§ 6. Физика и её влияние на развитие техники

совокупность материальных средств, орудий, машин, механизмов и приспособлений, создаваемых человеческим обществом для преобразования природы, облегчения физического труда и удовлетворения жизненных потребностей.

• 1. Эволюция техники — исторический путь от простейших каменных орудий первобытного человека и выплавки бронзы до тепловых двигателей, электростанций, вычислительной техники и орбитальных космических комплексов.
• 2. Роль физических законов — подлинно революционный взлёт техники начался тогда, когда практическая деятельность людей стала опираться на строгие теоретические законы физики, а не на слепой эмпирический опыт.

непрерывный процесс диалектического взаимодействия науки и производства, при котором развитие фундаментальной физики определяет научно-технический прогресс, а создаваемая техника даёт физике принципиально новые экспериментальные возможности.

• 1. Прямое влияние физики на технику — открытие физических явлений и законов создаёт целые новые отрасли промышленности (законы механики и термодинамики породили паровые машины, автомобилестроение и авиацию; теория электромагнетизма — радиовещание, телевидение, сотовую связь; ядерная физика — атомную энергетику).
• 2. Обратное влияние техники на физику — развитие инженерной техники снабжает физиков мощными исследовательскими установками и приборами (электронные микроскопы, лазерные интерферометры, ускорители частиц, космические телескопы, суперкомпьютеры для обработки больших массивов данных).

великие естествоиспытатели, заложившие основы современного научно-технического прогресса:

• 1. Архимед (287–212 до н. э.) — древнегреческий учёный и инженер, открыл закон гидростатики (закон плавания тел), сформулировал правила рычага и блоков, создал метательные и подъёмные машины.
• 2. Клавдий Птолемей (ок. 100 — ок. 170) — древнегреческий астроном и математик, создатель геоцентрической теории движения планет, позволявшей с высокой точностью рассчитывать затмения и положения планет на столетия вперёд.
• 3. Леонардо да Винчи (1452–1519) — итальянский мыслитель, художник и выдающийся инженер-экспериментатор, исследовал полёт птиц, трение, законы оптики и спроектировал множество технических аппаратов (парашют, вертолёт, шлюзы).
• 4. Галилео Галилей (1564–1642) — итальянский физик и астроном, основоположник экспериментального естествознания, открыл законы инерции, свободного падения тел и изохронизма колебаний маятника; впервые направил телескоп в космос, открыв спутники Юпитера, горы на Луне и пятна на Солнце.
• 5. Исаак Ньютон (1643–1727) — английский физик и математик, создатель классической механики, открыл три фундаментальных закона движения тел и закон всемирного тяготения, заложил основы волновой и геометрической оптики.
• 6. Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) — британский физик-теоретик, создал строгую теорию электромагнитного поля, предсказал существование электромагнитных волн и доказал, что свет имеет электромагнитную природу.

отрасль науки и техники, обеспечивающая полёты в космическое пространство с помощью искусственных космических аппаратов; высшее историческое достижение синтеза физики и машиностроения.

• 1. Теоретический фундамент — опирается на законы механики Ньютона, закон всемирного тяготения и физику реактивного движения.
• 2. Отечественные триумфы космонавтики — запуск первого в истории искусственного спутника Земли (4 октября 1957 г.), первый космический полёт Юрия Алексеевича Гагарина на корабле «Восток» (12 апреля 1961 г.), первый выход человека в открытый космос Алексея Архиповича Леонова (18 марта 1965 г.).
• 3. Вклад С. П. Королёва — Сергей Павлович Королёв (1907–1966), выдающийся советский учёный и Генеральный конструктор, под руководством которого были созданы первые межконтинентальные баллистические ракеты, спутники и пилотируемые космические корабли.

научные направления, возникшие благодаря применению физических методов исследования к объектам других дисциплин:

• 1. Биофизика — изучает физические механизмы функционирования живых систем (например, рентгеноструктурный анализ помог открыть структуру двойной спирали ДНК).
• 2. Геофизика — исследует физическое строение земных недр, причины землетрясений, океанических течений и динамику атмосферы.
• 3. Астрофизика — изучает физическую природу, спектры излучения и эволюцию звёзд, квазаров и чёрных дыр.
• 4. Физические методы в гуманитарных науках и медицине — метод радиоуглеродного датирования в археологии и геологии; магнитно-резонансная томография (МРТ), рентгенодиагностика, ультразвук (УЗИ) и лазерная хирургия в медицине.

