Современные концепции естествознания. Физика

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ  
Московский государственный строительный университет
Библиотека научных разработок и проектов НИУ МГСУ
Кафедра железобетонных и каменных конструкций
А.Н. Федосова, К.А. Модестов, Н.О. Марценюк
СОВРЕМЕННЫЕ КОНЦЕПЦИИ 
ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ. 
ФИЗИКА
Учебное пособие
Москва
Издательство МИСИ – МГСУ
2019

УДК 53
ББК 22.3
          Ф32
Рецензенты:
доктор физико-математических наук, профессор А.А. Локтев,  
заведующий кафедрой транспортного строительства  
Российского университета транспорта (МИИТ);
кандидат технических наук, доцент О.И. Поддаева, 
заведующая кафедрой физики и строительной аэродинамики  
Национального исследовательского Московского государственного 
строительного университета (НИУ МГСУ)
	
Федосова, А.Н.
Ф32	
	 Современные концепции естествознания. Физика : учебное 
пособие / А.Н. Федосова, К.А. Модестов, Н.О. Марценюк ; Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Национальный -
исследовательский Московский государственный строительный университет. — Москва : Издательство 
МИСИ – МГСУ, 2019. — 104 с.
ISBN 978-5-7264-2011-0
В данном пособии изложены как исторический аспект развития взглядов человека на природу, так и современные научные теории, формирующие физическую картину мира. Представлена эволюция научных 
представлений человечества об устройстве мира: от механицизма до 
корпускулярно-полевой картины мира.
Издание предназначено для обучающихся по направлению подготовки 38.03.10 Жилищное хозяйство и коммунальная инфраструктура.
УДК 53
ББК 22.3
ISBN 978-5-7264-2011-0	
©	 Национальный исследовательский 
	
	
Московский государственный  
	
	
строительный университет, 2019

Введение
Физика формирует основу естествознания, ведь ее цель — установление фундаментальных законов природы, поиск научных ответов на ключевые вопросы человечества о мироздании.
Время, пространство, материя, взаимодействие — основные физические понятия, представление о них рождает различные картины мира в умах человечества: от предсказуемости и фатализма до 
возможности существования параллельной Вселенной и изменения 
реальности силой мысли — ведь именно из физики берут начало 
различные модные философские учения.
В рамках данного курса будет освещена эволюция физических 
представлений о мире: от натурфилософии до современных научных теорий, расширяющих границы преставления человечества о 
мире и его сотворении.
3

Глава I 
ДВИЖЕНИЕ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ В ФИЗИКЕ
Современные представления о природе можно свести к движению и взаимодействию материи. Существуют четыре (или скорее 
три) типа взаимодействия.
Гравитационное взаимодействие (гравитация) было открыто первым. Понятие силы было введено именно для объяснения гравитации. На сегодняшний день это взаимодействие изучено менее 
других, поскольку является самым слабым.
Электромагнитное взаимодействие изучено лучше других. 
В 1895 году английский физик Дж. Максвелл в одной из своих фундаментальных работ показал, что электростатическое и магнитное 
взаимодействия имеют одинаковую природу, поэтому есть смысл 
говорить об электромагнитном взаимодействии. Электрический 
заряд является квантовой характеристикой электромагнитного взаимодействия, и квантовая электродинамика хорошо описывает его 
свойства, все предсказанные ею явления надежно подтверждаются 
экспериментом.
Сильное взаимодействие является ответственным за устойчивость 
ядер, а также объясняет внутреннюю структуру нуклонов.
Слабое взаимодействие отвечает своему названию, так как его 
интенсивность слабее, чем у электромагнитного взаимодействия. 
Оно было открыто в процессе изучения β-распада, дальнейшие исследования показали, что оно является причиной распадов многих 
частиц. Принципиальным открытием является тот факт, что слабое 
и электромагнитное взаимодействия являются проявлением единого типа взаимодействия, которое называется электросиловым.
1. Гравитационное взаимодействие
1.1. Натурфилософский этап
Начало развития теории гравитации можно отнести к временам 
древнегреческих ученых, которые первыми (из тех, чьи труды дошли до нас) пытались объяснить первоначало всех вещей. Важной 
особенностью взглядов большинства философов является их убежденность в том, что мир существует сам по себе и он непрерывно 
4

