Становление физики (до 17 в.). Физические явления окружающего мира издавна привлекали внимание людей. Попытки причинного объяснения этих явлений предшествовали созданию Физики в современном смысле этого слова. В эпоху греко-римской культуры (6 в. до н.э.- 2 в. н.э.) впервые зародились идеи об атомном строении вещества (Демокрит, Эпикур, Лукреций), была создана геоцентрическая система мира (Птолемей), установлены простейшие законы статики (правило рычага), открыты законы прямолинейного распространения и отражения света, сформулированы начала гидростатики (закон Архимеда), наблюдались простейшие проявления электричества и магнетизма.
Общий итог приобретённых знаний был подведён Аристотелем (4 в. до н. э.). Физика Аристотеля включала отдельные верные положения, но в то же время отвергала мн. прогрессивные идеи предшественников, в частности атомную гипотезу. Признавая значение опыта, Аристотель отдавал предпочтение умозрительным представлениям и не считал опыт главным критерием достоверности знания. Учение Аристотеля, канонизированное церковью, надолго затормозило развитие науки.
Наука возродилась лишь в 15-16 вв. в борьбе с учением Аристотеля. В сер. 16 в. Н. Коперник (N. Kopernik) выдвинул гелиоцентрическую систему мира и положил начало освобождению естествознания от теологии. Потребности производства, развитие ремёсел, судоходства и артиллерии стимулировали научные исследования, опирающиеся на опыт. Однако в 15-16 вв. экспериментальные исследования носили в основном случайный характер. Лишь в 17 в. началось систематическое применение экспериментального метода в Физике, и это привело к созданию первой фундаментальной физической теории - классической механики Ньютона.
Формирование физики как науки (нач. 17- кон. 18 вв.). Развитие Физики как науки в современном смысле этого слова начато трудами Г. Галилея (G. Galilei; 1-я пол. 17 в.). Галилей понял, что для открытия законов движения нужно научиться описывать движение математически. Нельзя ограничиваться простым наблюдением за движущимися телами; нужно ставить опыты, чтобы выяснить, как меняются со временем величины, характеризующие движущиеся тела. Галилей показал, что воздействие на данное тело окружающих тел определяет не скорость, как считалось в механике Аристотеля, а ускорение тела. Это утверждение представляло собой первую формулировку закона инерции. Галилей открыл принцип относительности в механике (принцип относительности Галилея), доказал независимость ускорения свободного падения тел от их плотности и массы, с помощью механики обосновал теорию Коперника. Значительные результаты были получены Галилеем и в др. областях Ф. Он изобрёл зрительную трубу и сделал с её помощью ряд астрономических открытий (горы на Луне, спутники Юпитера и др.). Количественное изучение тепловых явлений началось после изобретения Галилеем первого термометра.
В 1-й пол. 17 в. началось успешное изучение газов. Ученик Галилея Э. Торричелли (Е. Torricelli) открыл атм. давление и создал первый барометр. Р. Бойль (R. Boyle) и Э. Мариотт (Е. Mariotte) исследовали упругость газов и сформулировали первый газовый закон, носящий их имя. В это же время В. Снелль (W. Snell) и Р. Декарт (R. Descartes) независимо открыли закон преломления света. К этому же времени относится создание микроскопа. Значит. шаг вперёд в изучении эл-магн. явлений был сделан в самом нач. 17 в. У. Гильбертом (W. Gilbert): он доказал, что Земля является большим магнитом, и первым строго разграничил электрич. и магн. явления.
Основным достижением Ф. 17 в. было создание классической механики. Развивая идеи Галилея, X. Гюйгенса (С. Huygens) и др. предшественников, И. Ньютон (Г. Newton) сформулировал все основные законы классической механики (опубликованные в труде "Математические начала натуральной философии", 1687). При построении её впервые был воплощён идеал научной теории, существующий и поныне: задача науки состоит в поисках наибольших общих, количественно формулируемых законов природы.
Наибольших успехов механика Ньютона достигла при объяснении движения небесных тел. Исходя из законов движения планет, установленных И. Кеплером (J. Kepler) на основе наблюдений Т. Браге (Т. Brahe) и др., Ньютон открыл закон всемирного тяготения. С помощью этого закона удалось с замечательной точностью рассчитать движение Луны, планет и комет. Солнечной системы, объяснить приливы и отливы в океане.
