Краткая история физики

По мнению известного физика В. Гейзенберга, в физике за всю ее историю сложилось четыре системы понятий: ньютоновская механика, статистическая физика, электродинамика, квантовая теория. В соответствии с этим «древо физики» состоит из четырех основных «ветвей».

Древо физики уходит корнями в античные времена. Тогда происходило накопление фактических знаний, сведенных в систему учением Аристотеля. Вместе с геоцентрической системой мира оно было превращено в догму церковью и тормозило развитие науки. Коперник отвергает геоцентрическую систему мира и создает гелиоцентрическую. Галилей формулирует первые законы новой механики, после чего начинается ее бурное развитие, давшее вскоре законы Ньютона. Тот же Галилей своим термоскопом открывает историю термодинамики, из которой впоследствии, когда теплота получила кинетическое истолкование, развилась статистическая физика. Гильберт проводит первые научные исследования по электричеству и магнетизму; они слились в единую ветвь электродинамики, когда Эрстед открыл действие электрического тока на магнитную стрелку. От Демокрита к Бору и Резерфорду тянется линия атомизма, основы современной науки о строении материи. Ее теоретический аппарат, квантовая механика, ведет свою историю от работ Планка, объяснившего парадоксы теплового излучения. От ньютоновского закона всемирного тяготения к общей теории относительности Эйнштейна тянется линия теории тяготения. Наука оптика, вначале питавшаяся акустическими и гидродинамическими аналогиями, пришла затем к волновой теории и к представлениям о свете как электромагнитной волне, о квантовой природе света.

Несколько слов о каждой «ветви». В механике выделены разделы гидроаэромеханики, теории упругости, акустики. Показано развитие термодинамики, приведшее к созданию статистической физики. История квантовой теории начата и описана наряду с историей представлений о строении вещества, опирающихся ныне на квантовомеханические понятия; упомянуты также открытия в термодинамике, оптике, электродинамике, способствовавшие возникновению квантовой теории. Отдельно показано развитие теории тяготения и оптики, ранее развивавшейся на основе механистических представлений, а ныне трактуемой с позиций электродинамики и квантовой теории. Особо показано развитие бесперспективных теорий — таких, как учение Аристотеля, теорий «мирового эфира», флюидов (магнитной, электрической и световой жидкостей, а также теплорода), идеи вечного двигателя.

Если в скобках указаны через точку с запятой две даты и фамилии, то это значит, что соответствующее открытие было переоткрыто, теория усовершенствована и т. п. Если в название открытия входит фамилия автора, то в скобках она не повторяется. Из изобретений указаны лишь немногие, особо способствовавшие развитию науки.

Механика. Теория рычага, понятие «центра тяжести» (Архимед, 3 в. до н. э.). «Об обращении небесных сфер» (Коперник, 1543). Изохронность качаний маятника (Галилей, 1583). Золотое правило механики, принцип относительности классической механики, понятие ускорения, законы инерции, падения тел (Галилей, 1590-е годы). Законы равновесия тел на наклонной плоскости (Стевин, 1586). Закон сложения скоростей (Галилей, 1638). Понятие количества движения (Декарт, 1644). Маятниковые часы (Гюйгенс, 1657). Понятие центростремительного ускорения, момента инерции, законы колебаний физического маятника (Гюйгенс, 1673). Понятие «живой силы» (кинетической энергии) и ее сохранения (Лейбниц, 1686). Закон сложения сил, понятие момента силы (Вариньон, 1687). Законы Ньютона (1687, «Математические начала натуральной философии»). Законы сухого трения (Амонтон, 1699; Кулон, 1781). Принцип наименьшего действия Мопертюи — Лагранжа (Мопертюи, 1740; Лангранж, 1788). Понятие сил инерции, принцип Даламбера (1743). Уравнения вращательного движения тел (Эйлер, 1765). Принцип возможных перемещений, уравнения Лагранжа (1788, «Аналитическая механика»). Понятие пары сил (Пуансо, 1803). Понятие работы, коэффициента полезного действия (Понселе, Кориолис, 1820-е годы). Понятие ускорения и силы Кориолиса (1829—1835). Теория гироскопа (Пуансо, 1834). Принцип наименьшего действия Гамильтона — Остроградского (Гамильтон, 1834—35; Остроградский, 1840-е годы). Понятие «количества сил "напряжения» (потенциальной энергии — Гельмгольц, 1847). Теория устойчивости движения (Ляпунов, 1892). Уравнения движения тел переменной массы (Мещерский, 1897— 1904). Уравнения реактивного движения (Циолковский, 1903). Вывод законов сохранения из симметрии пространства и времени (Нетер, 1919).

