Предыстория физики (от древнейших времен до ХVII в.)

Эпоха античности (VI в. до н. э.- V в. н. э.)

Физика как наука того времени

Физика древней Греции и эллинистического периода являлась составной частью философии и занималась философской интерпретацией природных явлений. Вследствие этого метод и содержание физики носили качественно иной характер, чем возникшая в результате научной революции 16 и 17 вв классическая физика. Начинающаяся математизация физической стороны явлений послужила импульсом к созданию точной научной дисциплины. Однако специфический физический метод, который мог привести к формированию физики как самостоятельной науки, в античный период ещё не сложился. Эксперименты носили спорадический характер и служили более для демонстрации, нежели для получения физических фактов. Тексты, относящиеся к физическим явлениям, в латинском и арабском переводах сохранились приблизительно с 5 века до н.э., большей частью в позднем переложении. Наиболее важные произведения из области физических знаний принадлежат Аристотелю, Теофрасту, Евклиду, Герону, Архимеду, Птолемею и Плинию Старшему.

Совершенные открытия

VI в. до н. э.

Первые наблюдения по акустике. Пифагор устанавливаетсвязь между высотой тона и длиной струны или трубы.

Первые сведения об электричестве и магнетизме. Открытие свойств натертого янтаря притягивать легкие предметы, а магнита - железные (Фалес Милетский).

V - VI в. до н. э.

Возникновение идеи о прерывистом зернистом строении материи, установление предела делимости вещества - атома (Левкипп, Демокрит).

Создание Платоном теории зрения.в до н. э.

Зарождение элементов механики. Рассмотрение прямолинейных и криволинейных механических движений. Установление правила сложения перемещений, перпендикулярных друг другу, правила равновесия рычага (Аристотель).

Правильное представление о распространении звука в воздухе (звучащее тело вызывает сжатие и разрежение воздуха). Объяснение эха отражением звука от препятствий. Известно явление преломления света (Аристотель).- III в. до н. э.

Древним китайцам известна камера-обскура.- II в. до н. э.

Возникновение первой модели мироздания - геоцентрической системы мира (Эвдокс Книдский, Аристотель, Гиппарх).в до н. э.

Возникновение идеи гелиоцентрической системы мира (Аристарх Самосский).

Первые попытки определения расстояния до Луны и Солнца (Аристарх Самосский).

Открытие закона прямолинейного распространения света и закона отражения. Возникновение геометрической оптики (Евклид).

Архимед разработал научные основы статики, ввел понятие о центре тяжести и моменте сил относительно прямой и плоскости, определил центр тяжести треугольника, дал строгую теорию рычага, сформулировал правило сложения параллельных сил.

Архимед открыл основной закон гидростатики (закон Архимеда), установил условия плавания тел.в. до н. э.

Ктесибий построил водяные часы, ставшие прототипом часов, употреблявшихся во многих странах вплоть до XVIII в.- II в. н. э.

Герон Александрийский дал детальное описание рычага, ворота, клина, винта и блока, установил правило для рычага и блока, согласно которому выигрыш в силе при помощи этих механизмов сопровождается потерей во времени, описал прибор, являющийся прообразом современной паровой турбины, - так называемый эолипил, сделал ряд технических изобретений.

- К.Птолемей экспериментально исследовал явление преломления света, ввел поправку на атмосферную рефракцию (учет преломления света), объяснил явление прецессии.

К. Птолемей придал завершенную форму геоцентрической теории мироздания (система мира Птолемея).

Эксперимент Эратосфена Киренского

Один из самых древних известных физических экспериментов, в результате которого был измерен радиус Земли, был проведен в III веке до нашей эры библиотекарем знаменитой Александрийской библиотеки Эрастофеном Киренским. Схема эксперимента проста. В полдень, в день летнего солнцестояния, в городе Сиене (ныне Асуан) Солнце находилось в зените и предметы не отбрасывали тени. В тот же день и в то же время в городе Александрии, находившемся в 800 километрах от Сиена, Солнце отклонялось от зенита примерно на 7°. Это составляет около 1/50 полного круга (360°), откуда получается, что окружность Земли равна 40 000 километров, а радиус 6300 километров. Почти невероятным представляется то, что измеренный столь простым методом радиус Земли оказался всего на 5% меньше значения, полученного самыми точными современными методами.

Камера-обскура

Ка́мера-обску́ра (лат. <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%B0%D1%82%D0%B8%D0%BD%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D1%8F%D0%B7%D1%8B%D0%BA> camera obscūra «тёмная комната») - простейший вид устройства, позволяющего получать оптическое изображение объектов. Представляет собой светонепроницаемый ящик с отверстием в одной из стенок и экраном (матовым стеклом или тонкой белой бумагой) на противоположной стенке.

