Фізика. 9 клас. Бар’яхтар

§ 40. Еволюція фізичної картини світу. Фізика і науково-технічний прогрес

Ви вивчаєте фізику три роки і вже ознайомились із основними розділами цієї науки — механікою, оптикою, електрикою та ін.; довідалися про те, що у фізиці називають законами; дізналися, як відбувається дослідження фізичних явищ. Ми постійно нагадували вам, яким чином досягнення вчених-фізиків втілювалися в приладах, машинах, обладнанні, значно підвищуючи якість життя людини. Проте бурхливий розвиток техніки має й негативні наслідки. Настав час обговорити питання еволюції фізичної картини світу та взаємозв'язку фізики й суспільного розвитку.

1. Дізнаємося про еволюцію фізичної картини світу

Протягом тисячоліть людину цікавили питання: що являє собою навколишній Всесвіт? як він «побудований»? за якими законами розвивається?

Стародавні філософи визнавали Землю центром усього Всесвіту. Вони вважали, що вона пласка й оточена гігантською кришталевою сферою (рис. 40.1).

Рис. 40.1. Давні уявлення про будову світу (гравюра)

У Середні віки завдяки вченням Ґалілео Ґалілея і Миколая Коперника була сформована геліоцентрична картина світу — вчення, відповідно до якого Сонце розташоване в центрі Всесвіту, а всі тіла, в тому числі планети (і зокрема Земля), обертаються навколо Сонця.

За останні 100 років знання людства про Всесвіт значно поглибилися. Загальна теорія відносності Альберта Ейнштейна пояснила існування багатьох загадкових об’єктів Всесвіту, наприклад чорних дір. Завдяки радіотелескопам, які працюють в багатьох діапазонах електромагнітних хвиль, розширилися можливості отримання інформації про космічний простір.

Космічні апарати пролетіли повз усі планети Сонячної системи, сфотографували їхні поверхні «зблизька», побували на Марсі, Венері, Місяці, на інших небесних тілах. Із 1990 р. на орбіті Землі працює телескоп «Габбл», завдяки якому вдалося «побачити» об’єкти в далеких галактиках (рис. 40.2).

Рис. 40.2. За допомогою космічного телескопа вдалося сфотографувати Туманність Орла — скупчення зір, яке розташоване на відстані 7000 світлових років від Землі

Паралельно з вивченням об’єктів мега- і макросвіту вчені досліджували світ молекул, атомів та їхніх складників — мікросвіт.

Первісні уявлення про будову атомів виникли приблизно 2,5 тисячі років тому. Вони були умоглядними та ґрунтувалися тільки на логічних міркуваннях філософів Давньої Греції. У XIX ст. з’явилися непрямі докази атомарної будови матерії, які базувалися, зокрема, на унікальних (але непрямих) експериментах (рис. 40.3).

Рис. 40.3. Копія малюнка французького фізика Жана Батиста Перрена (1870-1942), на якому відтворено результати спостереження в мікроскоп броунівської частинки — дрібної частинки речовини, завислої в рідині. Броунівський рух частинок, викликаний хаотичними ударами по них молекул, підтверджує атомарну будову матерії

Тільки наприкінці XIX — на початку XX ст. з’явилися незаперечні докази атомно-ядерної структури матерії (рис. 40.4). За допомогою новітніх надчутливих мікроскопів, які було створено наприкінці минулого століття (тонельний, автоелектронний, автойонний, електронний), удалося сфотографувати окремі атоми (рис. 40.5).

Рис. 40.4. Сліди α-частинок у пристрої для реєстрації заряджених частинок (камері Вільсона)

2. Знайомимося з розвитком уявлень про природу світла

Від часів давньогрецького філософа Арістотеля до наших днів фізична наука намагається створити цілісну картину світу. Із самого початку вивчення природи дослідники прагнули знайти єдину теорію, яка б описувала і мега-, і макро-, і мікросвіт.

Перша єднальна ланка з’явилася на межі XVII-XVIII ст. у ході вивчення природи світла. Майже одночасно два видатні фізики створили дві абсолютно різні теорії світла. Ідеться про корпускулярну теорію І. Ньютона і хвильову теорію К. Гюйґенса.

Згідно з корпускулярною теорією Ньютона світло — це потік частинок (корпускул), що випускаються світними тілами, причому рух світлових корпускул підпорядковується законам механіки. Так, відбиття світла Ньютон пояснював відбиванням корпускул від поверхні, на яку падає світло, а заломлення світла — зміною швидкості руху корпускул унаслідок їх взаємодії з частинками середовища.

«Трактат про світло» Гюйґенса, опублікований у 1690 р., увійшов в історію науки як перша наукова праця з хвильової оптики.

Хвильову теорію світла підтримували такі видатні вчені, як М. В. Ломоносов і Л. Ейлер, проте до кінця XVIII ст. загальновизнаною лишалася корпускулярна теорія Ньютона. Так було до початку XIX ст., доки не з’явилися роботи англійського фізика Томаса Юнга (1773-1829) і французького фізика Оґюстена Жана Френеля (1788-1827). Досліджуючи світло, вчені спостерігали явища, властиві лише хвилям: огинання світлом перешкод (дифракція) та посилення й послаблення світла в разі накладання світлових пучків (інтерференція). З того часу в науці стала переважати хвильова теорія Гюйґенса.

У 60-х роках XIX ст. Дж. Максвелл створив теорію електромагнітного поля, одним із наслідків якої було встановлення можливості існування електромагнітних хвиль. За розрахунками, швидкість поширення електромагнітних хвиль дорівнювала швидкості світла. На основі теоретичних досліджень Максвелл дійшов висновку, що світло — це електромагнітні хвилі. Після дослідів Г. Герца жодних сумнівів щодо електромагнітної природи світла не залишилось.

Електромагнітна теорія світла дозволила пояснити багато оптичних явищ, однак уже на кінець XIX ст. з’ясувалося, що цієї теорії недостатньо для пояснення явищ, які виникають під час взаємодії світла з речовиною. Так, процеси випромінювання та поглинання світла, явище фотоефекту та ін. змогли пояснити тільки в першій половині XX ст. — з позицій квантової теорії світла, згідно з якою світло випромінюється, поширюється та поглинається речовиною не безперервно, а скінченними порціями — квантами. Кожен окремий квант світла має властивості частинки, а сукупність квантів поводиться подібно до хвилі. Така двоїста природа світла (та й будь-якої частинки) отримала назву корпускулярно-хвильовий дуалізм.

Рис. 40.5. Електронний мікроскоп

Таким чином, через кілька сотень років дві абсолютно різні теорії «об’єдналися». Паралельно з’являлися й інші єднальні ланки. Коли вчені почали вивчати фізичні процеси, що відбуваються в зорях, то виявилося, що «світіння» цих гігантських скупчень пов’язане зі структурою й властивостями найменших із відомих на той час об’єктів — атомних ядер. Тож гігантські прискорювачі, створені для вивчення мікроструктури матерії, дали відповідь не тільки на запитання «Якою є структура атомного ядра?», але й на інше: «Чому світить Сонце?».

Учені впевнені: ще більше загадок Всесвіту буде розгадано після одержання відомостей про властивості елементарних частинок. Із цією метою був створений найпотужніший із прискорювачів — великий адронний колайдер (див. рис. 22.1). Його було запущено в 2008 р. зусиллями вчених багатьох країн.

3. Підсумовуємо роль фізики в науково-технічному прогресі

Науково-технічний прогрес — це єдиний, взаємозумовлений, поступовий розвиток науки та техніки.

У курсі фізики 9 класу, як і раніше, ми неодноразово звертали вашу увагу на тісний зв’язок між фізикою і технікою. Протягом майже 25 століть існування фізичної науки результати її досліджень були спрямовані не тільки на пояснення природи світобудови. У своїх працях учені-фізики (наприклад, давні греки, насамперед Архімед) постійно намагалися науково обґрунтувати застосування тих чи інших технічних пристроїв і прийомів.

У XIX ст. з’явилася нова тенденція: фізичні закони почали не тільки застосовуватися для пояснення (і поліпшення) вже винайдених інженерами конструкцій, але й бути «поживою для розуму» в процесі створення нових напрямків розвитку техніки. Наведемо кілька прикладів.

До XIX ст. електрика слугувала здебільшого для салонних розваг (рис. 40.6). Приблизно в середині XIX ст., після встановлення фізичних законів, пов’язаних із поширенням і дією електричного струму (закону Ома, закону електромагнітної індукції та ін.), починає розвиватися телеграфний зв’язок, а потім і телефонний. Винайдення й широке розповсюдження радіо стали можливими після створення теорії електромагнітного поля Максвелла.

Рис. 40.6. Дослід, що демонструє існування провідників і діелектриків (гравюра середини XVІІІ ст.). Жінка сидить на гойдалці, підвішеній на шовкових нитках. Чоловік, який стоїть праворуч, наближає наелектризовану скляну паличку до руки жінки, а той, що стоїть ліворуч, торкається до її другої руки — з'являється іскра

У XIX ст. встановлення нових фізичних законів відбувалося, як правило, випадково. Відповідно поява пов’язаних із цими законами нових технічних винаходів ішла самопливом, і лише у XX ст. цей процес було певним чином упорядковано. Ціла низка проектів (найвідоміший із них — так званий «Урановий проект» — програма робіт зі створення атомної зброї) здійснювалася на пряме замовлення урядів країн. У рамках кожного проекту вели наукові дослідження, за результатами яких виконували інженерні розробки (розрахунки, виготовлення конструкцій).

Сучасний етап розвитку фізики характеризується її тісним зв’язком із виробництвом і бізнесом. Для вирішення кожного нового технічного завдання залучають не тільки інженерів, технологів, а й науковців. Приклад такого співробітництва — мініатюризація мобільних телефонів.

Фізика вплинула також на розвиток інших наук. Насамперед це пов’язане із глибоким розумінням структури матерії, яке ґрунтується на теоретичному описі мікросвіту за допомогою квантової механіки. Застосування цієї теорії для вирішення завдань хімії та біології дозволило за короткий термін досягти суттєвого прогресу в розвитку цих галузей знань.

Практично всі сучасні вимірювальні прилади й методи вимірювання, застосовувані в астрономії, медицині, археології і т. д., «виросли» з відповідних законів фізики.

Підбиваємо підсумки

За майже 2500 років свого існування фізична наука змогла розвинути загальне уявлення про природу, яке об’єднує знання людей про мега-, макро- і мікросвіт. Значні зусилля вчених-фізиків були спрямовані на практичне втілення результатів своїх досліджень.

Починаючи з XIX ст. фізики стали не тільки пояснювати відомі факти, але й установлювати нові закони і, спираючись на них, розвивати нові галузі техніки.

Особливістю сьогодення є «замовлення на розробку»: наукові дослідження здебільшого здійснюються спеціально для розв’язання конкретного практичного завдання.

Результати, отримані вченими-фізиками, застосовують в інших науках, зокрема в біології та хімії. Фізичні прилади й методи досліджень широко використовують у науці, промисловості, сільському господарстві.

Контрольні запитання

1. За допомогою яких приладів вивчають мегасвіт? 2. Які методи й прилади використовують фізики для вивчення властивостей атомів? 3. Якими є сучасні уявлення про природу світла? 4. У чому сутність корпускулярно-хвильового дуалізму? 5. Наведіть докази того, що знання закону Ома є необхідним для інженерів.

Фізика і техніка в Україні

Борис Ієремійович Вєркін (1919-1990) — видатний український учений у галузі фізики низьких температур, засновник і перший директор Фізико-технічного інституту низьких температур АН УРСР (м. Харків) (ФТІНТ).

Наукові праці Б. І. Вєркіна присвячені дослідженню природи магнітних властивостей металів, фундаментальної та прикладної надпровідності, структури матеріалів за низьких температур, властивостей кріогенних кристалів і рідин, молекулярної біофізики, поведінки рідини в умовах невагомості. Значним є внесок ученого в дослідження космосу: за його участі було створено комплекс приладів, установлених на космічних апаратах «Венера-9», «Венера-10», «Салют-4» для імітації фізичних умов Місяця, Марса та інших планет.

У царині кріогенної медицини Б. І. Вєркін розробив методи довготривалої низькотемпературної консервації клітин крові, тканин і кісткового мозку, а також кріохірургічні інструменти й апарати для застосування в дерматології, гінекології, стоматології, нейрохірургії та інших галузях медицини.

За видатні наукові досягнення Фізико-технічному інституту низьких температур присвоєно ім'я Б. І. Вєркіна. НАНУ засновано премію ім. Б. І. Вєркіна за видатні наукові роботи в галузі фізики й техніки низьких температур.

Освоєння космосу

Перші кроки в космос

4 жовтня 1957 р. радянські вчені вивели на навколоземну орбіту перший штучний супутник Землі, який відкрив космічну еру в історії людства (рис. 1). Після відділення від ракети-носія його радіопередавач почав передавати перший штучний сигнал із космосу — і цей сигнал почув увесь світ.

12 квітня 1961 р. людина вперше полетіла в космос. Цей політ здійснив на космічному кораблі «Восток» радянський космонавт Юрій Олексійович Гагарін (1934-1968) (на рис. 2 ліворуч). «Восток» був розроблений видатним конструктором Сергієм Павловичем Корольовим (1907-1966) (на рис. 2 праворуч), уродженцем м. Житомира, випускником Київського політехнічного інституту.

21 липня 1969 р. американські астронавти Ніл Армстронг (1930-2012) і Базз (Едвін) Олдрін (народ. 1930) висадилися на Місяці (рис. 3). Зробивши перший крок місячною поверхнею, Н. Армстронг сказав: «Це маленький крок для однієї людини, але величезний стрибок для всього людства».

Проект «Розетта»

Ідея проекту полягала в тому, щоб посадити космічний апарат на комету. Космічний зонд «Розетта», створений фахівцями Європейського космічного агентства, був запущений у 2004 р. і за десять років подолав сотні мільйонів кілометрів, щоб вийти на орбіту комети розміром менш ніж 10 км (!). Із «Розетти» було спущено апарат «Філи», який 12 листопада 2014 р. успішно здійснив м’яку посадку на поверхню комети (рис. 4). Залишається додати, що «Розетта» досліджувала комету Чурюмова — Герасименко, відкриту в 1969 р. ученим із України Климом Івановичем Чурюмовим (1937-2016).

ГДЗ до підручника можна знайти тут.