Все вопросы

Виды физики как науки. История физики: хронология, ученые-физики и их открытия

22.09.2019

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 .

Предмет физики

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

греч. ?? ?????? – наука о природе, от????? – природа) – комплекс науч. дисциплин, изучающих общие свойства структуры, взаимодействия и движения материи. В соответствии с этими задачами совр. Ф. весьма условно можно подразделить на три больших области – структурную Ф., физику взаимодействий (Ф. поля) и Ф. д в и ж е н и я (механику). Науки, образующие структурную Ф., довольно четко различаются по изучаемым объектам, к-рыми могут быть как элементы структуры вещества (элементарные частицы, атомы, молекулы), так и более сложные образования (плазма, кристаллы, жидкости, звезды). По мере открытия новых уровней структуры и состояний вещества объектная область структурной Ф. расширяется. Сейчас она охватывает все известные уровни строения вещества – от элементарных частиц до галактик. Ф. взаимодействий, основанная на представлении о поле как материальном носителе взаимодействия, делится на четыре отдела, соответственно четырем известным видам взаимодействий (сильное, электромагнитное, слабое, гравитационное). Ф. движения (механика) включает в себя классическую (ньютонову) механику, релятивистскую (эйнштейновскую) механику, нерелятивистскую квантовую механику и релятивистскую квантовую механику. Особое место в совр. системе физич. наук занимает с т а т и с т и ч. Ф., представляющая собой теорию поведения ансамблей – совокупностей большого количества частиц (см. Статистические и динамические закономерности). Будучи основана на определ. предположениях о структуре ансамблей и характере взаимодействия и движения частиц ансамбля, статистич. Ф. сочетает в себе черты всех трех осн. областей Ф. Ее методы применяются во всех разделах Ф. При решении конкретных физич. задач вопросы, связанные с выяснением структуры, взаимодействия и движения, тесно переплетаются. Так, Ф. атома, будучи разделом структурной Ф., необходимо включает в себя конкретные представления о характере движения и взаимодействия образующих атом частиц – ядра и электронов, т.е. может рассматриваться с т. зр. и Ф. взаимодействий и Ф. движения. Тем не менее приведенное подразделение комплекса физич. наук имеет определ. смысл, ибо выявляет те осн. категории, к-рые играли роль общих методологич. средств построения физич. картины мира на всех этапах истории Ф. Изложенная т. зр. на предмет Ф. не является единственной. Часто Ф. определяют как науку о таких формах материи ("первичных", "элементарных"), к-рые входят в состав любых материальных систем, о структуре этих форм, их взаимодействии и движении. В этом случае структуру самой Ф. определяют, исходя из многообразия исследуемых в ней форм материи и характерных для них видов движения (Ф. атома, Ф. твердого тела, Ф. тяготения, Ф. колебаний и т.д.), и специально выделяют такие ее разделы, к-рые охватывают вое многообразие явлений, происходящих при нек-рых определ. условиях, – Ф. низких температур, Ф. сверхвысоких давлений и т.п. (подробнее о др. подходах к определению предмета Ф. – см. И. В. Кузнецов, К вопросу об определении предмета совр. Ф., в кн.: Нек-рые философские вопросы естествознания, М.. 1957; С. И. Вавилов, Физика, Собр. соч., т. 3, М., 1956, с. 148–64; А. Ф. Иоффе, Физика, БСЭ, 2 изд., т. 45, М., 1956; Физика, в кн.: Физический энциклопедический словарь, т. 5, М., 1966). Обладая наиболее развитыми математическими и экспериментальными средствами исследования, Ф. занимает ведущее место среди естеств. наук. Ее представления, результаты и методы используются всеми без исключения естеств. науками. Это приводит к образованию многочисленных "стыковых" дисциплин (геофизика, физич. химия, химич. Ф., астрофизика, биофизика и т.п.). Сама же Ф. вырабатывает свои средства с помощью философии (методологич. средства), математики (матем. аппарат физич. теорий) и техники (экспериментальные средства), оказывая обратное влияние на развитие этих областей знания. Уже в глубокой древности возникли зачатки знаний, впоследствии вошедшие в состав Ф. и связанные с простейшими представлениями о длине, тяжести, движении, равновесии и т.п. В недрах греч. натурфилософии сформировались зародыши всех трех частей Ф., однако сначала на первом плане стояла Ф. движения, понимаемого в самом широком смысле – как изменение вообще. Взаимодействие отд. вещей трактовалось наивно-антропоцентрически (напр., мнение об одушевленности магнита у Фалеса). Подробное рассмотрение проблем, связанных с анализом движения как перемещения в пространстве, впервые было осуществлено в знаменитых апориях Зенона Элейского. В связи с обсуждением структуры первоначал зарождаются и конкурируют концепции непрерывной делимости до бесконечности (Анаксагор) и дискретности, существования неделимых элементов (атомисты). В этих концепциях закладывается понятийный базис будущей структурной?. В связи с задачами анализа простейшей формы движения (изменения по месту) возникают попытки уточнения понятий "движение", "покой", "находиться в...", "место", "время", "движение", "пустота". Результаты, полученные на этом пути, образуют основу понятийного аппарата будущей Ф. движения – механики. При сохранении антропоморфных тенденций у атомистов четко намечается понимание взаимодействия как непосредств. столкновения осн. первоначал – атомов. Полученные умозрит. путем достижения греч. натурфилософии вплоть до 16 в. служили единств. средствами построения картины мира в науке. Матем. средства (в основном геометрические) служили при этом лишь для описания наблюдений и иллюстрации словесных рассуждений. Эксперимент существовал лишь в виде отд. зачатков (эмпирики). Превращение Ф. в самостоят. науку обычно связывается с именем Галилея. Осн. задачей Ф. он считал эмпирич. установление количеств, связей между характеристиками явлений и выражение этих связей в матем. форме с целью дальнейшего исследования их матем. средствами, в роли к-рых выступали геометрич. чертежи и арифметич. учение о пропорциях. Использование этих средств регулировалось сформулированными им осн. принципами и законами (принцип относительности, принцип независимости действия сил, закон равноускоренного движения и др.). Достижения Галилея и его современников в области Ф. движения (Кеплер, Декарт, Гюйгенс) подготовили почву для работ Ньютона, приступившего к оформлению целостного предмета механики в систему понятий. Продолжая методологич. ориентацию на принципы, а не на скрытые причины (hypothesis non fingo), Ньютон сформулировал три закона (аксиомы) движения и вывел из них ряд следствий, трактовавшихся прежде как самостоят. законы. Ньютоновские "Математические начала натуральной философии" подвели итоги работы по установлению смысла и количеств. характеристик осн. понятий механики – "пространство", "время", "масса", "количество движения", "сила". Для решения задач, связанных с движением, Ньютон (вместе с Лейбницем) создал дифференциальное и интегральное исчисления, одно из самых мощных матем. средств Ф. Начиная с Ньютона и вплоть до конца 19 в. механика трактуется как общее учение о движении (понимаемом как перемещение в пространстве) и становится магистральной линией развития Ф. С ее помощью строится Ф. взаимодействий, где конкурируют концепции близкодействия и дальнодействия. Потребности концепции близкодействия вызвали к новой жизни антич. представления об эфире (Декарт). Успехи небесной механики, основанные на ньютоновском законе всемирного тяготения, способствовали победе концепции дальнодействия (согласно к-рой гравитац. взаимодействие между частицами вещества осуществляется мгновенно и непосредственно через пустоту с помощью дальнодействующих сил). По образцу теории тяготения строилась и Ф. взаимодействий в области электричества и магнетизма (Кулон). Успехи гидродинамики (Бернулли, Эйлер) способствовали внедрению в Ф. идей непрерывности на основе представлений о невесомых жидкостях (флюидах). Как флюиды трактовались электричество, магнетизм и теплота. Юнг и Френель развивали теорию света как волн в непрерывном эфире, также рассматривавшемся как флюид. Начиная с Дальтона, введшего понятие атомного веса, атомистика отделяется от философии, а химия обретает статус фундаментальной науки. Представления об атомах и молекулах, перенесенные из химии в Ф., постепенно вытеснили невесомые флюиды. Юнг (1816) дал первую количеств. оценку размеров молекулы. Усилиями Бернулли, Клаузиуса, Максвелла была построена (в опоре на статистич. представления) кинетич. теория газов, дальнейшее развитие к-рой Больцманом и Гиббсом позволило объяснить тепловые явления без помощи теплорода. С Фарадея начинается интенсивное развитие Ф. электричества и магнетизма на основе идеи близкодействия. Переход от электростатики к электродинамике (Фарадей, Эрстед, Ампер) позволил объединить электрические и магнитные явления. Фарадеевские представления о поле как особом состоянии эфира были оформлены Максвеллом в строгую матем. теорию, к-рая с единой т. зр. трактовала электрические, магнитные и оптич. явления. К концу 19 в. Ф. представляла собой развитый комплекс дисциплин, объединенных идеей сохранения и превращения энергии (см. Сохранения принципы). Мн. ученым Ф. казалась принципиально завершенной наукой. Филос. фоном ее было механистич. мировоззрение, представлявшее собой синтез атомизма с доктриной лапласовского детерминизма. Вероятностные представления статистич. Ф. трактовались как всецело обусловленные незнанием точных значений начальных импульсов и координат частиц, составляющих ансамбль. Электромагнитные явления многими еще не считались автономными – усилия большинства ученых были направлены на сведение их к механич. явлениям путем построения хитроумных моделей эфира. Внутр. противоречия, возникшие при теоретич. объяснении результатов нек-рых опытов в рамках классич. картины мира, привели к возникновению новых, неклассич. направлений релятивистской и квантовой Ф. Релятивистская Ф., возникшая из необходимости объяснить отрицат. результат опыта Майкельсона (спец. относительности теория) и факта равенства инертной и тяжелой массы (общая теория относительности), стала Ф. быстрых движений и сильных гравитац. полей. Квантовая теория, появившаяся в связи с парадоксами объяснения наблюдаемого распределения энергии в спектре излучения абсолютно черного тела (Планк, 1900) явлениями фотоэффекта (Эйнштейн, 1905) и противоречиями планетарной модели атома (Бор, 1913), стала общей теорией взаимодействия и движения микрообъектов. В связи с этим претерпела радикальные изменения вся физич. картина мира. В Ф. движения спец. теория относительности (Эйнштейн, 1905) сделала ненужным представление об эфире как абс. системе отсчета. Это дало возможность и в Ф. взаимодействий отказаться от эфира и приписать полю самостоят. существование. Сначала теоретически, а затем экспериментально и промышленно (ядерная энергетика) установленные связь массы и энергии (Е=mс2), а также зависимость массы движущегося тела от скорости его движения покончили с резким противопоставлением материи и движения, характерным для классич. Ф. Постулат о постоянстве скорости света во всех инерциальных системах отсчета и распространение принципа относительности на электромагнитные явления показали относительность количеств, определенности пространственных и врем. промежутков. Это привело к понятию единого четырехмерного пространственно-врем. континуума и ликвидировало разобщенность понятий пространства и времени, свойственную классич. механике. Общая теория относительности (Эйнштейн, 1916), интерпретировавшая поле тяготения как искривление пространства-времени, обусловленное наличием материи, перекинула еще один мост от материи и движения к взаимодействию. Создание в 20-х гг. 20 в. квантовой механики, основанной на представлении о дискретной природе действия (существование миним. кванта действия?) (Бор, Борн, Гейзенберг, де Бройль, Шредингер, Паули и др.), привело к дальнейшему изменению представлений о движении и взаимодействии, сделав невозможным применение понятия траектории к анализу движения микрообъектов. Релятивистская квантовая механика (Дирак, Паули, Гейзенберг, В. А. Фок, Дайсон, Р. Фейнман, Ю. Швингер и др.), наряду с пространств.-врем. перемещением элементарных частиц, сохраняющим их тождественность и регулируемым законами сохранения энергии и импульса, стала рассматривать их взаимопревращения (см. Микрочастицы). Все эти, как и др. законы сохранения, являются в совр. Ф. следствиями общих свойств симметрии пространства-времени и взаимодействий. В области структурной Ф. квантовые представления привели к тому, что концепция абсолютно элементарных, неделимых единиц структуры – атомов, уступила место представлениям об относительности понятий элементарности и сложности, о чем в свое время говорил еще Ленин. Релятивистская квантовая теория поля, объединив в едином понятии квантованного поля понятия частицы и поля, преодолела резкое противопоставление пространств. дискретности вещества (взаимодействующих частиц) и пространств. непрерывности поля (переносчика взаимодействия), характерное для классич. Ф. и сохранившееся в нерелятивистской квантовой механике. Изменились и др. связи структурной Ф. с Ф. взаимодействий. В классич. Ф. (включая релятивистскую) результаты взаимодействия целиком определялись пространств.