Реферат на тему «Связь физики с другими науками»

Введение

Физика изучает наиболее общие свойства материи и законы её движения, поэтому её понятия и методы входят почти во все естественные науки. Химик рассчитывает энергию связи по законам квантовой механики, геолог определяет возраст пород по радиоактивному распаду, а врач ставит диагноз по снимку МРТ, основанному на ядерном магнитном резонансе. Р. Фейнман в своих лекциях называл физику основой, на которой построены остальные естественные науки [1].

В XX в. на стыке физики и других дисциплин сложились самостоятельные науки: химическая физика, биофизика, астрофизика, геофизика и медицинская физика. Работы в этих областях отмечались Нобелевскими премиями не только по физике, но и по химии и медицине. Так, Н. Н. Семёнов получил премию по химии 1956 г. за теорию цепных реакций, а П. Лаутербур и П. Мэнсфилд в 2003 г. были удостоены премии по физиологии и медицине за магнитно-резонансную томографию [6].

Объект исследования в реферате – физика как фундаментальная естественная наука, предмет – её связи с химией, биологией, астрономией, географией, медициной и техникой. Цель работы состоит в том, чтобы показать, какие понятия, законы и методы физики используются в других науках и как они повлияли на их развитие. Для этого рассматриваются межпредметные понятия и законы физики, сравниваются методы исследования в физике и смежных науках, а затем приводятся примеры практического применения физических знаний.

Основные дисциплины, возникшие на границе физики и других областей знания, перечислены в таблице 1. В работе использованы учебная литература, «Физическая энциклопедия» и материалы Нобелевского комитета, а числовые значения физических величин приведены по справочным данным.

Таблица 1 – Науки на стыке физики и других областей знания

Примечание – Составлено автором по [1; 2; 6].

Глава 1. Связь физики с другими науками

1.1 Основные понятия и законы физики

Для других наук особенно важны такие понятия физики, как энергия, масса, сила, поле, волна, температура и давление. Они вошли в язык химии, биологии, географии и техники почти без изменений. Химик говорит об энергии активации, биолог – о мембранном потенциале, климатолог – об энергетическом балансе атмосферы, и все они пользуются единицами Международной системы, установленными физиками.

Хорошим примером служит химическая термодинамика. Уже в школьном курсе тепловой эффект реакции рассчитывают по закону, который сформулировал в 1840 г. академик Петербургской академии наук Г. И. Гесс: теплота реакции не зависит от промежуточных стадий. Позднее этот закон стали выводить из I начала термодинамики, а возможность самопроизвольного протекания реакции химики оценивают по II началу, через изменение энергии Гиббса [2].

В биологию термодинамика пришла несколько позже. Р. Линдеман в статье 1942 г. в журнале Ecology описал пищевую цепь как поток энергии, который на каждом звене теряет около 90 %. Э. Шрёдингер в книге «Что такое жизнь?» (1944) показал, что живой организм не нарушает II начало термодинамики, поскольку представляет собой открытую систему и отдаёт энтропию во внешнюю среду [3].

Связь механики с астрономией особенно ярко проявилась в истории открытия Нептуна. У. Леверье рассчитал положение неизвестной планеты по возмущениям орбиты Урана, опираясь на закон всемирного тяготения, и 23 сентября 1846 г. И. Галле обнаружил её в Берлинской обсерватории менее чем в одном градусе от вычисленной точки. Этот случай принято считать одним из самых убедительных подтверждений предсказательной силы механики Ньютона.

Химия получила физическое обоснование своих основ в начале XX в. Периодический закон Д. И. Менделеева удалось объяснить после открытия атомного ядра Э. Резерфордом (1911), создания модели атома Н. Бора (1913) и опытов Г. Мозли, показавших, что порядковый номер элемента равен заряду ядра. Расчёт молекулы водорода, выполненный В. Гайтлером и Ф. Лондоном в 1927 г., положил начало квантовой химии.

Даже теория относительности имеет прямое практическое значение. Часы на спутниках GPS и ГЛОНАСС находятся в более слабом поле тяготения и движутся со скоростью около 3,9 км/с, поэтому в сумме уходят вперёд примерно на 38 мкс в сутки. Если бы эту поправку не учитывали, ошибка определения координат нарастала бы примерно на 10 км за сутки.

1.2 Методы исследования в физике и смежных науках

Схема научного исследования, включающая наблюдение, гипотезу, модель и эксперимент, сложилась в работах Г. Галилея и И. Ньютона и затем была воспринята химией, физиологией и науками о Земле. Обязательный её элемент – измерение с оценкой погрешности. Результат, приведённый без погрешности, в физике не считается проверяемым, и это требование постепенно распространилось на другие точные науки.

Многие физические приборы стали основными инструментами других наук. Микроскоп, телескоп, спектроскоп Г. Кирхгофа и Р. Бунзена (1859), рентгеновский аппарат (1895), масс-спектрометр и электронный микроскоп были созданы физиками, а применяются в биологии, химии, медицине и криминалистике. Спектральный анализ, например, позволил установить химический состав Солнца и звёзд без непосредственного доступа к ним.

Общность методов хорошо видна на примере ультразвуковой диагностики и сейсморазведки. Оба метода основаны на том, что скорость упругих волн зависит от свойств среды, а на границе двух сред волна частично отражается. Врач по отражённому ультразвуку получает изображение внутренних органов, а геофизик по отражённым сейсмическим волнам – картину залегания горных пород. Скорости звука в некоторых средах сопоставлены на рисунке 1.

Рисунок 1 – Скорость звука в различных средах, м/с (типичные значения)

Примечание – Типичные справочные значения; для костной ткани и стали скорость продольных волн зависит от вида материала.

Различия в скоростях объясняют устройство приборов. Ультразвуковой сканер пересчитывает время возврата эха в глубину, принимая скорость звука в мягких тканях равной 1540 м/с, а кость и воздух сильно отражают волну, поэтому череп и заполненный газом кишечник для ультразвука почти непрозрачны. В сейсморазведке решается обратная задача: по времени прихода отражённых волн и известным скоростям в породах строят разрез земной коры на глубину в несколько километров.

Математическое моделирование также пришло в другие науки из физики. Модель «хищник – жертва» А. Лотки и В. Вольтерры (1925–1926) записывается теми же дифференциальными уравнениями, что и механические колебания, а А. Ходжкин и Э. Хаксли в 1952 г. описали нервный импульс как электрическую цепь, за что получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1963 г. [5]. Численный прогноз погоды, впервые выполненный Дж. фон Нейманом и Дж. Чарни на ЭВМ ENIAC в 1950 г., по существу представляет собой решение уравнений гидродинамики атмосферы.

Физические методы широко используются и в науках о прошлом. Радиоуглеродный метод У. Либби, удостоенного Нобелевской премии по химии 1960 г., основан на распаде изотопа углерода-14, который образуется в атмосфере под действием космических лучей и имеет период полураспада около 5730 лет. По остаточной активности образца археологи определяют возраст дерева, кости или ткани примерно до 50 тыс. лет.

Для горных пород применяют изотопы с периодом полураспада в сотни миллионов и миллиарды лет, на чём основаны уран-свинцовый и калий-аргоновый методы. С их помощью установлен возраст древнейших земных минералов, цирконов Джек-Хиллс в Австралии (около 4,4 млрд лет), и метеоритов (около 4,56 млрд лет), а значит, и возраст Солнечной системы. Влияние при этом оказалось взаимным: биология, астрономия и химия поставили перед физикой новые задачи, а конкретные примеры применения физических знаний разобраны во второй главе.