أهم الاتجاهات والاكتشافات في الفيزياء الحديثة. أبرز اكتشافات البشرية في مجال الفيزياء

يُطلق على إسحاق نيوتن أحد مبدعي الفيزياء الكلاسيكية. تفسر اكتشافاته العديد من الظواهر التي لم يتمكن أحد من كشف أسبابها من قبله.

تشكلت مبادئ الميكانيكا الكلاسيكية على مدى فترة طويلة من الزمن. لعدة قرون، حاول العلماء إنشاء قوانين حركة الأجسام المادية. وفقط نيوتن لخص كل المعرفة المتراكمة في ذلك الوقت حول حركة الأجسام المادية من وجهة نظر الميكانيكا الكلاسيكية. في عام 1867 نشر كتابه "المبادئ الرياضية للفلسفة الطبيعية". في هذا العمل، قام نيوتن بتنظيم كل المعرفة المتعلقة بالحركة والقوة التي أعدها غاليليو وهوجنز وعلماء آخرون أمامه، بالإضافة إلى المعرفة المعروفة له. وعلى أساس كل هذه المعرفة اكتشفوا قوانين الميكانيكا المعروفة وقانون الجاذبية الأرضية. تقيم هذه القوانين علاقات كمية بين طبيعة حركة الأجسام والقوى المؤثرة عليها.

قانون الجاذبية

هناك أسطورة مفادها أن نيوتن طُلب منه اكتشاف قانون الجاذبية من خلال ملاحظة تفاحة تسقط من الشجرة. على الأقل، يذكر هذا الأمر ويليام ستوكلي، كاتب سيرة نيوتن. يقولون أنه حتى في شبابه، تساءل نيوتن عن سبب سقوط التفاحة وليس على الجانب. لكنه تمكن من حل هذه المشكلة في وقت لاحق. لقد أثبت نيوتن أن حركة جميع الأجسام تخضع لقانون الجاذبية العام الذي يعمل بين جميع الأجسام.

"جميع الأجسام تتجاذب مع بعضها البعض بقوة تتناسب طرديا مع كتلتها وعكسيا مع مربع المسافة بينها."

تسقط التفاحة على الأرض تحت تأثير القوة التي تمارس بها الأرض جاذبيتها عليها. وأوضح نيوتن السرعة التي يتلقاها باستخدام قوانينه الثلاثة.

قانون نيوتن الأول

وقد صاغ نيوتن العظيم بنفسه هذا القانون على النحو التالي: "يظل كل جسم في حالة من السكون أو الحركة المنتظمة والمستقيمة حتى وما لم تجبره القوى المطبقة على تغيير هذه الحالة."

وهذا هو، إذا كان الجسم بلا حراك، فسيبقى في هذه الحالة حتى تبدأ بعض القوة الخارجية في التصرف عليه. وعليه، إذا تحرك الجسم بشكل منتظم ومستقيم فإنه يستمر في حركته حتى يبدأ تأثير قوة خارجية.

ويسمى قانون نيوتن الأول أيضًا بقانون القصور الذاتي. القصور الذاتي هو الحفاظ على سرعة الجسم عندما لا تؤثر عليه أي قوى.

قانون نيوتن الثاني

إذا كان قانون نيوتن الأول يصف كيف يتصرف الجسم إذا لم تؤثر عليه أي قوة، فإن القانون الثاني يساعد على فهم ما يحدث للجسم عندما تبدأ القوة في التأثير.

إن حجم القوة المؤثرة على الجسم يساوي حاصل ضرب كتلة الجسم والتسارع الذي يتلقاه الجسم عندما تبدأ القوة في التأثير عليه.

وفي الصورة الرياضية يبدو هذا القانون كما يلي:

أين F- القوة المؤثرة على الجسم؛

م- كتلة الجسم؛

أ- التسارع الذي يتلقاه الجسم تحت تأثير القوة المؤثرة.

يتضح من هذه المعادلة أنه كلما زاد حجم القوة المؤثرة على الجسم، زادت التسارع الذي يتلقاه. وكلما زادت كتلة الجسم الذي تعمل عليه هذه القوة، قل تسارع الجسم في حركته.

قانون نيوتن الثالث

ينص القانون على أنه إذا أثر الجسم A على الجسم B ببعض القوة، فإن الجسم B يؤثر بنفس القوة على الجسم A. بمعنى آخر قوة الفعل تساوي قوة رد الفعل.

على سبيل المثال، تؤثر قذيفة مدفع أُطلقت من مدفع على المدفع بقوة تساوي القوة التي يدفع بها المدفع قذيفة المدفع إلى الخارج. ونتيجة لهذه القوة، بعد إطلاق النار تتراجع البندقية.

ومن قوانينه العامة للحركة، استخلص نيوتن العديد من النتائج التي جعلت الميكانيكا النظرية شبه مثالية. قانون الجاذبية العالمي الذي اكتشفه يربط جميع الكواكب الموجودة على مسافة كبيرة من بعضها البعض في نظام واحد ووضع الأساس للميكانيكا السماوية التي تدرس حركة الكواكب.

لقد مر وقت طويل منذ أن وضع نيوتن قوانينه. لكن كل هذه القوانين لا تزال ذات صلة اليوم.

نشأة وتطور الفيزياء كعلم. الفيزياء هي واحدة من أقدم العلوم الطبيعية. كان الفيزيائيون الأوائل من المفكرين اليونانيين الذين حاولوا تفسير الظواهر الطبيعية المرصودة. وأعظم المفكرين القدماء هو أرسطو (384-322 ص. ق.م) الذي صاغ كلمة "<{>فاي؟" ("فوسيس")

ماذا تعني الطبيعة باللغة اليونانية؟ لكن لا تعتقد أن كتاب "الفيزياء" لأرسطو يشبه بأي حال من الأحوال كتب الفيزياء المدرسية الحديثة. لا! لن تجد فيه وصفًا واحدًا لتجربة أو جهاز، ولا رسمًا واحدًا أو رسمًا، ولا صيغة واحدة. يحتوي على تأملات فلسفية عن الأشياء، عن الزمن، عن الحركة بشكل عام. كانت جميع أعمال المفكرين العلميين في الفترة القديمة متشابهة. هكذا يصف الشاعر الروماني لوكريتيوس (ج. 99-55 ص. ق.م) حركة ذرات الغبار في شعاع الشمس في القصيدة الفلسفية «في طبيعة الأشياء»: من الفيلسوف اليوناني القديم طاليس (624-547 ص. قبل الميلاد ) نشأت معرفتنا بالكهرباء والمغناطيسية، ديموقريطس (460-370 ص. قبل الميلاد) هو مؤسس عقيدة بنية المادة، وكان هو الذي اقترح أن جميع الأجسام تتكون من أصغر الجزيئات - الذرات، إقليدس (III) أجرى أبحاثًا مهمة في مجال البصريات، القرن قبل الميلاد. كان أول من صاغ القوانين الأساسية للبصريات الهندسية (قانون الانتشار المستقيم للضوء وقانون الانعكاس)، ووصف عمل الأشكال المسطحة والكروية. مرايا.

من بين العلماء والمخترعين البارزين في هذه الفترة، يحتل المركز الأول أرخميدس (287-212 ص. قبل الميلاد). من أعماله "على توازن الطائرات"، "على الأجسام العائمة"، "على العتلات"، تبدأ فروع الفيزياء مثل الميكانيكا والهيدروستاتيكا في التطور. وكانت موهبة أرخميدس الهندسية الرائعة واضحة في الأجهزة الميكانيكية التي صممها.

من منتصف القرن السادس عشر. بدأت مرحلة جديدة نوعيًا في تطور الفيزياء - بدأ استخدام التجارب والاختبارات في الفيزياء. إحدى التجارب الأولى هي تجربة جاليليو في رمي قذيفة مدفع ورصاصة من برج بيزا المائل. واشتهرت هذه التجربة لأنها تعتبر “عيد ميلاد” الفيزياء كعلم تجريبي.

أصبحت الأعمال العلمية لإسحاق نيوتن قوة دافعة قوية لتشكيل الفيزياء كعلم. في عمله "المبادئ الرياضية للفلسفة الطبيعية" (1684)، قام بتطوير جهاز رياضي لشرح ووصف الظواهر الفيزيائية. وقد بُني ما يسمى بالميكانيكا الكلاسيكية (النيوتونية) على القوانين التي صاغها.

