2. Роль фізичного знання в житті людини й розвитку суспільства.

Зародження і розвиток фізики як науки. Фізика - одна з найдавніших наук про природу. Першими фізиками були грецькі мислителі, які зробили спробу пояснити спостережувані явища природи. Найвидатнішим із стародавніх мислителів був Арістотель (384-322 рр. до н. е.), який і запровадив слово «фюзіс», що у перекладі з грецької означає природа. Але не подумайте, що «Фізика» Арістотеля хоч якось схожа на сучасні підручники з фізики. Ні! У ній ви не знайдете жодного опису досліду чи приладу, жодного малюнка чи креслення, жодної формули. У ній - філософські міркування про речі, про час, про рух взагалі. Такими ж були всі праці учених-мислителів античного періоду. Ось як римський поет Лукрецій (бл. 99-55 рр. до н. е.) описує у філософській поемі «Про природу речей» рух порошинок у сонячному промені:

Певне, ти бачив не раз, як у темряві наших покоїв Сонця яскравого промінь знадвору нараз просмикнеться, -Безліч тоді порошинок дрібних, найдрібніших ти бачив, Як вони в паруску сонця танцюють і всі метушаться.

Звідси ти можеш собі уявити, як первісні тільця Серед безкраїх просторів,у світі широкім блукають. Справді - бо: речі малі є часто модель для великих, Шлях до пізнання, вказівка до повного їх розуміння. От чому мають вони на увагу твою заслужити, Ті порошинки дрібні, що у сонячнім світлі танцюють. їх метушня, їхні купи - то певна подоба, то образ Нам неприступного руху матерії.

Як видно з наведеного прикладу, уже в античні часи почали розвиватись методи наукового пізнання природи (спостереження, припущення (гіпотеза), моделювання, мисленнєвий експеримент тощо). З праць учених-філософів античного періоду почали свій розвиток усі природничо-математичні науки - фізика, астрономія, хімія, географія, біологія, математика. Від старогрецького філософа Фалеса (624-547 рр. до н. е.) беруть початок наші знання з електрики і магнетизму, Демокріт (460-370 рр. до н. е.) є основоположником вчення про будову речовини, саме він припустив, що всі тіла складаються з найдрібніших часток - атомів, Евкліду (ІІІ ст. до н. е.) належать важливі дослідження в галузі оптики - він вперше сформулював основні закони геометричної оптики (закон прямолінійного поширення світла і закон відбивання), описав дію плоских і сферичних дзеркал.

Серед видатних учених та винахідників цього періоду перше місце посідає Архімед (287-212 рр. до н. е.). З його робіт «Про рівновагу площин», «Про плаваючі тіла», «Про важелі» починають свій розвиток такі розділи фізики, як механіка, гідростатика. Яскравий інженерний талант Архімеда виявився у сконструйованих ним механічних пристроях. Із середини ХУІ ст. настає якісно новий етап розвитку фізики - у фізиці починають застосовувати експерименти і досліди. Одним із перших є дослід Галілео Галілея із кидання ядра та кулі з Пізанської вежі. Цей дослід став знаменитим, оскільки його вважають «днем народження» фізики як експериментальної науки.

Потужним поштовхом до формування фізики як науки стали наукові праці Ісаака Ньютона. У праці «Математичні начала натуральної філософії» (1684 р.) він розробляє математичний апарат для пояснення і опису фізичних явищ. На сформульованих ним законах було побудовано так звану класичну (ньютонівську) механіку.

Швидкий прогрес у вивченні природи, відкриття нових явищ і законів природи сприяли розвитку суспільства. Починаючи з кінця ХУІІІ ст., розвиток фізики спричиняє бурхливий розвиток техніки. У цей час з'являються і вдосконалюються парові машини. У зв'язку з широким їх використанням у виробництві та на транспорті цей період часу називають «віком пари». Одночасно поглиблено вивчаються теплові процеси, у фізиці виокремлюється новий розділ - термодинаміка. Найбільший внесок у дослідженні теплових явищ належить С. Карно, Р. Клаузіусу, Д. Джоулю, Д. Менделєєву, Д. Кельвіну та багатьом іншим. Безліч нових відкриттів відбуваються і у галузі електрики та магнетизму (закон Кулона, закон Ампера, закон Ома, закон електромагнітної індукції тощо). Визначальними для цього періоду є дослідження М. Фарадея, Е.Х. Ленца та Д. Максвелла, які сприяли розробці так званої класичної електродинаміки, що пояснювала властивості електромагнітних полів, електромагнітну природу світла. У кінці ХІХ і на початку ХХ ст. з'являються і вдосконалюються електричні машини. Завдяки широкому використанню електричної енергії цей час називають «віком електрики». У фізиці виокремлюються нові розділи - електродинаміка, електротехніка, радіотехніка та інші.

На початку ХХ ст. фізики отримали численні експериментальні результати, які не можна було узгодити з положеннями класичної механіки та електродинаміки. У фізиці починається новий етап розвитку - створення квантової та релятивістської теорій. Визначальними для їх створення були праці М. Планка, Н. Бора, А. Ейнштейна. Квантово-релятивістська фізика є найбільш загальною й універсальною формою подання сучасного тлумачення закономірностей навколишнього світу. Але з її появою класична фізика не зникла. Визначились лише межі, в яких вона діє: класична фізика досліджує макроскопічні тіла (тобто тіла, які складаються з величезної кількості атомів і молекул), які рухаються порівняно повільно (зі швидкістю набагато меншою за 300 000 км/с). Особливо бурхливий розвиток суспільства починається з другої половини ХХ ст. Люди навчились добувати і широко застосовувати ядерну енергію, освоювати космічний простір, конструювати нові автоматизовані пристрої і механізми. ХХ ст. називають «атомним віком», «віком космічної ери». У фізиці інтенсивно проводяться дослідження атомного ядра, плазми, керованих термоядерних реакцій, напівпровідників тощо. Виокремлюються нові галузі фізики, такі як фізика низьких температур, фізика рідкого стану, фізика плазми, фізика твердого тіла та інші.

Початок ХХІ ст. супроводжується величезним проривом у галузі інформаційних технологій, супутникового зв'язку, нанотехнологій. Але яку б галузь техніки і технологій ми не взяли, в її основі лежать закони фізики.

Методи наукового пізнання. Науки про природу, зокрема й фізика, мають споріднені закони розвитку. За допомогою емпіричних методів пізнання (спостереження, експерименти) накопичується значний фактичний матеріал про певну групу явищ природи. На основі цього формулюється гіпотеза (наукове припущення) та створюється модель, яка пояснює протікання цих явищ. Гіпотеза дає нам лише більш-менш імовірне пояснення явища або ряду явищ. Перевірка гіпотези на практиці, а також застосування гіпотези для розв'язування нових завдань науки робить гіпотезу або достовірною, або іноді примушує відмовитись від неї як хибної і замінити її іншою.

Якщо правильність гіпотези підтверджується, то на її основі формулюються закони і створюється теорія, яка має достатньо вичерпно пояснювати явища, що відбуваються, не тільки з якісного, а й з кількісного боку, а також передбачати нові явища, з достатньою для практичних цілей точністю.

Експериментом у фізиці називають спеціально поставлений дослід чи спостереження, які задовольняють таким вимогам: відтворюваність експериментальних результатів у разі виконання будь-якої кількості незалежних вимірювань (зокрема й таких, що проводяться на різних установках, різними експериментаторами, у різних місцях тощо); максимальна точність вимірювання; повний контроль за всіма чинниками, які визначають перебіг досліджуваного явища.

Експериментальний і теоретичний методи пізнання є основою фізики.

У теоретичних дослідженнях значна роль відводиться мисленнєвим експериментам, моделюванню, ідеалізації та формалізації фізичних явищ. Так, зокрема, вивчення фізичних явищ на мікро- та нанорівнях спершу моделюється, досліджується методами математики, і лише потім перевіряється експериментом.

Метод моделювання полягає в створенні моделі, яка відображає найбільш суттєві властивості оригіналу і дає змогу значно спростити процес дослідження. Наприклад, механічні рухи тіл, що трапляються у природі, дуже різноманітні. Вони відрізняються один від одного траєкторіями, швидкостями, напрямами тощо. Але з усього різноманіття рухомих тіл можна мислено виокремити ті, що рухаються по прямій лінії, і ті, швидкість руху яких залишається незмінною. Це і буде модель рівномірного прямолінійного руху, за допомогою якої можна встановити закони руху.

Окрім фізичних моделей у фізиці використовуються математичні моделі. Математична модель - це опис якогось реального об'єкта або процесу мовою математичних понять, відношень, формул, рівнянь тощо.

Історія науки знає чимало прикладів, коли в межах вдало побудованої математичної моделі за допомогою обчислень, як кажуть, «на кінчику пера», вдавалося передбачити існування нових фізичних явищ та об'єктів. Так, спираючись на математичні моделі, астрономи Дж. Адамс (Англія) у 1845 р. і У. Левер'є (Франція) у 1846 р. незалежно один від одного дійшли висновку про існування невідомої тоді ще планети і вказали її розміщення. За розрахунками Левер'є астроном Г. Галле (Німеччина) знайшов цю планету. її назвали Нептуном. Англійський фізик М. Дірак у 1928 р. отримав рівняння руху електрона. З розв'язку цього рівняння випливало існування елементарної частинки, яка відрізняється від електрона лише знаком електричного заряду. Таку частинку у 1932 р. відкрив фізик К. Д. Андерсен (США) і назвав її позитроном. Метод математичного моделювання відіграє важливу роль у корабле- та авіабудуванні, економіці тощо.

Результати експериментальних і теоретичних досліджень формулюються у вигляді певних закономірностей - фізичних законів.

Не всі закони фізики є рівносильними за науковим значенням. У фізиці розрізняють фундаментальні, часткові та закони фундаментального походження.

Фундаментальними є закони збереження (енергії, електричного заряду та ін.), закон всесвітнього тяжіння тощо. Закони, які виконуються лише у певних обмежених умовах, називаються частковими. Це, наприклад, закон Гука, закон Ома. Закони, які можна математично вивести з фундаментальних, називають законами фундаментального походження. Наприклад, закони Ньютона складають зміст однієї з перших фізичних теорій - класичної механіки. Зміст класичної теорії електромагнетизму утворюють закони, сформульовані англійським фізиком Д. Максвеллом.

Сукупність законів, що описують широке коло явищ, називають науковою теорією. Усі фізичні закони і теорії є деяким наближенням до дійсності, обумовленим певною умовністю моделі явищ і процесів. Тому фізичні закони і теорії мають певні межі застосування. Наприклад, класична механіка є справедливою тільки при розгляді руху тіл зі швидкостями, набагато меншими, ніж швидкість поширення світла.

Підбиваючи підсумок зазначимо: фізика - це не просто результат копіткої і допитливої праці вчених, а й велике надбання людської цивілізації, важлива складова культури людства. Насамперед фізика дає систематизовану інформацію про навколишній світ разом з умінням здобувати таку інформацію. Фізика є найглибшою, найфундаментальнішою наукою про природу. Тому її методи і теорії широко використовуються в інших природничих науках і філософії природознавства. Вивчення фізики має важливе значення для розвитку наукового світорозуміння та забезпечення майбутнього фахівця в галузі техніки і природничих наук методами наукового пізнання.