Молния. Физика - наука о природе

Слов "физика" имеет греческое происхождение, дословно переводится как "природа". На сегодняшний день это одна из самых древних наук естественно-научного цикла, упоминания о которой встречаются ещё у древнегреческого учёного Аристотеля (6 век до н. э.). Что такое физика? Сегодня под ней понимают науку об общих законах природы, материи, её движении и строении. Классические законы физики считаются основой всего современного естествознания.

Предмет науки

Физику можно назвать наукой о природе в самом общем смысле этого слова. Она изучает вещество или материю, энергию, общие виды взаимодействия сил природы. Физика считается фундаментальной наукой, так как другие естественнонаучные дисциплины изучают лишь классы материальных систем, которые подчиняются физическим законам. Физика тесно связана с математикой, так как все физические законы описываются с помощью методов математического аппарата. Помимо этого, развитие некоторых областей математики произошло исключительно благодаря достижениям физиков. Так, существует целый раздел - математическая физика.

История физики

Становление современной физики прошло множество этапов, каждый из которых вносил что-то новое в физическое знание, модернизировал фундаментальные .

Древний период

Основы современной физики зародились еще в 5-6 вв. до н. э. Считается, что сам термин «физика» впервые опубликовал в своих трудах древнегреческий философ Аристотель. Другие греческие философы Евклид и Птолемей создали основы механики, оптики и других разделов современной физики. Большой вклад внесли и индийские ученые. Так, астроном Ариабхата предложил эллиптические модели планетарных систем, а мыслители Дигнага и Дхармакирти положили начало физике элементарных частиц.

Средневековье

В середине XVI века в Европе началась научная революция в связи с изобретением научных методов исследования. Так, в течение следующих 100 лет учёными были разработаны и доказаны основы всей современной фундаментальной физики. Этот период времени начинается работой Николая Коперника, а заканчивается целой плеядой талантливых исследователей: Г. Галилей, И. Кеплер, Б. Паскаль и, конечно, И. Ньютон, который создал основные законы механики.

Переломный момент

В конце XIX - начале XX века вся классическая физика была перевёрнута с ног на голову исследованиями А. Эйнштейна, Э. Резерфорда, Н. Бора. Они сменили механическую парадигму в физике, изобретя теорию относительности и теорию атома.

Современная физика

На сегодняшний день физика по большей частью занимается исследованием фундаментальных законов. Кроме того, акцент сместился на развитие ядерной физики благодаря открытию радиоактивности веществ Анри Беккерелем. Создание квантовой физике дало толчок к активному развитию микроэлектроники и физики твёрдого тела, без которых не представляется существование целых отраслей современной промышленности.

Направления физики как науки

Главными ветвями физики как науки являются следующие направления: теоретическая, прикладная и экспериментальная физика.

Теоретическая физика

Главной задачей теоретической физики является формулирование и уточнение основных законов и явлений природы. Помимо этого, теоретики непосредственно изучают, что такое физика, закладывают основы для практических исследований.

Экспериментальная физика

Этот раздел считается базовым для естественной науки, ведь именно с помощью экспериментов доказывают или опровергают законы и теории, ищут опытные данные. Теоретическая и экспериментальная физика дополняют и подкрепляют друг друга. Кстати, многие открытия в физике появились в эксперименте, а не путем теоретического анализа.

Прикладная физика

С момента своего зарождения физика ищет ответ на вопрос: где можно применить теоретические основы науки. Именно прикладная физика позволяет на практике использовать научные открытия, так именно этот раздел лежит в основе инженерии, всех изобретений. К примеру, ядерная физика помогла создать ядерную энергетику, а применение электричества было бы невозможно без знаний физики твёрдого тела. Прикладная физика имеет множество связей с другими науками, такими как химия, биология и т. д.

Основные физические теории

На сегодняшний день существует множество разделов физики, которые охватывают практически все явления природы. Вот основные из них:

Классическая механика - раздел физики, который изучает изменения положения тела в пространстве, ищет причины, которые это вызывают. Механика основывается на теории И. Ньютона. Классическая механика делится на статику (изучает равновесие тел), кинематику (изучает геометрию движения тел) и динамику (изучает причины движения тел).
Термодинамика - раздел физики, который изучает свойства макроскопических систем, способы и пути трансформации энергии в этих системах. Вся термодинамика делится на равновесную (классическую) и неравновесную.
Теория электромагнетизма - изучает взаимодействия между частицами с электрическим зарядом. Сюда входят такие подразделы, как электростатика, электродинамика, магнитная гидродинамика и другие.
Квантовая механика - раздел теоретической физики, который описывает физические явления, действие которых сравнимо с очень маленькой величиной - постоянной Планка.
Молекулярная физика - раздел, изучающий свойства вещества на уровне молекул и атомов.
Теория относительности - это современная теория, которая изучает пространство и время в контексте физических процессов.
Ядерная физика - изучает физические свойства радиоактивных веществ.
Оптика — раздел физики, изучающий явления, которые связаны с распространением электромагнитных волн, в частности свет, рентген и другие.

Содержание статьи

ФИЗИКА (от древнегреч. physis – природа). Древние называли физикой любое исследование окружающего мира и явлений природы. Такое понимание термина «физика» сохранилось до конца 17 в. Позднее появился ряд специальных дисциплин: химия, исследующая свойства вещества, обусловленные особенностями его атомной структуры , биология, изучающая живые организмы и т.д. Помимо традиционных предметов исследования, о которых пойдет речь ниже, физика занимается столь разными проблемами, как поведение смазки в машинах, процессы образования химических связей, хранение и передача генетической информации в живых системах и т.д. Объединяющий принцип физики как науки кроется не столько в предметах исследования, сколько в подходе к их изучению, и этим физика отличается от других наук. Опираясь на определенные аксиомы и гипотезы, проводя эксперименты и используя математические методы, она стремится объяснить все многообразие природных явлений, исходя из небольшого числа взаимосогласующихся принципов. Физик надеется, что, когда о природных явлениях станет известно достаточно много и когда они будут достаточно хорошо поняты, множество других, на первый взгляд разрозненных и не связанных с ними фактов уложатся в простую, допускающую математическое описание схему.

РАННЯЯ ИСТОРИЯ ФИЗИКИ

Звук

Изучение звука снова возвращает нас в античность, где туманная традиция связывает начало таких исследований с именем Пифагора. Насколько можно судить, философы Древней Греции за 500 лет до н.э. экспериментально исследовали различия между благозвучными (консонантными) и неблагозвучными (диссонантными) музыкальными интервалами. Они сделали вывод, что если колеблющуюся струну прижимать в различных точках и щипком заставлять колебаться каждую из двух частей струны, то чем «проще» отношение длин двух частей, на которые разделилась струна, тем более благозвучным окажется консонантный интервал издаваемых звуков. Под простыми понимаются отношения 2:1, 3:2, 4:3 и т.д., соответствующие музыкальным интервалам октаве, квинте, кварте и т.д. Эти интервалы составляли основу всей западной музыкальной гармонии до 13 в., и хотя кварта более не считается гармоническим интервалом, продолжая Пифагоров ряд отношений до 5:4 и 6:5, мы получаем большую и малую терции – фундаментальные интервалы западной музыки последних 500 лет.

Что касается физической природы звука, то многое здесь было известно уже Аристотелю. В дошедшем до нас в виде фрагментов трактате Звук и слух (см. Aristotelis opera . Ed. Academia regia borussica, v. 1–5, B, 1831–1870) он приводит подробное и точное описание распространения звуковых волн в воздухе. Римский архитектор Витрувий, знакомый с аристотелевской традицией, посвятил одну из книг своего сочинения Об архитектуре (De architectura ) (ок. 10 до н.э.) акустике театров и других зданий, заложив этим основания науки, известной сегодня под названием архитектурной акустики. После Витрувия в развитии акустики наступила пауза, которая продолжалась до 17 в., когда акустическими проблемами занялись Галилей и Ньютон. Галилей исследовал разные источники звука, в частности колеблющиеся струны, и показал, что частота колебаний струны, а следовательно, и частота издаваемого звука определяются ее физическими свойствами – длиной, натяжением и массой.

Ньютон поставил перед собой более трудную задачу – описать на языке математики процесс распространения звуковой волны в воздухе. Проведенный им анализ, опиравшийся на известные тогда данные об упругости воздуха, дал теоретическое значение скорости звука 298 м/с, тогда как из опытов Флемстида и Галлея было получено значение 348 м/с. Столь значительное расхождение удалось объяснить лишь в 1816, когда Лаплас указал на то, что величина упругости воздуха, на основании которой вычисляется скорость звука, должна отличаться от обычно измеряемой, т.к. изменения в звуковой волне происходят очень быстро и в воздухе не успевает установиться тепловое равновесие. Внеся в вычисления Ньютона поправку в этом единственном пункте, Лаплас получил формулу, прекрасно согласующуюся с самыми точными экспериментальными данными. Сегодня часто ставят обратную задачу: определяют упругость газа по измеренной скорости звука в нем.