التقدم السريع في دراسة الطبيعة، واكتشاف الظواهر الجديدة وقوانين الطبيعة ساهم في تنمية المجتمع. منذ نهاية القرن الثامن عشر، أدى تطور الفيزياء إلى التطور السريع للتكنولوجيا. في هذا الوقت، ظهرت المحركات البخارية وتم تحسينها. وبسبب استخدامها على نطاق واسع في الإنتاج والنقل، تسمى هذه الفترة الزمنية "عصر الزوجين". في الوقت نفسه، تتم دراسة العمليات الحرارية بعمق، ويتم تمييز قسم جديد في الفيزياء - الديناميكا الحرارية. أكبر مساهمة في دراسة الظواهر الحرارية تنتمي إلى S. Carnot، R. Clausius، D. Joule، D. Mendeleev، D.Kelvin وغيرها الكثير.

"نحن محظوظون للغاية لأننا نعيش في عصر لا يزال من الممكن فيه تحقيق الاكتشافات. إنه مثل اكتشاف أمريكا، الذي يتم اكتشافه مرة واحدة وإلى الأبد. إن القرن الذي نعيش فيه هو قرن اكتشاف القوانين الأساسية للطبيعة، وهذه المرة لن تتكرر أبدا. هذا وقت رائع، وقت الإثارة والبهجة، لكن هذا سينتهي. وبطبيعة الحال، في المصالح المستقبلية سوف تكون مختلفة تماما. بعد ذلك، سيكونون مهتمين بالعلاقات بين الظواهر على مستويات مختلفة - بيولوجية، وما إلى ذلك، أو، إذا كنا نتحدث عن الاكتشافات، في دراسة الكواكب الأخرى، ولكن لا يزال هذا لن يكون هو نفسه ما نقوم به الآن. "

ريتشارد فاينمان، طبيعة القوانين الفيزيائية، م.، “العلم”، 1987، ص. 158.

"الآن أريد أن أخبركم عن فن تخمين قوانين الطبيعة. هذا هو الفن حقا. كيف يتم ذلك؟ لمحاولة الإجابة على هذا السؤال، يمكنك، على سبيل المثال، الرجوع إلى تاريخ العلم ومعرفة كيف فعل الآخرون ذلك. لهذا السبب سنتناول التاريخ.

تكوين الفيزياء (حتى القرن السابع عشر).لقد جذبت الظواهر الفيزيائية للعالم المحيط انتباه الناس منذ فترة طويلة. إن محاولات التفسير السببي لهذه الظواهر سبقت خلق الفلسفة بالمعنى الحديث للكلمة. في العالم اليوناني الروماني (القرن السادس قبل الميلاد - القرن الثاني الميلادي) ظهرت لأول مرة أفكار حول التركيب الذري للمادة (ديموقريطس، أبيقور، لوكريتيوس)، تم تطوير نظام مركزية الأرض للعالم (بطليموس)، وتم إنشاء أبسط القوانين تم اكتشاف الاستاتيكا (قاعدة الرافعة المالية)، وقانون الانتشار المستقيم وقانون انعكاس الضوء، وصياغة مبادئ الهيدروستاتيكا (قانون أرخميدس)، ولوحظت أبسط مظاهر الكهرباء والمغناطيسية.

نتيجة المعرفة المكتسبة في القرن الرابع. قبل الميلاد ه. لقد فشل أرسطو. لقد تضمنت فيزياء أرسطو بعض الأحكام الصحيحة، لكنها في الوقت نفسه كانت تفتقر إلى الكثير من الأفكار التقدمية التي كانت لدى أسلافها، ولا سيما الفرضية الذرية. إدراكًا لأهمية الخبرة، لم يعتبرها أرسطو المعيار الرئيسي لموثوقية المعرفة، مفضلاً الأفكار التأملية. في العصور الوسطى، أبطأت تعاليم أرسطو، التي طوبتها الكنيسة، تطور العلوم لفترة طويلة.

تم إحياء العلم فقط في القرنين الخامس عشر والسادس عشر. في الكفاح ضد تعاليم أرسطو المدرسية. في منتصف القرن السادس عشر. طرح ن. كوبرنيكوس نظامًا شمسيًا للعالم ووضع الأساس لتحرير العلوم الطبيعية من اللاهوت. حفزت احتياجات الإنتاج وتطوير الحرف اليدوية والشحن والمدفعية البحث العلمي القائم على الخبرة. ومع ذلك، في القرنين الخامس عشر والسادس عشر. وكانت الدراسات التجريبية في الغالب عشوائية. فقط في القرن السابع عشر. بدأ التطبيق المنهجي للمنهج التجريبي في الفيزياء، مما أدى إلى إنشاء أول نظرية فيزيائية أساسية - ميكانيكا نيوتن الكلاسيكية.

تشكيل الفيزياء كعلم (بداية القرن السابع عشر - نهاية القرن الثامن عشر).

ينشأ تطور علم وظائف الأعضاء كعلم بالمعنى الحديث للكلمة من أعمال ج. غاليليو (النصف الأول من القرن السابع عشر)، الذي فهم الحاجة إلى وصف رياضي للحركة. وأظهر أن تأثير الأجسام المحيطة على جسم معين لا يحدد السرعة، كما كان يعتقد في الميكانيكا الأرسطية، بل يحدد تسارع الجسم. يمثل هذا البيان الصياغة الأولى لقانون القصور الذاتي. اكتشف جاليليو مبدأ النسبية في الميكانيكا (انظر مبدأ النسبية لجاليليو) ، أثبت استقلالية تسارع السقوط الحر للأجسام عن كثافتها وكتلتها، مما أثبت نظرية كوبرنيكوس. حصل أيضًا على نتائج مهمة في مجالات أخرى من الفيزياء، حيث قام ببناء تلسكوب عالي التكبير وبمساعدته قام بعدد من الاكتشافات الفلكية (الجبال على القمر، والأقمار الصناعية لكوكب المشتري، وما إلى ذلك). بدأت الدراسة الكمية للظواهر الحرارية بعد أن اخترع جاليسم أول مقياس حرارة.

في النصف الأول من القرن السابع عشر. بدأت الدراسة الناجحة للغازات. أثبت طالب جاليليو إي. توريسيلي وجود الضغط الجوي وأنشأ أول مقياس ضغط جوي. قام R. Boyle و E. Marriott بدراسة مرونة الغازات وقاموا بصياغة قانون الغاز الأول الذي يحمل اسمهم. اكتشف دبليو سنيليوس ور. ديكارت قانون انكسار الضوء. وفي الوقت نفسه، تم إنشاء المجهر. تم اتخاذ خطوة مهمة إلى الأمام في دراسة الظواهر المغناطيسية في بداية القرن السابع عشر. دبليو جيلبرت. لقد أثبت أن الأرض ذات مغناطيس عظيم، وكان أول من ميز بدقة بين الظواهر الكهربائية والمغناطيسية.

الإنجاز الرئيسي لـ F. القرن السابع عشر. كان خلق الميكانيكا الكلاسيكية. تطوير أفكار غاليليو، H. Huygens وأسلافهم الآخرين، I. نيوتن في عمله "المبادئ الرياضية للفلسفة الطبيعية" (1687) صاغ جميع القوانين الأساسية لهذا العلم (انظر قوانين نيوتن للميكانيكا) . أثناء بناء الميكانيكا الكلاسيكية، تم تجسيد المثل الأعلى للنظرية العلمية، والذي لا يزال موجودًا حتى اليوم، لأول مرة. مع ظهور ميكانيكا نيوتن، أصبح من المفهوم أخيرًا أن مهمة العلم هي العثور على قوانين الطبيعة الأكثر عمومية والتي تمت صياغتها كميًا.

