заниматься наукой объявлялись еретиками и наказывались инквизицией.
На этом фоне первенство в естественных науках перешло к мусульманам. История возникновения физики у арабов связана с переводом на их язык трудов античных греческих ученых. На их основе мыслители востока сделали несколько собственных важных открытий. К примеру, изобретатель Аль-Джазири описал первый коленчатый вал.
За Средние века в Старом Свете изобрели очки и объяснили возникновение радуги. Немецкий философ XV века Николай Кузанский первым предположил, что Вселенная бесконечна, и тем самым далеко опередил свое время.
Через несколько десятилетий Леонардо да Винчи стал первооткрывателем явления капиллярности и закона трения. Также он пытался создать вечный двигатель, но не справившись с этой задачей, начал теоретически доказывать неосуществимость подобного проекта.
Ренессанс – Новое время
В 1543 году польский астроном Николай Коперник опубликовал главный труд всей своей жизни «О вращении небесных тел». В этой книге впервые была произведена попытка защитить гелиоцентрическую модель мира, согласно которой Земля крутится вокруг Солнца, а не наоборот, как предполагала принятая церковью геоцентрическая модель Птолемея.
Многие ученые физики и их открытия претендуют на звание великих, однако именно появление книги «О вращении небесных тел» считается началом научной революции, за которой последовало возникновение не только современной физики, но и современной науки в целом.
Галилео Галилей - изобрел телескоп, термометр, сформулировал закон инерции и принцип относительности.
Благодаря открытиям Галилея зародилась совершенно новая механика. Без него история изучения физики застопорилась бы еще на долгое время.
XVII столетие
Немецкий механик и математик Иоганн Кеплер стал первооткрывателем законов движения планет в Солнечной системе (законов Кеплера). Кеплер заключил, что планеты движутся по эллипсам, а не по окружностям, как считалось еще в античности. Этот же ученый внес значительный вклад в развитие оптики. Он исследовал дальнозоркость и близорукость, выяснив физиологические функции хрусталика глаза. Кеплер ввел понятия оптической оси и фокуса, сформулировал теорию линз.
Француз Рене Декарт предложил закон преломления света.
Главным трудом Декарта стала книга «Начала философии», изданная в 1644 году
В 1687 Исаак Ньютон году написал революционную книгу «Математические начала натуральной философии». В ней изложил закон всемирного тяготения и три закона механики (также ставшие известными как законы Ньютона).
Этот ученый работал над теорией цвета, оптикой.
Новые рубежи XVIII век подарил науке множество выдающихся имен.
Леонард Эйлер - швейцарский механик и математик написал более 800 работ по физике и таким разделам, как математический анализ, небесная механика, оптика, теория музыки, баллистика и т. д. Петербургская академия наук признала его своим академиком, из-за чего Эйлер значительную часть жизни провел в России. Именно этот исследователь положил начало аналитической механике.
История предмета физика сложилась такой, благодаря не только профессиональным ученым, но и исследователям-любителям, гораздо больше известным в совершенно другом качестве.
Самым ярким примером такого самоучки стал американский политик Бенджамин Франклин. Он изобрел громоотвод, внес большой вклад в изучение электричества и сделал предположение о его связи с явлением магнетизма.
В конце XVIII столетия итальянец Алессандро Вольта создал «вольтов столб». Его изобретение стало первой электрической батарей в истории человечества.
Этот век также ознаменовался появлением ртутного термометра, создателем которого был Габриэль Фаренгейт.
Другим важным событием изобретательства оказалось изобретение паровой машины, произошедшее в 1784 году. Оно породило новые средства производства и перестройку промышленности.
2. Прикладные открытия
Если история начала физики развивалась исходя из того, что наука должна была объяснить причину природных явлений, то в XIX веке ситуация значительно изменилась. Теперь у нее появилось новое призвание. От физики стали требовать управления природными силами. В связи с этим стала ускоренно развиваться не только экспериментальная, но и прикладная физика.
«Ньютон электричества» Андре-Мари Ампер ввел новое понятие электрического тока.
В этой же области работал Майкл Фарадей. Он открыл явление электромагнитной индукции, законы электролиза, диамагнетизм и стал автором таких терминов, как анод, катод, диэлектрик, электролит, парамагнетизм, диамагнетизм и т. д.
Новые разделы науки. Термодинамика, теория упругости, статистическая механика, статистическая физика, радиофизика, теория упругости, сейсмология, метеорология – все они формировали единую современную картину мира.
В XIX столетии возникли новые научные модели и понятия.
