Этот учебник создан на основе фундаментального курса физики Г. Я. Мякишева, Б. Б. Буховцева и Н. Н. Сотского для 10 класса. Вся научная основа — определения, законы, формулы, математические выводы, экспериментальные факты — полностью сохранена в соответствии с современной школьной физикой. Ни один закон природы не изменён.
Но переосмыслен сам язык изложения. Дело в том, что физика — это не просто набор формул и правил. Физика — это путь к пониманию того, как устроен мир. И то, какими словами мы говорим о природе, определяет и то, как мы её понимаем. Автор исходит из философского видения, в котором материальный мир со всеми его законами есть проявление единого Порядка, или, если говорить языком традиции, — воли Всевышнего.
Так родился этот текст — новый, оригинальный, написанный заново, но бережно несущий в себе всё научное содержание классического учебника.
Многие века длится познание человеком окружающего мира. Огромный труд вложен учёными прошлого в то, чтобы мы сегодня могли понимать, как устроена Вселенная. И немалый труд предстоит вложить каждому молодому человеку, желающему усвоить основы современной науки. Эти знания нужны не только инженеру или исследователю — они нужны каждому, кто управляет машинами, кто строит, кто лечит, кто учит. Потому что законы природы — это язык, на котором написано бытие. Чем лучше мы его понимаем, тем осмысленнее живём.
С самого рождения каждый из нас за первые годы жизни усваивает огромный объём физических знаний. Мы узнаём, что камень падает вниз, что огонь обжигает, что предметы могут быть твёрдыми и мягкими. Но эти житейские наблюдения — ещё не наука. Они говорят нам, что происходит в привычных условиях, но не отвечают на главные вопросы: почему это происходит именно так, а не иначе? Может ли событие не наступить вовсе? Что будет, если изменить условия?
Человеку всегда было необходимо понимать мир, чтобы использовать его законы для облегчения труда и улучшения жизни. Из этого стремления родилась наука.
Физика — это наука, изучающая самые глубокие и общие свойства материального мира. Она ищет те первоосновы, на которых держится всё сущее. Если говорить прямо, физика — это наука о Боге и Его проявлениях в материальном мире. Великий философ Бенедикт Спиноза выразил эту мысль с предельной ясностью: «Бог есть природа». Не в том смысле, что дерево или камень — это божество, а в том, что законы, по которым живёт и движется природа, — это и есть проявление Божественной воли. Порядок Вселенной, изучаемый физикой, — это и есть тот самый единый закон, который в религии называют промыслом, а в науке — физическим законом.
Каждое явление природы — будь то падение яблока или свечение звезды — подчиняется этим единым законам. Законы не придуманы человеком. Они существовали до нас и будут существовать после нас. Их можно только открыть. Изучая физику, человек учится читать те скрижали, на которых записано устройство материального мира, — а значит, познаёт волю Творца.
Сегодня физика тесно связана с астрономией, геологией, химией, биологией и другими естественными науками. Она даёт им не только объяснения, но и мощные методы исследования. Без физики невозможно представить ни современную медицину, ни энергетику, ни связь, ни освоение космоса.
Какими путями добывается научная истина? Несколько столетий назад были выработаны основы научного метода исследования. Если кратко, он состоит вот в чём.
Опираясь на опыт и наблюдения, учёный ищет количественные закономерности — то есть такие связи между величинами, которые можно записать на языке математики. Найденные закономерности проверяются практикой: если предсказание теории подтверждается экспериментом, значит, мы на верном пути. Если нет — теория должна быть пересмотрена.
Так, шаг за шагом, человечество уточняет своё понимание того единого порядка, который пронизывает всю Вселенную. Каждое открытие — это ещё один шаг к постижению Божественного замысла.
Всякое исследование начинается с наблюдения. Но чтобы описать происходящее, учёные вводят физические величины — скорость, силу, давление, температуру, электрический заряд и многие другие. Для каждой величины нужно точное определение, в котором указано, как её измерить.
Чаще всего определения физических величин уточняют и придают количественную форму тому, что мы и так воспринимаем органами чувств. Так вводят понятия силы, температуры и т. д. Но есть и величины, которые не даны нам в ощущениях напрямую, например, электрический заряд. Их определяют через другие величины, доступные чувствам: заряд узнают по силе взаимодействия между заряженными телами.
Каждое измерение — это наш диалог с природой. Мы задаём вопрос в виде опыта и получаем ответ в виде числа. И чем точнее вопрос, тем глубже ответ.
Чтобы из наблюдений сделать общие выводы, необходимо установить количественные связи между разными физическими величинами. Для этого условия, в которых протекает явление, изменяют целенаправленно — переходят от простого наблюдения к эксперименту.
Если менять всё сразу, закономерность уловить трудно. Поэтому в эксперименте стремятся проследить зависимость данной величины от изменения каждого условия по отдельности. Например, давление газа зависит от его массы, объёма и температуры. Чтобы понять эту зависимость, сначала изучают, как давление меняется с объёмом при неизменной температуре и массе. Затем — как зависит от температуры при постоянном объёме. И лишь сложив эти частные картины, получают полное понимание.
За каждой такой зависимостью стоит глубокая гармония. Природа не хаотична — она подчиняется стройной логике. И чем больше мы познаём эту логику, тем яснее видим, что мир устроен не случайно.
Когда количественные связи между величинами установлены, на их основе строят теорию. Теория объясняет частные закономерности с единой точки зрения. Но главная сила теории не только в объяснении. Теория позволяет предсказывать.
Дмитрий Иванович Менделеев, опираясь на открытый им Периодический закон, предсказал существование химических элементов, которые в его время никто не наблюдал. Джеймс Клерк Максвелл предсказал существование электромагнитных волн задолго до того, как они были обнаружены на опыте. Теория смотрит вперёд — и в этом её пророческая сила.
Человек, познавший законы природы, получает способность заглядывать в будущее. Не гадать, а предвидеть — потому что законы неизменны, и если они познаны, то их действие можно рассчитать наперёд. Именно эта способность предвидеть и есть один из величайших даров, который наука даёт человеку.
Любые изменения в природе подчиняются законам. Движение тел описывается законами механики, распространение света — законами оптики, тепловые явления — законами термодинамики. За каждым из этих законов стоит единая воля — воля Всевышнего, проявляющаяся через порядок материального мира.
Законы природы, в отличие от законов, определяющих жизнь общества, не изобретаются людьми. Они открываются в процессе исследования мира. Общественные законы люди могут изменить или отменить. Законы природы — нет. Мы можем познавать волю Бога бесконечно, можем подстраивать под неё свои действия, но изменить её — никак.
Мир устроен по единому плану. И физика — это язык, на котором этот план записан. Изучая физику, мы познаём не просто формулы. Мы познаём тот глубочайший порядок, который делает мир таким, каков он есть. И чем больше мы познаём, тем яснее видим: за каждой закономерностью стоит гармония, за каждой формулой — красота, а за каждой силой — единая, неизменная Божественная воля.