حققت الميكانيكا النيوتونية أعظم نجاحاتها في تفسير حركة الأجرام السماوية. استنادا إلى قوانين حركة الكواكب التي وضعها J. Kepler على أساس ملاحظات T. Brahe، اكتشف نيوتن قانون الجاذبية العالمية (انظر قانون نيوتن للجاذبية) . معوبمساعدة هذا القانون، كان من الممكن حساب حركة القمر والكواكب والمذنبات في النظام الشمسي بدقة ملحوظة، وتفسير مد وجزر المحيط. التزم نيوتن بمفهوم الفعل بعيد المدى، والذي بموجبه يحدث تفاعل الأجسام (الجسيمات) بشكل فوري ومباشر عبر الفراغ؛ يجب تحديد قوى التفاعل تجريبيا. لقد كان أول من صاغ بوضوح المفاهيم الكلاسيكية للفضاء المطلق كحاوية للمادة، مستقلة عن خصائصها وحركتها، والزمن المتدفق بشكل موحد. حتى إنشاء النظرية النسبية، لم تخضع هذه الأفكار لأي تغييرات.

كان لاكتشاف التيار الكهربائي بواسطة L. Galvani و A. Volta أهمية كبيرة لتطوير علم وظائف الأعضاء. إن إنشاء مصادر قوية للتيار المباشر - البطاريات الغلفانية - جعل من الممكن اكتشاف ودراسة التأثيرات المتنوعة للتيار. تم دراسة التأثير الكيميائي للتيار (G. Davy، M. Faraday). تلقى V. V. بيتروف قوسًا كهربائيًا. أثبت اكتشاف هونج كونج أورستد (1820) لتأثير التيار الكهربائي على إبرة مغناطيسية العلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية. بناءً على وحدة الظواهر الكهربائية والمغناطيسية، توصل أ. أمبير إلى استنتاج مفاده أن جميع الظواهر المغناطيسية ناتجة عن تحريك الجزيئات المشحونة - التيار الكهربائي. بعد ذلك، وضع أمبير تجريبيًا قانونًا يحدد قوة تفاعل التيارات الكهربائية (قانون أمبير). .

في عام 1831 اكتشف فاراداي ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي (انظر الحث الكهرومغناطيسي). . عند محاولة تفسير هذه الظاهرة باستخدام مفهوم العمل بعيد المدى، تمت مواجهة صعوبات كبيرة. طرح فاراداي فرضية (حتى قبل اكتشاف الحث الكهرومغناطيسي) يتم بموجبها إجراء التفاعلات الكهرومغناطيسية من خلال عامل وسيط - المجال الكهرومغناطيسي (مفهوم العمل قصير المدى). كان هذا بمثابة بداية تشكيل علم جديد حول خصائص وقوانين سلوك شكل خاص من المادة - المجال الكهرومغناطيسي.

حتى قبل اكتشاف هذا القانون، حصل س. كارنو في عمله "تأملات حول القوة الدافعة للنار وعلى الآلات القادرة على تطوير هذه القوة" (1824) على نتائج كانت بمثابة الأساس لقانون أساسي آخر للنظرية الحرارة - القانون الثاني للديناميكا الحرارية. تمت صياغة هذا القانون في أعمال ر. كلوزيوس (1850) ود. طومسون (1851). وهو تعميم البيانات التجريبية التي تشير إلى عدم رجعية العمليات الحرارية في الطبيعة، ويحدد اتجاه عمليات الطاقة المحتملة. لعبت الأبحاث التي أجراها J. L. Gay-Lussac دورًا مهمًا في بناء الديناميكا الحرارية، والتي على أساسها وجد B. Clapeyron معادلة حالة الغاز المثالي، والتي تم تعميمها لاحقًا بواسطة D. I. Mendeleev.

بالتزامن مع تطور الديناميكا الحرارية، تم تطوير النظرية الحركية الجزيئية للعمليات الحرارية. وهذا جعل من الممكن إدراج العمليات الحرارية في إطار الصورة الميكانيكية للعالم وأدى إلى اكتشاف نوع جديد من القوانين - القوانين الإحصائية التي تكون فيها جميع الروابط بين الكميات الفيزيائية احتمالية.

في المرحلة الأولى من تطور النظرية الحركية لأبسط الوسائط - الغاز - قام جول وكلوسيوس وآخرون بحساب القيم المتوسطة للكميات الفيزيائية المختلفة: سرعة الجزيئات، عدد تصادماتها في الثانية، المتوسط ​​الحر المسار، الخ. تم الحصول على اعتماد ضغط الغاز على عدد الجزيئات لكل وحدة حجم ومتوسط ​​الطاقة الحركية للحركة الانتقالية للجزيئات. وهذا جعل من الممكن الكشف عن المعنى المادي لدرجة الحرارة كمقياس لمتوسط ​​الطاقة الحركية للجزيئات.

بدأت المرحلة الثانية في تطوير النظرية الحركية الجزيئية بعمل جي سي ماكسويل. في عام 1859، بعد أن أدخل مفهوم الاحتمال لأول مرة في الفيزياء، وجد قانون توزيع الجزيئات حسب السرعة (انظر توزيع ماكسويل). . بعد ذلك، توسعت إمكانيات النظرية الحركية الجزيئية بشكل هائل وأدى في وقت لاحق إلى إنشاء الميكانيكا الإحصائية. قام L. Boltzmann ببناء نظرية حركية للغازات وقدم إثباتًا إحصائيًا لقوانين الديناميكا الحرارية. كانت المشكلة الرئيسية، التي تمكن بولتزمان من حلها إلى حد كبير، هي التوفيق بين الطبيعة القابلة للانعكاس بمرور الوقت لحركة الجزيئات الفردية مع عدم إمكانية الرجوع الواضحة للعمليات العيانية. وفقًا لبولتزمان، فإن التوازن الديناميكي الحراري لنظام ما يتوافق مع أقصى احتمال لحالة معينة. ترتبط عدم رجعة العمليات بميل الأنظمة إلى الحالة الأكثر احتمالية. وكانت النظرية التي أثبتها حول التوزيع الموحد لمتوسط ​​الطاقة الحركية على درجات الحرية ذات أهمية كبيرة.

تم الانتهاء من الميكانيكا الإحصائية الكلاسيكية في أعمال جيه دبليو جيبس ​​(1902)، الذي ابتكر طريقة لحساب وظائف التوزيع لأي نظام (وليس فقط الغازات) في حالة التوازن الديناميكي الحراري. حصلت الميكانيكا الإحصائية على اعتراف عام في القرن العشرين. بعد إنشاء A. Einstein وM. Smoluchowski (1905–06) استنادًا إلى النظرية الحركية الجزيئية للنظرية الكمية للحركة البراونية، والتي تم تأكيدها في تجارب J. B. Perrin.

في النصف الثاني من القرن التاسع عشر. أكمل ماكسويل العملية الطويلة لدراسة الظواهر الكهرومغناطيسية. وفي عمله الرئيسي “دراسة في الكهرباء والمغناطيسية” (1873)، وضع معادلات للمجال الكهرومغناطيسي (تحمل اسمه)، والتي أوضحت جميع الحقائق المعروفة في ذلك الوقت من وجهة نظر واحدة وجعلت من الممكن التنبؤ ظواهر جديدة. فسر ماكسويل الحث الكهرومغناطيسي على أنه عملية توليد مجال كهربائي دوامي بواسطة مجال مغناطيسي متناوب. بعد ذلك، تنبأ بالتأثير المعاكس - توليد مجال مغناطيسي بواسطة مجال كهربائي متناوب (انظر تيار الإزاحة). . وكانت النتيجة الأكثر أهمية لنظرية ماكسويل هي الاستنتاج بأن سرعة انتشار التفاعلات الكهرومغناطيسية محدودة، وتساوي سرعة الضوء. وأكد الاكتشاف التجريبي للموجات الكهرومغناطيسية بواسطة جي آر هيرتز (1886-1889) صحة هذا الاستنتاج. ويترتب على ذلك من نظرية ماكسويل أن الضوء له طبيعة كهرومغناطيسية. وهكذا أصبحت البصريات أحد فروع الديناميكا الكهربائية. في نهاية القرن التاسع عشر. اكتشف P. N. Lebedev تجريبيًا وقاس ضغط الضوء الذي تنبأت به نظرية ماكسويل، وكان A. S. Popov أول من استخدم الموجات الكهرومغناطيسية للاتصالات اللاسلكية.

