Движение в философском смысле — это всякое изменение материи, всякий происходящий в природе процесс: химическая реакция, электромагнитное излучение, рост дерева, мышление.
«Движение, рассматриваемое в самом общем смысле слова, т. е. понимаемое как форма бытия материи, как внутренне присущий материи атрибут, обнимает собою все происходящие во вселенной изменения и процессы, начиная от простого перемещения и кончая мышлением» (Энгельс).
Механика изучает простейшую форму движения, а именно перемещение тел или частиц в пространстве (механическое движение).
Некоторые физические открытия XIX в. дали возможность как бы «свести» целый ряд явлений, казавшихся совершенно разнородными, к механическому движению. Так, например, тепловое состояние тела было как будто «сведено» к механическому движению его молекул. На этой почве укрепилось предположение, что все вообще явления природы в конечном счёте представляют собой только механическое движение; был выдвинут лозунг — свести всё естествознание к механике. Такое воззрение носит название механистического мировоззрения.
Это воззрение ошибочно. Сущность высоких форм движения в действительности несводима к механическому движению. Каждая форма движения имеет особые черты, составляющие её своеобразие (её качество). Даже тепловое движение, хотя оно и слагается из механического движения молекул, не исчерпывается им; при тепловом движении перемещения молекул в среднем подчинены особым законам статистики, которые не вытекают из законов механики.
Законы механики важны для понимания низших форм движения, но они недостаточны для понимания высших (более сложных) форм. Уже в молекулярных движениях обнаруживаются явления, которые не могут быть объяснены и предсказаны посредством одних только ньютоновых законов. Именно эти явления, не поддающиеся исчерпывающему объяснению, если исходить только из перемещений, выступают на первый план, когда мы обращаемся к изучению внутри* атомных движений, а также и тех движений, которые лежат в основе электрических и магнитных процессов. В столь высоких формах движения, как биологические процессы и мышление, перемещения играют, несомненно, второстепенную роль в сравнении с другими своеобразными сторонами этих процессов, несводимыми к механическому движению. Природа сложнее, чем думают механисты.
Физика изучает простейшие формы движения: 1) механическое движение (поступательное, вращательное, колебательное, волновое) и связанные с механическим движением проявления всемирного тяготения; 2) молекулярно-тепловое движение и процессы, обусловленные межмолекулярными взаимодействиями (свойства и изменения агрегатных состояний, диффузию и растворение, передачу тепла и т. п.); 3) электрические и электромагнитные процессы и 4) внутриатомное движение и свойства тел, определяемые строением атомов (в частности, оптические свойства тел, происхождение важнейших химических особенностей веществ, космические и лабораторные процессы преобразования элементов и т. п., вплоть до освобождения внутриядерной энергии).
При научном исследовании физических явлений в подавляющем большинстве случаев мы встречаемся с теснейшей взаимосвязью, со взаимопроникновением и преобразованием всех указанных форм движения материи.
В настоящее время очень нелегко провести границу между физикой и примыкающими к ней науками, особенно химией.
В физике изучаются как движения тел, составленных из огромного числа молекул, так и более тонкие формы движения материи — движение молекул, атомов, их ядер, электронов. Иногда раздел физики, имеющий дело с телами, которые содержат огромное число атомов или молекул, называют макрофизикой; раздел физики, в котором изучаются движения и взаимодействия отдельных мельчайших частиц, называется микрофизикой.
Химия также имеет дело с атомами и молекулами, но изучает качественные особенности вещества, к которым приводят количественные изменения числа электронов в атоме, числа и рода атомов в молекулах. В пограничной области между физикой и химией развилось несколько дисциплин: физическая химия, коллоидная химия и др.
К физике примыкают науки, изучающие конкретные состояния материи, окружающей нас на Земле (геофизика, метеорология, гидрология), в небесных телах (астрофизика), в живых организмах (биофизика).
Глубокая внутренняя связь между физикой, химией, астрономией, геологией, биологией обеспечивается единством, общностью строения материи во всех её конкретных проявлениях. Самые отдалённые звёзды, Солнце, земная кора, живые организмы построены из одних и тех же химических элементов. Молекулярные силы, химические междуатомные силы, внутриатомные силы в основном имеют электрическую природу. Атомы всех химических элементов построены в известной мере однотипно: из положительно заряженных массивных атомных ядер и легчайших из известных нам элементарных частиц — электронов, которые в своём стремительном движении по замкнутым орбитам вокруг ядра образуют как бы электронное облако, охватывающее ядро. Ядра всех атомов построены из протонов — положительно заряженных ядер атомов водорода, масса которых в 1836 раз превышает массу электрона, и почти таких же по массе, но электрически нейтральных частиц — нейтронов.
Кроме этих основных, стабильных частиц, в космических лучах обнаружилось существование малоустойчивых частиц: положительных электронов — позитронов, имеющих такую же массу, как и отрицательные электроны, и мезонов — частиц трёх родов по заряду — отрицательных, положительных и нейтральных — и нескольких разновидностей по величине массы: мезонов, имеющих массу примерно в 210 раз большую, чем масса электрона, и мезонов, масса которых примерно в 280 раз превышает массу электрона.