фундаментальные научные проблемы, сформулированные академиком и лауреатом Нобелевской премии В. Л. Гинзбургом (1916–2009), определяющие технологическое будущее цивилизации:

• 1. Управляемый термоядерный синтез — овладение энергией слияния лёгких ядер (аналогично процессам на Солнце) для получения экологически чистой и практически неисчерпаемой энергии.
• 2. Высокотемпературная сверхпроводимость — создание проводников со строго нулевым электрическим сопротивлением при комнатной температуре для безызносной передачи энергии и магнитной левитации поездов.
• 3. Металлический водород — перевод жидкого или газообразного водорода под колоссальным давлением в кристаллическое металлическое состояние, способное стать уникальным ракетным топливом и комнатным сверхпроводником.

Древнегреческий учёный, механик и инженер, один из основоположников теоретической механики и гидростатики, открывший фундаментальные законы равновесия тел и плавания в жидкостях.

• Первым в истории науки детально исследовал и сформулировал закон гидростатики (закон плавания тел), устанавливающий равенство выталкивающей силы весу вытесненной жидкости.
• Его научные труды и фундаментальные исследования в области гидростатики оставались непревзойдёнными и практически актуальными на протяжении более восемнадцати веков.
• Заложил основы практической механики, строго обосновал закон равновесия рычага и создал ряд гениальных инженерных механизмов, включая бесконечный подъёмный винт и полиспасты.

Древнегреческий астроном, математик, географ и физик римской эпохи, создатель геоцентрической системы мира и математической теории движения небесных тел.

• Разработал математическую теорию движения планет, которая позволяла с высокой точностью рассчитывать видимые положения планет, а также солнечные и лунные затмения на 100–200 лет вперёд.
• Внёс фундаментальный вклад в развитие античной физики, математики, оптики и географии, составив подробный свод астрономических знаний того времени в своём трактате «Альмагест».
• Его геоцентрическая модель Вселенной служила общепринятым теоретическим базисом для морской навигации, картографии и астрономических вычислений на протяжении почти полутора тысячелетий.

Великий итальянский живописец, скульптор, архитектор, учёный-энциклопедист и гениальный инженер эпохи Возрождения, ставший одним из первых естествоиспытателей-экспериментаторов в истории европейской науки.

• Одним из первых в истории естествознания провозгласил эксперимент и практический опыт главным методом научного познания законов материального мира.
• Глубоко исследовал законы механики, трение качения и скольжения, сопротивление материалов, гидродинамику и аэродинамику полёта птиц.
• Спроектировал множество революционных инженерных устройств и механизмов, опередивших своё время: парашют, прототип вертолёта, арочные мосты и гидравлические шлюзы.

Выдающийся итальянский физик, механик, астроном и философ, основоположник экспериментального естествознания, совершивший революцию в физических представлениях о движении тел.

• Утвердил опыт и количественный физический эксперимент в качестве единственной надёжной основы познания природы, опровергнув умозрительную физику Аристотеля.
• Экспериментально установил закон инерции, открыл закон свободного падения тел и заложил математические основы теории механических колебаний маятника.
• Впервые использовал оптическую зрительную трубу для научных астрономических наблюдений, обнаружив кратеры и горы на Луне, пятна на Солнце и спутники Юпитера.

Великий английский физик, математик, механик и астроном, создатель классической механики и основоположник единой механической картины мира.

• Обобщил и продолжил экспериментальные исследования Галилея, сформулировав три фундаментальных закона динамики и создав стройную систему классической механики.
• Открыл фундаментальный закон всемирного тяготения, объединивший земную и небесную механику единой математической формулой гравитационного притяжения.
• Заложил основы физической оптики, исследовал явление дисперсии света с помощью призмы и разработал важнейшие разделы высшей математики — дифференциальное и интегральное исчисление.

Выдающийся британский физик-теоретик и математик, создатель классической электродинамики и теории электромагнитного поля, предсказавший существование радиоволн.

• Создал фундаментальную теорию электромагнитного поля, объединившую разрозненные законы электричества и магнетизма в единую математическую систему уравнений.
• Теоретически предсказал существование в свободном пространстве электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света, что открыло человечеству эпоху радиосвязи, телевидения и интернета.
• Его электромагнитная теория позволила объяснить природу света и стала мощным научным стимулом для стремительного ускорения научно-технического прогресса в XIX–XX веках.

Выдающийся советский учёный, инженер-конструктор и академик АН СССР, основоположник практической космонавтики и главный конструктор первых ракетно-космических систем.

• Под его непосредственным научным и инженерным руководством 4 октября 1957 года был выведен на околоземную орбиту первый в истории искусственный спутник Земли.
• Руководил проектированием и созданием первых пилотируемых космических кораблей «Восток» и «Восход», обеспечив триумфальный первый полёт человека в космос 12 апреля 1961 года.
• Разработал инженерные принципы и аппаратуру для первого в истории выхода человека в открытый космос, доказав возможность практического освоения внеземного пространства.

