История физики - History of physics

Физика - это отрасль науки , основными объектами изучения которой являются материя и энергия . Открытия физики находят применение в естественных науках и технологиях . Сегодняшнюю физику можно условно разделить на классическую физику и современную физику .

Древняя история

Элементы того, что стало физикой, были взяты в основном из областей астрономии , оптики и механики , которые были методологически объединены через изучение геометрии . Эти математические дисциплины начались в древности у вавилонян и у писателей- эллинистов, таких как Архимед и Птолемей . Между тем, античная философия , в том числе то, что называлось " физикой " 

Греческая концепция

Движение к рациональному пониманию природы началось, по крайней мере, с архаического периода в Греции (650–480 гг. До н.э. ) у философов-досократов . Философ Фалес Милетский (VII-VI вв. До н.э.), прозванный «Отцом науки» за отказ принимать различные сверхъестественные, религиозные или мифологические объяснения природных явлений , провозгласил, что каждое событие имеет естественную причину. Фалес также добился успехов в 580 г. до н.э., предположив, что вода является основным элементом , экспериментируя с притяжением между магнитами и натертым янтарем и сформулировав первые зарегистрированные космологии . Анаксимандр , известный своей прото эволюционной теории., Вещество , называемое апейрон было кирпичик всей материи. Около 500 г. до н.э. Гераклит предположил, что единственным основным законом, регулирующим Вселенную, был принцип изменения и что ничто не остается в одном и том же состоянии бесконечно. Это наблюдение сделало его одним из первых ученых в области античной физики, который рассмотрел роль времени во Вселенной, ключевую, а иногда и спорную концепцию в современной физике.

В классическом период в Греции (шестой, пятая и 4 веков до н.э.) и в эпохе эллинизма , естественная философия развивалась медленно в захватывающую и спорную область исследования. Аристотель ( греч . Ἀριστοτέλης , Aristotélēs ) ( 384–322 гг. До н. Э.), Ученик Платона , продвигал идею о том, что наблюдение физических явлений может в конечном итоге привести к открытию регулирующих их естественных законов. Труды Аристотеля охватывают физику, метафизику , поэзию , театр , музыку , логику , риторику , лингвистику , политику , правительство , этику , биологию и зоологию . Он написал первую работу, в которой это направление исследований называется «Физика» - в 4 веке до нашей эры Аристотель основал систему, известную как аристотелевская физика . Он попытался объяснить такие идеи, как движение (и гравитация ), с помощью теории четырех элементов . Аристотель считал, что вся материя состоит из эфира или некоторой комбинации четырех элементов: земли, воды, воздуха и огня. Согласно Аристотелю, эти четыре земных элемента способны к взаимному преобразованию и перемещаться к своему естественному месту, поэтому камень падает вниз к центру космоса, а пламя поднимается вверх к окружности . В конце концов, аристотелевская физика стала чрезвычайно популярной на протяжении многих веков в Европе, оказывая влияние на научные и схоластические разработки Средневековья . Она оставалась основной научной парадигмой в Европе до времен Галилео Галилея и Исаака Ньютона .

В начале классической Греции знание о том, что Земля имеет сферическую («круглую») форму, было обычным явлением. Около 240 г. до н.э., в результате семенных эксперимента , Эратосфен (276-194 г. до н.э.) точно оценить его окружность. В отличие от геоцентрической взглядов Аристотеля, Аристарх Самосский ( греч : Ἀρίσταρχος ; C.310 - c.230 BCE) представил явный аргумент для гелиоцентрической модели в Солнечной системе , т.е. для размещения ВС , а не Земля , в ее центре . Селевк из Селевкии , последователь гелиоцентрической теории Аристарха, утверждал, что Земля вращается вокруг своей оси , которая, в свою очередь, вращается вокруг Солнца. Хотя аргументы, которые он использовал, были потеряны, Плутарх заявил, что Селевк был первым, кто доказал гелиоцентрическую систему с помощью рассуждений.

В BCE 3 -го века, то греческий математик Архимед из Сиракуз ( греческий : Ἀρχιμήδης (287-212 до н.э.) - как правило , считается величайшим математиком древности и один из величайших всех времен - заложил основы гидростатики , статики и вычислил лежащая в основе математика рычага . Ведущий ученый классической древности, Архимед также разработал сложные системы шкивов для перемещения больших объектов с минимальными усилиями. Винт Архимеда лежит в основе современной гидротехники, а его военные машины помогали сдерживать армии Рима во время Первой Пунической войны.Архимед даже разорвал аргументы Аристотеля и его метафизики, указав, что невозможно разделить математику и природу, и доказал это, превратив математические теории в практические изобретения. Более того, в своей работе О плавающих телах Около 250 г. до н. э. Архимед разработал закон плавучести , также известный как принцип Архимеда. использовал метод истощения для вычисления площади под дугой параболы с суммированием бесконечного ряда и дал удивительно точное приближение числа пи . Он также определил спираль, носящую его имя , формулы для объемов поверхностей вращения и изобретательную систему для выражения очень больших чисел. Он также разработал принципы состояний равновесия и центров тяжести , идеи, которые повлияли на известных ученых, Галилея и Ньютона.

Гиппарх (190–120 гг. До н.э.), сосредоточившись на астрономии и математике, использовал сложные геометрические методы, чтобы составить карту движения звезд и планет , даже предсказывая время, когда произойдут солнечные затмения . Кроме того, он добавил расчеты расстояния Солнца и Луны от Земли, основанные на его усовершенствованиях к инструментам наблюдения, используемым в то время. Еще одним из самых известных ранних физиков был Птолемей (90–168 гг. Н. Э.), Один из ведущих умов времен Римской империи . Птолемей был автором нескольких научных трактатов, по крайней мере три из которых имели непреходящее значение для более поздней исламской и европейской науки. Первый - это астрономический трактат, ныне известный как Альмагест (по-гречески Ἡ Μεγάλη Σύνταξις, «Великий трактат», первоначально Μαθηματικὴ Σύνταξις, «Математический трактат»). Вторая - это « География» , которая представляет собой подробное обсуждение географических знаний греко-римского мира .

Большая часть накопленных знаний древнего мира была утеряна. Даже от произведений наиболее известных мыслителей сохранилось несколько фрагментов. Хотя он написал по крайней мере четырнадцать книг, почти ничего из прямых работ Гиппарха не сохранилось. Из 150 известных аристотелевских работ существует только 30, и некоторые из них - «не более чем конспекты лекций».

Индия и Китай

Важные физико-математические традиции существовали также в древних китайских и индийских науках .

В индийской философии Махариши Канада был первым, кто систематически развил теорию атомизма около 200 г. до н.э., хотя некоторые авторы относят его к VI веку до н.э. В дальнейшем он был разработан буддийскими атомистами Дхармакирти и Дигнагой в 1-м тысячелетии нашей эры. Пакудха Каччаяна , индийский философ VI века до н.э. и современник Гаутамы Будды , также выдвигал идеи об атомном строении материального мира. Эти философы считали, что другие элементы (кроме эфира) физически ощутимы и, следовательно, состоят из крошечных частиц материи. Последнюю крохотную частицу материи, которую невозможно было разделить дальше, назвали Парману . Эти философы считали атом неразрушимым и, следовательно, вечным. Буддисты считали атомы крошечными объектами, невидимыми невооруженным глазом, которые возникают и исчезают в одно мгновение. Вайшешика школа философов считали , что атом был просто точкой в пространстве . Он также был первым, кто изобразил отношения между движением и приложенной силой. Индийские теории об атоме очень абстрактны и связаны с философией, поскольку они основывались на логике, а не на личном опыте или экспериментах. В индийской астрономии , Арьябхата «s Aryabhatiya (499 CE) предложил вращение Земли , в то время как Нилакант Сомаяджи (1444-1544) из Кералы школы астрономии и математиков предложил пол-гелиоцентрическую модель , напоминающую гео-гелиоцентрическую систему мира .

Изучение магнетизма в Древнем Китае восходит к IV веку до нашей эры. (в Книге Мастера Дьявольской Долины ). Основным участником этой области был Шен Куо (1031–1095), эрудит и государственный деятель, который первым описал компас с магнитной стрелкой, используемый для навигации, а также установил понятие истинного севера . В области оптики Шен Куо независимо разработал камеру-обскуру .

Исламский мир

В 7-15 веках в мусульманском мире произошел научный прогресс. Многие классические произведения на индийском , ассирийском , сасанидском (персидском) и греческом языках , в том числе произведения Аристотеля , были переведены на арабский язык . Важный вклад внес Ибн аль-Хайсам (965–1040), арабский ученый, которого считают основоположником современной оптики . Птолемей и Аристотель предположили, что свет либо светит из глаза, чтобы освещать объекты, либо что «формы» исходят от самих объектов, тогда как аль-Хайтам (известный под латинским названием «Альхазен») предположил, что свет распространяется к глазу в лучах из разных точек. на объекте. Работы Ибн аль-Хайсама и Абу Райхана Бируни (973–1050), персидских ученых, в конечном итоге перешли в Западную Европу, где их изучали такие ученые, как Роджер Бэкон и Витело .