Ньютон придерживался концепции дальнодействия, согласно которой взаимодействие тел (частиц) происходит мгновенно непосредственно через пустоту; силы взаимодействия должны определяться экспериментально.
В это же время Гюйгенс и Г. Лейбниц (G. Leibniz) сформулировали закон сохранения количества движения; Гюйгенс создал теорию физического маятника, построил часы с маятником; Р. Гук (R. Hooke) открыл основной закон упругости (Тука закон). Были заложены основы физической акустики. М. Мерсенн (М. Mersenne) измерил число колебаний звучащей струны и впервые измерил скорость звука в воздухе. Ньютон дал теоретический вывод формулы для скорости звука.
Во 2-й пол. 17 в. быстро развивалась геом. оптика применительно к конструированию телескопов и др. оптических приборов и закладывались основы физической оптики. Ф. Гримальди (F. Grimaldi) открыл дифракцию света, а Ньютон провёл фундаментальные исследования дисперсии света. Эти работы Ньютона можно считать началом оптической спектроскопии. В 1672 О. К. Рёмер (О. К. Roemer) впервые измерил скорость света. Почти одновременно возникли и начали развиваться две различные теории о физической природе света - корпускулярная и волновая. Согласно корпускулярной теории Ньютона, свет - это поток частиц, движущихся от источника по всем направлениям. Гюйгенс заложил основы волновой теории света, согласно которой свет - это поток волн, распространяющихся в особой гипотетической среде - эфире, заполняющем всё пространство и проникающем внутрь всех тел.
Т.о., в 17 в. в основном была построена классическая механика и начаты исследования оптической, электрической, магнитной, тепловых и акустических явлений.
В 18 в. продолжалось развитие классической механики, в частности небесной механики. По небольшой аномалии в движении планеты Уран удалось предсказать существование новой планеты - Нептуна. Уверенность в справедливости механики Ньютона стала всеобщей. На её основе была создана единая механическая картина мира, согласно которой всё богатство, всё качественное многообразие мира - результат различий в движении атомов, слагающих тела, движении, подчиняющемся законам Ньютона. Эта картина многие годы оказывала сильнейшее влияние на развитие Физики Объяснение физических явления считалось научным и полным, если это явление можно было свести к действию законов классической механики.
Важным стимулом для развития механики послужили запросы зарождавшейся промышленности. В работах Л. Эйлера (L. Euler) и др. была разработана динамика абсолютно твёрдого тела. Параллельно с развитием механики частиц и твёрдых тел шло развитие механики жидкостей, газов и деформируемых тел. Трудами Д. Бернулли (D. Bernoulli), Эйлера, Ж. Лагранжа (J. Lagrange) и др. в 1-й пол. 18 в. были заложены основы гидродинамики идеальной жидкости, т.е. несжимаемой жидкости, лишённой вязкости и теплопроводности. В "Аналитической механике" Лагранжа уравнения механики представлены в столь обобщённой форме, что в дальнейшем их удалось применить и к немеханическим, в частности эл-магнитным, процессам. У. Р. Гамильтон (W. R. Hamilton) установил общий интегральный принцип наименьшего действия классической механики, который оказался применимым во всей Физике.
