Области физики – Физика для всех | Здесь вы найдете информацию по всем основным разделам физики.

Содержание

История физики — Википедия

История физики исследует эволюцию физики — науки, изучающей фундаментальные (наиболее общие) свойства и законы движения объектов материального мира. Предметом истории физики являются выявление и обобщённый анализ основных событий и тенденций в развитии физических знаний.

До XVII века механика, физика, науки о Земле, астрономия и даже физиология были частью «пакета знаний», называвшегося «натуральная философия» и соединявшего позитивные сведения о природных явлениях и гениальные догадки (понятия пространства, времени, движения, идея естественной закономерности, бесконечность мира, континуум пространства, дискретная структура вещества) с умозрительными фантазиями и ошибочными заключениями о причинах этих явлений[1].

История физики как самостоятельной науки начинается в XVII веке с опытов Галилея и его учеников. Теоретический фундамент классической физики создал Ньютон в конце XVII века. Сочетание быстрого технологического развития и его теоретического осмысления в XVIII—XIX веках привело к выявлению коренных физических понятий (масса, энергия, импульс, атомы и т. д.) и открытию фундаментальных законов их взаимосвязи, хорошо проверенных в экспериментах

[2].

В начале XX века сразу в нескольких областях была обнаружена ограниченность сферы применения классической физики. Появились теория относительности, квантовая физика, теория микрочастиц. Но количество нерешённых физических проблем по-прежнему велико, и это стимулирует деятельность физиков по дальнейшему развитию данной науки.

В Древнем мире происходило становление астрономии, оптики и других наук, прогресс в которых не только стимулировал развитие математики, но и сам во многом от неё зависел. В то же время развивалась натурфилософия, которая пыталась (в основном качественно) объяснять причины явлений. Если создать практически полезную модель явления природы не удавалось, её заменяли религиозные мифы (например, «молния есть гнев богов», «затмение Солнца вызвано происками дракона»)[3].

Средств для проверки теоретических моделей и выяснения вопроса, какая из них верна, в древности было крайне мало, даже если речь шла о земных каждодневных явлениях. Единственные физические величины, которые умели тогда достаточно точно измерять, — вес, длина и угол. Эталоном времени служили сутки, которые в Древнем Египте делили не на 24 часа, а на 12 дневных и 12 ночных, так что было два разных часа, и в разные сезоны продолжительность часа была разной

[4]. Но даже когда установили привычные нам единицы времени, из-за отсутствия точных часов большинство физических экспериментов было бы невозможно провести. Поэтому естественно, что вместо научных школ возникали умозрительные или мистические учения.

Месопотамия и древний Египет[править | править код]

Несмотря на большое число дошедших до нас документов древнего Египта и Вавилона (III—I тысячелетия до н. э.), ни один из них не содержит каких-либо сведений по физике. Наиболее развитой теоретической наукой была, видимо, астрономия, тогда ещё не отделившаяся от астрологии. Для нужд астрономии в Вавилоне разработали методы довольно точного измерения времени и углов; точность вавилонских астрономических таблиц была намного выше, чем египетских[5].

В области прикладной механики, судя по впечатляющим сооружениям, египтяне и вавилоняне далеко продвинулись — они умело использовали при строительстве блоки, наклонные плоскости, рычаги, клинья и другие механизмы. Однако нет признаков того, что у них существовала какая-либо развитая физическая теория

[5][1].

Древний Китай[править | править код]

Древнейшие дошедшие до нас публикации в области естественных наук появились в Китае и относятся к VII веку до н. э.; возможно, были и более ранние. Китай уже в древние времена достиг высокого уровня развития строительства и ремесла, и накопленный опыт был подвергнут научному анализу. Расцвет китайской физики относится примерно к V—II векам до н. э. Результаты размышлений древнекитайских учёных были включены в различные общефилософские сочинения, из которых выделяются труды Мо-цзы (IV век до н. э.) и его учеников («моистов»)[6][1].

В той части труда «Моистский канон», где затронуты физические вопросы, основное внимание уделяется механике. Там предпринята первая попытка сформулировать закон инерции: «Прекращение движения происходит из-за противодействующей силы… Если не будет никакой противостоящей силы, то движение никогда не закончится». Далее упоминается некий «переход по мосту», что можно трактовать как утверждение о прямолинейности свободного движения. В других китайских сочинениях просматриваются (в чисто качественной формулировке) закон действия и противодействия, закон рычага, расширение тел при нагревании и сжатие при охлаждении

[7].

Китайцы далеко продвинулись в открытии законов геометрической оптики, в частности, им была известна камера-обскура, причём принцип её работы был описан совершенно правильно (в трактате «Мо-цзин»). Примерно с VI века до н. э. китайцы начали использовать компас («указатель юга»), действие которого они объясняли воздействием звёзд и использовали также для гадания[C 1]. Привычный нам компас со стрелкой появился впервые тоже в Китае в XI веке. Китайские учёные много занимались теорией музыки (в том числе резонансом) и акустикой[7].

В целом древнекитайская физика имела прикладной характер. Отдельные попытки обобщения огромного накопленного эмпирического материала носили метафизический или даже религиозный характер; например, привлекались понятия инь/ян и других природных стихий или конфуцианская мистика

[8][1].

Древняя Индия[править | править код]

Индийские натурфилософы представляли мир состоящим из пяти основных элементов: земля, огонь, воздух, вода и эфир. Последний заполнял пространство, а также считался носителем звука. Остальные элементы часто связывали с разными органами чувств. Около VII века до н. э. индийские учёные, начиная с основателя школы «вайшешика» Канады, сформулировали и стали развивать концепцию атомов. Приверженцы теории полагали, что атом состоит из элементов, в каждом атоме находится до 9 элементов и каждый элемент имеет до 24 свойств[9].

Физика и механика древней Индии имеют отчётливый метафизический и качественный характер. Особенно подробно рассматривался вопрос о движении. По учению вайшешики, каждое тело может принимать участие в данный момент только в одном движении, которое встречает сопротивление и само себя разрушает. Причиной движения могут быть напор (в средневековой Европе называвшийся «импетус»), волевое действие и упругость; никакое тело не может само себя привести в движение. Вечное движение невозможно

[10].

Античная физика[править | править код]

Особенности античной физики[править | править код]

Античная наука в Древней Греции опиралась на построенную греческими философами содержательную и целостную систему математических знаний — алгебраических и геометрических. Пифагорейцы провозгласили, что все природные явления (механика, астрономия, оптика, музыка и другие) подчиняются математическим законам. Такой подход позволил получить ряд ценных результатов, однако демонстративное дистанцирование многих античных учёных от опытной проверки своих теорий привело и к многочисленным заблуждениям[11][1].

Важнейшими источниками по истории античной физики являются труды Платона, Аристотеля (IV век до н. э.), Архимеда (III век до н. э.), Герона и Лукреция Кара (I век до н. э.), а также уцелевшие в цитатах фрагменты текстов других мыслителей. В отличие от мыслителей Китая и Индии, древнегреческие натурфилософы разработали ряд внемифических систем физических взглядов широкого охвата, построенных на основе единых и явно сформулированных принципов. Большинство этих принципов — например, механика Аристотеля — оказались ошибочными. Исключение составили работы Архимеда и Герона, которые соединяли в себе физика-теоретика и умелого инженера, поэтому их открытия, с некоторым уточнением терминологии, остались и в современной науке. В целом греческая натурфилософия оказала огромное влияние на развитие науки и не имела конкурентов вплоть до XVII века. Значение античной физики в том, что она ясно поставила коренные проблемы структуры и движения материи, а также обсудила возможные пути решения этих проблем

[11][1].

Первоэлементы и платонизм[править | править код]

Ранние античные физики выдвигали различные гипотезы о том, что следует считать основой Вселенной, первоэлементом, из которого строится всё многообразие наблюдаемых объектов. Фалес считал таковым воду, Анаксимен — воздух, Гераклит — огонь. Анаксимандр полагал, что все эти стихии вторичны и порождаются особой субстанцией, «апейроном». В системе Анаксагора число элементов бесконечно[12]

. С появлением хорошо аргументированной пифагорейской доктрины с тезисом «Числа правят миром» её концепции включились в этот спор, математика рассматривалась как своего рода идеальный скелет мира и прямой путь к познанию законов Вселенной. Тем не менее качественные, метафизические модели мира в античной физике преобладали[13].

Платон, знаменитый философ IV века до н. э., коснулся физических проблем в своём диалоге «Тимей». Несмотря на откровенно мистический характер изложенных там идей, этот труд оставил заметный след в истории науки и философии. Платон постулировал существование, наряду с материальным, ещё и идеального мира «чистых идей», устроенного по законам красоты и математики; реальный же мир представляет собой его размытую копию[14].

Платон признаёт четыре классические стихии: землю, воду, воздух и огонь, но наряду с ними — ещё и первичный элемент, порождающий прочие четыре, когда укладывается в фигуры правильных многогранников. Платон даже нарисовал схему, какие многогранники соответствуют разным стихиям; например, куб соответствует земле, а пирамида — огню. С этих позиций Платон анализирует и объясняет различные физические процессы — горение, растворение, смену фаз воды, коррозию и т. д.

[14]

Атомизм[править | править код]

Появление апорий Зенона поставило труднейшую и до сих пор не решённую проблему: делимы ли материя, время и пространство бесконечно или для деления существуют какие-то пределы. Одним из вариантов ответа на этот вопрос стал атомизм (Демокрит, V век до н. э.), согласно которому разные тела отличаются друг от друга не составом, а строением, то есть структурой соединения в них неделимых атомов (впрочем, допускалось наличие атомов разных типов и формы). Атомисты считали, что в природе нет ничего, кроме атомов и пустоты. Атомы обладают способностью достаточно прочно соединяться между собой, образуя вещество и другие наблюдаемые физические проявления (свет, тепло, запахи, магнетизм, электрические эффекты). Эпикур даже полагал, что свобода воли человека вызвана тем, что движение атомов подвержено случайным смещениям[15].

Атомисты провозгласили закон сохранения материи, естественным путём вытекающий из неразрушимости атомов. Первую формулировку этого закона предложил Эмпедокл (предположительно пифагореец) в V веке до н. э.[16]:

Ничто не может произойти из ничего, и никак не может то, что есть, уничтожиться.

Позже аналогичный тезис высказывали Демокрит, Эпикур, Аристотель и другие натурфилософы.

Физика Аристотеля[править | править код]

Аристотель (IV век до н. э.) осудил модели своих предшественников как догматические и не подтверждённые наблюдениями. Единственным источником сведений о природе он признал анализ реального опыта, а вводить в теорию заведомо ненаблюдаемые понятия (вроде атомов или корпускул) принципиально недопустимо. Сам Аристотель старался на место догм поставить логические рассуждения и ссылку на общеизвестные физические явления. Термин «Физика» возник как название одного из сочинений Аристотеля. Учёному одно время приписывался содержательный труд «Механические проблемы», но, скорее всего, у этой книги был более поздний автор из Александрии, по взглядам близкий к школе Аристотеля[17].

Предметом физики, по мнению Аристотеля, является выяснение первопричин природных явлений:

Так как научное знание возникает при всех исследованиях, которые простираются на начала, причины или элементы путём их познания (ведь мы тогда уверены в познании всякой вещи, когда узнаём её первые причины, первые начала и разлагаем её впредь до элементов), то ясно, что и в науке о природе надо определить прежде всего то, что относится к началам.

Вопреки стремлению Аристотеля к опытному обоснованию физики, такой подход, из-за отсутствия экспериментальной физики и точных измерительных приборов, ещё долго (фактически до Ньютона) отдавал приоритет метафизическим фантазиям. В частности, Аристотель и его последователи утверждали, что движение тела поддерживается приложенной к нему силой. Понятия скорости у Аристотеля, как и у других античных мыслителей, не было, так как для него требуется отношение пути ко времени, а греки признавали только отношения однородных величин (по той же причине отсутствовало понятие плотности)[18].

Аристотель резко критиковал атомистов, заявив: если атомов бесконечно много и они движутся, то у них должно быть бесконечно много «движущих причин», но тогда мир обратился бы в хаос. Большинство движений, по Аристотелю, происходят потому, что тела стремятся занять свои естественные места — например, для тяжёлых тел такое место находится в центре Земли, отсюда возникает эффект падения. Тяжёлые предметы, по мнению Аристотеля, падают быстрее, чем лёгкие той же формы, и время падения обратно пропорционально весу тел. Аристотель рассматривал также и «искусственное движение» под влиянием приложенной силы, но считал, что с прекращением воздействия тело остановится. Очевидное противоречие с опытом — например, летящая стрела движется вовсе не по вертикали — Аристотель объяснял тем, что стрелу поддерживает возмущение воздуха, созданное при выстреле. Он отрицал возможность пустоты, так как в ней невозможно определить «естественное движение»[17][18].