Томас Юнг обосновал закон сохранения энергии, Джеймс Клерк Максвелл предложил собственную электромагнитную теорию.
Русский химик Дмитрий Менделеев стал автором значительно повлиявшей на всю физику периодической системы элементов.
Во второй половине века появилась электротехника и двигатель внутреннего сгорания. Они стали плодами прикладной физики, ориентированной на решение определенных технологических задач.
3. Переосмысление науки
В XX веке история физики, перешла к этапу, когда наступил кризис уже устоявшихся классических теоретических моделей.
Старые научные формулы начали противоречить новым данным.
На рубеже столетий были открыты требовавшие подробного объяснения явления: электроны, радиоактивность, рентгеновские лучи.
Вследствие накопившихся загадок произошел пересмотр старой классической физики.
Ключевым событием в этой очередной научной революции стало обоснование теории относительности. Ее автором был Альберт Эйнштейн, впервые поведывавший миру о глубинной связи пространства и времени.
Возник новый раздел теоретической физики – квантовая физика.
В ее становлении приняли участие сразу несколько ученых с мировым именем: Макс Планк, Макс Бон, Эрвин Шредингер, Пауль Эренфест и другие.
4. Современные вызовы
Во второй половине XX века история развития физики, хронология которой продолжается и сегодня, перешла на принципиально новый этап.
Этот период ознаменовался расцветом исследования космоса. Небывалый скачок сделала астрофизика.
Появились космические телескопы, межпланетные зонды, детекторы внеземных излучений. Началось детальное изучение физических данных различных тел Солнечной планеты.
С помощью современной техники ученые обнаружили экзопланеты и новые светила, в том числе радиогалактики, пульсары и квазары.
Космос продолжает таить в себе множество неразгаданных загадок. Изучаются гравитационные волны, темная энергия, темная материя, ускорение расширения Вселенной и ее структура.
Дополняется теория Большого взрыва.
Данные, которые можно получить в земных условиях, несоизмеримо малы по сравнению с тем, сколько работы у ученых есть в космосе. Ключевые проблемы, стоящие перед физиками сегодня, включают в себя несколько фундаментальных вызовов: разработку квантового варианта гравитационной теории, обобщение квантовой механики, объединение в одну теорию всех известных сил взаимодействия, поиск «тонкой настройки Вселенной», а также точное определение явления темной энергии и темной материи.
5. Великие научные открытий современности
1. Открытие Эриды
В 2005 году ученый Майк Браун и его помощники в Паламарской
обсерватории обнаружили совершенно новый космический объект в нашей Солнечной
системе.
Название этому объекту дали 136199 Эрида, и он был на 27% больше чем планета
Плутон. После открытия Эриды ученым окончательно стало ясно, что Плутон - вовсе
не десятая планета Солнечной системы, а лишь одна из многих карликовых планет,
самой крупной из которых и стала Эрида.
2. Бозон Хиггса – "частица Бога" ценой в 10 млрд $
Бозон Хиггса – это теоретически предсказанная частица, которая придает другим частицам массу.
Ученые пытались найти свидетельства существования бозона Хиггса в течение последних 45 лет. Обнаружение бозона Хиггса было основной целью строительства Большого адронного коллайдера (БАК). БАК стоимостью 10 млрд $ – самый мощный ускоритель частиц из всех когда-либо построенных. Бозон Хиггса – это фундаментальная частица, один из кирпичиков, из которых построена Вселенная.
Тара Ширс, физик элементарных частиц из Ливерпульского университета, в интервью Би-би-си сказала, что не будь у частиц массы, не было бы звезд, галактик и даже атомов. Об открытии бозона Хиггса было объявлено в Женеве, где расположен Большой адронный коллайдер.
Среди присутствовавших на объявлении открытия ученых был и сам Питер Хиггс, профессор Эдинбургского университета, предсказавший существование этой частицы 50 лет тому назад.
3. Управление протезом при помощи сигналов головного мозга
Киборги постепенно становятся нашей реальностью. За уходящее десятилетие были сделаны большие успехи в области контролирования людьми автоматизированных частей тела и компьютеров при помощи интеллекта.
В 2000 году в университете Герцога в мозги обезьян внедрили электроды и обучили их брать пищу, используя автоматизированную (роботизированную) руку.
Команда из MIT Media Lab Europe разработала неинвазивный метод считывания мозговых волн и в 2004 году впервые использовала эти сигналы для того, чтобы руководить движениями героев видеоигры.