В др. областях Физики происходило дальнейшее накопление опытных данных, формулировались простейшие экспериментные законы. Ш. Дюфе (С. Dufay) открыл существование двух видов электричества и определил, что одноимённо заряженные тела отталкиваются, а разноимённо заряженные - притягиваются. Б. Франклин (В. Franklin) установил закон сохранения электрического заряда. Г. Кавендиш (Н. Cavendish) и Ш. Кулон (С. Coulomb) независимо открыли основной закон электростатики, определяющий силу взаимодействия неподвижных электрических зарядов (закон Кулона). Возникло учение об атм. электричестве, Франклин, М. В. Ломоносов и Г. В. Рихман доказали электрическую природу молнии. В оптике продолжалось совершенствование объектива телескопа. Трудами П. Бугера (P. Bouguer) и И. Ламберта (J. Lambert) начала создаваться фотометрия. Были открыты инфракрасные и ультрафиолетовые лучи. Заметный прогресс наблюдался в исследовании тепловых явлений: стали различать температуру и количество теплоты. Это произошло после открытия Дж. Блэком (J. Black) скрытой теплоты плавления и эксперим. доказательства сохранения теплоты в калориметрических опытах. Было сформулировано понятие теплоёмкости, начато исследование теплопроводности и теплового излучения. При этом одновременно утвердились неправильные взгляды на природу теплоты. Теплоту рассматривали как особого рода неуничтожимую невесомую жидкость-теплород, способную перетекать от нагретых тел к холодным. Корпускулярная теория теплоты, согласно которой теплота - это вид внутреннего движения частиц, потерпела временное поражение, несмотря на то, что её поддерживали и развивали такие выдающиеся учёные, как Ньютон, Гук, Бойль, Бернулли, Ломоносов и др.
Классическая физика (19 в.). В начале 19 в. длит. конкуренция между корпускулярной и волновой теориями света завершилась окончательной, казалось бы, победой волновой теории. Это произошло после того, как Т. Юнг (Т. Ybung) и одновременно О. Ж. Френель (О. J. Fresnel) с помощью волновых представлений успешно объяснили явления интерференции и дифракции света; объяснить эти явления с помощью корпускулярной теории представлялось невозможным. В то же время было получено решающее доказательство поперечности световых волн , открытой ещё в 18 в. (см. Поляризация света ).Рассматривая свет как-поперечные волны в упругой среде (эфире), Френель нашёл количеств. закон, определяющий интенсивность преломлённых и отражённых световых волн при переходе света из одной среды в другую (формулы Френеля), а также создал теорию двойного лучепреломления.
Большое значение для развития Ф. имели открытия Л. Гальвани (L. Galvani) и А. Вольта (A. Volta), позволившие создать достаточно мощные источники постоянного тока - гальванической батареи. Это дало возможность обнаружить и изучить многообразные действия тока. Прежде всего было исследовано хим. действие тока , В. В. Петров получил электрическую дугу. Открытие X. К. Эрстедом (Н. С. Ersted) в 1820 действия электрического тока на магнитную стрелку доказало связь между электричеством и магнетизмом. Основываясь на единстве электрических и магнитных явлений, А. Ампер (A. Ampere) пришёл к выводу, что все магнитные явления обусловлены движущимися заряженными частицами-электрическим током. Вслед за этим Ампер экспериментально установил закон, определяющий силу взаимодействия между электрическими токами (Ампера закон).
В 1831 Фарадей открыл явление эл-магн. индукции. При попытках объяснения этого явления с помощью концепции дальнодействия выявились значительное затруднения. Фарадей высказал гипотезу (ещё до открытия эл-магн. индукции), согласно которой эл-магн. взаимодействия осуществляются посредством промежуточного агента - эл-магн. поля (концепция близкодействия). Это послужило началом формирования новой науки о свойствах и законах поведения особой формы материи - эл-магн. поля.
Важнейшее значение для Физики и всего естествознания имело открытие закона сохранения энергии, связавшего воедино все явления природы. В середине 19 в. опытным путём была доказана эквивалентность количества теплоты и работы и, т. о., установлено, что теплота представляет собой не какую-то гипотетически сохраняющуюся субстанцию - теплород, а особую форму энергии. В 40-х гг. 19 в. Р. Ю. Майер (R. J. Меуеr), Дж. Джоуль (J. Joule) и Г. Гельмгольц (Н. L. Helmholtz) независимо друг от друга открыли закон сохранения и превращения энергии. Закон сохранения энергии стал основным законом термодинамики - теории тепловых явлений, в которой не учитывается молекулярное строение тел; этот закон получил название первого начала термодинамики.
Ещё до этого открытия С. Карно (S. Carnot) в труде "Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу" (1824) получил результаты, послужившие основой для др. фундаментального закона теории теплоты- второго начала термодинамики. Этот закон, сформулированный в работах Р. Ю. Клаузиуса (R. J. Clausius) в 1850 и У. Томсона (W. Thomson, лорд Кельвин) в 1851, является обобщением опытных данных, указывающих на необратимость процессов в природе, и определяет направление возможных энергетических процессов.
Одновременно с развитием термодинамики развивалась и молекулярно-кинетическая теория тепловых процессов. Это позволило включить тепловые процессы в рамки механической картины мира и одновременно привело к открытию нового типа законов - статистических, в которых все связи между физическими величинами носят неоднозначный, вероятностный характер.
На первом этапе развития кинетической теории наиболее простой среды-газа - Джоуль, Клаузиус и др. вычислили среднее значения различных физических величин: скорости молекул, числа столкновений молекул в секунду, длины свободного пробега и т.д. Была получена зависимость давления газа от числа молекул в единице объёма и средней кинетичекой энергии поступательного движения молекул. Это позволило вскрыть глубокий физический смысл температуры как меры средне кинетической энергии молекул. В основе этих представлений лежало предположение о том, что молекулы участвуют в хаотичном тепловом движении.
Второй этап развития молекулярно-кинетической теории начат Дж. К. Максвеллом (J. С. Maxwell). В 1859 он, введя впервые в Ф. понятие вероятности, нашёл закон распределения молекул по скоростям - вероятность того, что скорость молекулы лежит внутри определенного интервала значений (Максвелла распределение). После этого возможности молекулярно-кинетической теории необычайно расширились и привели к созданию статистической механики. Л. Боль-цман (L. Boltzmann) построил кинетическую теорию газов и дал статистическое обоснование законов термодинамики. Основная проблема, которую в значительной степени удалось решить Больцману, заключалась в согласовании обратимого по времени характера движения отдельных молекул с очевидной необратимостью всех макроскопических процессов. Термодинамической равновесию системы, по Больцману, соответствует максимум вероятности данного состояния. Необратимость процессов связана со стремлением систем к наиболее вероятному состоянию. Большое значение имела доказанная Больцманом теорема о равномерном распределении ср. кинетической энергии по степеням свободы.
Статистическая механика получила завершение в 1902 в работах Дж. У. Гиббса (J. W. Gibbs), создавшего метод расчёта функций распределения для любых систем (а не только газов) в состоянии термодинамического равновесия. Всеобщее признание статистическая механика получила в 20 в. после создания в 1905-06 А. Эйнштейном (A. Einstein) и М. Смолуховским (M. Smoluchowski) на основе молекулярно-кинетической теории количественной теории броуновского движения, получившей экспериментальное подтверждение в опытах Ж. Б. Перрена (J. В. Perrin).
Во 2-й пол. 19 в. длит. процесс изучения эл-магн. явлений был завершён Максвеллом, написавшим уравнения для эл-магн. поля, которые объясняли все известные в то время факты с единой точки зрения и позволяли предсказывать новые явления. Эл-магн. индукцию Максвелл интерпретировал как процесс порождения переменным магнитным полем вихревого электрического поля. Вслед за этим он предсказал обратный эффект - порождение магнитного поля переменным электрическим полем ("током смещения"). Важнейшим результатом теории Максвелла был вывод о конечности скорости распространения эл-магн. взаимодействий (эл-магн. волн) и равенстве её скорости света. Экспериментальное обнаружение эл-магн. волн Г. Р. Герцем (Н. R. Hertz; 1886-89) подтвердило справедливость этого вывода. Из теории Максвелла вытекало, что свет имеет эл--магн. природу. Тем самым оптика стала одним из разделов электродинамики. В кон. 19 в. П. Н. Лебедев обнаружил на опыте и измерил давление света, предсказанное эл-магн. теорией Максвелла. В это же время А. С. Попов и Г. Маркони (G. Marconi) впервые использовали эл-магн. волны для беспроволочной связи.
В 19 в. продолжалось также развитие механики сплошных сред. В 1859 Г. Р. Кирхгоф (G. R. Kirchhof) и Р. Бун-зен (R. Bunsen) заложили основы спектрального анализа. В акустике была разработана теория упругих колебаний и волн . Создана техника получения низких температур. Были получены в жидком состоянии все газы, кроме гелия, а в нач. 20 в. X. Каммерлинг-Оннес (Н. Kammerling-Onnes) ожижил и гелий; в 1911 им была открыта сверхпроводимость.
К кон. 19 в. Ф. считали почти завершённой. Казалось, что все физические явления можно свести к механике молекул (или атомов) и эфира. Эфир рассматривался как механическая среда, в которой разыгрываются эл-магн. явления. Лорд Кельвин обращал внимание лишь на два необъяснимых факта: отрицательный результат опыта Майкельсона по обнаружению движения Земли относительно эфира и непонятную с точки зрения молекулярно-кинетические теории зависимость теплоёмкости газов от температуры. Однако именно эти факты явились первым указанием на необходимость пересмотра основных представлений Ф. Для объяснения этих и множества др. фактов, открытых впоследствии, понадобилось создание теории относительности и квантовой механики.
Релятивистская и квантовая физика. Физика атомного ядра и элементарных частиц (кон. 19-20 вв.). Наступление новой эпохи в Физике было подготовлено открытием электрона Дж. Дж. Томсоном (J. J. Thomson) в кон. 19 в. Выяснилось, что атомы не элементарны, а представляют собой сложные системы, в состав которых входят электроны. Важнейшую роль в этом открытии сыграло исследование разрядов в газах.
В кон. 19 - нач. 20 вв. X. А. Лоренцем (Н. A. Lorentz) были заложены основы электронной теории, называемой чаще микроскопической электродинамикой. В этой теории методы статистической механики были распространены на эл-магн. процессы.
В начале 20 в. выяснилось, что электродинамика требует коренного пересмотра представлений о пространстве и времени, представлений, лежащих в основе классической механики Ньютона. В 1905 Эйнштейн создал спец. (частную) теорию относительности - новое учение о пространстве и времени. Эта теория исторически была подготовлена трудами Лоренца и А. Пуанкаре (Н. Poincare).
Опыт показывал, что сформулированный Галилеем принцип относительности, согласно которому механические явления протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчёта, справедлив и для эл-магн. явлений. Поэтому уравнения Максвелла не должны изменять свою форму (должны быть инвариантными) при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой. Однако оказалось, что это справедливо лишь в том случае, если преобразования координат и времени при таком переходе отличны от преобразований Галилея, справедливых в механике Ньютона. Лоренц нашёл эти преобразования (Лоренца преобразования), но не смог дать им правильную интерпретацию. Это было сделано Эйнштейном в его специальной теории относительности.
Открытие специальной теории относительности показало ограниченность механической картины мира. Попытки свести эл-магн. процессы к механическим в гипотетической среде-эфире - оказались несостоятельными.
В 1916 Эйнштейн распространил принцип относительности на неинерциальные системы отсчёта и построил общую теорию относительности - физическую теорию пространства, времени и тяготения. Эта теория преобразовала ньютоновскую теорию тяготения.
Представление о существовании кванта действия h 6,6.10-27 эрг.с зародилось в рамках статистической теории равновесного теплового излучения. В кон. 19 в. выяснилось, что распределение энергии теплового излучения по спектру, выведенное из закона классической статистической физики о равномерном распределении энергии по степеням свободы, противоречит опыту. Из теории следовало, что вещество должно излучать эл-магн. волны при любой температуре, терять энергию и охлаждаться до абс. нуля, т. е. что тепловое равновесие между веществом и излучением невозможно. Однако повседневный опыт противоречил этому выводу. Выход был найден в 1900 М. Планком (М. Planck), показавшим, что результаты теории согласуются с опытом, если предположить, в противоречии с классич. электродинамикой, что атомы испускают эл-магн. энергию отд. порциями - квантами. Энергия каждого такого кванта прямо пропорционально частоте, а коэффециэнт пропорциональности является квант действия h, получивший впоследствии название постоянной Планка.