Гидроаэромеханика. Закон Архимеда (3 в. до н. э.). Равновесие жидкостей в сообщающихся сосудах (Леонардо да Винчи, около 1500). Закон гидростатического давления (Стевин, 1586). Формула для скорости истечения жидкости из сосуда (Торричелли, 1643). Закон Паскаля (1653). Понятие вязкости, пропорциональность силы сопротивления квадрату скорости (Ньютон, 1687). Уравнение Бернулли (1738). Уравнения движения идеальной жидкости (Эйлер, 1755). Сжимаемость жидкостей (Эрстед, 1822). Уравнения движения вязкой жидкости (Навье, 1822; Стоке, 1845). Турбулентность (Гаген, 1839). Вязкость газов (Грэм, 1846—49). Теория вихревых движений (Гельмгольц, 1858) и разрывных движений (Гельмгольц, 1868). Понятие числа Рейнольдса (1883). Гидродинамическая теория смазки (Петров, 1883). Теорема о подъемной силе (Жуковский, 1904). Понятие пограничного слоя (Прандтль, 1905).

Теория упругости. Испытания брусьев на изгиб и разрыв (Галилей, 1638). Закон Гука (1660). Потеря устойчивости стержней (Эйлер, 1744). Понятие модуля упругости (Юнг, 1807). Уравнения теории упругости (Навье, 1821; Коши, 1822). Теория упругих пластин (Кирхгоф, 1850). Расчет фермы (Риттер, 1862). Условие пластичности (Сен-Венан, 1871). Теория упругих оболочек (Ляв, 1888).

Акустика. Зависимость между высотой тона и длиной струны (Пифагор, 6 в. до н. э.). Понятие амплитуды и частоты колебания (Галилей, 1638). Понятие обертонов, измерение скорости звука (Мерсенн, 1636). Формула для скорости звука (неточная: Ньютон, 1687; точная: Лаплас, 1816). Измерение скорости звука в твердых телах (Хладни, 1797). Измерение скорости звука в воде (Ведан, 1825). Ультразвук (Савар, 1830). Эффект Доплера (1842). Понятие групповой скорости (Рэлей, 1877, «Теория звука»).

Статистическая физика (с термодинамикой). Термоскоп (Галилей, 1597). Атмосферное давление, барометр (Торричелли, 1643). Постоянные точки термометра (Гук, Гюйгенс, 1660). Постоянство температуры плавления (Гук, 1668). Закон Бойля-Мариотта (Бойль и Тоунлей, 1662; Мариотт, 1676). Шкала Цельсия (1742). Формула Рихмана для температуры смеси жидкостей (1744). «О физических частицах» (Ломоносов, 1743—1744). Скрытая теплота плавления и парообразования (Блэк, 1757). Сохранение количества тепла, понятие теплоемкости, различие между понятиями теплоты и температуры (Блэк, 1759—1763). Паровая машина (Ползунов, 1763; Уатт, 1784). Неограниченное получение теплоты за счет механической работы (Румфорд, 1798). Закон Шарля (1798). Закон парциальных давлений (Дальтон, 1801). Закон Гей-Люссака (Дальтон; Гей-Люссак, 1802). Законы капиллярных явлений (Лаплас, 1806). Закон Авогадро (1811). Закон Дюлонга и Пти (1819). Критическое состояние (де ла Тур, 1822). Уравнение теплопроводности (Фурье, 1822, «Аналитическая теория тепла»). Цикл Карно (1824). Броуновское движение (Броун, 1827). Закон диффузии (Грэм, 1829). Индикаторная диаграмма (Клапейрон, 1834). Уравнение газового состояния (Клапейрон, 1834; Менделеев, 1874). Закон Джоуля-Ленца (Джоуль, 1841; Ленц, 1842). Понятие абсолютной температуры (Кельвин, 1848). Понятие механического эквивалента теплоты (Майер, 1842—48; Джоуль, 1843—50). Количественное выражение закона сохранения и превращения энергии (Гельмгольц, 1847, «О сохранении силы»). Формула для теплоты фазового перехода (Клапейрон, Клаузиус, 1850). Второе начало термодинамики (Клаузиус, 1850; Кельвин, 1851). Понятие диссипаций энергии (Кельвин, 1852). Расчет теплоемкости по кинетической теории газов (Джоуль, 1851). Общее понятие энергии (Ранкин, 1853). Эффект Джоуля-Томсона (1852— 1862). Теория парового двигателя (Ранкин, Клаузиус, 1850-е годы). Математическая формулировка кинетической теории газов (Клаузиус, 1857). Понятие длины свободного пробега (Клаузиус, 1858). Распределение молекул по скоростям (Максвелл, 1860). Понятие энтропии (Клаузиус, 1865). Распределение Больцмана (1868—71). Кинетическое уравнение (Больцман, 1872). Статистическая трактовка второго начала термодинамики (Больцман, 1872). Правило фаз (Гиббс, 1873—76). Теория термодинамических потенциалов (Гиббс, 1874—78). Уравнение Ван-дер-Ваальса (1873). «Основные принципы статистической механики» (Гиббс, 1902). Теория броуновского движения (Эйнштейн, Смолуховский, 1905—1906). Закон Нернста (1906). «Атом» (Перрен, 1913). Измерение скорости молекул (Штерн, 1920). Теория фазовых переходов (Ландау, 1930-е годы). Кинетическая теория жидкостей (Френкель, 1945).

Электродинамика. Электризация трением, описание магнита (Фалес, 6 в. до н. э.). Наведенное намагничение, неразделимость полюсов магнита (Гильберт, 1600, «О магните»). Электростатическое отталкивание (Герике, 1650-е годы). Понятие проводника и непроводника (Грей, 1729). Два вида электричества (Дюфе, 1733—1737; Франклин, 1747—1754). Лейденская банка (Клейст; Мушенброк, 1745—1746). Электростатическая индукция (Рихман, 1748—1751; Эпинус, 1750). Закон сохранения заряда (Франклин, 1.747—1754). Атмосферное электричество, молниеотвод (Франклин, 1750—1753). Закон Кулона (Кавендиш, 1773; Кулон, 1785). «Животное электричество» (Гальвани, 1771—91). Химические источники тока, понятие «электровозбудительной силы» и электрического тока, понятие электрической цепи (Вольта, 1794). Вольтов столб (Вольта, 1800). Электрическая дуга ^Петров, 1802). Действие тока на магнитную стрелку (Эрстед, 1820). Закон Ампера (1820). Закон Био-Савара (1820). Закон Ома (1826). Закон электромагнитной индукции (Фарадей, 1831). Тождественность видов электричества (Фарадей, 1833). Законы электролиза (Фарадей, 1833—1834). Электродвигатель (Якоби, 1834). Понятие диэлектрика (Фарадей, 1837). Взаимодействие движущихся зарядов (Вебер, 1846). Правила Кирхгофа (1847). Соотношение между электростатическими и электромагнитными единицами (Вебер, Кольрауш, 1856—1858). Понятие электромагнитного поля, скорости «магнитного возбуждения», уравнения Максвелла (1864). Понятие тока смещения, гипотеза электромагнитных волн (Максвелл, 1865). Понятие потока энергии (Умов, 1874; Пойнтинг, 1884). Трансформация токов (Яблочков, 1876). Пьезоэлектричество (бр. Кюри, 1880). Опыт Майкельсона (1881). Гипотеза дискретности электрического заряда (Гельмгольц, 1881). Обнаружение электромагнитных волн (Герц, 1886—1889). Фотоэффект (Герц, 1887; Столетов, 1888). Радио (Попов, 1895). Расщепление спектральных линий в магнитном поле (Зееман, 1896). Преобразования Лоренца (1904). «О динамике электрона» (Пуанкаре, 1905). Специальная теория относительности (Эйнштейн, 1905). Излучение Вавилова-Черенкова (Вавилов, Черенков, 1934).

Теория тяготения. Законы Кеплера (1609—18). Закон всемирного тяготения (Ньютон, 1687). Измерение гравитационной постоянной (Кавендиш, 1798). Общая теория относительности (Эйнштейн, 1916). Нестационарность искривленного пространства (Фридман, 1922—1924).

Оптика. Прямолинейность распространения света (Платон, 4 в. до н. э.). Закон отражения (Эвклид, 3 в. до н. э.). Преломление света (Клеомед, 1 в). Рефракция, закон преломления (неточный: Птолемей, 2 в.). Убывание освещенности с расстоянием (Кеплер, 1604). Полное внутреннее отражение (Кеплер, 1611). Закон преломления (точный: Снеллиус, 1621; Декарт, 1630). Люминесценция (Кашиаоола, 1630). Гипотеза «мирового эфира» (Декарт, 1644). Принцип Ферма (1657—1662). Дифракция света (Гримальди, 1665). Понятие о световых явлениях как колебаниях эфира (Гук, 1665, «Микрография»). Дисперсия света (Ньютон. 1666). Двойное лучепреломление (Бартолин, 1669). Гипотеза о телесности света (Ньютон, 1672). Кольца Ньютона (1675). Измерение скорости света (Ремер, 1675).

Поляризация света при двойном лучепреломлении, принцип Гюйгенса (1678, «Трактат о свете»). Аберрация света (Брадлей, 1725). Понятие количества света (Бугер, 1729, «Фотометрия»). Инфракрасные лучи (Гершель, 1800). Ультрафиолетовые лучи (Риттер, Волластон, 1801). Интерференция света (Юнг, 1801). Поляризация света лри отражении и преломлении (Малюс, 1808). Вращение плоскости (Поляризации (Араго, 1811). Понятие когерентности (Френель, 1815). Поперечный характер световых волн (Юнг, 1817; Френель, 1821). Волновая теория света (Френель, 1818). Дифракционная решетка (Фраунгофер, 1821). Аномальная дисперсия света (Леру, 1862). Гипотеза об электромагнитной природе света (Фарадей, 1846; Максвелл, 1865). Расчет давления света (Максвелл, 1873). Интерферометр, измерение длины световой волны (Майкельсон, 1892—1893). Измерение давления света (Лебедев, 1899). Комбинационное рассеяние света (Ландсберг, Мандельштам; Раман, Кришнан, 1928). Селективное рассеяние света (Ландсберг, 1931). Голография (Габор, 1948). Трехмерная голография (Денисюк, 1962).

Квантовая механика (с теориями строения вещества). Концепция материалистического атомизма (Демокрит, 5—4 в. до н. э., Эпикур, 4—3 в. до н. э., Лукреций 1 в. до н. э.). Гипотеза кристаллической решетки (Кеплер, 1611). Закон постоянства углов кристалла (Стенон, 1669). Анизотропия кристаллов (Гюйгенс, 1690). Понятие кристаллической решетки (Браве, 1848). Закон теплового излучения, понятие абсолютно черного тела (Кирхгоф, 1859). Законы излучения абсолютно черного тела (Стефан, 1879; Больцман, 1884). Виды симметрии (Федоров, 1890). Теория вещества и света, впоследствии названная электронной (Лоренц, 1892). Измерение размера молекулы (Сазерленд, 1893). Рентгеновские лучи (1895). Радиоактивность солей урана (Бек-керель, 1896). Электрон (Томсон, 1897). Альфа- и бета-излучения (Резерфорд, 1899). Понятие кванта (Планк, 1900). Понятие электронного газа (Друде, 1900). Квантовая теория фотоэффекта, понятие фотона (Эйнштейн, 1905). Квантовая теория теплоемкости (Эйнштейн, 1907). Атомное ядро (Резерфорд, 1911). Сверхпроводимость (Каммерлинг-Оннес, 1911). Камера Вильсона (1912). Космические лучи (Гесс, 1912). Модель твердого тела (Дебай, 1912). Дифракция рентгеновских лучей на кристалле, доказательство кристаллической решетки (Лэуэ, 1912). Планетарная модель атома (Резерфорд, 1911; Бор, 1913). Искусственные ядерные превращения (Резерфорд, 1919). Протон (Резерфорд, 1920). Статистика Бозе-Эйнштейна (1924). Принцип Паули (1925). Статистика Ферми-Дирака (1925). Понятие спина (Гаудсмит. Уленбек, 1925). Уравнение Шредингера (1926). Соотношение неопределенностей (Гейзенберг, 1927). Дифракция электронов (Дэвисон, Джермер, 1927). Понятие ближнего порядка (Стюарт, 1927). Релятивистское уравнение движения электрона, гипотеза античастиц (Дирак, 1928). Циклотрон (Лоуренс, 1930). Нейтрон (Чедвик, 1932). Гипотеза протонно-нейтронного строения ядер (Гейзенберг; Иваненко-Майорана, 1932). Позитрон (Андерсон, 1932). Мезонная теория ядерных сил (Юкава, 1935). Мюмезон (Андерсон, Неддер-мейер, 1936). Сверхтекучесть (Капица, 1938). Деление атомного ядра (Ган, Штрассман, 1938). Спонтанное деление ядра (Флеров, Петржак, 1940). Искусственный синтез плутония (Сиборг, 1940). Атомный реактор (Ферми, 1942). Электр'онный парамагнитный резонанс (Завойский, 1944). Ядерный магнитный резонанс (Перселл, Блох, 1945). Определение размера протона (Хофштадтер, 1955). Молекулярный квантовый генератор (Басов, Прохоров; Таунс, 1955). Несохранение четности в слабых взаимодействиях (Ли Цзундао, Ян Чженьнин, 1956). Понятие комбинированной инверсии (Ландау; Ли Цзундао, Ян Чженьчнин, 1956). Проект ускорителя на встречных пучках (Будкер; Пэновский, 1957). Эффект Мессбауэра (1958).

Бесперспективные теории. Механика Аристотеля (4 в. до н. э.), геоцентрическая система мира Птолемея (2 в. н. э.). Развитие современных представлений о Вселенной началось с гелиоцентрической модели Солнечной системы (Коперник, 1543 г.). В основу современной механики и физики вообще положены требования опытной проверки и количественного выражения законов природы (Галилей, конец 16 в.).

Идея вечного двигателя (первое дошедшее до нас изложение: д' Оннекур, 1245). Современное мнение о невозможности вечного двигателя первого и второго рода основано на законе сохранения энергии и втором начале термодинамики (Майер, Джоуль, Гельмгольц, Кельвин, Клаузиус и др; середина 19 в.).

Теория теплорода возникла после того, как Рихман и Блэк показали возможность количественных измерений тепловых явлений, подобных измерениям объемов, уровней и т. п. (1740—1750 годы). Современная трактовка тепловых явлений базируется на представлении о тепловом движении частиц вещества (Джоуль, Клаузиус, Максвелл, Больцман и др.; вторая половина 19 в.).

Теория электрической жидкости выдвинута Франклином по аналогии с теорией теплорода (1750-е годы). Бытовала также теория магнитной жидкости. Современные взгляды на электромагнетизм основаны на представлении об элементарных носителях электрического заряда и электромагнитном поле (Фарадей, Максвелл, Лоренц и др.; вторая половина 19 в.).

Понятие эфира было выдвинуто Декартом (1644) и вскоре признано необходимым для описания распространения света. Современная трактовка распространения электромагнитных взаимодействий базируется на специальной теории относительности (Эйнштейн, 1905).

Составил кандидат физико-математических наук Ю. Пухначев.