ВВЕДЕНИЕ

Физика есть наука о наиболее общих свойствах и формах движения материи.

Классическое определение материи дано В. И. Лениным в его книге «Материализм и эмпириокритицизм»: «Материя есть философская категория для обозначения объективной реальности, которая дана человеку в ощущениях его, которая копируется, фотографируется, отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них». В этом определении существенны два положения: 1) материя — это то, что существует объективно, т. е. независимо от чьего бы то ни было сознания или ощущений, и 2) материя копируется, отображается нашими ощущениями и, следовательно, познаваема.

Из определения физики следует, что в ней сосредоточивается учение о наиболее общих свойствах и явлениях внешнего мира. Как отметил в одной из своих статей академик С. И. Вавилов, «предельная общность значительной части содержания физики, ее фактов и законов искони сближала физику с философией... Иногда физические утверждения по своему характеру таковы, что их трудно отличить и отделить от философских утверждений, и физик обязан быть философом».

В настоящее время известны два вида материи: вещество и поле. К первому виду материи — веществу — относятся, например, атомы, молекулы и все построенные из них тела. Второй вид материи образуют электромагнитные, гравитационные и другие поля. Различные виды материи могут превращаться друг в друга. Так, например, электрон и позитрон (представляющие собой вещество) могут превращаться в фотоны (т. е. в электромагнитное поле). Возможен и обратный процесс.

Материя находится в непрерывном движении, под которым в диалектическом материализме понимается всякое изменение вообще. Движение представляет собой неотъемлемое свойство материи, которое несотворимо и неуничтожимо, как и сама материя. Материя существует и движется в пространстве и во времени, которые являются формами бытия материи.

Физические законы устанавливаются на основе обобщения опытных фактов и выражают объективные закономерности, существующие в природе. Эти законы обычно формулируются в виде количественных соотношений между различными физическими величинами.

Основным методом исследования в физике является опыт, т. е. наблюдение исследуемого явления в точно контролируемых условиях, позволяющих следить за ходом явления и воссоздавать его каждый раз при повторении этих условий. Экспериментально могут быть вызваны явления, которые естественно в природе не наблюдаются. Например, из числа известных в настоящее время химических элементов более десяти в природе пока не обнаружены и были получены искусственным путем с помощью ядерных реакций.

Для объяснения экспериментальных данных привлекаются гипотезы. Гипотеза — это научное предположение, выдвигаемое для объяснения какого-либо факта или явления и требующее проверки и доказательства для того, чтобы стать научной теорией или законом. Правильность высказанной гипотезы проверяется посредством постановки соответствующих опытов, путем выяснения согласия следствий, вытекающих из гипотезы, с результатами опытов и наблюдений. Успешно прошедшая такую проверку и доказанная гипотеза превращается в научный закон или теорию.

Физическая теория представляет собой систему основных идей, обобщающих опытные данные и отражающих объективные закономерности природы. Физическая теория дает объяснение целой области явлений природы с единой точки зрения.

Физику подразделяют на так называемую классическую физику и физику квантовую. Классической называется та физика, создание которой было завершено в начале XX столетия. Начало классической физики было положено Ньютоном, сформулировавшим основные законы классической механики. Ньютоновская механика оказалась настолько плодотворной, настолько могущественной, что у физиков сложилось представление о том, что любое физическое явление можно объяснить с помощью ньютоновских законов.

Созданное к концу прошлого столетия здание классической физики было очень стройным. Большинство физиков было убеждено в том, что они уже знают о природе все, что можно было узнать. Однако наиболее проницательные физики понимали, что в здании классической физики есть слабые места. Так, например, английский физик У. Томсон (он же лорд Кельвин) говорил, что на горизонте безоблачного неба классической физики имеются два темных облачка: неудача попыток создания теории излучения абсолютно черного тела и противоречивое поведение эфира — гипотетической среды, в которой предполагалось распространение световых волн. Настойчивые попытки преодолеть эти затруднения привели к неожиданным результатам. Для того чтобы решить проблемы, оказавшиеся непосильными для классической физики, пришлось коренным образом пересмотреть сложившиеся, привычные представления и ввести понятия, чуждые духу классической физики. Введя представление об испускании света отдельными порциями — квантами, Макс Планк (1858—1947) в 1900 г. решил задачу об излучении абсолютно черного тела. Таким образом, на пороге XX столетия появилось понятие кванта, играющее в современной физике исключительно важную роль и приведшее к созданию квантовой механики.

Противоречивость опытных фактов, касающихся эфира, побудила Альберта Эйнштейна (1879—1955) пересмотреть считавшиеся со времен Ньютона очевидными представления о пространстве и времени. Это привело к созданию теории относительности, которая дает для тел, движущихся со скоростями, заметными по сравнению со скоростью света, уравнения движения, существенно отличающиеся от уравнений ньютоновской механики.

В 1897 г. был открыт электрон, причем выяснилось, что электроны входят в состав атомов всех химических элементов.