لقد أظهرت التجربة أن مبدأ النسبية الذي صاغه غاليليو، والذي بموجبه تسير الظواهر الميكانيكية بشكل مماثل في جميع الأنظمة المرجعية بالقصور الذاتي، ينطبق أيضًا على الظواهر الكهرومغناطيسية. ولذلك، فإن معادلات ماكسويل لا ينبغي أن تغير شكلها (يجب أن تكون ثابتة) عند الانتقال من نظام مرجعي قصوري إلى آخر. ومع ذلك، فقد اتضح أن هذا صحيح فقط إذا كانت تحويلات الإحداثيات والوقت أثناء هذا التحول مختلفة عن التحولات الجاليلية الصالحة في ميكانيكا نيوتن. وجد لورنتز هذه التحولات (تحويلات لورنتز) , ولكن لم أستطع أن أعطيهم التفسير الصحيح. وهذا ما فعله أينشتاين في نظريته النسبية الخاصة.

أظهر اكتشاف النظرية النسبية الجزئية محدودية الصورة الميكانيكية للعالم. تبين أن محاولات تحويل العمليات الكهرومغناطيسية إلى عمليات ميكانيكية في وسط افتراضي - الأثير - لا يمكن الدفاع عنها. أصبح من الواضح أن المجال الكهرومغناطيسي هو شكل خاص من المادة، سلوكه لا يطيع قوانين الميكانيكا.

في عام 1916، طور أينشتاين النظرية النسبية العامة - النظرية الفيزيائية للمكان والزمان والجاذبية. شكلت هذه النظرية مرحلة جديدة في تطور نظرية الجاذبية.

في مطلع القرنين التاسع عشر والعشرين، حتى قبل إنشاء النظرية النسبية الخاصة، تم وضع بداية أعظم ثورة في مجال الفيزياء، المرتبطة بظهور وتطور نظرية الكم.

في نهاية القرن التاسع عشر. وتبين أن توزيع طاقة الإشعاع الحراري عبر الطيف، المستمد من قانون الفيزياء الإحصائية الكلاسيكية حول التوزيع الموحد للطاقة على درجات الحرية، يتناقض مع التجربة. ويترتب على ذلك من النظرية أن المادة يجب أن تبعث موجات كهرومغناطيسية في أي درجة حرارة، وتفقد الطاقة وتبرد إلى الصفر المطلق، أي أن التوازن الحراري بين المادة والإشعاع مستحيل. ومع ذلك، فإن التجربة اليومية تتناقض مع هذا الاستنتاج. تم العثور على الحل في عام 1900 من قبل م. بلانك، الذي أظهر أن نتائج النظرية تتفق مع التجربة، إذا افترضنا، على عكس الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية، أن الذرات تنبعث الطاقة الكهرومغناطيسية ليس بشكل مستمر، ولكن في أجزاء منفصلة - الكميات. طاقة كل كم من هذه الكمات تتناسب طرديًا مع التردد، ومعامل التناسب هو كم الفعل ح= 6.6×10 -27 erg× ثانية،والذي أصبح يعرف فيما بعد بثابت بلانك.

في عام 1905، قام أينشتاين بتوسيع فرضية بلانك، مشيرًا إلى أن الجزء المنبعث من الطاقة الكهرومغناطيسية ينتشر أيضًا ويتم امتصاصه ككل فقط، أي. يتصرف مثل الجسيم (سمي فيما بعد بالفوتون) . وبناء على هذه الفرضية، شرح أينشتاين قوانين التأثير الكهروضوئي التي لا تتناسب مع إطار الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية.

وهكذا، تم إحياء النظرية الجسيمية للضوء على مستوى نوعي جديد. يتصرف الضوء مثل تيار من الجسيمات (الجسيمات)؛ ومع ذلك، في الوقت نفسه، له أيضًا خصائص موجية، والتي تتجلى، على وجه الخصوص، في حيود الضوء وتداخله. وبالتالي، فإن الخصائص الموجية والجسيمية، غير المتوافقة من وجهة نظر الفيزياء الكلاسيكية، متأصلة في الضوء بنفس القدر (ازدواجية الضوء). أدى "تكميم" الإشعاع إلى استنتاج مفاده أن طاقة الحركات داخل الذرة لا يمكن أن تتغير إلا بشكل مفاجئ. تم التوصل إلى هذا الاستنتاج من قبل ن. بور في عام 1913.

في عام 1926، حاول شرودنجر الحصول على قيم منفصلة للطاقة الذرية من معادلة من النوع الموجي، وقام بصياغة المعادلة الأساسية لميكانيكا الكم، التي سميت باسمه. قام دبليو هايزنبرغ وبورن (1925) ببناء ميكانيكا الكم في شكل رياضي آخر - ما يسمى. ميكانيكا المصفوفة.

وفقًا لمبدأ باولي، فإن طاقة مجموعة الإلكترونات الحرة الكاملة في المعدن، حتى عند الصفر المطلق، تكون غير صفر. في حالة عدم الاستثارة، تكون جميع مستويات الطاقة، بدءًا من الصفر وتنتهي عند مستوى أقصى معين (مستوى فيرمي)، مشغولة بالإلكترونات. سمحت هذه الصورة لسومرفلد بشرح المساهمة الصغيرة للإلكترونات في السعة الحرارية للمعادن: عند تسخينها، يتم إثارة الإلكترونات القريبة فقط من مستوى فيرمي.

في أعمال F. Bloch وH. A. Bethe وL. Neel Ginzburg حول الديناميكا الكهربائية الكمومية. تعود المحاولات الأولى لدراسة بنية النواة الذرية بشكل مباشر إلى عام 1919، عندما حقق رذرفورد، من خلال قصف نوى النيتروجين المستقرة بجسيمات ألفا، تحولها الاصطناعي إلى نوى أكسجين. أدى اكتشاف النيوترون في عام 1932 من قبل ج. تشادويك إلى إنشاء نموذج البروتون النيوتروني الحديث للنواة (D. D. Ivanenko، Heisenberg). في عام 1934، اكتشف الزوجان I. وF. جوليو كوري النشاط الإشعاعي الاصطناعي.

إن إنشاء مسرعات الجسيمات المشحونة جعل من الممكن دراسة التفاعلات النووية المختلفة. وكانت أهم نتيجة لهذه المرحلة من الفيزياء اكتشاف انشطار النواة الذرية.

في عامي 1939-1945، تم إطلاق الطاقة النووية لأول مرة باستخدام التفاعل المتسلسل الانشطاري لـ 235 يو، وتم إنشاء القنبلة الذرية. يعود الفضل في استخدام تفاعل الانشطار النووي الخاضع للرقابة لـ 235 U للأغراض السلمية والصناعية إلى الاتحاد السوفييتي. في عام 1954، تم بناء أول محطة للطاقة النووية في الاتحاد السوفياتي (أوبنينسك). وفي وقت لاحق، تم إنشاء محطات طاقة نووية فعالة من حيث التكلفة في العديد من البلدان.

تم اكتشاف النيوترينوات والعديد من الجسيمات الأولية الجديدة، بما في ذلك الجسيمات غير المستقرة للغاية - الرنين، التي يبلغ متوسط ​​عمرها 10 -22 -10 -24 ثانية فقط. . أشارت قابلية التحويل المتبادل الشامل للجسيمات الأولية إلى أن هذه الجسيمات ليست أولية بالمعنى المطلق للكلمة، ولكن لها بنية داخلية معقدة لم يتم اكتشافها بعد. إن نظرية الجسيمات الأولية وتفاعلاتها (القوية والكهرومغناطيسية والضعيفة) هي موضوع نظرية المجال الكمي - وهي النظرية التي لا تزال بعيدة عن الاكتمال.

خلفية الفيزياء. الملاحظة الجسدية حدثت ظواهر في العصور القديمة. في ذلك الوقت، لم تكن عملية تراكم المعرفة الواقعية قد تم تمييزها بعد: فقد تطورت المفاهيم الفيزيائية والهندسية والفلكية معًا.

إن التراكم المنهجي للحقائق ومحاولات شرحها وتعميمها، والتي سبقت خلق الفيزياء (بالمعنى الحديث للكلمة)، حدث بشكل مكثف بشكل خاص في عصر الثقافة اليونانية الرومانية(القرن السادس قبل الميلاد - القرن الثاني الميلادي). خلال هذا العصر، ظهرت الأفكار الأولية حول التركيب الذري للمادة(ديمقريطس، أبيقور، لوكريتيوس)، تم إنشاء نظام مركزية الأرض للعالم (بطليموس)، وظهرت بدايات نظام مركزية الشمس (أرسطرخوس ساموس)، وبعضها بسيط قوانين الاستاتيكا(قواعد الرفع، مركز الثقل)، النتائج الأولى التي تم الحصول عليها البصريات التطبيقية(صنعت المرايا، واكتشف قانون انعكاس الضوء، واكتشفت ظاهرة الانكسار)، واكتشفت أبسط المبادئ الهيدروستاتيكا(قانون أرخميدس). إن أبسط ظواهر المغناطيسية والكهرباء كانت معروفة في العصور القديمة.