Когда механизм возникновения звука и его природа были объяснены на основе фундаментальных законов движения, акустика перестала быть чисто умозрительной дисциплиной, и после Лапласа ее развитие шло по трем направлениям: практические потребности (проектирование концертных залов, создание музыкальных инструментов и звуковоспроизводящей аппаратуры), физиологические и психологические аспекты восприятия звука и чистая теория. Второе из названных направлений породило новую область физического познания – область очень интересную и трудную, поскольку в ней изучается субъективный процесс, по сути тот же, посредством которого он сам и исследуется. Здесь физика трудится рука об руку с несколькими другими науками. Основополагающие труды по физиологии слуха и зрения принадлежат Г.Гельмгольцу (1821–1894). Его книги Учение о слуховых ощущениях как физиологическая основа для теории музыки (СПб, 1875) и О зрении (СПб, 1896), по всеобщему признанию, являются научной классикой.

Сущность звука – лишь один из вопросов чистой физики, и ответ на него давно получен. И все же существует мало других разделов физики, разветвленные приложения которых вызывали бы такой всеобщий интерес и, судя по публикациям, доставляли бы такое удовольствие работающим в них исследователям.

Теплота и термодинамика

Еще каких-нибудь сто лет назад господствовало представление о теплоте как о некой калорической жидкости. Считалось, что эта жидкость есть во всех телах, и от того, сколько ее содержится в теле, зависит его температура. В том, что температура тел, находящихся в тепловом контакте, выравнивается, усматривали аналогию с установлением общего уровня жидкости в сообщающихся сосудах. Теория калорической жидкости в том виде, как ее сформулировал Дж.Блэк (1728–1799), могла объяснить широкий круг явлений. Однако в некоторых пунктах встречались затруднения. Например, хорошо известно, что если нагревать лед, то его температура не повышается до тех пор, пока весь лед не растает. Такое тепло Блэк назвал «скрытым» (термин «скрытая теплота плавления» сохранился поныне), имея в виду, что при таянии льда теплота как-то переходит в частицы воды, не производя обычного эффекта. Вода вмещает большое количество скрытой теплоты, и когда Б.Румфорд (1753–1814) показал, что вес льда при таянии остается неизменным, было решено, что калорическая жидкость невесома. В другом опыте, проведенном в Мюнхенском арсенале на станке, на котором рассверливали стволы пушек, Румфорду удалось добиться выделения огромного количества тепла при небольшом количестве металлической стружки: для этого он в течение двух с половиной часов сверлил болванку тупым сверлом. Румфорд счел, что его опыт убедительно доказал несостоятельность теории калорической жидкости, но ее сторонники возразили, что в материи очень много калорической жидкости и даже при сверлении тупым сверлом высвобождается только малая ее часть. Калорическая теория, подлатанная таким образом, просуществовала примерно до 1850. Однако еще Демокрит более чем за 2000 лет до этого выдвигал другую гипотезу. Если материя состоит из крохотных частиц, то отличие твердого тела от жидкости определяется разной силой их сцепления. Если принять, что вначале при нагревании частицы твердого тела начинают просто сильнее колебаться, оставаясь на своих местах, то разумно предположить, что при нагревании выше определенной температуры частицы будут срываться со своих мест, образуя жидкость, а при дальнейшем нагревании произойдет следующее превращение – жидкость станет газом. Галилей высказал аналогичную идею в 1623, а Декарт писал в 1644, что «под теплом и холодом следует понимать не что иное, как ускорение и замедление материальных частиц». Ньютон, расходившийся с теорией Декарта почти по всем вопросам, в этом пункте был с ней согласен.

Хорошо известно, что движение тел при наличии трения порождает тепло и, наоборот, тепло может порождать движение, как это происходит в паровой машине и в двигателе внутреннего сгорания. Возникает вопрос: сколько работы может совершить тепловая машина, если подвести к ней заданное количество тепла? Ответить на этот вопрос весьма трудно, и в его рассмотрении необходимо выделить два этапа.

Первое положение, которое мы должны отметить, – то, что совершение тепловой машиной некоторой работы сопровождается исчезновением определенного количества тепла. Говоря о механической работе, совершаемой машиной, пионер в этой области французский физик Н.Карно (1796–1832) употреблял термин «движущая сила». В записной книжке, обнаруженной после смерти Карно в 1878, говорилось: «Тепло может быть колебательным движением частиц. Если это так, то количество тепла есть не что иное, как механическая энергия, затраченная на приведение частиц в колебательное движение... Таким образом, можно сформулировать общий принцип, согласно которому количество движущей силы в природе неизменно; точнее говоря, она не создается и не исчезает». Этот принцип имеет для физики огромное значение. Он называется законом сохранения энергии, а в контексте данного раздела – первым началом термодинамики. Слово «энергия», введенное в научный оборот Т.Юнгом в 1807, здесь имеет смысл «полного количества энергии», которое остается постоянным и включает в себя тепловую, кинетическую и все прочие формы энергии, которые встретятся нам в дальнейшем. Не стремясь к особой строгости, можно определить энергию как способность совершать работу, а ее мерой, какую бы форму ни принимала энергия, можно считать количество механической работы, которой энергия эквивалентна. Карно удалось найти численное выражение эквивалентности тепла и работы. В современных единицах полученный им результат таков: 3,7 джоуля эквивалентно 1 калории (более точное значение равно 4,19).

То же самое открытие было сделано врачом Ю.Майером (1814–1878), заметившим изменения в интенсивности обмена веществ (как мы сказали бы это сейчас) у моряков, совершавших плавание в экваториальных водах. В 1842 Майер пришел к заключению, что механический эквивалент одной калории равен 3,85 джоуля, но его главной заслугой было глубокое интуитивное уяснение важности и универсальности нового принципа, позволившее ему применять закон сохранения энергии в столь разных областях, как физиология, небесная механика и теория приливов.

Однако самый существенный вклад в развитие принципа сохранения энергии внес Дж.Джоуль (1818–1889). В 1843–1848 он провел серию опытов по изучению взаимных превращений электрической, тепловой, механической и внутренней энергии и на основании полученных данных заключил, что механический эквивалент тепла составляет от 4,25 до 4,60. Тщательные измерения Джоуля вооружили противников теории калорической жидкости многочисленными весомыми аргументами, и эта теория оказалась окончательно опровергнутой: тепло как вид энергии может возникать и исчезать, но при этом общее количество энергии в мире остается неизменным.

Для установления первого начала термодинамики потребовалось столь много времени потому, что существует еще один принцип, ограничивающий величину работы, которую можно совершить при данном количестве тепла. Этот принцип тоже был открыт Карно и изложен им в тоненькой брошюрке Рассуждения о движущей силе огня (Reflexions sur la puissance motrice de feu , 1824). В ней Карно показал, что если тепло подводится к машине при температуре T 1 , а отводится – при температуре T 2 (это могут быть температуры, при которых водяной пар поступает в паровую машину и отводится от нее), то существует некий максимум работы, которую может совершить машина при данном количестве тепла. Этот максимум всегда меньше полного количества тепла и определяется только величинами T 1 и T 2 , независимо от того, какое вещество переносит тепло. Из закона сохранения энергии следует, что часть тепла, подводимого к машине, уходит с отработавшим теплоносителем, оставаясь неиспользованным. Чем ниже температура теплоносителя, тем труднее использовать его энергию на совершение работы. В килограмме воды при комнатной температуре больше тепловой энергии, чем в 10 г пара, но энергию последнего значительно легче извлечь. Таким образом, в результате любого превращения энергии в работу с теплоносителем уходит какое-то количество менее «полезной» энергии, и никакой компенсирующий процесс не может увеличить ее «полезность». В математической форме это положение выразил Р.Клаузиус (1822–1888), введя величину, которую он назвал энтропией и которая является мерой «бесполезности» (с точки зрения совершения работы) энергии. Любой процесс, в результате которого тепло превращается в работу, сопровождается повышением энтропии окружающей среды. Было установлено, что любая попытка уменьшить энтропию приводит к еще большему ее увеличению где-нибудь в другом месте. Ныне этот принцип называется вторым началом термодинамики. Содержание всей своей работы Клаузиус сформулировал в виде двустрочия, помещенного в конце статьи:

Энергия мира постоянна.

Энтропия мира стремится к максимуму.

Этот максимум отвечает состоянию, в котором вся материя будет иметь одну и ту же температуру и нигде не будет «полезной» энергии. Но уже задолго до того, как будет достигнуто такое состояние, жизнь станет невозможна. Пессимистический интеллектуальный климат конца 19 в. во многом связан с открытием этих двух абсолютных ограничений для будущего человечества.

Молекулярно-кинетическая теория

Развитая в трудах Клаузиуса, Кельвина (1824–1907) и их последователей наука термодинамика преуспела в установлении связей между множеством различных физических и химических явлений на основе первого и второго начал термодинамики, однако существуют пределы, за которыми столь общие утверждения уже не в силах объяснить происходящее. Необходимо было выяснить, каковы размеры частиц вещества и как они движутся. Не зная этого, невозможно, например, предсказать, при какой температуре будет плавиться данное твердое вещество, каковы его скрытая теплота плавления и электрические свойства. В общую схему термодинамики необходимо было включить законы, которым подчиняется движение отдельных молекул. Проблема, с которой столкнулись здесь ученые, была несравненно более трудной, чем ранее. Молекулы слишком малы, чтобы их можно было наблюдать непосредственно, и выводы можно делать, опираясь только на коллективные свойства систем, состоящих из миллиардов частиц.

