Фізіка — гэта навука аб матэрыі, яе уласцівасцях і руху. Яна з’яўляецца адной з найбольш старажытных навуковых дысцыплін, і першыя працы, якія дайшлі да нас, ўзыходзяць да часоў Старажытнай Грэцыі.
Ранняя фізіка
Антычная фізіка
Адна з галоўных асаблівасцей чалавека — здольнасць (у пэўнай меры) прадказваць будучыя падзеі. Для гэтага чалавек будуе мысленныя мадэлі рэальных з’яў (тэорыі); у выпадку дрэннай прадказвальнай сілы мадэль удакладняецца або замяняецца на новую. Калі стварыць практычна карысную мадэль з’явы прыроды не ўдавалася, яе замянялі рэлігійныя міфы («маланка ёсць гнеў багоў»).
Сродкаў для праверкі тэорый і высвятлення пытання, якая з іх справядлівая, у старажытнасці было вельмі мала, нават калі гаворка ішла аб зямных штодзённых з’явах. Спачатку адзінаю фізічнаю велічынёй, якую ўмелі тады досыць дакладна вымяраць, была даўжыня; пазней да яе дадаўся вугал. Эталонам часу служылі суткі, якія ў Старажытным Егіпце дзялілі не на 24 гадзіны, а на 12 дзённых і 12 начных, так што былі дзве розныя гадзіны, і ў розныя сезоны працягласць гадзіны была рознайhttp://www.mech.bas.bg/imbm/LFHH/stani/library/time_egypt_2.htm . Але нават калі ўстанавілі звыклыя нам адзінкі часу, з-за адсутнасці дакладных гадзіннікаў большасць фізічных эксперыментаў было проста немагчыма правесці. Таму натуральна, што замест навуковых школ узнікалі паўрэлігійныя вучэнні.
У людскіх уяўленнях панавала геацэнтрычная сістэма свету, хоць піфагарэйцы развівалі і пірацэнтрычную, у якой зоркі, Сонца, Месяц і шэсць планет абарачаюцца вакол Цэнтральнага Агню. Каб разам атрымаўся свяшчэнны лік нябесных сфер (дзесяць), шостай планетай абвясцілі Процізямлю. Зрэшты, асобныя піфагарэйцы (Арыстарх Самоскі і іншыя) стварылі геліяцэнтрычную сістэму. У піфагарэйцаў узнікла ўпершыню і паняцце эфіру як ўсеагульнага запаўняльніка пустатыhttp://academic.ru/dic.nsf/ruwiki/24100.
Першую фармулёўку закону захавання матэрыі прапанаваў Эмпедокл ў V стагоддзі да н. э.Пер. Э. Радлова (гл., напр. п. 346 тут ).:
Пазней аналагічны тэзіс выказвалі Дэмакрыт, Арыстоцель і іншыя.
Сам тэрмін «Фізіка» узнік як назва аднаго з твораў Арыстоцеля. Прадметам гэтай навукі, на думку аўтара, было высвятленне прычын з’яў:
Раз навуковыя веды ўзнікаюць пры ўсіх даследаваннях, якія распаўсюджваюцца на пачаткі, прычыны або элементы шляхам іх пазнання (бо мы тады́ ўпэўнены ў пазнанні ўсякай рэчы, калі даведваемся яе першыя прычыны, першыя пачаткі і раскладаем яе надалей да элементаў), то ясна, што і ў навуцы аб прыродзе трэба вызначыць перш за ўсё тое, што адносіцца да пачаткаў.
Такі падыход доўга (фактычна да Ньютана) аддаваў прыярытэт метафізічным фантазіям перад вопытным даследаваннем. У прыватнасці, Арыстоцель і яго паслядоўнікі сцвярджалі, што рух цела падтрымліваецца прыкладзенай да яго сілай, і пры яе адсутнасці цела спыніцца (па Ньютану, цела захоўвае сваю скорасць, а дзеючая сіла змяняе яе значэнне і/або кірунак).