تعليم أرسطو (389 – 322 ق.م.) تلخيص معارف الفترة السابقة 1. تحولت تعاليم أرسطو، التي طوبتها الكنيسة، إلى كبح أمام مواصلة تطوير العلوم الفيزيائية. وبعد آلاف السنين من الركود والعقم، لم يتم إحياء الفيزياء إلا في القرنين الخامس عشر والسادس عشر. في الحرب ضد الفلسفة المدرسية. تم تحديد إحياء العلم بشكل أساسي من خلال احتياجات الإنتاج خلال فترة التصنيع. وقد ساهمت الاكتشافات الجغرافية العظيمة، ولا سيما اكتشاف أمريكا، في تراكم العديد من الملاحظات الجديدة والإطاحة بالتحيزات القديمة. أدى تطوير الحرف اليدوية والشحن والمدفعية إلى خلق حوافز للبحث العلمي. ركز الفكر العلمي على مشاكل البناء والهيدروليكا والمقذوفات، وزاد الاهتمام بالرياضيات. لقد خلق تطور التكنولوجيا فرصًا للتجريب. ليوناردو دافنشي طرح سلسلة كاملة من الأسئلة الفيزيائية وحاول حلها من خلال التجربة. وينسب إليه القول: "التجربة لا تخدع أبدًا، أحكامنا فقط هي التي تخدع" .

ومع ذلك، في القرون الخامس عشر والسادس عشر، كانت الملاحظات الفيزيائية الفردية والدراسات التجريبية طبيعة عشوائية. بدأ القرن السابع عشر فقط التطبيق المنهجي للطريقة التجريبيةفي الفيزياء والنمو المستمر للمعرفة الفيزيائية منذ ذلك الحين.

الفترة الأولى من تطور الفيزياء , يسمى كلاسيكي، يبدأ بالأعمال جاليليو جاليلي (1564 – 1642) . بالضبط كان جاليليو مبتكر الطريقة التجريبية في الفيزياء. تجربة مدروسة بعناية، وفصل العوامل الثانوية عن العامل الرئيسي في الظاهرة قيد الدراسة، والرغبة في إقامة علاقات كمية دقيقة بين معلمات الظاهرة - هذه هي طريقة غاليليو. وباستخدام هذه الطريقة، وضع جاليليو الأسس الأولية مكبرات الصوت. دحض جاليليو التصريحات الخاطئة لميكانيكا أرسطو: فهو، على وجه الخصوص، كان قادرا على إظهار أن السرعة ليست، ولكن التسارع هو نتيجة للتأثير الخارجي على الجسم. في عملي "محادثات وبراهين رياضية تتعلق بفرعين جديدين من العلوم..." (1638) ويدعم غاليليو هذا الاستنتاج بشكل مقنع، وهو ما يمثل الصيغة الأولى قانون القصور الذاتييزيل التناقضات المرئية. ويثبت بالتجربة ذلك إن تسارع السقوط الحر للأجسام لا يعتمد على كثافتها وكتلتها.وبالنظر إلى حركة الجسم المقذوف، يجد جاليليو قانون إضافة الحركاتويعبر بشكل أساسي عن الموقف بشأن استقلالية عمل القوات. توفر "المحادثات" أيضًا معلومات حول قوة الأجسام. كما قام بصياغة أفكار حول نسبية الحركة(مبدأ النسبية)، حركة الأجسام على طول مستوى مائل (في الواقع، اكتشف أول قانونين لنيوتن).

في أعمال جاليليو و بليز باسكال تم وضع الأسس الهيدروستاتيكا. قام جاليليو باكتشافات مهمة في مجالات أخرى من الفيزياء. ولأول مرة يؤكد تجريبيا ظاهرة التوتر السطحي التي تمت دراستها بعد ذلك بكثير. غاليليو يثري البصريات التطبيقيةأدى تلسكوبه ومقياس الحرارة الخاص به إلى دراسة كمية للظواهر الحرارية.

في النصف الأول من القرن السابع عشر، نشأت العقيدة الفيزيائية للغازات، والتي كانت لها أهمية عملية كبيرة. تلميذ جاليليو إي توريتشيلي يكتشف وجود ضغط الهواء ويخلق الأول بارومتر. يا جيريك يخترع مضخة هواء، وأخيراً يدحض المقولة الأرسطية حول "الخوف من الفراغ". ر. بويل وبعد ذلك بقليل إي ماريوت يدرسون مرونة الغازات ويكتشفون القانون المعروف باسمهم. V. سنيليوس (هولندا) و ر. ديكارت (فرنسا) اكتشف قانون انكسار الضوء. يعود تاريخ إنشاء المجهر إلى نفس الوقت. توفر الملاحظات المتعلقة بالمغناطيس (في ملاحة السفن) والكهرباء أثناء الاحتكاك معلومات قيمة في مجال الكهرباء الساكنة والمغناطيسية، والتي ينبغي التعرف على منشئها باعتباره عالم الطبيعة الإنجليزي دبليو جيلبرت .

كان النصف الثاني من القرن السابع عشر أكثر ثراءً بالأحداث. وضعت "محادثات" جاليليو الأساس للبحث أساسيات الميكانيكا. دراسة الحركة المنحنية ( عاشرا هيغنز ) أعد الافتتاح القانون الأساسي للميكانيكا- العلاقة بين القوة والكتلة والتسارع، صيغت لأول مرة أنا نيوتن في "المبادئ الرياضية للفلسفة الطبيعية" (1687) . كما أنشأ نيوتن القانون الأساسي لديناميات النظام (المساواة بين الفعل ورد الفعل)، والذي وجدت فيه الدراسات السابقة لتأثير الأجسام (H. Huygens) تعميمها. لأول مرة، تتبلور المفاهيم الأساسية للفيزياء... مفاهيم المكان والزمان.

واستنادا إلى قوانين حركة الكواكب التي وضعها كيبلر، صاغها نيوتن لأول مرة في كتابه المبادئ قانون الجاذبية العالميةالذي حاول العديد من علماء القرن السابع عشر العثور عليه. وأكد نيوتن هذا القانون من خلال حساب تسارع القمر في مداره بناءً على قيمة تسارع الجاذبية المقاسة في سبعينيات القرن السابع عشر. كما أوضح الاضطرابات في حركة القمر وسبب مد وجزر البحر. لا يمكن المبالغة في تقدير أهمية هذا الاكتشاف الذي قام به نيوتن. لقد أظهر للمعاصرين قوة العلم. هو - هي غيرت الصورة السابقة كاملة للكون.

في الوقت نفسه، X. Huygens و جي لايبنتز صياغة قانون الحفاظ على الزخم (سبق أن عبر عنها ديكارت بشكل غير دقيق) وقانون الحفاظ على القوى الحية. ابتكر هيغنز نظرية البندول الفيزيائي وقام ببناء ساعة ذات بندول. أحد العلماء المتنوعين في القرن السابع عشر ر. هوك (إنجلترا) يفتح المعروف باسمه قانون المرونة. م. ميرسين (فرنسا) تضع الأسس الصوتيات المادية; يدرس صوت الوتر ويقيس سرعة الصوت في الهواء.

خلال هذه السنوات، وبسبب الاستخدام المتزايد لمناظير الإكتشاف، كانت البصريات الهندسية تتطور بسرعة أساسيات البصريات الفيزيائية. واو جريمالدي (إيطاليا) عام 1665م يكتشف حيود الضوء. طور نيوتن نظريته في تشتت وتداخل الضوء. ويطرح فرضية الجسيمات الخفيفة. ينشأ التحليل الطيفي من دراسات نيوتن البصرية. يا رومر (الدنمارك) عام 1672 يقيس سرعة الضوء. يقوم هيغنز المعاصر لنيوتن بتطوير الأصل أساسيات البصريات الموجية، يصوغ مبدأ انتشار الموجات (الضوء) المعروف باسمه، ويستكشف ويشرح ظاهرة الانكسار المزدوج في البلورات 2.