Автоматизированные части тела, управляемые нервными импульсами дебютировали в 2001 году в Чикагском реабилитационном институте. Там инвалид Джесси Салливан использовал метод управления обеими автоматизированными руками.
Пьерпаоло Петрузиелло и его "умная" рука
В 2009 году Пьерпаоло Петрузиелло научился контролировать биомеханическую руку, соединенную с нервами его культи при помощи проволок и электродов. Петрузиелло оказался первым человеком в мире, который смог выполнить целый комплекс движений всего лишь при помощи силы мысли.
Ученые из медицинского ветеринарного центра в Соединенных Штатах спроектировали, построили и провели уже первые успешные испытания протеза «BCI-RoGO» - первого в мире аппарата для мысленного управления нижними конечностями человека. Сигналы с головы человека снимаются с помощью специального интерфейса мозг человека – компьютер «BCI». Сигналы электроэнцефалограммы снимаются устройством и «переводятся» компьютером в команды для управления экзоскелетом в нижней части тела. Экзоскелет «RoGO» осуществляет стимуляцию мышц ног человека.
Испытания проходили на одном из пациентов. На голову испытуемого надели своеобразную шапку с датчиками ЭЭГ. Нижняя часть испытуемого была одета в экзоскелет. В основных двигательных точках были установлены электроды EMG, в нижней части ног установили датчик движения, основанный на гироскопе. На дисплей, установленный напротив испытуемого, выдавались инструкции для работы человека со всей системой «BCI-RoGO».
4. Обнаружен новый предок человека
Примерно так выглядит Кадануумуу
Палеонтологи из нескольких европейских и африканских институтов обнаружили предка современного человека, обитавшего на территории Центральной Африки около 3,6 млн. лет назад. Новая находка, по крайней мере, на 400 000 лет старше знаменитой "Люси" – гоминида, также обнаруженного в Африке на территории Эфиопии. Возраст Люси составляет порядка 3,2 млн. лет.
Ученые неофициально назвали свою находку Кадануумуу, что в переводе с эфиопского языка Афар означает "Большой человек". Дело в том, что кости гоминида указывают на то, что при жизни его рост составлял 150-180 см, что сопоставимо с ростом современных женщин.
Она могла ходить на двух ногах, но также отличалась умением лазать по деревьям. Ее зубы показывают, что она ела множество различных видов пищи. Ученые предполагают, что мужчины (самцы) и женщины (самки) могли разбиваться на пары в определенное время, значительно повышая выживаемость, поскольку женщины могли активизировать свои детородные способности лишь пока мужчины доставали им пищу.
5. Изучение тканей мягкого типа динозавров
В 2005 году, ученный Мэри Хигбай Швеитзер, благодаря своим коллегам нашла мягкие ткани динозавра Tyrannosaurus Rex. В частности, это были кровеносные сосуды, некоторые клетки и костная матрикс.
Полученные из тканей древних ящеров аминокислоты напоминают аналогичные соединения в организме цыплят.
Одно из описаний этой части ткани гласило, что это ткань ‘эластичная и упругая и при растягивании приобретает свою первоначальную форму’.
Открытые было сделано тогда, когда исследователи пытались разломать кость ноги Тираннозавра Рекса, чтобы поднять её на вертолете. Кость была в основном полой и не была заполнена минеральными веществами, как это обычно бывает. Доктор Швейцер использовала химические препараты для того, чтобы растворить костный матрикс, в результате чего обнаружилось, что в кости до сих пор присутствует мягкая ткань.
Она утверждала, что кровеносные сосуды были эластичными, и что в некоторых случаях можно было даже выдавить их содержимое. Более того, она сказала: ‘Микроструктуры, которые выглядели как клетки, сохранились очень детально’. В других источниках также приводятся её комментарии: ‘Никогда ранее мы не отмечали в образцах динозавров такое идеальное сохранение, когда сохранились даже эластичность и прозрачность’.
Кстати после этого Швейцер обнаружила мягкие ткани и в нескольких других образцах окаменелостей динозавра!
6. Обнаружены планеты-"пришельцы"
В 2008 году, ученые-астрономы, которые работали с мощнейшим телескопом Hubble и обсерваториями Keck and Gemini на Гавайях, обнаружили три экзопланеты, которые крутились вокруг дальних звезд. Две обсерватории запечатлели эти чужеродные миры.
Специалисты обсерватории Keck разглядели три экзопланеты, которые вращались вокруг звезды HR8799, что лежит на расстоянии 150 световых лет от Земли.
С помощью космического телескопа Спитцер астрономам удалось разглядеть протопланетный диск HR 8799.