Первый шаг в создании молекулярно-кинетической теории сделал Д.Бернулли в своей книге по гидродинамике (Hydrodynamica sive de viribus et motibus fluidorum commentarii , 1738). Бернулли принял, что газ состоит из чрезвычайно малых частиц, которые движутся быстро и свободно, если не считать столкновений. Эти частицы осыпают стенки сосуда ударами; каждый такой удар слишком слаб, чтобы его можно было ощутить, но огромное число ударов проявляется как постоянное давление. Затем путем рассуждений, неявно опирающихся на законы Ньютона, Бернулли пришел к выводу, что если медленно сжать газ, не изменяя скоростей движения частиц, то давление повысится, так что произведение давления на объем останется постоянным. Именно это соотношение для газа, сжимаемого при постоянной температуре, экспериментально открыл Р.Бойль в 1660. Бернулли указал также, что нагревание газа должно приводить к увеличению скорости частиц, а тем самым – к повышению давления вследствие увеличения числа и силы ударов частиц о стенки сосуда. Десятью годами позднее аналогичные идеи были высказаны русским ученым М.В.Ломоносовым, который дополнительно указал на то, что если верхнего предела для скоростей молекул газа, а следовательно, и для температуры в принципе не существует, то нижний предел – нулевая скорость – существует всегда, следовательно, должен существовать нижний предел температуры, ниже которого ничего нельзя охладить. Ныне этот предел называют абсолютным нулем.

Примечательно, что эти соображения обратили на себя внимание лишь 120 лет спустя, а потому ощутимого влияния на становление молекулярно-кинетической теории практически не оказали. Вместо этого физики и математики на протяжении столетия боролись с ложным представлением Ньютона о взаимном отталкивании всех атомов.

Здесь нужно упомянуть одну из самых малоизвестных в истории науки фигур – Дж.Уотерсона (1811–1883). Инженер и учитель, Уотерсон опубликовал в 1843 довольно неясно написанную книгу, прочитанную лишь немногими, в которой изложил некоторые соображения о свойствах газа, состоящего из быстро движущихся молекул. В 1845 он представил в Королевское общество подробную статью, которая, однако, была отвергнута как непригодная для публикации. По мнению одного из рецензентов, статья Уотерсона – «нонсенс, неприемлемый даже для публичного прочтения». Впоследствии Уотерсону удалось все же опубликовать некоторые из своих работ, но они остались без внимания. Уотерсон прожил довольно долго и стал свидетелем того, как другие удостоивались похвал и признания за открытия, которые гораздо раньше сделал он сам. И все же он не дожил до того времени, когда к тем же выводам пришел Дж.Рэлей в 1891, отдавший должное его трудам.

В 1856 к идеям Бернулли ученые вернулись снова. А.Крониг (1822–1879), годом позже Клаузиус и в 1860 Дж.Максвелл (1831–1879), великолепно владевший математическим аппаратом, на основе законов Ньютона предприняли систематический анализ газа из частиц, слишком малых, чтобы их можно было видеть, и взаимодействующих при участии сил, зависимость которых от расстояния могла быть задана лишь в самом общем виде. Так была заложена основа кинетической теории газов, или молекулярно-кинетической теории (в вопрос о природе молекул и их отношении к структуре вещества внес ясность в начале 19 в. А.Ампер). Эта теория давала оценки масс молекул, их размеров (около двух-трех стомиллионных сантиметра), среднего расстояния между молекулами в газе и в обобщенном виде охватывала все явления, порождаемые случайным действием огромного числа частиц. Позже, благодаря трудам Л.Больцмана (1844–1906) и Дж.Гиббса (1839–1903), она превратилась в науку, известную под названием статистической механики. Больцман показал, что второе начало термодинамики – вывод не более чем статистический. Постепенное разупорядочение во Вселенной аналогично постепенной утрате порядка в первоначально упорядоченной колоде игральных карт при многократном ее тасовании, и подобно тому как карты могут расположиться в исходной последовательности, если колоду перетасовать чудовищно большое число раз, так и вся Вселенная в один прекрасный день чисто случайно вернется в то состояние, из которого она когда-то вышла. (Оптимизма в такой концовке сценария умирающей Вселенной несколько поубавится, если оценить время, необходимое для случайного самопроизвольного возрождения.) Гиббсу принадлежит также заслуга создания химической термодинамики, на которой основаны современная теория химических реакций и вся химическая промышленность.

У кинетической теории, равно как и у атомистической гипотезы, есть один серьезный недостаток: до тех пор пока поведение молекул нельзя будет наблюдать непосредственно, невозможно быть уверенным в правильности этой теории. Никакие подтверждения предсказаний молекулярно-кинетической теории на макроскопическом уровне не могут полностью исключить возможность того, что, подобно теории калорической жидкости или ньютоновской теории газа, она дает приемлемые с научной точки зрения результаты, исходя из неверных посылок. И действительно, еще в 1900 такие выдающиеся ученые, как физик Э.Мах и химик В.Оствальд, заявляли, что не желают рассматривать атомы иначе как гипотезу, позволяющую объяснять некоторые наблюдаемые явления. Но вскоре ситуация резко изменилась.

Электричество и магнетизм

Долгое время большинство физиков рассматривали эти явления как несущественные курьезы. Первым, кто предположил, что они со временем будут играть важную роль в понимании природных явлений, был, по-видимому, Ньютон.

Начало научных наблюдений электрических и магнитных явлений связывают с именем английского физики У.Гильберта (1540–1603). Он провел ряд опытов, пытаясь доказать, что земной магнетизм можно объяснить, если представить Землю в виде большого сферического магнита. Первые опыты с электричеством (этот термин ввел Гильберт) были поставлены с целью дать ответ на вопрос, существуют ли два типа носителей электричества или же отрицательный заряд – это просто отсутствие заряда положительного. Деление зарядов на положительные и отрицательные восходит к Б.Франклину (1706–1790), одному из немногих людей в Америке 18 в., которые интересовались общенаучными вопросами.

Первые количественные измерения, предпринятые для того чтобы установить законы электричества, были выполнены в конце 18 в. Тогда целому ряду исследователей удалось разными путями показать, что электрические силы сходны с гравитационными в том отношении, что они тоже обратно пропорциональны квадрату расстояния, хотя два электрических заряда могут и притягиваться, и отталкиваться, а под действием гравитационных сил тела могут только притягиваться друг к другу. Вскоре Ш.Кулон (1736–1806), один из тех, кто исследовал взаимодействие электрических зарядов и сформулировал закон, которому это взаимодействие подчиняется, установил аналогичную закономерность для магнитных сил. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ.

Все последующие события берут начало с изобретения А.Вольта (1745–1827) в 1800 электрической батареи, с помощью которой можно было получать постоянный электрический ток. Это изобретение позволило совершить множество открытий. Многие из них принадлежат М.Фарадею (1791–1867), чье имя в экспериментальной науке стоит почти так же высоко, как имя Ньютона в науке теоретической. Открытия, о которых идет речь, можно разделить на три группы: электрохимические, оптические и электромагнитные. К последним относятся наблюдения Х.Эрстеда (1820), обнаружившего, что электрический ток создает магнитное поле, и Фарадея (1831), продемонстрировавшего, что переменное магнитное поле создает электрическую силу. Эти открытия в свою очередь показали, что электричество и магнетизм должны быть тесно связаны между собой. Было достаточно легко представить электрический ток как некую жидкость, текущую по проводнику под действием электрических сил, но электромагнитные явления не поддавались такому простому механистическому объяснению, и, как мы увидим в дальнейшем, их физическая интерпретация привела к крушению того, что называли механистической картиной мира. Но прежде чем переходить к этому, расскажем о последнем блестящем успехе механистического подхода.

Строение атома

Обычные природные явления не дают никаких свидетельств о внутреннем строении атомов; почти все «коллективные» свойства газов и жидкостей и многие «коллективные»свойства твердых тел можно объяснить, считая атомы твердыми шариками, между которыми действуют силы взаимного притяжения. Однако в конце 19 в. стало очевидно, что существуют по крайней мере два класса явлений, для объяснения которых нужно более подробно знать, что именно представляет собой атом. Один из этих классов составляют явления, свидетельствующие о том, что атомы, лишь незначительно различающиеся по массе, могут обладать существенно разными химическими свойствами. Другой класс явлений связан со спектроскопией, которая занимается анализом света, испускаемого раскаленными газами и парами. Оказалось, что такой свет представляет собой набор волн с определенными частотами, характерными для каждого сорта атомов.

В первые годы 20 в. было построено несколько моделей атома. К этому времени стало известно, что одним из его составных элементов является электрон – частица с отрицательным электрическим зарядом и массой, в несколько тысяч раз меньшей массы атома. Из того, что в целом атом электрически нейтрален, следовало, что наряду с электронами атом содержит какие-то компенсирующие положительные заряды.

