Физика — фундаментальная отрасль естествознания

Механика

Огромное ветвистое древо естествознания выросло не сразу - оно медленно произрастало из натурфилософии — философии природы, представляющей собой умозрительное истолкование природы, рассматриваемой в ее целостности. Ранняя древнегреческая натурфилософия досократовского периода активно развивалась, в ионийской школе и явилась по существу первой исторической формой философии вообще. Ионийская школа древнегреческой философии, отличающаяся стихийно-материалистическими взглядами, возникла в VI- V вв. до н. э. в ионийских колониях Греции. Ее представители - крупные мыслители древности: Фалес, Анаксимандр, Анаксимен (Милетская школа), Гераклит Эфесский, Диоген Аполлонийский - руководствовались основной идеей о единстве сущего, происхождении всех вещей из некоторого первоначала (воды, воздуха, огня), а также о всеобщей одушевленности материи.

Интерес к природе как объекту, познания вызвал новый расцвет натурфилософии в эпоху Возрождения. Этот расцвет связан с Дж. Бруно, Б. Телезио, Т. Кампанеллой и другими известными мыслителями. Особое развитие натурфилософия получила в немецкой классической философии Фридриха Шеллинга (1775- 1854), взгляды которого основывались на принципах объективно-идеалистической диалектики природы как живого организма.

Наряду с умозрительными и в определенной степени фантастическими представлениями натурфилософия содержала глубокие идеи диалектической трактовки природных явлений. Поступательное развитие экспериментального естествознания и прежде всего физики привело к постепенному вытеснению натурфилософии естественно-научными знаниями, базирующимися на опытах, на экспериментальных данных.

Слово "физика" появилось еще в древние времена. В переводе с греческого оно означает "природа". Одно из основных сочинений древнегреческого философа и ученого Аристотеля (384- 322 до н. э.), ученика Платона, так и называлось "Физика". Физика тех времен, конечно, носила натурфилософский характер. Тем не менее, предвидя развитие физики, Аристотель писал:

Наука о природе изучает преимущественно тела и величины, их свойства и виды движении, а кроме того, начала такого рода бытия.

Высшая задача физики состоит в открытии наиболее общих элементарных законов, из которых можно было бы логически вывести картину мира

- так считал А. Эйнштейн.

К настоящему времени известны четыре вида основных фундаментальных взаимодействий:

• гравитационное,
• электромагнитное,
• сильное,
• слабое.

· Гравитационное взаимодействие характерно для всех материальных объектов вне зависимости от их природы. Оно заключается во взаимном притяжении тел и определяется фундаментальным законом всемирного тяготения: между двумя точечными телами действует сила притяжения, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними. Гравитационным взаимодействием определяется падение тел в поле сил тяготения Земли. Законом всемирного тяготения описывается движение планет Солнечной системы, а также других макрообъектов. Предполагается, что гравитационное взаимодействие обусловливается некими элементарными частицами - гравитонами, существование которых к настоящему времени экспериментально не подтверждено.

· Электромагнитное взаимодействие связано с электрическими и магнитными полями. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное поле - при их движении. В природе существуют как положительные, так и отрицательные заряды, что и определяет характер электромагнитного взаимодействия. Например, электростатическое взаимодействие между заряженными телами в зависимости от знака заряда сводится либо к притяжению, либо к отталкиванию. При движении зарядов в зависимости от их знака и направления движения между ними возникает либо притяжение, либо отталкивание. Различные агрегатные состояния вещества, явление трения, упругие и другие свойства вещества определяются преимущественно силами межмолекулярного взаимодействия, которое по своей природе является электромагнитным. Электромагнитное взаимодействие описывается фундаментальными законами электростатики и электродинамики: законом Кулона, законом Ампера и др. Его наиболее общее описание дает электромагнитная теория Максвелла, основанная на фундаментальных уравнениях, связывающих электрическое и магнитное поля.

· Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре и определяет ядерные силы. Предполагается, что ядерные силы возникают при обмене между нуклонами виртуальными частицами - мезонами.

· Наконец, слабое взаимодействие описывает некоторые виды ядерных процессов. Оно короткодействующее и характеризует все виды бета-превращений.