Таким образом, было установлено сложное строение атомов, считавшихся прежде неделимыми.

Итак, начало XX века ознаменовалось в физике коренной ломкой целого ряда привычных понятий и представлений. Новые физические открытия и теории разрушали сложившиеся у физиков представления о строении вещества, что было воспринято некоторыми физиками как исчезновение материи. Многие физики впали в идеализм и начался кризис физики.

Ленин в книге «Материализм и эмпириокритицизм», написанной в 1908 г., дал уничтожающую критику «физического» идеализма. Он показал, что новые открытия свидетельствуют не об исчезновении материи, а об исчезновении того предела, до которого знали материю до тех пор. «„Материя исчезает”, — писал В. И. Ленин, — это значит исчезает тот предел, до которого мы знали материю до сих пор, наше знание идет глубже; исчезают такие свойства материи, которые казались раньше абсолютными, неизменными, первоначальными (непроницаемость, инерция, масса и т. д.) и которые теперь обнаруживаются, как относительные, присущие только некоторым состояниям материи. Ибо единственное „свойство” материи, с признанием которого связан философский материализм, есть свойство быть объективной реальностью, существовать вне нашего сознания».

Процесс познания мира бесконечен. Наши знания на каждой данной ступени развития науки обусловлены исторически достигнутым уровнем познания и не могут считаться окончательными, полными. Они по необходимости являются относительными знаниями, т. е. нуждаются в дальнейшем развитии, в дальнейшей проверке и уточнении. Вместе с тем, всякая подлинно научная теория, несмотря на свою относительность и неполноту, содержит элементы абсолютного, т. е. полного знания, означает ступень в познании объективного мира. Например, механика, основанная на законах Ньютона, строго говоря, неверна. Но для некоторого круга явлений эта механика вполне удовлетворительна. Таким образом, развитие науки не перечеркнуло ньютоновскую механику, оно только установило пределы, в которых она справедлива. Ньютоновская механика вошла как составная часть в общее здание физической науки.

Начало XX века характеризуется настойчивыми попытками проникнуть во внутреннее строение атомов.

Ключом к выяснению строения атомов послужило изучение атомных спектров. Первый разительный успех в объяснении наблюдаемых спектров принесла теория атома, развитая Нильсом Бором в 1913 г. Однако эта теория носила явные черты непоследовательности: наряду с подчинением движения электрона в атоме законам классической механики, она налагала на это движение специальные квантовые ограничения. За эту непоследовательность теории вскоре пришлось расплатиться. После первых успехов в объяснении спектра простейшего атома — водорода — обнаружилась неспособность теории Бора объяснить поведение, атомов с двумя и большим числом электронов.

Назрела необходимость создания новой целостной теории атомов. Начало созданию такой теории было положено в 1924 г. смелой гипотезой Луи де Бройля. К тому времени было известно, что свет, будучи волновым процессом, вместе с тем в ряде случаев обнаруживает корпускулярную природу, т. е. ведет себя как поток частиц. Де Бройль высказал мысль, что и частицы вещества, в свою очередь, должны обнаруживать при определенных условиях волновые свойства. Гипотеза де Бройля вскоре получила блестящее экспериментальное подтверждение: было доказано, что с частицами вещества связан некий волновой процесс, который должен быть учтен при рассмотрении механики атома. Результатом этого открытия было создание Эрвином Шредингером и Вернером Гейзенбергом новой физической теории — волновой или квантовой механики. Квантовая механика достигла поразительных успехов в объяснении атомных процессов и строения вещества. В тех случаях, когда удалось преодолеть математические трудности, были получены результаты, превосходно согласующиеся с опытом.

Последние десятилетия ознаменовались замечательными достижениями в области изучения атомного ядра. Ученые и инженеры в такой степени овладели ядерными процессами, что стало возможным практическое использование ядерной энергии. Советской физике принадлежит в этой области одно из ведущих мест. В частности, в СССР была создана первая в мире атомная электростанция.

Наконец, в последние годы стены лабораторий, созданных руками человека, были раздвинуты за пределы земного шара. 4 октября 1957 г. в Советском Союзе впервые в истории был запущен искусственный спутник Земли, который представлял собой небольшую лабораторию, оснащенную научно-исследовательской аппаратурой. 12 апреля 1961 г. совершился первый в мире полет человека в космическое пространство.

Первый советский космонавт Юрий Алексеевич Гагарин облетел вокруг Земли и благополучно приземлился. В Советском же Союзе были созданы первые космические ракеты, которые покинули сферу земного притяжения и передали на Землю с помощью радиосигналов ценные результаты исследований космического пространства и, в частности, фотографии обратной стороны Луны. В 1969 г. американские астронавты побывали на Луне. В 1975 г. две советские автоматические станции совершили мягкую посадку на Венере и передали ценную информацию о физических условиях на этой планете, а также фотографии ее поверхности.

Несомненно, что ближайшие годы ознаменуются в физической науке рядом новых фундаментальных открытий.