Введение

Естествознание есть совокупность наук об основных свойствах материи, о видах материи, которые входят в состав любых сложных материальных систем; о взаимодействиях этих видов материи и их движении. Понятие «материя» выражает признание объективной реальности мира и является предельно широким понятием, охватывая все известные (и пока неизвестные) формы проявления материи в неживой природе – от звезд до элементарных частиц, в живой природе – от неклеточных форм до человека, а также в материальной жизни общества. Естественные науки имеют в качестве предмета своего изучения различные формы проявления материи в живой и неживой природе.

Физика (от греч. φύσις – природа) представляет собой в широком смысле слова науку о природе, т.е. естествознание. Вплоть до ХVII века физика и изучала природу в целом. По мере накопления фактического материала с необходимостью произошла дифференциация: из физики как общей науки о природе («натуральной философии» по Ньютону) выделились такие частные науки, как астрономия, механика, химия и т.д. На современном этапе продолжается дальнейший процесс разделения физики: возникли био-, гео-, астрофизика, химическая физика и т.п. (разумеется, «границы» между ними, как и во всякой классификации, являются условными).

С той поры физика изучает лишь неживую природу. Современная физика исследует два основных вида материи: 1) вещество в виде элементарных частиц, ядер, атомов, молекул, твердых, жидких и газообразных тел, плазмы, вакуума; 2) поле – электромагнитное, гравитационное, ядерное. физика изучает наиболее общие формы существования материи – пространство и время, а также наиболее общие формы ее движения (механическое, волновое, квантовое движения и другие, возможно еще не открытые).

К особым видам материи относят и физический вакуум. Современная физика допускает возможность возникновения вещества из вакуума: гравитационное поле черной дыры может рождать из вакуума частицы. При этом подразумевается, что вакуум – это особое состояние материи. Например, вакуум электромагнитного поля – такое его состояние, в котором нет фотонов. Отсутствует вещество, так существует поле, нет поля – есть его физический вакуум. «Пустого» пространства не существует в природе. Пространство без материи не существует, ибо оно – одна из форм бытия материи.

Сущность физического подхода при анализе сложных явлений природы состоит в выделении главных, существенных факторов и отбрасывании второстепенных, т.е. построении абстрагированной физической модели явления.

На основе физической модели устанавливаются количественные связи между различными физическими величинами – физические законы. Они имеют, как правило, лишь приближенный смысл и ограниченную сферу применения (так называемые частные законы – Ома, Гука и т.п.); лишь очень небольшое число законов (например, закон сохранения энергии) соблюдается во всех явлениях – такие законы называются фундаментальными.

Физика является наукой экспериментальной и все свои законы строит на основе систематического и планомерного накопления и тщательной обработки анализа наблюдений (правда, история физики богата и «случайными» открытиями, логически подготовленными всем ходом развития физики – рентгеновские лучи, радиоактивность и т.п.). Поэтому неудивительно, что физические законы и основанные на них теории не имеют абсолютного смысла, а являются лишь ступенями к познанию объективной истины (например, развитие механики от Аристотеля к Галилею и Ньютону и далее к Эйнштейну). Это не значит, разумеется, что «старые» законы неверны – они лишь обнаруживают границы своей применимости по мере усовершенствования средств наблюдения в общего технического прогресса, расширяющего доступный диапазон физических величин.

Физика является точной наукой, так как данные измерений представляются в виде чисел, и любая оценка имеет смысл, ecли указан масштаб сравнения; кроме того, все физические выводы записываются в виде формул, отсюда неразрывная связь физики с математикой. Как писал Эйнштейн, физика есть та часть естествознания, которая может быть выражена языком математических формул. В ряде случаев чисто математические следствия, вытекающие из формулировки физических законов, приводят к предсказанию новых физических фактов, позднее проверяемых в эксперименте (например, открытие ряда планет, элементарных частиц и т.п.).

Процесс дифференциации естественных наук по предмету исследования диалектически неизбежно сопровождается процессом их интеграции по методу исследования: он все в большей степени становится физическим как с точки зрения мощных экспериментальных средств, так и с точки зрения широкого применения физического подхода в ранее полуописательных науках (например, расшифровка генетического кода в биологии с помощью ренггеноструктурного анализа ДНК).

На современном уровне развития наук о природе можно считать, что физика опять становится общей наукой о природе, ядром и лидером естествознания. Можно сказать и иначе: поскольку формы материи, движения и взаимодействия встречаются в любых материальных системах (в живой и неживой природе), физика, благодаря прогрессирующей интеграции естественных наук, является основой естествознания. Именно то, что объекты физического познания, которые сами относятся к различным уровням организации материи, входят в той или иной степени в состав любых сложных материальных систем, обуславливает особую роль физики относительно других наук.

* * *

О целях физики и физиков А. Эйнштейн говорил: «Если говорить честно, мы хотим не только знать, как устроена природа,... но и, по возможности, достичь цели утопической и дерзкой на вид – узнать, почему природа является именно такой. В этом учении находят наивысшее удовлетворение. В этом состоит прометеевский элемент научного творчества».

Механика – раздел физики, в котором изучается механическое движение материальных тел и проходящие при этом взаимодействия между ними. Наиболее простой формой движения материи является механическое движение. Под механическим движением понимают изменение с течением времени взаимного расположения тел или их частей в пространстве. Рассматриваемые в механике взаимодействия представляют собой те действия тел друг на друга, результатом которых является изменение состояния движения этих тел или их деформация. Сами взаимодействия описываются законами, получаемыми опытным путем и находящими обоснования в других разделах физики.

Механическое движение, происходящее со скоростью, значительно меньшей скорости света в вакууме (с = 3·10⁸ м/с), описывается механикой Галилея – Ньютона. Движение со скоростями v, близкими к скорости света, есть предмет релятивистской механики, базирующейся на специальной теории относительности Эйнштейна. По современным представлениям механика Галилея – Ньютона и механика Эйнштейна представляют собой классическую механику. Квантовая механика изучает движение частиц в микромире. Как будет показано ниже, механика Галилея – Ньютона есть предельный случай релятивистской механики при v << с и предельный случай квантовой механики при ħ 0 (где ħ – постоянная Планка).

Механическое движение, как и движение материи в целом, происходит в пространстве и во времени. Поэтому в первую очередь необходимо ознакомиться с их свойствами.