В пространстве, где находятся электрические заряды, происходят скрытые, неизвестные нам движения материи, которые проявляются в действии электрических сил на пробный заряд, внесённый в любое место этого пространства, и в действии магнитных сил на движущийся заряд; эту особую форму движущейся материи (отличающуюся от частиц, но порождающую взаимодействие электрически заряженных частиц и намагниченных тел) называют электрическим и магнитным полем.
В отличие от электричества не существует свободного, несвязанного полярного магнетизма—магнитные полюсы не могут быть разъединены. Электрическая и магнитная энергия непрерывно распределены в электрическом и магнитном поле. Но установлено в качестве одного из главных законов физики (который разъяснён в т. III), что где имеется энергия, там имеется в пропорциональном количестве и масса. Таким образом, электрическое и магнитное поля имеют материальную основу — обладают массой и энергией.
Можно сказать, что современной физике материя известна в двух основных формах, которые, однако, при всей их противоположности неразрывно связаны: в форме частиц вещества и в форме полей. Электроны представляют собой совокупность этих двух форм материи: электрон — частица и в то же время он — центр порождённого им электромагнитного поля, которое является носителем его энергии и массы.
Нейтроны (электрически нейтральные частицы, имеющие массу водородного ядра) являют собой наиболее характерный пример корпускулярной формы материи. Какое-то поле присуще и нейтрону, но природа и строение этого поля пока остаются невыясненными.
Физике хорошо известна и другая крайность — электромагнитная форма материи. Это — свет, тепловое излучение и вообще квантовое излучение, которое представляет собой волновое электромагнитное поле, оторвавшееся от породивших его зарядов и распространяющееся с предельной скоростью движения — со скоростью света. Отрыв электромагнитного поля от породивших его зарядов происходит по квантовому закону, согласно которому энергия излучается не иначе, как определёнными порциями, в количествах, равных или несколько раз повторяющих величину e=hv, где h — некоторая универсальная постоянная и v — частота колебаний в излучённом электромагнитном поле. Эти порции излучения называют фотонами.
Каждой доле энергии соответствует пропорциональная ей масса: атом, излучающий фотон, вместе с энергией теряет определённую массу; эту массу уносит фотон. До излучения это была масса некоторой части электромагнитного поля зарядов, а после излучения она же стала массой фотонов.
Встречающиеся в некоторых книгах рассуждения о превращении массы в энергию представляют собой небрежность, неточность изложения или же преднамеренное идеалистическое извращение физики. Никакого превращения массы в энергию никогда не происходит.
В смысле целостности и наличия массы фотоны аналогичны частицам, и в определённых случаях они и проявляются как частицы, но в то же время фотоны, не имея структурно обособленных центров сосредоточения массы и энергии, представляют собой полную противоположность частицам; фотон — это электромагнитное поле, оторвавшееся от зарядов, но сохраняющее свою целостность, несмотря на то, что оно более или менее раскинуто в пространстве как группа, пакет волн.
Вместо двух основных форм материи (частицы и поля) при более детальной классификации видов материи каждый род частиц и их устойчивых сочетаний можно рассматривать как особый вид материи. Таким образом, в физике различают материю:
в виде фотонов разной длины волны;
в виде элементарных частиц, а именно: электронов (электронного облака в атоме, электронного газа в металле, электронного тока, электронных лучей) и ядерных частиц (позитронов, протонов, нейтронов, мезонов и простейших атомных ядер, обнаруживающих себя при радиоактивности и в ядерных реакциях);
в виде атомов, ионов, молекул и их сочетаний в химические вещества.
Приведённые классификации физических форм движения материи и видов материи, изучаемых физикой, соответствуют современной ступени развития физики. По мере углубления наших знаний о природе и строении материи подобного рода классификации постоянно подвергаются пересмотру и усовершенствованию.
При развитии физики происходит смена физических теорий, уточняются и совершенствуются законы и понятия физики. При развитии физики происходит смена и предмета физики и методов физического исследования мира.
Вначале физика представляла собой науку о природе, т. е. предмет её был, казалось бы, несоизмеримо шире современного, когда от физики отделились и обособились многочисленные естественные науки: химия, биология, геология и т. д. Однако следует учесть, что физика, понимавшаяся в древности как естествознание, в действительности имела предметом изучения немногочисленные явления, которые сделались известны человечеству из узкого круга наблюдений, произведённых невооружённым глазом немногими людьми, интересовавшимися наукой.
Уже в средние века, когда от физики отделялись нарождавшаяся химия и начатки некоторых других естественных наук, предмет изучения физики не только не сузился, но, напротив, расширился (что и вызвало отделение упомянутых наук). Действительно, к этому времени весьма расширились познания людей о движении и равновесии тел, о плавании твёрдых тел в жидкостях, о тепловых явлениях, кипении, растворении, кристаллизации, о явлениях погоды и т. п. Это расширение области явлений, изучаемых физикой, было вызвано практическими потребностями людей, в связи с распространением ремёсел и торговли, и произошло благодаря расширению и некоторому усовершенствованию наблюдений и простейших экспериментов.