هكذا، في القرن السابع عشر تم إنشاء أسس الميكانيكاوبدأت الأبحاث في أهم مجالات الفيزياء - في دراسة الكهرباء والمغناطيسية والحرارة والبصريات الفيزيائية والصوتيات.

في القرن ال 18 يستمر التطوير الإضافي لجميع مجالات الفيزياء. أصبحت الميكانيكا النيوتونية نظامًا واسعًا للمعرفة يغطي قوانين حركة الأجرام الأرضية والسماوية. من خلال العمالة إل أويلر ، فرنسي عالم أ. كليروت وما إلى ذلك يتم إنشاؤه الميكانيكا السماوية، إلى درجة الكمال العالية ب. لابلاس. أصبحت الميكانيكا في شكلها المتطور أساس تكنولوجيا الآلات في ذلك الوقت، ولا سيما المكونات الهيدروليكية.

وفي فروع الفيزياء الأخرى في القرن الثامن عشر، حدث تراكم إضافي للبيانات التجريبية، وتمت صياغة أبسط القوانين. يصوغ V. فرانكلين قانون حفظ الشحنة. تم إنشاؤه في منتصف القرن الثامن عشر أول مكثف كهربائي(Leyden jar of P. Muschenbroek في هولندا)، مما جعل من الممكن تراكم الشحنات الكهربائية الكبيرة، مما سهل دراسة قانون تفاعلها. تم اكتشاف هذا القانون، الذي هو أساس الكهرباء الساكنة، بشكل مستقل جي كافنديش و جي بريستلي (إنجلترا) و قلادة ش (فرنسا). نشأت مبدأ الكهرباء في الغلاف الجوي. دبليو فرانكلين عام 1752 وبعد عام إم في لومونوسوف و جي في ريتشمان درس تفريغات البرق وأثبت الطبيعة الكهربائية للبرق.

بدأ إنشاء القياس الضوئي في مجال البصريات: العلماء الإنجليز في هيرشل و دبليو ولاستون افتتح الأشعة تحت الحمراء، والعالم الألماني أنا ريتر - فوق بنفسجي. حفز تطور الكيمياء والمعادن التطور تعاليم عن الحرارة: تم صياغة مفهوم السعة الحرارية، وقياس السعات الحرارية للمواد المختلفة، وتأسيس قياس السعرات الحرارية. تنبأ لومونوسوف بوجود الصفر المطلق. بدأت الأبحاث حول التوصيل الحراري والإشعاع الحراري، ودراسة التمدد الحراري للأجسام. خلال نفس الفترة تم إنشاؤه وبدأ في التحسن محرك بخاري.

صحيح أن الحرارة تم تصورها على شكل سائل خاص عديم الوزن - السعرات الحراريةوبطريقة مماثلة، تم تفسير كهربة الأجسام باستخدام فرضية السائل الكهربائي، والظواهر المغناطيسية - بواسطة السائل المغناطيسي. بشكل عام، خلال القرن الثامن عشر، اخترقت نماذج السوائل التي لا يمكن قياسها جميع فروع الفيزياء. الغالبية العظمى من الباحثين لم يكن لديهم شك في وجودها! كان هذا نتيجة للاعتقاد بأن الظواهر الفيزيائية المختلفة - الحرارية والكهربائية والمغناطيسية والضوئية - ليست مرتبطة ببعضها البعض، مستقلة عن بعضها البعض. كان يعتقد أن كل ظاهرة لها "الناقل" الخاص بها، وهي مادة خاصة. فقط عدد قليل من العقول التقدمية، بما في ذلك أويلر ولومونوسوف، أنكروا وجود مادة عديمة الوزن ورأوا في الظواهر الحرارية وخصائص الغازات الحركة الخفية ولكن المستمرة لأصغر الجسيمات. وفي هذا الاختلاف في الرأي كان هناك اختلاف "صور العالم" المادية - نيوتونيةو الديكارتي، والتي نشأت في القرن السابع عشر.

اعتبر أتباع ديكارت (كارتيسيوس) جميع الظواهر الفيزيائية بمثابة حركات مختلفة لنفس المادة الأولية، خصائصها الوحيدة هي الامتداد والقصور الذاتي. كان يعتقد أنه نتيجة للحركات والاصطدامات المختلفة لأجزاء من المادة الأولية، تتشكل جزيئات المادة (الجسيمات) ذات الأحجام والأشكال المختلفة، والتي تتحرك بينها جزيئات الشكل الأكثر دقة للمادة - الأثير. رأى أتباع ديكارت مهمة الفيزياء في خلق نماذج ميكانيكية بحتة للظواهر. الجاذبية العالمية، والتفاعلات الكهربائية والمغناطيسية، والتفاعلات الكيميائية - تم تفسير كل شيء من خلال دوامات مختلفة في الأثير، والتي تربط أو تفصل جزيئات المادة.

ومع ذلك، فقد قوبلت هذه الصورة للعالم بالاعتراضات في وقت مبكر من منتصف القرن السابع عشر. لقد أظهر نيوتن عدم رضاه بشكل أكثر إقناعًا في كتابه المبادئ. أثبت نيوتن أن تفسير الجاذبية العالمية الذي قدمه الديكارتيون يتناقض مع الحقائق: فالدوامات في الأثير، والتي، وفقًا لديكارت، تملأ النظام الشمسي بالكامل وتحمل الكواكب معها، تستبعد إمكانية المرور الحر للمذنبات عبر الكون. النظام الشمسي دون أن تفقد حركتها.

صورة العالم لنيوتنيقوم على فكرة الذرات التي يفصلها الفراغ وتتفاعل بشكل فوري من خلال الفراغ مع قوى الجذب أو التنافر (الفعل بعيد المدى). القوى، وفقا لنيوتن، هي الخاصية الأولية والأصلية لأنواع معينة من الجسيمات; إن القوة مثل الجاذبية هي سمة مميزة لجميع جزيئات المادة. وخلافًا للديكارتيين، رأى نيوتن أنه من الممكن عدم إمكانية حفظ الحركة الميكانيكية في الطبيعة. رأى نيوتن المهمة الرئيسية للفيزياء هي إيجاد قوى التفاعل بين الأجسام. ولم يستبعد وجود الأثير، بل اعتبره غازًا رقيقًا مرنًا يملأ مسام الأجسام ويتفاعل مع المادة.

استمر الصراع بين الأفكار النيوتونية والديكارتية قرابة قرنين من الزمان. تم تفسير نفس قوانين الطبيعة بشكل مختلف من قبل أنصار هذين الاتجاهين. في القرن ال 18 انتصرت آراء نيوتن في الفيزياءوكان لها تأثير عميق على مزيد من التطوير. لقد ساهموا تنفيذ الأساليب الرياضية في الفيزياء. وفي الوقت نفسه، تم تعزيزها لمدة 100 عام فكرة العمل بعيد المدى. انتعشت الميول الديكارتية مرة أخرى في النصف الثاني من القرن التاسع عشر، بعد إنشاء النظرية الموجية للضوء، واكتشاف المجال الكهرومغناطيسي وقانون حفظ الطاقة.

الفترة الثانية من تاريخ الفيزياء يبدأ في العقد الأول من القرن التاسع عشر. وفي القرن التاسع عشر تمت أهم الاكتشافات والتعميمات النظرية التي أعطت للفيزياء طابعها علماً جامعاً واحداً. يتم التعبير عن وحدة العمليات الفيزيائية المختلفة في قانون حفظ الطاقة. وقد لعب الدور الحاسم في الإعداد التجريبي لهذا القانون فتح التيار الكهربائيودراسة أفعالها المتنوعة، وكذلك دراسة التحولات المتبادلة بين الشغل الحراري والميكانيكي. في عام 1820 إتش كيه أورستد (الدنمارك) اكتشف تأثير التيار الكهربائي على الإبرة المغناطيسية. كانت تجربة أورستد بمثابة حافز للبحث أ. أمبيرا، د. أراجو إلخ. أصبح قانون تفاعل التيارين الكهربائيين، الذي وجده أمبير، هو الأساس الديناميكا الكهربائية. وبمشاركة حيوية من باحثين آخرين، اكتشف أمبير ذلك بسرعة العلاقة بين الظواهر المغناطيسية والكهربائية، مما يؤدي في النهاية إلى تقليل المغناطيسية إلى تصرفات التيارات. لذا توقفت فكرة السوائل المغناطيسية عن الوجود. في عام 1831، اكتشف فاراداي الحث الكهرومغناطيسي، وبذلك حقق خطته: "تحويل المغناطيسية إلى كهرباء".

في هذه المرحلة من التطور زاد التأثير المتبادل للفيزياء والتكنولوجيا بشكل ملحوظ. طرح تطور تكنولوجيا البخار العديد من المشاكل للفيزياء. الدراسات الفيزيائية للتحول المتبادل للطاقة الميكانيكية والحرارة، وبلغت ذروتها خلق الديناميكا الحرارية، كان بمثابة الأساس لتحسين المحركات الحرارية. بعد اكتشاف التيار الكهربائي وقوانينه تطور الهندسة الكهربائية(اختراع التلغراف، التشكيل الكهربائي، الدينامو) والذي بدوره ساهم في التقدم الديناميكا الكهربائية.

في النصف الأول من القرن التاسع عشر تنهار فكرة المواد عديمة الوزن. وقد تم إنجاز هذه العملية ببطء وبصعوبة كبيرة. تم إحداث الثغرة الأولى في النظرة المادية للعالم التي كانت سائدة آنذاك بواسطة النظرية الموجية للضوء(عالم إنجليزي تي يونج ، فرنسي العلماء O. فريسنل ود.أراجو ) 3 . إن مجموعة ظواهر التداخل والحيود والاستقطاب للضوء بأكملها، وخاصة ظاهرة تداخل الأشعة المستقطبة، لا يمكن تفسيرها نظريًا من وجهة نظر جسيمية، وفي الوقت نفسه وجدت تفسيرًا كاملاً في النظرية الموجية، وفقًا لـ وهو الضوء عبارة عن موجات عرضية تنتشر في وسط (في الهواء). وهكذا، تم رفض المادة الخفيفة في وقت مبكر من العقد الثاني من القرن التاسع عشر.

أكثر دوامابالمقارنة مع المادة الخفيفة والسائل المغناطيسي، تحولت إلى فكرة السعرات الحرارية. على الرغم من التجارب ب. رومفورد والتي أثبتت إمكانية الحصول على كمية غير محدودة من الحرارة من خلال الأعمال الميكانيكية، كانت تتناقض بشكل واضح مع فكرة وجود مادة حرارية خاصة، وقد استمرت هذه الأخيرة حتى منتصف القرن؛ ويبدو أنه بمساعدتها فقط يمكن تفسير الحرارة الكامنة للانصهار والتبخر. يعود الفضل في إنشاء النظرية الحركية، التي تعود بداياتها إلى زمن لومونوسوف ود. بيرنولي، إلى العلماء الإنجليز ج. جول، دبليو. طومسون (كلفن) والعالم الألماني ر. كلوزيوس .

وهكذا، نتيجة للتجارب المتعددة الجوانب والطويلة، في ظل ظروف صراع صعب مع الأفكار التي عفا عليها الزمن، تم إثبات قابلية التغيير المتبادل لمختلف العمليات الفيزيائية، وبالتالي وحدة جميع الظواهر الفيزيائية المعروفة آنذاك.

مباشر دليل على الحفاظ على الطاقةلأي تحولات فيزيائية وكيميائية تم تقديمها في الأعمال يو.ماير (ألمانيا)، جي جول و جي هيلمهولتز . بعد أن حصل قانون الحفاظ على الطاقة على اعتراف عالمي (في الخمسينيات من القرن التاسع عشر)، أصبح حجر الزاوية في العلوم الطبيعية الحديثة. قانون حفظ الطاقة ومبدأ تغير الانتروبيا [ر. كلاوسيوس، دبليو طومسون (كلفن)] شكل الأساس الديناميكا الحرارية; وعادة ما يتم صياغتهما على شكل القانونين الأول والثاني للديناميكا الحرارية.

وإثبات تكافؤ الحرارة والشغل يؤكد قول الحرارة مثل الحركة المضطربة للذرات والجزيئات. تم إنشاؤه من خلال أعمال جول وكلوزيوس وماكسويل وبولتزمان وآخرين النظرية الحركية للغازات. بالفعل في المراحل الأولى من تطور هذه النظرية، عندما كانت الجزيئات لا تزال تعتبر كرات صلبة مرنة، كان من الممكن الكشف عن المعنى الحركي لهذه الكميات الديناميكية الحرارية مثل درجة الحرارة والضغط. أتاحت النظرية الحركية للغازات حساب متوسط ​​مسافات سفر الجزيئات وأحجام الجزيئات وعددها لكل وحدة حجم.

أدت فكرة وحدة جميع العمليات الفيزيائية في النصف الثاني من القرن التاسع عشر إلى إعادة هيكلة جذرية لجميع الفيزياء، وتوحيدها في قسمين كبيرين- فيزياء المادةو الفيزياء الميدانية. كان أساس الأول هو النظرية الحركية، والثاني - عقيدة المجال الكهرومغناطيسي.

النظرية الحركية تعمل بالقيم المتوسطة لأول مرة أدخل طرق نظرية الاحتمالات في الفيزياء. كان بمثابة نقطة انطلاق الفيزياء الإحصائية- واحدة من النظريات الفيزيائية الأكثر عمومية. تم تنظيم أسس الفيزياء الإحصائية بالفعل على عتبة القرن العشرين من قبل العالم الأمريكي جي جيبس .

وكان على نفس القدر من الأهمية الأساسية اكتشاف المجال الكهرومغناطيسي وقوانينه. كان خالق عقيدة المجال الكهرومغناطيسي م. فاراداي . وكان أول من عبر عن فكرة أن التأثيرات الكهربائية والمغناطيسية لا تنتقل مباشرة من شحنة إلى أخرى، بل تنتشر عبر وسط وسيط. كانت آراء فاراداي في الميدان تم تطويره رياضيا من قبل ماكسويلفي الستينيات من القرن التاسع عشر، الذي تمكن من تقديم نظام كامل من المعادلات للمجال الكهرومغناطيسي. أصبحت نظرية المجال ثابتة مثل الميكانيكا النيوتونية.

تؤدي نظرية المجال الكهرومغناطيسي إلى فكرة السرعة المحدودة لانتشار الإجراءات الكهرومغناطيسية، التي عبر عنها ماكسويل (التي توقعها فاراداي في وقت سابق). هذه الفكرة مكنت ماكسويل من التنبؤ بالوجود موجات كهرومغناطيسية. كما خلص ماكسويل إلى ذلك الطبيعة الكهرومغناطيسية للضوء. دمجت النظرية الكهرومغناطيسية للضوء بين الكهرومغناطيسية والبصريات.

ومع ذلك، فإن نظرية المجال الكهرومغناطيسي لم تصبح مقبولة بشكل عام إلا بعد الفيزيائي الألماني جي هيرتز اكتشف تجريبيًا الموجات الكهرومغناطيسية وأثبت أنها تتبع نفس قوانين الانكسار والانعكاس والتداخل التي تتبعها موجات الضوء.

في النصف الثاني من القرن التاسع عشر، زاد دور الفيزياء في التكنولوجيا بشكل ملحوظ. وقد وجدت الكهرباء التطبيق ليس فقط كوسيلة للاتصال (التلغراف والهاتف)، ولكن أيضا كوسيلة لنقل وتوزيع الطاقة وكمصدر للإضاءة. وفي نهاية القرن التاسع عشر، تم استخدام الموجات الكهرومغناطيسية للاتصالات اللاسلكية ( إيه إس بوبوف، ماركوني ) والتي كانت بمثابة بداية الاتصالات اللاسلكية. ساهمت الديناميكا الحرارية التقنية في تطوير محركات الاحتراق الداخلي. نشأت تكنولوجيا درجات الحرارة المنخفضة. في القرن التاسع عشر، كانت جميع الغازات مسالة، باستثناء الهيليوم، الذي تم الحصول عليه في حالة سائلة فقط في عام 1908 (الفيزيائي الهولندي جي كامرلينج-أونيس ).

بدت الفيزياء بحلول نهاية القرن التاسع عشر شبه كاملة بالنسبة للمعاصرين. لقد تم تأسيس هذا المفهوم الحتمية الميكانيكيةلابلاس، استنادًا إلى إمكانية تحديد سلوك النظام بشكل لا لبس فيه في أي وقت، إذا كانت الشروط الأولية معروفة. بدا للكثيرين أن الظواهر الفيزيائية يمكن اختزالها في ميكانيكا الجزيئات والأثير، لأن تفسير الظواهر الفيزيائية كان يعني في ذلك الوقت اختزالها في نماذج ميكانيكية، يمكن الوصول إليها بسهولة على أساس الخبرة اليومية. النظرية الميكانيكية للحرارة والأثير المرن (أو الدوامة) كنموذج للظواهر الكهرومغناطيسية - هكذا كانت تبدو حتى نهاية القرن التاسع عشر الصورة المادية للعالم. بدا الأثير مشابهًا للمادة في عدد من خصائصه، لكنه، على عكس المادة، عديم الوزن أو شبه عديم الوزن (أدت بعض الحسابات إلى وزن كرة من الأثير، مساوية في الحجم للأرض، عند 13 درجة). كلغ).

ومع ذلك، واجهت النماذج الميكانيكية تناقضات أكبر كلما تمت محاولة تطويرها وتطبيقها بشكل أكثر تفصيلاً. نماذج الأنابيب الدوامة الأثيرية التي تم إنشاؤها لشرح الحقول المتناوبة لم تكن مناسبة لشرح المجالات الكهربائية الثابتة. على العكس من ذلك، لم تفسر نماذج المجال الثابت المختلفة إمكانية انتشار الموجات الكهرومغناطيسية. أخيرًا، لم يتمكن أي نموذج من الأثير من شرح ارتباط المجال بالشحنات المنفصلة بوضوح. كما تبين أن النماذج الميكانيكية المختلفة للذرات والجزيئات (على سبيل المثال، نموذج دوامة الذرة الذي اقترحه دبليو. طومسون) كانت غير مرضية.

استحالة اختزال جميع العمليات الفيزيائية إلى عمليات ميكانيكيةأثارت الرغبة لدى بعض علماء الفيزياء والكيميائيين بشكل عام يرفضون الاعتراف بحقيقة الذرات والجزيئات، يرفضون حقيقة المجال الكهرومغناطيسي. إي ماخ أعلن أن مهمة الفيزياء هي "وصف خالص" للظواهر. عالم ألماني في أوستوالد عارض النظرية الحركية والذرية لصالح ما يسمى ب طاقة --الديناميكا الحرارية العالمية والظاهرية البحتة، باعتبارها النظرية الوحيدة الممكنة للظواهر الفيزيائية.

الفترة الثالثة (الحديثة) في تاريخ الفيزياء , مدبلجة غير كلاسيكيةأو الفيزياء النسبية الكمومية، يبدأ في السنوات الأخيرة من القرن التاسع عشر. هذا تتميز هذه الفترة باتجاه الفكر البحثي إلى عمق المادة وإلى بنيتها المجهرية. تبدأ حقبة جديدة في تاريخ الفيزياء مع كشف الالكترونوالبحث في فعله وخصائصه (إنجليزي. عالم ج. طومسون ، عالم هولندي جي لورينز ).

وقد لعبت دراسات التصريفات الكهربائية في الغازات الدور الأكثر أهمية. اتضح أن الإلكترون هو جسيم أولي له كتلة معينة وله أصغر شحنة كهربائية وهو جزء من ذرة أي عنصر كيميائي. هذا يعني ذلك الذرة ليست أولية، بل هي نظام معقد. لقد ثبت أن عدد الإلكترونات الموجودة في الذرة وتوزيعها بين الطبقات والمجموعات يحدد الخصائص الكهربائية والضوئية والمغناطيسية والكيميائية للذرة؛ تعتمد قابلية استقطاب الذرة وعزمها المغناطيسي وأطيافها الضوئية والأشعة السينية والتكافؤ على بنية الغلاف الإلكتروني.

ترتبط ديناميكيات الإلكترونات وتفاعلها مع مجال الإشعاع بإنشاء النظريات الأكثر عمومية في الفيزياء الحديثة - النظرية النسبية وميكانيكا الكم.

أدت دراسة حركات الإلكترونات السريعة في المجالات الكهربائية والمغناطيسية إلى استنتاج مفاده أن الميكانيكا النيوتونية الكلاسيكية لا تنطبق عليها. تبين أن السمة الأساسية لجسيم مادي مثل الكتلة ليست ثابتة، ولكنها متغيرة، اعتمادًا على حالة حركة الإلكترون. كان انهيار مفاهيم الحركة وخصائص الجسيمات المتجذرة في الفيزياء.

تم العثور على طريقة للخروج من التناقضات أ. أينشتاين ، الذي ابتكر (في عام 1905) نظرية فيزيائية جديدة للمكان والزمان، نظرية النسبية. وفي وقت لاحق تم إنشاؤه من قبل أينشتاين (في عام 1916) النظرية النسبية العامةالتي غيرت عقيدة الجاذبية القديمة

وكان التعميم على نفس القدر من الأهمية والفعالية للحقائق والقوانين المادية ميكانيكا الكمتم إنشاؤه في نهاية الربع الأول من القرن العشرين نتيجة لدراسات تفاعل الإشعاع مع جزيئات المادة ودراسة حالات الإلكترونات داخل الذرة. الفكرة الأولية لميكانيكا الكم هي ذلك جميع الجسيمات الدقيقة لها طبيعة موجة جسيمية مزدوجة.

لقد أثبتت هذه الأفكار الجذرية الجديدة حول الجسيمات الدقيقة أنها مثمرة وقوية للغاية. استطاعت نظرية الكم أن تشرح خصائص الذرات والعمليات التي تحدث فيها، وتكوين الجزيئات وخصائصها، وخصائص الأجسام الصلبة، وأنماط الإشعاع الكهرومغناطيسي.

القرن العشرين. يحتفل به في الفيزياء تطور قوي طرق البحث التجريبيةو تكنولوجيا القياس. اكتشاف وحصر الإلكترونات الفردية والجسيمات النووية والكونية، تحديد ترتيب الذرات وكثافة الإلكترون في البلورات وفي الجزيء الفردي، قياسات الفترات الزمنية في حدود 10 -10 ثواني، مراقبة حركة الذرات المشعة في المادة - كل هذا يميز القفزة التي حدثت في قياس التكنولوجيا في العقود القليلة الماضية.

إن وسائل البحث والإنتاج غير المسبوقة من حيث القوة والحجم التي تم استهدافها دراسة العمليات النووية. لقد أدت السنوات الخمس والعشرون الأخيرة من الفيزياء النووية، التي ارتبطت ارتباطًا وثيقًا بالأشعة الكونية، ثم مع إنشاء مسرعات قوية، إلى ثورة تقنية وخلقت طرق بحث جديدة ودقيقة بشكل استثنائي ليس فقط في الفيزياء، ولكن أيضًا في الكيمياء والبيولوجيا والجيولوجيا. وفي مجموعة واسعة من مجالات التكنولوجيا والزراعة.

وبناء على ذلك، مع نمو البحوث الفيزيائية ومع تزايد تأثيرها على العلوم الطبيعية والتكنولوجيا الأخرى، بشكل حاد زاد عدد المجلات والكتب الفيزيائية.في نهاية القرن التاسع عشر، في ألمانيا وإنجلترا والولايات المتحدة الأمريكية وروسيا، بالإضافة إلى المجلات الأكاديمية، تم نشر مجلة فيزيائية واحدة فقط. حاليًا، يتم نشر أكثر من عشرين مجلة في روسيا والولايات المتحدة الأمريكية وإنجلترا وألمانيا (في كل دولة).

بل وأكثر من ذلك وقد زاد عدد المؤسسات البحثية والعلماء. إذا تم إجراء البحث العلمي في القرن التاسع عشر بشكل أساسي من قبل أقسام الفيزياء بالجامعات، فقد ظهرت في القرن العشرين في جميع البلدان وبدأت في الزيادة من حيث العدد والحجم. معاهد بحوث الفيزياءأو في اتجاهاتها الفردية. تمتلك بعض المعاهد، وخاصة في مجال الفيزياء النووية، معدات تفوق في حجمها وتكلفتها حجم وتكلفة المصانع.