Фізика (Fіzika)

By Folio Publisher

В енциклопедії "Фізика", читач знайде захоплююча розповідь про пізнання природи людиною, повне і доступне виклад сучасних наукових уявлень про устрій світу, познайомиться із ще нерозгаданими таємницями і не вирішеними проблемами. У створенні цієї книги взяли участь великі вчені, талановиті популяризатори науки і педагоги. Складні питання фізики розкриваються жваво і образно, наводиться безліч цікавих спостережень, барвистих ілюстрацій і гумористичних малюнків. Книга призначена школярам середнього і старшого віку та їх батькам, а також студентам, вчителям і всім шанувальникам фізики - визнаної цариці наук.

• Language: Українська мова
• Publisher: Folio
• Release date: Dec 20, 2019
• ISBN: 9789660362956

Book preview

Фізика

І. Що таке фізика

Чим займається фізика

Мабуть, багатьом із вас уже відоме це загадкове слово — «фізика». Та чи знаєте ви, що воно означає?

З давніх-давен люди почали цікавитися тим, з чого саме складаються тіла, чому вони рухаються так або інакше, та й взагалі тим, як улаштований світ. Із цих та багатьох подібних питань зростав інтерес людини до навколишнього світу, до певного пристосування набутих знань про світ для покращання умов власного життя.

Проте саме тоді, коли виникло прагнення людини до пізнання світу, з’явилися перші паростки наукового підходу до спостереження та аналізу реальності.

Давні греки хотіли знайти першооснову всього того, з чого складається світ. Великі древні мислителі Демокріт, Платон, Арістотель стояли біля джерел того, що ми зараз називаємо фізичною наукою. До речі, саме Арістотель уперше застосував це слово — фізика (грецькою — τα′ ϕυσικα′ ) для визначення науки про природу.

Вольтер 

Проте якщо ми говоримо, що фізика вивчає природу, то відразу ж виникає питання: а що вивчають біологія, геологія, хімія та інші природознавчі науки? Річ у тім, що фізична наука відкриває найбільш загальні закони природи, пояснюючи певні конкретні явища дією цих загальних законів.

Що це означає? Наприклад, коли фізик досліджує різні властивості рідини, він не цікавиться, чи та рідина є водою в річці, живильним соком рослини чи кров’ю в судині. Вже потім виявлені фізиком закономірності біолог чи лікар зможуть застосувати для пояснення тих чи інших явищ, пов’язаних з конкретними напрямками 'іх роботи.

Дослідження будови речовини також є передусім завданням фізики. Потім, коли фізичні властивості виявлені, можна перенести іх на дослідження та пояснення явищ, які вивчають інші природознавчі галузі — біологія, геологія тощо.

Трохи історії

Зародження фізики

Здобувати знання про навколишній світ людину спонукала боротьба за існування. Спочатку це було лише випадкове й неусвідомлене застосування якихось природних знарядь для захисту та полювання. З часом людина почала обробляти такі знаряддя і виготовлячи більш удосконалені. Отримання та застосування вогню було справжнім проривом у нове існування людини на землі.

Знайти один науковий доказ для мене більш  важливо, ніж завоювати все персидське царство.

Демокріт

Саме в ті прадавні часи у людини почали накопичуватися перші уявлення і знання про світ. Хоча ті знання з точки зору сьогоднішнього дня і не можна назвати по-справжньому науковими, проте вони були першою спробою зрозуміти й описати навколишнє середовище.

Напевно, одним із найважливіших завдань, які намагалися вирішувати перші людські цивілізаціі, було визначення часу, бо це мало велике значення передусім для землеробства. Свідчення про календар та астрономічні спостереження можна знайти у Давньому Єгипті та Вавилоні, а також у спадщині великих цивілізацій Південної Америки.

Безумовно, грандіозні споруди прадавніх держав (храми, піраміди, фортеці) потребували певних навичок та уявлень про будівельну механіку. Ми і нині захоплюємося величезними спорудами тих минулих часів і ставимо собі питання, як їх могли збудувати. А єгипетська та вавилонська математика теж вражають своїми винаходами числа, геометрією, вимірюванням часу!

Однак прабатьківщиною природничих наук слід вважати Давню Грецію, вчені якої (на відміну від багатьох прадавніх мудреців Сходу!) намагалися знайти логічні докази висловлюваних ними ідей.

Початок розвитку грецької науки зазвичай відносять до VII—VI ст. до н.е., вважаючи її основоположником Фалеса Мілетського. Саме йому належать висловлювання про існування матеріальної першооснови всіх речей, про розвиток речей з цієї першооснови. А уявіть собі, що родич та учень Фалеса Анаксимандр висловлювався навіть про розвиток усього Всесвіту, що й зараз викликає подив і захоплення!

До наших часів не дійшли роботи великого Демокріта (460— 370 ст. до н.е.), але завдяки пізнішим описам та переказам, зокрема поетичним (наприклад, поема римського поета Лукреція «Про природу речей»), нам відомі його революційні на той час ідеї.

Відомо, що Демокріт народився у фракійському місті Абдера, що на березі Егейського моря. Він багато подорожував: бував у Єгипті, Вавилоні, Персії, Індії, Ефіопії.

З переказів його робіт випливає, що в основних положеннях про будову речей він стверджував існування величезної кількості різних атомів, з яких складаються всі тіла.

Проте, мабуть, однією з найвизначніших постатей давньогрецької науки був Арістотель (384—322 рр. до н.е.). Він народився в грецькому місті Стагір, що неподалік від Македонії. Оскільки батько Арістотеля був лікарем македонського царя Амінти, то й уся царська родина була знайома з родиною Арістотеля. Син Амінти, Пилип, ставши царем, запросив Арістотеля до свого сина Олександра вчителем. Уже згодом Олександр, відомий полководець та цар Олександр Македонський, казав: «Я шаную Арістотеля нарівні зі своїм батьком тому, що коли батькові я завдячую життям, то Арістотелеві — всім, що надає йому ціну».

Працював Арістотель і в Афінах — разом з видатним філософом Платоном, якого вважав своїм учителем. В Афінах Арістотелем було засновано власну школу — Лікей. (Послідовників Арістотеля називали перипатетиками через те, що Лікей було розміщено в парку, а навколо був «перипатос» — спеціальне місце для прогулянок та дискусій.)

Арістотель написав багато наукових праць і серед них — «Фізику». Саме тому великого грека називають хрещеним батьком фізики, бо від назви його книги пішла назва цілої науки!

Арістотелю належать перші описи рухів (він вважав, що існують колові, природні та примусові рухи), а також висловлювання про причини рухів та зміну швидкості. Незважаючи на те, що видатний мислитель вважав міркування, виявлення логічних суперечностей та дискусії головними науковими методами (з позицій сьогоднішнього дня цього замало для науки!), він усе ж розійшовся в поглядах на науку із своїм учителем Платоном. Ви, мабуть, чули крилатий вислів, який приписують Арістотелеві: «Платон — мій друг, але істина дорожча».

Багато з того, що написав колись Арістотель, кимось сприймається з поблажливою посмішкою. Але не будьмо зарозумілими і надамо шану цьому видатному вченому та філософу, який майже дві з половиною тисячі років тому побудував першу наукову картину світу!

Говорячи про науку стародавнього світу, не можна не згадати постаті Архімеда (287—212 рр. до н.е.) — однієї з вершин наукової думки тих часів.

Батько Архімеда астроном та математик Фідій був одним з наближених до царя Сиракуз Гієрона; він дав синові найкращу на той час освіту. Архімед досить довго пробув в Олександрії Єгипетській — великому науковому та культурному центрі того часу. Повернувся він на батьківщину вже досить зрілим математиком та механіком. Він розробив водопідйомний гвинт, різні військові машини, машину для поливу полів тощо. Загальновідомим (і ми ще про це поговоримо!) є закон Архімеда про силу, яка діє на тіла, що занурені в рідину. З цього закону починається гідростатика, яка продовжила свій розвиток лише в XVI—XVIІ ст.

Окрім математики та механіки, Архімеда цікавили оптика та астрономія. З переказів інших авторів можна побачити, що Архімеду були відомі дії плоских та увігнутих дзеркал, він проводив досліди по заломленню світла. Йому належать дослідження рівноваги тіл, зокрема важеля.

Про Архімеда існує багато легенд, одна з яких розповідає, що за допомогою системи блоків було спущено на воду великий корабель, який був призначений Гієроном у подарунок єгипетському цареві Птоломею. Можливо, саме тоді народився крилатий вираз про точку опори?..

Дайте мені точку опори, і я підійму Землю!

Архімед

Розпад Римської імперії та численні перебудови держав, що виникли на її основі, на довгий час загальмували розвиток науки. Лише в середньовічній Європі знов почався поступовий розвиток і поглиблення наукової думки, передусім, лідера природничих наук — фізики.

Початок класичної фізики

Коли говорять про фізику як науку вже в сучасному розумінні, мають на увазі саме ту науку, яка вийшла з дослідницьких робіт Галілео Галілея, Роберта Гука, Християна Гюйгенса і, звичайно, Ісаака Ньютона.

Проте неможливо тут не згадати про ще одну велику постать — Леонардо да Вінчі (1452—1519) — видатного художника, мислителя, математика, конструктора, астронома та механіка.

Цей флорентійський гігант епохи Відродження, крім того, що малював картини, займався ще питаннями механіки, геології, палеонтології, фізіології рослин та людського організму. Багато часу та енергії він віддав дослідженню рухів і роботи різних механізмів. Найбільше цінуючи математику, він говорив: «Механіка — рай для математичних наук».

Нині відомі його роботи з вивчення падіння тіл, руху по похилій площині, впливу тертя на рух тіл, коливального руху, визначення центру тяжіння тіл та багато інших. Цікаво, що він уже в ті часи критикував тих, хто намагався створити вічний двигун: «О, шукачі вічного руху, скільки пустих проектів створили ви в подібних пошуках! Ідіть геть разом з алхіміками — шукачами золота!»

Леонардо багато займався питаннями польоту. Його перші дослідження, малюнки та креслення літальних апаратів належать приблизно до 1487 р. Дуже цікавими є його проекти парашута та вертольота (зауважимо, що ці сучасні назви він не використовував).

Великий Леонардо як учений був відкритий тільки наприкінці XVII ст., тому дуже важко визначити, чи впливали його дослідження на сучасників і на вчених наступного періоду. Слава Леонардо да Вінчі як художника відтіснила на задній план його заслуги перед людством як ученого. Його рукописи часто були написані дзеркальним письмом, у зашифрованому вигляді, і через це досить важко було їх розшифрувати. Таку розшифровку почали проводити лише наприкінці XVII — на початку XIX ст.

Цікаво, що в цих рукописах знайшли висловлювання про те, як саме треба займатися наукою: « Мені здається, що є пустими та оманливими ті науки, які не породжуються дослідом — батьком усякої вірогідності...Треба робити досліди, змінюючи обставини, поки не дістанемо з них загальних правил». При цьому він усвідомлював і роль наукової теорії: «Той, хто захоплюється практикою без науки, подібний до керманича, що входить на корабель без керма та компаса: він ніколи не впевнений, куди пливе. Завжди практика повинна ґрунтуватися на добрій теорії. Наука — полководець, практика — солдати».

У Європі XVI—XVIІ ст. активно почав розвиватися новий підхід до пізнання навколишнього світу, а саме: не просто спостерігати та обмірковувати побачене, а спочатку експериментувати, робити перші висновки, будувати теорію і перевіряти її на практиці. У цьому контексті слід згадати видатного англійського філософа Френсіса Бекона (1561—1626). Він не був фізиком, але його філософські роботи про те, як саме можна здобути знання про навколишній світ, стали фундаментом нової науки.

Бекон вважав, що гальмування розвитку тогочасної науки пов’язане з тим, що вчені... багато говорять, але мало експерименту-ють, не досліджують реальних явищ на практиці, не просуваються далі того, що відкрите стародавніми вченими. Від дослідів до побудови теорії — ось його гасло! Також він висловлювався про визначальну роль науки в розвитку техніки, суспільства.

I ось настала епоха великих Галілея, Декарта, Ньютона.

Ім’я Рене Декарта (1596—1650) — видатного французького філософа і математика — пов’язують із обґрунтуванням так званого дедуктивного метода в природознавчих науках та математиці. (Коли ви подорослішаєте, то познайомитеся з цим більш докладно, а зараз тільки скажемо, що йдеться про такий спосіб занять наукою, коли від загальних міркувань через послідовність чітких висновків переходять до окремих, часткових випадків...)

У своїх роботах (а тоді вони називалися трактати) «Початки філософії», «Правила для керівництва розуму», «Міркування про метод» Декарт, крім усього іншого, закликав до застосування методів математики для опису явищ, що вивчаються.

Нова філософія Декарта була досить популярною; її називали картезіанство — від латинізованого імені вченого: Картезіус (Саrtesius). Коли ви в школі або вдома будете робити дослід з картезіанським водолазом, майте на увазі, що ця назва теж походить від Декарта!

Відомо, що тодішня офіційна церква не дуже раділа тому напрямку, в руслі якого розвивалася думка Декарта. Його трактат «Правила для керівництва розуму» Папою Римським було внесено до «Індексу заборонених книг».

Хоча сьогодні багато з ідей Декарта вважаються неправильними, його внесок у розвиток науки залишається незаперечним.

Ми не будемо зупинятися на такому важливому етапі розвитку фізики, як боротьба за створення геліоцентричної системи світу. Нехай ця історія залишиться астрономам! Проте слід зауважити, що як у ті давні часи, так і нині у деяких питаннях дуже важко розмежувати фізику та астрономію з її проблемами створення та розвитку Всесвіту, Сонячної системи, процесів, які відбуваються в надрах зірок тощо.

Крім того, багато хто з великих представників науки минулого просто поєднували в одній особі фізика, астронома, математика та філософа! Наприклад, в Арістотеля та Платона, Галілея та Лапласа, Декарта та Ньютона були такі напрямки наукової діяльності, які тісно пов’язані зі спробою описати будову Всесвіту, знайти в ньому місце нашої Землі, виявити закони, що пояснюють рух планет. Міркування над цими проблемами, безумовно, змушували вчених дещо по-іншому поглянути й на «земні проблеми».

Значний вплив на розвиток усього природознавства і зокрема фізики мали роботи видатного польського вченого Миколи Коперника (1473—1543). Саме в його трактаті «Про обертання небесних сфер» ідеться про Землю не як про центр Всесвіту, а як про одну з планет, що обертаються навколо Сонця (тому запропонована вченим система була названа геліоцентричною: від грецького «ге-ліос» — сонце). Він писав також, що Земля обертається й навколо власної осі. Для того щоб описати видимий рух планет, Коперник застосовував поняття про відносність руху (хоча воно не зовсім збігається з сучасними уявленнями, для того часу це було кроком уперед).

Книга Коперника поставила перед наукою багато важливих проблем, серед яких найважливішими були питання, пов’язані з рухом планет навколо Сонця, виявленням причин, завдяки яким планети утримуються біля Сонця, створенням нової математики, за допомогою якої можна було б описати цю нову систему світу.

Та не тільки з наукою були пов’язані ті проблеми, що виникли після появи праці Коперника. Католицька церква поставилася до нового вчення як до єресі (через те, що воно суперечило панівним релігійним поглядам). Незважаючи на це, деякі вчені та філософи сприйняли й підтримали основні ідеї вчення Коперника, хоча їм було нелегко протистояти офіційно визнаним догмам. Одним із таких учених був Галілео Галілей (1564—1642).

Цей видатний італійський фізик і астроном справедливо вважається одним із засновників сучасної фізики. По-справжньому саме Галілея слід визнати першим експериментатором у фізиці. Він провів багато експериментів з падіння та інших рухів тіл. Дивлячись у небо за допомогою власної підзорної труби, він установив існування гір на Місяці, побачив супутники у Юпітера, відкрив, що Венеру так само, як і Місяць, можна бачити із Землі по-різному (тобто, як кажуть, у різних фазах).

У своїй знаменитій книжці «Діалог про дві системи світу — Птоломеєву і Коперникову», яка вийшла в 1632 р. у Флоренції, Галілей виклав власні докази на користь учення Коперника. Ця книга була як вибух у науковому світі, а проти Галілея інквізиція почала звинувачувальний процес...

Чим усе це скінчилося, ви зможете дізнатися, звернувшись до останнього розділу. Зараз тільки скажемо, що Галілео Галілей зробив дуже великий внесок у розвиток фізики як науки, завдяки якому наступні покоління вчених могли йти далі і розвивати цю науку. Постать Галілея — це одна з вершин класичної фізики. Він розчистив шлях для нових творців класичної та сучасної фізики. Його безсмертні наукові твори служитимуть прикладом того, як геніально він «усе життя читав відкриту для всіх велику книгу природи» (це висловлювання самого Галілея).

Ім’я того, завдяки кому фізика набрала свого справжнього наукового характеру, — Ісаак Ньютон (1643—1727).

Його важливими науковими досягненнями були відкриття закону всесвітнього тяжіння і пов’язана з ним теорія руху планет, основні закони динаміки, відомі нам як «Три закони Ньютона», відкриття в галузі оптики. Для опису фізичних явищ Ньютон застосував такий математичний апарат, який до нього не існував узагалі. Цим математичним апаратом учені користуються ще й тепер. За словами академіка С. Вавілова, «ньютонівська механіка — не історична реліквія, а основа природознавства сьогодні».

Хто наважиться стверджувати, що ми знаємо все, що може бути пізнане?

Галілей

Ця видатна особистість цікава як своїми конкретними науковими результатами, так і тими методами, з допомогою яких вони були отримані. Його знамените «Гіпотез не вигадую...» свідчить про необхідність спирання на дослід, на практику, на зіставлення нової ідеї, нової теорії з реальними явищами, які відбуваються.

Зробив усе, що міг, хай інші зроблять краще.

Ньютон

Особистий та науковий авторитет Ньютона був такий великий, що його шанувальники та послідовники досить часто підносили його наукові припущення й гіпотези до абсолюту, тобто вважалося, що їх навіть обговорювати не можна. Через те Ньютону часто приписували такі речі, про які він і не говорив, і не писав. Ось що можуть наробити «наукові фанати»!..

Біографія та творча доля цієї видатної людини така цікава, що деякі її фрагменти ми винесли в окремий розділ наприкінці книги.

Таким чином, можна вважати, що саме з кінця XVII — початку XVIII ст. почалася та фізична наука, яка сьогодні є основою природознавства, техніки та нових супертехнологій.

Європейський науковий поштовх не обминув і Росію, де завдяки відкритій у 1725 р. Петербурзькій Академії наук теж почався бурхливий розвиток наукових, зокрема фізичних, досліджень. Розвиток фізики в Академії пов’язаний з іменами М. В. Ломоносова та запрошених європейських учених — Леонарда Ейлера, Даниїла Бернуллі, Георга Ріхмана та інших.

Михайло Ломоносов залишив небагато закінчених та надрукованих наукових праць з фізики й хімії: більша частина так і залишилася у вигляді заміток, фрагментів. Нині важко навіть і повірити, що тривалий час він взагалі був відомий передусім як поет та письменник. Тільки, мабуть, з Пушкіна нащадки почали ставитися до Ломоносова як до «першого російського університету».

II. Рух та взаємодія

Рух завжди і всюди

Чи замислювалися ви коли-небудь над тим, що таке рух ? А взагалі, чи варто над цим замислюватися: може, це питання не дуже цікаве і не гідне нашої уваги? Проте поміркуймо трохи над цим.

Життя ставить перед наукою цілі; наука висвітлює шляхи життя.

Н. Михайловський

Мабуть, ще первісним людям доводилося дивитися в небо й навкруги і відчувати (звісно, ще не розуміти!), що здійснюються певні зміни. Вони інтуїтивно використовували набутий досвід спостережень за рухом тварин, птахів задля власних потреб, наприклад для полювання.

Через десятки тисяч років людині вже потрібно було більш свідомо враховувати особливості рухів, які здійснювалися нею та всім, що знаходиться навкруги. Дивлячись на небо, стародавні греки ставили собі питання, чому яскраві «точки» на небі (зорі та планети!) рухаються саме так, а не інакше. А чому падає камінь, випущений з рук? Як зробити політ стріли або пращі більш точним? І ще багато інших «чому» змушувало людей замислюватися над тим, що вони спостерігали і що вже навіть увійшло в їхній вжиток.

Виявилося, що абсолютно всі об’єкти, які знаходяться навколо нас, рухаються, причому навіть і тоді, коли вони начебто перебувають у стані спокою.

Чим різняться рух та стан спокою?

Уявіть собі, що після важкого трудового дня в школі ви, переглянувши улюблену телевізійну передачу, заснули на дивані. Ви, звичайно, вважаєте, що в такому стані ви не рухаєтеся?

А чи відомо вам, що наша Земля обертається навколо власної осі, роблячи один оберт приблизно за двадцять чотири години? Але тоді й ви, хай і нерухомі відносно свого дивана, обертаєтеся разом із Землею! Тобто ви рухаєтеся!

Але й це ще не все. Виявляється, що наша планета Земля рухається навколо Сонця, а у свою чергу Сонце з усією своєю планетною сім’єю (отже, і з Землею) обертається навколо центру нашої Галактики з величезною швидкістю! А сучасні вчені-астрофізики кажуть, що й галактики з величезною швидкістю розбігаються у просторі. Де ж нам з вами знайти спокій?..

Яким чином можна визначити, що таке рух і що таке спокій?

Спробуємо спочатку сказати, що рух — це процес зміни положення в просторі одного тіла відносно якогось іншого (або інших) тіла.

Сказавши так, ми наголосили, що говорити про рух одного тіла, не маючи іншого, відносно якого ми цей рух спостерігаємо, просто безглуздо. Проте, якщо ми такі розумні, чого ж ми не помітили ще однієї важливої умови: зміна положення тіла здійснюється з часом, бо саме кожного разу через якийсь проміжок часу (через годину, хвилину, секунду або частку секунди) ми помічаємо зміну положення тіла в просторі. Тобто, узагальнюючи, треба сказати, що рух тіла є процесом зміни його положення в просторі відносно інших тіл з плином часу.

Коли ж говорять про стан спокою певного об’єкта, то мають на увазі, що цей об’єкт не рухається саме відносно якогось іншого, обраного за тіло відліку, тобто в нашому прикладі ви перебуваєте у стані спокою відносно дивана.

Ось це й називають відносністю руху:

по відношенню до різних об’єктів рух того ж самого тіла виглядає по-різному.

Проте поряд з відносністю у механічного руху є й певні риси того, що не змінюється навіть тоді, коли на той самий рух буде дивитися який-небудь інший спостерігач.

Наприклад, якщо відносно землі відстань між двома певними тілами збільшується, то відносно якогось іншого тіла відліку відстань між цими тілами теж буде збільшуватися, тобто відстань між тілами є абсолютною, однаковою з точки зору різних спостерігачів.

Наприклад, уявіть собі, що на палубі теплохода, що пливе річкою, розходяться танцюючі пари, а ви спостерігаєте їх рух, сидячи на березі. Що спостерігає у той самий час ваша мама, яка стоїть на тій самій палубі, — невже, що пари сходяться?.. Мабуть, ні. Тобто, відстань між танцюристами і з вашої точки зору, і з точки зору вашої мами буде однаковою. І ви однаково будете бачити її збільшення.

Ученим