меняется. Изменение мира проявляется прежде всего в таком важном явлении, как механическое движение. Объяснение причин того 
или иного движения было краеугольным камнем учений многих 
философов.
Наиболее полный анализ причин и видов движения сделал Аристотель в своем труде «Физика». Согласно Аристотелю мир делится на подлунный и надлунный. В надлунном мире совершается 
вечное, неизменное и непрерывное движение Солнца, Луны и небесного свода со звездами. Другой вид движения — прямолинейное 
движение — присущ подлунному миру, и это движение не может 
быть вечным, так как мир конечен. Для движения по горизонтальной поверхности любое тело нужно тянуть или толкать: «все движущееся приводится в движение чем-нибудь…». С гносеологической точки зрения учение Аристотеля о движении является тупиковым: он считал, что человек может изучить движение только в 
подлунном мире, который его, собственно, окружает и частью которого он является. А законы надлунного мира являются для человека недоступными. Таким образом, природа движения тел на земле отличается от природы движения планет, звезд и других космических тел. Такая точка зрения вполне устраивала церковные 
власти, поэтому учение Аристотеля было официально признанным 
в течение почти 2000 лет.
1.2. Гелиоцентрическая система
Следующим ученым, который внес существенный вклад в развитие научных представлений об окружающем мире, был Николай 
Коперник. Система Птолемея казалась Копернику чересчур сложной и громоздкой. Он понимал, что гармония требует более простого описания, чем теория Птолемея с ее нагромождением кругов. 
Идея Коперника, изложенная в книге «О вращении небесных 
сфер», основана на простой смене системы отсчета. С точки зрения 
математики, гелиоцентрическая система обладает тем неоспоримым преимуществом, что в ней движения всех небесных светил 
объясняются более простыми и понятными законами. Но это, по 
сути, геометрическое упрощение системы мира вызвало огромное 
раздражение церковных властей, которое имело довольно серьезное 
и продолжительное действие. Как и ожидал Коперник, его учение 
5

получило суровое осуждение, так как прямо противоречило тексту 
Библии, поскольку переносило человека из центра Вселенной на 
одну из планет, обращающихся вокруг светила. Католическая церковь известила верующих, что коперниканская ересь «преисполнена более злонамеренной клеветой, более отвратительна и более 
пагубна для христианского мира, нежели все, что содержится в сочинениях Кальвина, Лютера и всех других еретиков, вместе взятых». 
Близкие друзья Коперника, которых он знакомил с результатами 
своих исследований, долгое время настаивали на необходимости 
публикации его работ, и он, наконец, согласился на публикацию 
своей книги. Первый экземпляр напечатанной книги был доставлен в день смерти Коперника.
Постепенно теория Коперника стала завоевывать место в умах 
ученых, так как она оказалась более удобной не только в практическом смысле (навигация, построение календаря), но в философском: считается, что в ней был положен принцип однородности 
Вселенной. Консерватизм и религиозное послушание расходились 
со здравым смыслом не только в вопросах астрономии, на математиков и астрономов произвела сильное впечатление простота новой 
теории. Особенно это стало очевидно в работах Кеплера.
Одним из самых последовательных и весьма авторитетных сторонников гелиоцентрической системы был Галилео Галилей. Великий итальянский ученый первый с помощью зрительной трубы, 
изобретенной в Г
олландии, сконструировал телескоп и использовал 
его для систематических астрономических наблюдений. Основные 
исследования были Г
алилеем опубликованы в книге «Диалог о двух 
главнейших системах мира — птолемеевой и коперниковой» с разрешения папы Урбана VIII, который считал, что новая теория обречена и даже великий Галилей не сможет доказать ее истинность. 
В «Диалоге» Галилей должен был изложить обе теории беспристрастно, указывая на достоинства и недостатки в обеих системах. 
Однако в изложении Г
алилея гелиоцентрическая система обладала 
очевидными преимуществами перед старой общепринятой системой, что стало поводом привлечь ученого к суду инквизиции. 
И только перед угрозой пытки он вынужден был отречься от теории 
Коперника, заявив: «Ложность коперниканской системы не вызывает сомнений, особенно у нас, католиков». В 1633 году «Диалог 
о двух главнейших системах мира» был внесен в «Индекс запре6