2) Предмет и задачи физики

При определении содержания учебного предмета «Физика» необходимо руководствоваться принципом разумной достаточности: понятия, факты, методы должны быть базовыми в физике как науке и востребованными в дальнейшем при продолжении образования и практической деятельности.
При отборе содержания физического образования предпочтение отдаётся его развивающей функции. Для обязательного усвоения выделяется минимальный объём информации, акцент делается на овладение обобщёнными универсальными способами деятельности, а также умениями применятьих для анализа и исследования отдельных фактов.
Дифференциация образования реализуется посредством проведения факультативных занятий. Содержание учебной программы составляет основу построения содержания факультативных занятий.
Содержание учебного предмета «Физика» строится на основных дидактических принципах развивающего обучения и воспитания (научностии доступности, систематичности и последовательности, связи теории с практикой и др.) и следующих частнометодических принципах:
преемственности с естественно-научным пропедевтическим учебным предметом «Человек и мир», в котором формируются первичные представленияо научной картине мира;
генерализации учебного материала (объединение изучаемого материала на основе важнейшего атрибута материи – движения, при котором главное внимание уделяется изучению основных фактов, понятий, законов, теорий и методов физической науки, обобщению широкого круга физических явлений на основе теории);
линейного построения, предполагающего изучение учебного материала в соответствии с уровнем подготовки учащихся, их познавательнымии возрастными возможностями;
деятельностного подхода, предусматривающего теоретическую и экспериментальную учебно-познавательную и учебно-исследовательскуюдеятельность учащихся, формирование умений выдвижения гипотез, выбора моделей и установления границ их применимости, а также интерпретации результатов наблюдений и экспериментов;
гуманизации и гуманитаризации, предполагающих изучение физики в контексте общечеловеческой культуры и исторического развития цивилизации.

3) Связь физики с математикой

Под социальными и гуманитарными науками, в отличие
от естествознания, предметом которого является изучение неживой (неорганической) и живой (органической) природы, мы понимаем дисциплины, изучающие закономерности существования и развития человеческого общества и отдельного человека во всех его проявлениях. Здесь будут рассмотрены только некоторые наиболее яркие и актуальные проблемы, характерные именно для сегодняшнего дня нашей цивилизации. Важнейшая роль в указанном плане принадлежит связи естествознания с такими науками, как философия, социология и экономика. Напомним, что философия - это наука о взаимодействии человеческого сознания с бытием - материей; социология - наука о человеческом обществе как целостной системе; экономика - целая область наук, которые занимаются изучением производственных отношений, т.е. объективными закономерностями экономического строя общества.

Контакты между физикой и философией уходят в глубокую древность, о чем говорилось в самом начале первой части нашего курса - недаром античных ученых-естествоиспытателей называли натурфилософами. Но и в более поздние времена, когда творили Декарт или Кант, тоже актуальны были вопросы, связывающие физику с философией, а также связи философских обобщений с физическими представлениями о природе мира.

В России окончился "лысенковский" период безграничного засилья коммунистической идеологии, когда вся западная философия признавалась без всякой научной аргументации "антинаучной". Так же обстоит дело в социологии и экономике после их "опеки" со стороны большевистских идеологов. Теперь мы можем с достаточным основанием считать, что социальные и гуманитарные науки имеют предметом своего рассмотрения ту же материальную действительность, что и естествознание, но только их объектом изучения являются не обычные неорганические и органические тела природы, а человеческое общество, где действующим лицом является мыслящий человек, и главным при этом является не его физиологическая сущность, а его разум, сознание. Вот это и определяет специфику упомянутых выше научных направлений в социальных и гуманитарных дисциплинах. Тем не менее, можно ожидать, что фактическая связь естествознания с рассматриваемой областью человеческого знания есть, но она еще далеко не раскрыта полностью. Пока надо в известной степени согласиться с мнением английского ученого Сноу, который в своей лекции в 1967 году в Кембридже в Англии сказал, что между естествознанием и общественными науками, как между двумя особыми культурами, имеется "брешь" или "щель", "ущелье" (по английски - gap).

Первой ласточкой в установлении прочного "моста" через такое "ущелье" явилась возникшая в шестидесятых годах нашего века экономическая кибернетика, успешно применившая все новейшие математические методы для строгого количественного описания экономических систем самого различного типа. В данной системе наук различают три главных направления:

1. Теорию экономических систем и их математических моделей.

2. Теорию экономической информации, которая рассматривает экономические системы как информационные.

3. Теорию упорядоченных систем, которая объединяет все разделы экономической науки.

Таким образом, весь комплекс экономических дисциплин перешел из разряда чисто качественных описательных наук в точные количественные науки.

В связи с этим не лишним будет сказать, что математизированная экономика сейчас уже начинает использовать и чисто физические методы и модели. Еще в прошлом столетии со стороны физики появились первые попытки применить для описания явлений общественной жизни человеческого общества специальные термины "социальной физики". Но такой грубо наивный подход - более или менее прямое применение физических понятий и математического аппарата физики, которым пользовались для описания чисто физических процессов, к описанию общественных систем. Недостатки прямого физического подхода быстро стали очевидными в первую очередь для самих социологов, ибо на фундаментальном уровне науки не существует никакого прямого структурного соответствия между основными элементами разных наук, т.е. какого-либо изоморфизма (сходства по форме). Действительно, такой изоморфизм существовал бы, только если состояния и взаимодействия элементарных единиц физических систем, например, молекул, можно было формально и однозначно спроецировать на состояние и взаимодействия единиц социальной системы, например, человеческого индивидуума. Точно так же прямое сравнение физической и социальной систем на феноменологическом уровне, скажем, сравнение понятий физики - давления, температуры или энергии - с поведением общества может привести только к грубо поверхностной, лишенной научной глубины аналогии.

Именно поэтому ученые-общественники отвергли грубые попытки простого "физического" метода сравнения естественных и общественных наук и дали свои достаточно убедительные разъяснения причин увеличения сноуновского "ущелья" между естественными и общественными науками. Во-первых, это высокая степень сложности человека и человеческого общества, требующая соответствующих адекватных методов исследования. Здесь нельзя было ожидать успеха на пути простого употребления даже очень сложных, например, биологических понятий. Во-вторых, все, что было известно о человеке, носило описательный характер и не сводилось к понятиям естественных наук.

Вернемся к вопросу, почему в настоящее время новое содружество между естественными и общественными науками представляется более обещающим, чем было ранее, о чем свидетельствует рождение строго количественной экономической кибернетики.

Отметим, что, во-первых, в настоящее время естествознание достаточно хорошо сформировалось, и в нем все более и более сложные системы попадают в фокус интересов физики, химии и биологии. Поэтому в естественных науках теперь значительную роль играют направления, связанные с разработкой методов трактовки таких сложных систем. Во-вторых, что более важно, современный подход к количественному описанию социальных систем имеет иную структуру, чем прежде. Теперь фундаментальные представления с самого начала относятся именно к социальным системам. Мы лишь используем при построении количественных формулировок социальных законов математический аппарат, который является универсальным для описания любых различных многокомпонентных систем, т.к. он хорошо годится для описания социальных систем, как и естественно-научных. Здесь разница пока только в том, что в естествознании эти методы нашли уже широкое применение, а в социальных науках мы находимся в указанном смысле на самой начальной стадии. Для решения данной проблемы надо найти более глубокие, предпочтительно универсальные структурные аналогии между социальными и естественно-научными системами. Не являясь прямым подобием, они лишь отражают тот факт, что, благодаря универсальности в применении некоторых математических понятий к многокомпонентным статистическим системам, все такие системы обладают косвенным подобием на макроуровне, которое не зависит от того, есть ли возможность сравнения на микроуровне.

Для того чтобы сформулировать подход к количественной трактовке социальных систем, надо сначала получить общие представления о структурных соотношениях между науками. Совершенно ясно, что все существующее в нашем мире, включая миры неорганический и органический, а также мир духовный, расслаивается на последовательность организационных уровней переменной сложности. Более высокие макроуровни стоят над более низкими микроскопическими уровнями, причем уровень определяется как своеобразный слой в реальном существовании любой независимой (в какой-то степени) системы.

Физики и другие естественники уже давно знали об иерархии уровней в системе своих наук. Например, если в физике в качестве определенного уровня выбираем молекулу, то мы знаем, что она состоит из атомных ядер и электронных оболочек. Здесь атомные ядра - более низкий уровень структуры. Они в свою очередь состоят из нуклонов - протонов и нейтронов, а последние - из кварков и глюонов. И все эти нижние уровни не имеют особого значения, пока мы находимся на уровне молекулы. Нам важно знать только некоторые общие константы, относящиеся к атомным ядрам и электронам, такие, как масса, заряд и спин. А сама молекула может входить в еще более высокий уровень - газ или молекулярный кристалл, у которых свои главные свойства, например, температура или кристаллическое поле. В прилагаемых двух таблицах N 16 и N 17 приведены в несколько упрощенном виде последовательности уровней для неорганического и органического мира, включая человека и его общество. В них указаны соответствующие науки, которые имеют предметом своего исследования те или иные уровни.

По отношению к трактовке природы уровней установились две экстремальные и противоположные точки зрения. Первая из них называется редукционистской. Согласно ей, все свойства уровней более высокой сложности могут и должны быть сведены и объяснены свойствами и качествами более низкого (микроскопического) уровня, образующие единицы которого (например, в случае системы молекулы - атомы) являются составными частями более высокого уровня (молекулы). Вторая, противоположная точка зрения, называемая обычно холизмом (т.е. целостностью), состоит в утверждении, что свойства и качества сложного уровня существуют сами по себе, и нет ни необходимости, ни возможности представлять их состоящими из структур более низкого уровня.

Физики и другие естественники более склонны к редукционализму, а социологи, психологи и искусствоведы - к холизму. В физике, например, уже давно есть хороший случай редукционализма, когда законы феноменологической термодинамики нашли свое глубокое обоснование в статистической механике. С другой стороны, социологи, психологи и
искусствоведы, работая в основном в области духовных взаимодействий и имея дело с такими уровнями этой структуры, как логика и т.п., оперируют с почти полностью автономными понятиями, не сводимыми к чему-либо более простому, по крайней мере, на сегодня.

Однако, по-видимому, достаточно ясно, что обе точки зрения не могут быть строго абсолютными и фактически и, как показывает практика естествознания и экономических наук, имеют лишь относительный характер. Для некоторой иллюстрации такого заключения приведем пример из физики и потом распространим его на социальные науки. Из физики хорошо известен так называемый метод самосогласованного поля, или метод Хартри-Фока, применяемый в теории электронных оболочек атомов или в теории твердого тела. Сущность метода заключается в том, что каждая частица, например, электрон, дает свой вклад в общее самосогласованное поле и, вместе с тем, движется в этом поле. Система как бы расщепляется на два уровня,

взаимодействующих друг с другом. Один уровень - уровень общего глобального поля, создаваемого всеми частицами, а другой - уровень отдельных частиц, двигающихся в этом поле. Следовательно, прямое взаимодействие между частицами заменяется косвенным, через среду глобального поля.

Посмотрим теперь, как можно поступить аналогичным образом в социальной системе. В ней индивидуальные члены посредством культурной и экономической зависимости вносят свой вклад в генерирование общего "поля" цивилизации, состоящего из культурных, политических, религиозных, социальных и экономических составляющих. Все институты государства, религии, экономики, юрисдикции и политики входят в коллективное поле, которое и определяет всю "атмосферу" общества. Но, кроме того, это поле сильно влияет на поведение отдельных индивидуальностей. Здесь опять возникают два уровня - индивидуального поведения и коллективного социального поля, т.е. прямое взаимодействие индивидуальностей по существу заменяется взаимодействием через различные институты общества.

Итак, мы установили некую аналогию между естествознанием и областью социальных наук. Но не надо забывать, что социальные системы гораздо сложнее систем неорганического и даже органического миров. Можно, например, привести следующее различие между ними. В физике более низкий уровень только обеспечивает составляющие элементы для более высокого уровня. Хотя атомы и молекулы и являются составляющими газа, но детали их строения не важны для свойств газа. Поэтому между газом и молекулой имеется только своего рода "вертикальное" соседство (от низшего к высшему уровню).

В случае же социальных систем проявляется большая сложность. У них гораздо больше отдельных уровней, большая плотность их распределения (семья, школа, работа, политическая партия, церковь, клуб, университет, правительство и т.д., и т.п.). Все они очень сильно перекрываются, поэтому наряду с "вертикальными" соотношениями между уровнями могут быть и своего рода "горизонтальные" взаимодействия на данном микроуровне. Кроме того, при некоторых критических условиях, например, при революциях, т.е. при фазовых превращениях в обществе, старые параметры порядка могут исчезать и возникать новые. Несмотря на эти сложности, все же, как показал пример экономических наук, количественный метод в социальной области знания вполне возможен. Что же касается редукционизма и холизма, то приведенныепримеры убеждают нас в том, что, согласно первой точке зрения (редукционалистской), всегда есть некое сведение более сложного к простому, а с точки зрения второй (холистской) - у более сложного уровня всегда проявляются новые качества, которые присущи только ему самому.

Для иллюстрации самого простого подхода к количественному описанию социальных систем рассмотрим простейший случай элементарных взаимодействий между макропеременными социальной системы, вначале пренебрегая полностью их конкретной природой, а определив только количественно. Пусть в системе будет всего две переменных, которые мы обозначим через Х и Y, причем влияние переменной Х на Y можно выразить только в количественной форме, пренебрегая их конкретным значением. Ограничимся такими влияниями: 1) переменная Х может оказывать поддержку (усиление) величины (амплитуды) Y, или 2) переменная Х подавляет (уменьшает) переменную Y. Если Y совпадает с Х, то в случае 1 будет самоподдержка, а в случае 2 - самоподавление. Можно также ввести различия для двух сортов активных переменных Х: а) когда активная переменная Х поддерживает своего пассивного партнера Y при больших Х, но подавляет Y при малых Х - такие переменные называются кооперативными (другими словами, кооперативная переменная X стремится сделать переменную Y подобной собственной величине), б) когда переменная Х подавляет переменную Y при больших Х и поддерживает Y при малых Х, такие Х называются антагонистическими переменными (т.е. антагонистическая переменная X стремится к противопоставлению величины Y по отношению к своей величине). Такие типы переменных часто встречаются в социальных системах. Их изменение и взаимодействие описываются простыми логарифмическими дифференциальными уравнениями, которые мы приводим без доказательства:

dX/d? = X [ a (Y) s - X ], 0 < X <?,

dY/d? = Y [ b (X) s - Y ], 0 < Y <?,

где? - безразмерное время, квадратичные члены с Х2 и Y2 в правых частях уравнений дают насыщение, а линейные дают рост или распад Х и Y в зависимости от характера зависимости Х и Y через функции влияния а(Y) и b(X). Вид последних и определяет кооперативное или антагонистическое взаимодействие переменных X и Y c неким параметром s, регулирующим насыщение.

Не занимаясь анализом указанных дифференциальных уравнений, мы ограничимся примером двух конкретных систем, которые могут быть изучены в этой модели. В качестве первого примера рассмотрим взаимодействие населения какой-нибудь страны с его правительством. Пусть Х представляет собой влияние и демократическое участие населения в государственных делах, а Y - степень власти и авторитета правительства. Рассмотрим влияние Х на Y. Если население очень активно (большие Х), оно стремится поддержать активность правительства. Если же население имеет малую активность или его активность подавлена (малые Х), то население стремится затруднить действия правительства. Теперь выясним влияние Y на Х. Если правительство имеет большую власть (большие Y), оно эффективно в поддержке населения и способствует его активности, в случае боязни потерять свой авторитет и власть (уменьшение Y) правительство будет подавлять влияние населения.

Такая политическая система будет в конечном счете эволюционировать в одно из двух возможных состояний устойчивого равновесия (стабильности): либо состояние "кооперативной демократии", когда обе переменные Х и Y велики, т.е. когда население "уважает" правительство и кооперируется с ним, а правительство влияет на население, поддерживая его активность, либо состояние "расстроенной демократии", когда и Х, и Y малы, население затрудняет политику правительства, а правительство, в свою очередь, подавляет активность населения. К какому из двух стабильных состояний мы придем - ответ на этот вопрос поможет дать решение наших дифференциальных уравнений, которые зависят, в свою очередь, от входящих в них параметров.

В качестве второго примера рассмотрим циклическое решение исходных дифференциальных уравнений (оказывается, могут быть и такие решения). Экономистам уже давно было известно о существовании долгосрочных циклов экономической эволюции, состоящей из четырех фаз: процветания, ухудшения, депрессии и восстановления. Введем в нашей модели двух переменных следующие конкретные величины: Х - описывающую новую, молодую, прогрессивную индустрию, и Y - зрелую, но уже устаревающую индустрию. Х будет действовать как кооперативная переменная, а Y, очевидно, как антагонистическая. Рассмотрим упомянутые выше четыре фазы в данном случае:

1. Фаза процветания: в ней процветающая зрелая индустрия имеет большие Y, она также поддерживается обновленной индустрией Х, т.е. растущим объемом Х. Но Y начинает задерживать дальнейший рост и развитие Х, ибо для старой индустрии главная выгода состоит в достаточно большом выпуске продукции по старым канонам, а не поддержке развития молодой индустрии Х.

2. Фаза ухудшения: старая индустрия все больше подавляет рост новой индустрии, т.е. стремится уменьшить объем Х, а это приводит к спаду и ухудшению старой индустрии, т.е. к уменьшению объема Y, что ведет к общему спаду.

3. Фаза депрессии: старая индустрия Y становится совсем изношенной и скатывается к кризису, т.е к депрессии. Однако утрата ее подавляющего влияния, сдерживающего рост Х, приводит к оживлению и росту новой индустрии Х.

4. Фаза восстановления: поскольку кризис старой изношенной индустрии Y облегчает резкий подъем новой индустрии Х, последняя теперь также способствует восстановлению на новых основах бывшей зрелой индустрии Y.

Немецкий физик В. Вейдлих, написавший обзорную статью о связи физики с социальными науками, и выводам которого мы следуем в данном разделе нашего курса, приводит такой, несколько шутливый, пример циклической эволюции в виде "ресторанного цикла". Согласно этому примеру, гурманы, живущие в каком-то городе, выяснили, что открылся новый ресторан. Благодаря высокому качеству пищи, его популярность возрастает. Но с некоторого момента она начинает падать, так что ресторан должен закрыться. Возможно, откроется новый, но уже с другим хозяином. Как это объяснить с помощью приведенных выше фаз циклического развития социальной системы? Пусть Х - качество пищи на единицу цены, а Y - число посетителей ресторана. Х - кооперативная переменная, а Y - антагонистическая. Тогда мы имеем:

1. Фаза открытия: небольшое число посетителей во вновь открытом ресторане способствует улучшению качества пищи, т.е. росту Х, так как хозяин заинтересован в привлечении большего числа посетителей, т.е. в росте Y.

2. Фаза процветания: вследствие положительной репутации ресторана Х растет число посетителей Y. Однако рост Y приводит и к отрицательному эффекту, поскольку владелецресторана становится небрежным и спешит только изготовить достаточное количество пищи, не очень заботясь о ее качестве, для него важно лишь получить больший доход от посетителей.

3. Фаза упадка: хотя число посетителей еще велико (большие Y) и владелец может позволить себе небрежность в приготовлении пищи, большинство посетителей ресторана уже почувствовали ухудшение качества пищи (уменьшено X), и их число Y начинает уменьшаться.

4. Фаза кризиса: ресторан заработал худую славу, и число посетителей Y сильно уменьшается. Теперь даже улучшение (запоздалое) качества блюд не может помочь делу. Ресторан должен закрыться из-за катастрофического уменьшения числа посетителей, и должен возникнуть новый ресторан с новым хозяином.

И Вейдлих советует профессорам после заключительного заседания по обсуждению проблем, например, синергетики, посещать рестораны, которые находятся только в конце первой фазы своего циклического развития, когда качество пищи отменное и народу в ресторане еще немного, но ни в коем случае не в конце третьей фазы, когда качество блюд уже отвратительное, а народу в ресторане еще много.

Теория здесь развивается полным ходом, и мы имеем дело с мощным проникновением математики и физики не только в социальные науки, но и в такие, казалось бы, далекие от естествознания, как филология, этика, эстетика, искусствоведение, история и т. п. Во всех этих науках можно найти проблемы, которые ждут своего количественного оформления и своего математического аппарата. Можно сказать, что в науках, отличных от естествознания, для перехода к количественному описанию самым главным моментом является четкий выбор их специфических переменных, для которых и нужно строить количественные соотношения.

4) Экспериментальная и теоретическая физика

В основе своей физика - экспериментальная наука: все её законы и теории основываются и опираются на опытные данные. Однако зачастую именно новые теории являются причиной проведения экспериментов и, как результат, лежат в основе новых открытий. Поэтому принято различать экспериментальную и теоретическую физику.

Экспериментальная физика исследует явления природы в заранее подготовленных условиях. В её задачи входит обнаружение ранее неизвестных явлений, подтверждение или опровержение физических теорий. Многие достижения в физике были сделаны благодаря экспериментальному обнаружению явлений, не описываемых существующими теориями. Например, экспериментальное изучение фотоэффекта послужило одной из посылок к созданию квантовой механики (хотя рождением квантовой механики считается появление гипотезы Планка, выдвинутой им для разрешения ультрафиолетовой катастрофы - парадокса классической теоретической физики излучения).

В задачи теоретической физики входит формулирование общих законов природы и объяснение на основе этих законов различных явлений, а также предсказание до сих пор неизвестных явлений. Верность любой физической теории проверяется экспериментально: если результаты эксперимента совпадают с предсказаниями теории, она считается адекватной (достаточно точно описывающей данное явление).

При изучении любого явления экспериментальные и теоретические аспекты одинаково важны.

5) Физические величины, их измерение и оценка погрешностей

Никакие измерения не могут быть абсолютно точными. Измеряя какую-либо величину, мы всегда получаем результат с некоторой погрешностью (ошибкой). Другими словами, измеренное значение величины всегда отличается от истинного ее значения. Задачей экспериментатора является не только нахождение самой величины, но и оценка допущенной при измерении погрешности. В зависимости от свойств и причин возникновения различают систематические и случайные погрешности и промахи.

Систематическими называются погрешности, которые при многократных измерениях, проводящихся одним и тем же методом с помощью одних и тех же измерительных приборов, остаются постоянными.

Систематические погрешности вызываются факторами, действующими одинаковым образом при многократном повторении одних и тех же измерений. Они соответствуют отклонению измеренного значения от истинного всегда в одну сторону - либо в большую, либо в меньшую.

Систематические погрешности могут быть обусловлены, во-первых, неисправностью или неправильной работе на используемых приборах (например, неправильной установкой “нуля”). Во-вторых, их причиной может быть несовершенство используемой методики измерения или не учет постоянных факторов, влияющих на исследуемое явление. Например, можно получать завышенные значения температуры плавления кристалла, если проводить измерения при повышенном внешнем давлении.

Помимо погрешностей, возникающих в процессе измерений, систематическими являются погрешности, связанные с применением приближенных (“упрощенных”) формул, и ошибки, обусловленные отличием реального объекта от принятой модели. Так, например, при определении плотности может возникнуть большая систематическая ошибка, если исследуемый образец не является однородным и содержит внутри пустоты.

После выявления причин систематическую погрешность можно устранить, вводя соответствующую поправку. Обнаружить же систематическую погрешность и установить ее причину бывает не всегда просто, и экспериментатору часто приходится проводить дополнительные исследования. Предполагается, что в задачах физического практикума систематические погрешности сведены к минимуму при постановке задачи, и их можно не учитывать.

Случайными называются погрешности, которые при многократных измерениях в одинаковых условиях изменяются непредсказуемым образом.

Случайные ошибки обусловлены множеством неконтролируемых причин, действие которых неодинаково в каждом опыте. В результате этого при измерении одной и той же величины несколько раз подряд в одинаковых условиях получается целый ряд значений этой величины, отличающихся от истинного значения случайным образом, как в сторону увеличения, так и уменьшения.

Природа случайных погрешностей может быть различной: флуктуации нулевого положения указателя измерительного прибора; несовершенство органов чувств экспериментатора (например, невозможность включить секундомер точно в нужный момент); случайные неконтролируемые изменения внешних воздействий - температуры, влажности, давления; наводки в электрической цепи и т.д., которые практически невозможно учесть.

Случайные ошибки всегда присутствуют в эксперименте.

Поведение случайных величин описывают статистические закономерности, которые являются предметом теории вероятностей. Статистическим определением вероятности w_i события i является отношение

,

где n - общее число опытов, n_i - число опытов, в которых событие i произошло. При этом общее число опытов должно быть очень велико (n --®Ґ). При большом числе измерений случайные ошибки подчиняются нормальному распределению (распределение Гаусса), основными признаками которого являются следующие:

1. Чем больше отклонение значения измеренной величины от истинного, тем меньше вероятность такого результата.

2. Отклонения в обе стороны от истинного значения равновероятны.

Приводимые ниже рецепты расчетов случайных ошибок базируются на математическом аппарате теории вероятностей с распределением Гаусса для случайных величин. Следует отдавать себе отчет, что в условиях практикума при небольшом (n = 310) числе измерений эти расчеты всегда носят оценочный характер.

Приборной погрешностью называется разность между показаниями любого прибора и истинным значением измеряемой величины. Она может содержать случайную и систематическую составляющие.

Промахи (или грубые погрешности) проявляются обычно в резком отклонении результата отдельного измерения от остальных. Промахи обусловлены главным образом недостаточным вниманием экспериментатора или неисправностями средств измерения. Результаты таких измерений отбрасываются.

6) Системы единиц физических величин

Понятие о физической величине - одно из наиболее общих в физике и метрологии. Под физической величиной понимается свойство, общее в качественном отношении для многих физических объектов (физических систем, их состояний и происходящих в них процессов), но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта. Так, все тела обладают массой и температурой, но для каждого из них эти параметры различны. То же самое можно сказать и о других величинах - электрическом токе, вязкости жидкостей или потоке излучения.

Для того чтобы можно было установить различия в количественном содержании свойств в каждом объекте, отображаемых физической величиной, вводится понятие размера физической величины.

Исторически первой системой единиц физических величин была принятая в 1791 г. Национальным собранием Франции метрическая система мер. Она не являлась еще системой единиц в современном понимании, а включала в себя единицы длин, площадей, объемов, вместимостей и веса, в основу которых были положены две единицы: метр и килограмм.

В 1832 г. немецкий математик К. Гаусс предложил методику построения системы единиц как совокупности основных и производных. Он построил систему единиц, в которой за основу были приняты три произвольные, независимые друг от друга единицы - длины, массы и времени. Все остальные единицы можно было определить с помощью этих трех. Такую систему единиц, связанных определенным образом с тремя основными, Гаусс назвал абсолютной системой. За основные единицы он принял миллиметр, миллиграмм и секунду.

В дальнейшем с развитием науки и техники появился ряд систем единиц физических величин, построенных по принципу, предложенному Гауссом, базирующихся на метрической системе мер, но отличающихся друг от друга основными единицами.

Рассмотрим главнейшие системы единиц физических величин [2].

Система СГС. Система единиц физических величин СГС, в которой основными единицами являются сантиметр как единица длины, грамм как единица массы и секунда как единица времени, была установлена в 1881 г.

Система МКГСС. Применение килограмма как единицы веса, а в последующем как единицы силы вообще, привело в конце XIX века к формированию системы единиц физических величин с тремя основными единицами: метр - единица длины, килограмм-сила - единица силы и секунда - единица времени.

Система МКСА. Основы этой системы были предложены в 1901 г. итальянским ученым Джорджи. Основными единицами системы МКСА являются метр, килограмм, секунда и ампер.

Наличие ряда систем единиц физических величин, а также значительного числа внесистемных единиц, неудобства, связанные с пересчетом при переходе от одной системы единиц к другой, требовало унификации единиц измерений. Рост научно-технических и экономических связей между разными странами обусловливал необходимость такой унификации в международном масштабе.

Требовалась единая система единиц физических величин, практически удобная и охватывающая различные области измерений. При этом она должна была сохранить принцип когерентности (равенство единице коэффициента пропорциональности в уравнениях связи между физическими величинами).

В 1954 г. Х Генеральная конференция по мерам и весам установила шесть основных единиц (метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин и свеча) практической системы единиц. Система, основанная на утвержденных в 1954 г. шести основных единицах, была названа Международной системой единиц, сокращенно СИ (SI - начальные буквы французского наименования Systeme International). Был утвержден перечень шести основных, двух дополнительных и первый список двадцати семи производных единиц, а также приставки для образования кратных и дольных единиц.

Основные единицы СИ с указанием сокращенных обозначений русскими и латинскими буквами приведены в таблице 3.

Таблица 3

Величина	Единица измерения	Сокращенное обозначение единицы
русское	международное
Длина	метр	м	m
Масса	килограмм	кг	kg
Время	секунда	с	s
Сила эл. тока	ампер	А	А
Термодин. темп-ра	кельвин	К	К
Сила света	кандела	кд	cd
Кол-во вещества	моль	моль	mol

Определения основных единиц, соответствующие решениям Генеральной конференции по мерам и весам, следующие.

Метр равен длине пути, проходимого светом в вакууме за 1/299792458 долю секунды.

Килограмм равен массе международного прототипа килограмма.

Секунда равна 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

Ампер равен силе неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызывает на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную Н.

Кельвин равен 1/273.16 части термодинамической температуры тройной точки воды.

Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0.012 кг.

Кандела равна силе света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.

Международная система единиц включает в себя две дополнительные единицы - для измерения плоского и телесного углов.

Единица плоского угла - радиан (рад) - угол между двумя радиусами окружности, дуга между которыми по длине равна радиусу. В градусном исчислении радиан равен 57°17'48".

Стерадиан (ср), принимаемый за единицу телесного угла, - телесный угол, вершина которого расположена в центре сферы и который вырезает на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, по длине равной радиусу сферы.

Измеряют телесные углы путем определения плоских углов и проведения дополнительных расчетов по формуле

где Q - телесный угол; - плоский угол при вершине конуса, образованного внутри сферы данным телесным углом.

Телесному углу 1 ср соответствует плоский угол, равный 65°32', углу ср - плоский угол 120°, углу ср - плоский угол 180°.

Дополнительные единицы СИ использованы для образования единиц угловой скорости, углового ускорения и некоторых других величин. Сами по себе радиан и стерадиан применяются в основном для теоретических построений и расчетов, так как большинство важных для практически значений углов (полный угол, прямой угол и т.д.) в радианах выражаются трансцендентными числами (, и т.д.).

Производные единицы Международной системы единиц образуются с помощью простейших уравнений между величинами, в которых числовые коэффициенты равны единице. Так, для линейной скорости в качестве определяющего уравнения можно воспользоваться выражением для скорости равномерного прямолинейного движения .

При длине пройденного пути (в метрах) и времени t, за которое пройден этот путь (в секундах), скорость выражается в метрах в секунду (м/с). Поэтому единица скорости СИ - метр в секунду - это скорость прямолинейно и равномерно движущейся точки, при которой она за время 1 с перемещается на расстояние 1 м.

Если в определяющее уравнение входит числовой коэффициент, то для образования производной единицы в правую часть уравнения следует подставлять такие числовые значения исходных величин, чтобы числовое значение определяемой производной единицы было равно единице. Например, единица кинетической энергии СИ - килограмм-метр в квадрате на секунду в квадрате - это кинетическая энергия тела массой 2 кг, движущегося со скоростью 1 м/с, или кинетическая энергия тела массой 1 кг, движущегося со скоростью м/с. Эта единица имеет особое наименование - джоуль (сокращенное обозначение Дж).

Кратные и дольные единицы

Наиболее прогрессивным способом образования кратных и дольных единиц является принятая в метрической системе мер десятичная кратность между большими и меньшими единицами.

В таблице 4 приводятся множители и приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц и их наименования.

Следует учитывать, что при образовании кратных и дольных единиц площади и объема с помощью приставок может возникнуть двойственность прочтения в зависимости от того, куда добавляется приставка. Так, сокращенное обозначение 1 км2 можно трактовать и как 1 квадратный километр и как 1000 квадратных метров, что, очевидно, не одно и то же (1 квадратный километр = 1.000.000 квадратных метров). В соответствии с международными правилами кратные и дольные единицы площади и объема следует образовывать, присоединяя приставки к исходным единицам. Таким образом, степени относятся к тем единицам, которые получены в результате присоединения приставок.
Поэтому 1 км2 = 1 (км)2 = (103 м) 2 = 106 м2. Таблица 4

Множитель	Приставка	Обозначение приставки
русское	международное
	экса	Э	Е
	пета	П	Р
	тера	Т	Т
	гига	Г	G
	мега	М	М
	кило	к	k
	гекто	г	h
	дека	да	da
10-1	деци	д	d
10-2	санти	с	c
10-3	милли	м	m
10-6	микро	мк
10-9	нано	н	n
10-12	пико	п	p
10-15	фемто	ф	f
10-18	атто	а	a

В нашей стране подлежат обязательному применению единицы Международной системы единиц (СИ), содержащей основные, дополнительные и производные единицы, а также десятичные кратные и дольные от них. Единицы СИ некоторых электрических величин приведены в таблице 5.

Таблица 5.

Электрическая величина	Единица измерений
наименование	обозначение	наименова-ние	русское обоз-ние	международное обоз-ние
Сила тока	I	ампер	А	A
Напряжение, ЭДС	U, E	вольт	В	V
Мощность активная	P	ватт	Вт	W
Сопротивление	R	ом	Ом	Ω
Емкость	C	фарада	Ф	F
Индуктивность, взаимная индуктивность	L, M	генри	Гн	H
Частота	f	герц	Гц	Hz
Длина волны	λ	метр	м	m
Фазовый сдвиг	φ	радиан	рад	rad

7) Краткая история физических идей, концепций и открытий

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).