Физика и другие науки

Физика и её связь с другими науками.                Современный взгляд.
В настоящее время происходит величайшаянаучно-техническая революция, которая началась более четверти века назад. Онапроизвела глубокие качественные изме­нения во многих областях науки и техники.Одна из древнейших наук — астрономия    переживает революцию, связанную свыходом человека в космическое простран­ство. Рождение кибернетики иэлектронных вычислительных машин ре­волюционно изменило облик математики,проложило путь к новой области человеческой деятельности, получившей названиеинформатики. Возникновение молекулярной биоло­гии и генетики вызвало революциюв биологии, а создание так называ­емой большой химии стало воз­можным благодаряреволюции в хи­мической науке. Аналогичные про­цессы происходят также в геоло­гии,метеорологии, океанологии и многих других современных науках.
Во всем мире наблюдаются глубокие качественныеперемены в ос­новных отраслях техники. Револю­ция в энергетике связана спереходом от тепловых электростанций, работающих на органическом топли­ве, катомным электростанциям. Создание индустрии искусственных материалов снеобычными, но очень важными для практики свойствами произвело революцию вматериало­ведении. Комплексная механизация и автоматизация ведут нас к рево­люциив промышленности и сель­ском хозяйстве. Транспорт, строи­тельство, связьстановятся принци­пиально новыми, значительно более производительными исовершенными отраслями  современной  техники.
 Физика и астрономия.
В совре­менном естествознании, физика яв­ляетсяодной из лидирующих наук. Она оказывает огромное влияние на различные отраслинауки, тех­ники, производства. Рассмотрим на нескольких примерах, как физикавлияет на другие области совре­менной науки и техники.
На протяжении тысячелетий аст­рономыполучали только ту инфор­мацию о небесных явлениях, которую им приносил свет.Можно сказать, что они изучали эти явления через узенькую щель в обширномспектре электромагнитных излучений. Три десятилетия тому назад благодаряразвитию радиофизики возникла радиоастрономия, необычайно рас­ширившая нашипредставления о Вселенной. Она помогла узнать о существовании многихкосмических объектов, о которых ранее не было известно. Дополнительным источ­никомастрономических знаний стал участок электромагнитной шкалы, лежащий в диапазонедециметро­вых и сантиметровых радиоволн.
Огромный поток научной ин­формацииприносят из космоса дру­гие виды электромагнитного излу­чения, которые недостигают по­верхности Земли, поглощаясь в ее атмосфере. С выходом человека вкосмическое пространство родились новые разделы астрономии: ультра­фиолетовая иинфракрасная астрономия, рентгеновская и гамма-астрономия. Необычайно расшири­ласьвозможность исследования пер­вичных космических частиц, пада­ющих на границуземной атмосфе­ры: астрономы могут исследовать все виды частиц и излучений,приходя­щих из космического пространства. Объем научной информации, полу­ченнойастрономами за последние десятилетия,   намного   превысил объем информации,добытой за всю прошлую историю астрономии. Ис­пользуемые при этом методы иссле­дованияи регистрирующая аппара­тура заимствуются из арсенала современной физики;древняя астро­номия   превращается   в   моло­дую, бурно развивающуюся астро­физику.
Сейчас создаются основы нейтриннойастрономии, которая будет доставлять ученым сведения о про­цессах, происходящихв недрах кос­мических тел, например в глубинах нашего Солнца. Созданиенейтринной астрономии стало возможным только благодаря успехам физики атомныхядер и элементарных час­тиц.Физика и биология.
Революцию в биологии обычно связывают своз­никновением молекулярной биологии и генетики, изучающих жизненные процессына молекулярном уровне. Основные средства и методы, ис­пользуемые молекулярнойбиоло­гией для обнаружения, выделения и изучения своих объектов (электрон­ные ипротонные микроскопы, рентгеноструктурный анализ, электро­нография, нейтронныйанализ, мече­ные   атомы,   ультрацентрифуги и т. п.), заимствованы у физики.Не располагая этими средс1вами, родившимися в физических лабо­раториях, биологине сумели бы осуществить прорыв на качественно новый уровень исследования про­цессов,протекающих в живых ор­ганизмах.
Важную роль современная физи­ка играет вреволюционной перест­ройке химии, геологии, океанологии и ряда других естественныхнаук.Физика и техника.
Физика стоит также у истоков революционныхпреобразований во всех областях техники. На основе ее достиженийперестраиваются энергетика, связь, транспорт, строительство, промыш­ленное исельскохозяйственное производство.
Энергетика.
Революция в энерге­тике вызванавозникновением атом­ной энергетики. Запасы энергии, хранящиеся в атомномтопливе, намного превосходят запасы энергии в еще не израсходованном обычномтопливе. Уголь, нефть и природный газ в наши дни превратились в уни­кальноесырье для большой химии. Сжигать их в больших количест­вах — значит наноситьнепоправи­мый ущерб этой важной области современного  производства.  По­этомувесьма важно использовать для энергетических целей атомное топливо (уран,торий). Тепловые электростанции оказывают неустра­нимое опасное воздействие наокружающую среду, выбрасывая уг­лекислый газ. В то же время атом­ныеэлектростанции при должном уровне контроля могут быть бе­зопасны.
Термоядерные электростанции в будущемнавсегда избавят челове­чество от заботы об источниках энергии. Как мы ужезнаем, научные основы атомной и термоядерной энергетики целиком опираются надостижения физики атомных ядер.
Создание материалов с заданны­мисвойствами привело к изменениям в строительстве. Техника будущего будетсоздаваться в значительной степени не из готовых природных материалов, которыеуже в наши дни не могут сделать ее достаточно надежной и долговечной, а изсинтетических материалов с наперед заданными свойствами. В создании такихматериалов наряду с боль­шой химией все возрастающую роль будут игратьфизические мето­ды воздействия на вещество (элек­тронные, ионные и лазерныепучки; сверхсильные магнитные поля; сверх­высокие давления и температуры;ультразвук и т. п.). В них заложена возможность получения материалов спредельными характеристиками и создания принципиально новых ме­тодов обработкивещества, корен­ным образом изменяющих современ­ную технологию.
Автоматизация    производства.
Предстоит огромная работа по созданиюкомплексно-автоматизиро­ванных производств, включающих в себя гибкиеавтоматические ли­нии, промышленные роботы, управ­ляемые микрокомпьютерами, атак­же   разнообразную   электронную контрольно-измерительную аппара­туру.Научные основы этой техники органически связаны с радиоэлектро­никой, физикойтвердого тела, физи­кой атомного ядра и рядом других разделов современнойфизики.
 
Физика и информатика.
Физика вносит решающий вклад в созданиесовременной вычислительной техни­ки, представляющей собой мате­риальную основуинформатики. Все поколения электронных вычислитель­ных машин (на вакуумныхлампах, полупроводниках и интегральных схемах[1]), созданные до наших дней, родилась в современныхлабораториях.
Современная физика открывает новыеперспективы для дальнейшей миниатюризации, увеличения быстродействия инадежности вычислительных машин. Применение лазеров  и развивающейся на ихоснове голографии таит в себе огромные резервы для совершенствованиявычислительной техники.Значение физики
Такая тесная связь физики с другими наукамиобъясняется важностью физики, её значением, так как физика знакомит нас снаиболее общими законами природы, управ­ляющими течением процессов в ок­ружающемнас мире и во Вселен­ной в целом.
Цель физики заключается в отыскании общихзаконов природы и в объяснении конкретных процес­сов на их основе. По мерепродви­жения к этой цели перед учеными постепенно вырисовывалась вели­чественнаяи сложная картина единства природы. Мир представ­ляет собой не совокупностьразроз­ненных, независимых друг от друга событий, а разнообразные и много­численныепроявления одного целого.
Механическая  картина  мира и физика.Многие поколения ученых поража­ла и продолжает поражать величе­ственная ицельная картина мира, которая была создана на основе механики Ньютона. СогласноНью­тону, весь мир состоит «из твер­дых, весомых, непроницаемых, под­вижныхчастиц». Эти «первичные частицы абсолютно тверды: они не­измеримо более тверды,чем тела, которые из них состоят, настолько тверды, что они никогда не изна­шиваютсяи не разбиваются вдре­безги». Отличаются они друг от друга главным образомколичествен­но, своими массами. Все богатство, все качественное многообразие ми­ра— это результат различий в дви­жении частиц. Внутренняя сущ­ность частицостается на втором плане.
Основанием для такой единой картины мирапослужил всеобъем­лющий характер открытых Ньюто­ном законов движения тел. Этимза­конам с удивительной точностью под­чиняются как громадные небесные тела, таки мельчайшие песчинки, гонимые ветром. И даже ветер — движение не видимыхглазом час­тиц воздуха — подчиняется тем же законам. На протяжении долгоговремени ученые были уверены, что единственными фундаментальными законамиприроды являются законы механики Ньютона. Французский ученый Лагранж считал,что «нет человека счастливее Ньютона: ведь только однажды одному человекусуждено построить картину мира».
Однако простая механическая картина мираоказалась несостоя­тельной. При исследовании электро­магнитных процессоввыяснилось, что они не подчиняются механике Ньютона. Дж. Максвелл открыл новыйтип фундаментальных зако­нов, которые не сводятся к меха­нике Ньютона,— этозаконы поведе­ния электромагнитного поля.
Электромагнитная картина мира и физика. Вмеханике Ньютона предполага­лось, что тела непосредственно че­рез пустоту действуютдруг на дру­га и эти взаимодействия осуществ­ляются мгновенно (теория дально­действия).После создания электро­динамики представления о силах существенно изменились.Каждое из взаимодействующих тел создает электромагнитное поле, которое сконечной скоростью распространя­ется в пространстве. Взаимодействиеосуществляется посредством этого поля (теория близкодействия).
Электромагнитные силы чрезвы­чайно широкораспространены в природе. Они действуют в атомном ядре, атоме, молекуле, междуот­дельными молекулами в макроско­пических телах. Это происходит по­тому, что всостав всех атомов вхо­дят электрически заряженные час­тицы. Действиеэлектромагнитных сил обнаруживается и на очень малых расстояниях (ядро), и накосмических (электромагнитное из­лучение звезд).
Развитие электродинамики при­вело кпопыткам построить единую электромагнитную картину мира. Все события в миресогласно этой картине управляются законами элек­тромагнитных взаимодействий.
Кульминации электромагнитная картина мирадостигла после созда­ния специальной теории относитель­ности. Было понятофундаменталь­ное значение конечности скорости распространения электромагнитныхвзаимодействий, создано новое уче­ние о пространстве и времени, найденырелятивистские уравнения движения, заменяющие уравнения Ньютона при большихскоростях.
Если во времена расцвета механическойкартины мира делались попытки свести электромагнитные явления к механическимпроцессам в особой среде (мировом эфире), то теперь уже стремились, наобо­рот,вывести законы движения час­тиц из электромагнитной теории. Частицы веществапытались рассматривать как «сгустки» электро­магнитного поля. Однако свести всепроцессы в природе к электромаг­нитным не удалось. Уравнения дви­жения частиц изакон гравитацион­ного взаимодействия не могут быть выведены из теорииэлектромаг­нитного поля. Кроме того, были открыты электрически нейтральныечастицы и новые типы взаимодей­ствия. Природа оказалась сложнее, чемпредполагали вначале: ни еди­ный закон движения, ни единственная сила неспособны охватить всего многообразия процессов в мире.
Единство строения материи и физика. Мирчрезвычайно разнообразен. Но как это ни удивительно, вещество звезд точно такоеже, как и вещество, из которого состоит Земля. Атомы, сла­гающие все телаВселенной, со­вершенно одинаковы. Живые ор­ганизмы состоят из тех же атомов,что и неживые.
Все атомы имеют одинаковую структуру ипостроены из элемен­тарных частиц трех сортов. У них есть ядра из протонов инейтро­нов, окруженные электронами. Яд­ра и электроны взаимодействуют друг сдругом посредством электро­магнитного поля, квантами которого являются фотоны.
Взаимодействие же между про­тонами инейтронами в ядре осу­ществляют в основном π-мезоны, которые представляютсобой кванты ядерного поля. При распаде нейтро­нов появляются нейтрино. Крометого, открыто много других эле­ментарных частиц. Но только при взаимодействиичастиц очень боль­ших энергий они начинают играть заметную роль.