После открытия, сделанного Резерфордом, было естественным попытаться воспользоваться ньютоновской механикой, чтобы описать строение атома, в частности, размеры атомов, их химические свойства и спектры. Начало работам в этом направлении было положено Н.Бором, практикантом, приехавшим в Манчестер к Резерфорду из Дании. Бор решил начать с простейшего из атомов – водорода, в котором, согласно планетарной модели Резерфорда, должен быть один электрон, обращающийся вокруг одной тяжелой частицы, называемой протоном. Кроме того, частоты эмиссионного спектра водорода составляли простой набор, который точно описывался формулой, подобранной И.Бальмером в 1885. Бор быстро обнаружил, что одних законов Ньютона недостаточно для того, чтобы объяснить стабильность атома и испускание света только определенных частот; эти законы необходимо дополнить новым законом, не опирающимся на предшествующую физику. Согласно этому закону, из всех возможных орбит, по которым электрон может обращаться вокруг ядра в соответствии с ньютоновской механикой, в природе реализуется только небольшой набор орбит, удовлетворяющих некоторому математическому условию. «Постулаты Бора» и идея Эйнштейна о природе лучистой энергии (о чем будет сказано ниже) позволили Бору получить формулу Бальмера. За этим успехом, открывшим путь к познанию строения атома, последовало качественное объяснение основных химических свойств всех атомов. Но темные места все же оставались, и самым загадочным было то, что теория Бора не могла объяснить спектр или хотя бы стабильность любого атома, более сложного, чем атом водорода. Не поддавался анализу даже атом гелия с всего лишь двумя электронами, вращающимися вокруг ядра, положительный заряд которого вдвое больше заряда протона. Напрашивался вывод, что атом водорода следует рассматривать как некое исключение и что успех Бора, возможно, был чисто случайным. В действительности же механистическая концепция достигла пределов своего развития и в ближайшем будущем ей предстояло уступить место иному взгляду на физические явления, который подспудно формировался на протяжении многих лет.

ПРИРОДА КАК ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИЕ ПОЛЯ

Для Ньютона и его современников было вполне естественным спрашивать себя, откуда берется сила гравитации и как она действует. Он понимал, что данный предмет далеко не прост. Ему казалось невероятным, чтобы два тела могли взаимодействовать через разделяющее их абсолютно пустое пространство. В письме Р.Бентли Ньютон писал:

«То, что тяготение должно быть внутренне присущим, неотъемлемым и необходимым для материи, так, чтобы одно тело могло действовать на другое на расстоянии через пустоту, без посредства чего-либо еще, представляется мне столь большой нелепостью, что, по моему убеждению, ни один человек, способный со знанием дела судить о философских материях, не впадет в нее. Тяготение должно вызываться неким агентом, постоянно действующим по определенным законам; а материален этот агент или нематериален, я предоставляю судить читателям».

Во времена Ньютона такой агент назывался эфиром, и этому представлению предстояло трансформироваться в более утонченное понятие поля. Теория поля заняла центральное место в современной физике – так же как материальный атомистический механизм был центральной концепцией физики предшествующих столетий. Теорий эфира было много, и каждая из них возникла в ответ на необходимость объяснения действия той или иной силы на расстоянии. Так, были эфиры гравитационный, электрический, магнитный и светоносный (последний эфир был гипотетической средой, обеспечивающей распространение света). Под воздействием общефизических представлений своего времени теории эфира приобретали более механистический характер – эфиры были жидкостями, подчинявшимися законам Ньютона или другим аналогичным законам, а передаваемые ими влияния носили характер механического действия. По мере накопления знаний о свете сам свет начали представлять как волновое движение в светоносном эфире, аналогичное распространению звука в воздухе. Впервые эта точка зрения была высказана в 1746 выдающимся математиком Л.Эйлером (1707–1783). Вначале взгляды Эйлера не встретили понимания, поскольку противоречили ньютоновской корпускулярной теории света, но получили признание после двух решающих экспериментальных подтверждений. Первым подтверждением стала интерференция двух наложенных световых пучков от одного и того же источника, при которой совпадение горбов и впадин одной волны с горбами и впадинами другой создает картину, состоящую из светлых и темных пятен. Такие явления были известны со времен Ньютона, систематически же их исследовали с точки зрения волновой теории в 1801 Т.Юнг (1773–1829) и позднее О.Френель (1788–1827). Объяснения интерференции с позиций корпускулярной теории выглядели неуклюже, но их было принято считать верными, и лишь после того, как Юнг в 1817 предложил свое объяснение поляризации света, корпускулярная теория была вынуждена уступить место волновой. Поляризованный свет обладает пространственной направленностью, не свойственной звуку, и это обстоятельство навело Юнга на мысль, что световые волны в отличие от звуковых являются поперечными, т.е. в них, как и в волнах на воде, колебания происходят поперек направления их распространения (а не вдоль, как в звуковых, продольных волнах). Волновая теория света объясняет все известные явления интерференции и поляризации, но поиски механической модели, которая сделала бы ее понятной, столкнулись с непреодолимыми трудностями. Проблема в том, что эфир как физическая субстанция должен быть достаточно плотным, чтобы свет мог распространяться по нему с огромной скоростью, но все же не слишком плотным, чтобы мешать движению планет и других объектов. К тому же эфир должен обладать некоторой упругостью – поперечные волны могут распространяться в желе, но не в воде. (Наблюдаемые нами волны на воде распространяются только по ее поверхности.) Ныне трудно себе представить, что идея механического эфира могла восприниматься столь серьезно, но так уж сильна была власть ньютоновского механицизма, что понадобились колоссальные интеллектуальные усилия, чтобы окончательно его отбросить.

Между тем формировалась новая концепция. На М.Фарадея, занимавшегося изучением магнетизма, сильное впечатление произвели картины, образуемые железными опилками на листке бумаги вблизи полюсов магнита. Опилки выстраивались в линии, и Фарадей установил, что их направление в каждой точке совпадает с направлением силы, создаваемой в этой точке магнитом. Попадая в области более или менее интенсивного магнитного поля, линии всегда сходились в пучок или, наоборот, расходились, и Фарадей догадался, что они дают видимую картину чего-то, что и в их отсутствие реально существует в пространстве вблизи полюсов магнита. Это «что-то» получило название поля. Фарадей заключил, что поле состоит из «магнитных силовых линий»; позднее он обнаружил существование аналогичных электрических силовых линий и в 1846 высказал предположение, что свет – это поперечные колебания, распространяющиеся вдоль силовых линий. Гипотеза Фарадея была первым предвосхищением установленной впоследствии тесной связи между светом, с одной стороны, и электричеством и магнетизмом – с другой.

Заслуга создания теории электромагнитного поля, как его стали называть, в основном принадлежит Дж.Максвеллу (1831–1879). В 1856, будучи научным сотрудником Тринити-колледжа в Кембридже, Максвелл начал работать над созданием механической теории электрического и магнитного полей, намереваясь выразить точным математическим языком идеи Фарадея. К 1861 Максвелл создал весьма сложную, но многообещающую картину эфира как текучей среды, передающей некоторые напряжения и допускающей сложные вихревые движения. Исходя из таких наглядных представлений, он вывел систему дифференциальных уравнений, связывающих различные компоненты электрического и магнитного полей. Уравнения описывали как статические явления, например кулоновские электрические и магнитные взаимодействия, так и динамические, например, открытые Фарадеем. Кроме того, уравнения Максвелла позволили предсказать новую взаимосвязь между электрическим и магнитными полями – их согласованное распространение в виде поперечных волн со скоростью 306 000 км/с. К тому времени уже было известно, что свет распространяется примерно с такой же скоростью, а эксперименты Физо (1849) дали значение, весьма близкое к полученному Максвеллом. Это замечательное согласие говорило о том, что Максвеллу удалось построить столь давно ожидаемую теорию света и к тому же объяснить все электрические и магнитные явления. Оправдалось пророческое замечание Фарадея (1851): «Если эфир существует, то, вероятно, передача излучений не есть его единственное назначение». Теория Максвелла наряду с теорией Бора явилась высшим достижением механистического подхода. Сегодня мы видим в его теории электромагнитного поля две стороны. Изящные симметричные уравнения, которые и поныне считаются корректными и полными, сопровождает неуклюжая концепция эфира, призванная эти уравнения объяснить. В 1864 Максвелл представил уточненный вариант своей теории Королевскому обществу. Эфир входил в эту теорию неявно, как фон для физических соотношений электромагнитного поля, но был лишен всех свойств, кроме тех, которые следовали из самих полевых уравнений. Однако крупнейших физиков того времени, в том числе Кельвина и Гельмгольца, теория Максвелла не убедила, и Кельвин, доживший до 1907, так и не признал ее. Многие же физики более молодого поколения приняли теорию Максвелла, и основную роль здесь сыграли эксперименты Г.Герца (1857–1894), который впервые осуществил генерацию и прием электромагнитных волн. Эксперименты Герца не только подтвердили теорию Максвелла, но и заложили основы радиотехники.

Теория Максвелла привела к самым большим теоретическим продвижениям в физике со времен Ньютона. Максвелл пришел в физику, когда в ней господствовали идеи движущихся центров силы, а покинул ее, заложив основы представления о поле, которое проявляется в том, что оказывает силовое воздействие на вещество, а также переносит энергию. Последнее обстоятельство более всего наполняет поле реальностью: без труда можно представить, что электрические заряды создают силы, действующие на другие заряды на расстоянии, но если один материальный объект дает вспышку излучения, которое впоследствии поглощает другой объект, то закон сохранения энергии будет нарушен, если не принять, что за время от испускания до поглощения излучения энергия распространяется в форме поля.

Сегодня физика в основном занята изучением взаимодействующих полей, одним из которых является поле Максвелла. Все эти поля распространяются в виде волн, но не в какой-либо среде, как звуковые волны в воздухе, а просто как волны поля. Пример старшего поколения ученых, долго относившегося к идее таких «бестелесных» волн с недоверием, как к некой мистификации, в очередной раз напоминает нам о трудностях становления подлинно новых научных идей.

Принципы относительности

Одна из наиболее характерных особенностей любого физического поля – то, в каком виде оно предстает перед наблюдателем. Например, покоящийся электрический заряд создает чисто электрическое поле. Но если заряд движется относительно наблюдателя или, что эквивалентно, если наблюдатель движется относительно заряда, то поле оказывается отчасти и магнитным. То же самое можно сказать о поле, создаваемом магнитом, и мы приходим к заключению, что разграничение электрического и магнитного полей существует только в некой определенной системе отсчета. Если же мы выберем новую систему отсчета так, чтобы она двигалась относительно старой, то граница сгладится – чисто электрическое поле приобретет магнитную компоненту, а чисто магнитное – электрическую.

На этот счет к 1900 были известны два положения. Во-первых, уравнения Максвелла описывают ситуацию в целом правильно. Во-вторых, если речь идет только о самом явлении, то существенно лишь относительное движение наблюдателя и объекта наблюдения. Эта истина, так называемый принцип относительности, воплощена в законе инерции Галилея и пронизывает всю схему механики Ньютона.

В конце 19 в. физики, к своему удивлению, обнаружили, что эти два положения математически не согласуются между собой и что можно утверждать либо одно, либо другое, но не то и другое одновременно. Теория эфира предлагала такой выход: электрический заряд, покоящийся в эфире и измеренный движущимся наблюдателем, не эквивалентен движущемуся заряду для неподвижного наблюдателя. А.Пуанкаре (1854–1912), исследовав такое предположение, понял, что оно привносит в законы электричества асимметрию, которая не отвечает ничему наблюдаемому в природе.

Выход указал в 1905 А.Эйнштейн замечательной теорией, названной им позднее частной (специальной) теорией относительности. Приняв за основу правильность уравнений Максвелла, Эйнштейн показал, что принцип относительности может быть сохранен, если радикально пересмотреть не подвергавшиеся на протяжении столетий сомнению фундаментальные понятия пространства и времени. Работа Эйнштейна стала частью системы образования нового блестящего поколения физиков, выросшего в 1920-х годах. Последующие годы не выявили в частной теории относительности каких-либо слабых мест.

Однако Эйнштейну не давало покоя то обстоятельство, ранее отмеченное Ньютоном, что вся идея относительности движения рушится, если ввести ускорение; в этом случае в игру вступают силы инерции, отсутствующие при равномерном и прямолинейном движении. Через десять лет после создания частной теории относительности Эйнштейн предложил новую, в высшей степени оригинальную теорию, в которой главную роль играет гипотеза искривленного пространства и которая дает единую картину явлений инерции и гравитации. В этой теории принцип относительности сохранен, но представлен в гораздо более общей форме, и Эйнштейну удалось показать, что его общая теория относительности с небольшими изменениями включает бóльшую часть ньютоновской теории тяготения, причем одно из этих изменений объясняет известную аномалию в движении Меркурия.

Кванты

Читателю уже известно, что для описания весьма и весьма многих материальных систем пригодна механика Ньютона, а для правильного описания всех электромагнитных полей необходима теория Максвелла. Теперь мы хотим показать, что в действительности эти два подхода – просто два крайних случая единой картины, называемой квантовой теорией. Как и теории Ньютона и Максвелла, это некая математическая схема, но гораздо более трудная для объяснения на нематематическом языке, поскольку квантовая теория не основывается на интуитивных представлениях, которые лишь уточнялись бы математикой. Для большей ясности в дальнейшем изложении мы откажемся от исторического подхода, т.к. ряд важных открытий был сделан в «неподходящее время» и в такой последовательности, которая затрудняет их понимание.

В 1887 Герц, изучая электромагнитное излучение, попутно сделал открытие, установив, что свет, падающий на металлическую поверхность, каким-то образом делает ее электрически заряженной. В последующие годы удалось выяснить, что свет выбивает из металла отрицательные электрические заряды. Ныне это явление называется фотоэлектрическим эффектом. В 1898 Дж.Дж.Томсон (1856–1940) установил, что отрицательные заряды переносятся микроскопическими частицами с массой, в тысячи раз меньшей массы любого атома. Томсон назвал эти частицы электронами. Далее, в основном благодаря усилиям Эйнштейна (1905), выяснилось, что свет имеет двойственную природу: это и частицы, называемые ныне фотонами, и волны. В разных экспериментах он ведет себя по-разному. Не располагая объяснением этого странного явления, физики принялись за поиск новых идей. Простейшую и, как оказалось в дальнейшем, наиболее плодотворную идею высказал Л.де Бройль (1892–1987). В 1924 он предложил распространить загадочную двойственность света и на материю и высказал предположение, что электрон должен обнаружить свои волновые свойства, если поставить эксперимент по интерференции электронов, аналогичный экспериментам по интерференции света, которые в свое время были проведены Т.Юнгом. Такие эксперименты вскоре были выполнены и дали предсказанные де Бройлем результаты. Кроме того, де Бройль предположил, что орбитальный электрон в теории Бора описывает вокруг ядра замкнутую волну, и выглядевшие до этого произвольными постулаты Бора для определения энергетических уровней атома водорода получили простое и естественное объяснение.

Напомним в связи с этим, что с момента своего появления в 1913 теория Бора оказалась почти бесплодной в объяснении количественных свойств атомов, отличных от атома водорода. Теперь настало время разрешить проблему строения атома, что и было сделано почти одновременно двумя физиками. В 1925 В.Гейзенберг (1901–1976) развил несколько громоздкий математический аппарат с трудно постижимым физическим смыслом, позволявший тем не менее быстро получать правильные ответы на некоторые вопросы, связанные со строением атома. В следующем году Э.Шрёдингер (1887–1961), исходя из гипотезы де Бройля о волнах материи, сделал практически то же, что в свое время сделал Максвелл в связи с гипотезой Юнга о волновой природе света: вывел полевые уравнения, позволявшие объяснить большинство атомных свойств. В 1927 Шрёдингер показал, что его теория, сильно отличавшаяся своими физическими допущениями от теории Гейзенберга, по своему математическому содержанию эквивалентна ей. Единство физических явлений с волновой точки зрения обусловлено тем, что свет и все другие формы материи можно представить в виде полей в пустом (в остальных отношениях) пространстве, описываемых некоторыми уравнениями, показывающими, как поля изменяются в пространстве и времени и как они взаимодействуют сами с собой и друг с другом. Различия же между светом и веществом с этой точки зрения связаны с особенностями математического представления различных полей и структурой полевых уравнений.

Теперь нам нужно объяснить корпускулярность полей. Труднее всего понять, каким образом поле, по самой своей сущности однородное и непрерывное, может проявлять себя как нечто дискретное и разрывное. В такой постановке проблема восходит к 1900, когда М.Планк (1858–1947) пытался объяснить интенсивность и цвет излучения, испускаемого раскаленным твердым телом. Он был вынужден допустить, что материальный объект, испускающий излучение с частотой n , делает это не непрерывно, как можно было бы ожидать, а малыми порциями – квантами, каждый из которых несет энергию Е , пропорциональную частоте. Если соотношение пропорциональности записать в виде E = hn , то оказывается, что коэффициент пропорциональности h имеет одно и то же значение для всех форм материи (ныне он называется постоянной Планка). В 1905 Эйнштейн воспользовался идеей Планка, объяснив фотоэлектрический эффект как результат столкновений фотонов с электронами, а в 1913 Бор в поисках объяснения дискретности частот излучения, испускаемого атомами, создал свою чисто механическую теорию, включив в нее гипотезу Планка о дискретности квантов и введя в различные формулы постоянную Планка h . Уравнения, выведенные де Бройлем, Гейзенбергом и Шрёдингером, содержали h , так что постоянная Планка стала своего рода символом дискретности природы. Выраженная в обычных единицах, величина h представляет собой очень малое число, и следовательно, дискретность лежит намного ниже уровня восприятия наших рецепторов, но тем не менее она участвует во всех процессах, сопровождающихся излучением или поглощением энергии – в возникновении и распространении света и звука, во взаимодействии частиц и многом другом. Дискретные порции энергии любого вида называются квантами, а вся теория, имеющая с ними дело, – квантовой теорией. Теория Гейзенберга и Шрёдингера называлась по-разному – квантовой или волновой механикой – в зависимости от того, какая точка зрения была принята. Кванты различных полей получили названия с окончанием -он : фотон для света, фонон для звука, электрон, протон, нейтрон и т.д.

Квантовая теория заставила физиков пересмотреть взгляды на все, что происходит в атомных масштабах, а также на многие обычные явления. Но ее самой глубокой новой идеей стало понятие неопределенности, которое мы не станем обсуждать здесь подробно. Скажем только, что оно утверждает существование некоторых пределов, в которых ни познание, ни объяснение физических явлений невозможны даже в принципе. В этих пределах все происходящее носит случайный характер в том смысле, что причинность в ее надлежащем понимании не действует. Однозначные причинные формулировки механистической картины мира в таких ситуациях уступают место статистическим утверждениям, дающим лишь вероятности, но не позволяющим абсолютно точно предсказать результаты конкретного эксперимента. Кажущаяся точность законов динамики в том виде, в каком их изложил Ньютон и придерживались его последователи, в квантовой теории предстает как прямое следствие статистического «закона больших чисел», согласно которому статистические утверждения тем точнее, чем больше выборка, на основании которой они сделаны.

В очень упрощенном виде ситуация с дуализмом вещество – поле на сегодня выглядит так: поле – основной способ описания материи, но у него есть аспекты дискретности, напоминающие о ньютоновской концепции вещества (и света) как субстанции, состоящей из малых частиц, взаимодействующих между собой. В атомном масштабе ситуация действительно очень отличается от той, которая представлялась Ньютону, поскольку проявляются неопределенности и нарушения причинности, но на макроуровне эти эффекты исчезают, что дает возможность предсказывать события с точностью пусть и не абсолютной, но вполне достаточной для любых практических целей. Таким образом, механистическая картина мира предстает перед ними как практическое следствие фундаментальной теории полей, хотя, если перейти на микроуровень, мы не можем теперь вслед за Левкиппом сказать, что «все имеет причину и является результатом необходимости». Мы не знаем, как будет выглядеть современная квантовая теория через сто лет, и хотя некоторым она кажется странной и непонятной, тем не менее она ни разу не пришла в противоречие с экспериментом, а область ее применимости все время расширяется.

СОВРЕМЕННАЯ ФИЗИКА

До 1940-х годов основные виды известной тогда материи выглядели довольно просто: атом состоял из электронов, движущихся вокруг массивного ядра; при некоторых условиях он испускал свет в форме квантов, называвшихся фотонами; ядра состояли из нейтронов и протонов (нуклонов), каждый из которых обладал массой, примерно в 1840 раз превышающей массу электрона; частица третьего типа с массой, промежуточной между массой электрона и протона, названная «мезоном», отвечала за взаимодействие частиц ядра (нуклонов), а фотон, квант электромагнитного поля, удерживал вместе электрон и ядро. В то время было естественно рассматривать все перечисленные выше частицы как элементарные формы материи, аналогичные элементам традиционной химии, из которых состоит все, что нас окружает. Однако с открытием в последнее время большого числа новых частиц зародилось сомнение в том, что все они действительно элементарны. Основные работы в этой очень трудной области физики ведутся в научно-исследовательских центрах, располагающих чрезвычайно дорогостоящими экспериментальными установками. В Соединенных Штатах это Брукхейвенская и Аргоннская национальные лаборатории, Национальная лаборатория ускорителей близ Чикаго, Станфордский линейный ускоритель, в Западной Европе – ЦЕРН, Европейский совет по ядерным исследованиям (European Council for Nuclear Research) в Женеве, объединяющий 12 стран. Несколько научно-исследовательских центров, возникших при больших ускорителях , имеется в России.

Главная задача фундаментального изучения материи состоит в том, чтобы как можно больше узнать о всех возможных ее формах, т.е. установить, какие бывают элементарные частицы и каковы их свойства, объяснить, почему наша Вселенная содержит именно эти, а не другие разновидности частиц. В 1970-х годах возникла теория, в которой элементарные частицы считались состоящими из еще более фундаментальных «кирпичиков» материи – кварков. Сначала кварков было всего три, затем их стало 12, а чуть позже – 15. Как это часто бывало в прошлом с другими теориями материи, с каждым таким расширением списка частиц усиливалось подозрение, что теория кварков при всей ее привлекательности все же не является подлинно фундаментальной.

Второе общее направление, которому следует в своем развитии фундаментальная физика сегодня, – это изучение форм материи, состоящих из большого числа связанных частиц. Одно из направлений такого рода исследований занимается изучением газов, частицы которых слабо связаны и основное время проводят в свободном полете. Если не считать поведения газов при экстремальных условиях (такого рода вопросы интересуют тех, кто, например, занимается изучением ракетных двигателей), в этой области знаний сейчас нет ни одного принципиального вопроса, на который нельзя было бы дать ответ.

Что касается жидкостей и твердых тел, то здесь предстоит выяснить еще многое. В частности, твердые тела обладают разнообразными механическими, электрическими и магнитными свойствами, для объяснения которых недостаточно знать, из каких частиц эти тела состоят, поскольку упомянутые свойства зависят также от их агрегатного состояния. Физика твердого тела – быстро развивающаяся область науки, и отчасти это связано с ее большим прикладным значением: так, транзисторы и другие полупроводниковые устройства, созданные как результат исследований и разработок в области физики твердого тела, произвели настоящую революцию в электронике. ТРАНЗИСТОР.

Еще одно состояние агрегации мы находим в атомном ядре. Поскольку ядро очень мало и его составляющие прочно связаны ядерными силами, оно представляет собой очень трудный объект для изучения, так что сведения о его структуре и типах внутриядерного движения весьма скудны. Исследования в этой области широко поддерживаются правительствами, поскольку ядерной энергии придется удовлетворять значительную часть энергетических потребностей человечества, когда иссякнут источники нефти и угля.

Наконец, упомянем о физике плазмы, одной из новых областей науки. Плазма – это раскаленный газ, состоящий из проводящих электричество ионов и электронов, но его поведение заметно отличается от поведения газа при обычных условиях. Если учесть, что все звезды и значительная часть межзвездного вещества – плазма, то получается, что во Вселенной в таком состоянии находится более 99% материи. Следовательно, для проникновения в тайны космоса необходимо как можно более полно исследовать свойства самой плазмы. Кроме того, для создания наиболее перспективных – термоядерных источников энергии, по-видимому, потребуется воспроизвести условия, царящие в недрах звезд.

До Второй мировой войны почти все значительные исследования в области физики выполнялись в университетских лабораториях, поддерживаемых университетскими фондами. После войны ситуация изменилась по трем причинам. Во-первых, создание новых экспериментальных установок стало для университетских бюджетов слишком дорогим делом, что привело к необходимости широкомасштабного участия государства в субсидировании научных программ. Во-вторых, правительства осознали необходимость поддержки научных исследований в собственных военных, экономических и политических целях. Это в особенности касается космических программ и исследований в области физики элементарных частиц, а также различных видов деятельности, связанных с решением энергетических проблем. В-третьих, коренным образом изменилось отношение деловых людей к науке: теперь большой бизнес во всем мире участвует в создании лабораторий, в которых проводятся серьезные исследования.

Все предпринимавшиеся ранее попытки предсказать будущее науки кончались провалом, однако очевидно, что мы можем ожидать большого прогресса в указанных выше направлениях. Ясно также, что в будущем появятся совершенно новые направления исследований, которые сейчас невозможно предвидеть, как невозможно было предсказать сто лет назад появление ядерной физики. Подлинно всеобъемлющая физическая теория позволит рассматривать с единой точки зрения процессы, протекающие во всех масштабах – от космического до субатомного. Ныне же, хотя нам известно многое, мы видим лишь интригующие фрагменты полной картины мира.

Литература:

Льоцци М. История физики . М., 1970
Роджерс Э.М. Физика для любознательных , тт. 1–3. М., 1972, 1973
Джеммер М. Эволюция понятий квантовой механики . М., 1985

Определение 1

Физика – это область естествознания, это наука о простейших и наиболее общих природных законах, о материи, ее движении и структуре. В основе всего естествознания лежат законы физики.

Впервые термин «физика» фигурирует в учениях Аристотеля, еще в $IV$ столетии до нашей эры. Изначально термин «философия» и термин «физика» были синонимами, поскольку в основе этих дисциплин было стремление объяснить законы Вселенной. Однако научная революция $XVI$ столетия привела к трансформации физики в отдельную дисциплину.

Предмет и значение физики в современном мире

Физика – это наука о естествознании, в общем смысле слова является частью природоведения. Предметом ее изучения является материя, в виде полей и вещества, а также общие формы ее движения. Также к предмету изучения физики можно отнести фундаментальные природные взаимодействия, которые управляют движением материи.

Общими для всех материальных систем являются некоторые закономерности, которые называются физическими законами. Часто физику называют фундаментальной наукой, поскольку иные естественные науки (биология, химия, геология) описывают только конкретные классы материальных систем, которые подчиняются физическим законам.

Предмет изучения химии – атомы, вещества, что состоят из них, а также превращение одних веществ в другие. Химические свойства любого вещества определяются физическими свойствами молекул и атомов, которые описываются в таких разделах физики, как электромагнетизм, термодинамика и квантовая физика.

Физика тесно связывается с математикой, поскольку она представляет механизм, при помощи которого физические законы могут формулироваться максимально точно. Все физические законы практически всегда формулируются в виде уравнений. Причем в данном случае используются наиболее сложные разделы математики, нежели в других науках. И наоборот, потребностями физической науки стимулировалось развитие большинства областей математики.

Значение физики в современном мире очень велико. Все, чем отличается нынешнее общество от общества прошлых столетий, возникло в результате применения физических открытий.

Исследования в сфере электромагнетизма привели к возникновению стационарных и мобильных телефонов. Благодаря открытиям термодинамики получилось создать автомобиль, а развитие электроники спровоцировало возникновение компьютерной техники. Фотоника дает возможность создать принципиально новые компьютеры и фотонную технику, которые стремительно замещают современную электронную технику и приспособления. А развитие газодинамики дало рождение самолетам и вертолетам.

Знание физических процессов, которые постоянно происходят в природе, углубляются и расширяются. Большая часть новых и современных открытий получает технико-экономическое применение, зачастую в промышленности.

Перед современными исследователями регулярно возникают новые задачи и загадки – всплывают явления, для объяснения которых необходимо разрабатывать новые физические теории. Несмотря на большой опыт приобретенных знаний, современная физика еще далека от того, чтобы объяснить все природные явления.

Общие научные основы методов физики разрабатываются в методологии науки и в теории познания.

Экспериментальная и теоретическая физика

В своей основе физика является экспериментальной наукой: все ее теории и законы опираются и основаны на опытных данных. Но, несмотря на это, именно новые теории – основная причина проведения новых экспериментов, в результате осуществления которых лежат новые открытия. Поэтому принято различать теоретическую и экспериментальную физику.

В основе экспериментальной физики лежит исследование явлений природы в тех условиях, которые были подготовлены заранее. В задачи данного вида физики входит обнаружение явлений, которые не были известны ранее, а также опровержение или подтверждение физических теорий. В физике большинство достижений были сделаны благодаря экспериментальному обнаружению физических явлений, которые не описываются существующими теориями.

Экспериментальное изучение фотографического эффекта стало одной из предпосылок создания квантовой механики.

Замечание 1

Хотя научным рождением квантовой механики считается появление гипотезы Планка, который выдвинул ее для разрешения ультрафиолетовой катастрофы, что была парадоксом классической теоретической физикой излучения.

Задачами теоретической физики являются формулировка общих природных законов, объяснение их на основе различных природных явлений, а также прогнозирование неизведанных до сих пор процессов. Достоверность физической теории можно проверить экспериментально: если его результаты совпадают с прогнозами теории, то она считается адекватной и точно описывающей конкретное явление. При изучении каждого явления или процесса одинаково важны и теоретическая, и экспериментальная физика.

Прикладная физика

Физика с самого своего рождения имела огромное прикладное значение, она развивалась вместе с механизмами, машинами, которые человечество использовало для своих нужд. Физика часто применяется в инженерных науках, большинство физиков были изобретателями. Механика, как раздел физики, была тесно связана с сопротивлением материалов и с теоретической механикой, как с главными инженерными науками.

Термодинамика связана с конструированием тепловых двигателей и теплотехникой. Электричество напрямую связано с электроникой и электротехникой, для развития и становления которой были важны исследования в сфере физики твердого тела. Благодаря достижениям ядерной физики возникла ядерная энергия. Данный список можно продолжать долго.

Также физика имеет широкие междисциплинарные связи. На границе химии, физики и инженерных наук возникает и быстро развивается такая отрасль, как материаловедение. Химией используются инструменты и методы, что приводит к становлению двух исследовательских направлений: химической физики и физической химии.

Широких оборотов набирает биофизика, которая является областью исследований на границе между физикой и биологией, в которой все биологические процессы рассматриваются из атомарной структуры органических веществ. Геофизика изучает геологические явления и их физическую природу. Медицина применяет такие методы, как ультразвуковое исследование и рентгеновское облучение. Ядерный магнитный резонанс используется для диагностики, лазеры – для лечения глазных заболеваний, а ядерное облучение – в онкологии.

Основные разделы физики

Макроскопическая физика подразделяется на:

Механика: классическая механика, релятивистская механика, а также механика сплошных сред (акустика, гидродинамика, механика твердого тела).
Термодинамика, которая включает в себя неравновесную термодинамику.
Оптика: физическая оптика, кристаллооптика, молекулярная и нелинейная оптика.
Электродинамика: сюда входит магнитогидродинамика, электрогидродинамика, а также электродинамика для сплошных сред.

Микроскопическая физика состоит из следующих разделов:

Атомная физика.
Статистическая физика: сюда входит статистическая механика, физическая кинетика, а также статистическая теория поля.
Физика конденсированных сред: физика жидкостей и твердого тела, физика наноструктур а также физика молекул и атомов.
Квантовая физика. В данный раздел входят такие подразделения: квантовая теория поля, квантовая механика, квантовая хромодинамика, квантовая электродинамика, а также теория струн.
Ядерная физика.
Физика высоких энергий.
Физика элементарных частиц.

Существуют также разделы физики, которые находятся на стыке наук:

Агрофизика.
Акустооптика.
Астрофизика.
Биофизика.
Гидрофизика.
Вычислительная физика.
Геофизика: сейсмология, петрофизика, геофизическая гидродинамика.
Математическая физика.
Космология.
Материаловедение.
Метрология.
Медицинская физика.
Радиофизика: статистическая и квантовая радиофизика.
Теория колебаний.
Техническая физика.
Химическая физика.
Физика плазмы и атмосферы.
Физическая химия.

Физика в переводе с древне греческого - «природа». Физика — это область естествознания, наука, которая изучает наиболее фундаментальные закономерности, определяющие общую структуру и эволюцию материального мира. Являясь одним из трех китов, на которых зиждется современная система мироустройства, физика, является наукой о природе в самом широком понимании этого слова! Кроме того, что она изучает материальные и энергетические параметры организации вселенной, она также ставит перед собой задачи пояснения и логического обоснования фундаментальных взаимодействий в природе, управляющих движением материи.

На самом деле, именно физика является основным двигателем технического прогресса человечества в целом. Не умаляя в этом заслуг и иных отраслей научной мысли, все же хочется упомянуть о таких величайших гениях рода человеческого как Исаак Ньютон, Альберт Эйнштейн, Никола Тесла и пр., и пр. Именно физики позволили человечеству сделать не просто шаг в направлении своего технического развития, но совершить гигантский скачок!!!

За последние 100 лет человек овладел энергией атома, повсеместно внедрил электричество во все сферы жизни, создал то, без чего вы не смогли бы прочитать эти строки - интернет, завоевал воздушное, водное и начал исследование подводного пространства нашей планеты. Создал супер-прочные материалы, обладающие невиданными до селе свойствами, вычислительные машины, выполняющие миллиарды логических операций в секунду, проник в бескрайние глубины человеческого мозга, увидел мельчайших обитателей нашей планеты, которых теперь мы называем вирусами, научился искусственно выращивать и трансплантировать человеческие органы и вырвался за пределы атмосферы планеты земля. Всего не перечесть. Но и этого я думаю достаточно, чтобы понять в полной мере, что же из себя представляет физическая наука.

Может возникнуть вопрос, - зачем физика нужна Вам? Позволим себе ответить на него опять же таки вопросом, - а зачем сороконожке ноги, птицам крылья, а растениям солнце? Правильно, - да потому, что без всего этого им не обойтись!!! :) Физика сегодня необходима нам как никогда раньше. Ведь вы используете законы физики каждый день, в своей повседневной жизни…- когда готовите еду, смотрите телевизор или же просто нежитесь в ванной. Законы Архимеда, законы, применяемые в оптике, или физические законы из раздела гидро-газо-динамики стали для нас чем-то на столько обыденным, что мы уже просто не обращаем на них своего внимания, а зря…Физика - это в первую очередь, возможность человека как можно более глубже познать окружающий его мир, упорядочить систему его мировосприятия и осознать себя неотъемлемой его частью!

Физическая наука всеобъемлюща в своем стремлении охватить как можно больше и как можно более детально описать то, что попадает в поле зрения ее апологетов, и поэтому с полным правом может претендовать на почетное звание королевы наук!

Хотя история физики как самостоятельной науки началась только в XVII веке, ее истоки относятся к самой глубокой древности, когда люди начали систематизировать первые свои знания об окружающем их мире. До Нового времени они относились к натуральной философии и включали в себя сведения о механике, астрономии и физиологии. Настоящая же история физики началась благодаря опытам Галилея и его учеников. Также фундамент этой дисциплины был заложен Ньютоном.

В XVIII и XIX столетии появились ключевые понятия: энергия, масса, атомы, импульс и т. д. В XX веке стала ясной ограниченность классической физики (помимо нее, зародилась квантовая физика, теория относительности, теория микрочастиц и т. д.). Естественнонаучные знания дополняются и сегодня, так как перед исследователями остается множество нерешенных проблем и вопросов о природе нашего мира и всей вселенной.

Древность

Многие языческие религии Древнего мира основывались на астрологии и знаниях звездочетов. Благодаря их исследованиям ночного неба произошло становление оптики. Накопление астрономических знаний не могло не повлиять на развитие математики. Однако теоретически объяснить причины природных явлений древние не могли. Жрецы приписывали молнии и солнечные затмения божественному гневу, что не имело ничего общего с наукой.

В то же время в Древнем Египте научились измерять длину, вес и угол. Эти знания были необходимы архитекторам при строительстве монументальных пирамид и храмов. Развивалась прикладная механика. Сильны в ней были и вавилоняне. Они же, основываясь на своих астрономических знаниях, стали использовать сутки для измерения времени.

Древнекитайская история физики началась в VII веке до н. э. Накопленный опыт в ремеслах и строительстве был подвергнут научному анализу, результаты которого были изложены в философских сочинениях. Самым известным их автором считается Мо-цзы, живший в IV столетии до н. э. Он предпринял первую попытку сформулировать основополагающий закон инерции. Уже тогда китайцы первыми изобрели компас. Они открыли законы геометрической оптики и знали о существовании камеры-обскуры. В Поднебесной появились зачатки теории музыки и акустики, о которых еще долгое время не подозревали на Западе.

Античность

Античная история физики больше всего известна благодаря греческим философам. Их исследования основывались на геометрических и алгебраических познаниях. Например, пифагорейцы первыми объявили о том, что природа подчиняется универсальным законам математики. Эту закономерность греки видели в оптике, астрономии, музыке, механике и других дисциплинах.

История развития физики с трудом представляется без трудов Аристотеля, Платона, Архимеда, Лукреция Кара и Герона. Их сочинения сохранились до наших времен в достаточно целостном виде. Греческие философы отличались от современников из других стран тем, что они объясняли физические законы не мифическими понятиями, а строго с научной точки зрения. В то же время у эллинов случались и крупные ошибки. К ним можно отнести механику Аристотеля. История развития физики как науки многим обязана мыслителям Эллады уже хотя бы тем, что их натурфилософия оставалась основой международной науки до XVII столетия.

Вклад александрийских греков

Демокрит сформулировал теорию атомов, согласно которой все тела состоят из неделимых и крохотных частиц. Эмпедокл предложил закон сохранения материи. Архимед заложил основы гидростатики и механики, изложив теорию рычага и подсчитав величину выталкивающей силы жидкости. Он же стал автором термина «центр тяжести».

Александрийский грек Герон считается одним из величайших инженеров в человеческой истории. Он создал паровую турбину, обобщил знания об упругости воздуха и сжимаемости газов. История развития физики и оптики продолжилась благодаря Евклиду, исследовавшему теорию зеркал и законы перспективы.

Средневековье

После падения Римской империи настал крах античной цивилизации. Многие знания были преданы забвению. Европа почти на тысячу лет остановилась в своем научном развитии. Храмами знаний стали христианские монастыри, которым удалось сохранить некоторые сочинения прошлого. Однако прогресс тормозила сама церковь. Она подчинила философию богословской доктрине. Мыслители, пытавшиеся выйти за ее пределы объявлялись еретиками и жестоко наказывались инквизицией.

На этом фоне первенство в естественных науках перешло к мусульманам. История возникновения физики у арабов связана с переводом на их язык трудов античных греческих ученых. На их основе мыслители востока сделали несколько собственных важных открытий. К примеру, изобретатель Аль-Джазири описал первый коленчатый вал.

Европейский застой продлился вплоть до Ренессанса. За Средние века в Старом Свете изобрели очки и объяснили возникновение радуги. Немецкий философ XV века Николай Кузанский первым предположил, что Вселенная бесконечна, и тем самым далеко опередил свое время. Через несколько десятилетий Леонардо да Винчи стал первооткрывателем явления капиллярности и закона трения. Также он пытался создать вечный двигатель, но не справившись с этой задачей, начал теоретически доказывать неосуществимость подобного проекта.

Ренессанс

В 1543 году польский астроном Николай Коперник опубликовал главный труд всей своей жизни «О вращении небесных тел». В этой книге впервые в христианском Старом Свете была произведена попытка защитить гелиоцентрическую модель мира, согласно которой Земля крутится вокруг Солнца, а не наоборот, как предполагала принятая церковью геоцентрическая модель Птолемея. Многие ученые физики и их открытия претендуют на звание великих, однако именно появление книги «О вращении небесных тел» считается началом научной революции, за которой последовало возникновение не только современной физики, но и современной науки в целом.

Другой знаменитый ученый Нового времени Галилео Галилей больше всего прославился изобретением телескопа (также ему принадлежит изобретение термометра). Кроме того, он сформулировал закон инерции и принцип относительности. Благодаря открытиям Галилея зародилась совершенно новая механика. Без него история изучения физики застопорилась бы еще на долгое время. Галилею, как и многим его широко мыслившим современникам, пришлось сопротивляться давлению церкви, из последних сил пытавшейся защитить старый порядок.

XVII столетие

Набравший ход рост интереса к науке продолжился и в XVII веке. Немецкий механик и математик стал первооткрывателем в Солнечной системе Свои взгляды он изложил в книге «Новая астрономия», изданной в 1609 году. Кеплер оппонировал Птолемею, заключив, что планеты движутся по эллипсам, а не по окружностям, как считалось еще в античности. Этот же ученый внес значительный вклад в развитие оптики. Он исследовал дальнозоркость и близорукость, выяснив физиологические функции хрусталика глаза. Кеплер ввел понятия оптической оси и фокуса, сформулировал теорию линз.

Француз Рене Декарт создал новую научную дисциплину - аналитическую геометрию. Также он предложил Главным трудом Декарта стала книга «Начала философии», изданная в 1644 году.

Немногие ученые-физики и их открытия известны так, как англичанин Исаак Ньютон. В 1687 году он написал революционную книгу «Математические начала натуральной философии». В ней исследователь изложил закон всемирного тяготения и три закона механики (также ставшие известными как Этот ученый работал над теорией цвета, оптикой, интегральными и дифференциальными исчислениями. История физики, история законов механики - все это тесно связано с открытиями Ньютона.

Новые рубежи

XVIII век подарил науке множество выдающихся имен. Особенно выделяется среди них Леонард Эйлер. Этот швейцарский механик и математик написал более 800 работ по физике и таким разделам, как математический анализ, небесная механика, оптика, теория музыки, баллистика и т. д. Петербургская академия наук признала его своим академиком, из-за чего Эйлер значительную часть жизни провел в России. Именно этот исследователь положил начало аналитической механике.

Интересно что история предмета физика сложилась такой, какой мы ее знаем, благодаря не только профессиональным ученым, но и исследователям-любителям, гораздо больше известным в совершенно другом качестве. Самым ярким примером такого самоучки стал американский политик Бенджамин Франклин. Он изобрел громоотвод, внес большой вклад в изучение электричества и сделал предположение о его связи с явлением магнетизма.

В конце XVIII столетия итальянец Алессандро Вольта создал «вольтов столб». Его изобретение стало первой электрической батарей в истории человечества. Этот век также ознаменовался появлением ртутного термометра, создателем которого был Габриэль Фаренгейт. Другим важным событием изобретательства оказалось изобретение паровой машины, произошедшее в 1784 году. Оно породило новые средства производства и перестройку промышленности.

Прикладные открытия

Если история начала физики развивалась исходя из того, что наука должна была объяснить причину природных явлений, то в XIX веке ситуация значительно изменилась. Теперь у нее появилось новое призвание. От физики стали требовать управления природными силами. В связи с этим стала ускоренно развиваться не только экспериментальная, но и прикладная физика. «Ньютон электричества» Андре-Мари Ампер ввел новое понятие электрического тока. В этой же области работал Майкл Фарадей. Он открыл явление электромагнитной индукции, законы электролиза, диамагнетизм и стал автором таких терминов, как анод, катод, диэлектрик, электролит, парамагнетизм, диамагнетизм и т. д.

Сложились новые разделы науки. Термодинамика, теория упругости, статистическая механика, статистическая физика, радиофизика, теория упругости, сейсмология, метеорология - все они формировали единую современную картину мира.

В XIX столетии возникли новые научные модели и понятия. обосновал закон сохранения энергии, Джеймс Клерк Максвелл предложил собственную электромагнитную теорию. Дмитрий Менделеев стал автором значительно повлиявшей на всю физику периодической системы элементов. Во второй половине века появилась электротехника и двигатель внутреннего сгорания. Они стали плодами прикладной физики, ориентированной на решение определенных технологических задач.

Переосмысление науки

В XX веке история физики, кратко говоря, перешла к тому этапу, когда наступил кризис уже устоявшихся классических теоретических моделей. Старые научные формулы начали противоречить новым данным. К примеру, исследователи выяснили, что скорость света не зависит от, казалось бы, незыблемой системы отсчета. На рубеже столетий были открыты требовавшие подробного объяснения явления: электроны, радиоактивность, рентгеновские лучи.

Вследствие накопившихся загадок произошел пересмотр старой классической физики. Ключевым событием в этой очередной научной революции стало обоснование теории относительности. Ее автором был Альберт Эйнштейн, впервые поведывавший миру о глубинной связи пространства и времени. Возник новый раздел теоретической физики - квантовая физика. В ее становлении приняли участие сразу несколько ученых с мировым именем: Макс Планк, Макс Бон, Пауль Эренфест и другие.

Современные вызовы

Во второй половине XX века история развития физики, хронология которой продолжается и сегодня, перешла на принципиально новый этап. Этот период ознаменовался расцветом исследования космоса. Небывалый скачок сделала астрофизика. Появились космические телескопы, межпланетные зонды, детекторы внеземных излучений. Началось детальное изучение физических данных различных тел Солнечной планеты. С помощью современной техники ученые обнаружили экзопланеты и новые светила, в том числе радиогалактики, пульсары и квазары.

Космос продолжает таить в себе множество неразгаданных загадок. Изучаются гравитационные волны, темная энергия, темная материя, ускорение расширения Вселенной и ее структура. Дополняется теория Большого взрыва. Данные, которые можно получить в земных условиях, несоизмеримо малы по сравнению с тем, сколько работы у ученых есть в космосе.

Ключевые проблемы, стоящие перед физиками сегодня, включают в себя несколько фундаментальных вызовов: разработку квантового варианта гравитационной теории, обобщение квантовой механики, объединение в одну теорию всех известных сил взаимодействия, поиск «тонкой настройки Вселенной», а также точное определение явления темной энергии и темной материи.