Астрономы считают, что гигантское облако мелкой пыли находящийся вокруг HR 8799 очень необычное. Эта пыль должна быть следствием столкновений небольших космических тел, таких как кометы и метеоритные тела наподобие пояса Койпера в нашей Солнечной системе. Гравитация трех больших планет изменяет их траектории и заставляет сталкиваться друг с другом. Система является очень хаотичной и от столкновения распыляют огромное облако тонкой пыли. Астрономы считают, что планетам еще далеко для достижения ими устойчивых орбит.
Наблюдения за этими системами подтверждает теорию о том, как наша планета получила воду. Газовые гиганты Юпитер и Сатурн в эпоху формирования Солнечной системы, просто «забросали» Землю кометами, обеспечив Землю водой.
Звезда, получившая название HR 8799 стала одной из первых из двух (Подобный диск, но с одной планетой был так же обнаружен вблизи звезды Фомальгаут космическим телескопом Хаббл на расстоянии 25 световых лет от Земли.) звезд у которых в ноябре 2008 года наземные телескопы обсерватории Кека (W.M. Keck Observatory) и обсерватории Джемини (Gemini Observatory) в Гавайях обнаружили наличие трех планет.
Размер обнаруженных экзопланет около 10 масс Юпитера. Звезда HR 8799 намного моложе и более массивнее, чем наше Солнце. Находится на растоянии 129 световых лет от Земли. Благодаря Hubble удалось идентифицировать одну массивную экзопланету, вращающуюся вокруг звезды Фомальгаут – она лежит на расстоянии 25 световых лет от нашей планеты.
7. Получение стволовых клеток "этичным" путем
Ученые-пециалисты Киотского университета (Япония) и из университета Висконсин – Мэдисон практически в одно и то же время получили из уже зрелых клеток кожи взрослого человека стволовые эмбриональные клетки.
Благодаря этому открытию появилась возможность выращивать для
каждого человека органы на основе собственных клеток. И самое главное, органы
выращиваются для каждого организма индивидуально, поэтому они не будут
отторгаться иммунной системой.
8. Найден самый древний газ во Вселенной
Исследователями Северной Америки был открыт самый древний газ в нашей Вселенной. Ученые считают, что его химический состав не менялся на протяжении нескольких миллиардов лет после "Большого взрыва".
Исследователи обнаружили газовое скопление, когда наблюдали в телескопы обсерватории Кека, расположенной на Гавайских островах. Газовое скопление находится от нашей планеты на расстоянии 11 миллиардов световых лет.
9. На планете Марс найдена вода
Космический аппарат под названием Phoenix прибыл на территорию Северного полюса планеты Марс, чтобы взять новые образцы земли для анализов. В процессе поиска образцов аппарат обнаружил некий белый порошок, который в итоге оказался замерзшей водой.
Техническое и научное руководство в проекте "Феникс" осуществляли Лаборатория реактивного движения и Университет Аризоны, изготовлением аппарата занималась компания Lockheed Martin Space System, Канадское космическое агентство снабдило зонд метеокомплексом. На проект ушло 420 млн $. "Феникс" был запущен 4 августа 2007 года с помощью ракеты-носителя Дельта-2 7925 с мыса Канаверал во Флориде, США. Вес ракеты на старте составлял более 280 тонн.
Задание. Соотнесите фамилию ученого и его вклад в развитие науки физики
1. Открыл закон зависимости от изменения длины тела
2. Открыл закон зависимости силы тока от напряжения и сопротивления участка проводника
3. Провел классический опыт по доказательству интерференции и дифракции света
4. Открыл явление радиоактивности
5. Открыл нейтрон
6. Открыл закон фотоэффекта
7. Открыл формулу периода колебаний в колебательном контуре
8. Экспериметнально обнаружил электромагнитные волны
9. Открыл закон всемирного тяготения
10. Впервые определил скорость света
11. Открыл явление электромагнитной индукции
12. Открыл связь между массой тела и энергией
13. Теоретически предсказал существование электромагнитных волн
14. Открыл закон взаимодействия электрических зарядов
15. Открыл строение атома
Домашнее задание:
Контрольные вопросы:
1. Назовите основные открытия древности и античность?
2. Как развивалась физика в эпоху средневековья?
3. С какими учеными связана эпоха Нового времени?
4. В какой исторический момент в физики стали предъявляться требования – прикладной науки? Какие открытие в этот период были сделаны?
5. Объясните причину переосмысления законов физики в ХХ столетии?
6. Назовите основные открытия, которые были сделаны в современную эпоху.