Аристотель отверг и модель Платона. Он указал, что она не объясняет многие реальные явления, например, рост давления пара при закипании воды, а связь свойств стихий с многогранниками есть произвольный домысел. Взамен Аристотель предложил столь же надуманную «теорию качеств»[17].

Всё же часть изложенных у Аристотеля физических знаний выдержала испытание временем и, с соответствующими уточнениями, укоренилась в науке. При описании принципа действия весов он дал (в несколько туманной формулировке) условие равновесия рычага[19]. В акустике он правильно описал, что источником звука от звучащего тела является сжатие и разрежение воздуха, а эхо вызвано отражением звука от препятствий[20].

Система Аристотеля просуществовала почти два тысячелетия, за это время она подверглась многочисленным толкованиям и комментариям. Большой спор вызвал, например, вопрос о том, как меняется вес тела по мере его приближения к центру Земли — одни считали, что вес растёт, другие — что он падает до нуля[18].

Александрийская школа[править | править код]

После IV века до н. э. идейные системы афинской научной школы, недостаточно связанные с опытом, обогащаются более практичным подходом александрийской школы. Александрийские греки разработали несколько количественных (изложенных математически) теорий и описали их практическое применение; среди учёных и изобретателей этого периода особенно прославились Архимед, Ктесибий и Герон Александрийский[21].

Архимед ясно изложил теорию рычага и механического равновесия, сделав вывод: «величины уравновешиваются на длинах, обратно пропорциональных тяжестям». Он дал определение центра тяжести и нашёл его положение для треугольника и других фигур. Архимед подсчитал величину выталкивающей силы жидкости (закон Архимеда)[22]. В IV веке н. э. Синезий Киренский, ученик Гипатии, на основе открытий Архимеда изобрёл ареометр для определения удельного веса жидкостей[18].

Паровая турбина Герона

Ещё Эмпедокл и Анаксагор экспериментально доказали упругость воздуха. Герон, обобщая накопленный опыт по гидравлике, опубликовал двухтомное учебное пособие «Пневматика». Сжимаемость газа, писал Герон, доказывает, что он состоит из частиц, разделённых пустотой. В «Пневматике» описано множество технических устройств, в том числе первая паровая турбина (эолипил). Большой вклад был внесен в теоретическую акустику и теорию музыки[18].

Эллины успешно развивали геометрическую оптику. Евклид в книгах «Оптика» и «Катоптрика»[C 2] глубоко исследовал законы перспективы и теорию зеркал. Другой труд большого объёма по оптике написал Архимед, но он не сохранился. Известно, что Архимед измерил угловой диаметр Солнца и получил довольно точный результат: между 27' и 33' (угловых минут). У Герона встречается первый вариационный принцип «наименьшего пути» для отражения света. Клавдий Птолемей в своём трактате «Оптика» подробно описал астрономическую рефракцию и указал, что она поднимает видимые изображения светил. Тем не менее в оптике древних греков были и грубые ошибки. Например, угол преломления считался пропорциональным углу падения (эту ошибку разделял даже Кеплер), изображение на сетчатке глаза ещё не было открыто, и поэтому зрение связывалось с особыми лучами, исходящими из глаз человека и животных. Гипотезы о природе света и цветности были многочисленны, но чисто умозрительны[23][24].

Древний Рим[править | править код]

Римская империя поддерживала в первую очередь высокий уровень развития инженерного искусства (строительство, военная техника, водопроводы и др.). Из руководств по практической инженерии большой интерес представляют «Десять книг об архитектуре» Витрувия (I век до н. э.), содержащие ряд перспективных физических идей. Витрувий характеризует звук как волны в воздухе, пишет о круговороте воды в природе (многие его современники верили в самозарождение воды в пещерах из воздуха), утверждает, что ветры образуются от «напряжения водяных паров»[25].

Несколько римских мыслителей оставили сочинения по теоретико-физическим проблемам — частью под греческим влиянием, частью оригинальных. Тит Лукреций Кар (I век до н. э.), по своим взглядам эпикуреец, написал поэму «О природе вещей». Поэма содержит попытки объяснения различных явлений (в том числе магнитного притяжения) с позиций атомизма Демокрита. Другой римский сторонник атомизма, Сенека, в своём семитомном труде «Исследования о природе» даёт объяснения электричеству, небесным явлениям, кометам, свойствам воды, воздуха и света. Объяснения Сенеки по большей части «легкомысленны» — например, цвета предметов, по его мнению, возникают при смешении солнечного света с тёмными облаками. Ещё больше фантазий в книге Плиния Старшего «Естественная история» — например, что алмаз экранирует магнит, что звёзды могут спускаться на мачты кораблей, образуя «огни святого Эльма» и др. Полководец Секст Юлий Фронтин (I век н. э.), которого на склоне лет назначили смотрителем городского водопровода, оставил сочинение «О римских водопроводах»; в нём он впервые, за полтора тысячелетия до Торричелли, отметил, что скорость вытекания воды из сосуда зависит не от ширины отверстия, но от уровня воды в сосуде[26].

Страны ислама[править | править код]

Золотой век науки в исламских странах длился примерно с IX по XIV век (до монгольского завоевания). В этот период главные труды греческих и индийских учёных были переведены на арабский, после чего арабские, персидские и тюркские мыслители развили и прокомментировали эти труды, а в ряде случаев предложили новые физические модели. Основное внимание исламские учёные уделяли оптике и технической механике (в теоретической механике существенного продвижения не было)[27][28].

Абдуррахман аль-Хазини (XII век), автор трактата «Книга весов мудрости» (1121), продолжил исследования Архимеда по рычажным весам и центрам тяжести. В книге описаны многочисленные практические применения изложенных принципов, включая способы обнаружить ювелирные подделки, приводится таблица удельных весов разных материалов. Аль-Хазини пошёл дальше Архимеда и распространил его закон на тела в воздухе: при откачке воздуха из резервуара находящиеся там тела становятся тяжелее. Дополнительную ценность книге аль-Хазини придают включённые в неё результаты Омара Хайяма и Аль-Бируни, связанные с темой точного взвешивания и расчёта удельного веса[27].

Титульная страница латинского перевода «Книги оптики»

В оптике крупнейший после Птолемея вклад сделал Ибн аль-Хайсам (XI век, в Европе его называли «Альхазен»), автор монографии «Книга оптики». Альхазен отверг древнюю гипотезу о лучах зрения, исходящих из глаз, дал правильное описание строения глаза и свойств бинокулярного зрения. Он, однако, полагал, что изображение внешних предметов формируется внутри хрусталика[C 3]. Альхазен высказал предположение о конечности скорости света и проводил опыты с камерой-обскурой, опыты по преломлению света и эксперименты с различными видами зеркал. Он установил, что отражённый от криволинейного зеркала луч находится в плоскости, содержащей падающий луч и нормаль к поверхности. Взгляды Альхазена (без упоминания его имени) были детально изложены в книге Эразма Витело (Вителлия), которая появилась в 1271 году и заслужила большую популярность; эта книга издавалась на протяжении 300 лет и существенно содействовала развитию оптики в Европе[29].

Аль-Джазари (1136—1206), один из крупнейших арабских изобретателей, в своем сочинении «Книга грёз» описал коленчатый вал, клапанные насосы, водоподъёмные машины, водяные часы, музыкальные автоматы и другое. Аль-Джазари принадлежат такие технологические новшества, как: ламинирование древесины, кодовые замки, гибрид компаса с универсальными солнечными часами для любых широт и т. д.[30]

Средневековая Европа[править | править код]

В христианской Европе научные исследования фактически начались в XIV веке. До этого можно упомянуть только несколько достижений: изобретены очки, правильно объяснено явление радуги, освоен компас[29]. Французский учёный Пьер де Марикур в 1269 году издал обширное исследование свойств магнитов, где указал, помимо прочего, что намагниченный предмет можно перемагнитить, и что источником магнетизма являются небесные «полюса мира»[31][32].

В XI—XIV веках появились латинские переводы арабских и уцелевших греческих текстов. Эти работы оказали значительное влияние на таких средневековых философов, как Фома Аквинский. Средневековые схоласты искали способ согласовать античную философию с христианской теологией, провозглашая Аристотеля самым выдающимся мыслителем античности. Физика Аристотеля, в тех случаях, когда она не противоречила учению церкви, стала основой физических объяснений.

Так в Средневековье представляли себе траекторию пушечного ядра

В соответствии с учением Аристотеля, средневековые мыслители считали, что тела тяготеют к их естественному месту пребывания. Например, «тяжёлые» тела тяготеют вниз, «лёгкие» — вверх. Как указано выше, считалось, что для поддержания движения требуется некоторая сила, без силы движение прекращается. Эта модель подверглась аргументированной критике Иоанном Филопоном уже в VI веке н. э. Филопон выдвинул ряд вопросов, для которых механика Аристотеля не даёт правильного ответа, например: почему камень, брошенный рукой вертикально вверх, после отрыва от руки продолжает некоторое время двигаться вверх, хотя сила броска на него больше не действует? Если движение брошенного тела поддерживает, по мнению Аристотеля, возмущение воздуха, то что поддерживает движение колеса, приведенного толчком во вращение вокруг своей оси, ведь воздух тут явно ни при чём? Филопон также отверг мнение Аристотеля, что тяжёлые тела падают быстрее лёгких[33].

Для ответа на эти вопросы средневековые учёные (Филопон, позднее — Буридан) разработали теорию импетуса (встроенной силы движения). Это понятие было шагом в сторону концепции инерции, хотя всё же существенно отличалось от него, так как предполагала, что на брошенные тела продолжает действовать некоторая унаследованная сила[34][35].

В XIV веке английская группа учёных (так называемые «Оксфордские калькуляторы») провела новое исследование нерешённых проблем механики. Они также критиковали механику Аристотеля, уточнили определение скорости и ввели понятие мгновенной скорости, детально изучили равноускоренное движение. Эти работы продолжил парижский натурфилософ Буридан и его ученики Никола Орем и Альберт Саксонский (автор понятия угловой скорости вращения). Школа Буридана не только подвергла разносторонней критике архаичные выводы Аристотеля, но и продвинулась к новой механике, близко подойдя к механическому принципу относительности. Буридан писал, что импетус, соединяясь с тяжестью, ускоряет падение тела; он также, в осторожных выражениях, допустил суточное вращение Земли[36][37][38].

В конце XV века Леонардо да Винчи открыл фундаментальный закон трения и явление капиллярности. Он также, после нескольких неудачных попыток создания вечного двигателя, одним из первым высказал мнение о неосуществимости такого механизма[39]. Немецкий философ Николай Кузанский высказал ряд мыслей, опередивших своё время; в частности, он провозгласил, что Вселенная бесконечна, всякое движение относительно, а земные и небесные тела созданы из одной и той же материи[40][32].

XVI век: технический прогресс и начало научной революции[править | править код]

В XVI веке наблюдается быстрый технический прогресс во многих областях. Были изобретены печатный станок, вязальная машина и многие другие сложные механизмы, появились развитые средства обработки материалов; потребности артиллерии, мореплавания и строительства стимулировали развитие физики. Долгое время проведению экспериментов мешал тот факт, что практически все они были связаны с измерением времени, однако водяные и солнечные часы не могли обеспечить приемлемую точность (например, Галилей для отсчёта времени использовал собственный пульс). В XVI—XVII веках начинают появляться новые, более совершенные измерительные инструменты: механические часы с маятником, термометр, барометр, точные пружинные весы и другие. Эти изобретения значительно расширили возможности проверки физических гипотез[41]. Не менее важной переменой становится растущее убеждение, что реальный опыт является верховным судьёй во всех естественно-научных спорах. Об этом настойчиво писали Николай Кузанский, Леонардо да Винчи, Фрэнсис Бэкон, другие крупные учёные и философы[42][39]. Ещё одним важным фактором стало практическое завершение освоения античного и исламского наследия — все основные уцелевшие книги были переведены на латинский и освоены европейскими учёными[43].

Бюст Коперника в Кракове

Большие перемены произошли и в развитии теоретической науки. Научная революция началась с того, что Николай Коперник предложил гелиоцентрическую систему мира (1543) взамен общепринятой тогда геоцентрической. В своей книге «О вращении небесных сфер» Коперник высказал также ряд идей новой, неаристотелевой механики, включая принцип относительности, догадку о законе инерции и всемирном тяготении. Ещё более смелую систему мира предложил в 1580-е годы Джордано Бруно, у которого не только Земля, но и Солнце — рядовое светило.

Симон Стевин в книгах «Десятая» (1585), «Начала статики» и других ввёл в обиход десятичные дроби, сформулировал (независимо от Галилея) закон давления на наклонную плоскость, правило параллелограмма сил, продвинул гидростатику и навигацию. Любопытно, что формулу равновесия на наклонной плоскости он вывел из невозможности вечного движения (которую считал аксиомой)[44].

