С чего началась физика
Эволюция физики: как развивается эта наука
insspirito/Pixabay, English Library/Wikimedia Commons, Indicator.Ru
С чего начиналась физика, как она развивалась и будет развиваться, как выбрать перспективную область исследований и можно ли сравнивать карьеры молодых ученых из разных областей, расскажет Indicator.Ru.
От Галилея к Ландау и Лифшицу
Физика как наука давно превзошла круг традиционно рассматриваемых исследователями прошлого вопросов. Работающие сегодня в этой области ученые занимаются и биологическими системами, и экономикой, и теорией сетей. Однако родство этих областей с классическими далеко не всегда очевидно и заслуживает отдельного исследования. Именно этой теме посвящена новая работа, результаты которой опубликованы в первом номере нового журнала Nature Reviews Physics.
Были времена, когда один ученый мог обладать всеми накопленными человечеством знаниями по физике. Например, во времена Галилео Галилея практически вся эта наука ограничивалась тем, что на современном языке мы бы называли механикой. Однако с течением времени были открыты новые явления, а понимание уже известных процессов существенно расширилось и усложнилось. Так, уже в XIX веке сложно было представить человека, который бы хорошо разбирался в уже сформировавшихся разделах электричества, магнетизма, оптики и термодинамики.
Сегодня подобное уже очевидно невозможно, так как ни один человек не в состоянии даже просто прочитать огромный ежедневно появляющейся поток научной информации. Наиболее значимой «энциклопедической» работой по физике в XX веке, скорее всего, является «Курс теоретической физики» Ландау и Лившица, но и он при всем огромном охвате тем не может быть названым всеобъемлющим. В любом случае, сейчас значительная часть ученых —специалисты по своим узким темам, и они могут испытывать проблемы с пониманием исследований даже тех людей, с которыми учились на одном факультете.
Эта ситуация приводит как к чисто методологическим вопросам о взаимоотношении областей и применимости знаний, полученных в одном исследовании, к другим работам, так и к вполне прикладным. В частности, как студенту определить наиболее перспективную область, где можно ожидать быстрого роста объема знаний? Можно ли сравнивать карьеры молодых ученых из разных областей? Сколько статей из каждой области стоит ожидать редактору научного журнала и как сопоставить их значимость?
«Переписать» всех физиков
Чтобы получить объективную картину распределения физиков по более узким отраслям этой науки, авторы статьи провели «интеллектуальную перепись» ученых и их исследовательских траекторий. В результате удалось отследить эволюцию областей, а также количественно оценить распределение ресурсов и обмен знаниями.
Для начала авторы выделили около 3,2 миллионов научных статей из базы данных Web of Science, которые были опубликованы в сугубо физических журналах. Однако в эту подборку не попали междисциплинарные работы — чтобы их отсеять, авторы проанализировали цитирования оставшихся 47 миллионов статей. Если у публикации было значительно больше ссылок на физические журналы, чем можно было бы ожидать в модели случайных цитирований, то такая работа также считалась относящейся к физике. Таким образом удалось выделить еще 4,5 миллиона статей, которые по структуре цитирований не отличались от работ в физических журналах.
Следующим шагом было разделение массива на девять крупных областей согласно системе классификации для физики и астрономии PACS, которую широко применяли с 1985 по 2015 годы. Этот временной промежуток уменьшил суммарное число статей до 5,6 миллионов. Среди их авторов оказалось 135 877 ученых, написавших по крайней мере по пять статей. Их соотнесли с основной областью, в которой сделано большинство работ, и дополнительными, если таковые обнаружились. Уже на этом этапе были получены интересные результаты: 37% физиков внесли вклад только в одну область, еще 37% — в две, 20% — в три и 6% — в четыре. Однако между разными разделами наблюдалась заметная диспропорция: в физике высоких энергий и конденсированного состояния специалистов оказалось больше трети, в то время как в большинстве других областей их доля не превышала 10%.
Авторы также построили схему связей между разделами физики, которая отражала количество совместных работ у их представителей. Структура этих связей оказалось далеко не тривиальной: в ней можно выделить три группы, связанные преимущественно через общую физику.
Сеть совместной деятельности физиков показывает связи между областями. Размер узла пропорционален количеству специалистов в области, а ширина связи пропорциональна связыванию между областями, количественно определяемому отношением между измеренным количеством ученых, работающих в двух областях и ожидаемым числом на основе модели случайных связей. HEP – физика высоких энергий; АМО – атомная и молекулярная физика; Interdisc – междисциплинарная физика; CondMat – физика конденсированного состояния; General – общая физика.