-врем. структурой взаимодействующих объектов (координатами и скоростями – для частиц, напряженностью или потенциалом в каждой точке пространства и законом изменения их во времени – для полей). Знание характеристик элементов структуры позволяло определить состояние системы в целом. Т.о., Ф. взаимодействий была логически вторичной по отношению к структурной Ф. В современной квантовой Ф. дело обстоит наоборот – на первый план выдвинулась Ф. взаимодействий и ответ на вопрос о строении микрообъектов определяется результатами взаимодействия данной микрочастицы с другими. В связи с этим существенно изменились требования к способу задания состояния микрообъектов в теории. Во-первых, волновая функция относится к системе в целом. Во-вторых, энергетически-импульсные характеристики микрообъектов (потенциальные характеристики их взаимодействия) в квантовой механике являются логически равноправными и, что особенно важно, независимыми по отношению к их пространств.-врем. характеристикам. Наиболее отчетливо логич. первичность взаимодействия по сравнению с пространств.-врем. структурой проявляется в Ф. элементарных частиц. Если в Ф. атома и атомного ядра характеристикам взаимодействия еще могут быть сопоставлены пространств.-врем. модели взаимодействующих объектов (типа боровских орбит, распределения плотности заряда в атомах, различных моделей ядра), дающие нек-рую пространств.-врем. картину механизма взаимодействия, то в Ф. элементарных частиц это можно сделать в гораздо меньшей степени. Элементы структуры атома (ядро и электроны) и атомного ядра (протоны и нейтроны) еще могут считаться существующими "в недрах" исходных частиц до взаимодействия, к-рое приводит лишь к перераспределению этих элементов. Элементарные частицы до взаимодействия могут рассматриваться состоящими из двух элементарных частиц лишь весьма условно. Это находит свое выражение в понятии "виртуальности" элементов структуры элементарных частиц: виртуальные частицы как элементы структуры реальных элементарных частиц характеризуют лишь возможные результаты порождения новых реальных элементарных частиц при взаимодействии исходных реальных частиц. Еще более виртуальными являются т.н. квазичастицы в Ф. полупроводников и Ф. твердого тела, позволяющие трактовать возбуждение состояния макротел как результат существования, движения и взаимодействия квазичастиц. Как и многие другие модельные представления, квазичастицы служат для теоретич. объяснения макроскопически наблюдаемых явлений в твердых и жидких телах. Т.о., совр. теория структуры элементарных частиц приобретает существенно динамич. характер. По сути дела, современная квантовая Ф., вскрыв ограниченность пространств.-врем. описания микромира на языке классич. понятий координаты и скорости, дала более глубокое его описание на языке?-функции и ограничила свои задачи описанием и предсказанием всех возможных макроскопически наблюдаемых результатов взаимодействия. Эта черта совр. Ф., считающаяся мн. учеными временной, наиболее ярко проявляется в формализме s-матрицы, представляющем собой физич. воплощение кибернетич. идей "черного ящика". Совр. Ф. взаимодействий значительно расширила свою объектную область, включив в рассмотрение, наряду с гравитационными и электромагнитными, сильные (ядерные) и слабые (?-распадные) взаимодействия, проявляющиеся только в микромире. Факт наличия четырех существенно различных видов взаимодействий постоянно поддерживает зародившиеся еще в классич. Ф., но пока безуспешные стремления построить общую теорию поля. В статистич. Ф., куда также проникли квантовые идеи о движении и взаимодействии, оформляется в самостоят. ветвь статистич. Ф. процессов (физич. кинетика). Достижения Ф. в 20 в. значительно повлияли на конкретные представления о смысле таких филос. категорий, как материя, движение, пространство и время. К числу фундаментальных достижений совр. Ф., имеющих общефилос. значение, относится также установление принципа относительности свойств материальных объектов. Это связано с последоват. учетом в понятийном аппарате теории роли материального окружения объекта (в первую очередь измерит, прибора и системы отсчета) в деле определения этих свойств. Классич. Ф. считала свойства, обнаруживаемые при измерении, присущими объекту