Ибн аль-Хайтам и Бируни были ранними сторонниками научного метода . Ибн аль-Хайсам считается «отцом современного научного метода» из-за его упора на экспериментальные данные и воспроизводимость их результатов. Самый ранний методический подход к экспериментам в современном смысле виден в работах Ибн аль-Хайсама, который ввел индуктивно-экспериментальный метод для достижения результатов. Бируни представил ранние научные методы для нескольких различных областей исследования в 1020-1030-х годах, включая ранний экспериментальный метод для механики . Методология Бируни напоминала современный научный метод, особенно в том, что он делал упор на повторное экспериментирование.

Ибн Сина (980–1037), известный как «Авиценна», был эрудитом из Бухары (на территории современного Узбекистана ), внесшим важный вклад в физику, оптику, философию и медицину . Он опубликовал свою теорию движения в « Книге исцеления» (1020), где утверждал, что метатель придает снаряду импульс, и считал, что это временное свойство, которое ослабнет даже в вакууме. Он считал это постоянным, требующим внешних сил, таких как сопротивление воздуха, чтобы рассеять его. Ибн Сина проводил различие между «силой» и «наклонением» (называемым «майл») и утверждал, что приобретенный объект может быть достигнут, когда объект находится в оппозиции своему естественному движению. Он пришел к выводу, что продолжение движения связано с наклоном, передаваемым объекту, и этот объект будет находиться в движении до тех пор, пока майл не будет израсходован. Он также утверждал, что снаряд в вакууме не остановится, если на него не воздействовать. Эта концепция движения согласуется с первым законом движения Ньютона , инерцией , который гласит, что движущийся объект будет оставаться в движении, если на него не действует внешняя сила. Эта идея, расходящаяся с аристотелевской точкой зрения, была позже описана как « импульс » Джоном Буриданом , на которого повлияла Книга исцеления Ибн Сины .

Хибат Аллах Абу'л-Баракат аль-Багдаади (ок. 1080-1165) принял и модифицировал теорию Ибн Сины о движении снаряда . В своем « Китаб аль-Мутабар» Абу'л-Баракат заявил, что движущийся придает сильный наклон ( майл касри ) движущемуся и что это уменьшается по мере того, как движущийся объект удаляется от движущегося. Он также предложил объяснение ускорения падающих тел накоплением последовательных приращений мощности с последовательными приращениями скорости . Согласно Шломо Пайнсу, теория движения аль-Багдаади была «старейшим отрицанием фундаментального динамического закона Аристотеля [а именно, что постоянная сила производит равномерное движение], [и, таким образом, является] неопределенным предвосхищением фундаментального закона классическая механика [а именно, что сила, приложенная непрерывно, вызывает ускорение] ". Жан Буридан и Альберт Саксонские позже ссылались на Абу'л-Бараката, объясняя, что ускорение падающего тела является результатом его возрастающего импульса.

Ибн Баджах (ок. 1085–1138), известный в Европе как «Авемпас», предположил, что для каждой силы всегда есть сила противодействия . Ибн Баджа был критиком Птолемея и работал над созданием новой теории скорости, которая заменила бы теорию, выдвинутую Аристотелем. Два будущих философа поддержали теории, созданные Avempace, известные как Avempacean Dynamics. Этими философами были католический священник Фома Аквинский и Джон Дунс Скот . Галилей далее принял формулу Авемпаса, «что скорость данного объекта есть разность движущей силы этого объекта и сопротивления движущейся среды».

Насир ад-Дин ат-Туси (1201–1274), персидский астроном и математик, умерший в Багдаде, представил пару Туси . Позднее Коперник в значительной степени опирался на работы ад-Дина ат-Туси и его учеников, но без признания.

Средневековая европа

Знание древних произведений вернулось на Запад благодаря переводам с арабского на латынь . Их повторное введение в сочетании с иудео-исламскими богословскими комментариями оказало большое влияние на средневековых философов, таких как Фома Аквинский . Европейские ученые-схоласты , стремившиеся примирить философию древних классических философов с христианским богословием , провозгласили Аристотеля величайшим мыслителем древнего мира. В тех случаях, когда они прямо не противоречили Библии, аристотелевская физика становилась основой физических объяснений европейских церквей. Количественная оценка стала основным элементом средневековой физики.

Основываясь на аристотелевской физике, схоластическая физика описывала вещи как движущиеся в соответствии с их сущностной природой. Небесные объекты описывались как движущиеся по кругу, потому что идеальное круговое движение считалось врожденным свойством объектов, которые существовали в неповрежденном царстве небесных сфер . Теория стимула , предок к понятиям инерции и импульса , был разработана по аналогичным линиям от средневековых философов , таких как Джон Филопон и Жан Буридана . Движения под лунной сферой рассматривались как несовершенные, и поэтому нельзя было ожидать, что они будут демонстрировать постоянное движение. Более идеализированное движение в «подлунном» царстве могло быть достигнуто только с помощью уловки , и до 17 века многие не считали искусственные эксперименты действенным средством познания мира природы. Физические объяснения в подлунной сфере вращались вокруг тенденций. Камни содержали элемент Земля, а земные объекты имели тенденцию двигаться по прямой линии к центру Земли (и Вселенной в аристотелевской геоцентрической точке зрения), если это не мешало иначе.

Научная революция

В течение 16-17 веков в Европе произошло большое развитие научного прогресса, известное как научная революция . Недовольство старыми философскими подходами началось раньше и привело к другим изменениям в обществе, таким как протестантская Реформация , но революция в науке началась, когда натурфилософы начали настойчивую атаку на схоластическую философскую программу и предположили, что математические описательные схемы заимствованы из такие области, как механика и астрономия, действительно могут дать универсально достоверные характеристики движения и другие концепции.

Николай Коперник

Прорыв в астрономии был сделан польский астроном Николай Коперник (1473-1543) , когда в 1543 году, он дал сильные аргументы в пользу гелиоцентрической модели в Солнечной системе , якобы в качестве средства для оказания таблицы графиков планетарное движение более точным и упростить их производство. В гелиоцентрических моделях Солнечной системы Земля вращается вокруг Солнца вместе с другими телами в галактике Земли , что противоречит греко-египетскому астроному Птолемею (II век н.э., см. Выше), чья система поместила Землю в центр Земли. Вселенная и была принята более 1400 лет назад. Греческий астроном Аристарх Самосский (ок. 310–230 г. до н. Э.) Предположил, что Земля вращается вокруг Солнца, но рассуждения Коперника привели к прочному всеобщему принятию этой «революционной» идеи. Книга Коперника, излагающая эту теорию ( De Revolutionibus orbium coelestium , «О вращении небесных сфер») была опубликована незадолго до его смерти в 1543 году и, как сейчас принято считать, положила начало современной астрономии, знаменуют начало научной революции. Новая перспектива Коперника, наряду с точными наблюдениями Тихо Браге , позволила немецкому астроному Иоганну Кеплеру (1571–1630) сформулировать свои законы относительно движения планет, которые используются и сегодня.

Галилео Галилей

Итальянский математик, астроном и физик Галилео Галилей (1564–1642) был известен своей поддержкой коперниканизма, своими астрономическими открытиями, эмпирическими экспериментами и усовершенствованием телескопа. Как математик, роль Галилея в университетской культуре его эпохи была подчинена трем основным темам обучения: юриспруденции , медицине и теологии (которые были тесно связаны с философией). Галилей, однако, считал, что описательное содержание технических дисциплин требует философского интереса, особенно потому, что математический анализ астрономических наблюдений - в частности, анализ Коперником относительных движений Солнца, Земли, Луны и планет - показал, что утверждения философов о природе Вселенной может оказаться ошибочным. Галилей также проводил механические эксперименты, настаивая на том, что само движение - независимо от того, было ли оно создано «естественным» или «искусственным» (т. Е. Преднамеренно) - имеет универсально согласованные характеристики, которые можно описать математически.

Первыми занятиями Галилея в Пизанском университете были медицина, но вскоре его привлекли математика и физика. В 19 лет он обнаружил (и впоследствии подтвердил ) изохронную природу маятника, когда, используя свой пульс, рассчитал время колебания качающейся лампы в соборе Пизы и обнаружил, что она остается неизменной для каждого колебания независимо от амплитуды качания. . Вскоре он стал известен благодаря изобретению гидростатических весов и трактату о центре тяжести твердых тел. Во время преподавания в Пизанском университете (1589–1592 гг.) Он начал свои эксперименты, касающиеся законов движения тел, которые привели к результатам, настолько противоречащим общепринятым учениям Аристотеля, что возник сильный антагонизм. Он обнаружил, что тела не падают со скоростью, пропорциональной их весу. Знаменитая история , в которой Галилей , как говорят, упал веса из в Пизанской башне недостоверна, но он нашел , что путь снаряда является параболой и приписывают выводы, ожидаемых законы движения Ньютона (например , понятие инерция ). Среди них - то, что сейчас называется относительностью Галилея , первое точно сформулированное утверждение о свойствах пространства и времени за пределами трехмерной геометрии .

Галилея называли «отцом современной наблюдательной астрономии », «отцом современной физики », «отцом науки» и «отцом современной науки ». По словам Стивена Хокинга , «Галилей, возможно, больше, чем любой другой человек, был ответственен за рождение современной науки». Поскольку религиозная ортодоксия провозгласила геоцентрическое или тихоническое понимание Солнечной системы, поддержка Галилеем гелиоцентризма вызвала споры, и его судила инквизиция . Обнаруженный «яростно подозреваемым в ереси», он был вынужден отречься и всю оставшуюся жизнь провел под домашним арестом.

Вклад Галилея в наблюдательную астрономию включает телескопическое подтверждение фаз Венеры ; его открытие в 1609 году четырех крупнейших спутников Юпитера (впоследствии получивших собирательное название « галилеевы луны »); и наблюдение и анализ солнечных пятен . Галилей также занимался прикладной наукой и техникой, изобретая, среди прочего, военный компас . Его открытие спутников Юпитера было опубликовано в 1610 году и позволило ему получить должность математика и философа при дворе Медичи . Таким образом, ожидалось, что он будет участвовать в дебатах с философами аристотелевской традиции и получил большую аудиторию для своих собственных публикаций, таких как « Беседы и математические демонстрации о двух новых науках» (опубликованные за границей после его ареста за публикацию « Диалога о двух»). Chief World Systems ) и The Assayer . Интерес Галилея к экспериментам и формулированию математических описаний движения сделал эксперименты неотъемлемой частью натурфилософии. Эта традиция в сочетании с нематематическим акцентом на сбор "экспериментальных историй" философскими реформистами, такими как Уильям Гилберт и Фрэнсис Бэкон , привлекла значительное количество последователей в годы до и после смерти Галилея, в том числе Евангелиста Торричелли и участников. в Академии дель Чименто в Италии; Марин Мерсенн и Блез Паскаль во Франции; Христиан Гюйгенс в Нидерландах; и Роберт Гук и Роберт Бойл в Англии.

Рене Декарт

Французский философ Рене Декарт (1596–1650) был тесно связан с сетями экспериментальной философии того времени и имел влияние внутри них. Однако у Декарта была более амбициозная программа, направленная на полную замену схоластической философской традиции. Ставя под сомнение реальность, интерпретируемую через органы чувств, Декарт стремился восстановить философские объяснительные схемы, сводя все воспринимаемые явления к тому, что их можно отнести к движению невидимого моря «корпускул». (Примечательно, что он уберег человеческую мысль и Бога от своей схемы, считая их отделенными от физической вселенной). Предлагая эту философскую основу, Декарт предположил, что разные виды движения, такие как движение планет и движение земных объектов, не принципиально различны, а являются просто разными проявлениями бесконечной цепи корпускулярных движений, подчиняющихся универсальным принципам. Особенно влиятельными были его объяснения круговых астрономических движений в терминах вихревого движения корпускул в пространстве (Декарт утверждал, в соответствии с верованиями, если не методами, схоластов, что вакуума не может существовать), и его объяснение гравитация с точки зрения тельца, толкающего объекты вниз.

Декарт, как и Галилей, был убежден в важности математического объяснения, и он и его последователи были ключевыми фигурами в развитии математики и геометрии в 17 веке. В картезианских математических описаниях движения утверждается, что все математические формулировки должны быть оправданы с точки зрения прямого физического воздействия, и эту позицию занимали Гюйгенс и немецкий философ Готфрид Лейбниц , которые, следуя картезианской традиции, разработали свою собственную философскую альтернативу схоластике. которую он изложил в своей работе 1714 года «Монадология . Декарта называют «отцом современной философии», и большая часть последующей западной философии является ответом на его труды, которые внимательно изучаются по сей день. В частности, его « Размышления о первой философии» продолжают оставаться стандартным текстом на философских факультетах большинства университетов. Столь же очевидно влияние Декарта на математику; система декартовых координат - позволяет алгебраических уравнений выражаться в виде геометрических фигур в двумерной системе координат - был назван в его честь. Его считают отцом аналитической геометрии , моста между алгеброй и геометрией , важного для открытия исчисления и анализа .

Исаак Ньютон

Конец 17 - начало 18 веков ознаменовались достижениями физика и математика Кембриджского университета сэра Исаака Ньютона (1642-1727). Ньютон, член Королевского общества Англии , объединил свои открытия в области механики и астрономии с более ранними открытиями, чтобы создать единую систему для описания устройства Вселенной. Ньютон сформулировал три закона движения, которые сформулировали взаимосвязь между движением и объектами, а также закон всемирного тяготения , последний из которых можно было использовать для объяснения поведения не только падающих тел на Земле, но также планет и других небесных тел. Чтобы прийти к своим результатам, Ньютон изобрел одну из форм совершенно новой области математики: исчисление (также независимо изобретенное Готфридом Лейбницем ), которое должно было стать важным инструментом в большинстве более поздних разработок в большинстве разделов физики. Результаты Ньютона были изложены в его Philosophiae Естественной Principia Mathematica ( «Математические начала натуральной философии»), издание которого в 1687 году ознаменовал начало современного периода механики и астрономии.

Ньютон смог опровергнуть картезианскую механическую традицию, согласно которой все движения следует объяснять по отношению к непосредственной силе, проявляемой корпускулами. Используя свои три закона движения и закон всемирного тяготения, Ньютон исключил идею о том, что объекты следовали путям, определяемым естественными формами, и вместо этого продемонстрировал, что не только регулярно наблюдаемые траектории, но и все будущие движения любого тела могут быть вычислены математически на основе знания их существующее движение, их масса и силы, действующие на них. Однако наблюдаемые небесные движения не совсем соответствовали ньютоновской трактовке, и Ньютон, который также глубоко интересовался теологией , воображал, что Бог вмешался, чтобы обеспечить постоянную стабильность солнечной системы.

Принципы Ньютона (но не его математические трактовки) вызвали споры у континентальных философов, которые сочли его отсутствие метафизического объяснения движения и гравитации философски неприемлемым. Примерно с 1700 года между континентальной и британской философскими традициями открылся ожесточенный разрыв, который был вызван горячими, продолжающимися и злобно личными спорами между последователями Ньютона и Лейбница относительно приоритета аналитических методов исчисления , каждый из которых развивался независимо. Первоначально на континенте преобладали картезианские и лейбницкие традиции (что привело к преобладанию лейбницевской системы обозначений исчисления повсюду, кроме Великобритании). Сам Ньютон в частном порядке оставался обеспокоенным отсутствием философского понимания гравитации, в то же время настаивая в своих трудах на том, что нет необходимости делать выводы о ее реальности. По мере развития 18 века континентальные натурфилософы все больше соглашались с готовностью ньютонианцев отказаться от онтологических метафизических объяснений математически описанных движений.

Ньютон построил первый действующий телескоп-отражатель и разработал теорию цвета, опубликованную в Opticks , на основе наблюдения, что призма разлагает белый свет на множество цветов, образующих видимый спектр . В то время как Ньютон объяснил, что свет состоит из крошечных частиц, конкурирующая теория света, объясняющая его поведение в терминах волн, была представлена ​​в 1690 году Христианом Гюйгенсом . Однако вера в механистическую философию в сочетании с репутацией Ньютона означала, что волновая теория имела относительно небольшую поддержку до 19 века. Ньютон также сформулировал эмпирический закон охлаждения , изучил скорость звука , исследовал степенные ряды , продемонстрировал обобщенную биномиальную теорему и разработал метод приближения корней функции . Его работа над бесконечными сериями была вдохновлена десятичными знаками Саймона Стевина . Самое главное, Ньютон показал, что движения объектов на Земле и небесных тел управляются одним и тем же набором естественных законов, которые не были ни капризными, ни злонамеренными. Продемонстрировав соответствие между законами движения планет Кеплера и его собственной теорией гравитации, Ньютон также снял последние сомнения в гелиоцентризме. Объединив все идеи, сформулированные во время научной революции, Ньютон фактически заложил фундамент современного общества в области математики и естественных наук.

Прочие достижения

В период научной революции внимание уделялось и другим разделам физики. Уильям Гилберт , придворный врач королевы Елизаветы I , опубликовал важную работу по магнетизму в 1600 году, описывая, как сама Земля ведет себя как гигантский магнит. Роберт Бойль (1627–1691) изучил поведение газов, заключенных в камеру, и сформулировал газовый закон, названный в его честь ; он также внес свой вклад в физиологию и создание современной химии. Еще одним важным фактором научной революции был рост научных обществ и академий в разных странах. Самые ранние из них были в Италии и Германии и просуществовали недолго. Более влиятельными были Королевское общество Англии (1660 г.) и Академия наук Франции (1666 г.). Первый был частным учреждением в Лондоне и включал таких ученых, как Джон Уоллис , Уильям Браункер , Томас Сиденхэм , Джон Мэйоу и Кристофер Рен (внесший вклад не только в архитектуру, но также в астрономию и анатомию); последний в Париже был правительственным учреждением и включал в качестве иностранного члена голландца Гюйгенса. В 18 веке важные королевские академии были созданы в Берлине (1700 г.) и Санкт-Петербурге (1724 г.). Общества и академии предоставили основные возможности для публикации и обсуждения научных результатов во время и после научной революции. В 1690 году Джеймс Бернулли показал, что циклоида является решением проблемы таутохрон; и в следующем году, в 1691 году, Иоганн Бернулли показал , что цепь свободно подвешенной с двух точек образует цепную линию , кривую с наименьшим возможным центром тяжести имеющейся в любой цепи висел между двумя неподвижными точками. Затем в 1696 году он показал, что циклоида - это решение проблемы брахистохрона .

Ранняя термодинамика

Предшественник двигателя был разработан немецким ученым Отто фон Герике, который в 1650 году спроектировал и построил первый в мире вакуумный насос и создал первый в мире вакуум, известный как эксперимент Магдебургских полушарий . Он был вынужден создать вакуум, чтобы опровергнуть давнее предположение Аристотеля о том, что «Природа не терпит пустоты» . Вскоре после этого ирландский физик и химик Бойль узнал о конструкции Герике и в 1656 году в сотрудничестве с английским ученым Робертом Гуком построил воздушный насос. Используя этот насос, Бойль и Гук заметили корреляцию давления и объема для газа: PV = k , где P - давление , V - объем, а k - постоянная величина: это соотношение известно как закон Бойля . В то время воздух считался системой неподвижных частиц, а не системой движущихся молекул. Понятие теплового движения появилось двумя столетиями позже. Таким образом, публикация Бойля в 1660 году говорит о механической концепции: пневматической рессоре. Позже, после изобретения термометра, температуру свойства можно было определить количественно. Этот инструмент дал Гей-Люссаку возможность вывести закон , который вскоре привел к закону идеального газа . Но еще до установления закона об идеальном газе партнер Бойля по имени Денис Папен построил в 1679 году костный варочный котел, который представляет собой закрытый сосуд с плотно закрывающейся крышкой, удерживающий пар до тех пор, пока не будет создано высокое давление.

В более поздних конструкциях был реализован выпускной паровой клапан, чтобы машина не взорвалась. Наблюдая за тем, как клапан ритмично перемещается вверх и вниз, Папен придумал поршневой и цилиндровый двигатель. Однако он не довел до конца свой замысел. Тем не менее, в 1697 году по проекту Папена инженер Томас Савери построил первый двигатель. Хотя эти первые двигатели были грубыми и неэффективными, они привлекли внимание ведущих ученых того времени. Следовательно, до 1698 года и до изобретения двигателя Savery , лошади использовались в качестве приводных шкивов, прикрепленных к ведрам, которые поднимали воду из затопленных соляных шахт в Англии. В последующие годы было построено больше вариаций паровых двигателей, таких как двигатель Ньюкомена , а позже и двигатель Ватта . Со временем эти ранние двигатели в конечном итоге будут использоваться вместо лошадей. Таким образом, каждый двигатель стал ассоциироваться с определенным количеством «лошадиных сил» в зависимости от того, сколько лошадей он заменил. Основная проблема этих первых двигателей заключалась в том, что они были медленными и неуклюжими, превращая менее 2% входящего топлива в полезную работу. Другими словами, нужно было сжигать большое количество угля (или древесины), чтобы получить лишь небольшую часть производимой работы. Отсюда и возникла потребность в новой науке о динамике двигателя .

Разработки 18-го века

В течение 18 века механика, основанная Ньютоном, была разработана несколькими учеными по мере того, как все больше математиков изучали исчисление и разрабатывали его первоначальную формулировку. Применение математического анализа к проблемам движения было известно как рациональная механика или смешанная математика (позже она была названа классической механикой ).

Механика

В 1714 году Брук Тейлор вывел основную частоту натянутой колеблющейся струны через ее натяжение и массу на единицу длины, решив дифференциальное уравнение . Швейцарский математик Даниэль Бернулли (1700–1782) провел важные математические исследования поведения газов, предвосхитив кинетическую теорию газов, разработанную более века спустя, и был назван первым математиком-физиком. В 1733 году Даниэль Бернулли вывел основную частоту и гармоники висячей цепи, решив дифференциальное уравнение. В 1734 году Бернулли решил дифференциальное уравнение колебаний упругого стержня, зажатого на одном конце. Трактовка Бернулли гидродинамики и его исследование потока жидкости были представлены в его работе 1738 года « Гидродинамика» .

Рациональная механика имела дело в первую очередь с разработкой сложных математических трактовок наблюдаемых движений, используя принципы Ньютона в качестве основы, и делала упор на улучшение управляемости сложных вычислений и разработку законных средств аналитической аппроксимации. Типичный современный учебник был издан Иоганном Батистом Хорватом . К концу столетия аналитические подходы были достаточно строгими, чтобы проверить стабильность солнечной системы исключительно на основе законов Ньютона без ссылки на божественное вмешательство - даже если детерминистические подходы к таким простым системам, как проблема трех тел в гравитации, оставались неразрешимыми. В 1705 году Эдмонд Галлей предсказал периодичность кометы Галлея , Уильям Гершель открыл Уран в 1781 году, а Генри Кавендиш измерил гравитационную постоянную и определил массу Земли в 1798 году. В 1783 году Джон Мичелл предположил, что некоторые объекты могут быть настолько массивными, что от них не мог ускользнуть даже свет.

В 1739 году Леонард Эйлер решил обыкновенное дифференциальное уравнение для вынужденного гармонического осциллятора и заметил явление резонанса. В 1742 году Колин Маклорен открыл свои равномерно вращающиеся самогравитирующие сфероиды . В 1742 году Бенджамин Робинс опубликовал свои « Новые принципы артиллерийского дела» , положившие начало аэродинамике. Британские работы, проводимые математиками, такими как Тейлор и Маклорен, в течение столетия отставали от континентальных разработок. Между тем, работа процветала в научных академиях на континенте, возглавляемыми такими математиками, как Бернулли, Эйлер, Лагранж, Лаплас и Лежандр . В 1743 году Жан ле Ронд д'Аламбер опубликовал свою Traite de Dynamique , в которой он представил концепцию обобщенных сил для ускорения систем и систем со связями и применил новую идею виртуальной работы для решения динамической задачи, теперь известной как D ' Принцип Аламберта как соперник второго закона движения Ньютона. В 1747 году Пьер Луи Мопертюи применил минимальные принципы к механике. В 1759 году Эйлер решил уравнение в частных производных для вибрации прямоугольного барабана. В 1764 году Эйлер исследовал уравнение в частных производных для вибрации кругового барабана и нашел одно из решений функции Бесселя. В 1776 году Джон Смитон опубликовал статью об экспериментах, связанных с мощностью, работой , импульсом и кинетической энергией , а также в поддержку сохранения энергии . В 1788 году Жозеф Луи Лагранж представил уравнения движения Лагранжа в « Mécanique Analytique» , в которых вся механика была организована вокруг принципа виртуальной работы. В 1789 году Антуан Лавуазье излагает закон сохранения массы . Рациональная механика, разработанная в 18 веке, получила блестящее отражение как в работах Лагранжа 1788 года, так и в « Небесной механике» (1799–1825) Пьера-Симона Лапласа .