Federico Battiston et. al./Nature Reviews Physics 2019
Для исследования неравномерности распределения ученых по разным областям, авторы внимательно изучили демографию исследователей, оценив темпы публикации статей в новых для человека разделах. Оказалось, что в 1985 году больше трети ученых выбирали физику конденсированного состояния и публиковали свою первую статью именно об этом, в то время как к 2015 году их доля снизилась до нескольких процентов. Вместе с тем заметен значительный рост публикаций по астрофизике и междисциплинарным исследованиям, на которые сегодня приходится примерно 27% и 20% соответственно.
Относительная скорость роста различных областей физики, определяемая по доле ученых, опубликовавших работу по новой для них теме в данном году. Доля физики конденсированного состояния значительно снизилась за последнее время, в то время как некоторые другие области заметно прибавили.
Federico Battiston et. al./Nature Reviews Physics 2019
Интеллектуальная миграция
Также авторы детально анализируют переходы физиков между различными специализациями. Необходимо отметить, что почти две трети (64%) ученых пишут первые в карьере статьи по физике конденсированного состояния, физике высоких энергий или ядерной физике. Всего лишь 3% начинают карьеру астрофизиками. Однако с течением времени ситуация значительно меняется. Некоторые области, такие как конденсированное состояние, теряют значительное количество ученых, в то время как другие, такие как междисциплинарные исследования, существенно растут за счет физиков, начавших карьеру в других разделах.
Диаграмма карьерных изменений между различными областями. Размер прямоугольников пропорционален количеству ученых: в верхнем ряду — опубликовавших свою первую работу, ниже — активных сейчас. Расстояние по вертикали соответствует среднему времени перехода в данную область. Показаны только значимые потоки, то есть превышающие ожидаемые в модели случайных переходов.
Federico Battiston et. al./Nature Reviews Physics 2019
В заключение авторы пишут, что у их работы есть очевидные ограничения, в первую очередь связанные с выборкой статей, так как в физике высоких энергий и астрофизике принято публиковаться на сервере препринтов arXiv.org, а не в журналах. Тем не менее, пересечение научной литературы весьма велико, так что авторы не предполагают существенной коррекции выводов при расширении анализируемого материала. Также недостаточно представлены более прикладные дисциплины, такие как кристаллография, что также связано с принятой в этой среде специфической публикационной культурой.
К основным выводам авторы отнесли выяснение нетривиальных взаимоотношений между разделами физики — близкие связи между одними и существенные разрывы между другими, — а также подтверждение значительных различий результативности ученых в зависимости от специализации. Количество публикаций (и, соответственно, цитирований) взрывным образом возросло в физике высоких энергий, ядерной физике и астрофизике, что делает невозможной адекватную оценку ученых на основе простых наукометрических показателей без учета специфики разных областей.
Возможными улучшениями описанного подхода к построению траекторий физиков авторы называют использование иного классификатора, анализ данных об исследователях, ушедших в другие научные дисциплины (от биологии до экономики и даже внеакадемические структуры), а также учет географической специфики, так как в подготовке кадров наблюдаются заметные различия между странами.
Как выбрать свою траекторию?
Indicator.Ru поговорил об этом исследовании с российскими учеными. Михаил Панасюк, директор Научно-исследовательского института ядерной физики имени Д. В. Скобельцына МГУ, полагает, что на популярность той или иной сферы влияют не только экономическое положение и история страны, но и особенности системы высшего образования.
«Популярность отдельных областей в естественных науках зависит от многих условий, в том числе и от страны, в которой развивается направление: где-то внимание акцентируют на прикладных работах, а страны побогаче могут тратить деньги на фундаментальные исследования, — рассказал Михаил Панасюк. — Вообще на это надо смотреть в исторической ретроспективе. Время от времени появляются точки роста, выдающиеся школы, которые существуют очень долго. Например, у нас в стране даже после ухода нобелевских лауреатов – Ландау, Капицы – долгое время сохранялись их школы. То же самое можно сказать про астрофизические исследования, вспомнить, например, Виталия Лазаревича Гинзбурга.
Кроме предыстории, важно, как развивается высшее образование. Моя точка зрения заключается в том, что высшее образование в естественных науках должно быть проектно-ориентированным. На первом-втором курсе студенты должны, безусловно, освоить фундаментальные дисциплины, но дальше должно идти образование, ориентированное на исследование. И сами студенты должны понимать, зачем нужна эта наука, где она применима. Предлагать им просто непрерывное образование, не ориентированное на конкретную цель, – это тупиковый путь. Но чтобы идти по такому направлению, нужно внимание государства. Не будет финансирования на исследования, не будет инфраструктуры – не будет и такого проектно-ориентированного образования. Могу привести пример из своих исследований. Три года назад мы запустили спутник “Ломоносов” для исследования космических лучей предельно высоких энергий. Это был прорывной эксперимент, ничего подобного в мире не проводилось, и молодежь, которую мы собрали, чувствовала, что проект сильный. Но что, если их пригласить в лабораторию, где проводится какой-то умирающий эксперимент? Они уйдут. И могут оказаться в очень тяжелой ситуации, потому что их время уйдет, ведь самый продуктивный рост специалистов приходится на молодые годы, до 30 лет. Потому очень важна ранняя ориентация на конкретную область науки. Она должна начинаться, на самом деле, со школы».
Мыслями о том, как студенту выбрать наиболее перспективную траекторию развития, поделились молодые исследователи. «Перспективная область для студента в первую очередь определяется текущим вливанием в эту область денег, так что самый простой способ — посмотреть последние сверхкрупные гранты. Однако тут каждому стоит решать самостоятельно: работать в перспективной области просто потому, что она перспективная, — это тупиковый вариант. Главное, чтобы человеку было интересно самому, а дальше – не так важно, — считает Илья Голоколенов, аспирант кафедры физики низких температур Института физических проблем им. П.Л. Капицы РАН. — И большую роль играют конференции и общение с другими группами, в том числе из других областей. Часто хороший доклад на конференции может послужить толчком в этом направлении, заинтересовавшиеся коллеги могут подойти и поделиться имеющейся у них информацией по данной теме и даже направить исследование в другую, неожиданную сторону».
«Чтобы определить перспективные области, надо проанализировать все Нобелевские премии, а также номинантов на эту премию за последние 20 лет. Будет несложно увидеть, какие из областей самые популярные: как раз всплывут такие направления как биоинженерия, физика высоких температур, новые материалы и так далее, – полагает Василий Ореховский, студент 1 курса магистратуры факультета аэромеханики и летательной техники МФТИ. — Чем моложе область, тем больше нового можно в ней сделать. Но, конечно, не факт, что все будет хорошо с финансированием без инвесторов. И, конечно, нельзя сравнивать карьеры тех, кто работает в относительно новых и «традиционных» областях физики. Например, аэрогидродинамика — здесь не получится стать известным и получить Нобелевскую премию. Впрочем, с молодыми областями тоже можно прогадать и ничего не открыть нового, но зато есть вероятность стать редким специалистом, а значит, более востребованным.
Очень многое зависит от финансирования: где оно отличное, там есть и прорывы. Например, SpaceX Илона Маска — он хорошо раскручен, область космоса развивается. Да и популярность, в свою очередь, привлекает новых инвесторов. Так что мода на науку, точнее, на определенные области, — это очень круто».
Когда возникла физика?
Дата публикации: 03.02.2015 2015-02-03
Статья просмотрена: 2765 раз
Библиографическое описание:
Царева, М. В. Когда возникла физика? / М. В. Царева, А. Е. Вельс. — Текст : непосредственный // Юный ученый. — 2015. — № 1 (1). — С. 78-80. — URL: https://moluch.ru/young/archive/1/51/ (дата обращения: 24.12.2021).
Физика (греч. от physis — природа) — наука о природе, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие свойства материального мира [1, с. 1326].
Физика — одна из основных областей естествознания — наука о свойствах и строении мира, о формах ее движения и изменения, об общих закономерностях явлений природы [3, с. 882].
Основоположниками физики являются такие великие ученые как: Галио Галилей — итальянский физик, астроном, философ, математик, Блез Паскаль — французский математик, физик, религиозный философ, Исаак Ньютон — английский математик, астроном, физик. Ньютона принято считать основоположником физики.
От ранних цивилизаций, возникших на берегах Тигра, Евфрата и Нила, не осталось никаких свидетельств в области физических знаний, на тот момент не было системы физических знаний, а существовали только определенные описания и факты, не подтвержденные теоретическими обобщениями и выводами. Древние называли физикой любое исследование окружающего мира и явлений природы. Такое понимание физики сохранялось до конца 17 века.