щенных книг», лишь в 1992 году римский папа Иоанн Павел II 
признал преследования Галилея несправедливыми и снял с него 
все обвинения в ереси.
Галилей был не только выдающимся приверженцем и защитником гелиоцентрической системы, но он также предложил свою 
философию естествознания.
Галилеем был предложен четкий план изучения природы, состоящий из четырех пунктов: 1) необходимость количественного 
описания физических явлений; 2) выделение принципиальных 
свойств явлений и их измерение. Количественно выраженные свойства будут переменными величинами в формулах; 3) дедуктивное 
построение физики; 4) изучение любого явления предполагает его 
идеализацию.
Достижения Г
алилея в механике весьма существенны. Он открыл 
закон инерции и сформулировал принцип относительности в механике, который был обобщен А. Эйнштейном в общей теории относительности. Его многочисленные опыты по изучению равноускоренного движения позволили ему дать четкое определение 
такого движения и вывести зависимость скорости и пути от времени в этом движении. Более того, Галилей доказал, что свободно 
падающее тело движется с постоянным ускорением, а тело, брошенное под углом к горизонту, будет двигаться по параболе.
Галилей впервые показал, что период колебаний математического маятника зависит лишь от длины подвеса и не зависит от 
амплитуды при малых углах отклонения.
Весьма замечательной была попытка Галилея определить скорость света в земных условиях. И хотя она закончилась неудачей, 
но сама попытка доказательства конечности скорости света является прогрессивным шагом ученого.
Гений Г
алилея заключается в том, что он «всю жизнь читал открытую для всех великую книгу природы» и тем самым сумел подготовить почву для своих великих продолжателей.
1.3. Механика Ньютона
Дело жизни итальянского ученого получило свое продолжение 
и блестящее завершение в трудах другого не менее гениального ученого — Исаака Ньютона.
7

Известность профессору Кембриджского университета принесла его работа «Математические начала натуральной философии», 
опубликованная в 1687 году. При жизни Ньютона его блестящий 
труд выдержал три издания и стал широко известен не только в научных кругах, но и всем просвещенным людям того времени.
Наукой Ньютон занимался в молодые годы и преуспел во многих ее областях. Но следует особо отметить его философский подход к изучению природы и его применение в работе над законом 
всемирного тяготения. Философия Ньютона была продолжением 
программы Г
алилея: законы природы, которые описывают наблюдаемые явления природы, необходимо записывать на строгом математическом языке. Такая трактовка позволяет строить эксперимент, который будет решающей проверкой для математически изложенного закона природы. В случае его успешного подтверждения 
дальнейшие рассуждения должны приводить к открытию новых 
явлений природы и их закономерностей.
Как широко известно, Ньютон хотел познать план сотворения 
мира Создателем, но осознавал, что за многочисленными явлениями можно не увидеть четкого механизма.
Неоспоримым достижением Ньютона можно считать открытие 
единых законов природы, которые справедливы для движения как 
земных, так и небесных тел.
Ньютон показал, что сила тяготения между любыми двумя телами определяется формулой
1
2
=
	