Некаторыя антычныя школы прапанавалі вучэнне пра атамы як першааснову матэрыі. Эпікур нават лічыў, што свабода волі чалавека выклікана тым, што рух атамаў схільны да выпадковых зрушэнняў.
Акрамя матэматыкі, эліны паспяхова развівалі оптыку. У Герона Александрыйскага сустракаецца першы варыяцыйны прынцып «найменшага часу» для адлюстравання святла. Тым не менш у оптыцы старажытных былі і грубыя памылкі. Напрыклад, вугал праламлення лічыўся прапарцыянальным вуглу падзення (гэтую памылку падзяляў нават Кеплер). Гіпотэзы аб прыродзе святла і колернасці былі шматлікія і даволі недарэчныя.
Індыйскі ўклад
Па ўяўленнях індусаў свет быў пабудаваны з пяці асноўных элементаў: зямлі, агню, паветра, вады і эфіру/прасторы. Пазней, з VII ст. да н.э., яны сфармулявалі тэорыю атама, пачынаючы з Kanada і Pakudha Katyayana. Прыхільнікі тэорыі лічылі, што атам складаецца з элементаў, да 9 элементаў у кожным атаме, кожны элемент мае да 24 уласцівасцей.
Індыйска-арабскія лічбы сталі яшчэ адным найважнейшым укладам індусаў у навуку. Сучасная пазіцыйная сістэма злічэння (інда-арабская сістэма лічбаў) і нуль была спачатку развіта ў Індыі, разам з трыганаметрычнымі функцыямі сінуса і косінуса. Гэтыя матэматычныя дасягненні, разам з індыйскімі дасягненнямі ў фізіцы, былі пераняты Арабскім Халіфатам, пасля чаго пачалі распаўсюджвацца па Еўропе і іншых частках свету.
Кітайскі ўклад
Кітаец Мо Чынг ў III стагоддзі да н. э. стаў аўтарам ранняй версіі закона руху Ньютана.
«Спыненне руху адбываецца з-за процідзейнай сілы … Калі не будзе ніякай процістаячай сілы …, то рух ніколі не скончыцца. Гэта справядліва настолькі ж, як і тое, што бык не конь.»
Сярэдневяковая Еўропа
XIII стагоддзе: вынайдзены акуляры, правільна растлумачана з’ява вясёлкі, засвоены компас.
XVI стагоддзе: Мікалай Капернік прапанаваў геліяцэнтрычную сістэму свету.
ў кнігах «Дзесятая» (1585), «Пачаткі статыкі» і іншых ўвёў ва ўжытак дзесятковыя дробы, сфармуляваў (незалежна ад Галілея) закон ціску на нахільную плоскасць, правіла паралелаграма сіл, прасунуў гідрастатыку і навігацыю. Цікава, што формулу раўнавагі на нахільнай плоскасці ён вывеў з немагчымасці вечнага руху (якую лічыў аксіёмай).
У Натуральнай і маральнай Гісторыі Індый (1590) Хасэ дэ Акоста ўпершыню з’явілася тэорыя аб чатырох лініях без магнітнага схілення (ён апісаў выкарыстанне компаса, вугал адхілення, адрозненні паміж магнітным і Паўночным полюсам; хоць адхіленні былі вядомыя яшчэ ў 15 стагоддзі, ён апісаў ваганне адхіленняў ад аднаго пункта да іншага; ён знайшоў месцы з нулявым адхіленнем: напрыклад, на Азорскіх астравах). Пасля адкрыцця Ньютанам адліваў і прыліваў, Акоста патлумачыў іх прыроду, перыядычнасць і ўзаемасувязь з фазамі Месяца.
У 1608 годзе ў Галандыі была вынайдзена глядзельная труба. Галілеа Галілей, удасканаліўшы яе, будуе першы тэлескоп і праводзіць даследаванне нябесных аб’ектаў. Адкрывае чатыры спадарожнікі Юпітэра, фазы Венеры, зоркі ў складзе Млечнага шляху і многае іншае. Рашуча падтрымлівае тэорыю Каперніка (але гэтак жа рашуча не прымае тэорыю Кеплера аб руху планет па эліпсах). Фармулюе асновы тэарэтычнай механікі — прынцып адноснасці, закон інерцыі, квадратычны закон падзення, нават прынцып магчымых перамяшчэнняў, вынаходзіць тэрмометр (без шкалы).