Термодинамика

В течение 18-го века термодинамика развивалась на основе теорий невесомых «невесомых жидкостей» , таких как тепло («калорийность»), электричество и флогистон (которые были быстро опровергнуты как концепция после того, как Лавуазье идентифицировал кислородный газ в конце века). . Если предположить, что эти концепции были реальными жидкостями, их течение можно было проследить с помощью механических устройств или химических реакций. Эта традиция экспериментов привела к разработке новых видов экспериментальной аппаратуры, таких как лейденская банка ; и новые виды измерительных приборов, такие как калориметр , и улучшенные версии старых, такие как термометр . Эксперименты также привели к появлению новых концепций, таких как представление экспериментатора Университета Глазго Джозефа Блэка о скрытой теплоте и филадельфийского интеллектуала Бенджамина Франклина , описывающего электрическую жидкость как текущую между местами избытка и недостатка (концепция, позже переинтерпретированная в терминах положительного и отрицательного). отрицательные заряды ). Франклин также показал, что молния - это электричество в 1752 году.

Принятая теория тепла в 18 веке рассматривала его как своего рода жидкость, называемую калорийной ; хотя позже было показано, что эта теория ошибочна, ряд ученых, придерживающихся ее, тем не менее, сделали важные открытия, полезные для развития современной теории, в том числе Джозеф Блэк (1728–1999) и Генри Кавендиш (1731–1810). Этой теории калорийности, разработанной в основном химиками, противостояла менее принятая теория времен Ньютона, согласно которой тепло возникает из-за движений частиц вещества. Эта механическая теория получила поддержку в 1798 году в экспериментах графа Рамфорда ( Бенджамин Томпсон ), которые обнаружили прямую связь между теплотой и механической энергией.

Хотя в начале 18 века было признано, что открытие абсолютных теорий электростатической и магнитной силы, родственных принципам движения Ньютона, будет важным достижением, так и не последовало. Эта невозможность постепенно исчезла по мере того, как экспериментальная практика стала более распространенной и более утонченной в первые годы XIX века в таких местах, как недавно созданный Королевский институт в Лондоне. Тем временем аналитические методы рациональной механики начали применяться к экспериментальным явлениям, что наиболее повлияло на аналитическое рассмотрение потока тепла французским математиком Жозефом Фурье , опубликованное в 1822 году. Джозеф Пристли предложил электрический закон обратных квадратов в 1767 году. , а Шарль-Огюстен де Кулон ввел в электростатике закон обратных квадратов в 1798 году.

В конце века члены Французской академии наук достигли явного господства в этой области. В то же время сохранилась экспериментальная традиция, заложенная Галилеем и его последователями. Королевское общество и Академия наук Франции были главными центрами производительности и отчетности экспериментальной работы. Эксперименты в области механики, оптики, магнетизма , статического электричества , химии и физиологии четко не отличались друг от друга в течение 18 века, но появлялись значительные различия в пояснительных схемах и, таким образом, в дизайне экспериментов. Например, химические экспериментаторы отвергли попытки навязать схему абстрактных ньютоновских сил химической принадлежности и вместо этого сосредоточились на выделении и классификации химических веществ и реакций.

19 век

Механика

В 1821 году Уильям Гамильтон начал свой анализ характеристической функции Гамильтона. В 1835 году он сформулировал канонические уравнения движения Гамильтона .

В 1813 году Питер Юарт поддержал идею сохранения энергии в своей статье « О мере движущейся силы» . В 1829 году Гаспар Кориолис ввел термины работы (сила, умноженная на расстояние) и кинетическую энергию в том значении, которое они имеют сегодня. В 1841 году Юлиус Роберт фон Майер , ученый- любитель , написал статью о сохранении энергии, хотя отсутствие у него академической подготовки привело к ее отклонению. В 1847 году Герман фон Гельмгольц официально сформулировал закон сохранения энергии.

Электромагнетизм

В 1800 году Алессандро Вольта изобрел электрическую батарею (известную как гальваническая батарея ) и, таким образом, улучшил способ изучения электрических токов. Год спустя Томас Янг продемонстрировал волновую природу света, получившую сильную экспериментальную поддержку в работах Огюстена-Жана Френеля, и принцип интерференции. В 1820 году Ганс Кристиан Эрстед обнаружил, что проводник с током порождает магнитную силу, окружающую его, и через неделю после того, как открытие Эрстеда достигло Франции, Андре-Мари Ампер обнаружил, что два параллельных электрических тока действуют друг на друга. В 1821 году Майкл Фарадей построил двигатель с электрическим приводом, а Георг Ом сформулировал свой закон электрического сопротивления в 1826 году, выразив взаимосвязь между напряжением, током и сопротивлением в электрической цепи.

В 1831 году Фарадей (и независимо Джозеф Генри ) открыл обратный эффект, производство электрического потенциала или тока посредством магнетизма - известного как электромагнитная индукция ; эти два открытия лежат в основе электродвигателя и электрогенератора соответственно.

Законы термодинамики

В 19 веке связь между теплотой и механической энергией была количественно установлена Юлиусом Робертом фон Майером и Джеймсом Прескоттом Джоулем , которые измерили механический эквивалент тепла в 1840-х годах. В 1849 году Джоуль опубликовал результаты своей серии экспериментов (включая эксперимент с крыльчатым колесом), которые показывают, что тепло является формой энергии, и этот факт был принят в 1850-х годах. Связь между теплом и энергией была важна для развития паровых двигателей, и в 1824 году была опубликована экспериментальная и теоретическая работа Сади Карно . Карно уловил некоторые идеи термодинамики в своем обсуждении эффективности идеализированного двигателя. Работа Сади Карно послужила основой для формулировки первого закона термодинамики - повторной формулировки закона сохранения энергии - который был сформулирован около 1850 года Уильямом Томсоном , позже известным как лорд Кельвин, и Рудольфом Клаузиусом . Лорд Кельвин, распространивший концепцию абсолютного нуля для газов на все вещества в 1848 году, опирался на инженерную теорию Лазара Карно , Сади Карно и Эмиля Клапейрона, а также на эксперименты Джеймса Прескотта Джоуля по взаимозаменяемости механических элементов. химическая, термическая и электрическая формы работы - сформулировать первый закон.

Кельвин и Клаузиус также сформулировали второй закон термодинамики , который первоначально был сформулирован в терминах того факта, что тепло не перетекает самопроизвольно от более холодного тела к более горячему. Вскоре последовали и другие формулировки (например, второй закон был изложен во влиятельной работе Томсона и Питера Гатри Тейт « Трактат о естественной философии» ), и Кельвин, в частности, понял некоторые общие значения закона. Второй закон заключался в том, что идея о том, что газы состоят из движущихся молекул, подробно обсуждалась Даниэлем Бернулли в 1738 году, но потеряла популярность и была возрождена Клаузиусом в 1857 году. В 1850 году Ипполит Физо и Леон Фуко измерили скорость света в воде и обнаруживаем, что она медленнее, чем в воздухе, в поддержку волновой модели света. В 1852 году Джоуль и Томсон продемонстрировали, что быстро расширяющийся газ охлаждается, что позже было названо эффектом Джоуля-Томсона или эффектом Джоуля-Кельвина. Герман фон Гельмгольц выдвинул идею тепловой смерти Вселенной в 1854 году, в том же году, когда Клаузиус установил важность dQ / T ( теорема Клаузиуса ) (хотя он еще не назвал количество).

Статистическая механика (принципиально новый подход к науке)

В 1859 году Джеймс Клерк Максвелл открыл закон распределения молекулярных скоростей . Максвелл показал, что электрические и магнитные поля распространяются наружу от своего источника со скоростью, равной скорости света, и что свет является одним из нескольких видов электромагнитного излучения, отличающимся от других только частотой и длиной волны. В 1859 году Максвелл разработал математику распределения скоростей молекул газа. Волновая теория света была широко принята ко времени работы Максвелла по электромагнитному полю, и впоследствии изучение света, электричества и магнетизма было тесно связано. В 1864 году Джеймс Максвелл опубликовал свои статьи по динамической теории электромагнитного поля и заявил, что свет является электромагнитным явлением, в 1873 году в публикации Максвелла « Трактат об электричестве и магнетизме» . Эта работа опиралась на теоретические работы немецких теоретиков, таких как Карл Фридрих Гаусс и Вильгельм Вебер . Инкапсуляция тепла в движении частиц и добавление электромагнитных сил к ньютоновской динамике создали чрезвычайно надежную теоретическую основу для физических наблюдений.

Предсказание о том, что свет представляет собой передачу энергии в форме волны через « светоносный эфир », и кажущееся подтверждение этого предсказания с обнаружением электромагнитного излучения в 1888 году студентом Гельмгольца Генрихом Герцем было большим триумфом физической теории и повысило вероятность что вскоре могут быть разработаны даже более фундаментальные теории, основанные на этой области. Экспериментальное подтверждение теории Максвелла было предоставлено Герцем, который генерировал и обнаруживал электрические волны в 1886 году и проверял их свойства, в то же время предвещая их применение в радио, телевидении и других устройствах. В 1887 году Генрих Герц открыл фотоэлектрический эффект . Вскоре после этого начались исследования электромагнитных волн, и многие ученые и изобретатели проводили эксперименты над их свойствами. В середине и конце 1890-х годов Гульельмо Маркони разработал систему беспроводной телеграфии на основе радиоволн (см. Изобретение радио ).