Галилей: создание экспериментальной физики[править | править код]

Бюст Галилея работы Карло Марчелини. Музей Галилея, Флоренция

Галилео Галилей прославился как изобретатель телескопа, с помощью которого совершил множество выдающихся астрономических открытий. Но не менее революционные преобразования принадлежат Галилею в механике. Почти все его труды касаются проблем механики, а последняя книга специально ей посвящена. Работы Галилея стали решающим этапом в замене аристотелевой механики новыми, реальными принципами.

Галилей сформулировал основы теоретической механики — принцип относительности, закон инерции, квадратично-ускоренный закон падения. Галилей доказал, что любое брошенное под углом к горизонту тело летит по параболе. Он изобрёл первый термометр (ещё без шкалы) и один из первых микроскопов, открыл изохронность колебаний маятника, оценил плотность воздуха. Одно из рассуждений Галилея представляет собой нечётко сформулированный принцип виртуальных перемещений. Большинство своих выводов Галилей делал на основании тщательно спланированных экспериментов. Опыты Галилея по изучению колебаний струны позволили Мерсенну в 1588 году обогатить акустику, связав звучащий тон не только с длиной струны, как у пифагорейцев, а также с частотой её колебаний и натяжением; заодно Мерсенн получил первую оценку скорости звука в воздухе (в метрической системе — около 414 м/с)[45].

Открытия Галилея ясно и убедительно, хотя и в общих чертах, указали путь к созданию новой механики. Характерно, что хотя в ряде случаев Галилей ошибался (скажем, причиной приливов он считал вращение Земли), но большинство этих ошибок относятся к ситуациям, где он не мог поставить проверочный опыт[45].

Ученик Галилея, Торричелли, развил идеи Галилея о движении, сформулировал принцип движения центров тяжести, решил ряд задач гидродинамики и баллистики, в том числе открыл фундаментальную формулу Торричелли (для скорости вытекающей из сосуда жидкости)[46]. Он опубликовал основанные на идеях Галилея артиллерийские таблицы, однако из-за неучёта сопротивления воздуха их погрешность оказалась практически неприемлемой[45][47].

XVII век[править | править код]

Физика — Википедия

Фи́зика (от др.-греч. φύσις — природа) — область естествознания: наука о простейших и вместе с тем наиболее общих законах природы, о материи, её структуре и движении. Законы физики лежат в основе всего естествознания[1][2].

Термин «физика» впервые фигурирует в сочинениях одного из величайших мыслителей древности — Аристотеля (IV век до нашей эры). Первоначально термины «физика» и «философия» были синонимами, так как в основе обеих дисциплин лежало стремление объяснить законы функционирования Вселенной. Однако в результате научной революции XVI века физика развилась в самостоятельную научную отрасль.

В современном мире значение физики чрезвычайно велико. Всё то, чем отличается современное общество от общества прошлых веков, появилось в результате применения на практике физических открытий. Так, исследования в области электромагнетизма привели к появлению телефонов и позже мобильных телефонов, открытия в термодинамике позволили создать автомобиль, развитие электроники привело к появлению компьютеров. Развитие фотоники способно дать возможность создать принципиально новые — фотонные — компьютеры и другую фотонную технику, которые сменят существующую электронную технику. Развитие газодинамики привело к появлению самолётов и вертолётов.

Знания физики процессов, происходящих в природе, постоянно расширяются и углубляются. Большинство новых открытий вскоре получают технико-экономическое применение (в частности в промышленности). Однако перед исследователями постоянно встают новые загадки, — обнаруживаются явления, для объяснения и понимания которых требуются новые физические теории. Несмотря на огромный объём накопленных знаний, современная физика ещё очень далека от того, чтобы объяснить все явления природы.

Общенаучные основы физических методов разрабатываются в теории познания и методологии науки.

В русский язык слово «физика» было введено М. В. Ломоносовым, издавшим первый в России учебник физики — свой перевод с немецкого языка учебника «Вольфианская экспериментальная физика» Х. Вольфа (1746)[3]. Первым оригинальным учебником физики на русском языке стал курс «Краткое начертание физики» (1810), написанный П. И. Страховым.

Предмет физики

Физика — это наука о природе (естествознание) в самом общем смысле (часть природоведения). Предмет её изучения составляет материя (в виде вещества и полей) и наиболее общие формы её движения, а также фундаментальные взаимодействия природы, управляющие движением материи.

Некоторые закономерности являются общими для всех материальных систем (например сохранение энергии), — их называют физическими законами. Физику иногда называют «фундаментальной наукой», поскольку другие естественные науки, — биология, геология, химия и др. — описывают только некоторый класс материальных систем, подчиняющихся законам физики. Например, химия изучает атомы, состоящие из них вещества и превращения одного вещества в другое. Химические же свойства вещества однозначно определяются физическими свойствами атомов и молекул, описываемыми в таких разделах физики, как термодинамика, электромагнетизм и квантовая физика.

Физика тесно связана с математикой: математика предоставляет аппарат, с помощью которого физические законы могут быть точно сформулированы. Физические теории почти всегда формулируются в виде математических уравнений, причём используются более сложные разделы математики, чем обычно в других науках. И наоборот, развитие многих областей математики стимулировалось потребностями физической науки.

Видео по теме

Научный метод

Физика — естественная наука. Источником знаний для неё является практическая деятельность: наблюдения, экспериментальное исследование явлений природы, производственная деятельность. Правильность физических знаний проверяется экспериментом, использованием научных знаний в производственной деятельности. Обобщением результатов научных наблюдений и эксперимента являются физические законы, которыми объясняются эти наблюдения и эксперименты[4]. Физика сосредоточена на изучении фундаментальных и простейших явлений и на ответах на простые вопросы: из чего состоит материя, каким образом частицы материи взаимодействуют между собой, по каким правилам и законам осуществляется движение частиц и т. д.

В основе физических исследований лежит установление фактов путём наблюдения и эксперимента. Анализ данных совокупности экспериментов позволяет выявить и сформулировать закономерность. На первых этапах исследований закономерности носят преимущественно эмпирический, феноменологический характер, — то есть явление описывается количественно с помощью определённых параметров, характерных для исследуемых тел и веществ. Полученные факты подвергаются упрощению, идеализации путём введения идеальных объектов. На основе идеализации создаются модели исследуемых объектов и явлений. Физические объекты, модели и идеальные объекты описываются на языке физических величин. Затем устанавливаются связи между явлениями природы и выражаются в форме физических законов[5]. Физические законы проверяются с помощью продуманного эксперимента, в котором явление (феномен) проявлялось бы в как можно более чистом виде и не осложнялось бы другими явлениями (феноменами). Анализируя закономерности и параметры, физики строят физические теории, которые позволяют объяснить изучаемые явления на основе представлений о строении тел и веществ и взаимодействие между их составными частями. Физические теории, в свою очередь, создают предпосылки для постановки точных экспериментов, в ходе которых в основном определяются рамки их применимости. Общие физические теории позволяют формулировать физические законы, которые считаются общими истинами, пока накопления новых экспериментальных результатов не потребует их уточнения или пересмотра.

Так, например, Стивен Грей заметил, что электричество можно передавать на довольно значительное расстояние с помощью увлажнённых нитей и начал исследовать это явление. Георг Ом сумел выявить для него количественную закономерность, — ток в проводнике прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению проводника току. Эта закономерность известна как закон Ома. При этом, конечно, эксперименты Ома опирались на новые источники питания и на новые способы измерять действие электрического тока, что позволило количественно охарактеризовать его. Результаты дальнейших исследований позволили абстрагироваться от формы и длины проводников тока и ввести такие феноменологические характеристики, как удельное сопротивление проводника и внутреннее сопротивление источника питания. Закон Ома и поныне основа электротехники, однако исследования также выявили и рамки его применимости, — открыты элементы электрической цепи с нелинейными вольт-амперными характеристиками, а также вещества, в определённых ситуациях не имеющие никакого электрического сопротивления — сверхпроводники. После открытия заряженных микрочастиц — электронов (позже протонов и других), была сформулирована микроскопическая теория электропроводности, объясняющая зависимости сопротивления от температуры посредством рассеяния электронов на колебаниях кристаллической решетки, примесях и т. д.

Вместе с тем было бы неправильным считать, что только эмпирический подход определяет развитие физики. Многие важные открытия были совершены «на кончике пера», или экспериментальной проверкой теоретических гипотез. Например, принцип наименьшего действия Пьер Луи де Мопертюи сформулировал в 1744 году на основе общих соображений, и справедливость его невозможно установить экспериментальным путём в силу всеобщности принципа. В настоящее время классическая и квантовая механика, теория поля основаны на принципе наименьшего действия. В 1899 году Макс Планк ввёл понятия кванта электромагнитного поля, кванта действия, что также не было следствием наблюдений и экспериментов, а чисто теоретической гипотезой. В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал работу по специальной теории относительности, построенную дедуктивным путём из самых общих физических и геометрических соображений. Анри Пуанкаре — математик, прекрасно разбиравшийся в научных методах физики, — писал, что ни феноменологический, ни умозрительный подход по отдельности не описывают и не могут описывать физическую науку[6].

Количественный характер физики

Физика — количественная наука. Физический эксперимент опирается на измерения, то есть сравнение характеристик исследуемых явлений с определёнными эталонами. С этой целью физика развила совокупность физических единиц и измерительных приборов. Отдельные физические единицы объединяются в системы физических единиц. Так, на современном этапе развития науки стандартом является Международная система единиц (СИ), но большинство теоретиков по-прежнему предпочитает пользоваться Гауссовой системой единиц (СГС).

Полученные экспериментально количественные зависимости позволяют использовать для своей обработки математические методы и строить теоретические, то есть математические модели изучаемых явлений.

С изменением представлений о природе тех или иных явлений меняются также физические единицы, в которых измеряются физические величины. Так, например, для измерения температуры сначала были предложены произвольные температурные шкалы, которые делили промежуток температур между характерными явлениями (например, замерзанием и кипением воды) на определённое количество меньших промежутков, которые получили название градусов температуры. Для измерения количества теплоты была введена единица — калория, которая определяла количество теплоты, необходимой для нагрева грамма воды на один градус. Однако со временем физики установили соответствие между механической и тепловой формой энергии. Таким образом, оказалось, что предложенная ранее единица количества теплоты, калория, является излишней, как и единица измерения температуры. И количество теплоты, и температуру можно измерять в единицах механической энергии. В современную эпоху калория и градус не вышли из практического употребления, но между этими величинами и единицей энергии Джоулем существует точное числовое соотношение. Градус, как единица измерения температуры входит в систему СИ, а коэффициент перехода от температурной к энергетическим величинам — постоянная Больцмана — считается физической постоянной.

История физики

Физика — это наука о материи, её свойствах и движении. Она является одной из наиболее древних научных дисциплин[7].

Люди пытались понять свойства материи из древнейших времен: почему тела падают на землю, почему разные вещества имеют различные свойства и т. д. Интересовали людей также вопрос о строении мира, о природе Солнца и Луны. Сначала ответы на эти вопросы пытались искать в философии. В основном философские теории, которые пытались дать ответы на такие вопросы, не проверялись на практике. Однако, несмотря на то, что нередко философские теории неправильно описывали наблюдения, ещё в древние времена человечество добилось значительных успехов в астрономии, а великий греческий учёный Архимед даже сумел дать точные количественные формулировки многих законов механики и гидростатики.

Некоторые теории древних мыслителей, как, например, идеи об атомах, которые были сформулированы в древних Греции и Индии, опережали время. Постепенно от общей философии начало отделяться естествознание, важнейшей составной частью которого стала физика. Уже Аристотель использовал название «Физика» в заголовке одного из основных своих трактатов[8]. Несмотря на ряд неправильных утверждений, физика Аристотеля на протяжении веков оставалась основой знаний о природе.

Период до научной революции

Основной способ работы камеры обскура Рисунок Ибн ал-Хайсама (Альхазена) Ибн ал-Хайсам (около 965 — около 1040), пионер оптики

Свойство человечества сомневаться и пересматривать положения, которые раньше считались единственно истинными, в поисках ответов на новые вопросы в итоге привело к эпохе великих научных открытий, которую сегодня называют научной революцией, начавшейся в середине XVI века. Предпосылки к этим коренным изменениям сложились благодаря достоянию древних мыслителей, наследие которых можно проследить до Индии и Персии. Персидский учёный Насир ад-Дин ат-Туси указал на значительные недостатки птолемеевской системы.