и только ему (принцип абсолютности свойств). Уже теория относительности вскрыла количеств. относительность таких свойств объектов, как длина, время жизни, масса, зависящих, как оказалось, не только от самого объекта, но и от системы отсчета. Отсюда следовало, что количеств, определенность свойств объекта должна быть отнесена не к нему "самому по себе", а к системе "объект+система отсчета", хотя носителем качеств. определенности свойств по-прежнему оставался сам объект. Квантовая теория пошла еще дальше в этом направлении, выдвинув идею дополнительности (см. Дополнительноcти принцип). Существование дополнит. свойств, не объяснимое с т. зр. принципа абсолютности свойств, получает естеств. объяснение с помощью принципа относительности свойств. С т. зр. последнего, термин "свойство объекта" следует рассматривать в плане "виртуальности" – как характеристику потенциальных возможностей объекта, к-рые реализуются только при наличии второго объекта, взаимодействующего с первым. С квантовой Ф. связано также гораздо более широкое понимание причинности, опирающееся на отказ от характерного для классич. Ф. предположения, что в основе статистич. закономерностей всегда лежат однозначно определенные динамич. закономерности. В концептуальных рамках релятивистской и квантовой теорий развитие Ф., для к-рого характерны все более последоват. отказ от применимости классич. представлений "в малом", все более абстрактная характеристика состояния, все меньшая наглядность, продолжается и в наст. время. Принципы и представления этих теорий служат фундаментом как для решения прикладных физико-технических и пром. задач (строительства ускорителей, реакторов, термоядерных установок и атомных электростанций), так и для формирования новых представлений о структуре, взаимодействии и движении при экстраполяции принципов на новые объектные области – в квантовой радиофизике, Ф. полупроводников, Ф. сверхпроводимости, Ф. плазмы, астрофизике и т.д. Задача синтеза релятивистских и квантовых принципов является одной из основных и до сих пор не решенных задач Ф. элементарных частиц, представляющей передний край современной теоретической и экспериментальной Ф. В области экспериментальной Ф. осн. проблемы состоят, с одной стороны, в осуществлении целенаправленных экспериментов по проверке гипотез о структуре, строении и взаимодействии элементарных частиц, выдвигаемых физиками-теоретиками. С др. стороны, ведется поиск технич. средств, к-рые позволили бы проверить справедливость квантовых и релятивистских принципов на новой объектной области, ранее не доступной экспериментальному изучению (эксперименты с частицами высоких энергий – встречные пучки, космич. лучи). В теоретич. Ф. осн. круг собственно физич. проблем связан с исследованием формальной структуры матем. аппарата, используемого в теории (попытки аксиоматизации теории поля, вопросы сходимости ряда в теории возмущений и т.п.). Осн. методами, используемыми в новейшей теоретич. Ф., являются теория поля, метод s-матрицы и теория групп. Они различаются как выбором матем. аппарата, так и предъявляемыми к нему требованиями. В теории поля, использующей для построения матем. моделей аппарат алгебры операторов в гильбертовом пространстве, упор делается на строгое матем. осмысливание теории, а не на детальное сравнение с опытом. В основе метода s-матрицы лежит матем. аппарат теории функций комплексного переменного. Оперирование матем. аппаратом производится без опоры на наглядные модельные представления, на основе аксиоматич. требований, предъявляемых к матем. характеристикам s-матрицы (аналитичность, унитарность и т.д.), связывающей состояния до и после взаимодействия. Этот метод в его совр. виде занимает промежуточное положение между случаем, когда создание строгой теории признается более важным (как в теории поля), нежели использование ограниченных и формальных методов (как в теории групп), и случаем, когда поиск ведется вне рамок к.-л. единой методич. концепции путем простого подбора тех или иных моделей с последующим отбрасыванием неудачных вариантов (как в ядерной Ф.). Методы теории групп, основанные на учете связи типа симметрии состояния физич. объектов с инвариантами групп преобразований, позволили построить ряд абстрактных теорий симметрии сильно взаимодействующих частиц (адронов) – теорию SU3-симметрии, SU6-симметрии и т.