Атомная теория вещества была снова предложена в начале 19 века химиком Джоном Дальтоном и стала одной из гипотез кинетико-молекулярной теории газов, разработанной Клаузиусом и Джеймсом Клерком Максвеллом для объяснения законов термодинамики.

Кинетическая теория , в свою очередь привело к революционным подходом к науке, статистическая механика на Людвига Больцмана (1844-1906) и Гиббс (1839-1903), которая изучает статистику микросостояний системы и статистики использует для определения состояния физической системы. Связав статистическую вероятность определенных состояний организации этих частиц с энергией этих состояний, Клаузиус переосмыслил диссипацию энергии как статистическую тенденцию перехода молекулярных конфигураций к все более вероятным, все более неорганизованным состояниям (придумав термин « энтропия » для описывают дезорганизацию государства). Статистическая и абсолютная интерпретации второго закона термодинамики создают спор, который продлится несколько десятилетий (приводя аргументы, такие как « демон Максвелла »), и который не будет считаться окончательно разрешенным до тех пор, пока не будет твердо установлено поведение атомов. в начале 20 века. В 1902 году Джеймс Джинс обнаружил масштаб длины, необходимый для роста гравитационных возмущений в статической почти однородной среде.

Прочие разработки

В 1822 году ботаник Роберт Браун обнаружил броуновское движение : пыльцевые зерна в воде претерпевают движение в результате их бомбардировки быстро движущимися атомами или молекулами жидкости.

В 1834 году Карл Якоби открыл свои равномерно вращающиеся самогравитирующие эллипсоиды ( эллипсоид Якоби ).

В 1834 году Джон Рассел наблюдал нераспадающуюся уединенную водную волну ( солитон ) в Юнион-канале около Эдинбурга и использовал резервуар для воды для изучения зависимости скорости одиночной водной волны от амплитуды волны и глубины воды. В 1835 году Гаспар Кориолис теоретически исследовал механическую эффективность водяных колес и вывел эффект Кориолиса . В 1842 году Кристиан Доплер предложил эффект Доплера .

В 1851 году Леон Фуко показал вращение Земли с помощью огромного маятника ( маятник Фуко ).

В первой половине века в механике сплошных сред были достигнуты важные успехи , а именно формулировка законов упругости для твердых тел и открытие уравнений Навье – Стокса для жидкостей.

ХХ век: рождение современной физики

В конце 19 века физика достигла точки, когда классическая механика могла справляться с очень сложными проблемами, связанными с макроскопическими ситуациями; термодинамика и кинетическая теория были хорошо установлены; геометрическую и физическую оптику можно понять в терминах электромагнитных волн; и законы сохранения энергии и импульса (и массы) были широко приняты. Эти и другие достижения были настолько глубокими, что было общепризнано, что все важные законы физики были открыты и что отныне исследования будут направлены на выяснение мелких проблем и, в частности, на улучшение методов и измерений. Однако примерно в 1900 году возникли серьезные сомнения в полноте классических теорий - например, триумф теорий Максвелла был подорван из-за уже начавших проявляться неадекватностей - и их неспособности объяснить определенные физические явления, такие как распределение энергии в излучение черного тела и фотоэлектрический эффект , тогда как некоторые теоретические формулировки приводили к парадоксам, когда доводились до предела. Выдающиеся физики, такие как Хендрик Лоренц , Эмиль Кон , Эрнст Вихерт и Вильгельм Вин, считали, что некоторая модификация уравнений Максвелла может стать основой всех физических законов. Эти недостатки классической физики никогда не были устранены, и требовались новые идеи. В начале 20 века в мире физики произошла крупная революция, которая привела к новой эре, которую обычно называют современной физикой .

Радиационные эксперименты

В 19 веке экспериментаторы начали обнаруживать неожиданные формы излучения: Вильгельм Рентген произвел сенсацию своим открытием рентгеновских лучей в 1895 году; в 1896 году Анри Беккерель обнаружил, что определенные виды материи сами по себе испускают излучение. В 1897 году Дж. Дж. Томсон открыл электрон , и новые радиоактивные элементы, обнаруженные Мари и Пьером Кюри, подняли вопросы о якобы неразрушаемом атоме и природе материи. Мари и Пьер придумали термин « радиоактивность », чтобы описать это свойство материи, и выделили радиоактивные элементы радий и полоний . Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди идентифицировали две формы излучения Беккереля с электронами и элементом гелий . Резерфорд идентифицировал и назвал два типа радиоактивности и в 1911 году интерпретировал экспериментальные данные как показывающие, что атом состоит из плотного положительно заряженного ядра, окруженного отрицательно заряженными электронами. Однако классическая теория предсказывала, что эта структура должна быть нестабильной. Классическая теория также не смогла успешно объяснить два других экспериментальных результата, появившихся в конце 19 века. Одним из них была демонстрация Альберта А. Майкельсона и Эдварда В. Морли, известная как эксперимент Майкельсона-Морли, которая показала, что, по-видимому, не существует предпочтительной системы отсчета, в покое относительно гипотетического светоносного эфира , для описание электромагнитных явлений. Исследования излучения и радиоактивного распада по- прежнему является выдающимся фокусом для физических и химических исследований через 1930 - х годов, когда открытие ядерного деления на Лизе Мейтнер и Отто Фриш открыл путь к практической эксплуатации , что стали называть «атомной» энергии .

Теория относительности Альберта Эйнштейна

В 1905 году 26-летний немецкий физик по имени Альберт Эйнштейн (тогда работавший патентным служащим в Берне , Швейцария) показал, как на измерения времени и пространства влияет движение между наблюдателем и тем, что наблюдается. Радикальная теория относительности Эйнштейна произвела революцию в науке. Хотя Эйнштейн внес много других важных вкладов в науку, сама по себе теория относительности представляет собой одно из величайших интеллектуальных достижений всех времен. Хотя концепция относительности не была введена Эйнштейном, его главным вкладом было признание того, что скорость света в вакууме постоянна, то есть одинакова для всех наблюдателей, и является абсолютной физической границей для движения. Это не влияет на повседневную жизнь человека, поскольку большинство объектов движутся со скоростью, намного меньшей, чем скорость света. Однако для объектов, движущихся со скоростью, близкой к скорости света, теория относительности показывает, что часы, связанные с этими объектами, будут идти медленнее, а длина объектов укорачивается в соответствии с измерениями наблюдателя на Земле. Эйнштейн также вывел знаменитое уравнение E = mc ² , которое выражает эквивалентность массы и энергии .

Специальная теория относительности

Эйнштейн утверждал, что скорость света постоянна во всех инерциальных системах отсчета и что законы электромагнетизма должны оставаться в силе независимо от системы отсчета - утверждения, которые делали эфир «излишним» для физической теории и что наблюдения времени и длины изменялись относительно к тому, как наблюдатель двигался по отношению к измеряемому объекту (то, что стало называться « специальной теорией относительности »). Из этого также следовало, что масса и энергия были взаимозаменяемыми величинами в соответствии с уравнением E = mc ² . В другой статье, опубликованной в том же году, Эйнштейн утверждал, что электромагнитное излучение передается в дискретных количествах (« квантах ») в соответствии с константой, которую физик-теоретик Макс Планк установил в 1900 году, чтобы прийти к точной теории распределения излучения абсолютно черного тела. - предположение, объясняющее странные свойства фотоэффекта .

Специальная теория относительности - это формулировка взаимосвязи между физическими наблюдениями и концепциями пространства и времени. Теория возникла из противоречий между электромагнетизмом и механикой Ньютона и оказала большое влияние на обе эти области. Первоначальный исторический вопрос заключался в том, имеет ли смысл обсуждать переносящий электромагнитные волны «эфир» и движение относительно него, а также можно ли обнаружить такое движение, как это было безуспешно предпринято в эксперименте Майкельсона-Морли. Эйнштейн опроверг эти вопросы и концепцию эфира в своей специальной теории относительности. Однако его основная формулировка не включает детальную электромагнитную теорию. Возникает вне вопроса: «Что такое время?» Ньютон в « Началах» (1686 г.) дал однозначный ответ: «Абсолютное, истинное и математическое время само по себе и из своей собственной природы течет равномерно, независимо от чего-либо внешнего, и по другому имени называется длительностью». Это определение лежит в основе всей классической физики.

У Эйнштейна хватило гениальности поставить под сомнение ее и оказалось, что она неполная. Вместо этого каждый «наблюдатель» обязательно использует свою собственную шкалу времени, а для двух наблюдателей, находящихся в относительном движении, их шкалы времени будут разными. Это вызывает связанный эффект на измерения положения. Пространство и время становятся взаимосвязанными понятиями, фундаментально зависимыми от наблюдателя. Каждый наблюдатель руководит своей собственной пространственно-временной структурой или системой координат. При отсутствии абсолютной системы отсчета все наблюдатели данных событий проводят разные, но одинаково достоверные (и согласованные) измерения. Абсолютным остается постулат относительности Эйнштейна: «Основные законы физики идентичны для двух наблюдателей, имеющих постоянную относительную скорость по отношению друг к другу».

Специальная теория относительности оказала глубокое влияние на физику: начавшись как переосмысление теории электромагнетизма, она обнаружила новый закон симметрии природы, теперь называемый симметрией Пуанкаре , который заменил старую симметрию Галилея .

Специальная теория относительности оказала еще одно длительное влияние на динамику . Хотя первоначально ему приписывали «объединение массы и энергии», стало очевидно, что релятивистская динамика установила четкое различие между массой покоя , которая является инвариантным (независимым от наблюдателя) свойством частицы или системы частиц, и энергией и импульс системы. Последние два отдельно сохраняются во всех ситуациях , но не инвариантна относительно разных наблюдателей. Термин « масса» в физике элементарных частиц претерпел семантическое изменение , и с конца 20 века он почти исключительно означает остальную (или инвариантную ) массу .

Общая теория относительности

К 1916 году Эйнштейн смог еще больше обобщить это, имея дело со всеми состояниями движения, включая неоднородное ускорение, что стало общей теорией относительности. В этой теории Эйнштейн также определил новую концепцию кривизны пространства-времени, которая описывает гравитационный эффект в каждой точке пространства. Фактически, искривление пространства-времени полностью заменило универсальный закон всемирного тяготения Ньютона. Согласно Эйнштейну, гравитационная сила в обычном смысле слова - это своего рода иллюзия, вызванная геометрией пространства. Наличие массы вызывает искривление пространства-времени в непосредственной близости от массы, и эта кривизна диктует пространственно-временной путь, по которому должны следовать все свободно движущиеся объекты. Из этой теории также было предсказано, что свет должен быть подвержен гравитации - все это было подтверждено экспериментально. Этот аспект теории относительности объяснил феномен огибания света вокруг Солнца, предсказал черные дыры, а также свойства космического микроволнового фонового излучения - открытие, отражающее фундаментальные аномалии в классической гипотезе устойчивого состояния. За свои работы по теории относительности, фотоэлектрическому эффекту и излучению черного тела Эйнштейн получил Нобелевскую премию в 1921 году.

Постепенное принятие теорий относительности Эйнштейна и квантованной природы светопропускания, а также модели атома Нильса Бора создало столько же проблем, сколько и решило, что привело к полномасштабным усилиям по восстановлению физики на новых фундаментальных принципах. Распространяя теорию относительности на случаи ускоряющихся систем отсчета (« общая теория относительности ») в 1910-х годах, Эйнштейн постулировал эквивалентность инерционной силы ускорения и силы тяжести, что привело к выводу, что пространство искривлено и имеет конечные размеры. и предсказание таких явлений, как гравитационное линзирование и искажение времени в гравитационных полях.

Квантовая механика

Хотя теория относительности разрешила конфликт электромагнитных явлений, продемонстрированный Майкельсоном и Морли, второй теоретической проблемой было объяснение распределения электромагнитного излучения, испускаемого черным телом ; Эксперимент показал, что на более коротких волнах, ближе к ультрафиолетовому краю спектра, энергия приближалась к нулю, но классическая теория предсказывала, что она должна стать бесконечной. Это вопиющее противоречие, известное как ультрафиолетовая катастрофа , было разрешено новой теорией квантовой механики . Квантовая механика - это теория атомов и субатомных систем. Примерно первые 30 лет ХХ века представляют собой время зарождения и развития теории. Основные идеи квантовой теории были введены в 1900 году Максом Планком (1858–1947), который был удостоен Нобелевской премии по физике в 1918 году за открытие количественной природы энергии. Квантовая теория (которая ранее полагалась на «соответствие» в больших масштабах между квантованным миром атома и непрерывностью « классического » мира) была принята, когда эффект Комптона установил, что свет несет импульс и может рассеиваться частицами, и когда Луи де Бройль утверждал, что материю можно рассматривать как волну во многом так же, как электромагнитные волны ведут себя как частицы ( дуальность волна-частица ).

В 1905 году Эйнштейн использовал квантовую теорию для объяснения фотоэлектрического эффекта, а в 1913 году датский физик Нильс Бор использовал ту же константу для объяснения стабильности атома Резерфорда, а также частот света, излучаемого газообразным водородом. Квантованная теория атома уступила место полномасштабной квантовой механике в 1920-х годах. Новые принципы «квант» , а не «классической» механикой, сформулированные в матричном-форме путем Вернер Гейзенберг , Макс Борн и Паскуаль Иордан в 1925 году, были основаны на вероятностной взаимосвязи между дискретными «состояниями» и отрицает возможность причинно - следственной связи . Квантовая механика была широко развита Гейзенбергом, Вольфгангом Паули , Полем Дираком и Эрвином Шредингером , которые в 1926 году создали эквивалентную теорию, основанную на волнах; но « принцип неопределенности » Гейзенберга 1927 г. (указывающий на невозможность точного и одновременного измерения положения и импульса ) и « копенгагенская интерпретация » квантовой механики (названной в честь родного города Бора) продолжали отрицать возможность фундаментальной причинности, хотя противники, такие как Эйнштейн метафорически утверждал бы, что «Бог не играет в кости со вселенной». Новая квантовая механика стала незаменимым инструментом в исследовании и объяснении явлений на атомном уровне. Также в 1920-х годах работа индийского ученого Сатьендра Нат Бозе по фотонам и квантовой механике послужила основой для статистики Бозе – Эйнштейна , теории конденсата Бозе – Эйнштейна .

Теорема спин-статистики установила, что любая частица в квантовой механике может быть либо бозоном (статистически Бозе – Эйнштейна), либо фермионом (статистически Ферми – Дирака ). Позже было обнаружено, что все фундаментальные бозоны передают силы, такие как фотон, передающий электромагнетизм.

Фермионы - это частицы, «подобные электронам и нуклонам», и обычные составляющие вещества . Позже статистика Ферми-Дирака нашла множество других применений, от астрофизики (см. Вырожденная материя ) до дизайна полупроводников .

Современная физика и физика элементарных частиц

Квантовая теория поля

По мере того как философски настроенные люди продолжали спорить о фундаментальной природе Вселенной, квантовые теории продолжали создаваться, начиная с формулировки релятивистской квантовой теории Полом Дираком в 1928 году. Однако попытки квантовать электромагнитную теорию полностью были заблокированы в течение 1930-х годов из-за теоретические формулировки, дающие бесконечные энергии. Эта ситуация не считалась адекватно разрешенной до окончания Второй мировой войны , когда Джулиан Швингер , Ричард Фейнман и Син-Итиро Томонага независимо друг от друга постулировали технику перенормировки , которая позволила создать надежную квантовую электродинамику (КЭД).

Между тем, новые теории элементарных частиц распространились с появлением идеи квантования полей посредством « обменных сил », регулируемых обменом короткоживущих «виртуальных» частиц , которым было позволено существовать в соответствии с законами, регулирующими присущие неопределенности. в квантовом мире. Примечательно, что Хидеки Юкава предположил, что положительные заряды ядра удерживаются вместе благодаря мощной, но короткодействующей силе, опосредованной частицей с массой между электроном и протоном . Эта частица, « пион », была идентифицирована в 1947 году как часть того, что стало множеством частиц, обнаруженных после Второй мировой войны. Первоначально такие частицы были обнаружены как ионизирующее излучение, оставленное космическими лучами , но все чаще стали производиться в более новых и более мощных ускорителях частиц .

За пределами физики элементарных частиц значительными достижениями того времени были:

• изобретение лазера ( Нобелевская премия по физике 1964 г. );
• теоретическое и экспериментальное исследование сверхпроводимости , особенно выдумка квантовой теории сверхпроводимости от Виталия Гинзбурга и Лев Ландау (1962 г. Нобелевской премии по физике), а затем и его объяснение с помощью куперовских пар (1972 Нобелевской премии по физике). Пара Купера была ранним примером квазичастиц .