Аристотель в IV веке до нашей эры впервые употребил слово «фюзис», что означает природа. Он также употребил слова «материя» и «форма».
Так, с какого же периода истории возникла физика, которую еще нельзя было назвать наукой?
На наш взгляд наблюдение над природой началось в глубокой древности, когда у человека появилась необходимость прокормить себя и своих близких, но человек еще не перешел к земледелию и к скотоводству, а пользовался плодами леса и охотой на диких животных.
Человек ничего не понял, но заметил эту особенность, которую и стал применять при необходимости. Так, появился рычаг. Произошло это задолго до исследований Архимеда (287 год до нашей эры). Человек, как мы полагаем, заметил и несколько рассчитал соотношение плеч рычага и действующих на него сил.
Архимед же привел в систему весь накопленный опыт. Согласно преданию Архимед произнес известную всем фразу: «Дайте мне точку опоры, и я подниму Землю»!
Конечно, он имел в виду применение рычага.
Вклад Архимеда в математику и физику, безусловно, велик. Архимед является основоположником теоретической механики и гидростатики. Он разработал методы нахождения площадей, поверхностей и объемов различных фигур и тел.
В основополагающих трудах по статике и гидростатике (закон Архимеда) Архимед дал образцы применения математики в естествознании и технике. Ему принадлежит множество технических изобретений: архимедов винт, определение состава сплавов взвешиванием в воде, системы для поднятия больших тяжестей, военные метательные машины.
В физике Архимед ввел понятие «центр тяжести». Он установил научные принципы статики и гидростатики, дал образцы применения математических методов в физических исследованиях. Основные положения статики сформулированы в сочинении «О равновесии плоских фигур». Архимед делает вывод о законе рычага. Знаменитый закон гидростатики, вошедший в науку с именем Архимеда (Архимеда закон), сформулирован в трактате «О плавающих телах» [2, с.87].
Много столетий спустя, в результате накопленного человечеством опыта, появились парусные корабли, которые уже были способны плыть и против ветра. И среди них барк, самый современный парусник. В основе этого явления лежит сложение действующих сил.
Другим величайшим изобретением древности является колесо. Мы полагаем, что это, скорее всего коллективное изобретение, так как один человек не мог придумать колесо, затем посадить его на ось, закрепить на ней платформу и получить, таким образом, телегу. Как мы считаем, древние люди заметили, что если взять толстое бревно, то его легче перемещать по земле, если под бревно подкладывать круглые обрубки дерева. В результате размышлений человека, даже не группы людей, а целых поколений, получилось колесо.
Изобретение колеса дало колоссальный толчок в развитии современной цивилизации.
Здесь хотелось бы упомянуть о цивилизации древних инков. Инки — это индейское племя, которое проживало на землях таких современных стран, как Перу, Эквадор, Боливия и другие. Древние инки не знали и не применяли колесо из-за рельефа земель, которые они занимали. Перу — страна горная, и инками не был замечен тот факт, что пресловутое бревно, можно перемещать качками.
Так, мы полагаем, что физика зародилась на основе сбора наблюдений, опыта, информации. Когда же такой информации накопилось достаточно много, величайшие ученые древности систематизировали накопленные знания, создав фундаментальную теорию механики.
Наше небольшое размышление о том, когда зародилась физика, хотелось бы закончить стихотворением:
Читай, внимай и понимай,
Почаще думай, мысли, познавай,
Ты в жанры разные «влетай»
И книги полностью «глотай»,
Но ничего не упускай!
Учти, что всяк разумный человек
Читает книги разных лет.
Он в них живет, поет и пляшет,
Он знания все там берет
И все дословно узнает,
Внимает, мыслит, познает,
Что дарят чудны пейзажи,
Картин из тех чудеснейших долин,
Где жизнь он мысленно прожил
И мир с других сторон открыл.
За что всю жизнь благодарил
Литературный дивный свет,
Пролитый с древних лет на мир [4].
1. Большой энциклопедический словарь, гл. ред. Прохоров А. М. — М.: Большая Российская энциклопедия, 2002. — 1456 с.
2. Житомирский С. В. Ученый из Сиракуз: Архимед. Историческая повесть. — М.: Молодая гвардия, 1982. — 191 с.
3. Ожегов С. И., Шведова Н. Ю. Толковый словарь русского языка: 72500 слов и выражений/Российская АН. институт русского языка.; Российский фонд культуры. — М.: Азъ Ltd., 1992. — 960 с.