п. Эти теории не используют никаких модельных представлений и опираются только на отвлеченные свойства групп. Будучи основаны на глубоких матем. идеях, подобно теории поля, методы теории групп, в отличие от нее, покоятся на прочной экспериментальной основе. Однако, выделяя только те аспекты природы, к-рые удается понять в рамках абстрактной симметрии, эти методы не дают возможности осмыслить численные значения времени жизни частиц и характер их взаимодействий. Поэтому громадный объем экспериментальных фактов (в т.ч. все, относящиеся к легким частицам – лептонам) находится вне поля зрения этих методов. Все три упомянутых метода остаются слишком ограниченными, отрывочными и неопределенными и поэтому рассматриваются ведущими физиками как предварит. достижения на пути к более общей теории, способы построения к-рой пока не ясны. Методологич. проблемы новейшей Ф. так или иначе связаны с анализом роли матем. аппарата в построении физич. теорий. Это обусловлено существ, отличием характера использования математики в совр. Ф. В классич. Ф. теория обслуживала эксперимент, а матем. язык служил лишь рафинированным средством о п и с а н и я эмпирич. связей и о б ъ я с н е н и я их с помощью разного рода моделей (напр., как в случае отношения эмпирич. законов Бойля–Мариотта, Шарля и Гей-Люссака к распределению Максвелла, основанному на атомно-молекулярной модели строения вещества). Совр. Ф. отличается широким использованием математической гипотезы как метода исследования (хотя сам этот метод зародился уже в классич. Ф.), причем часто без опоры на модельные представления, руководствуясь почти исключительно матем. требованиями к характеру осн. уравнений. Это выдвигает теоретич. уровень исследования на первое место по сравнению с эмпирическим, за к-рым остаются только функции контроля – принципиальная проверка и количеств, уточнение результатов, полученных с помощью матем. гипотезы на теоретич. уровне. В случае успеха существование объектов или их характеристик, предположенное на теоретич. уровне, подтверждается эмпирически, что приводит к открытию новых частиц или эффектов. Именно таким путем были открыты в Ф. позитрон (первоначально предсказанный теоретически на основании интерпретации результатов решения уравнения Дирака), несохранение четности в слабых взаимодействиях (опыты By по проверке гипотезы Ли и Янга), ?–-мезон (на основании предсказания теории SU3-симметрии). Ряд объектов, возможность существования к-рых следует из нек-рых матем. гипотез, до сих пор экспериментально не обнаружены – гравитац. волны (их существование вытекает из интерпретации результатов определ. способа решения уравнений общей теории относительности), монополь Дирака (изолированный магнитный полюс, существующий согласно интерпретации одного из вариантов матем. оформления электродинамики), кварки (гипотетич. суперэлементарные частицы) и др. Методологич. тенденция, идущая от классич. Ф., предписывает искать для каждого матем. выражения, фигурирующего в теории, соответствующий ему фрагмент физич. реальности. Эта тенденция может быть названа онтологической, ибо в ней в качестве принципа интерпретации провозглашается своеобразный принцип параллелизма между матем. формой и физич. содержанием теории. Согласно этому принципу, матем. аппарат теории непосредственно отражает (изоморфно или гомоморфно) объекты, свойства и отношения реального мира как таковые, так что матем. символы являются знаками элементов реальности, а структура матем. выражений воспроизводит структуру реального мира физич. объектов и их взаимодействий. С этой методологич. тенденцией в совр. Ф. успешно конкурирует тенденция к эмпирич. интерпретации матем. аппарата физич. теории. Принцип такой интерпретации иногда называют "началом принципиальной наблюдаемости". При эмпирич. интерпретации матем. символы теории трактуются как обозначающие результаты реальных эмпирич. процедур, причем физич. смыслом обладают далеко не все из символов. Нек-рые из них, служащие промежуточным средством для вычислений, не получают никакой интерпретации и рассматриваются как вспомогательные. Последоват. приверженцы эмпирия, интерпретации единственно достаточным условием истинности физич. теории считают ее способность к предсказаниям, оправдывающимся на опыте, и не делают из факта успешности подобных предсказаний вывода о сходстве структуры матем. аппарата теории со структурой реальности. Наиболее последовательно принцип эмпирич. интерпретации осуществляется совр. Ф. в методе s-матрицы. Выражением борьбы тех же принципов интерпретации является полемика вокруг интерпретации квантовой механики (точнее, ее матем. аппарата). Так, ?