Наши ощущения разнородны. Порождающие их явления крайне разнообразны. Однако по мере роста наших познаний мы замечаем, что многие явления имеют важные черты сходства. Мы убеждаемся, что для правильного понимания мира мы должны выработать такие понятия, которые широко обобщают результаты эксперимента и главное — отражают единство природы какого-либо изучаемого нами ряда явлений.
Самыми общими и основными категориями являются материя и движение. «Материя — объективная, реальность, существующая независимо от человеческого сознания и отображаемая им... Материя есть то, что, действуя на наши органы чувств, производит ощущения» (Ленин). Понятно, что посредством наших ощущений мы познаём материю только в её отдельных конкретных проявлениях; также и в нашей научной и практической деятельности мы имеем дело не с материей «вообще», а всегда с её конкретными проявлениями.
Атрибутом (неотъемлемым свойством) материи является движение. Движение представляет собой форму существования материи. Когда мы говорим о движении, то всегда представляем себе некоторое перемещение чего-либо, например перемещение тел, среды, частиц. Надо, однако, иметь в виду, что движение не сводится только к перемещению. «Всякое движение связано с каким-нибудь перемещением— перемещением небесных тел, земных масс, молекул, атомов или частиц эфира. Чем выше форма движения, тем незначительнее становится это перемещение. Оно никоим образом не исчерпывает природы соответствующего движения, но оно неотделимо от него. Поэтому его необходимо исследовать раньше всего остального» (Энгельс).
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.