4. Царева М. В. Стихотворение, «Великий чтива книг», 2015.
Похожие статьи
История развития академической физики в России
Ключевые слова: физика, математика, история физики, образование, ученый, эксперимент, университет, академия наук. История развития физики в России, связана с её преподаванием в высших учебных заведениях. Наука физика, выделилась из обширной совокупности сведений.
Выдающиеся анатомы ХV–ХVI веков и их вклад в мировую науку
Основоположником научной описательной анатомии является Андреас Везалий (часто Андрей Везалий
Eustachio; около 1510 — 1574) являлся одним из основоположников научной анатомии, в
11. Николл Ч. Леонардо да Винчи. Полёт разума / Пер. с англ. Т. Новиковой.
Патриотическое воспитание на уроках физики | Статья в журнале.
Современная образовательная система в настоящее время испытывает многочисленные преобразования и усовершенствования, формулируются актуальные цели образования, соответствующие потребностям современного общества.
Античная наука | Статья в сборнике международной научной.
Вопросам физике посвящены трактаты «Физика», «О небе», «О возникновении и
Он явился основоположником современной латиноязычной медицинской терминологии.
О влиянии философских концепций на развитие научного знания». Пер. с франц.
Применение научных исследований Авиценны на уроках физики
В настоящей статье автор на конкретных примерах обосновывает возможности применения открытий великого ученого Востока Абу али ибн Сина на уроках физики в общеобразовательной школе, подчеркивая их большое учебно-воспитательное значение.
Научный журнал «Молодой ученый» №6 (53) июнь 2013 г.
Все рубрики. Физика 1.
Институт адвокатуры в Древнем Риме: историко-правовой аспект. Гальчинский В. Л.
На обложке изображен Константин Эдуардович Циолковский (1857-1935), российский ученый, основоположник теоретической космонавтики.
Астрономия как наука в системе современного естествознания.
Заблуждение отдельных физиков, считающих астрономию частью физики, не раз получило отпор с общефилософских позиций.
Изучение методологических основ астрономии как науки в системе естествознания показало, что астрономические знания ещё в древние времена.
Первые открытия в использовании нефти и ее составляющих
В Древней Персии существовало огнепоклонничество, и во время обрядов жрецы черпали жидкость из углублений, выкопанных вблизи естественных выходов нефти к самой поверхности, а затем поджигали её; этот обряд назывался «нафтой». Смолу и другие производные нефти.
Петр Францевич Лесгафт – основоположник физического.
В основе педагогической системы П.Ф. Лесгафта лежит учение о единстве физического и духовного развития личности. Ученый рассматривал физические упражнения как средство не только физического, но и интеллектуального, нравственного и эстетического развития человека.
С чего началась физика
Становление физики (до 17 в.). Физические явления окружающего мира издавна привлекали внимание людей. Попытки причинного объяснения этих явлений предшествовали созданию Ф. в современном смысле этого слова. В греко-римском мире (6 в. до н. э. – 2 в. н. э.) впервые зародились идеи об атомном строении вещества (Демокрит, Эпикур, Лукреций),была разработана геоцентрическая система мира (Птолемей), установлены простейшие законы статики (правило рычага), открыты закон прямолинейного распространения и закон отражения света, сформулированы начала гидростатики (закон Архимеда), наблюдались простейшие проявления электричества и магнетизма.
Итог приобретённых знаний в 4 в. до н. э. был подведён Аристотелем. Физика Аристотеля включала отдельные верные положения, но в то же время в ней отсутствовали многие прогрессивные идеи предшественников, в частности атомная гипотеза. Признавая значение опыта, Аристотель не считал его главным критерием достоверности знания, отдавая предпочтение умозрительным представлениям. В средние века учение Аристотеля, канонизированное церковью, надолго затормозило развитие науки.
Наука возродилась лишь в 15–16 вв. в борьбе со схоластизированным учением Аристотеля. В середине 16 в. Н. Коперник выдвинул гелиоцентрическую систему мира и положил начало освобождению естествознания от теологии. Потребности производства, развитие ремёсел, судоходства и артиллерии стимулировали научные исследования, опирающиеся на опыт. Однако в 15–16 вв. экспериментальные исследования носили в основном случайный характер. Лишь в 17 в. началось систематическое применение экспериментального метода в Ф., и это привело к созданию первой фундаментальной физической теории – классической механики Ньютона.
Формирование физики как науки (начало 17 – конец 18 вв.).
В 1-й половине 17 в. началось успешное изучение газов. Ученик Галилея Э. Торричелли установил существование атмосферного давления и создал первый барометр. Р. Бойль и Э. Мариоттисследовали упругость газов и сформулировали первый газовый закон, носящий их имя. В.Снеллиус и Р. Декарт открыли закон преломления света. В это же время был создан микроскоп. Значительный шаг вперёд в изучении магнитных явлений был сделан в самом начале 17 в. У.Гильбертом. Он доказал, что Земля является большим магнитом, и первый строго разграничил электрические и магнитные явления.
В это же время Гюйгенс и Г. Лейбниц сформулировали закон сохранения количества движения; Гюйгенс создал теорию физического маятника, построил часы с маятником.
Началось развитие физической акустики. М. Мерсенн измерил число собственных колебаний звучащей струны и впервые определил скорость звука в воздухе. Ньютон теоретически вывел формулу для скорости звука.
Т. о., в 17 в. была построена в основном классическая механика и начаты исследования в др. областях Ф.: в оптике, учении об электрических и магнитных явлениях, теплоте, акустике.
В 18 в. продолжалось развитие классической механики, в частности небесной механики. По небольшой аномалии в движении планеты Уран удалось предсказать существование новой планеты – Нептун (открыта в 1846). Уверенность в справедливости механики Ньютона стала всеобщей. На основе механики была создана единая механическая картина мира, согласно которой всё богатство, всё качественное многообразие мира – результат различия в движении частиц (атомов), слагающих тела, движении, подчиняющемся законам Ньютона. Эта картина многие годы оказывала сильнейшее влияние на развитие Ф. Объяснение физического явления считалось научным и полным, если его можно было свести к действию законов механики.
Важным стимулом для развития механики послужили запросы развивающегося производства. В работах Л. Эйлера и др. была разработана динамика абсолютно твёрдого тела. Параллельно с развитием механики частиц и твёрдых тел шло развитие механики жидкостей и газов. Трудами Д.Бернулли, Эйлера, Ж. Лагранжа и др. в 1-й половине 18 в. были заложены основы гидродинамики идеальной жидкости – несжимаемой жидкости, лишённой вязкости и теплопроводности. В «Аналитической механике» (1788) Лагранжа уравнения механики представлены в столь обобщённой форме, что в дальнейшем их удалось применить и к немеханическим, в частности электромагнитным, процессам.
Заметный прогресс произошёл в исследовании тепловых явлений; после открытия Дж. Блэкомскрытой теплоты плавления и экспериментального доказательства сохранения теплоты в калориметрических опытах стали различать температуру и количество теплоты. Было сформулировано понятие теплоёмкости, начато исследование теплопроводности и теплового излучения. При этом одновременно утвердились неправильные взгляды на природу тепла: теплоту стали рассматривать как особого рода неуничтожимую невесомую жидкость – теплород, способную перетекать от нагретых тел к холодным. Теория теплоты, согласно которой теплота – это вид внутреннего движения частиц, потерпела временное поражение, несмотря на то что её поддерживали и развивали такие выдающиеся учёные, как Ньютон, Гук, Бойль, Бернулли, Ломоносов и др.
Классическая физика (19 в.).
В начале 19 в. Дж. Дальтон ввёл в науку (1803) представление об атомах как мельчайших (неделимых) частицах вещества – носителях химической индивидуальности элементов.
Важнейшее значение для Ф. и всего естествознания имело открытие закона сохранения энергии, связавшего воедино все явления природы. В середине 19 в. опытным путём была доказана эквивалентность количества теплоты и работы и т. о. установлено, что теплота представляет собой не какую-то гипотетическую невесомую субстанцию – теплород, а особую форму энергии. В 40-х гг. 19 в. Ю. Р. Майер, Дж. Джоуль и Г. Гельмгольц независимо открыли закон сохранения и превращения энергии. Закон сохранения энергии стал основным законом теории тепловых явлений (термодинамики), получив название первого начала термодинамики.
Ещё до открытия этого закона С. Карно в труде «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824) получил результаты, послужившие основой для др. фундаментального закона теории теплоты – второго начала термодинамики. Этот закон сформулирован в работах Р. Клаузиуса (1850) и У. Томсона (1851). Он является обобщением опытных данных, свидетельствующих о необратимости тепловых процессов в природе, и определяет направление возможных энергетических процессов. Значительную роль в построении термодинамики сыграли исследования Ж. Л. Гей-Люссака, на основе которых Б. Клапейроном было найдено уравнение состояния идеального газа, обобщённое в дальнейшем Д. И. Менделеевым.
Одновременно с развитием термодинамики развивалась молекулярно-кинетическая теория тепловых процессов. Это позволило включить тепловые процессы в рамки механической картины мира и привело к открытию нового типа законов – статистических, в которых все связи между физическими величинами носят вероятностный характер.
Классическая статистическая механика была завершена в работах Дж. У. Гиббса (1902), создавшего метод расчёта функций распределения для любых систем (а не только газов) в состоянии термодинамического равновесия. Всеобщее признание статистическая механика получила в 20 в. после создания А. Эйнштейном и М. Смолуховским (1905–06) на основе молекулярно-кинетической теории количественной теории броуновского движения, подтвержденной в опытах Ж. Б. Перрена.
В 19 в. Г. Кирхгоф и Р. Бунзен заложили основы спектрального анализа (1859). Продолжалось также развитие механики сплошных сред. В акустике была разработана теория упругих колебаний и волн (Гельмгольц, Дж. У. Рэлей и др.). Возникла техника получения низких температур. Были получены в жидком состоянии все газы, кроме гелия, а в начале 20 в. Х. Камерлинг-Оннес (1998) ожижил гелий.
К концу 19 в. Ф. представлялась современникам почти завершенной. Казалось, что все физические явления можно свести к механике молекул (или атомов) и эфира. Эфир рассматривался как механическая среда, в которой разыгрываются электромагнитные явления. Один из крупнейших физиков 19 в. – У. Томсон обращал внимание лишь на два необъяснимых факта: отрицательный результат Майкельсона опыта по обнаружению движения Земли относительно эфира и непонятную с точки зрения молекулярно-кинетической теории зависимость теплоёмкости газов от температуры. Однако именно эти факты явились первым указанием на необходимость пересмотра основных представлений Ф. 19 в. Для объяснения этих и множества др. фактов, открытых впоследствии, понадобилось создание теории относительности и квантовой механики.
Релятивистская и квантовая физика. Физика атомного ядра и элементарных частиц ( конец 19 – 20 вв.).
Наступление новой эпохи в Ф. было подготовлено открытием электрона Дж. Томсоном в 1897. Выяснилось, что атомы не элементарны, а представляют собой сложные системы, в состав которых входят электроны. Важную роль в этом открытии сыграло исследование электрических разрядов в газах.
В конце 19 – начале 20 вв. Х. Лоренц заложил основы электронной теории.
В начале 20 в. стало ясно, что электродинамика требует коренного пересмотра представлений о пространстве и времени, лежащих в основе классической механики Ньютона. В 1905 Эйнштейн создал частную (специальную) теорию относительности – новое учение о пространстве и времени. Эта теория исторически была подготовлена трудами Лоренца и А. Пуанкаре.
Открытие частной теории относительности показало ограниченность механической картины мира. Попытки свести электромагнитные процессы к механическим процессам в гипотетической среде – эфире оказались несостоятельными. Стало ясно, что электромагнитное поле представляет собой особую форму материи, поведение которой не подчиняется законам механики.
В 1916 Эйнштейн построил общую теорию относительности – физическую теорию пространства, времени и тяготения. Эта теория ознаменовала новый этап в развитии теории тяготения.
На рубеже 19–20 вв., ещё до создания специальной теории относительности, было положено начало величайшей революции в области Ф., связанной с возникновением и развитием квантовой теории.
Т. о., на новом качественном уровне была возрождена корпускулярная теория света. Свет ведёт себя подобно потоку частиц (корпускул); однако одновременно ему присущи и волновые свойства, которые проявляются, в частности, в дифракции и интерференции света. Следовательно, несовместимые с точки зрения классической Ф. волновые и корпускулярные свойства присущи свету в равной мере (дуализм света). «Квантование» излучения приводило к выводу, что энергия внутриатомных движений также может меняться только скачкообразно. Такой вывод был сделан Н.Бором в 1913.
В тот же период (конец 19 – начало 20 вв.) начала формироваться Ф. твёрдого тела в её современном понимании как Ф. конденсированных систем из огромного числа частиц (
Представление о кристалле как о совокупности атомов, упорядоченно расположенных в пространстве и удерживаемых в положении равновесия силами взаимодействия, прошло длительный путь развития и окончательно сформировалось в начале 20 в. Разработка этой модели началась с работы Ньютона (1686) по расчёту скорости звука в цепочке упруго связанных частиц и продолжалась др. учёными: Д. и И. Бернулли (1727), Коши (1830), У. Томсоном (1881) и др.
Созданный Бором первый вариант квантовой теории был внутренне противоречивым: используя для движения электронов законы механики Ньютона, Бор в то же время искусственно накладывал на возможные движения электронов квантовые ограничения, чуждые классической Ф.
Достоверно установленная дискретность действия и её количественная мера – постоянная Планка h – универсальная мировая постоянная, играющая роль естественного масштаба явлений природы, требовали радикальной перестройки как законов механики, так и законов электродинамики. Классические законы справедливы лишь при рассмотрении движения объектов достаточно большой массы, когда величины размерности действия велики по сравнению с h и дискретностью действия можно пренебречь.
В 1926 Шрёдингер, пытаясь получить дискретные значения энергии атома из уравнения волнового типа, сформулировал основное уравнение квантовой механики, названное его именем. В.Гейзенберг и Борн (1925) построили квантовую механику в др. математической форме – т. н. матричную механику.
Квантовая статистика сыграла важнейшую роль в развитии Ф. конденсированных сред и в первую очередь в построении Ф. твёрдого тела. На квантовом языке тепловые колебания атомов кристалла можно рассматривать как совокупность своего рода «частиц», точнее квазичастиц, – фононов(введены И. Е. Таммом в 1929). Такой подход объяснил, в частности, спад теплоёмкости металлов (по закону T 3 ) c понижением температуры Т в области низких температур, а также показал, что причина электрического сопротивления металлов – рассеяние электронов не на ионах, а в основном на фононах. Позднее были введены др. квазичастицы. Метод квазичастиц оказался весьма эффективным для исследования свойств сложных макроскопических систем в конденсированном состоянии.
В 1928 А. Зоммерфельд применил функцию распределения Ферми – Дирака для описания процессов переноса в металлах. Это разрешило ряд трудностей классической теории и создало основу для дальнейшего развития квантовой теории кинетических явлений (электро- и теплопроводности, термоэлектрических, гальваномагнитных и др. эффектов) в твёрдых телах, особенно в металлах и полупроводниках.
Согласно принципу Паули, энергия всей совокупности свободных электронов металла даже при абсолютном нуле отлична от нуля. В невозбуждённом состоянии все уровни энергии, начиная с нулевого и кончая некоторым максимальным уровнем (уровнем Ферми), оказываются занятыми электронами. Эта картина позволила Зоммерфельду объяснить малость вклада электронов в теплоёмкость металлов: при нагревании возбуждаются только электроны вблизи уровня Ферми.
В работах Ф. Блоха, Х. А. Бете и Л. Бриллюэна (1928–34) была разработана теория зонной энергетической структуры кристаллов, которая дала естественное объяснение различиям в электрических свойствах диэлектриков и металлов. Описанный подход, получивший название одноэлектронного приближения, имел дальнейшее развитие и широкое применение, особенно в Ф. полупроводников.
В 1928 Я. И. Френкель и Гейзенберг показали, что в основе ферромагнетизма лежит квантовоеобменное взаимодействие (которое на примере атома гелия было в 1926 рассмотрено Гейзенбергом); в 1932–33 Л. Неель и независимо Л. Д. Ландау предсказали антиферромагнетизм.
Открытия сверхпроводимости Камерлинг-Оннесом (1911) и сверхтекучести жидкого гелия П. Л.Капицей (1938) стимулировали развитие новых методов в квантовой статистике. Феноменология. теория сверхтекучести была построена Ландау (1941); дальнейшим шагом явилась феноменология, теория сверхпроводимости Ландау и В. Л. Гинзбурга (1950).
В 50-х гг. были развиты новые мощные методы расчётов в статистической квантовой теории многочастичных систем, одним из наиболее ярких достижений которых явилось создание Дж.Бардином, Л. Купером, Дж. Шриффером (США) и Н. Н. Боголюбовым (СССР) микроскопической теории сверхпроводимости.
Попытки построения последовательной квантовой теории излучения света атомами привели к новому этапу развития квантовой теории – созданию квантовой электродинамики (Дирак, 1929).
Создание ускорителей заряженных частиц позволило изучать различные ядерные реакции. Важнейшим результатом этого этапа Ф. явилось открытие деления атомного ядра.