Средневековая Европа на какое-то время потеряла знания античных времен, но под влиянием Арабского халифата сохраненные арабами сочинения Аристотеля вернулись. В XII—XIII веках нашли свой путь в Европу также произведения индийских и персидских учёных. В Средние века начал складываться научный метод, в котором основная роль отводилась экспериментам и математическому описанию. Ибн ал-Хайсам (Альхазен) в своей «Книге о оптике», написанной в 1021 году, описывал эксперименты, подтверждающие его теорию зрения, согласно которой глаз воспринимает свет, излучаемый другими объектами, а не сам глаз излучает свет, как считали раньше Евклид и Птолемей. В экспериментах Ибн ал-Хайсама использовалась камера-обскура. С помощью этого прибора он проверял свои гипотезы относительно свойств света: или свет распространяется по прямой, или смешиваются в воздухе различные лучи света[9].

Научная революция

Рисунок Ибн ал-Хайсама (Альхазена)

Период научной революции характеризуется утверждением научного метода исследований, вычленением физики из массы натурфилософии в отдельную область и развитием отдельных разделов физики: механики, оптики, термодинамики и т. д.[10]

Большинство историков придерживаются мнения о том, что научная революция началась в 1543 году, когда Николаю Копернику привезли из Нюрнберга впервые напечатанный экземпляр его книги «О вращении небесных сфер».

После этого в течение примерно ста лет человечество обогатилось работами таких исследователей, как Галилео Галилей, Христиан Гюйгенс, Иоганн Кеплер, Блез Паскаль и др.[11] Галилей первым начал последовательно применять научный метод, проводя эксперименты, чтобы подтвердить свои предположения и теории. Он сформулировал некоторые законы динамики и кинематики, в частности закон инерции, и проверил их опытным путём. В 1687 году Исаак Ньютон опубликовал книгу «Principia», в которой в подробностях описал две основополагающие физические теории: законы движения тел, известные как законы Ньютона, и законы тяготения. Обе теории прекрасно согласовывались с экспериментом. Книга также приводила теории движения жидкостей.[12] Впоследствии классическая механика была переформулирована и расширена Леонардом Эйлером, Жозефом Луи Лагранжем, Уильямом Роуэном Гамильтоном и другими[13]. Законы гравитации заложили основу тому, что позже стало астрофизикой, которая использует физические теории для описания и объяснения астрономических наблюдений.

В России первым значительный вклад в развитие физической минералогии, математической физики, биофизики и астрономии в разделе изучения полярных сияний и физики «хвостов» комет внёс Михаил Ломоносов[13]. Среди его наиболее значимых научных достижений в области физики — атомно-корпускулярная теория строения вещества и материи. Работы Ломоносова и его соратника Г. В. Рихмана внесли важный вклад в понимание электрической природы грозовых разрядов. Ломоносов не только провёл блестящее многолетнее исследование атмосферного электричества и установил ряд эмпирических закономерностей грозовых явлений, но и в работе «Слово о явлениях воздушных, от электрической силы происходящих» (1753) объяснил причину возникновения электричества в грозовых облаках конвекцией теплого воздуха (у поверхности Земли) и холодного воздуха (в верхних слоях атмосферы). Ломоносов разработал теорию света и выдвинул трёхкомпонентную теорию цвета, с помощью которой объяснил физиологические механизмы цветовых явлений. По мысли Ломоносова, цвета вызываются действием трёх родов эфира и трёх видов цветоощущающей материи, составляющей дно глаза. Теория цвета и цветового зрения, с которой Ломоносов выступил в 1756 году, выдержала проверку временем и заняла должное место в истории физической оптики.

После установления законов механики Ньютоном, следующим исследовательским полем стало электричество. Основы создания теории электричества заложили наблюдения и опыты таких учёных XVII и XVIII веков, как Роберт Бойль, Стивен Грей, Бенджамин Франклин[13]. Сложились основные понятия — электрический заряд и электрический ток. В 1831 году английский физик Майкл Фарадей показал связь электричества и магнетизма, продемонстрировав, что движущийся магнит индуцирует в электрической цепи ток. Опираясь на эту концепцию, Джеймс Клерк Максвелл построил теорию электромагнитного поля. Из системы уравнений Максвелла следовало существование электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света. Экспериментальное подтверждение этому нашел Генрих Герц, открыв радиоволны[14].

С построением теории электромагнитного поля и электромагнитных волн, победой волновой теории света, основанной Гюйгенсом, над корпускулярной теорией Ньютона, завершилось построение классической оптики. На этом пути оптика обогатилась пониманием дифракции и интерференции света, достигнутым благодаря трудам Огюстена Френеля и Томаса Юнга.

В XVIII и начале XIX века были открыты основные законы поведения газов, а работы Сади Карно по теории тепловых машин открыли новый этап в становлении термодинамики. В XIX веке Юлиус Майер и Джеймс Джоуль установил эквивалентность механической и тепловой энергий, что привело к расширенной формулировке закона сохранения энергии (первый закон термодинамики)[15]. Благодаря Рудольфу Клаузиусу был сформулирован второй закон термодинамики и введено понятие энтропии. Позже Джозайя Уиллард Гиббс заложил основы статистической физики, а Людвиг Больцман предложил статистическую интерпретацию понятия энтропии[16].

К концу XIX века физики подошли к значительному открытию — экспериментальному подтверждению существования атома. В это время существенно изменилась и роль физики в обществе. Возникновение новой техники (электричества, радио, автомобиль и т. д.) требовало большого объёма прикладных исследований. Занятия наукой стало профессией. Фирма General Electric первой открыла собственные исследовательские лаборатории; такие же лаборатории стали появляться в других фирмах.

Смена парадигм

Конец девятнадцатого, начало двадцатого века был временем, когда под давлением новых экспериментальных данных физикам пришлось пересмотреть старые теории и заменить их новыми, заглядывая все глубже в строение материи. Эксперимент Майкельсона — Морли выбил основу из-под ног классического электромагнетизма, поставив под сомнение существование эфира. Были открыты новые явления, такие как рентгеновские лучи и радиоактивность. Не успели физики доказать существование атома, как появились доказательства существования электрона, эксперименты с фотоэффектом и изучение спектра теплового излучения давали результаты, которые невозможно было объяснить, исходя из принципов классической физики. В прессе этот период назывался кризисом физики, но одновременно он стал периодом триумфа физики, сумевшей выработать новые революционные теории, которые не только объяснили непонятные явления, но и многие другие, открыв путь к новому пониманию природы.

Рисунок Ибн ал-Хайсама (Альхазена)

В 1905 году Альберт Эйнштейн построил специальную теорию относительности, которая продемонстрировала, что понятие эфира не требуется при объяснении электромагнитных явлений. При этом пришлось изменить классическую механику Ньютона, дав ей новую формулировку, справедливую при больших скоростях. Коренным образом изменились также представления о природе пространства и времени[17]. Эйнштейн развил свою теорию в общую теорию относительности, опубликованную в 1916 году. Новая теория включала в себя описание гравитационных явлений и открыла путь к становлению космологии — науки об эволюции Вселенной[18].

Рассматривая задачу о тепловом излучении абсолютно чёрного тела, Макс Планк в 1900 году предложил невероятную идею, что электромагнитные волны излучаются порциями, энергия которых пропорциональна частоте. Эти порции получили название квантов, а сама идея начала построение новой физической теории — квантовой механики, которая ещё больше изменила классическую ньютоновскую механику, на этот раз при очень малых размерах физической системы. В том же 1905 году Альберт Эйнштейн применил идею Планка для успешного объяснения экспериментов с фотоэффектом, предположив, что электромагнитные волны не только излучаются, но и поглощаются квантами. Корпускулярная теория света, которая, казалось, потерпела сокрушительное поражение в борьбе с волновой теорией, вновь получила поддержку.

Спор между корпускулярной и волновой теорией нашел своё решение в корпускулярно-волновом дуализме, гипотезе, сформулированной Луи де Бройлем. По этой гипотезе не только квант света, а любая другая частица проявляет одновременно свойства, присущие как корпускулам, так и волнам. Гипотеза Луи де Бройля подтвердилась в экспериментах с дифракцией электронов.

В 1911 году Эрнест Резерфорд предложил планетарную теорию атома, а в 1913 году Нильс Бор построил модель атома, в которой постулировал квантовый характер движения электронов. Благодаря работам Вернера Гайзенберга, Эрвина Шрёдингера, Вольфганга Паули, Поля Дирака и многих других квантовая механика нашла свою точную математическую формулировку, подтверждённую многочисленными экспериментами. В 1927 году была создана копенгагенская интерпретация, которая открывала путь для понимания законов квантового движения на качественном уровне[19][20].

Физика современности

Рисунок Ибн ал-Хайсама (Альхазена) Зелёный (520 нм), синий (445 нм) и красный (635 нм) лазеры

С открытием радиоактивности Анри Беккерелем началось развитие ядерной физики, которая привела к появлению новых источников энергии: атомной энергии и энергии ядерного синтеза. Открытые при исследованиях ядерных реакций новые частицы: нейтрон, протон, нейтрино, дали начало физике элементарных частиц<ref name="Ivan">Иваненко Д. Д. Элементарные частицы // отв. ред. Григорьян А. Т., Полак Л. С. Очерки развития основных физических идей. — М., АН СССР, 1959. — С. 422-510;</ref. Эти новые открытия на субатомном уровне оказались очень важными для физики на уровне Вселенной и позволили сформулировать теорию её эволюции — теорию Большого взрыва.

Сложилось окончательное разделение труда между физиками-теоретиками и физиками-экспериментаторами. Энрико Ферми был, пожалуй, последним выдающимся физиком, успешным как в теории, так и в экспериментальной работе.

Передний край физики переместился в область исследования фундаментальных законов, ставя перед собой цель создать теорию, которая объясняла бы Вселенную, объединив теории фундаментальных взаимодействий. На этом пути физика получила частичные успехи в виде теории электрослабого взаимодействия и теории кварков, обобщённой в так называемой стандартной модели. Однако, квантовая теория гравитации до сих пор не построена. Определённые надежды связываются с теорией струн.

Начиная с создания квантовой механики, быстрыми темпами развивается физика твердого тела, открытия которой привели к возникновению и развитию электроники, а с ней и информатики, которые внесли коренные изменения в культуру человеческого общества.

Теоретическая и экспериментальная физика

Рисунок Ибн ал-Хайсама (Альхазена) Рисунок Ибн ал-Хайсама (Альхазена)

В основе своей физика — экспериментальная наука: все её законы и теории основываются и опираются на опытные данные. Однако зачастую именно новые теории являются причиной проведения экспериментов и, как результат, лежат в основе новых открытий. Поэтому принято различать экспериментальную и теоретическую физику.

Экспериментальная физика исследует явления природы в заранее подготовленных условиях. В её задачи входит обнаружение ранее неизвестных явлений, подтверждение или опровержение физических теорий. Многие достижения в физике были сделаны благодаря экспериментальному обнаружению явлений, не описываемых существующими теориями. Например, экспериментальное изучение фотоэффекта послужило одной из посылок к созданию квантовой механики (хотя рождением квантовой механики считается появление гипотезы Планка, выдвинутой им для разрешения ультрафиолетовой катастрофы — парадокса классической теоретической физики излучения).

В задачи теоретической физики входит формулирование общих законов природы и объяснение на основе этих законов различных явлений, а также предсказание до сих пор неизвестных явлений. Верность любой физической теории проверяется экспериментально: если результаты эксперимента совпадают с предсказаниями теории, она считается адекватной (достаточно точно описывающей данное явление).

При изучении любого явления экспериментальные и теоретические аспекты одинаково важны.

Прикладная физика

Рисунок Ибн ал-Хайсама (Альхазена)

От своего зарождения физика всегда имела большое прикладное значение и развивалась вместе с машинами и механизмами, которые человечество использовало для своих нужд. Физика широко используется в инженерных науках, немало физиков были одновременно изобретателями и, наоборот. Механика, как часть физики, тесно связана с теоретической механикой и сопротивлением материалов, как инженерными науками. Термодинамика связана с теплотехникой и конструированием тепловых двигателей. Электричество связано с электротехникой и электроникой, для становления и развития которой очень важны исследования в области физики твердого тела. Достижения ядерной физики обусловили появление ядерной энергетики, и тому подобное.

Физика также имеет широкие междисциплинарные связи. На границе физики, химии и инженерных наук возникла и быстро развивается такая отрасль науки как материаловедение. Методы и инструменты используются химией, что привело к становлению двух направлений исследований: физической химии и химической физики. Всё мощнее становится биофизика — область исследований на границе между биологией и физикой, в которой биологические процессы изучаются исходя из атомарной структуры органических веществ. Геофизика изучает физическую природу геологических явлений. Медицина использует методы, такие как рентгеновские и ультразвуковые исследования, ядерный магнитный резонанс — для диагностики, лазеры — для лечения болезней глаз, ядерное облучение — в онкологии, и тому подобное.

