Экспериментальная физика

Экспериментальная физика - это категория дисциплин и субдисциплин в области физики , которые связаны с наблюдением физических явлений и экспериментов . Методы варьируются от дисциплины к дисциплине, от простых экспериментов и наблюдений, таких как эксперимент Кавендиша , до более сложных, таких как Большой адронный коллайдер .

Обзор [ править ]

Лаборатория сэра Эрнеста Резерфорда, начало 20 века. (9660575343)

Экспериментальная физика объединяет все дисциплины физики, которые связаны со сбором данных, методами сбора данных, детальной концептуализацией (помимо простых мысленных экспериментов ) и реализацией лабораторных экспериментов. Его часто противопоставляют теоретической физике , которая больше занимается предсказанием и объяснением физического поведения природы, чем приобретением знаний о ней.

Хотя экспериментальная и теоретическая физика занимается различными аспектами природы, они обе преследуют одну и ту же цель понимания ее и имеют симбиотические отношения. Первый предоставляет данные о Вселенной, которые затем могут быть проанализированы, чтобы быть понятым, в то время как последний предоставляет объяснения данных и, таким образом, предлагает понимание того, как лучше получать данные и как проводить эксперименты. Теоретическая физика также может дать представление о том, какие данные необходимы, чтобы лучше понять Вселенную, и о том, какие эксперименты следует разработать для их получения.

История [ править ]

Как отдельная область, экспериментальная физика была создана в Европе раннего Нового времени , во время так называемой научной революции , такими физиками, как Галилео Галилей , Христиан Гюйгенс , Иоганн Кеплер , Блез Паскаль и сэр Исаак Ньютон . В начале 17 века Галилей широко использовал эксперименты для проверки физических теорий, что является ключевой идеей современного научного метода. Галилей сформулировал и успешно протестировал несколько результатов в динамике, в частности закон инерции , который позже стал первым законом в законах движения Ньютона . В двух новых науках Галилея, диалог между персонажами Симпличио и Сальвиати обсуждает движение корабля (как движущуюся рамку) и то, как груз этого корабля безразличен к его движению. Гюйгенс использовал движение лодки по голландскому каналу, чтобы проиллюстрировать раннюю форму сохранения количества движения .

Считается, что экспериментальная физика достигла своего апогея с публикацией сэром Исааком Ньютоном (1643–1727) « Философских естественных принципов математики» в 1687 году. В 1687 году Ньютон опубликовал « Начала» , в которых подробно описаны два исчерпывающих и успешных физических закона: законы движения Ньютона , из которых возникла классическая механика ; и закон Ньютона всемирного тяготения , который описывает фундаментальные силы в гравитации . Оба закона хорошо согласуются с экспериментом. Principia также включал в себя несколько теорий в гидродинамике .

С конца 17 века и далее термодинамика развивалась физиками и химиками Бойлем , Янгом и многими другими. В 1733 году Бернулли использовал статистические аргументы с классической механикой для получения термодинамических результатов, положив начало области статистической механики . В 1798 году Томпсон продемонстрировал преобразование механической работы в тепло, а в 1847 году Джоуль сформулировал закон сохранения энергии в форме тепла, а также механической энергии. Людвиг Больцман в девятнадцатом веке создал современную форму статистической механики .

Помимо классической механики и термодинамики, еще одной большой областью экспериментальных исследований в физике была природа электричества . Наблюдения 17-го и 18-го веков таких ученых, как Роберт Бойл , Стивен Грей и Бенджамин Франклин, создали основу для более поздних исследований. Эти наблюдения также установили наше базовое понимание электрического заряда и тока . К 1808 году Джон Дальтон обнаружил, что атомы разных элементов имеют разный вес, и предложил современную теорию атома .

Он был Эрстеды , который первый предложил связь между электричеством и магнетизмом после наблюдения отклонения стрелки компаса на близлежащий электрический ток. К началу 1830-х годов Майкл Фарадей продемонстрировал, что магнитные поля и электричество могут генерировать друг друга. В 1864 году Джеймс Клерк Максвелл представил Королевскому обществу набор уравнений, описывающих эту взаимосвязь между электричеством и магнетизмом. Уравнения Максвелла также правильно предсказали, что свет - это электромагнитная волна . Начиная с астрономии, принципы натурфилософии выкристаллизовались в фундаментальныезаконы физики, которые были сформулированы и усовершенствованы в последующие столетия. К 19-му веку науки разделились на несколько областей со специализированными исследователями, а область физики, хотя логически преобладала, больше не могла претендовать на единоличное владение всей областью научных исследований.

Текущие эксперименты [ править ]

Вот некоторые примеры известных проектов экспериментальной физики:

• Релятивистский коллайдер тяжелых ионов, который сталкивает тяжелые ионы, такие как ионы золота (это первый коллайдер тяжелых ионов) и протоны , расположен в Брукхейвенской национальной лаборатории на Лонг-Айленде, США.
• HERA , который сталкивается электроны или позитроны и протоны, и является частью DESY , расположенном в Гамбурге , Германия.
• LHC или Большой адронный коллайдер , строительство которого было завершено в 2008 году, но потерпело ряд неудач. LHC начал работу в 2008 году, но был закрыт на техническое обслуживание до лета 2009 года. По завершении строительства это самый мощный коллайдер в мире, он расположен в ЦЕРНе на французско-швейцарской границе недалеко от Женевы . Коллайдер заработал на полную мощность 29 марта 2010 года, на полтора года позже запланированного срока. ^[1]
• LIGO , обсерватория гравитационных волн с лазерным интерферометром, представляет собой крупномасштабный физический эксперимент и обсерваторию для обнаружения космических гравитационных волн и развития наблюдений за гравитационными волнами в качестве астрономического инструмента. В настоящее время существуют две обсерватории LIGO: обсерватория LIGO Livingston в Ливингстоне, штат Луизиана , и обсерватория LIGO Hanford около Ричленда , штат Вашингтон .
• JWST , или космический телескоп Джеймса Уэбба , планируется запустить в 2021 году. Он станет преемником космического телескопа Хаббла . Он будет обследовать небо в инфракрасном диапазоне. Основные цели JWST будут заключаться в том, чтобы понять начальные стадии Вселенной, формирование галактик, а также образование звезд и планет и происхождение жизни.

Метод [ править ]

Экспериментальная физика использует два основных метода экспериментальных исследований: контролируемые эксперименты и натурные эксперименты . Контролируемые эксперименты часто используются в лабораториях, поскольку лаборатории могут предложить контролируемую среду. Натуральные эксперименты используются, например, в астрофизике при наблюдении за небесными объектами, где контроль переменных фактически невозможен.

Знаменитые эксперименты [ править ]

Известные эксперименты включают:

Экспериментальные методы [ править ]

Некоторые известные экспериментальные методы включают:

Выдающиеся физики-экспериментаторы [ править ]

Среди известных физиков-экспериментаторов:

Хронология [ править ]

См. График ниже, чтобы увидеть списки физических экспериментов.

• Хронология атомной и субатомной физики
• Хронология классической механики
• Хронология электромагнетизма и классической оптики
• Хронология гравитационной физики и теории относительности
• Хронология ядерного синтеза
• Хронология открытий частиц
• Хронология технологии физики элементарных частиц
• Хронология состояний вещества и фазовых переходов
• Хронология термодинамики

См. Также [ править ]

• Физика
• Инженерное дело
• Экспериментальная наука
• Измерительный инструмент

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• Тейлор, Джон Р. (1987). Введение в анализ ошибок (2-е изд.) . Книги университетских наук. ISBN 978-0-935702-75-0.

Внешние ссылки [ править ]

• СМИ, связанные с экспериментальной физикой, на Викискладе?