История физики

А Колыбель Ньютона , названный в честь физика Исаака Ньютона

Физика - это отрасль науки , основными объектами изучения которой являются материя и энергия . Открытия физики находят применение в естественных науках и технологиях , поскольку материя и энергия являются основными составляющими мира природы. Некоторые другие области исследования - более ограниченные по своему охвату - могут считаться отраслями, которые отделились от физики и стали самостоятельными науками. Сегодняшнюю физику можно условно разделить на классическую физику и современную физику .

Древняя история [ править ]

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 . Античная философия , тем временем - в том числе и то , что называется « физика » - сосредоточено на объяснение природы через идею , такие как Аристотель «s четыре типа„причина“ .

Древняя Греция [ править ]

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. ^[1] 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 первое зарегистрированноекосмологии . Анаксимандр , известный своей прото эволюционной теории, оспариваются идеи Фалеса и предложил , что вместо воды, 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. ^{[ необходима цитата ]} Ранний физик Левкипп (эт. первая половина V века до н.э.) категорически противостоял идее прямого божественного вмешательства во вселенную, предполагая вместо этого, что природные явления имеют естественную причину. Левкипп и его ученик Демокрит были первыми, кто разработал теорию атомизма , идею о том, что все целиком состоит из различных нетленных, неделимых элементов, называемых атомами .

В классическом период в Греции (шестой, пятый 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. ^{[ необходима цитата ]} Сочинения Аристотеля охватывают физику, метафизику , поэзию , театр , музыку, логика , риторика , лингвистика , политика , правительство , этика , биология и зоология . 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 взаимопревращению и перемещаться к своему естественному месту, поэтому камень падает вниз к центру космоса, а пламя поднимается вверх по 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, чтоЗемля вращалась вокруг собственной оси , которая, в свою очередь, вращалась вокруг Солнца. Хотя аргументы, которые он использовал, были потеряны, Плутарх заявил, что Селевк был первым, кто доказал гелиоцентрическую систему с помощью рассуждений.

В III веке до нашей эры греческий математик Архимед Сиракузский ( греч . Ἀρχιμήδης (287–212 гг. До н.э.), который обычно считался величайшим математиком древности и одним из величайших математиков всех времен, заложил основы гидростатики , статики и вычислений). 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 в Первой Пунической войне. Архимед даже разорвал аргументы Аристотеля и его метафизики, указав, что невозможно разделить математику и природу, и доказал это, превратив математические теории в практические изобретения. Кроме того, в своей работе « О плавучих телах» около 250 г. до н.э. Архимед разработал закон плавучести , также известный как принцип Архимеда . В математике Архимед использовал метод исчерпания 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 объемовповерхностей вращения и гениальной системы 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 какАльмагест (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 представляют собой «не более чем конспекты лекций» ^{[ по словам кого? ]} .

Индия и Китай [ править ]

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. ^[2], хотя некоторые авторы относят его к VI веку до н. Э. ^{[3] [4]} Далее он был разработан буддийскими атомистами Дхармакирти и Дигнагой в 1-м тысячелетии нашей эры. ^[5] Пакудха Каччаяна , индийский философ VI века до н.э. и современник Гаутамы Будды., также выдвинул 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 Долины Дьявола ), ^[6] Основным участником этой области был Шен Куо (1031–1095), эрудит и государственный деятель, который первым описал компас с магнитной стрелкой, который также использовался для навигации. как установление концепции истинного севера . В области оптики Шен Куо независимо разработал камеру-обскуру . ^[7]

Исламский мир [ править ]

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 . ^[8] Важный вклад был сделан Ибн аль- Хайтамом (965–1040), арабским ученым, который считается основателем 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 . ^[9]

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. ^{[10] [11]} Самый ранний методический подход к экспериментам в современном смысле виден в работах Ибн аль-Хайсама, который представил индуктивно-экспериментальный метод для достижения результатов. ^[12] Бируни представил ранние научные методы для нескольких различных областей исследований в течение 1020–1030-х годов ^[13], включая ранний экспериментальный метод для механики . ^{[заметка 2]}Методология Бируни напоминала современный научный метод, особенно в том, что он делал упор на повторное экспериментирование. ^[14]

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 достоинство, которое ослабнет даже в вакууме. Он считал это постоянным, требующим внешних сил, таких как сопротивление воздуха, чтобы рассеять его. ^{[15] [16] [17]}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. ^[15] Эта идея, которая расходилась с аристотелевской точкой зрения, позже была описана как « импульс ».от Джона Буридана, на которого повлияла Книга исцеления Ибн Сины . ^[18]

Омар Хайям (1048–1131), персидский ученый, вычислил продолжительность солнечного года и уступил лишь долю секунды по сравнению с нашими современными расчетами. Он использовал это, чтобы составить календарь, который считается более точным, чем григорианский календарь , появившийся 500 лет спустя. ^{[ необходима цитата ]} Он классифицируется как один из первых великих научных коммуникаторов в мире, сказал, например, что убедил суфийского богослова в том, что мир вращается вокруг своей оси. ^{[ необходима цитата ]}

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. ^[19] Он также предложил объяснение ускорения падающих тел накоплением последовательных приращений мощности с последовательными приращениями скорости . ^[20] По словам Шломо Пайнса., теория движения аль-Багдаади была «старейшим отрицанием фундаментального закона динамики Аристотеля [а именно, что постоянная сила производит равномерное движение], [и, таким образом,] смутным предвосхищением фундаментального закона классической механики [а именно , что сила, приложенная непрерывно, вызывает ускорение] ". ^[21] Жан Буридан и Альберт Саксонские позже ссылались на Абу-л-Бараката, объясняя, что ускорение падающего тела является результатом его возрастающего импульса. ^[19]

Ибн Баджах (ок. 1085–1138), известный в Европе как «Авемпейс», предположил, что для каждой силы всегда есть сила противодействия . Хотя он не уточнил, что эти силы равны, это было предшественником третьего закона движения Ньютона, который гласил, что для каждого действия существует равное и противоположное противодействие. ^[22] 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 . ^[23] Галилейдалее принял формулу Авемпаса, «что скорость данного объекта - это разница между движущей силой этого объекта и сопротивлением движущейся среды». ^[23]

Насир ад-Дин ат-Туси (1201–1274), персидский астроном и математик, умерший в Багдаде, создал Сокровищницу астрономии , удивительно точную таблицу движения планет, которая реформировала существующую планетную модель римского астронома Птолемея, описав униформу круговое движение всех планет по их орбитам . Эта работа привела к более позднему открытию одним из его учеников, что планеты на самом деле имеют эллиптическую орбиту. ^[24] Коперник позже в значительной степени опирался на работы ад-Дина ат-Туси и его учеников, но без признания. ^[25] Постепенное разрушение системы Птолемея проложило путь к революционной идее о том, что Земля действительно вращается вокруг Солнца ( гелиоцентризм ).

Средневековая Европа [ править ]

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. ^[26]

Основанная на аристотелевской физике, схоластическая физика описывала вещи как движущиеся в соответствии с их сущностной природой. Небесные объекты описывались как движущиеся по кругу, потому что совершенное круговое движение считалось врожденным свойством объектов, которые существовали в неповрежденном царстве небесных сфер . Теория стимула , предок к понятиям инерции и импульса , был разработана по линии аналогичной по средневековым философам , такие 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. ^[27]

Научная революция [ править ]

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 [ править ]

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 теперь принято считать, положила начало современной астрономии, знаменуют начало научной революции. ^{[ необходима цитата ]} Новая перспектива Коперника, наряду с точными наблюдениями, сделанными Тихо Браге , позволила немецкому астроному Иоганну Кеплеру (1571–1630) сформулировать свои законы относительно движения планет которые остаются в употреблении сегодня.

Галилео Галилей [ править ]

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 оправдывает философский интерес, особенно потому, что математический анализ астрономических наблюдений - в частности, анализ относительных движений Коперника.Солнца, Земли, Луны и планет - указывало на то, что утверждения философов о природе Вселенной могут оказаться ошибочными. Галилей также проводил механические эксперименты, настаивая на том, что само движение - независимо от того, было ли оно создано «естественным» или «искусственным» (то есть 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 он остается неизменным 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 инициировал свои эксперименты по изучению 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 называетсяОтносительность Галилея , первое точно сформулированное утверждение о свойствах пространства и времени за пределами трехмерной геометрии . ^{[ необходима цитата ]}

Галилея называли «отцом современной наблюдательной астрономии » ^[28], «отцом современной физики » ^[29], «отцом науки» ^[29] и «отцом современной науки ». ^[30] По словам Стивена Хокинга , «Галилей, возможно, больше, чем любой другой человек, был ответственен за рождение современной науки». ^[31] Поскольку религиозная ортодоксия провозгласила геоцентрическое или тихоническое понимание Солнечной системы, поддержка Галилеем гелиоцентризма вызвала споры, и инквизиция судила его.. 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 у Медичи.корт. Таким образом, он должен был участвовать в дебатах с философами аристотелевской традиции и получил широкую 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 . ^{[32] [33]} 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 иФрэнсис Бэкон , за годы до и после смерти Галилея приобрел значительное число последователей, в том числе Евангелисту Торричелли и участников 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 [ править ]

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 сохранил человеческую мысль и Богаиз его схемы, считая, что они отделены от физической вселенной). Предлагая эту философскую основу, Декарт предположил, что разные виды движения, такие как движение планет по сравнению с движением земных объектов, не были принципиально разными, а были 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. ^{[34] [35] [36]}

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 окрестили «отцом современной философии», и многие последующие западные философыэто ответ на его сочинения, 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 [ править ]

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 резкий разрыв, который разжигался горячими, продолжающимися и злобно личными спорами между последователями Ньютона и Лейбница относительно приоритета аналитических методов исчисления над аналитическими методами., 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. ^{[37] [38] [39]}

Ньютон построил первый действующий телескоп-отражатель ^[40] 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 , изучилскорости 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 . ^[41] Что наиболее важно, Ньютон показал, что движения объектов на Земле и небесных тел регулируются одним и тем же набором естественных законов, которые не были ни капризными, ни злонамеренными. Демонстрируя согласованность между законами движения планет Кеплераи его собственная теория 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.

Другие достижения [ править ]

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.) иАкадемия наук во 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 (которые внесли свой 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 Бернуллипоказал, что циклоида - это решение проблемы таутохронов; 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 [ править ]

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 , гдеP - 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 веками позже. Поэтому в публикации Бойля 1660 года говорится о механической концепции: пневматической рессоре. ^[42] Позже, после изобретения термометра, температура свойства могла быть определена количественно. Этот инструмент дал Гей-Люссаку возможность вывести свой 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 клапан выпуска пара, 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 затемВатт Двигатель . 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, преобразовывая 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 .

События 18-го века [ править ]

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 [ править ]

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. ^[43] В 1733 году Даниэль Бернулли вывел основную частоту и гармоникиподвесной цепи путем решения дифференциального уравнения. В 1734 году Бернулли решил дифференциальное уравнение колебаний упругого стержня, зажатого на одном конце. Трактовка Бернулли о гидродинамике 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 упоминания божественного вмешательства - даже если детерминистические подходы к таким простым системам, как проблема трех тел в гравитации, оставались неразрешимыми. ^[44] В 1705 году Эдмонд Галлейпредсказал 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 даже свет не может выйти из него. от них.

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 свойTraite de Dynamique , в котором 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 принцип Даламбера , в качестве соперника второму закону Ньютона. движение. 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 и импульсом.и кинетическая энергия , и поддержка 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 [ править ]

В течение 18 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 в конце века идентифицировал газообразный кислород ). . 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 кактермометр . Эксперименты также привели к появлению новых концепций, таких как представление экспериментатора из Университета Глазго Джозефа Блэка о скрытой теплоте и филадельфийского интеллектуала Бенджамина Франклина , характеризующего электрическую жидкость как текущую между местами избытка и недостатка (концепция, позже переинтерпретированная в терминах положительного отрицательные заряды ). Франклин также показал, что молния - это электричество в 1752 году.

Общепринятая 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 теплоты, 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 усовершенствованной 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 ^{[45] [46] [47]} Джозеф Пристли.предложил электрический закон обратных квадратов в 1767 году, а Шарль-Огюстен де Кулон ввел закон обратных квадратов в электростатике в 1798 году.

В конце века члены Французской академии наук достигли явного господства в этой области. ^{[39] [48] [49] [50]} В то же время экспериментальная традиция, установленная Галилеем и его последователями, сохранилась. 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.в течение XVIII века четко не отличались друг от друга, 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. ^[51]

19 век [ править ]

Механика [ править ]

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 [ править ]

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 Фарадейпостроил 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 [ править ]

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, что было признано 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 формулировкипервый закон термодинамики - повторение закона сохранения энергии - который был заявлен 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 светав воде и обнаружил, что он 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) [ править ]

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 в 1888 году электромагнитного излучения студентом Гельмгольца Генрихом Герцем было большим триумфом для физической теории и повысило вероятность что вскоре могут быть разработаны даже более фундаментальные теории, основанные на этой области. ^{[52] [53] [54] [55]} 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 открылфотоэлектрический эффект . Вскоре после этого начались исследования электромагнитных волн, и многие ученые и изобретатели проводили эксперименты над их свойствами. В середине 1890 - х годов до конца Гульельмо Маркони разработал радиоволны на основе беспроводной телеграфии системы ^[56] (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 и все более дезорганизованным состояниям (придумав термин « энтропия»)."для описания дезорганизации состояния). Статистическая и абсолютная интерпретации второго закона термодинамики создают спор, который продлится несколько десятилетий (приводя аргументы, такие как" демон Максвелла "), и это не будет считаться окончательно решена, пока поведение атомов не было окончательно установлено в начале 20 века. ^{[57] [58]} В 1902 году Джеймс Джинс обнаружил масштаб длины, необходимый для роста гравитационных возмущений в статической почти однородной среде.

Другие события [ править ]

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.

20 век: рождение современной физики [ править ]

В конце XIX века физика достигла точки, в которой классическая механикамог справиться 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.например, распределение энергии визлучение 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 . ^[59]

Радиационные эксперименты [ править ]

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.- что показало, что, по-видимому, не существует предпочтительной системы отсчета, покоящейся по сравнению с гипотетическим светоносным эфиром , для описания 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 [ править ]

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 светав вакууме постоянна, т.е. 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 [ править ]

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 утверждали, что наблюдения времени и длины относительно изменяются. 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 (« кванты"), в соответствии с константой, которую физик-теоретик Макс Планк постулировал в 1900 году, чтобы прийти к точной теории распределения излучения черного тела, - предположению, которое объяснило странные свойства фотоэлектрического эффекта .

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 «эфир», несущий электромагнитные волны, 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 в себя детальную электромагнитную теорию. Возникает вне вопроса: «Что такое время?» Ньютон в Началах(1686) 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 продолжительностью». 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 долговременное 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 (не зависящим 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, а с конца 20 века он почти исключительно обозначает остальную (или инвариантную ) массу .

Общая теория относительности [ править ]

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 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 явления света, огибающего Солнце, предсказал черные дыры, а также свойстваКосмическое микроволновое фоновое излучение - открытие, обнаруживающее фундаментальные аномалии в классической гипотезе стационарного 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 [ править ]

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 атомови субатомные системы. 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 Бройльутверждал, 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 года (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». ^[60]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 [ править ]

Квантовая теория поля [ править ]

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 на протяжении 1930-х гг. 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).^[61]

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", был идентифицирован 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 . ^{[ 62]}

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 [ править ]

Эйнштейн считал, что все фундаментальные взаимодействия в природе можно объяснить с помощью единой теории. Единые теории поля были многочисленными попытками «слить» несколько взаимодействий. Одной из формулировок таких теорий (как и теорий поля в целом) является 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 [ править ]

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 , установление квантовой хромодинамикив 1970-х годах был разработан 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. . ^[60]

Стандартная модель группирует теорию электрослабого взаимодействия и квантовую хромодинамику в структуру, обозначаемую 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 . Теория электрослабого взаимодействия была позже подтверждена экспериментально (наблюдением слабых нейтральных токов ) ^{[63] [64] [65] [66]} и отмечена Нобелевской премией по физике 1979 года . ^[67]

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. ^[68]

Космология [ править ]

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 « Великой дискуссии », 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. Позднее работа 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 Гут .

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

Бозон Хиггса [ править ]

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. ^[69] На данный момент некоторые физики называют это частицей, похожей на Хиггса. ^[69] 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 вернемся, например, к открытию кварков ". ^[69] Майкл Тернер , космолог из Чикагского университета и председатель совета 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 ^[69]

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 . ^[69]

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. ^[69]

Физические науки [ править ]

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 механикакак области физических исследований. В 20-м веке физика также стала тесно связана с такими областями, как электрика , 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 [ править ]

См. Также [ править ]

Заметки [ править ]

Ссылки [ править ]

Источники [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• 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: extra text: authors list (link)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 [ править ]

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