Основные теории

Хотя физика имеет дело с разнообразными системами, некоторые физические теории применимы в больших областях физики. Такие теории считаются в целом верными при дополнительных ограничениях. Например, классическая механика верна, если размеры исследуемых объектов намного больше размеров атомов, скорости существенно меньше скорости света, и гравитационные силы малы. Эти теории всё ещё активно исследуются; например, такой аспект классической механики, как теория хаоса был открыт только в XX веке. Они составляют основу для всех физических исследований. В рамках этих теорий М. В. Ломоносов объяснил причины агрегатных состояний веществ (твёрдое, жидкое и газообразное состояния) и разработал теорию теплоты.

Разделы физики

Макроскопическая физика

Макроскопическая физика изучает явления и законы привычного мира, где размеры тел сопоставимы с размерами человека.

Микроскопическая физика

Рисунок Ибн ал-Хайсама (Альхазена)

Микроскопическая физика исследует «микромир», где размеры тел во много раз меньше размеров человека.

Разделы физики на стыке наук

Справка

Важнейшие журналы

Российские

Зарубежные

  • Nature Physics
  • Журналы Американского физического общества
    • Physics — короткие обзорные статьи по результатам, опубликованным в других журналах общества.
    • Reviews of Modern Physics (RMP) Публикует обзорные статьи по большим разделам физики
    • Physical Review Letters (PRL) Наиболее престижный (после Nature и Science) журнал: короткие статьи по новейшим исследованиям
    • Physical Review (A,B,C,D,E) Статьи разного формата, более подробные, но менее оперативно публикуемые, чем в Phys. Rev. Lett.
    • Annals of Physics
  • Журналы Американского института физики
  • Европейские журналы
    • Journal of Physics (A, B, C …)
    • New Journal of Physics
    • Physica (A, B, C …)
    • Physics Letters A
    • Europhysics Letters
    • Zeitschrift für Physik Именно в этом журнале публиковались Эйнштейн, Гейзенберг, Планк…
    • Nuovo cimento (A, B, C …)
    • Foundations of Physics
  • Научно-популярные журналы

А также архив препринтов arXiv.org, на котором статьи появляются гораздо раньше их появления в журналах и доступны для свободного скачивания.

Коды в системах классификации знаний

Категория:Физики по алфавиту — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Перейти к навигации Перейти к поиску
⚠ Внимание! Данная категория не полная, её содержание наполняется шаблономи {{Физик}} и {{Физика}}.

Подкатегории

В этой категории отображается 3 подкатегории из имеющихся 3.

Страницы в категории «Физики по алфавиту»

Показано 200 страниц из 1860, находящихся в данной категории.

(Предыдущая страница) (Следующая страница)

А

  • Абаренков, Игорь Васильевич
  • Абдинов, Джавад Шахвалед оглы
  • Абдул Кадыр Хан
  • Абдуллаев, Гасан Мамедбагир оглы
  • Абдуллаев, Фатхулла Хабибуллаевич
  • Абдуллин, Ильдар Шаукатович
  • Абрагам, Анатоль
  • Абрамов, Дмитрий Иванович
  • Абрамян, Евгений Арамович
  • Авогадро, Амедео
  • Авсюк, Юрий Николаевич
  • Аганагич, Майна
  • Агладзе, Константин Игоревич
  • Агранович, Владимир Моисеевич
  • Адамский, Виктор Борисович
  • Адамян, Вадим Мовсесович
  • Аджемян, Лоран Цолакович
  • Акимов, Владимир Николаевич
  • Акопян, Дорвард Гургенович
  • Акривос, Андреас
  • Аксёнов, Виктор Лазаревич
  • Акулов, Николай Сергеевич
  • Аланус, Георг
  • Алдер, Берни
  • Александров, Александр Данилович
  • Александров, Анатолий Петрович
  • Александров, Игорь Васильевич
  • Александров, Кирилл Сергеевич
  • Алексеев, Николай Николаевич (физик)
  • Алескеров, Фуад Тагиевич
  • Алиев, Мамед Рагимович
  • Алиев, Мехти Садых оглы
  • Аликаев, Владимир Владимирович
  • Алияров, Бирлесбек Каниулы
  • Аллен, Джон Фрэнк
  • Аллилуев, Сергей Павлович
  • Аллисон, Сэмюэл Кинг
  • Аллисон, Фрэд
  • Алфёров, Жорес Иванович
  • Альбринг, Вернер
  • Альварес, Луис
  • Альвен, Ханнес
  • Альтарелли, Гвидо
  • Альтшулер, Борис Леонидович
  • Альтшулер, Борис Львович
  • Альтшулер, Лев Владимирович
  • Альтшулер, Семён Александрович
  • Амага, Эмиль
  • Амальди, Эдоардо
  • Амано, Хироси
  • Аматуни, Андрей Цолакович
  • Амирханов, Хабибулла Ибрагимович
  • Амонтон, Гийом
  • Ампер, Андре-Мари
  • Анаксагор
  • Ананьев, Юрий Алексеевич
  • Андерсон, Герберт Лоуренс
  • Андерсон, Карл Дейвид
  • Андерсон, Филип Уоррен
  • Андерсон, Эльда Эмма
  • Андреев, Александр Фёдорович (физик)
  • Андреев, Вячеслав Михайлович
  • Андреев, Николай Николаевич (физик)
  • Андреев, Ярослав Николаевич
  • Андриеш, Андрей Михайлович
  • Андроникашвили, Элевтер Луарсабович
  • Андронов, Александр Александрович (старший)
  • Анисимов, Сергей Иванович
  • Анищик, Виктор Михайлович
  • Аношкин, Николай Фёдорович
  • Анри, Виктор Алексеевич
  • Ансельм, Алексей Андреевич
  • Ансельм, Андрей Иванович
  • Антипов, Юрий Михайлович
  • Антонов-Романовский, Всеволод Васильевич
  • Араго, Франсуа
  • Арбузов, Андрей Борисович
  • Арбузов, Борис Андреевич
  • Арганд, Франсуа Пьер Ами
  • Арденне, Манфред фон
  • Арифов, Убай Арифович
  • Аркани-Хамед, Нима
  • Арош, Серж
  • Арсеев, Пётр Иварович
  • Артюхов, Валерий Григорьевич
  • Артюшков, Евгений Викторович
  • Арутюнян, Вилик Маргарович
  • Арушанов, Эрнест Константинович
  • Архаров, Владимир Иванович
  • Архимед
  • Арцимович, Лев Андреевич
  • Асатиани, Тина Левановна
  • Асеев, Александр Леонидович
  • Аскарьян, Гурген Ашотович
  • Астон, Фрэнсис Уильям
  • Асхабов, Асхаб Магомедович
  • Атаходжаев, Акбар Касымович
  • Атвуд, Джордж
  • Афанасьев, Алексей Егорович
  • Афанасьев, Анатолий Александрович
  • Афанасьев, Аполлон Павлович
  • Афанасьева, Вера Владимировна
  • Афанасьева, Татьяна Алексеевна
  • Ахиезер, Александр Ильич
  • Ашар, Франц Карл

Б

  • Баба, Хоми Джехангир
  • Бабаев, Юрий Николаевич
  • Бабин, Сергей Алексеевич
  • Бабич, Василий Михайлович
  • Багге, Эрих
  • Бадалян, Сергей Григорьевич
  • Базилевская, Ольга Александровна
  • Бакал, Джон
  • Бакстер, Родни
  • Балакший, Владимир Иванович
  • Баланкин, Александр Сергеевич
  • Балыкин, Виктор Иванович
  • Баран, Людмила Владимировна
  • Бардин, Джон
  • Бардин, Дмитрий Юрьевич
  • Барит, Израиль Яковлевич
  • Баркла, Чарлз Гловер
  • Барков, Лев Митрофанович
  • Барр, Стивен
  • Барретт, Уильям (физик)
  • Барроу, Джон (физик)
  • Барроу, Исаак
  • Бартолин, Расмус
  • Басов, Николай Геннадиевич
  • Батуров, Борис Борисович
  • Баумгартнер, Андреас
  • Бахметьев, Порфирий Иванович
  • Баянов, Ильмир Масуилович
  • Бегелин, Николас де
  • Бегоунек, Франтишек
  • Беднорц, Йоханнес Георг
  • Безносиков, Борис Валерьевич
  • Бейм, Гордон
  • Бек, Гвидо
  • Беккариа, Джованни Батиста
  • Беккерель, Антуан Сезар
  • Беккерель, Жан
  • Белинский, Владимир Алексеевич
  • Белов, Александр Степанович
  • Белоусов, Борис Павлович
  • Белый, Михаил Ульянович
  • Бельдюгин, Игорь Михайлович
  • Беляев, Спартак Тимофеевич
  • Бен-Якоб, Эшель
  • Беннетт, Уильям Ралф
  • Бережко, Евгений Григорьевич
  • Бернулли, Даниил
  • Бернулли, Иоганн II
  • Беро, Жан Жак
  • Беро, Лоран
  • Берсукер, Геннадий Исаакович
  • Берсукер, Исаак Борухович
  • Бертеро, Карло Луиджи Джузеппе
  • Беспалов, Виктор Иванович
  • Бете, Ханс
  • Бетциг, Эрик
  • Бецольд, Иоганн Фридрих Вильгельм фон
  • Биленький, Самоил Михелевич
  • Бильфингер, Георг Бернгард
  • Бинниг, Герд Карл
  • Бирдж, Раймонд Тайер
  • Аль-Бируни
  • Биттер, Фрэнсис
  • Блануша, Данило
  • Блау, Мариетта
  • Блаунштейн, Натан Шаевич
  • Блини, Бребис
  • Блистанов, Александр Алексеевич
  • Блондель, Андре
  • Блондло, Рене
  • Блох, Эжен
  • Блохинцев, Дмитрий Иванович
  • Бобровников, Михаил Силантьевич
  • Бобылёв, Дмитрий Константинович
  • Богуславский, Сергей Анатольевич
  • Богуш, Андрей Александрович
  • Божевольный, Сергей Иосифович
  • Бозе, Шатьендранат
  • Бойз, Чарлз Вернон
  • Бойко, Борис Борисович
  • Бойл, Уиллард
  • Бойль, Роберт
  • Бокуть, Борис Васильевич
  • Болотов, Александр Николаевич
  • Болсун, Александр Иванович
  • Больцани, Иосиф Антонович
  • Больцман, Людвиг
  • Большанина, Мария Александровна
  • Большов, Леонид Александрович
  • Бом, Дэвид
  • Бондаренко, Борис Иванович
  • Бондарь, Александр Евгеньевич
  • Бонч-Бруевич, Алексей Михайлович
  • Бончковский, Вячеслав Францевич
  • Бор, Нильс
(Предыдущая страница) (Следующая страница)

Нерешённые проблемы современной физики — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 23 декабря 2018; проверки требуют 34 правки. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 23 декабря 2018; проверки требуют 34 правки.

Ниже приведён список нерешённых пробле́м совреме́нной фи́зики[1]. Некоторые из этих проблем носят теоретический характер. Это означает, что существующие теории оказываются неспособными объяснить определённые наблюдаемые явления или экспериментальные результаты. Другие проблемы являются экспериментальными, а это означает, что имеются трудности в создании эксперимента по проверке предлагаемой теории или по более подробному исследованию какого-либо явления.

Неразрешенные проблемы (сортировка по полю применения)[править | править код]

Общая физика / квантовая физика[править | править код]

Следующие проблемы являются либо фундаментальными теоретическими проблемами, либо теоретическими идеями, для которых отсутствуют экспериментальные данные. Некоторые из этих проблем тесно взаимосвязаны. Например, дополнительные измерения или суперсимметрия могут решить проблему иерархии. Считается, что полная теория квантовой гравитации способна ответить на бо́льшую часть из перечисленных вопросов (кроме проблемы острова стабильности).

Квантовая гравитация, космология, общая теория относительности[править | править код]

Распад метастабильного вакуума
Почему предсказанная масса квантового вакуума мало влияет на расширение Вселенной?
Квантовая гравитация
Можно ли квантовую механику и общую теорию относительности объединить в единую самосогласованную теорию (возможно, это квантовая теория поля)?[3] Является ли пространство-время непрерывным или оно дискретно? Будет ли самосогласованная теория использовать гипотетический гравитон или она будет полностью продуктом дискретной структуры пространства-времени (как в петлевой квантовой гравитации)? Существуют ли отклонения от предсказаний ОТО для очень малых или очень больших масштабов или в других чрезвычайных обстоятельствах, которые вытекают из теории квантовой гравитации?
Чёрные дыры, исчезновение информации в чёрной дыре, излучение Хокинга
Производят ли чёрные дыры тепловое излучение, как это предсказывает теория? Содержит ли это излучение информацию об их внутренней структуре, как это предполагает дуальность тяготение-калибровочная инвариантность, или нет, как следует из оригинального расчета Хокинга? Если нет и чёрные дыры могут непрерывно испаряться, то что происходит с информацией, хранящейся в них (квантовая механика не предусматривает уничтожение информации)? Или излучение в какой-то момент остановится, когда от чёрной дыры мало что останется?[4][5]. Есть ли какой-либо другой способ исследования их внутренней структуры, если такая структура вообще существует? Выполняется ли закон сохранения барионного заряда внутри чёрной дыры?[6] Неизвестно доказательство принципа космической цензуры, а также точная формулировка условий, при которых он выполняется[7]. Отсутствует полная и законченная теория магнитосферы черных дыр[8]. Неизвестна точная формула для вычисления числа различных состояний системы, коллапс которой приводит к возникновению чёрной дыры с заданными массой, моментом количества движения и зарядом[9]. Неизвестно доказательство в общем случае «теоремы об отсутствии волос» у чёрной дыры[10].
Размерность пространства-времени
Существуют ли в природе дополнительные измерения пространства-времени, кроме известных нам четырёх?[1] Если да, то каково их количество? Является ли размерность «3+1» (или более высокая) априорным свойством Вселенной или она является результатом других физических процессов, как предполагает, например, теория причинной динамической триангуляции? Можем ли мы экспериментально «наблюдать» высшие пространственные измерения? Справедлив ли голографический принцип, по которому физика нашего «3+1»-мерного пространства-времени эквивалентна физике на гиперповерхности с размерностью «2+1»?[11]
Инфляционная модель Вселенной
Верна ли теория космической инфляции, и если да, то каковы подробные детали этой стадии? Что представляет собой гипотетическое инфлатонное поле, ответственное за рост инфляции? Если инфляция произошла в одной точке, является ли это началом самоподдерживающегося процесса за счёт инфляции квантово-механических колебаний, который будет продолжаться в совершенно другом, удалённом от этой точки месте?
Мультивселенная
Существуют ли физические причины существования других вселенных, которые принципиально ненаблюдаемы? Например: существуют ли квантовомеханические «альтернативные истории» или «множество миров»? Существуют ли «другие» вселенные с физическими законами, являющимися результатом альтернативных способов нарушения очевидной симметрии физических сил при высоких энергиях, расположенные, возможно, невероятно далеко из-за космической инфляции? Могли ли другие вселенные влиять на нашу, вызвав, например, аномалии в распределении температуры реликтового излучения?[12] Является ли оправданным использование антропного принципа для решения глобальных космологических проблем?
Принцип космической цензуры и гипотеза защиты хронологии
Могут ли сингулярности, не скрывающиеся за горизонтом событий и известные как «голые сингулярности», возникать из реалистичных начальных условий, или же можно доказать какую-то версию «гипотезы космической цензуры» Роджера Пенроуза, в которой предполагается, что это невозможно?[13] В последнее время появились факты[14] в пользу несостоятельности гипотезы космической цензуры, а значит, голые сингулярности должны встречаться гораздо чаще, чем только лишь как экстремальные решения уравнений Керра — Ньюмена, тем не менее неоспоримых доказательств этому представлено ещё не было. Аналогично, будут ли замкнутые времениподобные кривые, которые возникают в некоторых решениях уравнений общей теории относительности (и которые предполагают возможность путешествия во времени в обратном направлении), исключены теорией квантовой гравитации, которая объединяет общую теорию относительности с квантовой механикой, как предполагает «гипотеза защиты хронологии» Стивена Хокинга?
Локальность
Существуют ли нелокальные явления в квантовой физике? Если существуют, не имеют ли они ограничения в передаче информации, или: может ли энергия и материя также двигаться по нелокальному пути? При каких условиях наблюдаются нелокальные явления? Что влечёт наличие или отсутствие нелокальных явлений для фундаментальной структуры пространства-времени? Как это связано с квантовой сцепленностью? Как это истолковать с позиций правильной интерпретации фундаментальной природы квантовой физики?
Будущее Вселенной[15]
Движется ли Вселенная по направлению к Большому замерзанию, Большому разрыву, Большому сжатию или Большому отскоку? Является ли наша Вселенная частью бесконечно повторяющейся циклической модели?

Физика высоких энергий, физика элементарных частиц[править | править код]

Моделирование процесса обнаружения бозонов Хиггса на детекторе КМС в CERN

Нерешённые вопросы физики элементарных частиц делятся на два класса. Первый — из чего всё состоит и почему оно построено так, как построено, а также поиск возможных новых частиц и взаимодействий. Второй — как из уже известных частиц образуются уже известные явления[16].

Механизм Хиггса[16]
Сколько бозонов Хиггса существует? Описываются ли они в рамках Стандартной модели?[17]
Проблема иерархии
Почему гравитация является такой слабой силой? Она становится большой только в планковском масштабе, для частиц с энергией порядка 1019ГэВ, что гораздо выше электрослабого масштаба (в физике низких энергий доминирующей является энергия в 100 ГэВ). Почему эти масштабы так сильно отличаются друг от друга? Что мешает величинам электрослабого масштаба, таким как масса бозона Хиггса, получать квантовые поправки на масштабах порядка планковских? Являются ли решением этой проблемы суперсимметрия, дополнительные измерения или просто антропная тонкая настройка?
Магнитный монополь
Существовали ли частицы — носители «магнитного заряда» в какие-либо прошлые эпохи с более высокими энергиями? Если да, то есть ли какие-либо на сегодняшний день? (Поль Дирак показал, что наличие некоторых типов магнитных монополей могло бы объяснить квантование заряда.[18])[19]
Распад протона и Великое объединение
Как можно объединить три различных квантово-механических фундаментальных взаимодействия квантовой теории поля? Почему легчайший барион, являющийся протоном, абсолютно стабилен? Если же протон нестабилен, то каков его период полураспада?
Суперсимметрия[16]
Реализована ли суперсимметрия пространства в природе? Если да, то каков механизм нарушения суперсимметрии? Стабилизирует ли суперсимметрия электрослабый масштаб, предотвращая высокие квантовые поправки? Состоит ли тёмная материя из лёгких суперсимметричных частиц?
Поколения материи
Существует ли более трёх поколений кварков и лептонов? Связано ли число поколений с размерностью пространства? Почему вообще существуют поколения? Существует ли теория, которая могла бы объяснить наличие массы у некоторых кварков и лептонов в отдельных поколениях на основании первых принципов (теория взаимодействия Юкавы)?
Фундаментальная симметрия и нейтрино
Какова природа нейтрино, какова их масса и как они формировали эволюцию Вселенной? Почему сейчас во Вселенной обнаруживается вещества больше, чем антивещества?[20] Какие невидимые силы присутствовали на заре Вселенной, но исчезли из поля зрения в процессе развития Вселенной?
Квантовая теория поля
Совместимы ли принципы релятивистской локальной квантовой теории поля с существованием нетривиальной матрицы рассеяния?[21]
Безмассовые частицы
Почему безмассовые частицы без спина не существуют в природе?[22]

Ядерная физика[править | править код]

Квантовая хромодинамика
Каковы фазовые состояния сильно взаимодействующей материи и какую роль они играют в космосе? Каково внутреннее устройство нуклонов? Какие свойства сильно взаимодействующей материи предсказывает КХД? Что управляет переходом кварков и глюонов в пи-мезоны и нуклоны? Какова роль глюонов и глюонного взаимодействия в нуклонах и ядрах? Что определяет ключевые особенности КХД и каково их отношение к природе гравитации и пространства-времени?
Атомное ядро и ядерная астрофизика
Какова природа ядерных сил, которая связывает протоны и нейтроны в стабильные ядра и редкие изотопы? Какова причина соединения простых частиц в сложные ядра? Какова природа нейтронных звёзд и плотной ядерной материи? Каково происхождение элементов в космосе? Что такое ядерные реакции, которые движут звёзды и приводят к их взрывам?
Остров стабильности
Какое самое тяжёлое из стабильных или метастабильных ядер может существовать?[23]

Сверхтекучесть[править | править код]

  • Не создана последовательная квантовая гидродинамическая теория сверхтекучей жидкости, объединяющая двухжидкостную теорию Ландау и теорию, учитывающую градиенты макроскопической волновой функции[24].
  • Макроскопическая теория сверхтекучести не учитывает взаимодействие между наблюдателем и квантовой системой. Существенно ли оно для сверхтекучести?[25]
  • Не решена задача учёта взаимодействия частиц при квантовом подходе[26].
  • Можно ли наблюдать релятивистские эффекты в сверхтекучих системах?[27]
  • Существующая формулировка квантовой механики не позволяет получить описание сверхтекучей системы из первых принципов. Масса сверхтекучих систем велика, а длина волны де Бройля сравнима с размерами измерительного прибора. Приведёт ли явление сверхтекучести к новому пониманию старого парадокса квантовой механики о редукции волнового пакета в процессе измерения?[28]

Другие проблемы[править | править код]

Туннельный эффект — квантовая механика показывает, что электроны могут преодолеть потенциальный барьер, что подтверждается результатами экспериментов.
Классическая механика, наоборот, предсказывает, что это невозможно.
Квантовая механика и принцип соответствия (иногда называемый квантовым хаосом)
Есть ли предпочтительные интерпретации квантовой механики? Как квантовое описание реальности, которое включает в себя такие элементы, как квантовая суперпозиция состояний и коллапс волновой функции или квантовая декогеренция, приводят к реальности, которую мы видим? Сформулировать то же самое можно с помощью проблемы измерения: что представляет собой «измерение», которое заставляет волновую функцию сваливаться в определённое состояние?
Физическая информация
Существуют ли физические феномены, такие как чёрные дыры или коллапс волновой функции, которые безвозвратно уничтожают информацию о своих предшествующих состояниях?
Теория всего («Теории Великого объединения»)
Существует ли теория, которая объясняет значения всех фундаментальных физических констант?[29] Существует ли теория, которая объясняет, почему калибровочная инвариантность стандартной модели такая, как она есть, почему наблюдаемое пространство-время имеет 3 + 1 измерения, и поэтому законы физики таковы, как они есть? Меняются ли с течением времени «фундаментальные физические константы»? Являются ли какие-нибудь частицы в стандартной модели физики элементарных частиц на самом деле состоящими из других частиц, связанных настолько сильно, что их невозможно наблюдать при современных экспериментальных энергиях? Существуют ли фундаментальные частицы, которые ещё не наблюдались, и если да, то какие они и каковы их свойства? Существуют ли ненаблюдаемые фундаментальные силы, которые предполагает теория, объясняющие другие нерешённые проблемы физики?
Калибровочная инвариантность
Существуют ли реально неабелевы калибровочные теории со щелью в спектре масс?
CP-симметрия
Почему не сохраняется CP-симметрия? Почему она сохраняется в большинстве наблюдаемых процессов?[1]
Физика полупроводников
Квантовая теория полупроводников не может точно вычислить ни одной постоянной полупроводника[30].
Квантовая физика
Неизвестно точное решение уравнения Шредингера для многоэлектронных атомов[31].
При решении задачи о рассеянии двух пучков на одном препятствии сечение рассеяния получается бесконечно большим[32].
Фейнманиум: Что будет происходить с химическим элементом, атомный номер которого окажется выше 137, вследствие чего 1s1-электрону придётся двигаться со скоростью, превышающей скорость света (согласно модели атома Бора)? Является ли «Фейнманиум» последним химическим элементом, способным существовать физически? Проблема может проявиться приблизительно на 137 элементе, где расширение дистрибуции заряда ядра достигает финальной точки. Смотрите статью Расширенная периодическая таблица элементов и секцию Relativistic effects.
Статистическая физика
Отсутствует систематическая теория необратимых процессов, дающая возможность проводить количественные расчёты для любого заданного физического процесса[33][34][35][36].
Квантовая электродинамика
Существуют ли гравитационные эффекты, вызываемые нулевыми колебаниями электромагнитного поля?[37]
Неизвестно, как при вычислениях квантовой электродинамики в области высоких частот одновременно выполнить условия конечности результата, релятивистской инвариантности и суммы всех альтернативных вероятностей, равной единице[38].
Можно ли сопоставить нулевой энергии электромагнитного поля какую-нибудь наблюдаемую физическую величину?[39]
Биофизика
Отсутствует количественная теория для кинетики конформационной релаксации белковых макромолекул и их комплексов[40].
Отсутствует законченная теория электронного переноса в биологических структурах[41].
Сверхпроводимость
Невозможно теоретически предсказать, зная структуру и состав вещества, перейдёт ли оно в сверхпроводящее состояние с понижением температуры[42]. Возможно ли получить в стабильном состоянии материал-сверхпроводник при комнатной температуре?[43]
Физика твёрдого тела
Невозможно даже приближённо рассчитать намагниченность, теплоёмкость, электропроводность и другие макроскопические величины, исходя из известного строения кристалла, электронных оболочек атомов в кристалле и других параметров микромира для сильно магнитных веществ (ферромагнетиков, антиферромагнетиков и ферримагнетиков)[44].
Отсутствует количественная микроскопическая теория ацентрических твердых тел, учитывающая тип, концентрацию и характер распределения примесей и дефектов структуры[45].

Эмпирические явления без чёткого научного объяснения[править | править код]

Космология и астрономия[править | править код]

Существование Вселенной
Каково происхождение материи, энергии и пространства-времени, сформировавших Вселенную/Мультивселенную?
Барионная асимметрия Вселенной
Почему в наблюдаемой Вселенной существует гораздо больше материи, чем антиматерии?[23]
Проблема космологической постоянной
Почему нулевая энергия вакуума не приводит к большому значению космологической постоянной? Что отменяет эту зависимость?
Оценочное распределение тёмной материи и тёмной энергии во вселенной. 74 % — тёмная энергия, 22 % тёмная материя, 3,6 % межгалактический газ, 0,4 % — наблюдаемые звезды.
Тёмная энергия[1]
Что является причиной наблюдаемого ускоренного расширения Вселенной (фаза де Ситтера)? Почему плотность энергии тёмной компоненты энергии — величина того же порядка, что и плотность вещества в настоящее время, тогда как эти два феномена с течением времени развивались совершенно по-разному? Может быть, это потому, что мы ведём наблюдения в нужное время? Является ли тёмная энергия космологической константой, или же она является динамическим полем — некой квинтэссенцией, такой как фантомная энергия?
Тёмная материя[1]
Что такое тёмная материя?[46][23] Связана ли она с суперсимметрией? Связан ли феномен тёмной материи с той или иной формой материи, или это на самом деле является расширением гравитации?
Логарифмичесие графики показывают плотность тёмной энергии ρ∗{\displaystyle \rho _{*}} и плотность тёмной материи ρm{\displaystyle \rho _{m}} по горизонтали отложен временной фактор a{\displaystyle a}. Две прямые линии пересекаются в текущей эпохе[47].
Тёмный поток
Что является причиной согласованного движения большой группы скоплений галактик к одной точке Вселенной?[48]
Энтропия (направление времени)
Почему Вселенная имела такую низкую энтропию в прошлом, приведшую в результате к различию между прошлым и будущим и второму закону термодинамики?[49]
Проблема горизонта[20]
Почему удалённая от нас часть Вселенной так однородна, тогда как теория Большого взрыва предсказывает измеримую анизотропию небесной сферы больше, чем она наблюдается? Возможным подходом к решению являются гипотезы инфляции и переменной скорости света.
Изотропия реликтового излучения
Некоторые общие особенности микроволнового излучения неба на расстояниях более 13 миллиардов световых лет, по всей видимости, говорят о наличии как движения, так и ориентации Солнечной системы. Является ли это следствием систематических ошибок обработки, загрязнением результатов локальными эффектами или необъяснимым нарушением принципа Коперника?
Форма Вселенной
Что такое 3-многообразие сопутствующего пространства, то есть сопутствующее пространственное сечение Вселенной, неофициально называемое «формой» Вселенной? Ни её кривизна, ни топология в настоящее время неизвестны, хотя кривизна скорее всего «близка» к нулю на наблюдаемых масштабах. Гипотеза космической инфляции предполагает, что форма Вселенной может быть неизмеримой, но с 2003 года команда Жана-Пьера Люмине и другие группы полагают, что Вселенная может иметь форму додекаэдрического пространства Пуанкаре. Является ли форма Вселенной неизмеримой, представляет собой пространство Пуанкаре или имеет другое 3-многообразие?
Термодинамика Вселенной
Почему в наблюдаемой части Вселенной в настоящее время отсутствует термодинамическое равновесие?[50]
Планетология
Почему с 1930-х годов снижается размер Большого красного пятна на Юпитере?[51]

Физика высоких энергий, физика элементарных частиц[править | править код]

Нарушение симметрии электрослабого взаимодействия
Каков механизм, ответственный за нарушение электрослабой калибровочной симметрии, дающий массу W и Z бозонам? Является ли он простым механизмом Хиггса Стандартной модели[52] или же природа использует сильную динамику при нарушении электрослабой симметрии, как это предлагается в теории техниколор?
Масса нейтрино
Какой механизм отвечает за генерацию массы нейтрино? Является ли нейтрино античастицей самой себе? Или это и есть античастица, которая просто не может соединиться и аннигилировать с нормальной частицей из-за её нестабильного состояния?[53]
Кварки 
Почему ровно три цвета?[1] Почему ровно три поколения кварков? Случайно ли совпадение числа цветов и числа поколений? Случайно ли совпадение этого числа с размерностью пространства в нашем мире? Откуда берётся такой разброс в массах кварков? Из чего состоят кварки?[23] Как кварки складываются в адроны?[16]
Отношение инерциальная масса/гравитационная масса для элементарных частиц
В соответствии с принципом эквивалентности общей теории относительности, отношение инертной массы к гравитационной для всех элементарных частиц равно единице. Однако, экспериментального подтверждения этого закона для многих частиц не существует. В частности, мы не знаем, каков будет вес макроскопического куска антивещества известной массы.
Кризис спина протона
По первоначальной оценке Европейской группы по мюонному сотрудничеству, на три основных («валентных») кварка протона приходится около 12 % от общего объёма спина. Можно ли пересчитать остаток глюонов, которые связывают кварки, а также образуют «море» пар кварков, которые постоянно создаются и аннигилируют?
Квантовая хромодинамика (КХД) в непертурбативном режиме
Уравнения КХД остаются нерешёнными на энергетических масштабах, соответствующих описанию атомных ядер, и, среди прочего, в основном численные подходы, кажется, начинают давать ответы на этот предельный случай. Подходит ли КХД для описания физики ядра и его компонентов?
Удержание цвета[1]
Почему никогда не были зафиксированы свободный кварк или глюон, а только объекты, построенные из них, например, мезоны и барионы? Каким образом эти явления вытекают из КХД?
Сильная CP-проблема и аксионы
Почему сильное ядерное взаимодействие инвариантно к чётности и зарядовому сопряжению? Является ли теория Печчеи — Квинн решением этой проблемы?
Гипотетические частицы
Какие из гипотетических частиц, предсказываемых суперсимметричной теорией и другими известными теориями, на самом деле существуют в природе?
Теория Редже
Почему все наблюдаемые в эксперименте траектории Редже являются прямолинейными и имеют приближенно равные наклоны?[54][55]
Радиус протона
Радиус протона, определённый в экспериментах по измерению лэмбовского сдвига в атоме водорода с заменой электрона на мюон (0,8409 фм), оказался меньше радиуса протона, определённого в экспериментах по рассеянию электронов на протонах (0,879 фм)[56].
Магнитный момент мюона
Экспериментальное значение магнитного момента мюона не соответствует теоретическому[56][57].
Электрический дипольный момент нейтрона
Был бы точно равен нулю, если бы имела место инвариантность всех взаимодействий, в которых участвует нейтрон, относительно операции отражения времени. Слабые взаимодействия неинвариантны относительно операции отражения времени. Вследствие этого нейтрон должен был бы обладать электрическим дипольным моментом. Причина отсутствия этого момента у нейтрона неизвестна[58].
Спин
Почему сохраняется ненулевой момент количества движения в низшем энергетическом состоянии? Почему спины электронов и нуклонов полуцелые?[59]
Мюон и электрон
Почему мюон и электрон различаются только массой и столь похожи во всех остальных отношениях?[60]
Фундаментальная длина
Существует ли она в микромире и если да, то какова она по величине?[61]

Астрономия и астрофизика[править | править код]

a
Закон планетарных расстояний
предложенный ещё И. Д. Тициусом и И. Э. Боде − до сих пор неизвестно, является ли это правило случайным совпадением, или существуют физические причины для закономерности расстояний до планет.
Планетная система
Отсутствует законченная теория, объясняющая происхождение Солнечной системы[62] и Земли[63] в частности и планетарных систем и экзопланет в целом.
Солнечная цикличность
Какова природа циклов солнечной активности; каков механизм обращений магнитного поля Солнца, Земли?
Проблема нагрева солнечной короны
Почему солнечная корона (атмосферный слой Солнца) намного горячее, чем поверхность Солнца? Почему магнитное пересоединение совершается на много порядков быстрее, чем предсказывают стандартные модели?
Скорость вращения Сатурна
Почему магнитосфера Сатурна проявляет (медленно меняющуюся) периодичность, близкую к той, на которой вращаются облака планеты? Какова истинная скорость вращения глубоких внутренних слоёв Сатурна?[64]
Струи аккреционных дисков
Почему некоторые астрономические объекты, окружённые аккреционным диском, такие как активные ядра галактик, испускают релятивистские струи, излучаемые вдоль полярной оси?[65] Почему у многих аккреционных дисков существуют квази-периодические колебания? Почему период этих колебаний имеет масштаб, обратно пропорциональный массе центрального объекта? Почему иногда существуют обертоны, и почему у разных объектов обертоны имеют различные соотношения частоты?
Гамма-всплески
Каково происхождение этих краткосрочных всплесков высокой интенсивности?[66]
Сверхмассивные чёрные дыры
Какова причина отношения М-сигма между массой сверхмассивной чёрной дыры и дисперсией скорости галактики?[67]
Наблюдаемые аномалии
Аномалия «Гиппарха»: Каково фактическое расстояние до Плеяд?
Пролётная аномалия: Почему наблюдаемая энергия спутников, совершающих гравитационный манёвр, отличается от предсказываемых теорией значений?
Проблема вращения галактик: Является ли тёмная материя ответственной за различия в наблюдаемых и теоретических скоростях вращения звёзд вокруг центра галактик, или же причина в чём-то ином?
Сверхновые
Каков точный механизм, посредством которого имплозии умирающих звёзд становятся взрывом?
Космические лучи сверхвысоких энергий[46]
Почему некоторые космические лучи обладают невероятно высокой энергией (так называемые частицы OMG), учитывая, что вблизи Земли нет источников космических лучей с такой энергией? Почему некоторые космические лучи, испускаемые далёкими источниками, имеют энергию выше предела Грайзена-Зацепина-Кузьмина?[68][69]
Замедление времени квазара
Почему кривые блеска квазаров в отличие от кривых блеска сверхновых[70] не демонстрируют эффекта замедления времени на больших космологических расстояниях?[71]

Физика конденсированного состояния[править | править код]

Аморфные тела
Какова природа перехода между жидкой или твёрдой и стекловидной фазами? Какие физические процессы приводят к основным свойствам стекла?[72][73]
Холодный ядерный синтез
Каково объяснение спорных докладов об избыточном тепле, излучении и трансмутациях?[74][75][76]
Криогенная электронная эмиссия
Почему в отсутствие света увеличивается эмиссия электронов фотоэлектронного умножителя при уменьшении его температуры?[77][78]
Высокотемпературная сверхпроводимость
Каков механизм, вызывающий у некоторых материалов проявление сверхпроводимости при температурах намного выше 50 кельвинов?[79]
Сонолюминесценция
Что является причиной выброса коротких вспышек света при схлопывании пузырьков жидкости, возбуждённых звуком?[80]
Турбулентность
Можно ли создать теоретическую модель для описания статистики турбулентного потока (в частности, для его внутренней структуры)?[81] При каких условиях существует гладкое решение уравнений Навье — Стокса? Это, вероятно, последняя нерешённая проблема классической или ньютоновской физики.

Физика атмосферы[править | править код]

Список лауреатов Нобелевской премии по физике — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Реверс медали, вручаемой лауреатам Нобелевской премии по физике и химии

Нобелевская премия по физике (швед. Nobelpriset i fysik) — престижная награда, ежегодно вручаемая Нобелевским фондом за научные достижения в области физики. Одна из пяти Нобелевских премий.

Нобелевская премия по физике была учреждена Альфредом Нобелем в его завещании, написанном 27 ноября 1895 года в Париже, где она упоминается самой первой:

Указанные доходы следует разделить на пять равных частей, которые должны распределяться следующим образом: первая часть тому, кто сделает наиболее важное открытие или изобретение в области физики[1].

Оригинальный текст (швед.)

Räntan delas i fem lika delar som tillfalla: en del den som inom fysikens område har gjort den vigtigaste upptäckt eller uppfinning[2]

Нобелевская премия по физике присуждается ежегодно с 1901 года и лишь шесть раз этого не происходило: в 1916, 1931, 1934, 1940, 1941 и 1942 годах[3]. Первым лауреатом в 1901 году стал Вильгельм Рентген. За период с 1901 по 2019 год 212 человек были награждены 213 премиями (Джон Бардин был награждён премией по физике дважды)[3].

Согласно уставу Нобелевского фонда, выдвигать кандидатов на премию по физике могут следующие лица[4]:

  1. члены Шведской королевской академии наук;
  2. члены Нобелевского комитета по физике;
  3. лауреаты Нобелевской премии по физике;
  4. постоянно и временно работающие профессора физических наук университетов и технических вузов Швеции, Дании, Финляндии, Исландии, Норвегии, а также стокгольмского Каролинского института;
  5. заведующие соответствующих кафедр, по меньшей мере, в шести университетах или университетских колледжах, выбранных Академией наук в видах надлежащего распределения по странам;
  6. другие учёные, от которых Академия сочтет нужным принять предложения.

Выбор лиц, упомянутых в пунктах 5 и 6 для выдвижения кандидатов, должен быть сделан до конца сентября каждого года, предшествующего году награждения.

Отбор кандидатов производит Нобелевский комитет по физике. Из их числа Шведская королевская академия наук выбирает лауреатов[4]. Одновременно могут быть поощрены одна или две работы, но при этом общее число награждённых не должно превышать трёх[5].

Лауреаты премии по физике обычно объявляются в начале октября сразу после лауреатов премии по медицине и физиологии. Церемония вручения премии проходит 10 декабря в Стокгольме, в день смерти Альфреда Нобеля. Как и лауреатам других нобелевских премий, лауреатам премии по физике вручаются диплом и медаль, а также денежное вознаграждение[6]. Медаль для лауреатов в области физики и химии отличается реверсом, — на нём среди облаков изображена женщина, олицетворяющая гений науки, которая срывает вуаль с женской фигуры с рогом изобилия в руках, олицетворяющей природу[7].

1900-е годы[править | править код]

Год Портрет Страна, лауреат Обоснование награды Источник информации
1901 Германия Вильгельм Конрад Рентген

(1845—1923)

В знак признания исключительных услуг, которые он оказал науке открытием замечательных лучей, названных впоследствии в его честь

Оригинальный текст (англ.)

in recognition of the extraordinary services he has rendered by the discovery of the remarkable rays subsequently named after him

[8]
1902 Нидерланды Хендрик Антон Лоренц

(1853—1928)

В знак признания исключительных услуг, которые они оказали науке своими исследованиями влияния магнетизма на явления излучения (См. эффект Зеемана)

Оригинальный текст (англ.)

in recognition of the extraordinary service they rendered by their researches into the influence of magnetism upon radiation phenomena

[9]
Питер Зееман Нидерланды Питер Зееман

(1865—1943)

1903 Антуан Анри Беккерель Франция Антуан Анри Беккерель

(1852—1908)

(12 премии)

В знак признания исключительных услуг, которые он оказал науке своим открытием самопроизвольной радиоактивности

Оригинальный текст (англ.)

in recognition of the extraordinary services he has rendered by his discovery of spontaneous radioactivity

[10]
Пьер Кюри Франция Пьер Кюри

(1859—1906)
(14 премии)

В знак признания исключительных услуг, которые они оказали науке совместными исследованиями явлений радиации, открытой профессором Анри Беккерелем

Оригинальный текст (англ.)

in recognition of the extraordinary services they have rendered by their joint researches on the radiation phenomena discovered by Professor Henri Becquerel

Мария Кюри Франция Мария Кюри

(1867—1934)
(14 премии)

1904 Джон Уильям Стретт Великобритания Джон Уильям Стретт (лорд Рэлей)

(1842—1919)

За исследования плотностей наиболее распространённых газов и за открытие аргона в ходе этих исследований

Оригинальный текст (англ.)

for his investigations of the densities of the most important gases and for his discovery of argon in connection with these studies

[11]
1905 Филипп Ленард Германия Филипп Эдуард Антон фон Ленард

(1862—1947)

За исследовательские работы по катодным лучам

Оригинальный текст (англ.)

for his work on cathode rays

[12]
1906 Великобритания Джозеф Джон Томсон

(1856—1940)

В знак признания его теоретических и экспериментальных исследований, посвящённых проводимости электричества газами

Оригинальный текст (англ.)

in recognition of his theoretical and experimental investigations on the conduction of electricity by gases

[13]
1907 Альберт Абрахам Майкельсон

(1852—1931)

За создание точных оптических инструментов и спектроскопические и метрологические исследования, выполненные с их помощью (См. опыт Майкельсона)

Оригинальный текст (англ.)

for his optical precision instruments and the spectroscopic and metrological investigations carried out with their aid

[14]
1908 Габриэль Липпман Франция Габриэль Липпман

(1845—1921)

За создание метода фотографического воспроизведения цветов на основе явления интерференции

Оригинальный текст (англ.)

for his method of reproducing colours photographically based on the phenomenon of interference

[15]
1909 Гульельмо Маркони Гульельмо Маркони

(1874—1937)

В знак признания их вклада в развитие беспроволочной телеграфии

Оригинальный текст (англ.)

in recognition of their contributions to the development of wireless telegraphy

[16]
Карл Фердинанд Браун Германия Карл Фердинанд Браун

(1850—1918)

1910-е годы[править | править код]

Год Портрет Страна, лауреат Обоснование награды Источник информации
1910 Ян Дидерик Ван-Дер-Ваальс Нидерланды Ян Дидерик Ван-Дер-Ваальс

(1837—1923)

За работу, посвящённую уравнению состояния газов и жидкостей

Оригинальный текст (англ.)

for his work on the equation of state for gases and liquids

[17]
1911 Вильгельм Вин Германия Вильгельм Вин

(1864—1928)

За открытия, касающиеся законов, которые управляют тепловым излучением (См. Закон смещения Вина)

Оригинальный текст (англ.)

for his discoveries regarding the laws governing the radiation of heat

[18]
1912 Швеция Нильс Густав Дален

(1869—1937)

За изобретение автоматических регуляторов, используемых в сочетании с газовыми аккумуляторами для источников света на маяках и буях

Оригинальный текст (англ.)

for his invention of automatic valves designed to be used in combination with gas accumulators in lighthouses and buoys

[19]
1913 Хейке Камерлинг-Оннес Нидерланды Хейке Камерлинг-Оннес

(1853—1926)

За исследования свойств вещества при низких температурах, что привело, в числе прочего, к получению жидкого гелия

Оригинальный текст (англ.)

for his investigations on the properties of matter at low temperatures which led, inter alia, to the production of liquid helium

[20]
1914 Макс фон Лауэ Германия Макс фон Лауэ

(1879—1960)
(присуждена в 1915 г.)

За открытие дифракции рентгеновских лучей на кристаллах

Оригинальный текст (англ.)

For his discovery of the diffraction of X-rays by crystals

[21]
1915 Уильям Генри Брэгг Великобритания Уильям Генри Брэгг

(1862—1942)

За заслуги в исследовании структуры кристаллов с помощью рентгеновских лучей

Оригинальный текст (англ.)

For their services in the analysis of crystal structure by means of X-rays

[22]
Уильям Лоренс Брэгг Великобритания Уильям Лоренс Брэгг

(1890—1971)

1916 Премия не присуждалась Денежные средства включены в спецфонд секции [23]
1917 Чарлз Гловер Баркла Великобритания Чарлз Гловер Баркла

(1877—1944)

За открытие характеристического рентгеновского излучения элементов

Оригинальный текст (англ.)

For his discovery of the characteristic Röntgen radiation of the elements, another important step in the development of X-ray spectroscopy

[24]
1918 Германия Макс Карл Эрнст Людвиг Планк

(1858—1947)

В знак признания услуг, которые он оказал развитию физики своим открытием квантов энергии

Оригинальный текст (англ.)

in recognition of the services he rendered to the advancement of Physics by his discovery of energy quanta

[25]
1919 Йоханнес Штарк Германия Йоханнес Штарк

(1874—1957)

За открытие эффекта Доплера в каналовых лучах и расщепления спектральных линий в электрическом поле (См. эффект Штарка)

Оригинальный текст (англ.)

for his discovery of the Doppler effect in canal rays and the splitting of spectral lines in electric fields

[26]

1920-е годы[править | править код]

1930-е годы[править | править код]

Прикладная физика — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Прикладная физика — комплекс научных дисциплин, разделов и направлений физики, ставящих своей целью решение физических проблем для конкретных технологических и практических применений. Их важнейшей характеристикой является то, что конкретное физическое явление рассматривается не ради изучения, а в контексте технических и междисциплинарных проблем. «Прикладная» физика отличается от «чистой», которая концентрирует своё внимание на фундаментальных исследованиях. Прикладная физика базируется на открытиях, сделанных при фундаментальных исследованиях, и сосредоточивается на решении проблем, стоящих перед технологами, с тем, чтобы наиболее эффективно использовать эти открытия на практике[1]. Иными словами, прикладная физика уходит корнями в основополагающие истины и основные понятия физической науки, но связана с использованием этих научных принципов в практических устройствах и системах. Прикладные физики могут быть заинтересованы также в решении проблем для научных исследований. Например, люди, работающие в области физики ускорителей, совершенствуют их для проведения исследований в области строения материи.

Ядерная физика — Википедия

Я́дерная фи́зика — раздел физики, изучающий структуру и свойства атомных ядер, а также их столкновения (ядерные реакции).

Задачи, возникающие в ядерной физике, — это типичный пример задач нескольких тел. Ядра состоят из нуклонов (протонов и нейтронов), и в типичных ядрах содержатся десятки и сотни нуклонов. Это число слишком велико для точно решаемых задач, но всё же слишком мало́ для того, чтобы можно было пользоваться методами статистической физики. Это и привело к большому разнообразию различных моделей атомных ядер.

Число протонов в ядре (зарядовое число, также порядковый номер элемента) принято обозначать через Z, число нейтронов — через N. Их сумма A = Z + N называется массовым числом ядра. Атомы с одинаковым Z (то есть атомы одного и того же элемента), но различными N называются изотопами, с одинаковыми A, но различными Z — изобарами, с одинаковыми N, но различными Z — изотонами.

Основное отличие между протоном и нейтроном состоит в том, что протон — заряженная частица, заряд которой e = 4,801⋅10−10ед. СГСЭ = 1,602⋅10−19Кл. Это элементарный заряд, по модулю равный заряду электрона. Нейтрон же, как показывает уже его название, электрически нейтрален. Спины протона и нейтрона одинаковы и равны спину электрона, то есть 1/2 (в единицах ℏ{\displaystyle \hbar }, постоянной Планка). Массы протона и нейтрона почти равны: 1836,15 и 1838,68 масс электрона соответственно.

Протон и нейтрон не являются фундаментальными частицами. Они состоят из двух типов кварков: d-кварка с зарядом –1/3 и u-кварка с зарядом +2/3 от элементарного заряда е. Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка (суммарный заряд «+1»), а нейтрон — из одного u-кварка и двух d-кварков (суммарный заряд 0). Свободный нейтрон — частица нестабильная. Через 885 секунд после своего возникновения он распадается на протон, электрон и антинейтрино (см. Бета-распад нейтрона). В ядре нейтрон находится в глубокой потенциальной яме, поэтому его распад может быть запрещён законами сохранения.

Ядерная физика имеет принципиальное значение для многих разделов астрофизики (первичный нуклеосинтез, термоядерные реакции в звёздах как во время жизни на главной последовательности, так и при сходе с неё), и, очевидно, для ядерной и, в перспективе, термоядерной энергетики.

В 1896 году французский химик Антуан Анри Беккерель случайно открыл радиоактивность солей урана, проявляющуюся в самопроизвольном испускании невидимых лучей, способных вызывать ионизацию воздуха и почернение фотоэмульсий. Через два года Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри открыли радиоактивность тория и выделили из солей урана полоний и радий, радиоактивность которых оказалась в миллионы раз сильнее радиоактивности урана и тория.

Детальное экспериментальное изучение радиоактивных излучений было произведено Резерфордом. Он показал, что радиоактивные излучения образованы, соответственно, α-, β- и γ-лучами. Бета-лучи состоят из отрицательно заряженных электронов, альфа-лучи — из положительно заряженных частиц (альфа-частиц, которые, как выяснилось несколько позднее, являются ядрами гелия-4), гамма-лучи аналогичны лучам Рентгена (не имеют заряда), только значительно более жесткие.

Ядерная природа радиоактивности была понята Резерфордом после того, как в 1911 г. он предложил ядерную модель атома и установил, что радиоактивные излучения возникают в результате процессов, происходящих внутри атомного ядра.

Долгое время предполагалось, что ядро состоит из протонов и электронов. Однако такая модель находилась в противоречии с экспериментальными фактами, относящимися к спинам и магнитным моментам ядер. В 1932 г. после открытия Чедвиком нейтрона было установлено (Иваненко и Гейзенберг), что ядро состоит из протонов и нейтронов. Эти частицы получили общее наименование нуклонов.

В последние годы вырисовывается шанс[что?] описать свойства по крайней мере лёгких ядер в строгой картине киральной квантовой теории поля[источник не указан 1885 дней].

  • Маляров В. В. Основы теории атомного ядра. — М: Физматлит, 1959. — 471 с. — 18 000 экз.
  • ред. Арцимович Л. А. Справочник по ядерной физике. — М: Физматлит, 1963. — 632 с. — 20 000 экз.
  • Широков Ю. М., Юдин Н. П. Ядерная физика. — М: Наука, 1980. — 727 с. — 24 500 экз.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *