Не только научный эксперимент, но практические следствия фундаментальных физических теорий становятся критерием их истинности.
В современный период важнейшие достижения техники – следствие фундаментальных научных открытий. Чисто эмпирическим путем уже невозможно создавать технические средства, подобные ядерным реакторам, лазерам, компьютерам. Предварительным условием их создания является глубокое изучение и познание явлений и процессов, лежащих в основе принципа их действия. Нередко это приводит к новым направлениям фундаментальных исследований естествознания, и в частности физики.
Можно привести немало примеров глубокой связи технических проблем с фундаментальными исследованиями естественных наук.
Другой пример глубокой связи технических проблем с фундаментальными исследованиями естественных наук. Углерод – один из наиболее удивительных и важных в природе элементов. Имея 4 валентные связи, он легко образует полимерные цепочки. Именно это сыграло решающую роль в образовании биологических структур. Пространственное, трехмерное расположение атомов углерода образует решетку алмаза, двумерное слоистое расположение атомов - решетку графита, наконец, одномерные линейные цепочки атомов углерода образуют так называемый карбин.
Впервые карбин был получен в 60-е годы советскими учеными. Он обладает наибольшей прочностью из всех существующих на Земле веществ. Именно из карбиновых нитей изготовляют корпуса твердотопливных ракетных двигателей. При намотке карбиновых нитей на заданную форму они следуют по геодезическом линиям данной поверхности, по тем самым линиям, представления о которых возникли при фундаментальных исследованиях свойств пространства.
Другой 4-х валентный элемент – кремний стал родоначальником новой техники, а затем и технологии. Благодаря именно кремнию удалось создать персональный компьютер. Микроэлектроника встретила новое тысячелетие рекордом – кремниевым чипом с 1 млрд транзисторов.
С одной стороны, микроэлектроника – это техника, с другой – в ее основе лежит фундаментальный раздел физики, так называемая физика твердого тела. Вот почему именно за открытия в области физики были присуждены Нобелевские премии многим ученым, работающим в микроэлектронике, начиная с изобретателей транзисторов (А. Шокли, Д. Бардин, У. Браттейн) и кончая российским физиком Ж. Алферовым.
Основное содержание
Наиболее доступно для учащихся предлагаемый подход может быть раскрыт на материале курса механики. В каждом из его разделов (статика, кинематика, динамика, законы сохранения) можно выделить физические принципы техники, которые использовались не только раньше, но используются и теперь.
Статика возникла в античный период (III в. до н.э.). В это время механика начала развиваться по двум, совершенно различным направлениям. Одно из них связано с изучением общих проблем динамики: время, пространство, сила движение, падение тел. Динамические проблемы возникли и развивались как чисто философские, умозрительные, логические, не имеющие никакого отношения к практической деятельности, никак не связанные с наблюдением, опытом.
Совсем по другому направлению шло развитие статики. Во-первых, огромным стимулом для исследования равновесия была техника сооружений, военная техника. Действительно, простейшие механизмы (рычаг, наклонная плоскость, клин) были известны еще в древнем Египте и Вавилоне (3000 лет до н.э.). Об этом свидетельствуют колоссальные сооружения тех времен.
Развитие военной техники, строительства уже требовали анализа принципа действия этих простых и новых механизмов. Эту теоретическую работу проделали в III–II вв. до н.э. Архимед и Герон. Теоретические расчеты проверялись на опытах.
Использование эксперимента, опыта в качестве способа проверки результатов – второе отличие развития статики от исследования динамических проблем. Исследования Архимеда вызваны были также необходимостью повысить точность весов – уникального, самого древнего и важного до сих пор средства измерения. Именно в статике зародились элементы естественнонаучного способа познания. Это связано главным образом с тем, что при исследовании проблем статики нет необходимости измерять промежутки времени.
Вплоть до XVII в. только законы статики лежали в основе технических механизмов. Многие из них, изготовленные из современных материалов и по современным технологиям, используются и сейчас. Во многом схожи модели крана, собранного на основе принципов, известных со времен Архимеда, и самых современных механизмов. Таким образом, оказывается, что понятия, законы и принципы статики используются и в технике настоящего времени и являются элементами современной естественнонаучной картины мира.
Кинематика (от греческого слова kinhma - состояние движения) изучает движение тел с чисто геометрической стороны. В кинематике материальные тела различаются формой и положением в данной системе отсчета, изучаются пространственные соотношения между телами и изменения этих соотношений, происходящие с течением времени. Силы, обуславливающие эти изменения, не анализируются и не исследуются.
В процессе исторического развития кинематические методы впервые использовались в астрономии. Например, Птолемей во II в. до н.э. в своем знаменитом труде «Альмагест» создал геоцентрическую система мира (geo - Земля), которая была построена на геометрическом подходе к анализу движений небесных тел. Ее использовали примерно 15 веков.
Развитие техники, машиностроения привело в XIX в. к возникновению целого ряда прикладных проблем, касающихся механизмов и машин, в которых изучение движения с чисто геометрической стороны стало очень важным. И это не только сохранилось, но и усилилось в настоящее время. Кинематические методы используются при проведении летных испытаний самолетов, ракет, при конструировании самых современных устройств. Геометрический подход к анализу движений позволяет определить ускорение движения, а следовательно, оценить, в соответствии со вторым законом Ньютона, и действующие силы.
Лагранж, один из основателей аналитической механики, назвал кинематику «геометрией четырех измерений», имея в виду три пространственные координаты (x, y, z) и четвертую координату – время t. Обратим внимание на то, что в этой координате t и кроется отличие между движением в физике и геометрии. При изучении движения в геометрии время не имеет значения.
В современной естественнонаучной картине мира после создания А. Эйнштейном общей теории относительности (1917 г.) стало ясно, что связь между физикой и геометрией оказывается более глубокой, чем только кинематическая - геометрические свойства пространства зависят от движущихся тел.
Динамика, изучает причины различных движений. Ее развитие началось с исследований Г.Галилея (1564-1642). Именно он впервые в истории физики от проблем статики и кинематики перешел к проблемам динамики. Прежде всего он выяснил, что равномерное прямолинейное движение не требует для своего поддержания каких-либо сил. Далее, исследуя свободное падение, Галилей на опыте изучил, как же происходит движение под действием постоянной силы. Это была первая в истории естествознания динамическая проблема. Ученый установил, что пути, проходимые свободно падающим из состояния покоя телом, относятся как ряд нечетных чисел. Из кинематики нам известно, что это – признак равноускоренного движения. Итак, Галилей выяснил, что сила не является причиной движения – она является причиной изменения скорости движения, т.е. ускорения.
Галилей проводил исследования динамических проблем в условиях, когда еще не были определены основные понятия механики – скорость и ускорение; не было способов исследования таких быстрых движений, как свободное падение. В этих условиях Галилей разработал основы естественнонаучного исследования, который используется до сих пор: и сейчас ученые, исследующие новое, оказываются в таких же условиях, что и Галилей - в новой области еще нет соответствующих понятий и надо создавать новые средства и приборы для проведения измерений.
Следующий, решающий, этап в развитии динамики и всей механики связан с именем И. Ньютона (1643-1727). В своей гениальной книге «Математические начала натуральной философии» (1687 г.) он сформулировал три закона динамики и закон всемирного тяготения; впервые разработал подход к построению теории. Ньютон объяснил, как надо поступать, чтобы теория обладала стройностью и ясностью. Необходимо вывести из явлений (основание теории) два или три общих принципа (ядро) и затем изложить, какие из этих общих принципов вытекают свойства движений. Именно таким образом ему удалось открыть закон всемирного тяготения.
Ньютон вместе с Лейбницем (1646-1716) явились основателем математического анализа (с основами которого учащиеся знакомятся в курсе математики). В полной мере этот аппарат применили в механике великие математики Эйлер (1707-1783) и Лагранж (1736-1813). Ими была создана аналитическая механика (один из ее принципов – принцип возможных перемещений – учащиеся изучают в статике). Книга Лагранжа «Аналитическая механика» вышла в 1788 г. Именно аналитические методы позволили рассмотреть не только сложные проблемы движения материальной точки, но и движение твердого тела.
В конце XIX в. началась интенсивная разработка нового раздела динамики, посвященного движению тел, масса которых изменяется с течением времени. Основные результаты в этом направлении были получены профессором Петербургского политехнического института И.В. Мещерским (1859-1935).
ХХ век ознаменовался новым этапом развития механики, связанный с именем А.Эйнштейна (1879-1955), который создал знаменитые специальную и общую теории относительности. В специальной теории он рассмотрел движение тел со скоростями, сравнимыми со скоростью света. В общей теории Эйнштейну удалось построить новую теорию тяготения. Интересно, что при построении обеих теорий им использовались открытия Галилея. Один из принципов специальной теории относительности – это принцип относительности, открытый Галилеем. Одна из исходных идей общей теории относительности следует из экспериментального факта, открытого Галилеем: ускорения свободного падения одинаковы для любых (разных) тел.