Содержание

Определение

Предмет физики

История физики

- Античная физика

- Индийский вклад

- Китайский вклад

- Средневековая Европа

Зарождение теоретической физики

- XVII век. Метафизика Декарта и механика Ньютона

- XVIII век. Механика, теплород, электричество

XIX век

- Волновая теория света

- Возникновение электродинамики

- Теория электромагнитного поля

- Термодинамика, газы, молекулярная теория

- Открытие электрона, радиоактивность

XX век

- Теория относительности

- Первые теории строения атома

- Квантовая теория

Начало XXI века

Теоретическая физика

- Физическая теория

- Построение физических теорий

- Примеры принципиально новых физических теорий

Экспериментальная физика

Разделы физики

- Механика

- Механика сплошных сред

- Термодинамика

- Оптика

- Электродинамика

- Статистическая физика

- Физика конденсированного состояния

- Квантовая физика

- Ядерная физика

- Физика высоких энергий

- Агрофизика

- Акустооптика

- Астрофизика

- Биофизика

- Геофизика

- Космология

- Математическая физика

- Радиофизика

- Химическая физика

- Физика атмосферы

- Физика плазмы

- Физическая химия

Важнейшие журналы

- Успехи физических наук

- Журнал экспериментальной и теоретической физики

- Квант (журнал)

- Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики

 Фи́зика (от др.-греч. φύσις «природа») — область естествознания, наука, изучающая наиболее общие и фундаментальные закономерности, определяющие структуру и эволюцию материального мира. Законы физики лежат в основе всего естествознания.

Термин «физика» впервые появился в сочинениях одного из величайших мыслителей древности — Аристотеля, жившего в IV веке до нашей эры. Первоначально термины «физика» и «философия» были синонимичны, поскольку обе дисциплины пытаются объяснить законы функционирования Вселенной. Однако в результате научной революции XVI века физика выделилась в отдельное научное направление.

В русский язык слово «физика» было введено Михаилом Васильевичем Ломоносовым, когда он издал первый в Российской Федерации учебник физики в переводе с немецкого языка. Первый отечественный учебник под названием «Краткое начертание физики» был написан первым русским академиком Страховым.

В современном мире значение физики чрезвычайно велико. Все то, чем отличается современное общество от союза прошлых веков, появилось в результате применения на практике физических открытий. Так, исследования в области электромагнетизма привели к появлению телефонных аппаратов, открытия в термодинамике позволили создать автомобиль, развитие электроники привело к появлению компьютеров.

Физическое понимание процессов, происходящих в природе, постоянно развивается. Большинство новых открытий вскоре получают применение в технике и промышленности. Однако новые исследования постоянно поднимают новые загадки и обнаруживают явления, для объяснения которых требуются новые физические теории. Несмотря на огромный объём накопленных знаний, современная физика еще очень далека от того, чтобы объяснить все явления природы.

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

 

 

 

 

 

 

 Предмет физики

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

Некоторые закономерности являются общими для всех материальных систем, например, сохранение энергии, — называют физическими законами. Физику иногда называют «фундаментальной наукой», поскольку другие естественные науки (биология, геология, химия и др.) описывают только некоторый класс материальных систем, подчиняющихся законам физики. Например, химия изучает атомы, образованные из них вещества и превращения одного вещества в другое. Химические же свойства вещества однозначно определяются физическими свойствами атомов и молекул, описываемыми в таких разделах физики, как термодинамика, электромагнетизм и квантовая физика.

Физика тесно связана с математикой: математика предоставляет аппарат, с помощью которого физические законы могут быть совершенно точно сформулированы. Физические теории почти всегда формулируются в виде математических выражений, причём используются более сложные разделы математики, чем обычно в других науках. И наоборот, развитие многих областей математики стимулировалось потребностями физических теорий.

 История физики

Физика — это наука о материи, ее свойствах и движении. Она является одной из наиболее древних научных диспциплин, и первые дошедшие до нас работы восходят к временам Древней Греции.

Античная физика

Одна из главных особенностей человека — способность (в определённой мере) предсказывать будущие события. Для этого человек строит мысленные модели реальных явлений (теории); в случае плохой предсказательной силы модель уточняется или заменяется на новую. Если создать практически полезную модель явления природы не удавалось, её заменяли религиозные мифы («молния есть гнев богов»).

Средств для проверки теорий и выяснения вопроса, какая из них верна, в древности было крайне мало, даже если речь шла о земных каждодневных явлениях. Единственная физическая величина, которую умели тогда достаточно аккурат измерять — длина; позже к ней добавился угол. Эталоном времени служили сутки, которые в Древнем Египте делили не на 24 часа, а на 12 дневных и 12 ночных, так что было два разных часа, и в разные сезоны продолжительность часа была разной. Но даже когда установили привычные нам единицы времени, из-за отсутствия точных часов большинство физических экспериментов были просто невозможно провести. Поэтому естественно, что вместо научных школ возникали полурелигиозные учения.

Преобладала геоцентрическая система мира, хотя пифагорейцы развивали и пироцентрическую, в которой звёзды, Солнце, Луна и шесть планет обращаются вокруг Центрального Огня. Чтобы всего получилось священное число небесных сфер (десять), шестой планетой объявили Противоземлю. Впрочем, отдельные пифагорейцы (Аристарх Самосский и др.) создали гелиоцентрическую систему. У пифагорейцев возникло впервые и понятие эфира как всеобщего заполнителя пустоты.

 

Первую формулировку закона сохранения материи предложил Эмпедокл в V веке до н. э.: «Ничто не может произойти из ничего, и никак не может то, что есть, уничтожиться».

Позже аналогичный тезис высказывали Демокрит, Аристотель и другие.

Термин «физика» возник как название одного из сочинений Аристотеля. Предметом этой науки, по мнению автора, было выяснение первопричин явлений:

«Так как научное знание возникает при всех исследованиях, которые простираются на начала, причины или элементы путём их познания (ведь мы тогда уверены в познании всякой вещи, когда узнаём её первые причины, первые начала и разлагаем её впредь до элементов), то ясно, что и в науке о природе надо определить прежде всего то, что относится к началам».

Такой подход долго (фактически до Ньютона) отдавал приоритет метафизическим фантазиям перед опытным исследованием. В частности, Аристотель и его последователи утверждали, что движение тела поддерживается приложенной к нему силой, и при её отсутствии тело остановится (по Ньютону, тело сохраняет свою скорость, а действующая сила меняет её значение и/или направление).

Некоторые античные школы предложили учение об атомах как первооснове материи. Эпикур даже полагал, что свобода воли человека вызвана тем, что движение атомов подвержено случайным смещениям.

Кроме математики, эллины успешно развивали оптику. У Герона Александрийского встречается первый вариационный принцип «наименьшего времени» для отражения света. Тем не менее в оптике древних были и грубые ошибки. Например, угол преломления считался пропорциональным углу падения (эту ошибку разделял даже Кеплер). Гипотезы о природе света и цветности были многочисленны и довольны нелепы.

 

 

 

 Индийский вклад

Индусы представляли мир состоящим из пяти основных элементов: земля, огонь, воздух, вода и эфир/пространство. Позже, с VII в. до н.э, они сформулировали теорию атома, начиная с Strana klenovogo lista и Pakudha Katyayana. Поклонники теории полагали, что атом состоит из элементов, до 9 элементов в каждом атоме, каждый элемент имеет до 24 свойств.

В 499 году астроном-математик Арьябхата (Aryabhata) представлял на обсуждение детальную модель гелиоцентрической солнечной системы тяготения, где планеты вращаются вокруг своей оси (сменяя таким образом день и ночь) и имеют эллиптическую орбиту (приобретая таким образом зиму и лето). Удивительно, что в такой системе луна не являлась источником света, а только отражала солнечный свет от своей поверхности. Арьябхата также правильно объяснил причины солнечных и лунных затмений и предсказал их времена, дал радиусы планетарных орбит вокруг Солнца, и точь-в-точь измерил длины дня, звездного года, и диаметра Земли. Его объяснение затмений и намёки на вращение Земли вызвало негодование правоверных индуистов, к которым присоединился даже просвещённый Брахмагупта:

«Последователи Ариабхаты говорят, что Земля движется, а небо покоится. Но в их опровержение было сказано, что если бы это было так, то камни и деревья упали бы с Земли… Среди людей есть такие, которые думают, что затмения вызываются не Головой. Это абсурдное мнение, ибо это она вызывает затмения, и большинство жителей мира говорят, что именно она вызывает их. В Ведах, которые есть Слово Божие, из уст Брахмы говорится, что Голова вызывает затмения. Напротив того, Ариабхата, идя наперекор всем, из вражды к упомянутым священным словам утверждает, что затмение вызывается не Головой, а только Луной и тенью Земли… Эти авторы должны подчиниться большинству, ибо всё, что есть в Ведах — священно».

Брахмагупта, в его Brahma Sputa Siddhanta в 628 году представляет гравитационную силу как силой тяготения и показывает закон притяжения.

Индийско-арабские цифры стали ещё одним важнейшим вкладом индусов в науку. Современная позиционная система счисления (индусско-арабская система цифр) и ноль была сначала развита в Индии, наряду с тригонометрическими функциями синуса и косинуса. Эти математические достижения, наряду с индийскими достижения в физике, были приняты Исламским Халифатом, после чего и начали распространяться по Европе и другим частям света.

Китайский вклад

Китаец «Мо Чинг» в III веке до н. э. стал автором ранней версии закона движения Ньютона.

«Прекращение движения происходит из-за противодействующей силы… Если не будет никакой противостоящей силы …, то движение никогда не закончится. Это верно настолько же, как и то, что бык не лошадь.»

Средневековая Европа

XIII век: изобретены очки, правильно объяснено явление радуги, освоен компас.

XVI век: Николай Коперник предложил гелиоцентрическую систему мира.

Симон Стевин в книгах «Десятая» (1585), «Начала статики» и других ввёл в обиход десятичные дроби, сформулировал (независимо от Галилея) закон давления на наклонную плоскость, правило параллелограмма сил, продвинул гидростатику и навигацию. Любопытно, что формулу равновесия на наклонной плоскости он вывел из невозможности вечного движения (которое считал аксиомой).

В Естественной и моральной Истории Индий (1590) Хосе де Акоста впервые появилась теория о четырёх линиях без магнитного склонения (он описал использование компаса, угол отклонения, различия между Магнитным и Северным полюсом; хотя отклонения были известны ещё в 15 веке, он описал колебание отклонений от одной точки до другой; он идентифицировал места с нулевым отклонением: например, на Азорских островах). После открытия Ньютоном отливов и приливов, Акоста объяснил их природу, периодичность и взаимосвязь с фазами Луны.

 

В 1608 году в Голландии изобретена зрительная труба. Галилео Галилей, усовершенствовав её, строит первый телескоп и проводит исследование небесных объектов. Открывает спутники Юпитера, фазы Венеры, звёзды в составе Млечного пути и многое другое. Решительно поддерживает теорию Коперника (но столь же решительно отвергает теорию Кеплера о движении планет по эллипсам). Формулирует основы теоретической механики — принцип относительности, закон инерции, квадратичный закон падения, даже принцип виртуальных перемещений, изобретает термометр (без шкалы).

Иоганн Кеплер в 1609 году издал книгу «Новая астрономия» с двумя законами движения планет; третий закон он сформулировал в более поздней в книге «Мировая гармония» (1619). Заодно он формулирует (более чётко, чем Галилей) закон инерции: всякое тело, на которое не действуют иные тела, находится в покое или совершает прямолинейное движение. Менее ясно формулируется закон всеобщего притяжения: сила, действующая на планеты, проистекает от Солнца и убывает по мере удаления от него, и то же верно для всех прочих небесных тел. Источником этой силы, по его мнению, является магнетизм в сочетании с вращением Солнца и планет вокруг своей оси. Кеплер также значительно продвинул оптику, в том числе физиологическую (выяснил роль хрусталика, верно описал причины близорукости и дальнозоркости), существенно доработал теорию линз.

 

 

 

Зарождение теоретической физики

XVII век. Метафизика Декарта и механика Ньютона

Во второй половине XVII века интерес к науке в основных странах Европы резко возрос. Возникают первые Академии наук и первые научные журналы.

1600: первое экспериментальное исследование электрических и магнитных явлений проводит врач английской королевы Уильям Гильберт. Он выдвигает гипотезу, что Земля является магнитом. Именно он предложил сам термин «электричество».

1637: Рене Декарт издал «Рассуждение о методе» с приложениями «Геометрия», «Диоптрика», «Метеоры». Считал пространство материальным, а причиной движения — вихри материи, возникающие, чтобы заполнить пустоту (которую считал невозможной и поэтому не признавал атомов), или от вращения тел. В «Диоптрике» Декарт впервые дал правильный закон преломления света. Создаёт аналитическую геометрию и вводит почти современную математическую символику.

В 1644 году вышла книга Декарта «Начала философии». В ней провозглашается, что изменение состояния материи возможно только при воздействии на неё другой материи. Это сразу исключает возможность дальнодействия без ясного материального посредника. Приводится закон инерции. Второй закон взаимодействия — закон сохранения количества движения — тоже приводится, однако обесценивается тем, что чёткое определение количества движения у Декарта отсутствует.

 

Декарт уже видел, что движение планеты — это ускоренное движение. Вслед за Кеплером Декарт считал: планеты ведут себя так, как будто существует притяжение солнца. Для того чтобы объяснить притяжение, он сконструировал механизм Вселенной, в которой все тела приводятся в движение толчками вездесущей, но невидимой, «тонкой материи». Лишенные возможности двигаться прямолинейно, прозрачные потоки этой среды образовали в пространстве системы больших и малых бурь. Вихри, подхватывая более крупные, видимые частицы обычного вещества, формируют круговороты небесных тел. Они вращают их и несут по орбитам. Внутри малого бури находится и Земля. Круговращение стремиться растащить прозрачный тайфун вовне. При этом частицы тайфуна гонят видимые тела к Земле. По Декарту, это и есть тяготение. Система Декарта была первой попыткой механически описать происхождение и движение планетной системы.

1647: Блез Паскаль испытывает первый барометр (изобретённый Торричелли и выясняет, что давление воздуха падает с высотой. В конце века открыт закон Бойля-Мариотта.

 

 

1673: выходит книга Христиана Гюйгенса «Часы с маятником». Появление точных часов наконец-то открывает путь проведению измерений переменных величин. Гюйгенс приводит (словесно) несколько важнейших формул: для периода колебаний маятника и для центростремительного ускорения.

1687: «Начала» Ньютона. Физические концепции Ньютона находились в резком противоречии с декартовскими. Ньютон верил в атомы, считал дедукцию вторичным методом, которому должны предшествовать эксперимент и конструирование математических моделей. Ньютон заложил основы механики, оптики, теории тяготения, небесной механики, открыл и далеко продвинул математический анализ. Но его теория тяготения, в которой притяжение существовала без материального носителя и без механического объяснения, долгое время отвергалась учёными континентальной Европы (в том числе Гюйгенсом, Эйлером и др.). Только во второй половине XVIII века, после работ Клеро по теории движения Луны и кометы Галлея, критика утихла.

 

 

 XVIII век. Механика, теплород, электричество

В XVIII веке ускоренными темпами развивались механика, небесная механика, учение о теплоте. Начинается исследование электрических и магнитных явлений. Картезианство, не подтверждаемое опытом, быстро теряет сторонников.

Создание аналитической механики (Эйлер, Лагранж) завершило превращение теоретической механики в раздел математического анализа. Утверждается общее мнение, что все физические процессы — проявления механического движения вещества. Ещё Гюйгенс решительно высказывался за необходимость такого представления о природе явлений:

«Истинная философия должна видеть в явлениях механических первопричину всех явлений; по моему мнению, иное представление и невозможно, если мы только не желаем потерять надежду что-либо понимать в Философии. («Трактат о свете»)».

Даже в XIX веке в первичности механики не сомневался Гельмгольц:

«Конечной целью всех естественных наук является разыскание движений, лежащих в основе всех изменений, и причин, производящих эти движения, то есть слияние этих наук с механикой».

 

 

 

Представление о «тонких материях», переносящих тепло, электричество и магнетизм, в XVIII веке сохранилось и даже расширилось. В существования теплорода, носителя теплоты, верили многие физики, начиная с Галилея; однако другой лагерь, в который входили Декарт, Гук, Даниил Бернулли и Ломоносов, придерживался молекулярно-кинетической гипотезы.

 

 

 

 

 

В начале века голландец Фаренгейт изобрёл современный термометр на ртутной или спиртовой основе, и предложил шкалу Фаренгейта. До конца века появились и другие варианты: Реомюр (1730), Цельсий (1742) и другие. С этого момента открывается возможность измерения количества тепла в опытах.

1734: французский учёный Дюфе обнаружил, что существуют 2 вида электроэнергии: положительное и отрицательное.

1745: изобретена лейденская банка. Франклин развивает гипотезу об электрической природе молнии, изобретает громоотвод. Появляются электростатическая машина, электрометр Рихмана.

 

 

 

 

 

 

1784: запатентована паровая машина Уатта. Начало широкого распространения паровых двигателей.

1780-е годы: открыт и обоснован точными опытами закон Кулона.

 

 

 XIX век

Волновая теория света

Через сто лет после появления «Начал» авторитет Ньютона достиг высшей точки. Его критика волновой теории света была признана большинством учёных не только в Британии, но и на континенте, хотя убедительного объяснения явлениям дифракции и интерференции так и не было дано. Частично это объяснялось тем, что полная математическая теория волновых колебаний была создана только в начале XIX века (Фурье).

Первый удар по корпускулярной (эмиссионной) теории света нанёс Томас Юнг, врач, специалист по физиологической оптике. Отметим, что он также построил правильную теорию цветового зрения и аккомодации. В 1800 году Юнг разработал волновую теорию интерференции (и ввёл сам этот термин) на основе сформулированного им принципа суперпозиции волн. По результатам своих опытов он довольно совершенно точно оценил длину волны света в различных цветовых диапазонах. Юнг рассматривал свет как упругие (продольные) колебания эфира.

Волновая теория Юнга была встречена враждебно. Как раз в это время было глубоко изучено явление двойного лучепреломления и поляризации света (Брюстер, Араго, Био, Лаплас), воспринятое как решающее доказательство в пользу эмиссионной теории. Но тут в поддержку волновой теории (ничего не зная о Юнге) выступил Огюстен Жан Френель, в то время дорожный инженер-строитель. Рядом остроумных опытов он продемонстрировал чисто волновые эффекты, совершенно необъяснимые с позиций корпускулярной теории, а его мемуар, содержащий всестороннее исследование с волновых позиций и математическую модель всех известных тогда свойств света (кроме поляризации), победил на аукционе Парижской Академии наук (1818).

 

 

 

Курьёзный случай описывает Араго: на заседании комиссии академиков Пуассон выступил против теории Френеля, так как из неё следовало, что при определённых условиях в центре тени от непрозрачного кружка мог появиться ярко освещённый участок. На следующем заседании Френель продемонстрировал членам комиссии этот эффект.

С этих пор формулы Френеля для дифракции, преломления и интерференции вошли во все учебники физики.

Оставалось понять механизм поляризации. Ещё в 1816 году Френель обсуждал возможность того, что световые колебания эфира не продольны, а поперечны. Это легко объяснило бы явление поляризации. Юнг в это время тоже пришёл к такой идее. Однако поперечные колебания ранее встречались только в несжимаемых твёрдых телах, в то время как эфир считали близким по свойствам к газу или жидкости. Незадолго до тяжёлой болезни Френель представил мемуар с описанием новых опытов и полную теорию поляризации, сохраняющую значение и в наши дни.

Классическая волновая оптика была завершена, поставив в то же время труднейший вопрос: что же такое эфир?

 

 

Следующие почти сто лет обозначены триумфальным успехом волновой теории во всех областях.

1832: Уильям Гамильтон открыл тонкий эффект (коническую рефракцию в двухосных кристаллах), который сначала обнаружился при анализе математической модели, а затем подтверждён экспериментально.

1850: опыт Физо показал, что скорость света в воде уменьшается (в эмиссионной теории она должна была увеличиться).

 

 

 

Возникновение электродинамики

К концу XVIII века в активе физики электромагнитных явлений были уже теория атмосферного электроэнергии Франклина и закон Кулона. Стараниями Гаусса и американского рубля электростатика была в основном разработана. Для опытов использовали электризацию трением, лейденскую банку и электростатическую машину, изобретённую в 1775 году Алессандро Вольта.

Новый мощный источник электроэнергии был случайно открыт врачом Луиджи Гальвани и описан им в трактате, изданном в 1791 году; он заметил, что при контакте лапки лягушки с двумя разнородными металлами происходят судороги мышц. Гальвани дал этому явлению ошибочное объяснение («животное электричество»). Правильное объяснение дал Вольта: при контакте некоторых разнородных металлов с электролитом возникает электродвижущая сила.

В 1800 году Вольта собрал первый «вольтов столб», при помощи которого исследовал ток в замкнутых цепях. Опубликование письма Вольта президенту Лондонского Королевского федерации Бэнксу произвело сенсацию; Наполеон пригласил Вольта в Париж, лично присутствовал на демонстрации опыта, осыпал наградами и почестями.