Іаган Кеплер ў 1609 годзе выдаў кнігу «Новая астраномія» з двума законамі руху планет; трэці закон ён сфармуляваў у больш позняй кнізе «Сусветная гармонія» (1619). Разам з тым ён фармулюе (больш выразна, чым Галілей) закон інерцыі: усякае цела, на якое не дзейнічаюць іншыя целы, знаходзіцца ў спакоі або прамалінейна рухаецца. Менш ясна фармулюецца закон ўсеагульнага прыцягнення: сіла, якая дзейнічае на планеты, зыходзіць ад Сонца і меншае па меры адалення ад яго, тое ж справядліва для ўсіх іншых нябесных цел. Крыніцай гэтай сілы, на яго думку, з’яўляецца магнетызм ў спалучэнні з кручэннем Сонца і планет вакол сваёй восі. Кеплер таксама значна прасунуў оптыку, у тым ліку фізіялагічную (высвятліў ролю крышталіка, правільна апісаў прычыны блізарукасці і дальназоркасці), істотна дапрацаваў тэорыю лінз.
Зараджэнне тэарэтычнай фізікі
XVII стагоддзе. Метафізіка Дэкарта і механіка Ньютана.
У другой палове XVII стагоддзя цікавасць да навукі ў асноўных краінах Еўропы рэзка ўзрастае. Узнікаюць першыя Акадэміі навук і першыя навуковыя часопісы.
1600: першае эксперыментальнае даследаванне электрычных і магнітных з’яў праводзіць лекар англійскай каралевы Уільям Гільберт. Ён выказаў гіпотэзу, што Зямля з’яўляецца магнітам. Іменна ён прапанаваў сам тэрмін «электрычнасць».
1637: Рэнэ Дэкарт выдаў «Разважанне аб метадзе» з дадаткамі «Геаметрыя», «Дыёптрыка», «Метэоры». Лічыў прастору матэрыяльнай, а прычынай руху — віхры матэрыі, якія ўзнікаюць, каб запоўніць пустату (якую лічыў немагчымай і таму не прызнаваў атамаў), ці ад кручэння цел. У «Дыёптрыцы» Дэкарт упершыню даў правільны закон праламлення святла. Стварае аналітычную геаметрыю і ўводзіць амаль сучасную матэматычную сімволіку.
У 1644 годзе выйшла кніга Дэкарта «Пачаткі філасофіі». У ёй гаворыцца, што змяненне стану матэрыі магчыма толькі пры ўздзеянні на яе іншае матэрыі. Гэта адразу выключае магчымасць дальнадзеяння без яснага матэрыяльнага пасярэдніка. Прыводзіцца закон інерцыі. Другі закон ўзаемадзеяння — закон захавання колькасці руху — таксама прыводзіцца, аднак абясцэньваецца тым, што дакладнае вызначэнне колькасці руху ў Дэкарта адсутнічае.
Дэкарт ўжо бачыў, што рух планеты — гэта паскораны рух. Услед за Кеплерам Дэкарт лічыў: планеты паводзяць сябе так, як быццам існуе прыцягненне Сонца. Для таго каб растлумачыць прыцягненне, ён сканструяваў механізм Сусвету, у яком усе целы прыводзяцца ў рух штуршкамі ўсюдыіснай, але нябачнай, «тонкай матэрыі». Пазбаўленыя магчымасці рухацца прамалінейна, празрыстыя патокі гэтага асяроддзя ўтварылі ў прасторы сістэмы вялікіх і малых віхраў. Віхры, падхопліваючы больш буйныя, бачныя часціцы звычайнага рэчыва, утвараюць кругаварот нябесных цел. Яны круцяць іх і нясуць па арбітах. Унутры малога віхру знаходзіцца і Зямля. Кругавярчэнне імкнецца расцягнуць празрысты віхар вонкі. Пры гэтым часціцы віхру гоняць бачныя целы да Зямлі. Па Дэкарту, гэта і ёсць прыцягненне. Сістэма Дэкарта была першай спробай механічна апісаць паходжанне і рух планетнай сістэмы.