Квантование излучения приводило к заключению, что энергия внутриатомных движений также может меняться только скачкообразно. Такой вывод был сделан Н. Бором (N. Bhor) в 1913. К этому времени Э. Резерфорд (Е. Rutherford; 1911), интерпретируя результаты своих экспериментов по рассеянию a-частиц веществом, открыл атомное ядро и предложил ядерную (планетарную) модель атома. В атоме Резерфорда движение электронов вокруг ядра подобно движению планет вокруг Солнца. Однако, согласно электродинамике Максвелла, такой атом неустойчив. электроны, двигаясь по круговым (или эллиптич.) орбитам, испытывают ускорение, а следовательно, должны непрерывно излучать энергию и в конце концов за время ~10-8 с упасть на ядро. Чтобы объяснить устойчивость атома и его линейчатый спектр, Бор постулировал, что атомы могут находиться лишь в особых стационарных состояниях, в которых электроны не излучают, и только при переходе из одного стационарного состояния в другое атом испускает или поглощает энергию.
В 1920-х гг. была построена последовательная, логически завершённая теория движения микрочастиц - квантовая, или волновая, механика - самая глубокое из современной физической теорий. В её основу легли идея квантования Планка - Бора и выдвинутая в 1924 Л. де Бройлем (L. de Broglie) гипотеза, что двойственная корпускулярно-волновая природа свойственна не только эл-магн. излучению (фотонам), но и любым др. видам материи. Все микрочастицы (электроны, протоны, атомы и т. д.) обладают не только корпускулярными, но и волновыми свойствами: каждой из них можно поставить в соответствие волну, длина которой равна отношению постоянной Планка h к импульсу частицы, а частота - отношению энергии к h. Волны де Бройля описывают свободные частицы. В 1927 впервые наблюдалась дифракция электронов, подтвердившая экспериментально наличие у них волновых свойств. Позднее дифракция наблюдалась и у др. микрочастиц, включая молекулы.
В 1925 Дж. Ю. Уленбек (J. J. Uhlenbeck) и С. А. Гауд-Смит (S. A. Goudsmit) на основании экспериментальных данных открыли существование у электрона собственного момента количества движения - спина (а следовательно, и связанного с ним собственного, спинового, магн. момента). В. Паули (W. Pauli) записал уравнение движения нерелятивистского электрона во внеш. эл-магн. поле, с учётом взаимодействия магнитного момента электрона с магнитным полем (Паули уравнение ).В 1925 Паули сформулировал также т. н. принцип запрета, согласно которому в одном квантовом состоянии не может находиться больше одного электрона (Паули принцип ).Этот принцип сыграл важнейшую роль в построении квантовой теории систем мн. частиц, в частности он позволил объяснить закономерности заполнения электронами оболочек и слоев в многоэлектронных атомах и т. о. дал теоретическое обоснование периодической системы элементов Менделеева.
Открытию Резерфордом атомного ядра предшествовали открытия радиоактивности, радиоактивных превращений тяжёлых атомов , а также изотопов . Первые попытки непосредственного исследования строения атомного ядра относятся к 1919, когда Резерфорд, облучая стабильные ядра азота a-частицами, установил превращение их в ядра кислорода. Открытие Дж. Чедвиком (J. Chad-wick) нейтрона (1932) привело к созданию современной протонно-нейтронной модели ядра (Гейзенберг, Д. Д. Иваненко). В 1934 Ф. и И. Жолио-Кюри (F. и I. Joliot-Curi) открыли искусственную радиоактивность.
Одновременно с Физикой атомного ядра началось быстрое развитие Физики элементарных частиц. Первые большие успехи в этой области связаны с исследованием космических лучей. Были открыты мюоны, пи-мезоны. К-мезоны, первые гипероны. После создания ускорителей на высокие энергии началось планомерное изучение элементарных частиц, их свойств и взаимодействий; были экспериментально наблюдены (по их взаимодействию) 2 типа нейтрино и открыто большое число новых элементарных частиц, в том числе т. н. резонансов ,ср. время жизни которых составляет всего 10-22-10-24 с. Обнаруженная универсальная взаимопревращаемость элементарных частиц указывала на то, что не все эти частицы элементарны в абсолютном смысле этого слова, а имеют сложную внутреннюю структуру. Теория элементарных частиц и их взаимодействий (сильных, эл--магн. и слабых) составляет предмет квантовой теории поля - современно интенсивно развивающейся теории.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему