История физики как самостоятельной науки начинается в XVII веке с опытов Галилея и его учеников, а теоретический фундамент классической физики создал Исаак Ньютон в конце XVII века. До этого знания о природе были частью «натуральной философии», которая объединяла позитивные сведения о природных явлениях с умозрительными фантазиями и ошибочными заключениями.
Античный период
В Древнем мире происходило становление астрономии, оптики и других наук, прогресс в которых стимулировал развитие математики. Важнейшими источниками по истории античной физики являются труды Платона, Аристотеля (IV век до н. э.), Архимеда (III век до н. э.), Герона и Лукреция Кара (I век до н. э.).
Некоторые достижения античности:
- Фалес Милетский (VII–VI века до н. э.) первым начал исследовать электрические явления. Он наблюдал, что янтарь после трения притягивает лёгкие тела, а магнит — железо.
- Аристотель (IV век до н. э.) сформулировал учение о движении, которое господствовало в физике до периода Возрождения. Он считал, что движение тела поддерживается приложенной к нему силой, а при её отсутствии тело остановится.
- Архимед заложил основы гидростатики и механики, изложил теорию рычага и подсчитал величину выталкивающей силы жидкости. Он же стал автором термина «центр тяжести».
- Герон Александрийский создал паровую турбину, обобщил знания об упругости воздуха и сжимаемости газов.
Греческая натурфилософия оказала огромное влияние на развитие науки и не имела конкурентов вплоть до XVII века.
Период Возрождения и становление классической механики
В середине XVI века Николай Коперник разработал гелиоцентрическую систему мира, что положило начало освобождению естествознания от теологии.
Галилео Галилей (1564–1642) выступил противником механики и астрономии Аристотеля. Он опровергал учение о том, что тяжёлые тела падают быстрее, чем лёгкие, и впервые использовал понятие инерции. Галилей:
- открыл четыре спутника Юпитера, фазы Венеры, пятна на Солнце;
- доказал, что Млечный Путь состоит из скоплений звёзд;
- сформулировал принцип относительности для механических явлений;
- связал физику, объясняющую характер и причины движения, и математику, позволяющую описать это движение.
Исаак Ньютон (1643–1727) в 1687 году опубликовал труд «Математические начала натуральной философии», где изложил закон всемирного тяготения и три закона механики, ставшие основой классической механики. Он также заложил основы оптики, небесной механики, гидродинамики, открыл и развил математический анализ.
XVIII–XIX века
В этот период сочетание технологического развития и его теоретического осмысления привело к выявлению коренных физических понятий (масса, энергия, импульс, атомы и т. д.) и открытию фундаментальных законов их взаимосвязи.
Некоторые достижения:
- Антуан Беккерель открыл радиоактивный распад.
- Пьер и Мария Кюри обнаружили существование в природе радиоактивных элементов и изучали их влияние на живые организмы.
- Эрнест Резерфорд создал модель атома и доказал, что он состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.
- Нильс Бор сформулировал постулаты для объяснения модели атома Резерфорда, используя понятие «квант света».
- Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции.
- Андре Мари Ампер разработал теорию молекулярных гальванических токов, объясняющую природу магнетизма.
- Генрих Герц экспериментально доказал существование электромагнитных волн и изучил их свойства. Он также доказал, что свет — разновидность электромагнитных волн.
XX век и современные революции в физике
В начале XX века была обнаружена ограниченность сферы применения классической физики. Появились теория относительности и квантовая физика.
Альберт Эйнштейн в 1905 году создал специальную теорию относительности, которая радикально изменила представления о пространстве и времени. В 1915 году он разработал общую теорию относительности, объясняющую гравитацию через искривление пространства-времени.
Макс Планк в 1900 году предположил, что электромагнитное излучение распространяется порциями — квантами. Это стало началом квантовой механики. В 1920-х годах усилиями нескольких физиков (Шрёдингера, Гейзенберга, Борна, Паули) были построены основные постулаты и правила квантовой механики.
Другие важные открытия:
- Луи де Бройль в 1924 году выдвинул гипотезу о корпускулярно-волновом дуализме, согласно которой любые волны — одновременно и частицы, а частицы — одновременно и волны.
- Открытие электрона, явления радиоактивности, атомного ядра в конце XIX века показало, что вещество имеет сложную структуру. Это привело к пересмотру классических представлений.
- Открытие высокотемпературной сверхпроводимости и развитие квантовой теории сверхпроводимости.
Современные тенденции
Во второй половине XX века основное внимание в физике было направлено на создание теорий, раскрывающих сущность и основания единства четырёх фундаментальных взаимодействий — электромагнитного, сильного, слабого и гравитационного. Эта задача одновременно является и задачей создания единой теории элементарных частиц.
Сегодня перед физиками остаётся множество нерешённых проблем, что стимулирует дальнейшее развитие науки.