          

Камера-обскура, схема                      Камера-обскура, общий вид

Лучи света, проходя сквозь отверстие диаметром приблизительно 0,5-5 мм, создают перевёрнутое изображение <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B5%D0%B9%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D0%B8%D0%B7%D0%BE%D0%B1%D1%80%D0%B0%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5> на экране. На основе камеры-обскуры были сделаны некоторые фотокамеры <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%BE%D1%82%D0%BE%D0%B0%D0%BF%D0%BF%D0%B0%D1%80%D0%B0%D1%82>.

Камера-обскура не обеспечивает высокой резкости изображения. До определенного предела резкость изображения может быть повышена путем уменьшения диаметра отверстия, но при слишком сильном уменьшении начинают сказываться эффекты дифракции <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B8%D1%84%D1%80%D0%B0%D0%BA%D1%86%D0%B8%D1%8F> и изображение становится ещё более расплывчатым. Обскура характеризуется бесконечно большой глубиной резко изображаемого пространства. Говорить о фокусном расстоянии обскуры можно только условно. Под эквивалентным фокусным расстоянием такой камеры обычно понимают расстояние от отверстия до экрана f. Соотношение f/D определяется как и в обьективе числом диафрагмы <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A7%D0%B8%D1%81%D0%BB%D0%BE_%D0%B4%D0%B8%D0%B0%D1%84%D1%80%D0%B0%D0%B3%D0%BC%D1%8B>. Камера с f = 100 мм и диаметром отверстия D = 0,5 мм располагает числом диафрагмы равным 200. Увеличение отверстия до 1 мм уменьшает число до 100. Фактор выдержки,  таким образом, уменьшается до 25.

Первые камеры-обскуры представляли собой затемнённые помещения (или большие ящики) с отверстием в одной из стен. Упоминания о камере-обскуре встречаются ещё в IV веке до н. э. - последователи китайского философа Мо Ди - моисты - описали возникновение перевернутого изображения на стене затемнённой комнаты. Упоминания о камере-обскуре встречаются и у Аристотеля. Арабский физик и математик X века Ибн ал-Хайсам <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%98%D0%B1%D0%BD_%D0%B0%D0%BB-%D0%A5%D0%B0%D0%B9%D1%81%D0%B0%D0%BC> (Альхазен), изучая камеру-обскуру, сделал вывод о линейности распространения света.

Фрагмент пейзажа Яна Вермеера Дельфтского, созданного при помощи камеры-обскуры.

 

Судя по всему, первым использовал камеру-обскуру для зарисовок с натуры Леонардо да Винчи <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%B5%D0%BE%D0%BD%D0%B0%D1%80%D0%B4%D0%BE_%D0%B4%D0%B0_%D0%92%D0%B8%D0%BD%D1%87%D0%B8>. Он также подробно описал её в своём «Трактате о живописи». В 1686 <http://ru.wikipedia.org/wiki/1686> году Йоганнес Цан <http://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=%D0%A6%D0%B0%D0%BD,_%D0%99%D0%BE%D0%B3%D0%B0%D0%BD%D0%BD%D0%B5%D1%81&action=edit&redlink=1> спроектировал портативную камеру-обскуру, оснащённую зеркалом, расположенным под углом 45° и проецировавшим изображение на матовую горизонтальную пластину, что позволило художникам переносить пейзажи на бумагу.

Многие художники (например Вермеер <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%B5%D1%80%D0%BC%D0%B5%D1%80,_%D0%AF%D0%BD>) использовали камеру-обскуру для создания своих произведений - пейзажей <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%B5%D0%B9%D0%B7%D0%B0%D0%B6>, портретов, бытовых зарисовок. Камеры-обскуры тех времён представляли собой большие ящики с системой зеркал для отклонения света. Часто вместо простого отверстия использовался объектив <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D0%B1%D1%8A%D0%B5%D0%BA%D1%82%D0%B8%D0%B2> (обычно одиночная линза <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%B8%D0%BD%D0%B7%D0%B0>), что позволяло значительно увеличить яркость и резкость изображения. С развитием оптики <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D0%BF%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0> объективы усложнялись, а после изобретения светочувствительных материалов камеры-обскуры стали фотоаппаратами <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%BE%D1%82%D0%BE%D0%B0%D0%BF%D0%BF%D0%B0%D1%80%D0%B0%D1%82>.

Однако и в настоящее время некоторые фотографы используют так называемые «стеномпы <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D1%82%D0%B5%D0%BD%D0%BE%D0%BF>» - фотоаппараты с маленьким отверстием вместо объектива. Изображения, полученные при помощи таких камер, отличаются своеобразным мягким рисунком, идеальной линейной перспективой и большой глубиной резкости.

В дофотографическую эру применялась также камера-люцида <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B0%D0%BC%D0%B5%D1%80%D0%B0-%D0%BB%D1%8E%D1%86%D0%B8%D0%B4%D0%B0>, изобретённая в 1807 г. английским физиком Волластоном - четырёхгранная призма, при определённом угле зрения совмещающая мнимое изображение пейзажа с листом бумаги, на котором делается зарисовка.