Вступ Фізика у пізнанні речовини, поля, простору і часу

Що вивчає сучасна фізика?

Науковий метод пізнання. Спостереження. Експеримент. Закон. Теорія.

Фізичні моделі і наукова ідеалізація. Границі застосовності фізичних законів і теорій.

Ідея атомізму. Моделі в мікросвіті.

Що вивчає сучасна фізика? У старшій школі ви починаєте вивчення систематичного курсу фізики – однієї з найцікавіших і фундаментальних наук про природу.

Фізика – наука про найзагальніші і найфундаментальніші закономірності, що визначають структуру й еволюцію матеріального світу.

У фізиці вивчають фізичні явища і фізичні властивості тіл. І не має значення чи то людина, чи планета. Багато фізичних явищ мають спільні властивості і, залежно від цього, їх поділяють на механічні, теплові, світлові, електромагнітні та інші явища і процеси (мал. 1.1.). Саме завдяки загальності та фундаментальності законів фізики вони використовуються в усіх природничих науках. Виникли й успішно розвиваються нові напрями фізики – геофізичний, біологічний, астрономічний, хімічний тощо (мал. 1.2.).

Вважають, що сучасна фізика почала свій розвиток з формулювання І. Ньютоном (ХVІІ ст.) основних рівнянь механіки. У ХІХ ст. Д. Максвелл сформулював основні рівняння електромагнетизму. На початку ХХ ст. А. Ейнштейн переформулював основні рівняння механіки так, щоб їх можна було застосовувати до вивчення рухів зі швидкостями, наближеними до швидкості світла, та заклав основи теорії гравітації (всесвітнього тяжіння).

На кожному історичному етапі конкретний зміст фізики визначався тодішнім рівнем знань про природу. Нині об’єктами дослідження у фізиці є найдрібніші частинки речовини (аж до так званих кварків) і віддалені від Землі на тисячі світлових років таємничі квазари та «чорні діри», і Світ (Всесвіт) у його цілісному розвитку.

Науковий метод пізнання. Спостереження. Експеримент. Закон. Теорія. Як, якими способами добувають наукові знання у фізиці? Дослідження явищ починається зі спостереження за ними. Щоб зрозуміти і описати події, які відбуваються, вчені запроваджують фізичні величини, такі, наприклад, як швидкість, сила, тиск, температура тощо.

Кожній величині надають точне визначення і вказують, як цю величину можна виміряти. От чому кажуть, що мовою фізики є фізичні величини. А фізика, як й інші науки, ґрунтується на кількісних спостереженнях та використанні математики.

Найскладніший етап у розвитку наукових спостережень – виявлення суттєвих ознак явищ, що спостерігаються. Цей етап вимагає від дослідників здатності до здогадок та узагальнень, до встановлення зв’язку між явищами та їх причинами. Дослід, науковий експеримент – це виклики природі. Шляхом зміни умов досліду, міркувань учені доходять до певних висновків, формулюють припущення про причини, ознаки та наслідки явищ тощо.

Припущення, обґрунтоване науковими фактами, називають гіпотезою¹.

Джерелом фізичного знання і критерієм² його істинності є дослід, експеримент. Істинним є те знання, яке підтверджено дослідом, і цей дослід може бути відтворений.

Дослід, експеримент, пов’язаний зі спостереженням, але не тотожний йому: в науковому експерименті дослідники цілеспрямовано впливають на досліджуваний процес, аби виявити зв’язок причин і наслідків спостережуваного процесу. Наприклад, тиск газу залежить від його маси, об’єму і температури. Щоб дослідить цю залежність, треба спочатку вивчити, як впливає на тиск зміна об’єму при сталій температурі і масі. Потім треба простежити, як тиск змінюється тиск, коли змінюється температура тощо. Науковий експеримент часто дає змогу відкривати фізичні закони.

Фізичний закон – це опис співвідношень у природі, який проявляється за певних умов в експерименті (досліді).

Г. Галілей дав кількісний опис вільного падіння тіл на землю: швидкість вільного падіння не залежить від їх маси. Він не зміг дати відповідь на запитання, чому вони падають. Ісаак Ньютон, основоположник фундаментальної фізичної теорії, висловив гіпотезу, згідно з якою причиною падіння тіл на Землю є всесвітнє тяжіння. Ньютоном була створена, як побачимо далі, класична теорія всесвітнього тяжіння.

Сукупність законів, що описують широке коло явищ, називають науковою теорією.

Наприклад, закони Ньютона складають зміст однієї з перших фізичних теорій – класичної механіки. Зміст класичної теорії електромагнетизму складають закони, сформульовані англійським фізиком Д. Максвеллом.

Два основних наукових методи фізики – експеримент і теорія – вдало доповняють один одного.

Фізичні моделі. Наукова ідеалізація. Для формулювання гіпотези, постановки експерименту та пояснення його результатів дослідники будують модель певного явища або процесу. Модель – це спрощене, схематизоване уявлення про явище, в якій виокремлені найважливіші та найвагоміші його риси, а іншим зазвичай нехтують. Приклади таких моделей: матеріальна точка – тіло, розмірами якого можна у певній задачі знехтувати; ідеальний газ – газ, розміри молекул якого надзвичайно малі, і взаємодією між ними можна знехтувати.

Повністю уникнути в експерименті «перешкод», тобто впливу інших чинників, не завжди вдається. Але при розгляді результатів експерименту іноді можна передбачити, що можна було б спостерігати в ідеальному випадку – коли б усі «перешкоди» було усунено. Ця ідеальна ситуація і називається науковою ідеалізацією.

Прикладом наукової ідеалізації може бути поняття «вільного тіла». Тіла, вільного від взаємодії з іншими тілами, звичайно, немає. Навіть галактики взаємодіють одна з одною на надвеличезних відстанях. Однак подумки, продовжуючи помічену закономірність про рух тіла за інерцією, можна уявити тіло, абсолютне вільне від взаємодії з іншими тілами. Роздуми про те, як рухатимуться такі тіла, дали змогу Галілея відкрити закон інерції.

Усі фізичні закони і теорії є деяким наближенням до дійсності, обумовленим певною умовністю моделі явищ і процесів. От чому фізичні закони і теорії мають певні межі застосування. Наприклад, класична механіка, заснована на трьох законах Ньютона та законі всесвітнього тяжіння, є справедливою тільки при розгляді руху тіл зі швидкостями, набагато меншими, ніж швидкість поширення світла.

Ідея атомізму. Моделі в мікросвіті. Першою і найпродуктивнішою науковою гіпотезою про будову речовини була ідея атомізму: всі речовини складаються з непомітних людському оку маленьких частинок – атомів (від грецького atomos – неподільний). Її висунув у V ст. до нашої ери грецький філософ Демокріт. Ця геніальна здогадка людського розуму знайшла своє експериментальне підтвердження лише через два тисячоліття (у ХІХ ст.) у працях англійського вченого Джона Дельтона. Він показав, що кожному хімічному елементу відповідає свій тип найдрібніших невидимих атомів, а всі речовини складаються з хімічних сполук атомів.

Наступна класифікація атомів у періодичній таблиці хімічних елементів Д. І. Менделєєва показала, що всього в природі нараховується майже 112 хімічних елементів, з яких «сконструйований» весь різноманітний оточуючий світ.

Дослідження структури речовини на відстанях, менших за атомарні, уможливили відкриття нових найпростіших «цеглинок» світобудови. В 1887 р. англійський фізик Джон Томсон відкрив електрон, який не «вписувався» за своїми характеристиками у періодичну таблицю хімічних елементів Д. І. Менделєєва. У 1911 р. англійський фізик Ернест Резерфорд показав, що атом має складну будову – у його центрі знаходиться ядро, навколо якого обертаються електрони. Була створена планетарна модель атома (мал. 1.3).

Наступні дослідження показали, що атомне ядро, зокрема, складається з позитивно заряджених позитронів та електронейтральних нейтронів. Заряд протона за величиною дорівнює заряду електрона, але протилежний за знаком. У цілому атом електронейтральний, бо число протонів у ядрі дорівнює числу електронів у атомі.

Число протонів у ядрі визначає хімічні властивості атома та його місце у періодичній таблиці хімічних елементів Д. І. Менделєєва.

За сучасними уявленнями, протони і нейтрони є складними частинками, які складаються з трьох кварків (мал. 1.4).

Елементарними називають мікрочастинки, які не розпадаються на складові частинки.

Уже відкрито понад 400 елементарних частинок.

?

1. Що є предметом вивчення у фізиці?

2. Що таке наукова гіпотеза?

3. Що називають фізичним законом?

4. Перерахуйте основні компоненти фізичної теорії.

5. Що таке модель у фізиці? Приведіть приклади моделі.

6. Що являє собою планетарна модель атома?

7. Що називають елементарно частинкою?