Выдающийся российский и советский физик-теоретик, академик РАН, лауреат Нобелевской премии по физике за пионерский вклад в теорию сверхпроводимости и сверхтекучести.

• Сформулировал знаменитый список из 30 ключевых фундаментальных проблем современной физики и астрофизики, определяющих генеральное направление развития науки в XXI веке.
• Особо выделил среди первоочередных научно-технических вызовов управляемый термоядерный синтез, создание высокотемпературных сверхпроводников и получение металлического водорода.
• Внёс выдающийся теоретический вклад в феноменологическую теорию сверхпроводимости (теория Гинзбурга — Ландау), астрофизику космических лучей и физику распространения радиоволн в плазме.

Физика является фундаментальной научной основой всего современного технического прогресса. Практически любое техническое изобретение представляет собой практическое воплощение открытых физических явлений и законов:

• Открытие законов превращения теплоты в механическую работу привело к созданию паровых машин, двигателей внутреннего сгорания, дизелей, паровых и газовых турбин, на которых базируется весь современный транспорт и теплоэнергетика;
• Открытие законов электромагнетизма (Фарадей, Максвелл) легло в основу создания генераторов электрического тока, электродвигателей, линий электропередачи, освещения, радио, телевидения, радиолокации и систем мобильной связи;
• Исследование законов оптики и квантовой физики позволило изобрести оптические микроскопы, телескопы, лазеры, оптоволоконные линии скоростного интернета и фотоэлементы для солнечных батарей;
• Изучение физики полупроводников сделало возможным создание транзисторов, микропроцессоров, компьютеров, смартфонов и современной микроэлектроники;
• Законы механики и аэродинамики позволили построить сверхзвуковые самолёты, вертолёты, скоростные поезда и океанские суда.

Имена выдающихся учёных и их важнейшие открытия:

• Архимед (Древняя Греция, III в. до н. э.) — открыл закон плавания тел в жидкости (закон Архимеда), сформулировал закон равновесия рычага и создал практические механизмы (винт Архимеда, полиспасты);
• Клавдий Птолемей (Древняя Греция, II в. н. э.) — разработал подробную математическую геоцентрическую теорию движения планет, позволявшую рассчитывать орбиты небесных тел и затмения на столетия вперёд;
• Леонардо да Винчи (Италия, XV–XVI вв.) — исследовал трение, законы гидравлики и сопротивления материалов, спроектировал летательные и подъёмные машины;
• Галилео Галилей (Италия, XVI–XVII вв.) — открыл закон инерции, закон свободного падения тел (все тела падают с одинаковым ускорением независимо от массы), постоянство периода колебаний маятника, открыл горы на Луне и спутники Юпитера;
• Исаак Ньютон (Англия, XVII–XVIII вв.) — сформулировал три основных закона классической динамики, закон всемирного тяготения, объяснил движение планет и приливы, открыл дисперсию белого света в призме;
• Джеймс Клерк Максвелл (Великобритания, XIX в.) — создал единую теорию электромагнитного поля, математически предсказал существование электромагнитных волн и их распространение со скоростью света;
• Сергей Павлович Королёв (СССР, XX в.) — выдающийся учёный и Генеральный конструктор ракетно-космических систем, под руководством которого запущен первый спутник Земли (1957) и осуществлён полёт Юрия Гагарина в космос (1961);
• Виталий Лазаревич Гинзбург (Россия, XX–XXI вв.) — физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии по физике, автор теории сверхпроводимости и сверхтекучести, сформулировал ключевые проблемы физики будущего.

Развитие техники оказывает мощное обратное стимулирующее влияние на развитие науки, вооружая учёных уникальными приборами и экспериментальными установками:

• Создание электронных и атомно-силовых микроскопов позволило физикам, химикам и биологам непосредственно наблюдать отдельные атомы, кристаллическую решётку веществ и строение живых клеток (структуру ДНК);
• Создание оптических и радиотелескопов, а также вывод орбитальных телескопов (например, «Хаббл», «Джеймс Уэбб») с помощью ракетной техники позволили астрофизикам заглянуть в самые дальние уголки Вселенной, обнаружить экзопланеты и подтвердить теорию Большого взрыва;
• Развитие вакуумной техники и криогенных установок позволило охладить вещество почти до абсолютного нуля и открыть явления сверхпроводимости и сверхтекучести;
• Изобретение мощных лазеров дало возможность проводить сверхточные интерферометрические измерения, управлять отдельными атомами в квантовых ловушках и исследовать термоядерные реакции;
• Развитие компьютерной техники и суперкомпьютеров позволило моделировать поведение сложных климатических систем, проводить расчёты элементарных частиц на Большом адронном коллайдере и обрабатывать терабайты астрофизических данных.