Единые теории поля

Эйнштейн считал, что все фундаментальные взаимодействия в природе можно объяснить с помощью единой теории. Единые теории поля были многочисленными попытками «слить» несколько взаимодействий. Одна из многих формулировок таких теорий (как и теорий поля в целом) - это калибровочная теория , обобщение идеи симметрии. В конце концов Стандартной модели (см. Ниже) удалось объединить сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия. Все попытки объединить гравитацию с чем-то еще не увенчались успехом.

Стандартная модель

Когда Чиен-Шиунг Ву в своем эксперименте нарушила четность в слабых взаимодействиях, впоследствии была сделана серия открытий. Взаимодействие этих частиц посредством рассеяния и распада стало ключом к новым фундаментальным квантовым теориям. Мюррей Гелл-Манн и Юваль Нееман привели в порядок эти новые частицы, классифицируя их по определенным качествам, начиная с того, что Гелл-Манн назвал « Восьмеричным путем ». В то время как его дальнейшее развитие, кварковая модель , сначала казалось неадекватным для описания сильных ядерных взаимодействий , что привело к временному росту конкурирующих теорий, таких как S-матрица , создание квантовой хромодинамики в 1970-х годах завершило набор фундаментальных и обменных частиц. который позволил создать « стандартную модель », основанную на математике калибровочной инвариантности , которая успешно описала все силы, кроме гравитации , и которая остается общепринятой в своей области применения.

Стандартная модель, основанная на теории Янга-Миллса группах электрослабого взаимодействия теория и квантовая хромодинамика в структуру , обозначенном в калибровочной группой SU (3) × SU (2) × U (1). Формулировка объединения электромагнитного и слабого взаимодействий в стандартной модели принадлежит Абдусу Саламу , Стивену Вайнбергу и, впоследствии, Шелдону Глэшоу . Позже теория электрослабого взаимодействия была подтверждена экспериментально (наблюдением слабых нейтральных токов ) и отмечена Нобелевской премией по физике 1979 года .

С 1970-х годов физика фундаментальных элементарных частиц дала возможность проникнуть в суть космологии ранней Вселенной , особенно теории Большого взрыва, предложенной как следствие общей теории относительности Эйнштейна . Однако, начиная с 1990-х годов, астрономические наблюдения также поставили новые задачи, такие как необходимость новых объяснений галактической стабильности (« темная материя ») и видимого ускорения расширения Вселенной (« темная энергия »).

Хотя ускорители подтвердили большинство аспектов Стандартной модели, обнаружив ожидаемые взаимодействия частиц при различных энергиях столкновения, до сих пор не найдено теории, согласовывающей общую теорию относительности со Стандартной моделью, хотя многие теоретики считали суперсимметрию и теорию струн многообещающим направлением вперед. . Однако Большой адронный коллайдер , который начал работать в 2008 году, не смог найти никаких доказательств, подтверждающих суперсимметрию и теорию струн.

Космология

Можно сказать, что космология стала серьезным вопросом исследования после публикации общей теории относительности Эйнштейна в 1915 году, хотя она не вошла в научный мейнстрим до периода, известного как « золотой век общей теории относительности ».

Примерно десять лет спустя, в разгар того, что было названо « Великой дискуссией », Хаббл и Слайфер открыли расширение Вселенной в 1920-х годах, измеряя красные смещения доплеровских спектров галактических туманностей. Используя общую теорию относительности Эйнштейна, Лемэтр и Гамов сформулировали то, что впоследствии стало известно как теория большого взрыва . Соперник, названный теорией устойчивого состояния, был разработан Хойлом , Голдом , Нарликаром и Бонди .

Космическое фоновое излучение было подтверждено в 1960-х годах Пензиасом и Вильсоном , и это открытие способствовало большому взрыву за счет сценария устойчивого состояния. Более поздняя работа была проведена Smoot et al. (1989), среди других авторов, используя данные спутников Cosmic Background explorer (CoBE) и Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), которые уточнили эти наблюдения. В 1980 - е годы (то же самое десятилетие измерений COBE) также видел предложение теории инфляции по Алан Гут .

В последнее время проблемы темной материи и темной энергии вышли на первое место в повестке дня космологии.

бозон Хиггса

4 июля 2012 года физики, работающие на Большом адронном коллайдере ЦЕРНа, объявили, что они открыли новую субатомную частицу, очень похожую на бозон Хиггса , что является потенциальным ключом к пониманию того, почему элементарные частицы имеют массу, а также к существованию разнообразия и жизни в Вселенная. На данный момент некоторые физики называют это частицей, похожей на Хиггса. Джо Incandela , из Калифорнийского университета в Санта - Барбаре , сказал: «Это то , что может, в конце концов, один из самых больших наблюдений новых явлений в нашей области за последние 30 или 40 лет, идя путь назад к открытие кварков , например ". Майкл Тернер , космолог из Чикагского университета и председатель правления физического центра, сказал:

« Это важный момент для физики элементарных частиц и перекресток - станет ли это высшей точкой или первым из многих открытий, которые укажут нам на решение действительно серьезных вопросов, которые мы поставили? »

-  Майкл Тернер , Чикагский университет

Питер Хиггс был одним из шести физиков, работающих в трех независимых группах, которые в 1964 году изобрели понятие поля Хиггса («космической патоки»). Другими были Том Киббл из Имперского колледжа в Лондоне ; Карл Хаген из Университета Рочестера ; Джеральд Гуральник из Университета Брауна ; и Франсуа Энглер и Браут , оба Université Libre де Брюссель .

Хотя поля типа Хиггса никогда не наблюдались, они играют важную роль в теориях Вселенной и теории струн. При определенных условиях, согласно странному объяснению эйнштейновской физики, они могут наполниться энергией, создающей антигравитационную силу. Такие поля были предложены в качестве источника огромного всплеска расширения, известного как инфляция, на раннем этапе развития Вселенной и, возможно, в качестве секрета темной энергии, которая теперь, кажется, ускоряет расширение Вселенной.

Физические науки

С ростом доступности и развития передовых аналитических методов в 19 веке, физика определялась этими методами в большей степени, если не в большей степени, чем поиском универсальных принципов движения и энергии, а также фундаментальной природы материи . Поля , такие как акустика , геофизика , астрофизика , аэродинамики , физика плазмы , физика низких температур и физики твердого тело соединены оптики , динамики жидкости , электромагнетизм и механика как области физических исследований. В 20-м веке физика также стала тесно связана с такими областями, как электротехника , аэрокосмическая промышленность и инженерия материалов , и физики начали работать в государственных и промышленных лабораториях не меньше, чем в академических учреждениях. После Второй мировой войны численность физиков резко увеличилась и сосредоточилась в Соединенных Штатах, в то время как в последние десятилетия физика стала более международным занятием, чем когда-либо в ее предыдущей истории.

Публикации по семенной физике

Смотрите также

Примечания

использованная литература

Источники

дальнейшее чтение

• Бухвальд, Джед З. и Роберт Фокс, ред. Оксфордский справочник по истории физики (2014) 976pp; выдержка
• Байерс, Нина; Уильямс, Гэри (2006). Из тени: вклад женщин двадцатого века в физику . Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-82197-5.
• Кроппер, Уильям Х. (2004). Великие физики: жизнь и времена ведущих физиков от Галилея до Хокинга . Издательство Оксфордского университета. ISBN 0-19-517324-4.
• Дорогой, Питер (2001). Революция в науке: европейское знание и его амбиции, 1500–1700 гг . Принстон: Издательство Принстонского университета. ISBN 0-691-08859-4. OCLC  46622656 ..
• Гамов, Джордж (1988). Великие физики от Галилея до Эйнштейна . Dover Publications. ISBN 0-486-25767-3.
• Хейлброн, Джон Л. (2005). Оксфордское руководство по истории физики и астрономии . Издательство Оксфордского университета. ISBN 0-19-517198-5.
• Най, Мэри Джо (1996). Перед большой наукой: стремление к современной химии и физике, 1800–1940 гг . Нью-Йорк: Туэйн. ISBN 0-8057-9512-X. OCLC  185866968 ..
• Сегре, Эмилио (1984). От падающих тел до радиоволн: классические физики и их открытия . Нью-Йорк: WH Freeman. ISBN 0-7167-1482-5. OCLC  9943504 ..
• Сегре, Эмилио (1980). От рентгеновских лучей до кварков: современные физики и их открытия . Сан-Франциско: WH Freeman. ISBN 0-7167-1147-8. OCLC  237246197 ..
• Уивер, Джефферсон Х. (редактор) (1987). Мир физики . Саймон и Шустер. ISBN 0-671-49931-9.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов ( ссылка )Подборка из 56 статей, написанных физиками. Комментарии и заметки Ллойда Моца и Дейла Макаду.
• де Хаас, Поль, "Исторические труды по физике (20 век)"

внешние ссылки

• «Избранные произведения об Исааке Ньютоне и его мысли» из проекта «Ньютон» .