-функция, задающая состояние микрообъектов, интерпретируется сторонниками онтологич. интерпретации (Д. Бом, Л. до Бройль, А. Яноши и др.) как отображение нек-рого объективно существующего волнового поля. Сторонники же эмпирич. интерпретации (копенгагенская школа и ее разновидности) считают?-функцию лишь промежуточным средством расчета результатов реальных экспериментов. С проблемой интерпретации в совр. Ф. тесно связана проблема реальности – проблема принципов построения картины мира. Обычно эту картину строят на базе принципов онтологич. интерпретации – путем онтологизации матем. аппарата теории (именно так появились в совр. Ф. представления о двойственной корпускулярно- волновой природе микрообъектов, о кварках и т.п.). При этом изменение вида используемого в теории матем. аппарата влечет за собой изменение онтологич. представлений. Иногда онтологизируются не матем. выражения, а модельные представления, управляющие оперированием с этими выражениями (как, напр., в ядерной Ф.). Полученная подобным способом физич. картина мира считается образом реальности, лежащей на ненаблюдаемом уровне. Сторонники эмпирич. интерпретации склоняются к тому, чтобы употреблять термин "реальность" и конкретизировать его смысл только на эмпирич. уровне исследования, принципиально отказываясь придавать онтологич. смысл гипотезам о характере непосредственно не наблюдаемых объектов. Промежуточной является позиция М. Борна, считающего образами реальности инварианты, фигурирующие в матем. аппарате теории. Поиск "сумасшедших идей", столь актуальный в совр. Ф., с т. зр. проблемы реальности представляет собой проблему существенно новых принципов построения физич. картины мира, к-рые позволили бы придать теории элементарных частиц логич. замкнутость и полноту. Большинство ученых считает, что принципов квантовой механики и теории относительности недостаточно для осуществления этой цели. Однако отсутствие ощутимых успехов в преодолении этой недостаточности вынуждает при решении конкретных задач до сих пор ограничиваться лишь незначит, модификациями квантово-релятивистского концептуального аппарата, не затрагивающими его принципиальных основ. Лит.: Дюгем П., Физич. теория, ее цель и строение, пер. с франц., СПБ, 1910; Планк М., Физич. очерки, пер. с нем., М., ; Гейзенберг В., Филос. проблемы атомной Ф., пер. [с англ.], М., 1953; его же, Ф. и философия, пер. с нем., М., 1963; Кудрявцев П. С, История Ф., , т. 1–2, М., 1956; Лауэ М., История Ф., пер. с нем., М., 1956; Нильс Бор и развитие физики. Сб. [ст.], М., 1958; Очерки развития осн. физич. идей. Сб. ст., М., 1959; Филос. вопросы совр. физики. Сб. ст., М., 1959; Бор Н., Атомная Ф. и человеч. познание, пер. с англ., М., 1961; Бройль Л. де, По тропам науки, пер. с франц., М., 1962; его же, Революция в Ф., пер. с франц., 2 изд., М., 1965; Теоретич. физика 20 века, М., 1962; Над чем думают физики, вып. 1–4, М., 1962–65; Развитие совр. Ф. Сб. ст., М., 1964; Борн?., ?. в жизни моего поколения. Сб. ст., М., 1963; Филос. проблемы Ф. элементарных частиц, М., 1963; Спасский Б. И., История Ф., ч. 1–2, М., 1963–64; Эйнштейн?., ?. и реальность. Сб. ст., пер. с нем. и англ., М., 1965; Ландау Л. Д., Лифшиц В. М., Теоретич. физика, 2 изд., т. 1–9, М., 1965; Фейнмановские лекции по Ф., [пер. с англ.], вып. 1–8, М., 1965–66; Кузнецов Б. Г., Развитие физич. идей от Галилея до Эйнштейна в свете совр. науки, 2 изд., М., 1966; Эйнштейн?., Инфельд Л., Эволюция Ф., пер. с англ., 4 изд., [М.], 1966; Campbell N. R., Physics. The elements, Camb., 1920; Lenzen V. Г., The nature of physical theory, N. Y., 1931; Bridgman P. W., The nature of physical theory, Princeton, 1936; Planck M., The philosophy of physics, N. Y., ; Stebbing L. S., Philosophy and the physicists, L., ; Frank Ph., Between physics and philosophy, Camb., 1941; Destouches J. L., Principes foundamentaux de physique th?orique, P., ; Lindsay R. В., Margenau H., Foundations of physics, , N. Y.–L., ; Eddington ?., The philosophy of physical science, Camb., 1949; Margenau H., The nature of physical reality, N.Y., 1950; Destouches-F?vrier P., La structure des th?ories physiques, P., 1951; Weizs?cker C.F. von, Zum Weltbild der Physik, 6 Aufl., Stuttg., 1954. И. Алексеев, Ю. Румер. Новосибирск.

Определение 1

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

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

Предмет и значение физики в современном мире

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Экспериментальная и теоретическая физика

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

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

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

Замечание 1

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

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

Прикладная физика

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

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

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

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

Основные разделы физики

Макроскопическая физика подразделяется на:

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

Микроскопическая физика состоит из следующих разделов:

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

Существуют также разделы физики, которые находятся на стыке наук:

  1. Агрофизика.
  2. Акустооптика.
  3. Астрофизика.
  4. Биофизика.
  5. Гидрофизика.
  6. Вычислительная физика.
  7. Геофизика: сейсмология, петрофизика, геофизическая гидродинамика.
  8. Математическая физика.
  9. Космология.
  10. Материаловедение.
  11. Метрология.
  12. Медицинская физика.
  13. Радиофизика: статистическая и квантовая радиофизика.
  14. Теория колебаний.
  15. Техническая физика.
  16. Химическая физика.
  17. Физика плазмы и атмосферы.
  18. Физическая химия.

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

Предмет науки

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

История физики

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

Древний период

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

Средневековье

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

Переломный момент

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

Современная физика

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

Направления физики как науки

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

Теоретическая физика

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

Экспериментальная физика

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

Прикладная физика

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

Основные физические теории

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

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

Фи́зика (от др.-греч. φύσις «природа») - область естествознания, наука, изучающая наиболее общие и фундаментальные закономерности, определяющие структуру и эволюцию материального мира.

Термин «физика» впервые появился в сочинениях одного из величайших мыслителей древности - Аристотеля, жившего в IV веке до нашей эры. В русский язык слово «физика» было введено Михаилом Васильевичем Ломоносовым, когда он издал первый в России учебник физики в переводе с немецкого языка. Первый отечественный учебник под названием «Краткое начертание физики» был написан первым русским академиком Страховым.

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

Предмет физики

Физика - это наука о природе в самом общем смысле (часть природоведения). Она изучает вещество (материю) и энергию, а также фундаментальные взаимодействия природы, управляющие движением материи.

Некоторые закономерности являются общими для всех материальных систем, например, сохранение энергии, - такие свойства 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 и образованные из них вещества. 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 выражений, причём используются более сложные разделы математики, чем обычно в других науках. И наоборот, развитие многих областей математики стимулировалось потребностями физических теорий (см. математическая физика).

Теоретическая и экспериментальная физика

Главными ветвями физики являются экспериментальная физика и теоретическая физика. И хотя может показаться, что они разделены, поскольку большинство физиков являются или чистыми теоретиками, или чистыми экспериментаторами, на самом деле теоретическая и экспериментальная физика развиваются в постоянном контакте. Над одной и той же проблемой могут работать как теоретики, так и экспериментаторы. Первые описывают существующие экспериментальные данные и делают теоретические предсказания будущих результатов, вторые проводят эксперименты, проверяя существующие теории и получая новые результаты. Многие достижения в физике были вызваны экспериментальным наблюдением явлений, не описываемых существующими теориями (например, экспериментально обнаруженная абсолютность скорости света породила специальную теорию относительности), так же как и некоторым теориям удалось предсказать результаты, проверенные позже (например, открытие позитрона).

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.