Исторические этапы развития физики и измерений

Вводный раздел

В данном курсе лекций будет рассказано о истории и начальных сведениях измерительных приборов. Также будут затронуты основные сведения из физики, на основе которых работают измерительные приборы.

Физика как и вся наука прошла в своем развитии несколько этапов. Однако еще до зарождения наук люди уже накопили некоторые знания. Поэтому можно выделить нулевой донаучный период.

0. донаучный период

1. предфизика

2. классическая физика

3. современная физика

Потребность измерений появилась давно. Первобытные люди меряли время, чтобы вовремя охотиться, позже расстояния и площади, чтобы заниматься сельским хозяйством. В древнем Египте появились первые геометрические знания, но знания эти были полностью эмпирическими, полученными на основе опыта. Никаких аксиом и доказательств в то время еще не было, т.к. самом общественное устройство предполагало только строгое повиновение подданных фараону, а подчиненных учителю, и никому не могло прийти в голову, чтобы ученик попросил учителя доказать утверждение. Таким былдонаучный период (до 6 в. до н.э.).

1й этап развития физики – предфизика (6 в. до н.э. – 16в. н.э.). В Древней Греции около 6-5 вв. до н.э. появились демократические предпосылки для зарождения многих наук и философии, рациональности и доказательства. Начиная с этого времени, сначала в Древней Греции, а потом и в Риме открытия в области физики и измерений потекли как из рога изобилия. Хотя философия и математика очень сильно развились, но физика в этот период оставалась преимущественно теоретической (если не считать открытий Архимеда), т.к. древние ученые считали эксперименты низким делом ремесленников и рабов и строили свои теории и гипотезы из простых наблюдений, размышлений и логических рассуждений. В средневековье ученые хотя и стали больше внимания уделять опытам, но не соединили их плодотворно с гипотезами и математическими расчетами.

Какие же ученые трудились на благо физики в то время? Пифагор в 6 в до н.э. высказал гипотезу о шарообразности земли. Сделал много открытий в геометрии ( Т. Пифагора), которые позже пригодились при различных измерениях длин площадей, углов. В области астрономии – Аристарх Самосский, Архимед, Аристотель, Гиппарх – прецессия земли, Птолемей, Фалес милетский – 1е наблюдения по акустике: связь частоты и длины струны, первые трубы, 1е сведения о электричестве и магнетизме. Левкипп, Демокрит о зернистости строения вещества. Римский ученый Герон – 1й прообраз двигателя

Далее в 6-14 вв в Европе наступают средние века и из-за набега варваров ученость с образованием значительно угасают и лишь в церквях и монастырях люди продолжают учиться грамоте и изучать науки. В это время знамя знания подхватывают арабские ученые. Арабы завоевали довольно обширные территории от Испании до севера Индии, и от покоренных народов переняли множество знаний, в бывших владения греков и римлян нашли множество трудов, которые были переведены на арабский язык, и лишь в таком виде до нас дошли некоторые знания древних ученых. После достижения огромного могущества и политической стабильности арабские правители стали развивать науки и искусства, поддерживать переводчиков, ученых и философские школы. Кроме того знания и измерения как и в древней истории нужны были для строительства величественных дворцов и храмов, торговли, и конечно оружия. Чаще всего именно потребность в новых видах оружия или копировании вражеских орудий двигала вперед науку, технику, в том числе приборы и измерения. Архимед применял механику для изготовления осадных орудий и машин; есть даже легенда, что он с помощью больших металлических зеркал сфокусированных в одну точку, сжег корабль! Далее изобретение пороха в Китае стимулировало развитие пушек и огнестрельного оружия, для которого в свою очередь нужно было применять точные измерительные приборы и сложные процессы обработки металла (фрезерный станок, сверлильный, точильный)

В это время работал ученый Альгазен (Ибн аль-Хайсам)– разработал теорию зрения и камера обскуру (прообраз фотоаппарата!), разложение вектора скорости и магнитная стрелка. 12 в. – Альгазини (Абдуррахман аль-Хазини): удельный вес, капиллярные явлен.

Тем не менее, отдельные монахи и епископы, которые не придерживаются консервативных взглядов, что науки и философия вредят изучению Библии, пытаются развивать логику, занимаются вычислениями праздников, реформируют календарь (Дионисий малый). Высший уровень образования с 12 в. постепенно переходит из церковных школ в первые университеты. Английский ученый Роджер Бэкон в 13 в. – разрабатывает зрительную трубу, изучает аберрацию линзы, в это же время отмечают появление очков. В 14в – появляется понятие ускорения.

Классическая физика (17 в. – 19 в.) начинается с Галилея и его научного метода, в котором органично сочетается первоначальное наблюдение за природой, высказывание гипотезы, построение с помощью математики предсказаний, проверка с помощью специальных опытов.

С появлением и развитием точных наук в Новое время, появляется все больше различных измерительных приборов в различных областях физики, химии, биологии и т.п.

Современная физика (20-21 вв.)появилась в начале 20 в. с рождением квантовой механики, специальной и общей теории относительности (СТО и ОТО) и многих других современных быстро развивающихся разделов физики. В свою очередь в философии науки современную физику можно условно разделить на неклассическую(первая половина 20 в) и постнеклассическую (после 1950 г). последняя характеризуется появлением неравновесной и нелинейной физики, междисциплинарных дисциплин

В наше время измерения нужны не только в производстве, экономике, быту, но также и самим ученым для проведения различных экспериментов и прикладных исследований.

Астрономические измерения

Несмотря на отсутствие точных приборов др. греки сделали много открытий в области астрономии. Раньше – небо это купол с золотыми кнопками, а земля плоская и на 3х китах. Пифагор – аргументы о шарообразности: корабли опускаются под горизонт, круглая тень на луне, меняется угол, под которым видна кульминация звезд при движении по линии север-юг. Наблюдения за звездами еще древним египтянам и вавилонянам позволили установить, что не все звезды совершают строгое суточное вращение вместе с небесным сводом, но есть отдельные странствующие звезды (по-гречески планеты – блуждающие), которые движутся относительно неподвижных звезд вместе с солнцем и луной, но при этом еще совершают странные петлеобразные движения. Далее вполне очевидно и в согласии с наблюдениями была высказана гипотеза о геоцентрической системе относительно всех планет.

Эратосфен вычислил радиус земли, довольно простым способом. Он узнал угол кульминации солнца в одинаковый день года для 2х городов, расположенных на одном меридиане. Далее от торговцев он узнал примерное время, которое затрачивает караван верблюдов при переходе из одного города в другой. Зная примерную скорость верблюдов, можно найти длину дуги меридиана между 2-мя городами и соответственно из геометрических соображений найти длину окружности, включающую этот меридиан, а значит и радиус Земли.

Рисунок 1. измерение радиуса Земли Эратосфеном

Кто первым додумался до гелиоцентрической системы? Оказывается еще Аристарх замахнулся первым на эту систему. Примерно в то время была сделана 1я попытка определения расстояния до луны: для этого наблюдали луну строго в 1-й четверти и тогда Земля луна и солнце составляли прямоугольный треугольник с прямым углом в луне. Даже не зная функций синус и косинус, достаточно было построить подобный треугольник на бумаге и найти отношение сторон треугольника, а значит и расстояний до луны и солнца.

Из подобных расчетов он нашел, что солнце больше Земли, а Земля больше луны. Из соображений, что меньшее тело должно вращаться вокруг большего (что явно наблюдается для луны), он и вывел эту гипотезу. Кроме того, в то время была промежуточная гипотеза между гео- и гелиоцентрической системами: все планеты вращаются вокруг солнца, а оно вместе с луной – вокруг Земли. И уже от этой системы совсем недалеко до гелиоцентрической! Архимед в своих письмах хорошо отзывался о гипотезе Аристарха.

Другой аргумент, который мог бы использоваться древними или хотя бы раннесредневековыми историками – мы не замечаем обращения Земли вокруг Солнца, т.к. мы далеко не всегда ощущаем движение нашего тела относительно Земли, например на плывущем равномерно корабле все предметы не будут отклоняться к корме, а движутся также как и на неподвижном. (Подобный эксперимент описывается в познавательном историческом фильме «Агора» про александрийскую ученую Гипатию: корабль на всех парусах несется по средиземному морю, с высокой мачты сбрасывают тяжелый мешок с песком и он падает вертикально вниз, отсюда Гипатия делает вывод, что точно также мы можем не замечать нашего движения по земной орбите. Правда никакие источники этого не подтверждают, к тому же до Галилея многие ученые вслед за Аристотелем считали, что тело движется, только если на него действует сила.)

Аристотель придерживался геоцентрической системы, и из-за его авторитета, система долго продержалась. К тому же, эта система кажется куда более простой и наглядной. Птолемей – по сути, создал из этой геоцентрической гипотезы теорию: усовершенствовал модель для расчета движения планет. Каждая планеты не просто вращается вокруг Земли, а еще движется по дополнительным окружностям, центр которых уже вращается вокруг земли. Эти окружности он назвал эпициклами. Эпициклов появилось довольно много, но зато эта модель позволяла относительно точно для того времени предсказывать положение планет на небе относительно звезд (в астрономических координатах – склонение и восхождение). По сути, чем больше можно было добавить эпициклов, тем точнее можно было предсказать движение планеты, т.е. это своего рода было аналогом известного разложения сложной функции в степенной ряд.

Эту систему узаконила инквизиция, т.к. она вполне укладывалась в описание сотворения мира по Библии. Бруно, Галилей, Коперник – высказывали гелиоцентрическую гипотезу, за что как известно, поплатились.

При всех этих астрономических вычислениях огромную роль играла геометрия в особенности стереометрия и сферическая геометрия. Евклид собрал и систематизировал все известные доказательства и теоремы всех этих и других разделов геометрии того времени и даже сделал первую попытку введения аксиом (3 век до н.э.). Гиппарх – открыл прецессию звезд. В переводе с греческого прецессия – предварение, т.е. все звезды с течением лет появлялись раньше на небосводе, чем следовало ожидать (относительно сезонов года, т.е. дней солнцестояния и равноденствия). Открытие было сделано при сравнении древних таблиц координат звезд, составленных еще в древнем Вавилоне и современных наблюдений; оказалось, что за несколько тысяч лет все звезды сместились относительно небесной оси, а полюс мира переместился к полярной звезде (которая, как известно, является последней звездой ручки малого ковша – Малой Медведицы). Это связано с тем, что направление оси вращения земли не постоянно, а меняется с периодом 26 тыс. лет. Явление полностью аналогично поведению юлы – сама она вращается с большой скоростью вращения, а ее ось перемещается в пространстве намного медленнее.

Очень пригодились астрономические знания морякам, чтобы точнее определять свои координаты. Магнитная стрелка не всегда указывала точное направление на север, а вот усовершенствованный угломерный инструмент древних ученых – астролябия, а позже секстант – позволял уже очень точно мерять широту в ясную погоду. А вот для измерения долготы нужно было знать разницу между временем солнечного полудня, скажем Лондона и для данной местности. Точных часов до начала нового времени не было, поэтому долгота в лучшем случае определялась по магнитной стрелке с большой погрешностью.

С появлением телескопа астрономические наблюдения и измерения положения звезд на небе многократно возросли. Сведения о подзорных трубах имелись давно, но именно Галилей по сведениям из других стран собрал свою трубу, а потом, проведя много опытов, построил и телескоп. С его помощью он увидел, что даже далекие планеты имеют конечные размеры, открыл горы на Луне, спутники Юпитера и пятна на Солнце. Однако многие ученые настолько прониклись учением Аристотеля о божественности и идеальности небесных тел, что не хотели признавать очевидного! Когда он продемонстрировал в телескопе солнечные пятна на солнце своим университетским коллегам, то один из них заметил: «я проверил прибор Галилея тысячами способов, направляя на предметы как здесь, внизу, так и наверху. Внизу он работает превосходно, вверху вводит в заблуждение. Мои свидетели – в высшей степени достойные люди и благородные доктора… и все они признали, что прибор лжет».

В дальнейшем телескоп усовершенствовали многие ученые: Ньютон, Гершель и т.д. В наше время оптические телескопы достигли небывалого разрешения и размеров. Также появились многие другие телескопы: рентгеновские, инфракрасные ультрафиолетовые, радио– и гравитационные. В 2015 году американский гравитационный телескоп LIGO наконец засек гравитационные волны от далеких слившихся черных дыр. В теоретическом обосновании работы телескопа большую роль сыграли и наши ученые с кафедры колебаний физфака МГУ. Гравитационные волны легче всего представить с помощью аналогии батута: тяжелые шар лежащий на батуте создает искривление пространства в двумерной плоскости, аналогично искривлению 3х-мерного пространства от Солнца. Тогда дрожащий шар будет посылать упругие волны по поверхности батута, аналогичные волнам гравитации от слияния черных дыр.

Строение вещества

Что означает атом? Первыми о зернистости вещества заговорили древнегреческие ученые Левкип и Демокрит. На основании учения более позднего атомиста – Эпикура Лукреций даже пишет поэму, в которой кроме многих других физических теорий описывает теорию атомизма.

Во времена средневековья философы и ученые в основном придерживались теории Аристотеля о бесконечном делении материи. Однако с началом нового времени многие теории Аристотеля оказались опровергнутыми и поэтому ученые вновь стали рассуждать об атомизме. Но без опытных данных эти рассуждения были бесплодными и не могли склониться в ту или другую сторону

После изобретения микроскопа в 17 в. ученые пытались увидеть непосредственно атомы, но у них ничего не получилось, т.к. оптический микроскоп для этих целей не годился (длина волны света много больше размера атомов). Роберт Браун как и другие ученые искал атомы, но кроме того исследовал растения и мелких насекомых в микроскопе. Однажды он просыпал цветочную пыльцу в капельку воды, в которой безуспешно пытался увидеть атомы. Направив микроскоп на эту каплю, он увидел, что частички пыльцы непрерывно движутся! Из чего сделал вывод, что пыльцу толкают мельчайшие невидимые частицы воды – атомы. Таким образом, он открыл броуновское движение случайно! Можно сказать, на основании «косвенных улик» сделал заключение о движении молекул.

Какие представления о молекуле и атоме были в 19-начале20 вв?? До конца 19 в. химики уже хорошо знали, что атомы разных веществ отличаются по массе (вещества вступают в реакции строго в определенном количественном отношении между собой) и не могут превращаться друг в друга, но о их внутреннем строении и в частности о причинах различия атомов разных веществ ничего не было известно [4]. На основании опытов с катодными лучами в вакуумных лампах в 1897 году Томсон установил, что катодные лучи – переносчики электричества (поэтому получили название «электроны») – имеют минимальный заряд, равный заряду иона водорода, и массу много меньше атома водорода. Из других опытов уже было известно, что электроны могут образоваться из любого вещества и их число зависит от атомного номера вещества. Благодаря этим знаниям в 1904 г. он создал модель атома в виде булки с изюмом на поверхности (пудинговая модель).

Его ученик – Резерфорд, (к которому Томсон поначалу скептически относился из-за его провинциальности) – провел опыт с фольгой и альфа-частицами, в результате которого построил новую планетарную модель атома в 1911 г. В центре находится положительное ядро атома, а на огромном расстоянии вращаются маленькие электроны.

Резерфорд родился и закончил университет в Новой Зеландии. Наиболее одарённым молодым подданным британской короны, проживавшим в колониях, один раз в два года предоставлялась особая Стипендия имени Всемирной выставки 1851 года — 150 фунтов в год, дававшая возможность поехать для дальнейшего продвижения в науке в Англию. В 1895 году Резерфорд был удостоен этой стипендии, так как тот, кто её сначала получил — Маккларен, отказался от неё. Иначе, не будь этой случайности, Резерфорд возможно еще долго оставался бы на родине простым учителем. Осенью того же года, заняв деньги на билет на пароход до Великобритании, Резерфорд прибывает в Англию в Кавендишскую лабораторию Кембриджского университета и становится первым докторантом её директора Джозефа Джона Томсона.

У него учеником был Капица, на стажировке были Харитон Юлий – создатель советской атомной бомбы, а Оппенгеймер (отец американской атомной бомбы) стажировался в той же лаборатории у Джона Томсона . Резерфорд был лично знаком со многими физиками своего времени, в том числе советскими физиками И. Е. Таммом и Я. И. Френкелем.