1647: Блез Паскаль выпрабоўвае першы барометр (вынайдзены Тарычэлі) і высвятляе, што ціск паветра падае з вышынёй. У канцы стагоддзя адкрыты закон Бойля-Марыёта.
1673: выходзіць кніга Хрысціяна Гюйгенса «Гадзіннік з маятнікам». З’яўленне дакладных гадзіннікаў нарэшце адкрывае шлях для вымярэння зменных велічынь. Гюйгенс прыводзіць (словамі) некалькі найважнейшых формул: для перыяду ваганняў маятніка і для цэнтраімклівага паскарэння.
1687: «Матэматычныя пачаткі натуральнай філасофіі» Ньютана. Фізічныя канцэпцыі Ньютана рэзка супярэчылі дэкартаўскім. Ньютан верыў у атамы, лічыў дэдукцыю другасным метадам, якому павінны папярэднічаць эксперымент і канструяванне матэматычных мадэлей. Ньютан заклаў асновы механікі, оптыкі, тэорыі прыцягнення, нябеснай механікі, адкрыў і далёка прасунуў матэматычны аналіз. Але яго тэорыя прыцягнення, у якой прыцягненне існавала без матэрыяльнага носьбіта і без механічнага тлумачэння, доўгі час не прымалася навукоўцамі кантынентальнай Еўропы (у тым ліку Гюйгенсам, Эйлерам і інш.) Толькі ў другой палове XVIII стагоддзя, пасля работ Клеро па тэорыі руху Месяца і каметы Галея, крытыка сціхла.
XVIII стагоддзе. Механіка, цепларод, электрычнасць.
У XVIII стагоддзі паскоранымі тэмпамі развіваліся механіка, нябесная механіка, вучэнне аб цеплыні. Пачынаецца даследаванне электрычных і магнітных з’яў. Картэзіянства не пацвярджаецца вопытам і хутка губляе прыхільнікаў.
Стварэнне аналітычнай механікі (Эйлер, Лагранж) завяршыла ператварэнне тэарэтычнай механікі ў раздзел матэматычнага аналізу. Сцвярджаецца агульнае меркаванне, што ўсе фізічныя працэсы — праявы механічнага руху рэчыва. Яшчэ Гюйгенс рашуча выказваўся за неабходнасць такога ўяўлення аб прыродзе з’яў:
Сапраўдная філасофія павінна бачыць у з’явах механічных першапрычыну ўсіх з’яў; на маю думку, іншае ўяўленне і немагчыма, калі мы толькі не жадаем страціць надзею што-небудзь разумець у філасофіі («Трактат пра святло»).
Нават у XIX стагоддзі ў першаснасці механікі не сумняваўся Гельмгольц:
Канчатковай мэтай усіх натуральных навук з’яўляецца пошук рухаў, якія ляжаць у аснове ўсіх змен, і прычын, якія спараджаюць гэтыя рухі, гэта значыць зліццё гэтых навук з механікай.
Уяўленне пра «тонкія матэрыі», якія пераносяць цяпло, электрычнасць і магнетызм, у XVIII стагоддзі захавалася і нават пашырылася. У існавання цеплароду, носьбіта цеплыні, верылі многія фізікі, пачынаючы з Галілея; аднак іншы лагер, у які ўваходзілі Дэкарт, Гук, Данііл Бернулі і Ламаносаў, прытрымліваўся малекулярна-кінетычнай гіпотэзы.
У пачатку стагоддзя немец Габрыэль Фарэнгейт вынайшаў сучасны тэрмометр на ртутнай або спіртавой аснове, і прапанаваў шкалу Фарэнгейта. Да канца стагоддзя з’явіліся і іншыя варыянты: Рэамюр (1730), Цэльсій (1742) і іншыя. З гэтага моманту адкрываецца магчымасць вымярэння колькасці цяпла ў вопытах.