Естествознание в эпоху Возрождения. Борьба за гелиоцентрическую систему мира. физика средневековья достижения науки средневекового востока европейская средневековая наука

В эпоху Возрождения была проведена основная мыслительная работа, подготовившая возникновение классического естествознания. Птолемеевская модель не только не позволяла давать точные предсказания, она также страдала несистематичностью: отсутствием внутреннего единства и целостности; каждая планета рассматривалась сама по себе, имела отдельную от остальных эпициклическую систему, собственные законы движения. Движение планет здесь представлялось с помощью нескольких равноправных независимых математических моделей. Для объяснения сложной траектории данной планеты предполагалось помимо движения по деференту движение по своей группе эпициклов, никак не связанных с эпициклами и деферентами других планет. Строго говоря, объектом птолемеевской теории система планет (или планетная система) не являлась; в ней речь шла об отдельных движениях небесных тел, не связанных в некое системное целое. Геоцентрические теории позволяли предвычислять лишь направления на небесные светила, но не определять истинную удаленность и расположение их в пространстве. Птолемей считал эти задачи вообще неразрешимыми. Именно установка на поиск внутреннего единства и системности была той основой, вокруг которой концентрировались предпосылки создания гелиоцентрической системы.

Величайшим мыслителем, которому суждено было начать великую революцию в астрономии, повлекшую за собой революцию во всем естествознании, был гениальный польский астроном Николай Коперник

1 В древности кроме Аристарха Самосского негеоцентрические идеи высказывались пифагорейцами Филолаем (считавшим, что все планеты и Солнце вращаются вокруг некоего «центрального огня» — Гестии), Экфантом (учение о вращении Земли вокруг своей оси), Гераклидом Понтийским (в его учении Земля находилась в центре мира, вращалась вокруг своей оси, а Меркурий и Венера вращались вокруг Солнца) и др. Кроме того, в эпохи античности и Средневековья в различных мистических, эзотерических учениях духовный центр мира (Единое, Благо, Логос, Абсолют и др.) олицетворялся Солнцем как источником «духовного» света. Такое олицетворение получило название духовного гелиоцентризма.

Коперник первым взглянул на весь тысячелетний опыт развития астрономии глазами человека эпохи Возрождения: смелого, уверенного, творческого, новатора. Предшественники Коперника не имели смелости отказаться от самого геоцентрического принципа и пытались либо совершенствовать мелкие детали птолемеевской системы, либо обращаться к еще более древней схеме гомоцентрических сфер. Коперник сумел разорвать с этой тысячелетней консервативной астрономической традицией, преодолеть преклонение перед древними авторитетами. Между 1505—1507 гг. Коперник в «Малом комментарии» изложил принципиальные основы гелиоцентрической астрономии. Теоретическая обработка астрономических данных была завершена к 1530 г. Но только в 1543 г. увидело свет одно из величайших творений в истории человеческой мысли — «Об обращениях небесных сфер», где изложена математическая теория сложных видимых движений Солнца, Луны, пяти планет и сферы звезд с соответствующими математическими таблицами и приложением каталога звезд.

В центре мира Коперник поместил Солнце, вокруг которого движутся планеты, и среди них — впервые зачисленная в ранг «подвижных звезд» Земля со своим спутником Луной. На огромном расстоянии от планетной системы находится сфера звезд. Его вывод о чудовищной удаленности этой сферы диктовался гелио-центрическим принципом; только так мог Коперник согласовать его с видимым отсутствием у звезд смещений за счет движения самого наблюдателя вместе с Землей (т.е. отсутствием у них параллаксов).

Система Коперника была проще и точнее системы Птолемея, и ее сразу же использовали в практических целях. На ее основе составили «Прусские таблицы», уточнили длину тропического года и провели в 1582 г. давно назревшую реформу календаря — был введен новый, или григорианский, стиль.

Он был введен 5 октября (которое стало 15-м) 1582 г. по инициативе Папы Григория XIII.

Впервые получила объяснение смена времен года: Земля движется вокруг Солнца, сохраняя неизменным в пространстве положение оси своего суточного вращения.

Ее историческое значение трудно переоценить:

+ теория Коперника подорвала ядро (геоцентрическую систему) религиозно-феодального мировоззрения, основания старой (первой) научной картины мира;

+ стала базой революционного становления нового научного мировоззрения, новой (второй) механистической картины мира;

+ явилась одной из важнейших предпосылок революции в физике (так называемой ньютонианской революции) и создания первой естественно-научной фундаментальной теории — классической механики;

+ определила разработку новой, научной методологии познания природы.

2. Широкая торговля давала богатый материал для математических задач, дальние путешествия стимулировали развитие астрономических и географических знаний, развитие ремесла способствовало развитию экспериментального искусства. Поэтому новая математика, удобная для решения вычислительных задач, берет начало на Востоке. Хорезмиец Абу Абдалла Мухаммед ибн Муса аль-Хорезми (ок 780 —ок. 850), работавший в эпоху просвещенного халифа аль-Мамуна, был автором арифметики и трактата по алгебре. Из арифметического трактата Европа познакомилась с индийской позиционной системой чисел и употреблением нуля, арабскими цифрами, арифметическими действиями с целыми числами и дробями. Алгебраический трактат Хорезми дал имя новому разделу математики — алгебре («Аль-Джабар») В трактате Хорезми решаются линейные и квадратные уравнения. Труды Аристотеля и Птолемея пришли на кафедры средневековых университетов также в арабских пере водах. Знаменитый армянский ученый начала VII в. Анания Ширакаци путешествовал в Византию, изучал математику и философию и, вернувшись на родину, основал школу, в которой преподавал математику, астрономию, географию Им был составлен армянский учебник арифметики, выпущен трактат по космографии. Этот трактат свидетельствует о глубоком знании Ширакаци трудов греческого ученого Аристотеля. Мухаммед ибн Ахмед аль-Бируни (Бируни) производил точные определения плотностей металлов и других веществ с помощью изготовленного им «конического прибора». «Конический прибор» Бируни представлял собой сосуд, суживающийся кверху и оканчивающийся Цилиндрической шейкой. Посредине шейки было проделано небольшое круглое отверстие, к которому была припаяна изогнутая трубка соответствующего размера. Бируни производил также точные астрономические и географические измерения. Он определил угол наклона эклиптики к экватору и установил его вековые изменения. Для 1020 г. его измерения дали значение 23°34'0" Современные вычисления дают для 1020 г. значение 23°34'45". Во время путешествия в Индию Бируни разработал метод определения радиуса Земли По его измерениям, радиус Земли оказался равным 1081, 66 фарсаха, т. е. около 6490 км. Бируни наблюдал и описал изменение цвета Луны при лунных затмениях, явление солнечной короны при полных затмениях Солнца. Он высказал мысль о движении Земли вокруг Солнца и считал геоцентрическую теорию весьма уязвимой. Алхазен занимался исследованием преломления света. Он разработал метод измерения углов преломления и показал экспериментально, что угол преломления не пропорционален углу падения. Хотя Алхазен не нашел точной формулировки закона преломления, он существенно дополнил результаты Птолемея, показав, что падающий и преломленный лучи лежат в одной плоскости с перпендикуляром, восстановленным из точки падения луча. Алхазену было известно увеличивающее действие плоско-выпуклой линзы, понятие угла зрения, его зависимость от расстояния до предмета. По продолжительности сумерек он определил высоту атмосферы, считая ее однородной. Европа Бэкон знал действие камер-обскуры, увеличивающее действие выпуклых линз, установил, что вогнутые зеркала фокусируют параллельные пучки в точ ку, лежащую между центром и вершиной зеркала, предвидел возможность построения оптических приборов. Он сделал шаг вперед в объяснении явления радуги, сравнивая ее цвета с радужными цветами при преломлении света в хрустале, в каплях росы, в водяных брызгах. При этом он установил, что угол, образованный направлением падающего на водяные капли луча с лучом, направленным от радуги в глаз, составляет 42°. Младший современник Бэкона поляк Вителло (родился около 1230 г.) был автором написанной в 70-х годах ХIII в. книги по оптике «Перспектива». Он также исследовал радугу и пришел к выводу, что она образуется от преломления лучей в отдельных водяных каплях. Интересную фигуру представляет Петр Перегрин — рыцарь Пьер из Марикура, написавший 8 августа 1269 г. в военном лагере «Послание о магните» («Послание о магните Пьера де Марикур, по прозванию Перегрина, к рыцарю Си геру де фукокур»). В книге автор указывает, по каким признакам можно отобрать хороший «магнитый камень», как распознать полюса магнита. Все эти практические указания свидетельствуют о хорошем знании Марикуром естественных магнитов, о его большом опыте в обращении с магнитом. Марикур дает инструкцию проведения опыта, показывающего, что разноименные полюса магнита притягиваются, а одноименные — отталкиваются. В 1440 г. Иоганн Гуттенберг (1400-1468) изобретает книгопечатание отдельными вырезными буквами.

12.Квантовые свойства света. Энергия любого вида электромагнитного излучения, в том числе и светового, всегда состоит из отдельных порций. Эти порции энергии, обладающие свойствами материальной частицы, называются квантами излучения или фотонами. Фотон – это элементарная частица. Энергия фотона ε зависит от частоты излучения ν: Ԑ =hVгде ε = 6, 625·10-27 эрг·сек называется постоянной Планка. Согласно основным положениям современной физики изменению энергии какой-либо системы на величину ε соответствует изменение ее массы на величину ε /c2 (c – скорость света в вакууме). Поэтому при излучении одного фотона масса излучающего тела уменьшается на величину Свойства излучения, обусловленные его квантовым характером, называются квантовыми (или корпускулярными). Свету, как и всем другим видам электромагнитного излучения, присущи как волновые, так и корпускулярные свойства. Фотоэффектом называются электрические явления, которые происходят при освещении светом вещества, а именно: выход электронов из вещества (фотоэлектронная эмиссия), возникновение ЭДС, изменение электропроводимости. Фотоэффект является одним из примеров проявления корпускулярных свойств света. Вылет электронов из освещенных тел называют внешним фотоэффектом. Законы внешнего фотоэффекта 1. Число электронов, освобожденных светом за 1 сек (или ток насыщения), прямо пропорционально световому потоку (при неизменном его спектральном составе). 2. Наибольшая скорость вылетевших электронов vмакс не зависит от силы света, а определяется частотой падающего света. Эта скорость может быть определена из уравнения Эйнштейна: 1) , где hν –энергия светового фотона; φ –работа выхода; m –масса электрона.3. Для каждого вещества существует определенная частота, ниже которой фотоэффект не наблюдается. Эта частота называется красной границей фотоэффекта (ν к). Она определяется из соотношения 2) Сущность внутреннего фотоэффекта состоит в том, что при освещении полупроводников и диэлектриков от некоторых атомов отрываются электроны, которые, однако, в отличие от внешнего фотоэффекта, не выходят через поверхность тела, а остаются внутри него. В результате внутреннего фотоэффекта возникают электроны в зоне проводимости и сопротивление полупроводников и диэлектриков уменьшается. При освещении границы раздела между полупроводниками с различным типом проводимости возникает электродвижущая сила. Это явление называется вентильным фотоэффектом. На явлениях фотоэффекта основано устройство фотоэлементов, фотосопротивлений, вентильных фотоэлементов и солнечных батарей.

Эффект Комптона (Комптон-эффект) — явление изменения длины волны электромагнитного излучения вследствие упругого рассеивания его электронами. Обнаружен американским физиком Артуром Комптоном в 1923 году для рентгеновского излучения. В 1927 Комптон получил за это открытие Нобелевскую премию по физике.

При рассеянии фотона на покоящемся электронечастоты фотона и (до и после рассеяния соответственно) связаны соотношением:

где — угол рассеяния (угол между направлениями распространения фотона до и после рассеяния).

Перейдя к длинам волн:

где — комптоновская длина волны электрона.

Для электрона м. Уменьшение энергии фотона после комптоновского рассеяния называется комптоновским сдвигом. В классической электродинамике рассеяние электромагнитной волны на заряде (томсоновское рассеяние) не сопровождается уменьшением её частоты.

Объяснить эффект Комптона в рамках классической электродинамики невозможно. С точки зрения классической физики электромагнитная волна является непрерывным объектом и в результате рассеяния на свободных электронах изменять свою длину волны не должна. Эффект Комптона является прямым доказательством квантования электромагнитной волны, другими словами подтверждает существование фотонов. Эффект Комптона является ещё одним доказательством справедливости корпускулярно-волнового дуализма микрочастиц.

13. Развитие науки в России в 18-19 вв Московский университет основан в 1755 по инициативе М. В. Ломоносова в составе философского, юридического и медицинского факультетов. Академический Университет - первое в России светское высшее учебное заведение (1726-66) при АН в Санкт-Петербурге. В 1758-65 Академический университет возглавлял М. В. Ломоносов. Московский Технический Университет (МГТУ). Готовит инженерные и исследовательские кадры по специальностям. Основан в 1830 как ремесленное училище, с 1868 Московское техническое училище (вуз), с 1917 Московское высшее техническое училище (МВТУ им. Н. Э. Баумана), Томский университет основан в 1880. Положил начало высшего образования в Сибири. Готовит кадров по математическим, физическим, химическим, биологическим, геологическим, географическим, историческим, филологическим, экономическим, юридическим и другим специальностям Петровская Сельскохозяйственная Академия - распространенное название одного из ведущих сельскохозяйственных вузов России. Основана в 1865 как земледельческая и лесная академия в с. Петровско-Разумовское близ Москвы. Готовит инженерные кадры по специальностям сельскохозяйственного производства. Наиболее значительные научные открытия 1738 - Д. Бернулли создал классический труд — «Гидродинамика». Вместе с Л. Эйлером он положил начало исследованиям по математической физике.В 1745 была создана первая научная генеральная карта России «Атлас Российский».1802 - Открытие Петровым электрической дуги (с помощью созданной им крупнейшей для того времени гальванической батареи)В 1803-05 было осуществлено первое кругосветное путешествие под руководством И. Ф. Крузенштерна и Ю. Ф. Лисянского.1833 - Ленц установил правило, названное его именем, экспериментально обосновал закон Джоуля — Ленца (1842).1834 - Якоби изобрел электродвигатель и опробовал его для привода судна (1838). Создал гальванотехнику (1838), несколько типов телеграфных аппаратов (1840-50)1837 - Струве произвел первое определение звездного параллакса

1861 - Бутлеров создал () и обосновал теорию химического строения, согласно которой свойства веществ определяются порядком связей атомов в молекулах и их взаимным влиянием. Первым объяснил (1864) явление изомерии. 1863 - основы научной физиологии И. М. Сеченова 1869 Менделеев открыл периодический закон химических элементов 1872 – лампа накаливания Лодыгина 1876 – дуговая лампа Яблочкова 1890 - Фёдоров впервые вывел 230 групп симметрии кристаллов. Положил начало кристаллохимическому анализу. 1895 – Изобретение Поповым радиотелеграфа Образование Политехнического университета как итог развития научных школ в России 19 февраля 1899 г. было принято правительственное постановление об организации в Петербурге нового высшего учебного заведения — политехнического института. Институт создавался с целью подготовки своих, отечественных специалистов — инженеров для развивающейся русской промышленности.

14. Пространство и время. свойства пространства и времени. Представления в древности и сейчас. В физике термин пространство понимают, в основном, в двух смыслах: 1) так называемое обычное пространство, называемое также физическим пространством. Это пространство, в котором определяется положение физических тел, в котором происходит механическое движение, геометрическое перемещение различных физических тел и объектов. 2) различные абстрактные пространства в том смысле, как они понимаются в математике, не имеющие к обычному («физическому») пространству никакого отношения, кроме отношения более или менее далекой формальной аналогии. Обычно это те или иные абстрактные векторные или линейные пространства, впрочем, часто снабженные разнообразными дополнительными математическими структурами. Как правило, в физике термин пространство применяется в этом смысле обязательно с уточняющим определением или дополнением (пространство скоростей, цветовое пространство, пространство состояний, гильбертово пространство, пространство спиноров), или, в крайнем случае, в виде неразрывного словосочетания абстрактное пространство. Такие пространства используются однако для постановки и решения вполне «земных» задач в обыкновенном трёхмерном пространстве. Вре́ мя — одно из основных понятий философии и физики, условная сравнительная мера движения материи, а также одна из координат пространства-времени, вдоль которой протянуты мировые линии физических тел. Простра́ нство-вре́ мя (простра́ нственно-временно́ й конти́ нуум) — физическая модель, дополняющая пространство равноправным временны́ м измерением и, таким образом, создающая теоретико-физическую конструкцию, которая называется пространственно-временным континуумом. Свойства пространства: 1.Пространство трехмерно, т.е предметы обладают трехмерным пространством; 2.Пространство бесконечно, т.е материальный мир не имеет ни начала, ни конца. Свойства времени: 1.Вечность – время всегда существовало; 2.Одномерность, одноправленость, т.е время течет; 3.Необратимость. Пространство и время, как формы материальности имеют общие свойства: 1.Объективность вытекает из самой материи; 2.Вечность – вечна сама материя; 3.Абсолютность и относительность; 4.Бесконечность; 5.Прерывность и непрерывность; 6.Внутренняя противоречивость; Первый развёрнутый вариант модели естественного объединения пространства и времени, пространство Минковского, был создан Германом Минковским в 1908 году на основе специальной теории относительности Эйнштейна, а несколько ранее (в 1905 году), ключевое продвижение на этом пути сделал Анри Пуанкаре, заложивший основы четырехмерного пространственно-временного формализма. Концепцию пространства-времени допускает и классическая механика, но в ней это объединение искусственно, так как пространство-время классической механики — прямое произведение пространства на время, то есть пространство и время независимы друг от друга. Однако уже классическая электродинамика требует при смене системы отсчета преобразований координат, включающих время «наравне» с пространственными координатами, если желать, чтобы уравнения электродинамики имели одинаковый вид в любой инерциальной системе отсчета. Непосредственно наблюдаемые временные характеристики электромагнитных процессов (периоды колебаний, времена распространения электромагнитных волн) уже в классической электродинамике оказываются зависящими от системы отсчета (или, иначе говоря, от относительного движения наблюдателя и объекта наблюдения), то есть оказываются не «абсолютными», а определенным образом связанными с пространственным движением и даже положением в пространстве системы отсчёта, что и явилось первым толчком для формирования современной физической концепции единого пространства-времени. Ключевым математическим отличием пространства-времени от обычного евклидова 4-мерного пространства является то, что при вычислении расстояния (интервала) квадраты значений разностей времени и длин пространственных координат берутся с противоположными знаками (в обычном пространстве соответствующие значения равноправны для любой оси координат и имеют одинаковый знак). Из этого вытекает следующее: прямая между двумя точками этого континуума (под прямой понимается движение по инерции) даёт максимальную продолжительность собственного времени (интервала). Для пространственной же длины прямая — это минимальная, а не максимальная величина.

В контексте теории относительности время неотделимо от трёх пространственных измерений и зависит от скорости наблюдателя.Концепция пространства-времени сыграла исторически ключевую роль в создании геометрической теории гравитации. В рамках общей теории относительности гравитационное поле сводится к проявлениям геометрии четырехмерного пространства-времени, которое в этой теории не является плоским.