В первой половине XX века был открытфундаментальный факт: все элементарные  частицы способны превращаться друг вдруга.
В 70-е гг. было установлено, что всесильно взаимодействующие час­тицы состоят из субэлементарных частиц — кварковшести видов. Ис­тинно элементарными частицами яв­ляются лептоны и кварки.
После открытия элементарных частиц и ихпревращений на пер­вый план единой картины мира выступило единство в строениима­терии. В основе этого единства ле­жит материальность всех элементар­ныхчастиц. Различные элементар­ные частицы — это различные конк­ретные формысуществования ма­терии.
Современная физическая картина мира и рольфизики. Единство мира не исчерпы­вается единством строения материи. Онопроявляется и в законах дви­жения частиц, и в законах их взаимодействия.
Несмотря на удивительное раз­нообразиевзаимодействий тел друг с другом, в природе по современ­ным данным имеются лишьчетыре типа сил. Это гравитационные силы, электромагнитные, ядерные и сла­быевзаимодействия. Последние про­являются главным образом при превращенияхэлементарных частиц друг в друга. С проявлением всех четырех типов сил мывстречаемся в безграничных просторах Вселен­ной, в любых телах на Земле (в томчисле и в живых организмах), в атомах и атомных ядрах, при всех превращенияхэлементарных частиц.
Революционное изменение клас­сическихпредставлений о физи­ческой картине мира произошло после открытия квантовыхсвойств материи. С появлением квантовой физики, описывающей движение мик­рочастиц,начали вырисовываться новые элементы единой физической картины мира.
Разделение материи на вещество, имеющеепрерывное строение, и не­прерывное поле потеряло абсолют­ный смысл. Каждомуполю соот­ветствуют кванты этого поля: электромагнитному   полю — фотоны,ядерному — π-мезоны, а на более глубоком уровне — глюоны, осуще­ствляющиевзаимодействие кварков.
В свою очередь все частицы об­ладаютволновыми свойствами. Корпускулярно-волновой дуализм при­сущ всем формамматерии.
Описание, казалось бы, взаимо­исключающихкорпускулярных и вол­новых свойств в рамках одной теории оказалось возможнымблагодаря тому, что законы движения всех без исключения микрочастиц носят ста­тистический(вероятностный) харак­тер. Этот факт делает невозможным однозначноепредсказание того или иного поведения  микрообъектов.
Принципы квантовой теории яв­ляютсясовершенно общими, приме­нимыми для описания движения всех частиц,взаимодействий меж­ду ними и их взаимных превра­щений.
Итак, современная физика с не­сомненностьюдемонстрирует нам черты единства природы. Но все же многого, быть может дажесаму физическую суть единства мира, уловить пока еще не удалось. Не­известно,почему существует столь много различных элементарных частиц, почему они имеютте или иные значения массы, заряда и других характеристик. До сих пор все этивеличины определяются экспери­ментально.
Однако все отчетливее вырисо­вывается связьмежду различными типами взаимодействий  Электро­магнитные и слабыевзаимодействия уже объединены в рамках одной теории. Выяснена структура боль­шинстваэлементарных частиц.
«Здесь скрыты столь глубокие тайны и стольвозвышенные мысли, что, несмотря на старания сотен остроумнейших мыслителей,трудив­шихся в течение тысяч лет, еще не удалось проникнуть в них, и ра­достьтворческих исканий и откры­тий все еще продолжает существо­вать». Эти слова,сказанные Галилеем три с половиной столетия назад, нисколько не устарели.
Научное мировоззрение. Фунда­ментальныезаконы, устанавлива­емые в физике, по своей слож­ности и общности намногопревос­ходят те факты, с которых начи­нается исследование любых явле­ний. Ноони столь же достоверны и столь же объективны, как и знания о простых явлениях,наблюдаемых не­посредственно. Эти законы не нару­шаются никогда, ни при какихус­ловиях.
Все большее и большее число людейосознают, что объективные законы, которым следует природа, исключают чудеса, апознание этих законов позволит человечеству вы­жить.