(1)
2
,
m m
F
G
r
	
где F — сила тяготения; m1 и m2 — массы тел; r — расстояние между ними; коэффициент G одинаков для всех тел.
Современник Ньютона Р
. Гук открыл этот закон для движения 
планет раньше Ньютона, что было предметом спора между учеными, который привел их к взаимной неприязни.
В своих «Началах» Ньютон сформулировал три закона движения, 
которые должны были стать прочным фундаментом для исследования движения земных и небесных тел. Ныне эти законы известны как законы Ньютона, хотя авторами первого и второго законов 
были Г
алилей и Декарт.
8

Первый закон Ньютона
Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя 
или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно 
не понуждается приложенными силами изменить это состояние.
Второй закон Ньютона
Изменение количества движения пропорционально приложенной 
движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой 
эта сила действует.
Третий закон Ньютона
Действию всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе — взаимодействие двух тел друг на друга между собою 
равны и направлены в противоположные стороны.
Ньютон дополнил эти законы законом всемирного тяготения, 
который был им обобщен как универсальный закон, применимый 
ко всем телам во Вселенной.
Следующая и главная проблема, которую пытался разрешить 
Ньютон — это природа тяготения, и здесь его ждала неудача. Он 
признавал: «До сих пор я изъяснял небесные явления и приливы 
наших морей на основании силы тяготения, но я не указывал причины самого тяготения… Причину же этих свойств силы тяготения 
я до сих пор не мог вывести из явлений, гипотез же я не измышляю.
В такой философии предложения выводятся из явлений и обобщаются с помощью наведения… Довольно того, что тяготение на 
самом деле существует и действует согласно изложенным нами законам, и вполне достаточно для объяснения всех движений небесных тел и моря».
Удивительный и бесконечный порядок в движении планет и 
других небесных тел был поистине непостижимым настолько, что 
великий ученый склонялся к наличию гениального плана Создателя, который и поддерживает созданный им мир упорядоченным.
Доньютоновская механика была опутана предрассудками, заложенными еще версией Аристотелем о существовании надлунного и подлунного миров. Исследования Галилея и Ньютона сняли 
завесу мистики с небесного движения и показали, что планеты, 
капли дождя и снаряды движутся по одним и тем же физическим 
9

законам. Эти законы формулируются математическим языком, что 
позволяет сделать однозначный вывод, что законы природы — математические, поэтому познаваемы человеческим разумом. Природа тел — небесных и земных — одинакова, поэтому идеальность 
небесного и несовершенство земного не более, чем предрассудок.
Но открытие количественных законов взаимодействия и движения тел во Вселенной не способствовало пониманию физической 
сущности гравитации. Со временем ученые смирились с полезностью этого понятия и долгое время ее воспринимали как реальную 
физическую силу.
Постоянство скорости света как экспериментально доказанный 
факт был в противоречии с другим опытным фактом — независимостью законов физики от выбора инерциальной системы отсчета. 
Следствием из классических законов было правило сложения скоростей, которое, по сути, не распространялось на скорость света.
1.4. Теория относительности Эйнштейна
Был этот мир глубокой тьмой окутан. 
Да будет свет! И вот явился Ньютон. 
Но сатана недолго ждал реванша. 
Пришел Эйнштейн — и стало все, как раньше. 
(С. Маршак)
Теория относительности (ТО) Эйнштейна состоит из специальной теории относительности (СТО) и общей теории относительности (ОТО).
1.4.1. Специальная теория относительности
Специальная теория относительности родилась из противоречия 
между механикой Ньютона и электродинамикой Максвелла, к началу XX века правильность теории электродинамики Максвелла 
сомнений не вызывала, однако неприменимость правила сложения 
скоростей из механики к уравнениям Максвелла все еще оставалась 
нерешенной проблемой физики.
Несмотря на это, среди физиков рубежа XIX–XX века царило 
уныние: считалось, что почти все законы уже открыты. В научном 
фольклоре сохранилась история о физике, объявившем в конце 
10