Благодаря этим первым батареям постоянного тока были сделаны два выдающихся открытия:

- Электролиз: в том же 1800 году Никольсон и Карлайл разложили воду на водород и кислород, а Дэви в 1807 году открыл металлический калий.

- электрическая дуга: В. В. Петров и Дэви.

 

 

 

 

 

Но главные сенсационные события начались в 1820 году, когда Эрстед обнаружил отклоняющее действие тока на магнитную стрелку. Первые теории, связывающие электричество и магнетизм, построили в том же году Био, Савар и позже Лаплас (см. Закон Био — Савара — Лапласа).

Незамедлительно последовал новый каскад открытий:

- первый электродвигатель (1821, Фарадей)

- термоэлемент (1821, Зеебек)

- Закон Ома (1827).

Ампер предложил термин «электродинамика» и в 1826 году издал монографию «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта». Он открыл электромагнит (соленоид), предсказал электрический телеграф (реализован Морзе в 1835 году). Формула Ампера для взаимодействия двух элементов тока вошла в учебники.

 

 

 

 

 

Силы, введенные Ампером, как и у Ньютона, считались дальнодействующими. Это положение решительно оспорил Майкл Фарадей, который в 1831 году открыл электромагнитную индукцию. В результате серии опытов он сформулировал (словесно) свойства электромагнитного поля, позже математически отражённые Максвеллом: изменение магнитного потока генерирует электродвижущую силу и вихревое электрическое поле.

Фарадей показал, что все известные тогда виды электроэнергии тождественны, открыл законы электролиза, ввёл термины: ион, катод, анод, электролит, диамагнетизм, парамагнетизм и др. Фарадей отстаивал физическую реальность силовых линий; однако учёные того времени, уже свыкшиеся с дальнодействием ньютонового притяжения, теперь уже к близкодействию относились с недоверием.

 

 

 

В 1845 году Фарадей обнаружил поворот плоскости поляризации света в магнитном поле. Это означало, что свет и электромагнетизм тесно связаны.

Позже Фарадей исследовал самоиндукцию, открытую в 1832 году американским учёным Генри, свойства диэлектриков, разряды в газах и др.

1866: запущен трансатлантический электротелеграф.

1870-е годы: изобретен телефонный аппарат.

1880-е годы: лампа накаливания.

 

 

 

 Теория электромагнитного поля

После открытий Фарадея стало ясно, что старые модели электромагнетизма (Ампер, Пуассон и др.) неполны, а взгляды самого Фарадея не были математически оформлены. Вскоре появилась теория Вебера, основанная на дальнодействии. Однако к этому моменту вся физика, кроме теории тяготения, имела дело только с близкодейственными силами (оптика, термодинамика, механика сплошных сред и др.). Гаусс, Риман и ряд других учёных высказывали уверенность, что свет имеет электромагнитную природу, откуда следовало, что теория электромагнитных явлений тоже должна быть близкодейственной.

Важным фактором стала и глубокая разработка к середине XIX века теории дифференциальных уравнений в частных производных для сплошных сред — по существу был готов математический аппарат теории поля.

В этой атмосфере и появилась теория Максвелла, которую её автор скромно называл математическим пересказом идей Фарадея.

 

 

 

В первой работе (1855—1856) Максвелл дал ряд уравнений в интегральной форме для постоянного электромагнитного поля на основе гидродинамической модели (силовые линии соответствовали трубкам тока). Эти уравнения вобрали всю электростатику, электропроводность и даже поляризацию. Магнитные явления моделируются аналогично. Во второй части работы Максвелл, уже не приводя никаких аналогий, строит модель электромагнитной индукции.

В последующих работах Максвелл формулирует свои уравнения в дифференциальной форме и вводит ток смещения. Он предсказывает существование электромагнитных волн и показывает, что их скорость равна скорости света, предсказывает давление света.

Завершающий труд Максвелла — «Трактат об электричестве и магнетизме» (1873) содержит полную систему уравнений поля в символике Хевисайда, который предложил наиболее удобный для этого аппарат — векторный анализ. Современный вид уравнениям Максвелла позже придал Герц.

Часть физиков выступила против теории Максвелла (особенно много возражений вызвала концепция тока смещения). Гельмгольц предложил свою теорию, компромиссную по отношению к моделям Вебера и Максвелла, и поручил своему ученику Генриху Герцу провести её проверку. Опыты Герца однозначно подтвердили правоту Максвелла.

Уже в 1887 году Герц построил первый в мире радиопередатчик (вибратор Герца); приёмником служил резонатор (разомкнутый проводник). В том же году Герц обнаружил ток смещения в диэлектрике (заодно открыв фотоэффект). В следующем году Герц открыл стоячие электромагнитные волны, позже с хорошей точностью измерил скорость распространения волн, обнаружил для них те же явления, что и для света: отражение, преломление, интерференция, поляризация и др.

В 1890 году Бранли изобрёл чувствительный приёмник радиоволн — когерер. Как ни странно, прошло несколько лет, прежде чем Попов и Маркони догадались соединить когерер с электрозвонком, создав первый аппарат для радиосвязи. Когерер ловил радиоволны на расстоянии до 40 метров (Оливер Лодж, 1894), а с антенной — намного дальше. Так началась эра радио.

 

 

 

 

 Термодинамика, газы, молекулярная теория

Успехи химии и невозможность взаимопревращения химических элементов стали весомым аргументом в пользу существования молекул как дискретных первоносителей химических свойств. Джон Дальтон ещё в начале XIX века объяснил с помощью молекулярной теории закон парциальных давлений и составил первую таблицу атомных весов химических элементов — как позже выяснилось, ошибочную, так как он исходил из формулы для воды HO вместо H2O, а некоторые соединения посчитал элементами.

1802: Гей-Люссак и Дальтон открывают закон расширения газа при нагревании.

В 1808 году Гей-Люссак открыл парадокс: газы соединялись всегда в кратных объёмных отношениях, например: C + O2 (по одному объёму) = CO2 (два объёма). Для объяснения этого противоречия с теорией Дальтона Авогадро в 1811 году предложил разграничить понятие атома и молекулы. Он также предположил, что в равных объёмах газов содержится равное число молекул (а не атомов, как считал Дальтон). Тем не менее вопрос о существовании атомов был спорным ещё долго.

 

 

 

 

1822: Фурье публикует «Аналитическую теорию тепла», где появляется уравнение теплопроводности.

Работы по кинетике газов начали Крёниг (1856) и Рудольф Клаузиус. Последний предложил правильную модель идеального газа и объяснил фазовые переходы.

Основы термодинамики заложили в середине XIX века Вильям Томсон (лорд Кельвин) и Клаузиус. Они сформулировали два закона (начала) термодинамики; впрочем, первый закон уже знал Герман Гельмгольц. Понятие теплорода было окончательно похоронено. Рэнкин и Томсон ввели взамен общее понятие энергии (1852), уже не только кинетической, одновременно Майер и Джоуль формулируют всеобщий закон сохранения энергии.

После 1862 года Клаузиус исследовал необратимые процессы, не укладывающиеся в механическую модель, и предложил понятие энтропии. Начинается обсуждение «тепловой смерти Вселенной» (Томсон, позже Клаузиус), потому что принцип возрастания энтропии несовместим с вечностью Вселенной.

Чрезвычайно важными стали работы Джемса К. Максвелла. В 1860 году он вывел статистический закон распределения скоростей молекул газа, получил формулы для внутреннего трения и диффузии, создал набросок кинетической теории теплопроводности.

 

 

 

 

Дальнейшие успехи кинетической теории газов и термодинамики во многом связаны с Людвигом Больцманом и Ван дер Ваальсом. Помимо прочего, они пытались вывести термодинамики на базе механики, и неудача этих попыток для необратимых процессов вынудила Больцмана предположить в 1872 году, что Второе начало имеет не точный, а статистический характер. Более 20 лет эта догадка не вызывала интереса среди физиков, затем развернулась оживлённая дискуссия. Примерно с 1900 г., после работ Планка, Гиббса, Эренфеста и других, идеи Больцмана получили признание.

С 1871 года Больцман (и позже Максвелл) развивают статистическую физику. Чрезвычайно плодотворной оказалась эргодическая гипотеза (средние по времени совпадают со средними по ансамблю частиц).

 

 

Кроме открытия электрона, решительным аргументом в пользу атомистики стала теория броуновского движения (Эйнштейн, 1905). После работ Смолуховского и Перрена, подтвердивших эту теорию, даже убеждённые позитивисты уже не оспаривали существование атомов.

 

 

 Открытие электрона, радиоактивность

Чтобы связать атомную гипотезу с электрическими явлениями, Берцелиус и Фарадей предположили, что имеются два типа атомов, с положительными и отрицательными зарядами. Из этого следовало существование наименьшего электрического заряда. Стоуни (Stoney) предложил термин «электрон» (1874) и дал неплохую оценку его заряда. Были и другие гипотезы, например, У. Праут считал, что раз атомные веса элементов кратны атомному весу водорода, то существует один первичный атом — водорода, а все прочие состоят из сцеплённых первичных атомов. Крукс предположил, что существует нулевой первоэлемент — протил, составляющий и водород, и прочие элементы, а Вильям Томсон считал атом стабильным бурей в эфире.

Ещё ранее, в 1858 году, были открыты катодные лучи. После долгих дискуссий учёные пришли к выводу, что это и есть поток электронов. В 1897 году Дж. Дж. Томсон измерил отношение заряд/масса для катодных лучей и доказал, что оно не зависит от материала катода и других условий опыта. Предположив, что заряд электрона совпадает с (уже известным) зарядом иона водорода, Томсон получил оценку массы электрона. Ко всеобщему удивлению, она оказалась во много раз меньше массы атома водорода. Гипотезу Берцелиуса-Фарадея пришлось отвергнуть.

Томсон показал также, что частицы, излучаемые при фотоэффекте, имеют такое же отношение заряд/масса и, очевидно, тоже электроны.

 

 

 

В это время Гендрик Лоренц обобщил теорию Максвелла для подвижных сред (1878), содержащих ионы. Электронная теория Лоренца хорошо объясняла диамагнетизм, процессы в электролите, движение электронов в металле, а также открытый в 1896 году эффект Зеемана — расщепление спектральных линий в магнитном поле.

Решающие открытия были совершены в 1895-м (рентгеновские лучи) и 1896-м годах (радиоактивность урана). Правда, волновая природа X-лучей была окончательно доказана только в 1925 году (Лауэ, дифракция в кристаллах), но предполагалась многими и ранее. А вот радиоактивность поставила физиков в тупик и подверглась активному исследованию.

Вскоре были открыты радий, торий и др. активные элементы, а также неоднородность излучения (альфа- и бета-лучи открыл Резерфорд в 1899-м, а гамма-лучи — Вилар в 1900-м). Природа бета-лучей стала ясна сразу, когда Беккерель измерил их отношение заряд/масса — оно совпало с таковым для электрона. Природу альфа-частиц разгадал Резерфорд только в 1909 году.

 

 

1901: Вальтер Кауфман обнаружил (предсказанное Хевисайдом и Дж. Дж. Томсоном) возрастание массы электрона с ростом его скорости.

1902: Резерфорд и Содди делают вывод, что «радиоактивность есть атомное явление, сопровождаемое химическими изменениями». В 1903 году они открыли экспоненциальный закон распада радиоактивного атома, оценили внутриатомную энергию как неизмеримо превышающую любую химическую, и выдвинули гипотезу, что именно она является источником энергии Солнца.

В этом же году Уильям Рамзай и Содди обнаружили первые трансмутации элементов (радона в гелий), а Дж. Дж. Томсон дал первое обоснование периодической системе элементов с позиций электронной теории.

 

 

 

XX век

В начале XX века физика столкнулась с серьёзными проблемами. Начали возникать противоречия между старыми моделями и эмпирическим опытом. Так, например, наблюдались противоречия между классической механикой и электродинамикой при попытках измерить скорость света. Выяснилось, что она не зависит от системы отсчёта. Физика того времени также была неспособна описать некоторые микроэффекты, такие, как атомные спектры излучений, фотоэффект, энергетическое равновесие электромагнитного излучения и вещества. Таким образом, была необходима новая физика.

Теория относительности

В 1728 году английский астроном Брэдли открыл аберрацию света: все звёзды описывают на небосводе малые круги с периодом в один год. С точки зрения эфирной теории света это означало, что эфир неподвижен, и его кажущееся смещение (при движении Земли вокруг Солнца) по принципу суперпозиции отклоняет изображения звёзд.

Френель, однако, допускал, что внутри вещества эфир частично увлекается. Эта точка зрения, казалось, нашла подтверждение в опытах Физо, который обнаружил, что скорость света в воде меньше, чем в пустоте.

Максвелл в 1868 году предложил схему решающего опыта, который после изобретения интерферометра смог осуществить в 1881 году американский физик Майкельсон. Позже Майкельсон и Эдуард Морли повторили опыт несколько раз с возрастающей точностью, но результат был неизменно отрицательным — «эфирного вихревой бури» не существовало.

В 1892 году Лоренц и (независимо от него) Джордж Фитцджеральд предположили, что эфир неподвижен, а длина любого тела сокращается в направлении его движения. Одновременно изучался вопрос, при каких преобразованиях координат уравнения Максвелла инвариантны. Правильные формулы впервые выписали Лармор (1900) и Пуанкаре (1905), который доказал их групповые свойства и предложил назвать преобразованиями Лоренца.

В знаменитой работе «О динамике электрона» (1905) Пуанкаре также дал обобщённую формулировку принципа относительности, охватывающего и электродинамику. В этой работе есть даже 4-интервал Минковского. Тем не менее Пуанкаре продолжал верить в реальность эфира, а разработанной им математической модели не придавал объективного физического содержания, рассматривая её, в соответствии со своей философией, как соглашение («конвенцию»).

Физическая, объективная сущность модели Пуанкаре раскрылась после работ Эйнштейна. В статье (1905 года) Эйнштейн рассмотрел два постулата: общий принцип относительности и постоянство скорости света. Из этих постулатов следовали лоренцево сокращение, относительность одновременности и ненужность эфира. Были выведены также формулы преобразования Лоренца, суммирования скоростей, возрастания инерции со скоростью и т. д. Позже эта теория получила название специальной теории относительности (СТО). В том же году появилась и формула E = mc2 — инерция определяется энергией.

В других работах этого периода Эйнштейн дал квантовую теорию фотоэффекта и теплоёмкости, теорию броуновского движения, эффекта Эйнштейна — де Гааза (молекулярных токов), статистику Бозе-Эйнштейна и др. Далее он сосредоточил свои усилия на развитии теории относительности.

 

 

Часть учёных сразу приняли СТО: Планк (1906) и сам Эйнштейн (1907) построили релятивистскую динамику и термодинамику, а Минковский в 1907 году представил математическую модель кинематики СТО в виде геометрии четырёхмерного неевклидова мира и разработал теорию инвариантов этого мира. Сам Лоренц принял СТО только к концу жизни.

С 1911 года Эйнштейн разрабатывал общую теорию относительности (ОТО), включающую силу всемирного тяготения, на основе принципа эквивалентности, которую завершил в 1916 году. Проверка трёх предсказанных Эйнштейном новых эффектов показала полное согласие ОТО с опытом.

Попытки Эйнштейна и других учёных расширить ОТО, объединив силу гравитации и электромагнетизм, успехом не увенчались.

 

 

 Первые теории строения атома

После открытия электрона стало ясно, что атом имеет сложную структуру, и встал вопрос, какое место в ней занимает электрон, и какие есть ещё субатомные частицы.

Существование атомов различных масс было предложено в 1808 году Джоном Дальтоном, чтобы объяснить закон кратных отношений. Соответствие различных оценок числа Авогадро предоставила решающее доказательство для атомистической теории.

В 1904 году появилась первая модель атома, известная как модель «пудинга с изюминками», где атом представлял собой положительно заряженное тело, с равномерно перемешанными в нём электронами. Движутся они там или нет — этот вопрос был оставлен открытым. Одновременно японский физик Нагаока предложил планетарную модель, но Вин сразу указал, что круговые орбиты электронов несовместимы с классической электродинамикой: при всяком отклонении от прямой электрон должен терять энергию.

В 1909—1910 годах эксперименты Резерфорда и Гейгера по рассеянию альфа-частиц в тонких пластинках обнаружили, что внутри атома существует небольшая компактная структура — атомное ядро. От «модели пудинга» пришлось отказаться. Резерфорд предложил уточнённую планетарную модель: положительное ядро, заряд которого (в единицах заряда электрона) соответствует номеру элемента в таблице Дмитрия Ивановича Менделеева.

Первым успехом новой теории было объяснение существования изотопов. Но были и другие модели. Дж. Дж. Томсон полагал, что взаимодействие электронов и ядра отличается от кулоновского; делались попытки привлечь теорию относительности и даже неевклидовы геометрии.

Первую успешную теорию, объяснившую спектр атома водорода, построил Нильс бур в 1913 году. Бурав дополнил модель Резерфорда постулатами неклассического характера:

Существуют орбиты, на которых электрон будет стабилен (не будет терять энергию).

При перескоке с одной дозволенной орбиты на другую электрон излучает или поглощает энергию, соответствующую марже энергий орбит.

Спектр атома водорода теория бура предсказывала аккурат, но для других элементов согласия не было.

 

 

В 1915 году теория бурава была дополнена Зоммерфельдом и Вильсоном; были объяснены эффект Зеемана и тонкая структура спектра водорода. Бурав добавил к своим постулатам принцип соответствия, который позволил определить интенсивность спектральных линий.

В 1925 году Паули высказал гипотезу о наличии у электрона спина, а позже — принцип запрета, по которому никакие два электрона не могут иметь одинаковые квантовые числа (с учётом спина). После этого стало наконец понятно, как и почему распределяются электроны по слоям (орбитам) в атоме.

1932: Чадвик открыл нейтрон, предсказанный Резерфордом ещё в 1920-м. Структура ядра стала теперь ясна. Протон фактически был открыт в 1919 году, когда Резерфорд обнаружил расщепление атома азота при обстреле альфа-частицами; само название частицы Резерфорд придумал позднее.

В том же 1932 году в космических лучах был открыт позитрон.

 

 

 Квантовая теория

В 1880-е годы был экспериментально получен спектр излучения абсолютно чёрного тела; распределение энергии по частотам оказалось несогласованным со всеми имевшимися теориями, особенно для длинных (инфракрасных) волн.

Правильную формулу подобрал в 1900 году Макс Планк. Несколькими неделями позже он выяснил, что эта формула может быть строго доказана, если сделать допущение, что излучение и поглощение энергии происходит порциями не меньше некоторого порога (кванта), пропорционального частоте волны. Сам Планк вначале рассматривал такую модель как чисто математический трюк; даже много позже, в 1914 году, он пытался опровергнуть собственное открытие, но безуспешно.

Эйнштейн сразу принял гипотезу квантов света, причём считал, что квантование относится не только ко взаимодействию света с веществом, но является свойством самого света. В 1905 году он построил на этой основе теорию фотоэффекта, в 1907 году — теорию теплоёмкости, которая до Эйнштейна при низких температурах расходилась с экспериментом. В 1912 году Дебай и Борн уточнили теорию теплоёмкости Эйнштейна, и согласие с опытом было достигнуто.

Наконец, в 1920-х годах были обнаружены сразу несколько существенно квантовых явлений, необъяснимых с классических позиций. Наиболее показателен был эффект Комптона — вторичное излучение при рассеянии рентгеновских лучей в лёгких газах. В 1923 году Комптон разработал теорию этого явления (основанную на работе Эйнштейна 1917 года) и предложил термин «фотон».

1923: Луи де Бройль предположил, что корпускулярно-волновой дуализм свойственен не только свету, но и веществу. Каждой материальной частице он сопоставил волну определённой частоты. Это объясняет, почему принцип Ферма в оптике похож на принцип Мопертюи, а также — почему устойчивые орбиты буравчика именно таковы: только у них длина волны де Бройля укладывается на орбите целое число раз.

1925: Вернер Гейзенберг предложил использовать в теории субатомных явлений только наблюдаемые величины, исключив координаты, орбиты и т. п. Для определения наблюдаемых величин он разработал т. н. «матричную механику». Гейзенберг, Макс Борн и Йордан сформулировали правила, по которым классическим величинам сопоставлялись эрмитовы матрицы, так что каждое дифференциальное уравнение классической механики переходило в квантовое.

Синтез идей де Бройля и Гейзенберга осуществил Эрвин Шрёдингер, который в 1926 году создал «волновую механику» на базе выведенного им уравнения Шрёдингера для нового объекта — волновой функции. Новая механика, как показал сам Шрёдингер, эквивалентна матричной: элементы матрицы Гейзенберга, с точностью до множителя — собственные функции оператора Гамильтона (а собственными значениями оказалась квантованная энергия). В таком виде волновая механика была удобнее матричной, и вскоре стала общепризнанной.

Первоначально Шрёдингер считал, что амплитуда волновой функции описывает плотность заряда, но этот подход был быстро отвергнут, и было принято предложение Борна (1926) истолковывать её как плотность вероятности обнаружения частицы («копенгагенская интерпретация»).

1927: Дэвиссон обнаружил дифракцию электронов, что было воспринято как подтверждение вероятностной концепции, а Гейзенберг сформулировал принцип неопределённости. Бурав обобщил его до «принципа дополнительности»: корпускулярное и волновое описание явлений дополняют друг друга; если нас интересует причинная связь, удобно корпускулярное описание, а если пространственно-временная картина, то волновое. Фактически же микрообъект не является ни частицей, ни волной; эти классические понятие возникают только потому, что наши приборы измеряют классические величины. Школа перки вообще считала, что все атрибуты атома не существуют объективно, а появляются только при взаимодействии с наблюдателем. «Нет реальности, не зависящей от способа её наблюдения» (бурав).

 

 

Многие физики (Эйнштейн, Планк, де Бройль, Бом и др.) пытались заменить копенгагенскую интерпретацию иной, но успеха не добились.

1928: Поль Дирак дал релятивистский вариант квантовой механики (уравнение Дирака) и предсказал существование позитрона, положив начало квантовой электродинамике.

1935: опубликован знаменитый парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена.

Ко второй половине XX века в в физике сложилось представление, что все взаимодействия физической природы можно свести к всего лишь четырём типам взаимодействия:

- Гравитационная сила

- электромагнетизм

- сильное взаимодействие

- слабое взаимодействие

В последнюю декаду XX века накопились астрономические данные, подтверждающие существование космологической постоянной, тёмной материи и тёмной энергии. Идут поиски общей теории поля — теории всего, которая описала бы все фундаментальные взаимодействия обобщённым физико-математическим образом. Одним из серьёзных кандидатов на эту роль является М-теория, которая, в свою очередь, — недавнее развитие теории суперструн.

 

 

 

Всё больше проблем связано с эволюцией Вселенной, с её ранними этапами, с природой вакуума, и, наконец, с окончательной природой свойств податомных частиц. Частичные теории являются в настоящее время лучшими, что физика может предложить в настоящее время.

В течение всего XX века продолжались попытки построить квантовую теорию гравитационной силы; основные из них — это теории суперструн и петлевая квантовая гравитационная сила.

 

 

 

 Начало XXI века

Хотя в последние тридцать лет в физике наблюдается некоторое затишье, уже намечаются некоторые открытия. Так, например, проводятся попытки сравнить скорости распространия гравитационного и электро-магнитного взаимодействия, которые, по предсказаниям теории относительности, совпадают. В ЦЕРНе строится Большой адронный коллайдер высоких энергий, который должен помочь проверить две фундаментальные теории: Суперсимметрия и бозон Хиггса.

В январе 2003 года исследователь Университета штата Миссури Сергей Копейкин и астрофизик Эд Фомалонт (англ. Ed Fomalont) предоставили информацию о том, что им удалось измерить скорость распространения силы всемирного тяготения. Она оказалась 0.95 скорости света с погрешностью в 20 % в полном соответствии с теорией относительности Эйнштейна.

Всё большее внимание отводится рассмотрению вопросов, связанных с устройством вещества на субэлементарном уровне.

 

 Теоретическая физика

Теорети́ческая фи́зика — способ познания природы, при котором тому или иному кругу природных явлений сопоставляется какая-либо математическая модель. В такой формулировке теоретическая физика не вытекает из «опыта», а является самостоятельным методом изучения Природы. Однако область её интересов, естественно, формируется с учетом результатов эксперимента и наблюдений.

Теоретическая физика не рассматривает вопросы вида «почему математика должна описывать природу?». Она принимает за постулат то, что, в силу неких причин, математическое описание природных явлений оказывается крайне эффективным, и изучает последствия этого постулата. Строго говоря, теоретическая физика изучает не свойства самой природы, а свойства предлагаемых математических моделей. Кроме того, часто теоретическая физика изучает какие-либо модели «сами по себе», без привязки к конкретным природным явлениям.

Физическая теория

Товаром теоретической физики являются физические теории. Поскольку теоретическая физика работает именно с математическими моделями, крайне важным требованием является математическая непротиворечивость завершенной физической теории. Вторым обязательным свойством, отличающим теоретическую физику от математики, является возможность получать внутри теории предвидения для поведения Природы в тех или иных условиях (то есть предвидения для экспериментов) и, в тех случаях, где результат эксперимента уже известен, давать согласие с экспериментом.

Сказанное выше позволяет обрисовать общую структуру физической теории. Она должна содержать:

- описание круга явлений, для которых строится математическая модель,

- аксиомы, определяющую математическую модель,

- аксиомы, сопоставляющие (по крайней мере, некоторым) математическим объектам наблюдаемые, физические объекты,

- непосредственные следствия математических аксиом и их эквиваленты в реальном мире, которые истолковываются как предвидения теории.

Из этого становится ясно, что утверждения типа «а вдруг теория относительности неверна?» бессмысленны. Теория относительности, как физическая теория, удовлетворяющая нужным требованиям, уже верна. Если же окажется, что она не сходится с экспериментом в каких-то предсказаниях, то значит, она в этих явлениях не применима к реальности. Потребуется поиск новой теории, и может статься, что теория относительности окажется каким-то предельным случаем этой новой теории. С точки зрения теории, катастрофы в этом нет. Более того, сейчас подозревается, что в определённых условиях (при плотности энергии порядка планковской) ни одна из существующих физических теорий не будет адекватной.

В принципе, возможна ситуация, когда для одного и того же круга явлений существуют несколько разных физических теорий, приводящих к похожим или совпадающим предсказаниям. История науки показывает, что такая ситуация обычно временна: рано или поздно либо одна теория оказывается более адекватна, чем другая, либо показывается, что эти теории эквивалентны.

Построение физических теорий

Фундаментальные физические теории, как правило, не выводятся из уже известных, а строятся с нуля. Первый шаг в таком построении — это самое настоящее «угадывание» того, какую математическую модель следует взять за основу. Часто оказывается, что для построения теории требуется новый (причем, обычно более сложный) математический аппарат, непохожий на тот, что использовался в теорфизике где-либо ранее. Это — не прихоть, а необходимость: обычно новые физические теории строятся там, где все предыдущие теории (то есть основанные на «привычном» матаппарате) показали свою несостоятельность (bankruptcy) в описании природы. Иногда оказывается, что соответствующий матаппарат отсутствует в арсенале чистой математики, и его приходится изобретать.

Дополнительными, но необязательными, критериями при построении «хорошей» теории могут являться понятия

«математической красоты»,

«бритвы Оккама», а также общности подхода ко многим системам,

возможность не только описывать уже имеющиеся данные, но и предсказывать новые.

возможность редукции в какую-либо уже известную теорию в какой-либо их общей области применимости (принцип соответствия),

возможность выяснить внутри самой теории её область применимости. Так, например, классическая механика «не знает» границ своей применимости, а термодинамика «знает», в каком пределе она и не должна работать.

Такие критерии, как «здравый смысл» или «повседневный опыт», не только нежелательны при построении теории, но и уже успели дискредитировать себя: многие современные теории могут «противоречить здравому смыслу», однако реальность они описывают на много порядков точнее, чем «теории, основанные на здравом смысле».

 Примеры принципиально новых физических теорий

Классическая механика. Именно при построении классической механики Ньютон столкнулся с необходимостью введения производных и интегралов, т. е. создал дифференциальное и интегральное исчисление.

Общая теория относительности, в формулировке которой постулируется, что пустое пространство тоже обладает определёнными нетривиальными геометрическими свойствами, и его можно описать методами дифференциальной геометрии.

Квантовая механика. После того, как классическая физика не смогла описать квантовые явления, были предприняты попытки переформулировать сам подход к описанию эволюции микроскопических систем. Это удалось Шрёдингеру, который постулировал, что каждой частице сопоставляется новый объект — волновая функция, а также Гейзенбергу, который постулировал существование матрицы рассеяния. Однако наиболее удачную математическую модель для квантовой механики нашел фон Нейман (теория гильбертовых пространств и действующих в них операторов) и показал, что как волновая механика Шрёдингера, так и матричная механика Гейзенберга являются лишь вариантами этой теории, получающимися при добавлении в теорию необязательных слов. Формулировка фон Неймана «лучше», чем формулировки Шрёдингера и Гейзенберга, так как она отбрасывает все лишнее, несущественное.

В настоящее время мы, по-видимому, находимся на пороге создания ещё одной принципиально новой теории, М-теории, которая объединила бы все пять построенных суперструнных теорий. Существование М-теории подозревается уже давно, однако сформулировать её пока не удается. Э.Виттен, ведущий специалист в этой области, высказал мысль, что необходимый для её построения математический аппарат ещё не изобретён.

 

 Экспериментальная физика

Эксперимента́льная фи́зика — способ познания природы, заключающийся в изучении природных явлений в специально приготовленных условиях. В отличие от теоретической физики, которая исследует математические модели природы, экспериментальная физика призвана исследовать саму природу.

Именно несогласие с результатом эксперимента является критерием ошибочности физической теории, или более точь-в-точь, неприменимости теории к нашему миру. Обратное утверждение не верно: согласие с экспериментом не может быть доказательством правильности (применимости) теории. То есть главным критерием жизнеспособности физической теории является проверка экспериментом.

Эта очевидная сейчас роль эксперимента была осознана лишь Галилеем и более поздними исследователями, которые делали выводы о свойствах мира на основании наблюдений за поведением предметов в специальных условиях, т. е. ставили эксперименты. Заметим, что это совершенно противоположно, например, подходу древних греков: источником истинного знания об устройстве мира им казалось лишь размышление, а «чувственный опыт» считался подверженным многочисленным обманам и неопределённостям, а потому не мог претендовать на истинное знание.

В идеале, экспериментальная физика должна давать только описание результатов эксперимента, без какой-либо их интерпретации. Однако на практике это недостижимо. Интерпретация результатов более-менее сложного эксперимента неизбежно опирается на то, что у нас есть понимание, как ведут себя все элементы экспериментальной установки. Такое понимание, в свою очередь, не может не опираться на какие-либо теории. Так, эксперименты в ускорительной физике элементарных частиц — одни из самых сложных во всей экспериментальной физике — могут трактоваться как настоящее изучение свойств элементарных частиц лишь после того, как детально поняты (с помощью соответствующих теорий!) механические и упругие свойства всех элементов детектора, их отклик на электрические и магнитные поля, свойства остаточных газов в вакуумной камере, распределение электрического поля и дрейф ионов в пропорциональных камерах, процессы ионизации вещества и т. д.

 Разделы физики

Механика

Меха́ника (греч. μηχανική — искусство построения машин) — наука о движении материальных объектов и взаимодействии между ними. Важнейшими разделами механики являются классическая механика и квантовая механика.

Класси́ческая меха́ника — вид механики (раздела физики, изучающей законы изменения положений тел и причины, это вызывающие), основанный на законах Ньютона и принципе относительности Галилея. Поэтому её часто называют «Ньютоновской механикой». Важное место в классической механике занимает существование инерциальных систем. Классическая механика подразделяется на кинематику (которая изучает геометрическое свойство движения без рассмотрения его причин), статику (которая рассматривает равновесие тел) и динамику (которая рассматривает движение тел).

Классическая механика дает очень точные результаты в рамках повседневного опыта. Но для систем, движущихся с большими скоростями, приближающимися к скорости света, более точные результаты дает релятивистская механика, для систем микроскопических размеров — квантовая механика, а для систем, обладающих обеими характеристиками — квантовая теория поля. Тем не менее, классическая механика сохраняет свое значение, поскольку (1) она намного проще в понимании и использовании, чем остальные теории, и (2) в обширном диапазоне она достаточно хорошо приближается к реальности. Классическую механику можно использовать для описания движения таких объектов, как волчок и бейсбольный мяч, многих астрономических объектов (таких, как планеты и галактики), и даже многих микроскопических объектов, таких как органические молекулы.

Хотя классическая механика в общих чертах совместима с другими «классическими теориями», такими как классическая электродинамика и термодинамика, в конце 19 века были найдены несоответствия, которые удалось разрешить только в рамках более современных физических теорий. В частности, классическая электродинамика предсказывает, что скорость света постоянна для всех наблюдателей, что трудно совместить с классической механикой, и что привело к необходимости создания специальной теории относительности. При рассмотрении совместно с классической термодинамикой, классическая механика приводит к парадоксу Гиббса в котором невозможно совершенно точно определить величину энтропии и к ультрафиолетовой катастрофе, в которой абсолютно чёрное тело должно излучать бесконечное количество энергии. Попытки разрешить эти проблемы привели к развитию квантовой механики.

Релятивистская механика — раздел физики, рассматривающий законы механики (законы движения тел и частиц) при скоростях, сравнимых со скоростью света. При скоростях значительно меньших скорости света переходит в классическую (ньютоновскую) механику.

Релятивистская механика - теория, в которой, в отличие от классической механики, пространственные координаты и время являются независимыми (время является абсолютным, т.е. течёт одинаково во всех системах отсчёта) и действуют преобразования Галилея, события происходят в четырёхмерном пространстве, объединяющем физическое трёхмерное пространство и время (пространство Минковского) и действуют преобразования Лоренца. Таким образом, в отличие от классической механики, одновременность событий зависит от выбора системы отсчёта.

Основные законы релятивистской механики — релятивистское обобщение второго закона Ньютона и релятивистский закон сохранения энергии-импульса являются следствием такого «смешения» пространственных и временной координат при преобразованиях Лоренца.

Механика сплошных сред

Механика сплошных сред — раздел механики, посвященный движению газообразных, жидких и твёрдых деформируемых тел.

В механике сплошных сред на основе методов, развитых в теоретической механике, рассматриваются движения таких материальных тел, которые заполняют пространство непрерывно, пренебрегая их молекулярным строением. Вместе с тем также считаются непрерывными характеристики тел, такие, как плотность, напряжения, скорости и т. д. Это связано с тем, что линейные размеры, с которыми мы имеем дело в механике сплошных сред, значительно больше соответствующих размеров молекул. Минимально возможный объем тела, который позволяет исследовать его некоторые заданные свойства называется представительным объёмом или физически малым объёмом. Данное упрощение даёт возможность применения в механике сплошных сред хорошо разработанного для непрерывных функций аппарата высшей математики. Помимо гипотезы непрерывности принимается гипотеза о пространстве и времени — все процессы рассматриваются в пространстве, в котором определены расстояния между точками, и развиваются во времени, причём в классической механике сплошных сред время течёт одинаково для всех наблюдателей, а в релятивистской — пространство и время связываются в единое пространство-время.

Помимо обычных материальных тел, подобных воде, воздуху или железу, в механике сплошных сред рассматриваются также особые среды — поля: электромагнитное поле, поле излучений, гравитационное поле и др.

В механике сплошных сред разрабатываются методы сведения механических задач к математическим, т. е. к задачам об отыскании некоторых чисел или числовых функций с помощью различных математических операций. Кроме того, важной целью механики сплошной среды является установление общих свойств и законов движения деформируемых тел.

Под влиянием механики сплошных сред получил большое развитие ряд разделов математики, например, некоторых разделов теории функции комплексного переменного, краевых задач для уравнений в частных производных, интегральных уравнений и др.

Механика сплошных сред делится на механику твёрдого тела, гидродинамику, газодинамику. Каждая из этих дисциплин также делится на более узкие разделы. Так, механика твёрдого тела делится на теорию упругости, теорию пластичности, теорию трещин и так далее.

Гидродина́мика — раздел физики сплошных сред, изучающий движение идеальных и реальных жидкости и газа. Как и в других разделах физики сплошных сред, прежде всего осуществляется переход от реальной среды, состоящей из большого числа отдельных атомов или молекул, к абстрактной сплошной среде, для которой и записываются уравнения движения.

Аку́стика (от греч. ἀκούω (аку́о) — слышу) — наука о звуке, изучающая физическую природу звука и проблемы, связанные с его возникновением, распространением, восприятием и воздействием. Акустика является одним из направлений физики (механики), исследующее упругие колебания и волны от самых низких (от 0 Гц) до высоких частот, занимающаяся проблемами создания и распространения механических колебаний; также, она тесно связана с психофизикой, музыкальной психологией, гигиенической акустикой и др.

Акустика является междисциплинарной наукой, использующей для решения своих проблем широкий круг дисциплин: математику, физику, психологию, архитектуру, электронику, биологию, медицину, гигиену, теорию музыки и др.

Акустика - обозначение, тесно связанное с понятием звук. Звук — волновой колебательный процесс, происходящий в упругой среде (воздухе, воде и др.) и вызывающий слуховое ощущение.

Иногда под акустикой также понимают акустическую систему — электрическое устройство, предназначенное для преобразования тока переменной частоты в звуковые колебания при помощи электро-акустического преобразования. Так же термин акустика применим для обозначению колебательных свойств какой-либо системы, например "акустика помещения".

Термодинамика

Термодинамика (от греч. Therme — тепло + Dynamis — сила) — раздел физики, изучающий соотношения и превращения теплоты и других форм энергии. В отдельные дисциплины выделились химическая термодинамика, изучающая физико-химические превращения, связанные с выделением или поглощением тепла, а также теплотехника.

В термодинамике имеют дело не с отдельными молекулами, а с макроскопическими телами, состоящими из огромного числа частиц. Эти тела называются термодинамическими системами. В термодинамике тепловые явления описываются макроскопическими величинами — давление, температура, объём, …, которые не применимы к отдельным молекулам и атомам.

В теоретической физике наряду с феноменологической термодинамикой, изучающей феноменологию тепловых процессов, выделяют термодинамику статистическую, которая была создана для механического обоснования термодинамики и была одним из первых разделов статистической физики.

Оптика

О́птика (от др.-греч. ὀπτική появление или взгляд) — раздел физики, рассматривающий явления, связанные с изменением во времени и пространстве электрического и магнитного векторов электромагнитного поля, происходящего со столь высокой частотой ν , что её непосредственное измерение оказывается невозможным на современном уровне развития измерительной техники.

Явления, связанные с магнитным вектором (эффект Фарадея) относят к разделу оптики-магнитооптике

Однако большинство представляющих интерес для физика оптических явлений или световых явлений связаны с изменениями напряженности электрического компонента электромагнитного поля,т.е. вектором , проявляющиеся в виде света.

Оптика описывает поведение, свойства, первопричинность и природу света, объясняет связанные с этим явления. Под светом понимают не только видимый свет, но и примыкающие к нему широкие области спектра электромагнитных излучений.

Универсальным в физике понятием является скорость света c . Её значение в вакууме представляет собой не только предельную скорость распространения электромагнитных колебаний любой частоты, но и вообще предельную скорость распространения любого воздействия на материальные объекты. При распространении света в различных средах скорость света v уменьшается: v = c / n , где n есть показатель преломления среды, характеризующий её оптические свойства и зависящий от частоты света: n = n(ν)

 Электродинамика

Электродина́мика — раздел физики, изучающий электромагнитное поле в наиболее общем случае (то есть, рассматриваются переменные поля, зависящие от времени) и его взаимодействие с телами, имеющими электрический заряд (электромагнитное взаимодействие). Предмет электродинамики включает связь электрических и магнитных явлений, электромагнитное излучение (в разных условиях, как свободное, так и в разнообразных случаях взаимодействии с веществом), электрический ток (вообще говоря, переменный) и его взаимодействие с электромагнитным полем (электрический ток может быть рассмотрен при этом как совокупность движущихся заряженных частиц). Любое электрическое и магнитное взаимодействие между заряженными телами рассматривается в современной физике как осуществляющееся через посредство электромагнитного поля, и, следовательно, также является предметом электродинамики.

Чаще всего под термином электродинамика по умолчанию понимается классическая (не затрагивающая квантовых эффектов) электродинамика; для обозначения современной квантовой теории электромагнитного поля и его взаимодействия с заряженными частицами обычно используется устойчивый термин квантовая электродинамика.

Основным содержанием классической электродинамики является описание свойств электромагнитного поля и его взаимодействия с заряженными телами (заряженные тела «порождают» электромагнитное поле, являются его «источниками», а электромагнитное поле в свою очередь действует на заряженные тела, создавая электромагнитные силы). Это описание, кроме определения основных объектов и величин, таких как электрический заряд, электрическое поле, магнитное поле, электромагнитный потенциал, сводится к уравнениям Максвелла в той или иной форме и формуле силы Лоренца, а также затрагивает некоторые смежные вопросы (относящиеся к математической физике, приложениям, вспомогательным величинам и вспомогательным формулам, важным для приложений, как например вектор плотности тока или эмпирический закона Ома). Также это описание включает вопросы сохранения и переноса энергии, импульса, момента импульса электромагнитным полем, включая формулы для плотности энергии, вектора Пойнтинга и т. п.

Иногда под электродинамическими эффектами (в противоположность электростатике) понимают те существенные отличия общего случая поведения электромагнитного поля (например, динамическую взаимосвязь между меняющимися электрическим и магнитным полем) от статического случая, которые делают частный статический случай гораздо более простым для описания, понимания и расчетов.

Свойства статического (не меняющегося со временем или меняющегося достаточно медленно, чтобы «электродинамическими эффектами» в описанном выше смысле можно было пренебречь) электрического поля и его взаимодействия с электрически заряженными телами (электрическими зарядами) описывает отдельный раздел физики — электростатика, хотя являющийся в принципе частным разделом электродинамики, но имеющий самостоятельное значение из-за сильного упрощения всех расчётов в этом случае.

Еще одним сходным частным случаем электродинамики является магнитостатика, исследующая постоянные токи и постоянные магнитные поля (поля не меняются во времени или меняются настолько медленно, что быстротой этих изменений в расчете можно пренебречь).

Электродинамика лежит в основе физической оптики, физики распространения радиоволн, а также пронизывает практически всю физику, так как почти во всех разделах физики приходится иметь дело с электрическими полями и зарядами, а часто и с их нетривиальными быстрыми изменениями и движениями. Кроме того, электродинамика является образцовой физической теорией (и в классическом и в квантовом своем варианте), сочетающей очень большую точность расчетов и предсказаний с влиянием теоретических идей, родившихся в ее области, на другие области теоретической физики.

Электродинамика имеет огромное значение в технике и лежит в основе: радиотехники, электротехники, различных отраслей связи и радио.

Статистическая физика

Статисти́ческая фи́зика — раздел физики, изучающий методами теории вероятностей поведение систем частиц в состоянии равновесия или в неравновесном состоянии. Статистическую физику подразделяют на равновесную и неравновесную.

Обычно при исследовании таких систем нас не интересует почти случайное поведение каждой конкретной частицы. Статистическая физика описывает, как из движений частиц системы складывается усреднённая эволюция системы в целом.

Статистическая физика даёт вывод термодинамики многих реальных систем: идеальных газов, реальных газов, квантовых газов, простых конденсированных сред (например, идеальных кристаллов, спиновых цепочек). В частности, она даёт явные соотношения для используемых в термодинамике энтропии, термодинамической работы, внутренней энергии и объясняет закон неубывания энтропии.

Неравновесная статистическая механика и физическая кинетика изучает, как именно система приходит в состояние локального равновесия.

Методы статистической физики могут применяться не только к атомам и молекулам, но и ко многим иным системам. Соответствующий подраздел статистической физики можно назвать физикой сложных систем.

Физика конденсированного состояния

Фи́зика конденси́рованного состояния — большая ветвь физики, изучающая поведение сложных систем (то есть систем с большим числом степеней свободы) с сильной связью. Принципиальная особенность эволюции таких систем заключается в том, что её (эволюцию всей системы) не удается «разделить» на эволюцию отдельных частиц. «Разбираться» приходится со всей системой в целом. Как результат, часто вместо движения отдельных частиц приходится рассматривать коллективные колебания. При квантовом описании, эти коллективные степени свободы становятся квазичастицами.

Физика конденсированных сред — богатейшая область физики, как с точки зрения математических моделей, так и с точки зрения приложений к реальности. Конденсированные среды с самыми разнообразными свойствами встречаются повсюду: обычные жидкости, кристаллы и аморфные тела, материалы со сложной внутренней структурой (к которым относятся и мягкие конденсированные среды), квантовые жидкости (электронная жидкость в металлах, нейтронная — в нейтронных звездах, сверхтекучие среды, атомные ядра), спиновые цепочки, магнитные моменты, сложные сети и т. д. Часто их свойства бывают столь сложны и многогранны, что приходится предварительно рассматривать их упрощенные математические модели. В результате поиск и исследование аккурат решаемых математических моделей конденсированных сред стал одним из наиболее активных направлений в физике конденсированных сред.

Фи́зика а́томов и моле́кул — раздел физики, изучающий поведение и свойства одного или нескольких атомов или молекул.

Как и для многих других задач нескольких тел, особенность этой области физики состоит в том, что, с одной стороны, количество частиц уже достаточно велико, так что точные решения уравнений получить уже не удаётся. С другой стороны, количество частиц всё же не настолько велико, чтобы можно было пользоваться методами статистической физики. В результате приходится придумывать новые подходы специально для таких систем.

Среди основных направлений исследований:

- Физика атомных кластеров

- Физика сложных молекул

- Физика ридберговских атомов — высоковозбуждённых состояний атомов

- Атомы и молекулы при сверхнизких температурах и бозе-эйнштейновская конденсация.

 Квантовая физика

Ква́нтовая фи́зика или волновая механика — раздел физики, изучающий законы в которых для описания поведения частиц (квантов) используются подходы характерные для волн.

Ква́нтовая меха́ника — раздел теоретической физики, описывающий квантовые системы и законы их движения.

Основными понятиями квантовой кинематики являются понятия наблюдаемой, состояния, среднего значения.

Основные уравнения квантовой динамики — уравнение Шрёдингера, уравнение фон Неймана, уравнение Линдблада, уравнение Гейзенберга.

Математический аппарат — теория операторов, теория вероятностей, функциональный анализ, операторные алгебры, теория групп.

Ква́нтовая тео́рия по́ля (КТП) — раздел физики, изучающий поведение квантовых систем с бесконечно большим числом степеней свободы, являющаяся теоретической основой описания микрочастиц, их взаимодействий и превращений. Именно на квантовой теории поля базируется вся физика элементарных частиц и физика конденсированного состояния. Квантовая теория поля является теорией, способной описать и предсказать поведение элементарных частиц при высоких энергиях (то есть при энергиях, существенно превышающих их энергию покоя).

Математический аппарат КТП — гильбертово пространство состояний (пространство Фока) квантового поля и действующие в нём операторы. В отличие от квантовой механики, «частицы» как некие неуничтожимые элементарные объекты здесь отсутствуют. Вместо этого основные объекты здесь — векторы фоковского пространства, описывающие всевозможные возбуждения квантового поля. Аналогом квантовомеханической волновой функции в КТП является полевой оператор (точнее, «поле» — это операторнозначная обобщённая функция, из которой только после свертки с основной функцией получается оператор, действующий в гильбертовом пространстве состояний), способный действовать на вакуумный вектор фоковского пространства (см. вакуум) и порождать одночастичные возбуждения квантового поля. Физическим наблюдаемым здесь также соответствуют операторы, составленные из полевых операторов.

Ква́нтовая электродина́мика (КЭД) — квантовополевая теория электромагнитных взаимодействий; наиболее разработанная часть квантовой теории поля. Классическая электродинамика учитывает только непрерывные свойства электромагнитного поля, в основе же квантовой электродинамики лежит представление о том, что электромагнитное поле обладает также и прерывными (дискретными) свойствами, носителями которых являются кванты поля — фотоны. Взаимодействие электромагнитного излучения с заряженными частицами рассматривается в квантовой электродинамике как поглощение и испускание частицами фотонов.

Квантовая электродинамика количественно объясняет эффекты взаимодействия излучения с веществом (испускание, поглощение и рассеяние), а также последовательно описывает электромагнитные взаимодействия между заряженными частицами. К числу важнейших проблем, которые не нашли объяснения в классической электродинамике, но успешно разрешаются квантовой электродинамикой, относятся тепловое излучение тел, рассеяние рентгеновских лучей на свободных (точнее, слабо связанных) электронах (эффект Комптона), излучение и поглощение фотонов атомами и более сложными системами, испускание фотонов при рассеянии быстрых электронов во внешних полях (тормозное излучение) и другие процессы взаимодействия электронов, позитронов и фотонов. Меньший успех теории при рассмотрении процессов с участием других частиц обусловлен тем, что в этих процессах, кроме электромагнитных взаимодействий, играют важную роль и другие фундаментальные взаимодействия (сильное взаимодействие, слабое взаимодействие).

Ква́нтовая хромодина́мика (КХД) — калибровочная теория квантовых полей, описывающая сильное взаимодействие элементарных частиц. Наряду с электрослабой теорией КХД составляет общепринятый в настоящее время теоретический фундамент физики элементарных частиц.

Тео́рия струн — направление математической физики, изучающее динамику и взаимодействие не точечных частиц, а одномерных протяжённых объектов, так называемых квантовых струн. Теория струн сочетает в себе идеи квантовой механики и теории относительности, поэтому на её основе возможно будет построена будущая теория квантовой силы гравитации.

Ядерная физика

Я́дерная фи́зика — раздел физики, изучающий структуру и свойства атомных ядер, а также их столкновения (ядерные реакции).

Задачи, возникающие в ядерной физике, — это типичный пример задач нескольких тел. Ядра состоят из нуклонов (протонов и нейтронов), и в типичных ядрах содержатся десятки и сотни нуклонов. Это число слишком велико для точь-в-точь решаемых задач, но всё же слишком мало́ для того, чтобы можно было пользоваться методами статистической физики. Это и привело к большому разнообразию различных моделей атомных ядер.

 

Физика гиперъядер — раздел физики, на стыке ядерной физики и физики элементарных частиц.

Предметом исследования физики гиперъядер являются ядроподобные системы, в которые кроме протонов и нейтронов входят другие элементарные частицы. Также можно сказать, что предметом исследований физики гиперъядер является взаимодействие элементарных частиц и атомных ядер.

Методы исследований и техника проведения эксперимента унаследованы из ядерной физики и физики элементарных частиц.

Физика высоких энергий

Фи́зика высо́ких эне́ргий — раздел физики элементарных частиц, изучающий взаимодействия элементарных частиц и/или ядер атомов при энергиях столкновения, существенно выше, чем массы самих сталкивающихся частиц.

Эксперименты по физике высоких энергий проводятся с помощью ускорителей заряженных частиц и ядерных реакторов. Также источником частиц высоких энергий являются космические лучи. В неускорительных экспериментах с космическими лучами изучают, в основном, свойства нейтрино и поведение частиц при сверхвысоких энергиях (широкие космические ливни).

 

Основа любого эксперимента в области физики высоких энергий - детекторы ионизирующего излучения и гамма-лучей. Детектор регистрирует продукты реакций между частицами, и физики восстанавливают сами реакции по этим данным. В настоящее время основные типы детекторов, используемых в экспериментах в физике высоких энергий - полупроводниковые детекторы, дрейфовые газовые камеры и калориметры электромагнитных и адронных ливней. Также, для регистрации результатов столкновений используются толстослойные фотопластинки, пузырьковые камеры, искровые камеры и другие детекторы элементарных частиц. Из различных типов детекторов физики собирают огромные детекторы элементарных частиц, так называемые детекторы общего назначения. Примеры детекторов: ATLAS и CMS на протон-протонном коллайдере LHC (Швейцарская конфедерация/Франция), D0 и CDF на протон-антипротонном коллайдере Tevatron (США), BaBar и Belle на асимметричных электрон-позитронных фабриках B-мезонов в лабораториях SLAC (США) и KEK (Страна восходящего солнца).

 

Фи́зика элемента́рных части́ц (ФЭЧ), часто называемая также фи́зикой высо́ких эне́ргий — раздел физики, изучающий структуру и свойства элементарных частиц и их взаимодействия.

Агрофизика

Агрофизика — наука о физических, физико-химических и биофизических процессах, протекающих в агроэкологической системе «почва-растения-атмосфера», базируется на агробиологических (растениеводство, земледелие, физиология растений, почвоведение) и физико-математических науках (общая и экспериментальная физика, теоретическая и математическая физика, геофизика, метеорология), включает в себя физику твёрдой фазы почвы, гидрофизику почвы, теплофизику почвы, физику газовой фазы почвы, аэродинамические, радиационные и другие параметры приземного слоя воздуха, светофизиологию и радиобиологию растений, а также приёмы и средства регулирования внешних условий жизни растений.

Акустооптика

Акустоо́птика — раздел физики, изучающий взаимодействие оптических и акустических волн (акустооптическое взаимодействие), а также раздел техники, в рамках которого разрабатываются и исследуются приборы, использующие акустооптическое взаимодействие (акустооптические приборы).

Для обозначения широкого круга явлений, связанных с акустооптическим взаимодействием, иногда используют общий термин «акустооптический эффект». Практически в любом акустооптическом устройстве акустическая волна возбуждается с помощью того или иного электроакустического преобразователя, чаще всего пьезоэлектрического. Таким образом, акустооптические приборы управляются с помощью электрических сигналов (высокой частоты), которые вырабатываются в соответствующих электронных блоках управления. Акустооптику в связи с этим считают ветвью функциональной электроники.

Астрофизика

Астрофи́зика (от греч. αστρον — «светило» и φύσις — «природа») — наука на стыке астрономии и физики, изучающая физические процессы в астрономических объектах, таких, как звёзды, галактики и т. д. Физические свойства материи на самых больших масштабах и возникновение Вселенной изучает космология.

 Биофизика

Биофи́зика (от др.-греч. βiοs — жизнь, др.-греч. φύσις — природа):

раздел физики и современной биологии, изучающий физические аспекты существования живой природы на всех её уровнях, начиная от молекул и клеток и заканчивая биосферой в целом;

это наука о физических процессах, протекающих в биологических системах разного уровня компании и о влиянии на биологические объекты различных физических факторов. Биофизика призвана выявлять связи между физическими механизмами, лежащими в основе фирмы живых объектов и биологическими особенностями их жизнедеятельности.

Обобщённо можно сказать, что биофизика изучает особенности функционирования физических законов на биологическом уровне компании вещества.

Биофизика — наука междисциплинарная и для работы в ней требуются знания физики, биологии, химии и медицины. Поэтому биофизически ориентированные исследования проводятся не только в специализированных институтах, но также и в биологических, химических, фармакологических и медицинских.

Геофизика

Геофизика — комплекс наук, исследующих физическими методами строение Земли. Геофизика в широком смысле изучает физику твердой Земли (земную кору, мантию, жидкое внешнее и твердое внутреннее ядро), физику океанов, поверхностных вод суши (озёр, рек, льдов) и подземных вод, а также физику атмосферы (метеорологию, климатологию, аэрономию).

Космология

Космоло́гия (космос + -логия) — раздел астрономии и физики, изучающий свойства и эволюцию Вселенной в целом. Основу этой дисциплины составляет математика, физика и астрономия. В своих задачах она часто пересекается с философией и богословием.

Математическая физика

Математическая физика — теория математических моделей физических явлений. Она относится к математическим наукам; критерий истины в ней — математическое доказательство. Однако, в отличие от чисто математических наук, в математической физике исследуются физические задачи на математическом уровне, а результаты представляются в виде теорем, графиков, таблиц и т. д. и получают физическую интерпретацию. При таком широком понимании математической физики к ней следует относить и такие разделы механики, как теоретическая механика, гидродинамика и теория упругости.

Радиофизика

Радиофи́зика — раздел физики, в широком смысле занимающийся изучением колебательно-волновых процессов различной природы, в узком - изучением электромагнитных волн радиодиапазона. Исторически, основным предметом исследований радиофизики являлись радиоволны, а именно, их излучение и приём, распространение в различных средах, взаимодействие с объектами, а также поглощение. Однако, впоследствии методы радиофизики были перенесены на другие разделы физики: оптику, акустику, СВЧ электронику, полупроводниковую электронику. Была создана общая теория распространения волн, разработаны методы решения волновых уравнений для нелинейных и неравновесных сред с пространственной и временной дисперсиями.

 Химическая физика

Хими́ческая фи́зика — наука о физических законах, управляющих строением и превращением химических веществ.

Рождение химической физики как самостоятельной науки обусловлено появлением в начале XX века квантовой механики, законы которой стали базой теории химической связи, межмолекулярных взаимодействий и реакционной способности молекул. Термин «Химическая физика» ввел Арнольд Эйкен в 1930, озаглавив изданное им ранее руководство по физической химии как «Учебник химической физики».

Крупный вклад в становление и развитие химической физики внесли Н. Н. Семёнов, создавший в 1920-30-х гг. одновременно с Сирилом Хиншелвудом теорию цепных реакций; Генри Эйринг, Майкл Поляни и М. Эванс, разработавшие в 1935 теорию абсолютных скоростей реакций; Лайнус Полинг, Джон Слейтер (Слэтер), Роберт Малликен, Джон Эдвард Леннард-Джонс и Фридрих Хунд, развившие в начале 1930-х годов методы квантовой химии.

Одним из достижений химической физики следует считать теорию разветвленных цепных реакций.

В современной химической физике выделяют два главных направления: определение электронной и атомно-молекулярной структуры химических частиц и образованных ими веществ и исследования, связанные с решением проблем химической динамики, то есть изменений во времени энергетических и структурных характеристик частиц.

 

 

 

Физика атмосферы

Фи́зика атмосфе́ры — совокупность разделов физики, изучающих структуру, состав, динамику, и явления в атмосфере Земли и прочих планет. Во многих странах метеорология и физика атмосферы являются синонимами. Так в немецких ВУЗах одна и та же кафедра может называться в одном университете кафедрой метеорологии, а в другом - физики атмосферы. Считается, что метеорология — устаревшее название, потому что происходит от корня "метеор", имеющего мало общего с настоящей метеорологией.

Физика плазмы

Фи́зика пла́змы — раздел физики, изучающий свойства и поведение плазмы, в частности, в магнитных полях.

Для физики плотной плазмы справедливо утверждение, что её можно считать подразделом физики сплошных сред, так как при исследовании плотной плазмы речь идёт о макроскопическом поведении частично или полностью ионизованной сплошной среды. Однако разреженная плазма не всегда адекватно описывается методами механики сплошных сред.

Физическая химия

Физи́ческая хи́мия — наука об общих законах, определяющих строение и химические превращения веществ при различных внешних условиях. Исследует химические явления с помощью теоретических и экспериментальных методов химии и физики.

 Важнейшие журналы

Успехи физических наук

«Успехи физических наук» (УФН) — журнал, публикующий обзоры современного состояния наиболее актуальных проблем физики и смежных с нею наук. Предназначается для научных работников, аспирантов, студентов-физиков старших курсов, преподавателей.

Основан в 1918 году П. П. Лазаревым, который стал первым главным редактором журнала. Выходит 12 раз в год (1 том, включающий 12 номеров; при цитировании статей 1990 — 1993 гг. обязательно указывается номер журнала).

Включён в список научных журналов ВАК.

Основные разделы журнала:

1. Обзоры актуальных проблем

2. Физика в наши дни

3. Приборы и методы исследований

4. Методические заметки

5. Из истории физики

6. Конференции и симпозиумы

7. Обзоры книг

8. Новости физики в сети Интернет

Журнал экспериментальной и теоретической физики

Журнал Экспериментальной и Теоретической физики (ЖЭТФ), англ. Journal of Experimental and Theoretical physics (JETP) - один из старейших и наиболее авторитетных российских научных журналов по физике. ЖЭТФ публикует статьи, которые вносят существенный вклад в одну из областей физики и представляют интерес для широкой физической аудитории.

Начал издаваться в 1931 вместо физической части «Журнала Русского физико-химического союза» Академией наук СССР. Сейчас основателями журнала являются Российская академия наук и Институт физических проблем им. П. Л. Капицы РАН. Главным редактором журнала долгое время работал академик П.Л.Капица. Сейчас главным редактором является академик А.Ф.АНДРЕЕВ. Выходит 12 раз в год (2 тома, включающие по 6 номеров).

Для ускорения выхода в свет информации о научных открытиях вместо раздела «Письма в редакцию» с 1965 начал выпускаться отдельный журнал «Письма в ЖЭТФ» (2 тома в год, в каждом томе 12 выпусков). С 1956 ЖЭТФ переиздаётся в США на английском языке.

Входит в Список научных журналов ВАК Минобрнауки Российской Федерации.

Квант (журнал)

«Квант» — научно-популярный физико-математический журнал для школьников и студентов, рассчитанный на массового читателя.

Идею создания «Кванта» первым высказал академик Пётр Капица в 1964 году. В январе 1970 года читатели получили первый номер журнала. Главным редактором стал тогда академик Исаак Кикоин, первым заместителем главного редактора — академик Андрей Колмогоров.

По оценке экспертов ЮНЕСКО «Квант» являлся уникальным в своём жанре журналом.

До 1990-х годов журнал выходил каждый месяц тиражом 250—350 тысяч экземпляров. В начале 90-х годов тираж журнала резко сократился до нескольких тысяч. Сейчас номера выходят раз в два месяца, и тираж находится в пределах 5000 экземпляров.

В 1991—2001 годах у журнала «Квант» существовал братский журнал «Quantum»(англ.), публиковавший как переводы избранных статей из «Кванта» на английский язык, так и оригинальные статьи американских математиков. В 1993—2001 годах журнал «Quantum» в свою очередь переводился с английского на греческий язык и издавался в Греции. Во Франции также были выпущены два сборника избранных статей из «Кванта». В 1999 и 2002 годах Американское Математическое общество опубликовало три тома Kvant Selecta — переводов избранных статей из «Кванта» по алгебре, анализу и комбинаторике.

 

 Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики

Журнал «Письма в Журнал Экспериментальной и Теоретической физики» (Письма в ЖЭТФ), англ. Journal of Experimental and Theoretical physics Letters (JETP Letters) — один из авторитетных российских научных журналов по физике. Журнал «Письма в ЖЭТФ» (и его англоязычная версия JETP Letters) публикует краткие статьи, требующие срочной публикации и представляющие общий интерес для широкого круга читателей-физиков. К категории срочных публикаций относятся первые наблюдения новых физических явлений и теоретические работы, содержащие принципиально новые результаты.

Входит в Список научных журналов ВАК Минобрнауки Российской Федерации.

Главный редактор с 1990 г. — Всеволод Феликсович Гантмахер, член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук.

 Источники

ru.wikipedia.org - Свободная энциклопедия Википедия

---

Просмотров за все время 9548.

Опубликовано на forexAW.com: Среда, 20 Январь, 2010 года — 16:38.

Последнее редактирование: Воскресенье, 12 Июнь, 2011 года — 17:24.