Физика что за наука: Физика: наука о законах природы

ФИЗИКА | Энциклопедия Кругосвет

Содержание статьи

• РАННЯЯ ИСТОРИЯ ФИЗИКИ
• ВОЗРОЖДЕНИЕ
• ПРИРОДА КАК МЕХАНИЗМ
• Астрономия
• Оптика
• Звук
• Теплота и термодинамика
• Молекулярно-кинетическая теория
• Электричество и магнетизм
• Строение атома
• ПРИРОДА КАК ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИЕ ПОЛЯ
• Принципы относительности
• Кванты
• СОВРЕМЕННАЯ ФИЗИКА

ФИЗИКА (от древнегреч. physis – природа). Древние называли физикой любое исследование окружающего мира и явлений природы. Такое понимание термина «физика» сохранилось до конца 17 в. Позднее появился ряд специальных дисциплин: химия, исследующая свойства вещества, обусловленные особенностями его атомной структуры, биология, изучающая живые организмы и т.д. Помимо традиционных предметов исследования, о которых пойдет речь ниже, физика занимается столь разными проблемами, как поведение смазки в машинах, процессы образования химических связей, хранение и передача генетической информации в живых системах и т. д. Объединяющий принцип физики как науки кроется не столько в предметах исследования, сколько в подходе к их изучению, и этим физика отличается от других наук. Опираясь на определенные аксиомы и гипотезы, проводя эксперименты и используя математические методы, она стремится объяснить все многообразие природных явлений, исходя из небольшого числа взаимосогласующихся принципов. Физик надеется, что, когда о природных явлениях станет известно достаточно много и когда они будут достаточно хорошо поняты, множество других, на первый взгляд разрозненных и не связанных с ними фактов уложатся в простую, допускающую математическое описание схему.

РАННЯЯ ИСТОРИЯ ФИЗИКИ

До эпохи Возрождения, последовавшей за тысячелетием застоя, большинство научных открытий было совершено в Древней Греции, хотя родиной многих открытий и изобретений были также арабские страны и Китай. Особенно больших успехов греки достигли в математике и астрономии. Правда, многое из того, что принято в наследство от древних греков, было известно уже вавилонянам. Однако именно греки ввели понятие доказательства. Греческим мыслителям мы обязаны и другой важной идеей: о возможности объективного познания природы.

И все же физика древних греков во многом была несовершенной. Ее основные представления были разработаны Аристотелем и базировались на аналогиях с поведением человека и животных в том смысле, что явления природы объяснялись целями, достижению которых они якобы служат. Греческие астрономы наблюдали небо и записывали свои наблюдения, однако не существует никаких свидетельств того, что они проводили научные эксперименты.

Античный мир породил лишь две фигуры, внесшие важный вклад в формирование основ современной физики: Демокрит из Абдеры (ок. 460–370 до н.э.) во Фракии (ныне Болгария) и Архимед из Сиракуз (ок. 287–212 до н.э.). Демокрит первым из великих математиков оказал глубокое влияние на развитие физики. Более всего Демокрит известен как создатель атомистической теории. Идея атомистики, по-видимому, зародилась у его учителя Левкиппа из Милета, фигуры апокрифической, о котором мало что известно. Аргументы атомистов носили косвенный характер (чему вряд ли приходится удивляться, если принять во внимание, что прямые экспериментальные исследования атомных явлений стали возможны только в 20 в.). Они полагали, что, хотя в природе и происходят непрерывные изменения, в ней также, по всей видимости, имеется некий неизменный субстрат. Демокриту этот субстрат виделся как совокупность атомов, а рост и распад организмов и растений – лишь как проявления изменений в расположении неизменных атомов. Плавление твердых тел и испарение жидкостей он объяснял как переход совокупности атомов к менее связанному состоянию.

Эпохальные открытия часто можно отнести к одной из двух категорий. Открытие первого рода состоит в обнаружении неожиданно нового явления в эксперименте, который может быть повторен с тем же результатом кем угодно; такое открытие заставляет пересмотреть понятия, ранее считавшиеся твердо установленными. В качестве примера можно привести обнаружение Галилеем спутников Юпитера и открытие Рентгеном излучения, носящего ныне его имя. К открытиям другого рода принадлежат такие, в которых наблюдаемые явления оставляют место для размышлений и выводов. Такие открытия в конечном счете основаны на свойственном ученому интуитивном ощущении природы вещей, и именно к ним относятся открытия, совершенные Левкиппом и Демокритом. К этой же категории принадлежат теория строения Солнечной системы Коперника и специальная и общая теории относительности Эйнштейна.

Второй великий предтеча современной физики, Архимед, был величайшим математиком древности. В центре его интересов была статика, которая занимается изучением сил в состоянии равновесия. Например, Архимед показал, как находить центр тяжести различных геометрических фигур. Другая важная работа Архимеда – трактат о гидростатике и плавающих телах. Хотя его труды, в отличие от атомистической теории, не были нацелены на выяснение самой сути природы, они позволили физике подняться еще на одну ступень, показав, как с помощью математики можно расширить физические представления. Иногда математика дает возможность систематизировать все следствия некой физической гипотезы, выражая их в виде соотношений, истинность или ложность которых поддается экспериментальной проверке. В древности этот вывод сделал для себя, пожалуй, лишь Архимед; в Средние века этот урок был предан забвению, и его пришлось открывать заново в эпоху Возрождения.

ВОЗРОЖДЕНИЕ

В конце 16 в. в теоретической астрономии возник кризис, распространившийся и на другие области естествознания. Его результатом стал полный переворот во взглядах человека на самого себя и на окружающий его мир. Событие, послужившие причиной такого переворота, внешне выглядело вполне заурядно: в 1543 вышла в свет книга Николая Коперника Об обращениях небесных сфер (De Revolutionibus), в которой было показано, что движение небесных тел легче понять и описать, если предположить, что в центре Солнечной системы находится Солнце, а Земля – лишь одна из планет, которые обращаются вокруг него. Старая птолемеевская теория помещала неподвижную Землю в центр мироздания, а звезды и планеты, которые мыслились расположенными на прозрачных сферах, обращались вокруг Земли.

Новая теория предлагала по-новому посмотреть на устройство мира. По Аристотелю, Земля находится в центре мироздания потому, что состоит из тяжелых веществ, которых заставило собраться в центре мира их естественное движение. Каждый объект во Вселенной имеет свое собственное место, к которому он стремится, если может двигаться свободно и если его место не занято чем-то другим, что должно находиться в другом месте. Место земли, воздуха, огня и воды – под самой низкой сферой, сферой Луны. Все в более высоких сферах состоит из особой субстанции – эфира – и не подвержено ни изменению, ни гибели. Понятия собственного места и назначения применимы повсюду: в царствах растений и животных, в человеческих сообществах, в нематериальном мире. Выше всего этого стоит Бог, придающий смысл мирозданию и дарующий ему существование. Солнечная система была важной частью Божественного замысла, и когда Коперник поставил под вопрос эту часть, стало ясно, что опасность грозит и всему целому.

К началу 1600-х годов опасность стала еще более реальной. Немецкий астроном Кеплер (1571–1630) усовершенствовал коперниковскую теорию, заменив круговые орбиты эллипсами, а неравномерное движение – равномерным, после чего новая теория стала настолько точной, что обращение к старой стало просто неуместным. В 1608 флорентийский математик и физик Галилео Галилей (1564–1642) изобрел телескоп, с помощью которого вскоре удалось получить наглядное подтверждение правильности новой теории, и решился высказать мысль, которая должна была произвести переворот в умах итальянцев и прежде всего в сознании папы Урбана VIII и кардиналов.

«О философии – писал Галилей – можно прочесть в величественной книге – я имею в виду Вселенную, и эта книга постоянно открыта нашему взору, но понять ее может лишь тот, кто сначала научится постигать ее язык и толковать символы, которыми она пользуется. Написана же она на языке математики, а символы ее – треугольники, круги и другие геометрические фигуры, без которых человек не смог бы понять в ней ни единого слова; без них он был бы обречен блуждать в потемках по лабиринту».

Тысячу лет люди искали истину в бесконечных спорах о латинских текстах отцов церкви. Оказывается, они использовали не тот язык и не те книги. После нескольких тайных заседаний суда инквизиции Галилею было запрещено следовать коперниковскому учению. Галилей не подчинился и в 1633 в возрасте 70 лет был вызван на публичный процесс, отрекся от своего учения, несмотря на это, был приговорен к пожизненному домашнему аресту.

Но этот запрет вернул Галилея к фундаментальным исследованиям, и через пять лет он опубликовал свой последний и наиболее значительный труд Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки (рус. перевод 1934). Науки эти – статика, занимающаяся изучением сил, находящихся в равновесии, и динамика, изучающая движения под действием сил. Эта работа Галилея стала основой исчерпывающего объяснения коперниковской системы, которое Ньютон дал спустя 50 лет.

ПРИРОДА КАК МЕХАНИЗМ

И.Ньютон (1643–1727) родился в протестантской Англии менее чем через год после смерти Галилея. Научная деятельность Ньютона протекала в основном в Кембридже, где в 1669 он стал профессором математики. Первые открытия в области математики и физики были им сделаны в 24 года. Его открытия в области механики и астрономии подробно изложены в Математических началах натуральной философии (Philosophiae naturalis principia mathematica, 1687). Изложение начинается с формулировок трех законов механики, из которых выводится все остальное в виде последовательности утверждений, задач и математических расчетов, перемежаемых пояснениями (называемыми схолиями), в которых Ньютон комментирует сделанное. Три закона механики формулируются просто:

1. Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние.

2. Изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует.

3. Действию всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе – взаимодействия двух тел друг на друга между собою равны и направлены в противоположные стороны.

Новым в системе Ньютона стало понятие силы не просто как некоего действия, а как величины. В первых двух книгах Начал Ньютон показывает, как найти, что произойдет с физическими системами, если к ним приложить различные силы. Далее он рассматривает, какого рода тела встречаются в природе и какие силы на них действуют. Здесь для проверки ньютоновской теории была использована астрономия – область знания, в которой на протяжении 2000 лет велись тщательные наблюдения за движением планет, а последующие работы Коперника и Кеплера привели к созданию непротиворечивой модели Солнечной системы. В книге III Ньютон показал, что огромное множество самых разнообразных явлений и процессов – движение планет, Луны, спутников Юпитера, комет, приливы, прецессию равноденствий и т.д. – можно объяснить, если принять гипотезу о существовании силы всемирного тяготения, действующей между любыми двумя телами и изменяющейся обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Подробные вычисления были выполнены им с помощью оригинальных математических методов, о которых Г.Лейбниц дал такой отзыв: «Если взять математику от начала мира до того времени, когда жил Ньютон, то сделанное им – гораздо лучшая ее половина».

Обрисовав достижения Ньютона в механике, мы должны теперь упомянуть о том, чего ему не удалось достичь. Существует ряд других сил, принципиально отличных от гравитационных, законы которых он так и не открыл. Он также не предложил никакого объяснения трем законам движения (впрочем, следует признать, что все это по большей части осталось необъясненным и поныне). На протяжении всей своей жизни он питал надежду объяснить химические явления, применяя к поведению атомов те же законы, что и к движению планет.

Ньютон был последовательным атомистом, убежденным, что все вещество состоит из «твердых, массивных, жестких, непроницаемых, подвижных корпускул», а его интуитивное представление о единстве природы привело к совершенно правильному заключению, что корпускулярные свойства присущи также и свету.

Далее Ньютон с атомистических позиций рассматривает некоторые химические реакции. В своих рассуждениях Ньютон предвосхитил многие положения химической науки наших дней, но, как нам теперь ясно, его замысел в принципе не мог быть доведен до завершения, ибо химические явления столь сложны, что без развития экспериментальной техники, лишь в 20 в. открывшей возможность детального исследования свойств отдельных атомов и субатомных частиц, не было никаких шансов понять, что представляют собой атомы, как они взаимодействуют с образованием химических соединений и каким образом свойства атомов, входящих в состав молекулы данного соединения, определяют его свойства.

Еще до Ньютона ряд передовых мыслителей, например Декарт, представляли мир как механизм, действующий по законам причинности и не имеющий границ. Задуманный и сотворенный Богом, этот механизм далее мог функционировать самостоятельно, возможно, лишь под Его наблюдением. Сознание человека было островком в центре мироздания, всесторонне связанным с божественным механизмом. И хотя жить с такой философией было не слишком уютно и множество вопросов оставалось без ответа, она явилась благодатным облегчением после тысячелетия теологического гнета.

Почти 150 лет, последовавших за выходом ньютоновских Начал, физическая наука рационализировалась и систематизировалась без сумятицы и кипения страстей, привносимых новыми идеями. Основной прогресс в этот период заключался в развитии математического аппарата, позволявшего быстро и корректно рассчитывать следствия, вытекающие из теоретических представлений. Потраченные усилия дали такие плоды, что последующим поколениям ученых, воспитанным на этой философии, оказалось необычайно трудно отказаться от ньютоновского подхода, когда механистическая картина мира стала настолько сложной, что утратила те черты, которые ранее делали ее столь привлекательной.

Проследим теперь за наследием ньютоновской философии, распространившейся в различные области исследования, поскольку многие ее слабые, равно как и сильные стороны до сих пор дают о себе знать.

Астрономия

Хотя ныне считается, что благодаря Галилею и Ньютону стало понятным устройство Солнечной системы, было бы большой ошибкой думать, что их идеи сразу же получили признание. После выхода Начал еще целое поколение студентов Кембриджа продолжало изучать планетную теорию Декарта, в которой гравитация не играла никакой роли, а на континенте астрономические идеи Ньютона вообще не воспринял ни один из великих математиков, его современников, – ни Лейбниц, ни Гюйгенс, ни Бернулли. На ум приходит горькое замечание М.Планка: «Новая научная истина торжествует не потому, что переубеждает оппонентов и открывает им глаза, а потому, что ее оппоненты постепенно уходят из жизни и вырастает новое поколение, для которого она новой уже не является».

Нужно также иметь в виду, что очень долго существовали серьезные основания сомневаться в справедливости теории Ньютона. Она проста применительно к движению одной планеты вокруг Солнца и дает результаты, которые согласуются с эмпирическими законами движения планет Кеплера: планеты движутся по эллиптическим орбитам с Солнцем в одном из фокусов; прямая, проведенная от Солнца к планете, за равные промежутки времени охватывает равные секториальные площади; отношение куба среднего расстояния до Солнца к квадрату периода обращения вокруг Солнца есть величина постоянная для каждой из планет. Существовавшие же данные астрономических наблюдений отличались не только высокой точностью, но и охватывали более чем 2000-летний период времени, а эти данные показывали, что наблюдаемое движение планет отклоняется от предсказанного на основании столь простых законов; так, Юпитер в действительности движется быстрее и находится ближе к Солнцу, а Сатурн – медленнее и дальше от Солнца. И лишь в 1784, спустя 97 лет после выхода Начал, П.Лаплас установил, что эти расхождения связаны с возмущениями орбит, вызванными взаимным притяжением планет, и согласуются с законами Ньютона.

Были обнаружены и получили свои объяснения и другие расхождения теории и наблюдений, и лишь в 1915 А.Эйнштейн (1879–1955) показал, что обнаруженное задолго до этого небольшое несоответствие в движении Меркурия требует для своего объяснения новой теории. Общая теория относительности Эйнштейна явилась первой серьезной модификацией теории планетных движений Ньютона. К сожалению, предсказываемые этой теорией эффекты настолько слабы, что окончательная ее проверка еще впереди. И поныне ряд несоответствий остается без объяснения.

Оптика

Линзы появились в весьма древние времена. Кусок горного хрусталя в форме линзы был найден в развалинах Ниневии. Аристофан (5 в. до н.э.) был знаком с применением линз в качестве зажигательных стекол. Через три столетия александрийский астроном Клавдий Птолемей проводил опыты по преломлению света при переходе его из воздуха в воду или стекло; составленные Птолемеем таблицы сохранились до нашего времени. Древнегреческие мыслители занимались и теорией зрения. Пифагорейцы, как и Демокрит, учили, что видимый предмет посылает в глаз наблюдателя частицы света. Платон и его последователи считали, что мы видим, когда некое явление, источаемое из нашего глаза, взаимодействует с влияниями, исходящими от объекта и Солнца.

Бурное развитие науки знаменовалось изобретением новых оптических инструментов и новой волной интереса к зрительному процессу. Около 1608 появился телескоп. Почти сразу же после этого были изобретены микроскопы, которые нетрудно получить из телескопов, просто переставив линзы. Диоптрика (Dioptrica) Кеплера, в которой впервые излагалась теория оптических инструментов, была опубликована в 1611, а закон преломления света при входе в стекло и выходе из него, который пытался установить еще Птолемей, оставался неизвестным до 1637, когда Декарт опубликовал его в своей Диоптрике (Dioptique). Формулировка этого закона (правда, отличная от обычной) была обнаружена в трудах голландского математика В.Снеллиуса уже после его смерти в 1626.

Декарт объяснял закон Снеллиуса гипотетическим изменением скорости света при переходе через границу сред, однако фактически о скорости света не было известно ничего, кроме того, что она очень велика. В 1676 датчанин О.Рёмер показал, что наблюдаемые в движении спутников Юпитера отклонения можно объяснить, допустив, что свету требуется 22 мин для преодоления расстояния, равного диаметру земной орбиты. Единственное значение для диаметра земной орбиты, которым астрономы располагали в то время, была грубая и довольно произвольная оценка, предложенная директором Парижской обсерватории Ж. Кассини, и из нее следовало, что скорость света составляет около 200 000 км/с. Адекватные оценки размеров Солнечной системы были получены только сто лет спустя, но лишь в 1849 А.Физо впервые измерил скорость света в лабораторных условиях. С тех пор скорость света стала одной из наиболее точно установленных постоянных. На сегодняшний день ее точное значение равно 299792458 ± 1,2 м/с.

Параллельно с усовершенствованием оптических приборов и оптических измерений был выстроен ряд теоретических предположений относительно природы света. Некоторые из них описаны в статье СВЕТ, о других будет сказано ниже.

См. подробнее в статье Энциклопедии Кругосвет — Оптика

Звук

Изучение звука снова возвращает нас в античность, где туманная традиция связывает начало таких исследований с именем Пифагора. Насколько можно судить, философы Древней Греции за 500 лет до н.э. экспериментально исследовали различия между благозвучными (консонантными) и неблагозвучными (диссонантными) музыкальными интервалами. Они сделали вывод, что если колеблющуюся струну прижимать в различных точках и щипком заставлять колебаться каждую из двух частей струны, то чем «проще» отношение длин двух частей, на которые разделилась струна, тем более благозвучным окажется консонантный интервал издаваемых звуков. Под простыми понимаются отношения 2:1, 3:2, 4:3 и т.д., соответствующие музыкальным интервалам октаве, квинте, кварте и т.д. Эти интервалы составляли основу всей западной музыкальной гармонии до 13 в., и хотя кварта более не считается гармоническим интервалом, продолжая Пифагоров ряд отношений до 5:4 и 6:5, мы получаем большую и малую терции – фундаментальные интервалы западной музыки последних 500 лет.

Что касается физической природы звука, то многое здесь было известно уже Аристотелю. В дошедшем до нас в виде фрагментов трактате Звук и слух (см. Aristotelis opera. Ed. Academia regia borussica, v. 1–5, B, 1831–1870) он приводит подробное и точное описание распространения звуковых волн в воздухе. Римский архитектор Витрувий, знакомый с аристотелевской традицией, посвятил одну из книг своего сочинения Об архитектуре (De architectura) (ок. 10 до н.э.) акустике театров и других зданий, заложив этим основания науки, известной сегодня под названием архитектурной акустики. После Витрувия в развитии акустики наступила пауза, которая продолжалась до 17 в., когда акустическими проблемами занялись Галилей и Ньютон. Галилей исследовал разные источники звука, в частности колеблющиеся струны, и показал, что частота колебаний струны, а следовательно, и частота издаваемого звука определяются ее физическими свойствами – длиной, натяжением и массой.

Ньютон поставил перед собой более трудную задачу – описать на языке математики процесс распространения звуковой волны в воздухе. Проведенный им анализ, опиравшийся на известные тогда данные об упругости воздуха, дал теоретическое значение скорости звука 298 м/с, тогда как из опытов Флемстида и Галлея было получено значение 348 м/с. Столь значительное расхождение удалось объяснить лишь в 1816, когда Лаплас указал на то, что величина упругости воздуха, на основании которой вычисляется скорость звука, должна отличаться от обычно измеряемой, т.к. изменения в звуковой волне происходят очень быстро и в воздухе не успевает установиться тепловое равновесие. Внеся в вычисления Ньютона поправку в этом единственном пункте, Лаплас получил формулу, прекрасно согласующуюся с самыми точными экспериментальными данными. Сегодня часто ставят обратную задачу: определяют упругость газа по измеренной скорости звука в нем.

Когда механизм возникновения звука и его природа были объяснены на основе фундаментальных законов движения, акустика перестала быть чисто умозрительной дисциплиной, и после Лапласа ее развитие шло по трем направлениям: практические потребности (проектирование концертных залов, создание музыкальных инструментов и звуковоспроизводящей аппаратуры), физиологические и психологические аспекты восприятия звука и чистая теория. Второе из названных направлений породило новую область физического познания – область очень интересную и трудную, поскольку в ней изучается субъективный процесс, по сути тот же, посредством которого он сам и исследуется. Здесь физика трудится рука об руку с несколькими другими науками. Основополагающие труды по физиологии слуха и зрения принадлежат Г.Гельмгольцу (1821–1894). Его книги Учение о слуховых ощущениях как физиологическая основа для теории музыки (СПб, 1875) и О зрении (СПб, 1896), по всеобщему признанию, являются научной классикой.

Сущность звука – лишь один из вопросов чистой физики, и ответ на него давно получен. И все же существует мало других разделов физики, разветвленные приложения которых вызывали бы такой всеобщий интерес и, судя по публикациям, доставляли бы такое удовольствие работающим в них исследователям. См. также ЗВУК И АКУСТИКА.

Теплота и термодинамика

Еще каких-нибудь сто лет назад господствовало представление о теплоте как о некой калорической жидкости. Считалось, что эта жидкость есть во всех телах, и от того, сколько ее содержится в теле, зависит его температура. В том, что температура тел, находящихся в тепловом контакте, выравнивается, усматривали аналогию с установлением общего уровня жидкости в сообщающихся сосудах. Теория калорической жидкости в том виде, как ее сформулировал Дж.Блэк (1728–1799), могла объяснить широкий круг явлений. Однако в некоторых пунктах встречались затруднения. Например, хорошо известно, что если нагревать лед, то его температура не повышается до тех пор, пока весь лед не растает. Такое тепло Блэк назвал «скрытым» (термин «скрытая теплота плавления» сохранился поныне), имея в виду, что при таянии льда теплота как-то переходит в частицы воды, не производя обычного эффекта. Вода вмещает большое количество скрытой теплоты, и когда Б.Румфорд (1753–1814) показал, что вес льда при таянии остается неизменным, было решено, что калорическая жидкость невесома. В другом опыте, проведенном в Мюнхенском арсенале на станке, на котором рассверливали стволы пушек, Румфорду удалось добиться выделения огромного количества тепла при небольшом количестве металлической стружки: для этого он в течение двух с половиной часов сверлил болванку тупым сверлом. Румфорд счел, что его опыт убедительно доказал несостоятельность теории калорической жидкости, но ее сторонники возразили, что в материи очень много калорической жидкости и даже при сверлении тупым сверлом высвобождается только малая ее часть. Калорическая теория, подлатанная таким образом, просуществовала примерно до 1850. Однако еще Демокрит более чем за 2000 лет до этого выдвигал другую гипотезу. Если материя состоит из крохотных частиц, то отличие твердого тела от жидкости определяется разной силой их сцепления. Если принять, что вначале при нагревании частицы твердого тела начинают просто сильнее колебаться, оставаясь на своих местах, то разумно предположить, что при нагревании выше определенной температуры частицы будут срываться со своих мест, образуя жидкость, а при дальнейшем нагревании произойдет следующее превращение – жидкость станет газом. Галилей высказал аналогичную идею в 1623, а Декарт писал в 1644, что «под теплом и холодом следует понимать не что иное, как ускорение и замедление материальных частиц». Ньютон, расходившийся с теорией Декарта почти по всем вопросам, в этом пункте был с ней согласен.

Хорошо известно, что движение тел при наличии трения порождает тепло и, наоборот, тепло может порождать движение, как это происходит в паровой машине и в двигателе внутреннего сгорания. Возникает вопрос: сколько работы может совершить тепловая машина, если подвести к ней заданное количество тепла? Ответить на этот вопрос весьма трудно, и в его рассмотрении необходимо выделить два этапа.

Первое положение, которое мы должны отметить, – то, что совершение тепловой машиной некоторой работы сопровождается исчезновением определенного количества тепла. Говоря о механической работе, совершаемой машиной, пионер в этой области французский физик Н.Карно (1796–1832) употреблял термин «движущая сила». В записной книжке, обнаруженной после смерти Карно в 1878, говорилось: «Тепло может быть колебательным движением частиц. Если это так, то количество тепла есть не что иное, как механическая энергия, затраченная на приведение частиц в колебательное движение . .. Таким образом, можно сформулировать общий принцип, согласно которому количество движущей силы в природе неизменно; точнее говоря, она не создается и не исчезает». Этот принцип имеет для физики огромное значение. Он называется законом сохранения энергии, а в контексте данного раздела – первым началом термодинамики. Слово «энергия», введенное в научный оборот Т.Юнгом в 1807, здесь имеет смысл «полного количества энергии», которое остается постоянным и включает в себя тепловую, кинетическую и все прочие формы энергии, которые встретятся нам в дальнейшем. Не стремясь к особой строгости, можно определить энергию как способность совершать работу, а ее мерой, какую бы форму ни принимала энергия, можно считать количество механической работы, которой энергия эквивалентна. Карно удалось найти численное выражение эквивалентности тепла и работы. В современных единицах полученный им результат таков: 3,7 джоуля эквивалентно 1 калории (более точное значение равно 4,19).

То же самое открытие было сделано врачом Ю. Майером (1814–1878), заметившим изменения в интенсивности обмена веществ (как мы сказали бы это сейчас) у моряков, совершавших плавание в экваториальных водах. В 1842 Майер пришел к заключению, что механический эквивалент одной калории равен 3,85 джоуля, но его главной заслугой было глубокое интуитивное уяснение важности и универсальности нового принципа, позволившее ему применять закон сохранения энергии в столь разных областях, как физиология, небесная механика и теория приливов.

Однако самый существенный вклад в развитие принципа сохранения энергии внес Дж.Джоуль (1818–1889). В 1843–1848 он провел серию опытов по изучению взаимных превращений электрической, тепловой, механической и внутренней энергии и на основании полученных данных заключил, что механический эквивалент тепла составляет от 4,25 до 4,60. Тщательные измерения Джоуля вооружили противников теории калорической жидкости многочисленными весомыми аргументами, и эта теория оказалась окончательно опровергнутой: тепло как вид энергии может возникать и исчезать, но при этом общее количество энергии в мире остается неизменным.

Для установления первого начала термодинамики потребовалось столь много времени потому, что существует еще один принцип, ограничивающий величину работы, которую можно совершить при данном количестве тепла. Этот принцип тоже был открыт Карно и изложен им в тоненькой брошюрке Рассуждения о движущей силе огня (Reflexions sur la puissance motrice de feu, 1824). В ней Карно показал, что если тепло подводится к машине при температуре T₁, а отводится – при температуре T₂ (это могут быть температуры, при которых водяной пар поступает в паровую машину и отводится от нее), то существует некий максимум работы, которую может совершить машина при данном количестве тепла. Этот максимум всегда меньше полного количества тепла и определяется только величинами T₁ и T₂, независимо от того, какое вещество переносит тепло. Из закона сохранения энергии следует, что часть тепла, подводимого к машине, уходит с отработавшим теплоносителем, оставаясь неиспользованным. Чем ниже температура теплоносителя, тем труднее использовать его энергию на совершение работы. В килограмме воды при комнатной температуре больше тепловой энергии, чем в 10 г пара, но энергию последнего значительно легче извлечь. Таким образом, в результате любого превращения энергии в работу с теплоносителем уходит какое-то количество менее «полезной» энергии, и никакой компенсирующий процесс не может увеличить ее «полезность». В математической форме это положение выразил Р.Клаузиус (1822–1888), введя величину, которую он назвал энтропией и которая является мерой «бесполезности» (с точки зрения совершения работы) энергии. Любой процесс, в результате которого тепло превращается в работу, сопровождается повышением энтропии окружающей среды. Было установлено, что любая попытка уменьшить энтропию приводит к еще большему ее увеличению где-нибудь в другом месте. Ныне этот принцип называется вторым началом термодинамики. Содержание всей своей работы Клаузиус сформулировал в виде двустрочия, помещенного в конце статьи:

Энергия мира постоянна.

Энтропия мира стремится к максимуму.

Этот максимум отвечает состоянию, в котором вся материя будет иметь одну и ту же температуру и нигде не будет «полезной» энергии. Но уже задолго до того, как будет достигнуто такое состояние, жизнь станет невозможна. Пессимистический интеллектуальный климат конца 19 в. во многом связан с открытием этих двух абсолютных ограничений для будущего человечества.

Молекулярно-кинетическая теория

Развитая в трудах Клаузиуса, Кельвина (1824–1907) и их последователей наука термодинамика преуспела в установлении связей между множеством различных физических и химических явлений на основе первого и второго начал термодинамики, однако существуют пределы, за которыми столь общие утверждения уже не в силах объяснить происходящее. Необходимо было выяснить, каковы размеры частиц вещества и как они движутся. Не зная этого, невозможно, например, предсказать, при какой температуре будет плавиться данное твердое вещество, каковы его скрытая теплота плавления и электрические свойства. В общую схему термодинамики необходимо было включить законы, которым подчиняется движение отдельных молекул. Проблема, с которой столкнулись здесь ученые, была несравненно более трудной, чем ранее. Молекулы слишком малы, чтобы их можно было наблюдать непосредственно, и выводы можно делать, опираясь только на коллективные свойства систем, состоящих из миллиардов частиц.

Первый шаг в создании молекулярно-кинетической теории сделал Д.Бернулли в своей книге по гидродинамике (Hydrodynamica sive de viribus et motibus fluidorum commentarii, 1738). Бернулли принял, что газ состоит из чрезвычайно малых частиц, которые движутся быстро и свободно, если не считать столкновений. Эти частицы осыпают стенки сосуда ударами; каждый такой удар слишком слаб, чтобы его можно было ощутить, но огромное число ударов проявляется как постоянное давление. Затем путем рассуждений, неявно опирающихся на законы Ньютона, Бернулли пришел к выводу, что если медленно сжать газ, не изменяя скоростей движения частиц, то давление повысится, так что произведение давления на объем останется постоянным. Именно это соотношение для газа, сжимаемого при постоянной температуре, экспериментально открыл Р.Бойль в 1660. Бернулли указал также, что нагревание газа должно приводить к увеличению скорости частиц, а тем самым – к повышению давления вследствие увеличения числа и силы ударов частиц о стенки сосуда. Десятью годами позднее аналогичные идеи были высказаны русским ученым М.В.Ломоносовым, который дополнительно указал на то, что если верхнего предела для скоростей молекул газа, а следовательно, и для температуры в принципе не существует, то нижний предел – нулевая скорость – существует всегда, следовательно, должен существовать нижний предел температуры, ниже которого ничего нельзя охладить. Ныне этот предел называют абсолютным нулем.

Примечательно, что эти соображения обратили на себя внимание лишь 120 лет спустя, а потому ощутимого влияния на становление молекулярно-кинетической теории практически не оказали. Вместо этого физики и математики на протяжении столетия боролись с ложным представлением Ньютона о взаимном отталкивании всех атомов.

Здесь нужно упомянуть одну из самых малоизвестных в истории науки фигур – Дж.Уотерсона (1811–1883). Инженер и учитель, Уотерсон опубликовал в 1843 довольно неясно написанную книгу, прочитанную лишь немногими, в которой изложил некоторые соображения о свойствах газа, состоящего из быстро движущихся молекул. В 1845 он представил в Королевское общество подробную статью, которая, однако, была отвергнута как непригодная для публикации. По мнению одного из рецензентов, статья Уотерсона – «нонсенс, неприемлемый даже для публичного прочтения». Впоследствии Уотерсону удалось все же опубликовать некоторые из своих работ, но они остались без внимания. Уотерсон прожил довольно долго и стал свидетелем того, как другие удостоивались похвал и признания за открытия, которые гораздо раньше сделал он сам. И все же он не дожил до того времени, когда к тем же выводам пришел Дж.Рэлей в 1891, отдавший должное его трудам.

В 1856 к идеям Бернулли ученые вернулись снова. А.Крониг (1822–1879), годом позже Клаузиус и в 1860 Дж. Максвелл (1831–1879), великолепно владевший математическим аппаратом, на основе законов Ньютона предприняли систематический анализ газа из частиц, слишком малых, чтобы их можно было видеть, и взаимодействующих при участии сил, зависимость которых от расстояния могла быть задана лишь в самом общем виде. Так была заложена основа кинетической теории газов, или молекулярно-кинетической теории (в вопрос о природе молекул и их отношении к структуре вещества внес ясность в начале 19 в. А.Ампер). Эта теория давала оценки масс молекул, их размеров (около двух-трех стомиллионных сантиметра), среднего расстояния между молекулами в газе и в обобщенном виде охватывала все явления, порождаемые случайным действием огромного числа частиц. Позже, благодаря трудам Л.Больцмана (1844–1906) и Дж.Гиббса (1839–1903), она превратилась в науку, известную под названием статистической механики. Больцман показал, что второе начало термодинамики – вывод не более чем статистический. Постепенное разупорядочение во Вселенной аналогично постепенной утрате порядка в первоначально упорядоченной колоде игральных карт при многократном ее тасовании, и подобно тому как карты могут расположиться в исходной последовательности, если колоду перетасовать чудовищно большое число раз, так и вся Вселенная в один прекрасный день чисто случайно вернется в то состояние, из которого она когда-то вышла. (Оптимизма в такой концовке сценария умирающей Вселенной несколько поубавится, если оценить время, необходимое для случайного самопроизвольного возрождения.) Гиббсу принадлежит также заслуга создания химической термодинамики, на которой основаны современная теория химических реакций и вся химическая промышленность. См. также ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА.

У кинетической теории, равно как и у атомистической гипотезы, есть один серьезный недостаток: до тех пор пока поведение молекул нельзя будет наблюдать непосредственно, невозможно быть уверенным в правильности этой теории. Никакие подтверждения предсказаний молекулярно-кинетической теории на макроскопическом уровне не могут полностью исключить возможность того, что, подобно теории калорической жидкости или ньютоновской теории газа, она дает приемлемые с научной точки зрения результаты, исходя из неверных посылок. И действительно, еще в 1900 такие выдающиеся ученые, как физик Э.Мах и химик В.Оствальд, заявляли, что не желают рассматривать атомы иначе как гипотезу, позволяющую объяснять некоторые наблюдаемые явления. Но вскоре ситуация резко изменилась.

Поскольку молекулярный масштаб слишком мал для прямых наблюдений (и остается таковым поныне, если не считать весьма специальных условий), единственная надежда на «установление контакта» с миром молекулярно-кинетических явлений состоит в том, чтобы найти некий объект промежуточных размеров, достаточно малый для того, чтобы на нем непосредственно сказывались движения молекул, и в то же время достаточно большой для прямого наблюдения. В 1905 А.Эйнштейн, тогда служащий швейцарского патентного бюро в Берне, опубликовал работу, посвященную теоретическому анализу поведения частиц микроскопических размеров, свободно движущихся в жидкости. Разумеется, с каждой такой частицей ежесекундно сталкиваются случайным образом тысячи молекул, но, подобно всем случайным событиям, эти столкновения не могут в точности уравновесить друг друга (так же как при 100 бросаниях монеты редко выпадают ровно 50 орлов и 50 решек). Эйнштейну удалось вывести закон, по которому происходит случайное блуждание частиц: их среднее удаление от исходной точки возрастает как квадратный корень из времени. Вся теория Эйнштейна была изложена в виде цепочки формул. Подставляя в них определенные числа, можно было получать массы молекул. В примечании, данном в конце работы, Эйнштейн сообщал, что описываемое им явление, по-видимому, наблюдал в 1827 шотландский ботаник Р.Броун, исследовавший под микроскопом цветочную пыльцу, взвешенную в воде. Не прекращающиеся ни на миг блуждания частиц пыльцы (теперь эти блуждания называются броуновским движением) возбудили тогда некоторое любопытство, их даже приписали столкновениям частиц с молекулами, но лишь Эйнштейн усмотрел в броуновском движении мостик, соединяющий макроскопический и микроскопический миры. См. также ТЕРМОДИНАМИКА; МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ.

Электричество и магнетизм

Долгое время большинство физиков рассматривали эти явления как несущественные курьезы. Первым, кто предположил, что они со временем будут играть важную роль в понимании природных явлений, был, по-видимому, Ньютон.

Начало научных наблюдений электрических и магнитных явлений связывают с именем английского физики У. Гильберта (1540–1603). Он провел ряд опытов, пытаясь доказать, что земной магнетизм можно объяснить, если представить Землю в виде большого сферического магнита. Первые опыты с электричеством (этот термин ввел Гильберт) были поставлены с целью дать ответ на вопрос, существуют ли два типа носителей электричества или же отрицательный заряд – это просто отсутствие заряда положительного. Деление зарядов на положительные и отрицательные восходит к Б.Франклину (1706–1790), одному из немногих людей в Америке 18 в., которые интересовались общенаучными вопросами.

Первые количественные измерения, предпринятые для того чтобы установить законы электричества, были выполнены в конце 18 в. Тогда целому ряду исследователей удалось разными путями показать, что электрические силы сходны с гравитационными в том отношении, что они тоже обратно пропорциональны квадрату расстояния, хотя два электрических заряда могут и притягиваться, и отталкиваться, а под действием гравитационных сил тела могут только притягиваться друг к другу. Вскоре Ш.Кулон (1736–1806), один из тех, кто исследовал взаимодействие электрических зарядов и сформулировал закон, которому это взаимодействие подчиняется, установил аналогичную закономерность для магнитных сил. См. также МАГНИТЫ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА; ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ.

Все последующие события берут начало с изобретения А.Вольта (1745–1827) в 1800 электрической батареи, с помощью которой можно было получать постоянный электрический ток. Это изобретение позволило совершить множество открытий. Многие из них принадлежат М.Фарадею (1791–1867), чье имя в экспериментальной науке стоит почти так же высоко, как имя Ньютона в науке теоретической. Открытия, о которых идет речь, можно разделить на три группы: электрохимические, оптические и электромагнитные. К последним относятся наблюдения Х.Эрстеда (1820), обнаружившего, что электрический ток создает магнитное поле, и Фарадея (1831), продемонстрировавшего, что переменное магнитное поле создает электрическую силу. Эти открытия в свою очередь показали, что электричество и магнетизм должны быть тесно связаны между собой. Было достаточно легко представить электрический ток как некую жидкость, текущую по проводнику под действием электрических сил, но электромагнитные явления не поддавались такому простому механистическому объяснению, и, как мы увидим в дальнейшем, их физическая интерпретация привела к крушению того, что называли механистической картиной мира. Но прежде чем переходить к этому, расскажем о последнем блестящем успехе механистического подхода.

Строение атома

Обычные природные явления не дают никаких свидетельств о внутреннем строении атомов; почти все «коллективные» свойства газов и жидкостей и многие «коллективные»свойства твердых тел можно объяснить, считая атомы твердыми шариками, между которыми действуют силы взаимного притяжения. Однако в конце 19 в. стало очевидно, что существуют по крайней мере два класса явлений, для объяснения которых нужно более подробно знать, что именно представляет собой атом. Один из этих классов составляют явления, свидетельствующие о том, что атомы, лишь незначительно различающиеся по массе, могут обладать существенно разными химическими свойствами. Другой класс явлений связан со спектроскопией, которая занимается анализом света, испускаемого раскаленными газами и парами. Оказалось, что такой свет представляет собой набор волн с определенными частотами, характерными для каждого сорта атомов.

В первые годы 20 в. было построено несколько моделей атома. К этому времени стало известно, что одним из его составных элементов является электрон – частица с отрицательным электрическим зарядом и массой, в несколько тысяч раз меньшей массы атома. Из того, что в целом атом электрически нейтрален, следовало, что наряду с электронами атом содержит какие-то компенсирующие положительные заряды.

В 1911–1912 строение атома было в общих чертах установлено. Э.Резерфорд (1871–1937) начал свою научную карьеру с разгадки тайн радиоактивности – явления, открытого в 1896 А.Беккерелем. В 1911, работая в Манчестерском университете, Резерфорд получил экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что положительный заряд атома сосредоточен в его небольшой массивной сердцевине – ядре. Резерфорд сразу же высказал предположение, что атом устроен аналогично Солнечной системе: роль Солнца играет атомное ядро, а роль планет – электроны. См. также АТОМА СТРОЕНИЕ; АТОМНОГО ЯДРА СТРОЕНИЕ.

После открытия, сделанного Резерфордом, было естественным попытаться воспользоваться ньютоновской механикой, чтобы описать строение атома, в частности, размеры атомов, их химические свойства и спектры. Начало работам в этом направлении было положено Н.Бором, практикантом, приехавшим в Манчестер к Резерфорду из Дании. Бор решил начать с простейшего из атомов – водорода, в котором, согласно планетарной модели Резерфорда, должен быть один электрон, обращающийся вокруг одной тяжелой частицы, называемой протоном. Кроме того, частоты эмиссионного спектра водорода составляли простой набор, который точно описывался формулой, подобранной И.Бальмером в 1885. Бор быстро обнаружил, что одних законов Ньютона недостаточно для того, чтобы объяснить стабильность атома и испускание света только определенных частот; эти законы необходимо дополнить новым законом, не опирающимся на предшествующую физику. Согласно этому закону, из всех возможных орбит, по которым электрон может обращаться вокруг ядра в соответствии с ньютоновской механикой, в природе реализуется только небольшой набор орбит, удовлетворяющих некоторому математическому условию. «Постулаты Бора» и идея Эйнштейна о природе лучистой энергии (о чем будет сказано ниже) позволили Бору получить формулу Бальмера. За этим успехом, открывшим путь к познанию строения атома, последовало качественное объяснение основных химических свойств всех атомов. Но темные места все же оставались, и самым загадочным было то, что теория Бора не могла объяснить спектр или хотя бы стабильность любого атома, более сложного, чем атом водорода. Не поддавался анализу даже атом гелия с всего лишь двумя электронами, вращающимися вокруг ядра, положительный заряд которого вдвое больше заряда протона. Напрашивался вывод, что атом водорода следует рассматривать как некое исключение и что успех Бора, возможно, был чисто случайным. В действительности же механистическая концепция достигла пределов своего развития и в ближайшем будущем ей предстояло уступить место иному взгляду на физические явления, который подспудно формировался на протяжении многих лет.

ПРИРОДА КАК ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИЕ ПОЛЯ

Для Ньютона и его современников было вполне естественным спрашивать себя, откуда берется сила гравитации и как она действует. Он понимал, что данный предмет далеко не прост. Ему казалось невероятным, чтобы два тела могли взаимодействовать через разделяющее их абсолютно пустое пространство. В письме Р.Бентли Ньютон писал:

«То, что тяготение должно быть внутренне присущим, неотъемлемым и необходимым для материи, так, чтобы одно тело могло действовать на другое на расстоянии через пустоту, без посредства чего-либо еще, представляется мне столь большой нелепостью, что, по моему убеждению, ни один человек, способный со знанием дела судить о философских материях, не впадет в нее. Тяготение должно вызываться неким агентом, постоянно действующим по определенным законам; а материален этот агент или нематериален, я предоставляю судить читателям».

Во времена Ньютона такой агент назывался эфиром, и этому представлению предстояло трансформироваться в более утонченное понятие поля. Теория поля заняла центральное место в современной физике – так же как материальный атомистический механизм был центральной концепцией физики предшествующих столетий. Теорий эфира было много, и каждая из них возникла в ответ на необходимость объяснения действия той или иной силы на расстоянии. Так, были эфиры гравитационный, электрический, магнитный и светоносный (последний эфир был гипотетической средой, обеспечивающей распространение света). Под воздействием общефизических представлений своего времени теории эфира приобретали более механистический характер – эфиры были жидкостями, подчинявшимися законам Ньютона или другим аналогичным законам, а передаваемые ими влияния носили характер механического действия. По мере накопления знаний о свете сам свет начали представлять как волновое движение в светоносном эфире, аналогичное распространению звука в воздухе. Впервые эта точка зрения была высказана в 1746 выдающимся математиком Л.Эйлером (1707–1783). Вначале взгляды Эйлера не встретили понимания, поскольку противоречили ньютоновской корпускулярной теории света, но получили признание после двух решающих экспериментальных подтверждений. Первым подтверждением стала интерференция двух наложенных световых пучков от одного и того же источника, при которой совпадение горбов и впадин одной волны с горбами и впадинами другой создает картину, состоящую из светлых и темных пятен. Такие явления были известны со времен Ньютона, систематически же их исследовали с точки зрения волновой теории в 1801 Т.Юнг (1773–1829) и позднее О.Френель (1788–1827). Объяснения интерференции с позиций корпускулярной теории выглядели неуклюже, но их было принято считать верными, и лишь после того, как Юнг в 1817 предложил свое объяснение поляризации света, корпускулярная теория была вынуждена уступить место волновой. Поляризованный свет обладает пространственной направленностью, не свойственной звуку, и это обстоятельство навело Юнга на мысль, что световые волны в отличие от звуковых являются поперечными, т.е. в них, как и в волнах на воде, колебания происходят поперек направления их распространения (а не вдоль, как в звуковых, продольных волнах). Волновая теория света объясняет все известные явления интерференции и поляризации, но поиски механической модели, которая сделала бы ее понятной, столкнулись с непреодолимыми трудностями. Проблема в том, что эфир как физическая субстанция должен быть достаточно плотным, чтобы свет мог распространяться по нему с огромной скоростью, но все же не слишком плотным, чтобы мешать движению планет и других объектов. К тому же эфир должен обладать некоторой упругостью – поперечные волны могут распространяться в желе, но не в воде. (Наблюдаемые нами волны на воде распространяются только по ее поверхности.) Ныне трудно себе представить, что идея механического эфира могла восприниматься столь серьезно, но так уж сильна была власть ньютоновского механицизма, что понадобились колоссальные интеллектуальные усилия, чтобы окончательно его отбросить.

Между тем формировалась новая концепция. На М.Фарадея, занимавшегося изучением магнетизма, сильное впечатление произвели картины, образуемые железными опилками на листке бумаги вблизи полюсов магнита. Опилки выстраивались в линии, и Фарадей установил, что их направление в каждой точке совпадает с направлением силы, создаваемой в этой точке магнитом. Попадая в области более или менее интенсивного магнитного поля, линии всегда сходились в пучок или, наоборот, расходились, и Фарадей догадался, что они дают видимую картину чего-то, что и в их отсутствие реально существует в пространстве вблизи полюсов магнита. Это «что-то» получило название поля. Фарадей заключил, что поле состоит из «магнитных силовых линий»; позднее он обнаружил существование аналогичных электрических силовых линий и в 1846 высказал предположение, что свет – это поперечные колебания, распространяющиеся вдоль силовых линий. Гипотеза Фарадея была первым предвосхищением установленной впоследствии тесной связи между светом, с одной стороны, и электричеством и магнетизмом – с другой.

Заслуга создания теории электромагнитного поля, как его стали называть, в основном принадлежит Дж.Максвеллу (1831–1879). В 1856, будучи научным сотрудником Тринити-колледжа в Кембридже, Максвелл начал работать над созданием механической теории электрического и магнитного полей, намереваясь выразить точным математическим языком идеи Фарадея. К 1861 Максвелл создал весьма сложную, но многообещающую картину эфира как текучей среды, передающей некоторые напряжения и допускающей сложные вихревые движения. Исходя из таких наглядных представлений, он вывел систему дифференциальных уравнений, связывающих различные компоненты электрического и магнитного полей. Уравнения описывали как статические явления, например кулоновские электрические и магнитные взаимодействия, так и динамические, например, открытые Фарадеем. Кроме того, уравнения Максвелла позволили предсказать новую взаимосвязь между электрическим и магнитными полями – их согласованное распространение в виде поперечных волн со скоростью 306 000 км/с. К тому времени уже было известно, что свет распространяется примерно с такой же скоростью, а эксперименты Физо (1849) дали значение, весьма близкое к полученному Максвеллом. Это замечательное согласие говорило о том, что Максвеллу удалось построить столь давно ожидаемую теорию света и к тому же объяснить все электрические и магнитные явления. Оправдалось пророческое замечание Фарадея (1851): «Если эфир существует, то, вероятно, передача излучений не есть его единственное назначение». Теория Максвелла наряду с теорией Бора явилась высшим достижением механистического подхода. Сегодня мы видим в его теории электромагнитного поля две стороны. Изящные симметричные уравнения, которые и поныне считаются корректными и полными, сопровождает неуклюжая концепция эфира, призванная эти уравнения объяснить. В 1864 Максвелл представил уточненный вариант своей теории Королевскому обществу. Эфир входил в эту теорию неявно, как фон для физических соотношений электромагнитного поля, но был лишен всех свойств, кроме тех, которые следовали из самих полевых уравнений. Однако крупнейших физиков того времени, в том числе Кельвина и Гельмгольца, теория Максвелла не убедила, и Кельвин, доживший до 1907, так и не признал ее. Многие же физики более молодого поколения приняли теорию Максвелла, и основную роль здесь сыграли эксперименты Г.Герца (1857–1894), который впервые осуществил генерацию и прием электромагнитных волн. Эксперименты Герца не только подтвердили теорию Максвелла, но и заложили основы радиотехники.

Теория Максвелла привела к самым большим теоретическим продвижениям в физике со времен Ньютона. Максвелл пришел в физику, когда в ней господствовали идеи движущихся центров силы, а покинул ее, заложив основы представления о поле, которое проявляется в том, что оказывает силовое воздействие на вещество, а также переносит энергию. Последнее обстоятельство более всего наполняет поле реальностью: без труда можно представить, что электрические заряды создают силы, действующие на другие заряды на расстоянии, но если один материальный объект дает вспышку излучения, которое впоследствии поглощает другой объект, то закон сохранения энергии будет нарушен, если не принять, что за время от испускания до поглощения излучения энергия распространяется в форме поля.

Сегодня физика в основном занята изучением взаимодействующих полей, одним из которых является поле Максвелла. Все эти поля распространяются в виде волн, но не в какой-либо среде, как звуковые волны в воздухе, а просто как волны поля. Пример старшего поколения ученых, долго относившегося к идее таких «бестелесных» волн с недоверием, как к некой мистификации, в очередной раз напоминает нам о трудностях становления подлинно новых научных идей.

Принципы относительности

Одна из наиболее характерных особенностей любого физического поля – то, в каком виде оно предстает перед наблюдателем. Например, покоящийся электрический заряд создает чисто электрическое поле. Но если заряд движется относительно наблюдателя или, что эквивалентно, если наблюдатель движется относительно заряда, то поле оказывается отчасти и магнитным. То же самое можно сказать о поле, создаваемом магнитом, и мы приходим к заключению, что разграничение электрического и магнитного полей существует только в некой определенной системе отсчета. Если же мы выберем новую систему отсчета так, чтобы она двигалась относительно старой, то граница сгладится – чисто электрическое поле приобретет магнитную компоненту, а чисто магнитное – электрическую.

См. подробнее в статье Энциклопедии Кругосвет — Относительность

На этот счет к 1900 были известны два положения. Во-первых, уравнения Максвелла описывают ситуацию в целом правильно. Во-вторых, если речь идет только о самом явлении, то существенно лишь относительное движение наблюдателя и объекта наблюдения. Эта истина, так называемый принцип относительности, воплощена в законе инерции Галилея и пронизывает всю схему механики Ньютона.

В конце 19 в. физики, к своему удивлению, обнаружили, что эти два положения математически не согласуются между собой и что можно утверждать либо одно, либо другое, но не то и другое одновременно. Теория эфира предлагала такой выход: электрический заряд, покоящийся в эфире и измеренный движущимся наблюдателем, не эквивалентен движущемуся заряду для неподвижного наблюдателя. А.Пуанкаре (1854–1912), исследовав такое предположение, понял, что оно привносит в законы электричества асимметрию, которая не отвечает ничему наблюдаемому в природе.

Выход указал в 1905 А. Эйнштейн замечательной теорией, названной им позднее частной (специальной) теорией относительности. Приняв за основу правильность уравнений Максвелла, Эйнштейн показал, что принцип относительности может быть сохранен, если радикально пересмотреть не подвергавшиеся на протяжении столетий сомнению фундаментальные понятия пространства и времени. Работа Эйнштейна стала частью системы образования нового блестящего поколения физиков, выросшего в 1920-х годах. Последующие годы не выявили в частной теории относительности каких-либо слабых мест.

Однако Эйнштейну не давало покоя то обстоятельство, ранее отмеченное Ньютоном, что вся идея относительности движения рушится, если ввести ускорение; в этом случае в игру вступают силы инерции, отсутствующие при равномерном и прямолинейном движении. Через десять лет после создания частной теории относительности Эйнштейн предложил новую, в высшей степени оригинальную теорию, в которой главную роль играет гипотеза искривленного пространства и которая дает единую картину явлений инерции и гравитации. В этой теории принцип относительности сохранен, но представлен в гораздо более общей форме, и Эйнштейну удалось показать, что его общая теория относительности с небольшими изменениями включает бóльшую часть ньютоновской теории тяготения, причем одно из этих изменений объясняет известную аномалию в движении Меркурия.

На протяжении более 50 лет после появления общей теории относительности в физике ей не придавалось особого значения. Дело в том, что расчеты, производимые на основе общей теории относительности, дают почти такие же ответы, как и вычисления в рамках теории Ньютона, а математический аппарат общей теории относительности намного сложнее. Проводить длинные и трудоемкие расчеты стоило лишь, чтобы разобраться в явлениях, возможных в гравитационных полях неслыханно высокой интенсивности. Но в 1960-х годах, с наступлением эры космических полетов, астрономы начали сознавать, что Вселенная гораздо разнообразнее, чем это представлялось вначале, и что могут существовать такие компактные объекты с высокой плотностью, как нейтронные звезды и черные дыры, в которых гравитационное поле действительно достигает необычайно высокой интенсивности. В то же время развитие вычислительной техники отчасти сняло бремя утомительных расчетов с плеч ученого. В результате общая теория относительности начала привлекать внимание многочисленных исследователей, и в этой области начался бурный прогресс. Были получены новые точные решения уравнений Эйнштейна и найдены новые способы интерпретации их необычных свойств. Более детально была разработана теория черных дыр. Граничащие с фантастикой приложения этой теории указывают на то, что топология нашей Вселенной гораздо сложнее, чем можно было думать, и что могут существовать другие вселенные, отстоящие от нашей на гигантские расстояния и соединенные с ней узкими мостиками искривленного пространства. Не исключено, конечно, что это предположение окажется неверным, но ясно одно: теория и феноменология гравитации – это математическая и физическая страна чудес, которую мы едва начали исследовать. См. также ЧЕРНАЯ ДЫРА; НЕЙТРОННАЯ ЗВЕЗДА.

Кванты

Читателю уже известно, что для описания весьма и весьма многих материальных систем пригодна механика Ньютона, а для правильного описания всех электромагнитных полей необходима теория Максвелла. Теперь мы хотим показать, что в действительности эти два подхода – просто два крайних случая единой картины, называемой квантовой теорией. Как и теории Ньютона и Максвелла, это некая математическая схема, но гораздо более трудная для объяснения на нематематическом языке, поскольку квантовая теория не основывается на интуитивных представлениях, которые лишь уточнялись бы математикой. Для большей ясности в дальнейшем изложении мы откажемся от исторического подхода, т.к. ряд важных открытий был сделан в «неподходящее время» и в такой последовательности, которая затрудняет их понимание.

В 1887 Герц, изучая электромагнитное излучение, попутно сделал открытие, установив, что свет, падающий на металлическую поверхность, каким-то образом делает ее электрически заряженной. В последующие годы удалось выяснить, что свет выбивает из металла отрицательные электрические заряды. Ныне это явление называется фотоэлектрическим эффектом. В 1898 Дж.Дж.Томсон (1856–1940) установил, что отрицательные заряды переносятся микроскопическими частицами с массой, в тысячи раз меньшей массы любого атома. Томсон назвал эти частицы электронами. Далее, в основном благодаря усилиям Эйнштейна (1905), выяснилось, что свет имеет двойственную природу: это и частицы, называемые ныне фотонами, и волны. В разных экспериментах он ведет себя по-разному. Не располагая объяснением этого странного явления, физики принялись за поиск новых идей. Простейшую и, как оказалось в дальнейшем, наиболее плодотворную идею высказал Л.де Бройль (1892–1987). В 1924 он предложил распространить загадочную двойственность света и на материю и высказал предположение, что электрон должен обнаружить свои волновые свойства, если поставить эксперимент по интерференции электронов, аналогичный экспериментам по интерференции света, которые в свое время были проведены Т.Юнгом. Такие эксперименты вскоре были выполнены и дали предсказанные де Бройлем результаты. Кроме того, де Бройль предположил, что орбитальный электрон в теории Бора описывает вокруг ядра замкнутую волну, и выглядевшие до этого произвольными постулаты Бора для определения энергетических уровней атома водорода получили простое и естественное объяснение.

Напомним в связи с этим, что с момента своего появления в 1913 теория Бора оказалась почти бесплодной в объяснении количественных свойств атомов, отличных от атома водорода. Теперь настало время разрешить проблему строения атома, что и было сделано почти одновременно двумя физиками. В 1925 В.Гейзенберг (1901–1976) развил несколько громоздкий математический аппарат с трудно постижимым физическим смыслом, позволявший тем не менее быстро получать правильные ответы на некоторые вопросы, связанные со строением атома. В следующем году Э.Шрёдингер (1887–1961), исходя из гипотезы де Бройля о волнах материи, сделал практически то же, что в свое время сделал Максвелл в связи с гипотезой Юнга о волновой природе света: вывел полевые уравнения, позволявшие объяснить большинство атомных свойств. В 1927 Шрёдингер показал, что его теория, сильно отличавшаяся своими физическими допущениями от теории Гейзенберга, по своему математическому содержанию эквивалентна ей. Единство физических явлений с волновой точки зрения обусловлено тем, что свет и все другие формы материи можно представить в виде полей в пустом (в остальных отношениях) пространстве, описываемых некоторыми уравнениями, показывающими, как поля изменяются в пространстве и времени и как они взаимодействуют сами с собой и друг с другом. Различия же между светом и веществом с этой точки зрения связаны с особенностями математического представления различных полей и структурой полевых уравнений.

Теперь нам нужно объяснить корпускулярность полей. Труднее всего понять, каким образом поле, по самой своей сущности однородное и непрерывное, может проявлять себя как нечто дискретное и разрывное. В такой постановке проблема восходит к 1900, когда М.Планк (1858–1947) пытался объяснить интенсивность и цвет излучения, испускаемого раскаленным твердым телом. Он был вынужден допустить, что материальный объект, испускающий излучение с частотой n, делает это не непрерывно, как можно было бы ожидать, а малыми порциями – квантами, каждый из которых несет энергию Е, пропорциональную частоте. Если соотношение пропорциональности записать в виде E = hn, то оказывается, что коэффициент пропорциональности h имеет одно и то же значение для всех форм материи (ныне он называется постоянной Планка). В 1905 Эйнштейн воспользовался идеей Планка, объяснив фотоэлектрический эффект как результат столкновений фотонов с электронами, а в 1913 Бор в поисках объяснения дискретности частот излучения, испускаемого атомами, создал свою чисто механическую теорию, включив в нее гипотезу Планка о дискретности квантов и введя в различные формулы постоянную Планка h. Уравнения, выведенные де Бройлем, Гейзенбергом и Шрёдингером, содержали h, так что постоянная Планка стала своего рода символом дискретности природы. Выраженная в обычных единицах, величина h представляет собой очень малое число, и следовательно, дискретность лежит намного ниже уровня восприятия наших рецепторов, но тем не менее она участвует во всех процессах, сопровождающихся излучением или поглощением энергии – в возникновении и распространении света и звука, во взаимодействии частиц и многом другом. Дискретные порции энергии любого вида называются квантами, а вся теория, имеющая с ними дело, – квантовой теорией. Теория Гейзенберга и Шрёдингера называлась по-разному – квантовой или волновой механикой – в зависимости от того, какая точка зрения была принята. Кванты различных полей получили названия с окончанием —он: фотон для света, фонон для звука, электрон, протон, нейтрон и т.д.

Квантовая теория заставила физиков пересмотреть взгляды на все, что происходит в атомных масштабах, а также на многие обычные явления. Но ее самой глубокой новой идеей стало понятие неопределенности, которое мы не станем обсуждать здесь подробно. Скажем только, что оно утверждает существование некоторых пределов, в которых ни познание, ни объяснение физических явлений невозможны даже в принципе. В этих пределах все происходящее носит случайный характер в том смысле, что причинность в ее надлежащем понимании не действует. Однозначные причинные формулировки механистической картины мира в таких ситуациях уступают место статистическим утверждениям, дающим лишь вероятности, но не позволяющим абсолютно точно предсказать результаты конкретного эксперимента. Кажущаяся точность законов динамики в том виде, в каком их изложил Ньютон и придерживались его последователи, в квантовой теории предстает как прямое следствие статистического «закона больших чисел», согласно которому статистические утверждения тем точнее, чем больше выборка, на основании которой они сделаны.

В очень упрощенном виде ситуация с дуализмом вещество – поле на сегодня выглядит так: поле – основной способ описания материи, но у него есть аспекты дискретности, напоминающие о ньютоновской концепции вещества (и света) как субстанции, состоящей из малых частиц, взаимодействующих между собой. В атомном масштабе ситуация действительно очень отличается от той, которая представлялась Ньютону, поскольку проявляются неопределенности и нарушения причинности, но на макроуровне эти эффекты исчезают, что дает возможность предсказывать события с точностью пусть и не абсолютной, но вполне достаточной для любых практических целей. Таким образом, механистическая картина мира предстает перед ними как практическое следствие фундаментальной теории полей, хотя, если перейти на микроуровень, мы не можем теперь вслед за Левкиппом сказать, что «все имеет причину и является результатом необходимости». Мы не знаем, как будет выглядеть современная квантовая теория через сто лет, и хотя некоторым она кажется странной и непонятной, тем не менее она ни разу не пришла в противоречие с экспериментом, а область ее применимости все время расширяется.

СОВРЕМЕННАЯ ФИЗИКА

До 1940-х годов основные виды известной тогда материи выглядели довольно просто: атом состоял из электронов, движущихся вокруг массивного ядра; при некоторых условиях он испускал свет в форме квантов, называвшихся фотонами; ядра состояли из нейтронов и протонов (нуклонов), каждый из которых обладал массой, примерно в 1840 раз превышающей массу электрона; частица третьего типа с массой, промежуточной между массой электрона и протона, названная «мезоном», отвечала за взаимодействие частиц ядра (нуклонов), а фотон, квант электромагнитного поля, удерживал вместе электрон и ядро. В то время было естественно рассматривать все перечисленные выше частицы как элементарные формы материи, аналогичные элементам традиционной химии, из которых состоит все, что нас окружает. Однако с открытием в последнее время большого числа новых частиц зародилось сомнение в том, что все они действительно элементарны. Основные работы в этой очень трудной области физики ведутся в научно-исследовательских центрах, располагающих чрезвычайно дорогостоящими экспериментальными установками. В Соединенных Штатах это Брукхейвенская и Аргоннская национальные лаборатории, Национальная лаборатория ускорителей близ Чикаго, Станфордский линейный ускоритель, в Западной Европе – ЦЕРН, Европейский совет по ядерным исследованиям (European Council for Nuclear Research) в Женеве, объединяющий 12 стран. Несколько научно-исследовательских центров, возникших при больших ускорителях, имеется в России.

Главная задача фундаментального изучения материи состоит в том, чтобы как можно больше узнать о всех возможных ее формах, т. е. установить, какие бывают элементарные частицы и каковы их свойства, объяснить, почему наша Вселенная содержит именно эти, а не другие разновидности частиц. В 1970-х годах возникла теория, в которой элементарные частицы считались состоящими из еще более фундаментальных «кирпичиков» материи – кварков. Сначала кварков было всего три, затем их стало 12, а чуть позже – 15. Как это часто бывало в прошлом с другими теориями материи, с каждым таким расширением списка частиц усиливалось подозрение, что теория кварков при всей ее привлекательности все же не является подлинно фундаментальной.

Второе общее направление, которому следует в своем развитии фундаментальная физика сегодня, – это изучение форм материи, состоящих из большого числа связанных частиц. Одно из направлений такого рода исследований занимается изучением газов, частицы которых слабо связаны и основное время проводят в свободном полете. Если не считать поведения газов при экстремальных условиях (такого рода вопросы интересуют тех, кто, например, занимается изучением ракетных двигателей), в этой области знаний сейчас нет ни одного принципиального вопроса, на который нельзя было бы дать ответ.

Что касается жидкостей и твердых тел, то здесь предстоит выяснить еще многое. В частности, твердые тела обладают разнообразными механическими, электрическими и магнитными свойствами, для объяснения которых недостаточно знать, из каких частиц эти тела состоят, поскольку упомянутые свойства зависят также от их агрегатного состояния. Физика твердого тела – быстро развивающаяся область науки, и отчасти это связано с ее большим прикладным значением: так, транзисторы и другие полупроводниковые устройства, созданные как результат исследований и разработок в области физики твердого тела, произвели настоящую революцию в электронике. См. также ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА; ТРАНЗИСТОР.

Еще одно состояние агрегации мы находим в атомном ядре. Поскольку ядро очень мало и его составляющие прочно связаны ядерными силами, оно представляет собой очень трудный объект для изучения, так что сведения о его структуре и типах внутриядерного движения весьма скудны. Исследования в этой области широко поддерживаются правительствами, поскольку ядерной энергии придется удовлетворять значительную часть энергетических потребностей человечества, когда иссякнут источники нефти и угля.

Наконец, упомянем о физике плазмы, одной из новых областей науки. Плазма – это раскаленный газ, состоящий из проводящих электричество ионов и электронов, но его поведение заметно отличается от поведения газа при обычных условиях. Если учесть, что все звезды и значительная часть межзвездного вещества – плазма, то получается, что во Вселенной в таком состоянии находится более 99% материи. Следовательно, для проникновения в тайны космоса необходимо как можно более полно исследовать свойства самой плазмы. Кроме того, для создания наиболее перспективных – термоядерных источников энергии, по-видимому, потребуется воспроизвести условия, царящие в недрах звезд.

До Второй мировой войны почти все значительные исследования в области физики выполнялись в университетских лабораториях, поддерживаемых университетскими фондами. После войны ситуация изменилась по трем причинам. Во-первых, создание новых экспериментальных установок стало для университетских бюджетов слишком дорогим делом, что привело к необходимости широкомасштабного участия государства в субсидировании научных программ. Во-вторых, правительства осознали необходимость поддержки научных исследований в собственных военных, экономических и политических целях. Это в особенности касается космических программ и исследований в области физики элементарных частиц, а также различных видов деятельности, связанных с решением энергетических проблем. В-третьих, коренным образом изменилось отношение деловых людей к науке: теперь большой бизнес во всем мире участвует в создании лабораторий, в которых проводятся серьезные исследования.

Все предпринимавшиеся ранее попытки предсказать будущее науки кончались провалом, однако очевидно, что мы можем ожидать большого прогресса в указанных выше направлениях. Ясно также, что в будущем появятся совершенно новые направления исследований, которые сейчас невозможно предвидеть, как невозможно было предсказать сто лет назад появление ядерной физики. Подлинно всеобъемлющая физическая теория позволит рассматривать с единой точки зрения процессы, протекающие во всех масштабах – от космического до субатомного. Ныне же, хотя нам известно многое, мы видим лишь интригующие фрагменты полной картины мира.

Физика — Наука об окружающем нас мире / Хабр

Наука об окружающем нас мире

Статьи

Авторы

Компании

Сначала показывать

Порог рейтинга

DAN_SEA
сегодня в 12:00

Блог компании RUVDS.com Читальный зал Физика DIY или Сделай сам Электроника для начинающих

Жизнь человечества невозможно представить без двигателей, которые сопровождают нас и применяются во множестве областей человеческой деятельности. Однако зададимся вопросом: а бывает ли «двигатель без двигателя»?

Согласно Теории Решения Изобретательских Задач (ТРИЗ) — «самый лучший механизм, это тот, который отсутствует, но, тем не менее, его функция выполняется».

Если бы подобный двигатель существовал, то он был бы идеальным устройством в своём классе! Как ни странно, подобный двигатель существует и называется «магнитогидродинамическим двигателем» (МГД), и именно об этом мы и поговорим в нашей статье.

Читать дальше →

Всего голосов 36: ↑33 и ↓3 +30

Просмотры

4K

Комментарии
16

Pampam83
27 сентября в 16:10

Научно-популярное Физика

Перевод

Перевод классической научной работы, вышедшей в 1883 году.

Читать далее

Всего голосов 8: ↑8 и ↓0 +8

Просмотры

1. 6K

Комментарии
4

Pampam83
26 сентября в 10:00

Научно-популярное Физика

Перевод

Перевод классической научной работы, вышедшей в 1883 году.

Читать далее

Всего голосов 9: ↑9 и ↓0 +9

Просмотры

1.3K

Комментарии
1

SLY_G
26 сентября в 01:13

Научно-популярное Физика Астрономия

Распределение скоростей межзвёздного газа в скоплении галактик, выполненное при помощи компьютерного симулятора IllustrisTNG. Чёрные области, спокойные галактические нити, имеют малую скорость, белые — сверхмассивные чёрные дыры — имеют скорость более 1000 км/с. Эти чёрные дыры сдувают газ, не давая формироваться звёздам.

Сегодня — уникальное время как для астрофизиков и космологов, так и для философов. В ближайшие годы будут введены в строй новые поколения наземных и космических телескопов. Их передовые технологии вкупе с машинным обучением позволят нам прозондировать самые отдалённые участки космоса. И если нам хоть немного повезёт, мы сможем разрешить наиболее упрямые вопросы о происхождении как жизни, так и всей Вселенной.

К сожалению, один такой вопрос в принципе может вообще остаться без ответа: если Вселенная появилась в результате Большого взрыва, что было до него? Профессор Авраам Леб считает, что ответ на него может быть экзотичнее даже самых странных теорий. По его мнению, нашу Вселенную могла создать в своей лаборатории технологически продвинутая цивилизация.

Читать дальше →

Всего голосов 40: ↑31 и ↓9 +22

Просмотры

42K

Комментарии
52

Bright_Translate
000Z» title=»2022-09-25, 13:00″>25 сентября в 13:00

Блог компании RUVDS.com Физика DIY или Сделай сам Электроника для начинающих

Перевод

Как любитель ядерной физики и ускорительной техники я всегда нахожусь в поиске новых источников высокого напряжения. Обычно таким устройством оказывается нечто на основе большого трансформатора, умножителя напряжения или их комбинации. Но существует и множество других методов генерации высокого напряжения, которые зачастую не учитываются и рассматриваются как устаревшие. Один из них – это старый добрый генератор Ван де Граафа, изобретённый ещё в 1929 году. О сборке подобного устройства собственными силами и пойдёт речь в данной статье.

Читать дальше →

Всего голосов 85: ↑82 и ↓3 +79

Просмотры

14K

Комментарии
2

mIka01
000Z» title=»2022-09-24, 14:41″>24 сентября в 14:41

Научно-популярное Физика

Перевод

Перевод разделен на две части.

Как проектировать, строить и испытать малые жидкостные ракетные двигатели. Практика.

Читать далее

Всего голосов 14: ↑13 и ↓1 +12

Просмотры

3.4K

Комментарии
14

mIka01
23 сентября в 18:11

Научно-популярное Физика

Перевод

Перевод разделен на две части.

Как проектировать, строить и испытать малые жидкостные ракетные двигатели. Теория.

Читать далее

Всего голосов 16: ↑15 и ↓1 +14

Просмотры

4.2K

Комментарии
18

OlegSivchenko
000Z» title=»2022-09-23, 14:44″>23 сентября в 14:44

Научно-популярное Физика Химия

В одной из моих публикаций я затрагивал тему распада протона. Суть проблемы: до сих пор не зафиксировано ни одного самопроизвольного распада свободного протона, хотя, искусственно «расколоть» протон не составляет труда. Более того, свободные нейтроны вне атома распадаются очень быстро (период полураспада – около 15 минут). Чрезвычайная стабильность протона – залог существования Вселенной и, в частности, залог горения звезд, состоящих в основном из водородной плазмы, то есть, из свободных протонов и свободных электронов (ни те, ни другие частицы в свободном виде не распадаются). При этом не менее интересно, что протон не является подлинно элементарной частицей, а состоит из кварков и глюонов. И здесь у физиков возникают большие вопросы о природе массы протона. С одной стороны, масса протона гораздо больше, чем суммарная масса входящих в него кварков и глюонов. С другой стороны, в 2022 году был поставлен эксперимент, указывающий, что некоторые свойства протона можно объяснить только присутствием в его составе очарованного кварка – а очарованный кварк сам по себе тяжелее протона. Наконец, я кратко остановлюсь на вкладе вещества и антивещества в массу протона, и расскажу о некоторых экзотических частицах, возникающих при этих взаимодействиях.  

Читать далее

Всего голосов 69: ↑67 и ↓2 +65

Просмотры

6.6K

Комментарии
27

Astrei
23 сентября в 11:34

Блог компании Timeweb Cloud Научно-популярное Физика DIY или Сделай сам Электроника для начинающих

Пора уже поближе познакомиться с квантовой физикой на практике! Сегодня я расскажу вам об истории открытия эффекта ядерного магнитного резонанса, но в отличие от классических учебников полных зубодробительного матана мы обратим наш разрушительный для когеренции взгляд на экспериментальную составляющую. С полученными знаниями вы сможете в духе старого доброго DIY собрать несложный прибор, который позволит вживую послушать сигналы ядер атомов водорода а также измерить величину магнитного поля нашей планеты.

Поехали!

Всего голосов 142: ↑142 и ↓0 +142

Просмотры

10K

Комментарии
58

DAN_SEA
22 сентября в 12:00

Блог компании RUVDS.com Разработка под Arduino *Физика DIY или Сделай сам Электроника для начинающих

Со времён знакомства человека с металлом началась эпопея по его обработке. Так как прочность материала не позволяет легко изменять его форму и свойства, человечество придумало множество подходов, технологических процессов и инструментов для работы с металлом.

Однако проблема заключается в том, что для обработки такого непростого материала требуется использование соответствующих сложных процессов и дорогих инструментов, которые, к тому же достаточно быстро приходят в негодность. Дело осложняется ещё и тем, что некоторые виды обработки в принципе недостижимы стандартными способами. Однако существует интересная альтернатива стандартным подходам — электроэрозия, о чём мы и поговорим в этой статье.

Читать дальше →

Всего голосов 128: ↑126 и ↓2 +124

Просмотры

52K

Комментарии
54

vlad1953
20 сентября в 10:42

Математика *Физика Квантовые технологии

Tutorial

Недавно я опубликовал на HABR’е статью про визуализацию кваннтового спина и сферы Блоха. После некоторых размышлений решил опубликовать в дополнении к этой статье следующий текст.

Читать далее

Всего голосов 12: ↑9 и ↓3 +6

Просмотры

4K

Комментарии
5

Pampam83
20 сентября в 10:12

Научно-популярное Физика

Перевод

Перевод классической научной работы, вышедшей в 1883 году.

Читать далее

Всего голосов 14: ↑14 и ↓0 +14

Просмотры

1.9K

Комментарии
1

Pampam83
17 сентября в 14:54

Научно-популярное Физика

Из песочницы

Перевод

Перевод классической научной работы, вышедшей в 1883 году.

Читать далее

Всего голосов 54: ↑54 и ↓0 +54

Просмотры

9K

Комментарии
12

HamsterTime
16 сентября в 13:09

Научно-популярное Физика DIY или Сделай сам Химия

Tutorial

Хомяки приветствуют вас друзья! 

Сегодняшний пост будет посвящен алхимии — древнему ремеслу, способного превращать камень в золото. В ходе поста будем работать с различными кислотами, приготовим самый настоящий золотой бульон и узнаем как приручить драгоценный металл история которого, началась около 6 тыс. лет назад ориентировочно в Египте. Процесс этот увлекательный и местами непредсказуемый, что требует базовых знаний техники безопасности. 

Читать далее

Всего голосов 75: ↑65 и ↓10 +55

Просмотры

9.2K

Комментарии
53

DAN_SEA
15 сентября в 12:00

Блог компании RUVDS.com Разработка под Arduino *Физика DIY или Сделай сам Электроника для начинающих

Периодически для разных целей возникает потребность в измерении диапазона температур. Достичь этой цели можно разными средствами, но лучше всего для этого подходит тепловизор. Одна проблема, — подобное устройство не отличается низкой ценой. А реально ли его построить самому? Об этом мы и поговорим в этой статье.

Читать дальше →

Всего голосов 80: ↑75 и ↓5 +70

Просмотры

23K

Комментарии
48

Dmytro_Kikot
14 сентября в 10:00

Блог компании ua-hosting.company Научно-популярное Физика Носимая электроника Здоровье

Благодаря популярному сериалу «Доктор Хаус» волчанка превратилась в своеобразный мем. Однако людям, страдающим от этого заболевания, не до смеха. Волчанка, будучи аутоиммунным заболеванием, имеет множество малоприятных проявлений, от сыпи и боли в суставах до гематурии и психических расстройств. Одним из самых необычных свойств волчанки является ухудшение ее симптоматики ввиду воздействия света, вызывающего сыпь, усталость и боль в суставах. Группа инженеров в кооперации с докторами из Миннесотского университета (Миннеаполис и Сент-Пол, США) разработали носимое напечатанное на 3D-принтере устройство, которое может в режиме реального времени оценивать влияние света на пациентов, больных волчанкой. Из чего сделано устройство, каков принцип его работы, и какие данные оно собирает? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Читать дальше →

Всего голосов 18: ↑17 и ↓1 +16

Просмотры

1.6K

Комментарии
5

IvanLaser
12 сентября в 17:30

Физика Лазеры

В прошлых статьях мы говорили о применении лазеров в микроэлектронике. В этот раз поговорим про лазерную обработку различного вида пластика.

Для того чтобы говорить про лазерную обработку пластика, давайте разберемся, что это за материал.

Пластик (пластмасса)…

Читать далее

Всего голосов 12: ↑12 и ↓0 +12

Просмотры

3.1K

Комментарии
7

lozga
000Z» title=»2022-09-10, 12:00″>10 сентября в 12:00

Блог компании Timeweb Cloud Научно-популярное Космонавтика Физика

Мы привыкли к тому, что космические корабли рутинно летают к орбитальным станциям, сближаются и стыкуются. Но даже симулятор уровня Kerbal Space Program показывает, насколько это нетривиальная задача — то по расстоянию промахнулись, то скорость не та, то в тень вошли, то слишком много топлива потратили. А ведь в реальной космонавтике были истории, когда после отказа техники сближались вручную, причем, используя инструменты, которые, казалось, давно остались в прошлом. Сегодня мы поговорим о рандеву разнообразных космических аппаратов, от «Джемини» и первых «Союзов» до летающих сейчас к МКС Crew Dragon, Boeing Starliner и «Союзов», научившихся сверхкороткой схеме сближения.

Астронавт Александр Герст проводит эксперименты по навигации в космосе с секстантом, фото NASA

Читать дальше →

Всего голосов 87: ↑87 и ↓0 +87

Просмотры

8. 1K

Комментарии
14

vlad1953
9 сентября в 11:37

Canvas *Математика *WebGL *Физика

Tutorial

В настоящее время в интернете можно найти сайты с визуализацией некоторых квантовых процессов. Я решил сделать свой сайт с визуализацией квантового спина. Расскажу, как появилось желание сделать этот сайт и что на нем находится.

Читать далее

Всего голосов 11: ↑11 и ↓0 +11

Просмотры

1.8K

Комментарии
0

Dmytro_Kikot
7 сентября в 10:11

Блог компании ua-hosting.company Научно-популярное Нанотехнологии Физика Астрономия

Если рассматривать нашу планету с точки зрения «хардкорности», то она довольно скучна. Наши соседи по Солнечной системе напротив отличаются крайне необычными характеристиками. К примеру, бытует мнение, что на Уране и Нептуне идут алмазные дожди. Звучит это одновременно неправдоподобно и заманчиво. Ученые из исследовательского центра им. Гельмгольца Дрезден-Россендорф (Дрезден, Германия) попытались сымитировать в лаборатории условия на Уране или Нептуне. В результате они смогли не только подтвердить тезис про драгоценные дожди, но и создать нанобриллианты из обыкновенного пластика. Как ученые возсоздали условия далеких планет в стенах лаборатории, какие именно опыты проводили, и где могут пригодиться созданные ими нанобриллианты? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Читать дальше →

Всего голосов 16: ↑16 и ↓0 +16

Просмотры

1.8K

Комментарии
1

Презентация на тему: «1 Что за наука – физика? Наука о природе. «Фюзис»

1

1 Что за наука – физика? Наука о природе. «Фюзис» — природа (греч.)

2

2 Какие науки о природе вы знаете? ботаника астрономия анатомия зоология орнитология география природоведение геология

3

3 Что изучает физика? Явления природы механические

4

4 Что изучает физика? Явления природы механические тепловые

5

5 Что изучает физика? Явления природы механические тепловые электрические

6

6 Что изучает физика? Явления природы механические тепловые электрические световые

7

7 Что изучает физика? Явления природы механические тепловые электрические световые магнитные

8

8 Для чего изучают физику? Механические явления

9

9 Для чего изучают физику? Механические явления Электромагнит- ные явления

10

10 Для чего изучают физику? Световые явления Тепловые явления

11

11 Способы изучения природы Наблюдения Опыты гипотеза результат

12

Физические термины Материя – всё, что окружает нас. Вещество (дерево, алюминий…) Поле (свет, радиоволны…) Вещество – то, из чего состоит тело. Тело – все, что окружает нас, имеет объём и форму. Поле – то, что существует независимо от нас и может быть определено по нашим ощущениям или с помощью приборов. Явление – изменение, происходящее в природе

13

13 Проверьте себя Распредели по колонкам таблицы следующие слова: свинец, гром, рельсы, пурга, алюминий, рассвет, буран, Луна, спирт, ножницы, ртуть, снегопад, стол, медь, вертолёт, нефть, кипение, метель, выстрел, наводнение, дерево, вода, капля воды. Физическое телоВеществоЯвление

14

14 Проверьте себя Распредели по колонкам таблицы следующие слова: свинец, гром, рельсы, пурга, алюминий, рассвет, буран, Луна, спирт, ножницы, ртуть, снегопад, стол, медь, вертолёт, нефть, кипение, метель, выстрел, наводнение, дерево, вода, капля воды. Физическое телоВеществоЯвление Рельсы, Луна, ножницы, стол, вертолёт, дерево, капля воды свинец, алюминий, спирт, ртуть, медь, нефть, дерево, вода гром, пурга, рассвет, буран, снегопад, кипение, метель, выстрел, наводнение

15

15 Ответьте на вопросы? Что изучает физика? Приведите примеры физических явлений. Для чего следует изучать физические явления? Почему физику считают одной из основных наук о природе? Что называют физическим телом? материей? веществом?

16

16 Ответьте на вопросы? Приведите примеры физических тел и вещества. В чем сходство и различие тел? Какими способами мы получаем знания о природе? Можно ли изучая природные явления обойтись только одним из этих способов?

Над чем работает физик-теоретик | Наука и жизнь

Физики-теоретики отнюдь не всегда мыслят наглядными физическими образами, очень большое место в их работе занимает математический аппарат, который иной раз и самим физикам-то представляется чрезмерно абстрактным. И хотя В. Л. Гинзбург, судя по его научному творчеству, всегда отдает предпочтение физическому мышлению перед математическим аппаратом, он широко и непринужденно пользуется им. На рисунках 1 и 2 представлены некоторые работы академика-физика. Понять в них среднему читателю вряд ли чего удастся, но мы и не преследовали такой цели. Мы не ставили перед собой задачу объяснить или даже как-то прокомментировать все то, чем занимался и продолжает заниматься академик В. Л. Гинзбург. Наша цель намного скромнее: показать, как работает теоретик.

Рис. 1.

Рис. 2.

Наука и жизнь // Иллюстрации

На заседании редколлегии журнала «Наука и жизнь». Слева направо: академик Н. И. Семенов, Г. Н. Остроумов, академик В. Л. Гиизбург, член-корреспондент АН СССР П. В. Симонов.

‹

›

Открыть в полном размере

В 1934 году в Физическом институте АН СССР было открыто свечение электронов, движущихся быстрее скорости света в среде. Впоследствии его стали называть излучением Вавилова-Черенкова (см. «Наука и жизнь» № 7, 1986 г., стр. 102). Природу этого замечательного явления объяснили в 1937 году И. Е. Тамм и И. М. Франк. За открытие и объяснение эффекта Вавилова-Черенкова трем советским физикам — И. Е. Тамму, И. М. Франку и П. А. Черенкову была присуждена Нобелевская премия. Излучение Вавилова-Черенкова стало первым примером оптики сверхсветовых скоростей и казалось в то время экзотическим, удивительным феноменом, как бы обособленным от всех физических явлений. Поэтому неудивительно, что молодого исследователя, 23-летнего В. Л. Гинзбурга, полностью захватила эта задача. В 1940 году В. Л. Гинзбург разработал квантовую теорию эффекта Вавилова-Черенкова, а также классическую теорию этого явления в анизотропных средах, то есть таких, в которых не все направления равноправны. Уже после первых расчетов стало очевидно, что, помимо классического излучения Вавилова-Черенкова, генерируемого зарядом, который движется в веществе со скоростью, большей скорости света в данной среде, возможны и другие проявления оптики сверхсветовых скоростей. Однако наблюдение таких эффектов интуитивно представлялось крайне сложным. Необходимо было срочно разобраться в возможности экспериментального обнаружения излучений от сверхсветовых источников. Это становилось важным как с фундаментальных физических позиций, так и с прикладной точки зрения, связанной с ускоренным развитием ядерной физики.

Оказалось, что теория излучения заряда при сверхсветовой скорости весьма непроста. В 1947 году появилась статья В. Л. Гинзбурга и И. М. Франка, в которой рассматривалось излучение частицы, движущейся в пустоте по оси узкого канала. Впервые на возможность такого излучения указал выдающийся советский физик, академик Л. И. Мандельштам. Вот как он рассуждал.

Для излучения заряда при сверхсветовой скорости нет необходимости, чтобы частица двигалась в сплошной среде. Достаточно, чтобы она перемещалась по оси пустого цилиндрического канала внутри этой среды, излучение от этого не изменится. Необходимо только, чтобы диаметр канала был мал по сравнению с длиной волны излучаемого света. Действительно, собственное поле частицы, ее электромагнитные «одежды» имеют размер, не меньший, чем длина волны. Поэтому, если диаметр канала намного меньше этого размера, то электромагнитный шлейф движущегося в канале заряда «цепляется» за стенки и рассеивается на атомах среды. Сама же «голая» частица при этом не испытывает соударений. Другими словами, при движении частицы в узком канале она находится как бы в вакууме, тогда как сопровождающее ее электромагнитное поле просачивается сквозь стенки канала и распространяется в веществе. Это «собственное» поле хотя и принадлежит частице, но фактически управляется электромагнитными характеристиками вещества (его поляризуемостью, диэлектрической и магнитной проницаемостями). С точки зрения практических приложений такая физическая ситуация чрезвычайно важна, поскольку, используя движение частицы по оси канала, можно построить излучатель, который не портится из-за непосредственных соударений с атомами среды. По существу, разные варианты этой ситуации сегодня используются в релятивистской СВЧ-электронике и для генерации когерентного излучения с помощью пучков заряженных частиц.

Начиная с 1947 года В. Л. Гинзбург неоднократно возвращался к излучению частицы, движущейся в канале. Эта задача породила несколько замысловатых парадоксов и имеет, помимо практического, большое методическое значение. Именно ей посвящены научные статьи академика В. Л. Гинзбурга, написанные в самое последнее время.

Стенки канала, вдоль которого движется частица, по существу, представляют собой границу раздела двух сред. Если радиус канала сделать очень большим, в пределе — бесконечным, то частица не будет чувствовать кривизны стенок («чувствительность» частицы ограничивается размерами ее электромагнитного шлейфа, то есть масштабом порядка длины излучаемой волны). Другими словами, заряд полетит вдоль плоской границы раздела. А что будет, если он вдруг вильнет и пересечет эту границу или по крайней мере уткнется в вещество? Оказывается, при этом возникнет новое и весьма своеобразное излучение, которое называется переходным Переходное излучение было открыто В. Л. Гинзбургом вместе с И. М. Франком «на бумаге» в 1945 году, за 13 лет до появления первого экспериментального исследования этого эффекта. Тот факт, что от предсказания интересного, универсального и полезного явления до попыток его обнаружить прошло столько лет, еще долго будет изумлять историков науки. Сам В. Л. Гинзбург склонен объяснять эту задержку «капризами моды», которые, к сожалению, нередко встречаются даже в физике.

Так же, как излучение Вавилова-Черенкова, переходное излучение не связано с ускорением частицы. Это обстоятельство довольно долго смущало многих физиков, привыкших к мысли, что электромагнитное излучение всегда появляется в результате ускорения или торможения заряда. Однако в 1937 году И. Е. Тамм вместе с И. М. Франком, доказав нетормозной характер излучения Вавилова-Черенкова, разоблачили этот предрассудок, а в 1945 году В. Л. Гинзбург и И. М. Франк окончательно его «добили» предсказанием и расчетом переходного излучения. Оказалось, что, когда частица, двигаясь равномерно и прямолинейно, переходит из одной среды в другую, ее поле вынуждено срочно измениться. Такая перестройка поля и сопровождается излучением электромагнитных волн.

Сегодня переходное излучение широко используется в ядерной физике, а также при исследовании космических лучей. Детекторы, работающие на переходном излучении, позволяют определить характеристики заряженных частиц с такими большими энергиями, при которых все другие методы регистрации теряют свою эффективность. Умозрительно предсказанный В. Л. Гинзбургом вместе с И. М. Франком эффект привел к появлению реально работающих «железок» — физических приборов нового типа.

Интерес к излучению электромагнитных волн релятивистскими заряженными частицами необычайно вырос в самое последнее время. А дело тут в том, что совсем недавно появился экзотический источник мощного направленного — когерентного излучения, который назвали «лазером на свободных электронах» (ЛСЭ или FEL — по начальным буквам английского словосочетания «free electron laser»). На самом деле это никакой не лазер. В новом источнике излучения нет практически ничего от квантовых генераторов, которые в начале 60-х годов были обозначены знаменитой аббревиатурой «лазер», ставшей одним из технологических символов нашей цивилизации. ЛСЭ — источник классического «неквантового» электромагнитного излучения, и первую модель такого источника предложил в 1947 году В. Л. Гинзбург. Предложенное им устройство получило название «ондулятор» (от французского слова l’onde — волна). Обычно ондулятор — это просто периодический набор магнитов, между полюсами которых летит частица.

Вот она пролетает над «северным» полюсом магнита, потом над «южным», снова над «северным», над «южным» и так, пока не вылетит из ондулятора. И каждый раз при подлете к очередному магниту его поле толкает частицу, заставляя заряд довольно круто изменять направление своего движения. В результате таких повторяющихся пируэтов заряженная частица излучает электромагнитные волны. Интенсивность спонтанного электромагнитного излучения частиц в ондуляторе весьма велика — даже выше, чем у бывшего «рекордсмена» среди всех видов излучения — синхротронного (см. «Наука и жизнь» № 8, 1983).

Кроме того, лазер на свободных электронах, построенный на основе ондулятора, имеет очень важное преимущество перед другими излучателями: длину волны (или частоту) излучения в таком лазере можно плавно перестраивать, подобно тому как перестраивается частота передаваемых сигналов в радиопередатчике. Интерес исследователей к ондулятору с течением времени только возрастает, и это один из многих примеров того, как идеи В. Л. Гинзбурга порождают новые направления в физике.

В 1950 году в ведущем советском физическом издании — «Журнале экспериментальной и теоретической физики» (ЖЭТФ) появилась совместная статья В. Л. Гинзбурга и Л. Д. Ландау. Она многие годы занимала одно из первых мест по цитируемости — количеству ссылок на эту работу. К сожалению, мировое признание этой работы запоздало лет на семь-восемь. Ведь в 1950 году «холодная война» была в самом разгаре, и научные контакты между советскими и западными учеными практически отсутствовали. Лишь очень немногие физики на Западе читали «ЖЭТФ», а совместные семинары, конференции, стажировки, обмен специалистами и даже взаимная переписка, то есть все то, что традиционно составляло как бы ткань мировой науки и делало ее интернациональной, казалось почти немыслимой роскошью. Положение резко изменилось в 1957-1958 годах, и немалую роль сыграл запуск в СССР первого искусственного спутника Земли. Западные физики с некоторым изумлением обнаружили, что теория сверхпроводимости Гинзбурга-Ландау, созданная за семь-восемь лет до знаменитого расчета, сделанного американскими теоретиками Бардисном, Купером и Шриффером, предвосхитила много важных элементов «теории БКШ» — так стали называть этот расчет, по начальным буквам фамилий его авторов. Теория Гинзбурга-Ландау, или, как ее вскоре стали называть «ψ-теория», оказалась универсальным инструментом физики конденсированных сред. С помощью метода Гинзбурга-Ландау сегодня описываются сверхпроводники, помещенные в сильное магнитное поле, сверхпроводящие сплавы, тонкие сверхпроводящие пленки и многое другое.

Что касается сверхпроводящих пленок, то интерес к ним появился после нескольких замечаний того же В. Л. Гинзбурга о двумерной сверхпроводимости, высказанных в конце 60-х годов. Одним словом, ψ-теория позволила объяснить и связать между собой огромное количество, казалось бы, разрозненных экспериментальных фактов. Да и у теоретиков метод Гинзбурга-Ландау вызвал прямо-таки вспышку активности. Сначала известный советский физик, ныне член-корреспондент АН СССР Л. П. Горьков вывел феноменологические уравнения Гинзбурга-Ландау из точной микроскопической теории. Одновременно другой советский физик, так же как и Л. П. Горьков воспитанник «школы Ландау», А. А. Абрикосов (теперь член-корреспондент АН СССР) использовал уравнние Гинзбурга-Ландау для изучения магнитных свойств сверхпроводников. Расширенная теория Гинзбурга-Ландау-Абрикосова-Горькова («теория ГЛАГ») используется сегодня в огромном числе работ советских и зарубежных авторов. Общепризнанно, что эта теория — один из самых весомых вкладов советской физики в мировую науку. Цикл работ В. Л. Гинзбурга, а также А. А. Абрикосова и Л. П. Горькова по теории сверхпроводников в 1966 году был удостоен Ленинской премии.

Начиная примерно с середины 70-х годов идеи, развившиеся при объяснении сверхпроводимости, вышли далеко за пределы физики конденсированных сред и
привлекли внимание людей, задумывавшихся над самыми фундаментальными проблемами мироздания. Оказалось, что физический вакуум, в котором происходят все наблюдаемые нами явления, по существу представляет собой сверхпроводник. Именно эта идея фактически привела к объединению электромагнитного и слабого взаимодействий в одно — «электрослабое». Термин «лагранжиан типа Гинзбурга-Ландау» фигурирует уже в сотнях работ по теории поля и физике элементарных частиц. Представления о фазовых переходах, происходивших во Вселенной (см. статью A. Д. Линде «Раздувающаяся Вселенная», «Наука и жизнь» № 8, 1985), помогают понять ее «конструкцию», а ведь выяснение того, почему мир именно такой, какой он есть, всегда было величайшей мечтой многих крупных физиков, в частности Эйнштейна.

Сегодня теоретики, занимающиеся проблемой высокотемпературной сверхпроводимости (см. «Наука и жизнь» № 1, 1986), надеются даже на кое-какую отдачу от физики высоких энергий и элементарных частиц. Дело в том, что глубокая аналогия между полевыми теориями и физикой сверхпроводников может когда-нибудь подсказать пути радикального повышения критической температуры сверхпроводящего перехода. Проблему поиска высокотемпературных сверхпроводников сам B. Л. Гинзбург считает одной из важнейших научно-технических программ современности. Действительно, сверхпроводимость при обычных, комнатных температурах или хотя бы при температуре жидкого азота (-77К) произвела бы подлинную революцию в технике, а с ней и во всей человеческой цивилизации. По словам В. Л. Гинзбурга, проблема высокотемпературной сверхпроводимости интересует его больше всех других. Сейчас в ФИАНе под руководством академика Гинзбурга работает специальный коллектив, развернувший исследования по всем направлениям, которые сулят хотя бы малые шансы на повышение температуры перехода в сверхпроводящее состояние. К сожалению, успех этих работ невозможно гарантировать. Как выразился сам В. Л. Гинзбург, «вопрос открыт, и попытки ответить на него представляются исключительно увлекательными».

Последовательная теория фазовых переходов еще не построена, и ее создание остается центральной проблемой физики конденсированных сред. Изучение фазовых превращений привело физиков к представлению о кооперативных явлениях, то есть таких, в которых участвует сразу огромное число частиц, иной раз практически все атомы, составляющие исследуемый образец. Кооперативные эффекты проявляются в сообществе из индивидуальных атомов, причем «личностные» свойства этих индивидуумов, как выяснилось, имеют меньшее значение, чем их согласованное поведение в коллективе. Яркими примерами кооперативных явлений стали сверхпроводимость и сверхтекучесть.

«Химическая физика – это основа основ современной науки»

Что такое химическая физика и чем она важна? Какие
задачи решает? Можно ли получить с помощью методов химической
физики новые материалы и технологии? Какое отношение они имеют к
мосту через Амур? Об этом и многом другом – наш разговор с
Виктором Андреевичем Надточенко, директором Федерального
исследовательского центра химической физики имени Н.Н. Семенова,
доктором химических наук, профессором.

– Виктор Андреевич, мы находимся в святая святых – в
мемориальном кабинете Николая Николаевича Семенова, основателя и
первого директора этого института, которому скоро исполнится 90
лет. Академик Семенов говорил о том, что химическая физика,
которую он, собственно, и основал как науку, наиважнейшая область
химии. Почему он так считал, как вы думаете?

– Химическая физика – это один из краеугольных камней большого
куста наук – естествознания и биологии, физики и химии. Сейчас,
если мы посмотрим на общий сборник, который издает, скажем,
Американское или Европейское химическое общество, то примерно 75%
материала – это традиционный материал химической физики. Если мы
будем говорить о фундаментальных физических законах, то все они
устанавливались на относительно простых системах, однако они
носят абсолютно фундаментальный характер. Химическая физика – это
наука, которая работает со сложными системами, и применение,
использование их с точки зрения фундаментальных законов требует
очень больших интеллектуальных усилий. Та наука, которую создал
Николай Николаевич Семенов, оказалась очень разносторонней. Она
проникает и в современную биофизику, и в биологию, и в
материаловедение. Куда ни посмотри, всюду срабатывает химическая
физика.

– То есть это основа основ?

– Да, потому что, опираясь на физические законы, мы пытаемся
понять природу сложных систем. А химические и биологические
системы крайне сложны.

– Виктор Андреевич, знаю, что в этих стенах был
изобретен порох для «Катюш». Какие еще архиважные изобретения
были сделаны?

– Самые важные вещи произошли, по-видимому, где-то в
20-х годах, когда Юлий Борисович Харитон исследовал воспламенение
фосфора. Именно тогда Николай Николаевич Семенов фактически
заложил основу теории разветвленных цепных реакций, которая стала
фундаментом для объяснения широкого круга явлений, сегодня
называемых критическими. Тогда начала активно развиваться школа
химической физики и кинетики. Было много фундаментальных и
прикладных работ. Это были работы, связанные с энергетически
богатыми материалами, топливом, взрывчаткой. До начала войны
институт играл очень важную роль в становлении всей нашей
промышленности.

Семенов был не только гением фундаментальной науки – он
гениальный организатор. Удивительным образом он сумел собрать
 вокруг себя и сформировать коллектив ярчайших людей. Тогда
здесь появились еще молодой Яков Борисович Зельдович и многие
другие наши великие ученые, чьи портреты сегодня украшают наш
конференц-зал. Уже в 1939-м году делались прикидки, как может
произойти разветвленная цепная реакция, может ли произойти
атомный взрыв. Но для того, чтобы достоверно это все рассчитать,
тогда еще было недостаточно информации. Надо было знать
конкретные константы, сечения и другие параметры, которые еще не
были измерены. Хотя принцип такого устройства уже был
сформулирован. Параллельно была создана теория детонации, очень
много было сделано в теории горения.

А на более позднем этапе институт подключился к работе над
атомным проектом. Для иллюстрации скажу, что на площадке первого
атомного взрыва присутствовало 11 научных сотрудников, из них 9 –
сотрудники Института химической физики.

– Показательно.

– Эта работа активно продолжалась где-то до первой половины 60-х
годов. А к тому времени уже фактически были созданы и атомная, и
термоядерная бомба. Николай Николаевич тогда мудро сказал: «Мы
взорвали все, что нужно взорвать, а теперь надо и на людей
поработать».

Здесь интересно его предвидение. Тогда он cформулировал, что нам
необходимо использовать принципы живой природы в постановке
решений химических проблем. Эта идея воплотилась в попытке
реализовать несколько проектов. Это проект по созданию
искусственного фотосинтеза, где брались за основу самые
глобальные процессы, которые происходят на Земле. Это фотосинтез,
это фиксация азота, второй по глобальности процесс, который
обеспечивает, собственно говоря, жизнь на Земле. И была идея
взять процесс активации СН-связи. Это целый ряд ферментативных
процессов, которые проходят в живых организмах. Суть их
заключается в том, что происходит окисление углеводорода
органических молекул кислородом практически без образования
свободных радикалов. Получаются либо какие-то целевые продукты,
либо это используется в биоэнергетических цепях, когда
вырабатывается энергия для функционирования живой клетки.

Сегодня это направление превратилось в огромную индустрию,
которая относится вот к green chemistry. Сейчас ведутся
дискуссии, что же все-таки важнее – наши традиционные источники
энергии или эта зеленая энергия, получаемая с помощью Солнца. Но
надо сказать, что эта дискуссия велась еще раньше, в том числе
Николаем Николаевичем и Петром Леонидовичем Капицей. Там было две
точки зрения. Капица правильно говорил: вот вы собираете
солнечную энергию, но она же она очень сильно рассредоточена. Как
вы запитаете промышленность? Но, как показал опыт, «мамы всякие
нужны, мамы всякие важны». Есть огромное количество задач,
особенно задач, связанных с удаленными локализованными объектами,
проблемами социальной структуры, когда идеи солнечной энергетики
играют огромную роль.

– Виктор Андреевич, давайте поговорим о современной
жизни вашего института, расскажем о самых интересных, самых
актуальных направлениях, в которых вы сейчас
работаете.

– После смерти Николая Николаевича институт
разделился на несколько институтов. В последнее время мы
предприняли усилия для того, чтобы объединить те наши старые
осколки, и таким образом мы преобразовались в Федеральный
исследовательский центр. Что важного и интересного оставалось?
Во-первых, у нас осталась традиционная тематика, которая
начиналась с 30-х годов, – это тематика горения и взрыва.
Руководит этим направлением профессор Сергей Михайлович Фролов. У
них есть очень остроумные решения инженерного толка тех идей,
которые закладывались еще Яковом Борисовичем Зельдовичем. Еще в
30-х годах было понятно, что можно создать некие двигатели,
которые бы использовали не столько знаменитые циклы, которые
используются в современных двигателях внутреннего сгорания,
сколько детонацию. Это сложно из-за того, что детонация – это
нелинейный процесс, очень неустойчивый, и он все время куда-то
убегает. Но группе Фролова удалось получить устойчивость этого
процесса, реализовать прототипы таких двигателей. Это
действительно огромные успехи и важные решения.

У нас остались традиционные работы, связанные с катализом, с
исследованием строения вещества. Очень большой след оставили
усилия Николая Николаевича, которые были связаны с биологическими
системами. Самая интересная работа в этом направлении, в которую
я активно вовлечен, – это исследование самых первичных процессов
природного фотосинтеза. Это быстрые процессы разделения зарядов в
фотосистеме. Для этого используется фемтосекундная лазерная
спектроскопия. Существенные результаты с исследования первичных
процессов в зрительных пигментах получены в совместных
исследованиях с М.А. Островским. Мы развиваем новые методы
фемтосекундной лазерной спектроскопии, с помощью которых можно
получать химическую карту биологического объекта и даже наблюдать
динамику изменения этой химической карты. Это важно для того,
чтобы понимать, что происходит в живой клетке.

Новое направление, которое у нас развивается в последние годы, –
это фемтосекундная лазерная нанохирургия. Смысл этой методики
заключается в том, чтобы с помощью специальных лазерных устройств
можно было с помощью очень деликатно сформулированного светового
пятнышка залезть внутрь клетки, не разрушая внешней мембраны, и
там провести определенные хирургические операции. Минимальный
набор для хирургической операции – это скальпель и пинцет, а
здесь обе функции выполняет специальным образом организованный
световой пучок лазера.

– Это применяется в офтальмологии?

– Это, скорее, связано с проблематикой
генетического редактирования, когда вы можете порезать хромосому,
разрушить ту или иную органеллу, слить две выбранные вами клетки
и создать некую гибридную клетку. Эта технология представляет
интересы для широкого круга задач, начиная с ЭКО и заканчивая
генетическим редактированием при разного рода патологиях.

А второе направление, тоже очень интересное, связано с сельским
хозяйством. Это получение новых сортов, работа с растительными
клетками.

Появились и новые направления. Например, связанные с сенсорикой.
Его развивает Леонид Израилевич Трахтенберг. Развивается химия
полимеров. Это направление ведет научный руководитель института,
академик Александр Александрович Берлин. Здесь работали
выдающиеся люди, такие как Сергей Николаевич Ениколопов, Леонид
Исаакович Маневич. Это разработка материалов с новыми свойствами.
Необходимы полимеры, которые быстро утилизируются и деградируют.
Есть другого типа задачи – это создание полимерных материалов,
которые бы удерживали экстремальные температуры. Есть у нас и
суперприкладные работы. Например, самая большая инновация 2019
года – это мост через Амур, покрытый асфальтом, наполненным
резиновым порошком, который получают из покрышек автомобилей.
Наши порошки оказались суперпорошками по одной простой причине:
Вадим Геннадьевич Никольский, один из старейших сотрудников
нашего института, развил очень интересную технологию утилизации
старой резины, когда при ее перемалывании получаются частицы
наноразмеров. Такой материал не трескается и не повреждается. Это
важно и потому, что там большие перепады температур, и потому,
что высокая влажность. Игра на этих нанозазорах оказалась
принципиальной, и физико-химические свойства здесь чудо как
хороши.

– Расскажите, пожалуйста, какие планы, перспективы у
института?

– Мы уделяем большое внимание работе с молодежью, и с этим я
связываю наши перспективы. Сейчас, например, развивается очень
интересное направление, связанное с масс-спектрометрией,
протеомикой. Я возлагаю большие надежды на развитие направления,
связанного с лазерной хирургией. Безусловно, большие надежды на
то, что делает отдел горения и взрыва. Надеюсь, их работы
приобретут промышленное воплощение. Конечно, есть объективные
проблемы Центра как живого организма, мы с ними по мере сил
справляемся, пока держимся. Вдохновляет и дает сил то, что
работы, которые здесь ведутся, действительно крайне важны и нужны
и стране, и людям.

Виктор Андреевич Надточенко

О современной физике — Физический факультет ЮФУ

Нет более захватывающей и увлекательной работы, чем изучение природы, которая устроена по законам великой науки — Физики.

ФИЗИКА (от древнегреческого слова physis — природа). Древние называли физикой любое исследование окружающего мира и явлений природы. Такое понимание термина «физика» сохранялось до конца 17 в. Позднее появился ряд специальных дисциплин: химия, исследующая свойства вещества, обусловленные особенностями его атомной структуры, биология, изучающая живые организмы и т.д. Помимо традиционных предметов исследования физика занимается такими разными проблемами, как поведение смазки в машинах, процессами образования химических связей, изучением принципов хранения и передачи генетической информации в живых системах и т.д. Объединяющий принцип физики как науки кроется не столько в предметах исследования, сколько в подходах к их изучению, и этим физика отличается от других наук. Опираясь на определенные аксиомы и гипотезы, проводя эксперименты и используя математические методы, она стремится объяснить все многообразие природных явлений, исходя из небольшого числа согласованных принципов. Физик надеется, что когда о природных явлениях станет известно достаточно много и когда они будут достаточно хорошо поняты, множество других, на первый взгляд разрозненных и не связанных с ними фактов, уложатся в простую, допускающую математическое описание схему.

До 1940-х годов основные виды известной тогда материи выглядели довольно просто: атом состоял из электронов, движущихся вокруг массивного ядра; при некоторых условиях он испускал свет в форме квантов, называвшихся фотонами; ядра состояли из нейтронов и протонов (нуклонов), каждый из которых обладал массой, примерно в 2000 раз превышающей массу электрона; частица третьего типа с массой, промежуточной между массой электрона и протона, названная «мезоном», отвечала за взаимодействие частиц ядра (нуклонов), а фотон, квант электромагнитного поля, удерживал вместе электрон и ядро. В то время было естественно рассматривать все перечисленные выше частицы как элементарные формы материи, аналогичные элементам традиционной химии, из которых состоит все, что нас окружает. Однако с открытием в последнее время большого числа новых частиц зародилось сомнение в том, что все они действительно элементарны. Основные работы в этой очень трудной области физики ведутся в научно-исследовательских центрах, располагающих чрезвычайно дорогостоящими экспериментальными установками. В Соединенных Штатах это Брукхейвенская и Аргоннская национальные лаборатории, Национальная лаборатория ускорителей близ Чикаго, Станфордский линейный ускоритель, в Западной Европе — ЦЕРН, Европейский совет по ядерным исследованиям (European Council for Nuclear Research) в Женеве, объединяющий 12 стран. Несколько научно-исследовательских центров, возникших при больших ускорителях, имеется в России.

Главная задача фундаментального изучения материи состоит в том, чтобы как можно больше узнать о всех возможных ее формах, т. е. установить, какие бывают элементарные частицы и каковы их свойства, объяснить, почему наша Вселенная содержит именно эти, а не другие разновидности частиц. В 1970-х годах возникла теория, в которой элементарные частицы считались состоящими из еще более фундаментальных «кирпичиков» материи — кварков. Сначала кварков было всего три, затем их стало 12, а чуть позже — 15. Как это часто бывало в прошлом с другими теориями материи, с каждым таким расширением списка частиц усиливалось подозрение, что теория кварков при всей ее привлекательности все же не является подлинно фундаментальной.

Второе общее направление, которому следует в своем развитии фундаментальная физика сегодня, — это изучение форм материи, состоящих из большого числа связанных частиц. Одно из направлений такого рода исследований занимается изучением газов, частицы которых слабо связаны и основное время проводят в свободном полете. Если не считать поведения газов при экстремальных условиях (такого рода вопросы интересуют тех, кто, например, занимается изучением ракетных двигателей), в этой области знаний сейчас нет ни одного принципиального вопроса, на который нельзя было бы дать ответ.

Что касается жидкостей и твердых тел, то здесь предстоит выяснить еще многое. В частности, твердые тела обладают разнообразными механическими, электрическими и магнитными свойствами, для объяснения которых недостаточно знать, из каких частиц эти тела состоят, поскольку упомянутые свойства зависят также от их агрегатного состояния. Физика твердого тела — быстро развивающаяся область науки, и отчасти это связано с ее большим прикладным значением: так, транзисторы и другие полупроводниковые устройства, созданные как результат исследований и разработок в области физики твердого тела, произвели настоящую революцию в электронике.

Еще одно состояние материи мы находим в атомном ядре. Поскольку ядро очень мало и его составляющие прочно связаны ядерными силами, оно представляет собой очень трудный объект для изучения, так что сведения о его структуре и типах внутриядерного движения весьма скудны. Исследования в этой области широко поддерживаются правительствами, поскольку ядерной энергии придется удовлетворять значительную часть энергетических потребностей человечества, когда иссякнут источники нефти и угля.

Наконец, упомянем о физике плазмы, одной из новых областей науки. Плазма — это раскаленный газ, состоящий из проводящих электричество ионов и электронов, но его поведение заметно отличается от поведения газа при обычных условиях. Если учесть, что все звезды и значительная часть межзвездного вещества — плазма, то получается, что во Вселенной в таком состоянии находится более 99% материи. Следовательно, для проникновения в тайны космоса необходимо как можно более полно исследовать свойства самой плазмы. Кроме того, для создания наиболее перспективных — термоядерных источников энергии, по-видимому, потребуется воспроизвести условия, царящие в недрах звезд.

До Второй мировой войны почти все значительные исследования в области физики выполнялись в университетских лабораториях, поддерживаемых университетскими фондами. После войны ситуация изменилась по трем причинам. Во-первых, создание новых экспериментальных установок стало для университетских бюджетов слишком дорогим делом, что привело к необходимости широкомасштабного участия государства в субсидировании научных программ. Во-вторых, правительства осознали необходимость поддержки научных исследований в собственных военных, экономических и политических целях. Это в особенности касается космических программ и исследований в области физики элементарных частиц, а также различных видов деятельности, связанных с решением энергетических проблем. В-третьих, коренным образом изменилось отношение деловых людей к науке: теперь большой бизнес во всем мире участвует в создании лабораторий, в которых проводятся серьезные исследования.

Все предпринимавшиеся ранее попытки предсказать будущее науки кончались провалом, однако очевидно, что мы можем ожидать большого прогресса в указанных выше направлениях. Ясно также, что в будущем появятся совершенно новые направления исследований, которые сейчас невозможно предвидеть, как невозможно было предсказать сто лет назад появление ядерной физики. Подлинно всеобъемлющая физическая теория позволит рассматривать с единой точки зрения процессы, протекающие во всех масштабах — от космического до субатомного. Ныне же, хотя нам известно многое, мы видим лишь интригующие фрагменты полной картины мира.

Физика была и есть фундамент естественного образования, философии и научно-технического прогресса. Ее предметной областью являются общие закономерности природы во всей ее многогранной общности. Физика сегодня стала не только теоретической основой современной техники, но и ее неотъемлемой частью. Современная физика — это один из важнейших источников знаний об окружающей среде, основа научно-технического прогресса и, одновременно, один из важнейших компонентов человеческой культуры.

Как физика связана с другими науками?

Слово наука происходит от латинского глагола Scientia. Все природные явления во Вселенной управляются систематическим пониманием, известным как Наука. Природные явления можно предсказывать, контролировать, модифицировать, а также искоренять с помощью концепций Науки. Его можно рассматривать как глобальную человеческую деятельность. Наука занимается физической природой и ее аспектами. Он включает в себя воображение, экспериментирование и дедукцию. Знания о науке были получены людьми в результате экспериментов, наблюдений и испытаний, проведенных на окружающих объектах. Следовательно, это и знание, и процесс. Систематические и систематизированные знания, собранные из различных источников, сформировали большой фонд, который сегодня настолько обширен, что разделен на множество ветвей и подразделов: 

• Физические науки- Наука об изучении неодушевленных природных объектов называется физическими науками. Он в основном включает следующие разделы:   
  • Физика
  • Химия
  • Геология
  • География и т. д.
• Биологические науки- Научное изучение жизни называется биологическими науками.
  • Ботаника – занимается изучением растений.
  • Зоология — занимается изучением животных.
  • Орнитология и т.д.

Научный метод и научная теория

Научный метод – это систематический и организованный способ получения знаний. Процесс в научном методе включает в себя создание предположений (гипотез), вывод из них предсказаний, а затем проведение эмпирических наблюдений для проверки этих сформулированных и обоснованных предположений.

Научный метод проходит через формирование последовательности шагов, чтобы перейти от совокупности знаний к хорошо сформулированным выводам и формулам. Он состоит из следующих важнейших шагов: 

1. Систематические наблюдения
2. Контролируемые эксперименты
3. Качественное и количественное обоснование
4. Математическое моделирование
5. Прогнозирование и проверка теорий.
6. Спекуляция или предсказание

Физика и ее область применения

Физика — это отрасль науки, связанная с изучением основных законов природы и их проявлений, связанных с различными природными явлениями. Ее также называют «фундаментальной наукой», потому что она ограничивает все другие важные отрасли науки. Его можно рассматривать как изучение физического мира и материи вместе с ее движением в пространстве и времени. Это также относится к понятиям энергии и силы.

Физика состоит из двух основных типов подходов: 

1. Унификация- Различные ограничения применяются ко всем явлениям, происходящим вместе как совокупность универсальных законов в различных областях мира. Это попытка унифицировать различные законы и объединить их для осуществления деятельности. Он основан на пробах и процессах. Например, и электрические, и магнитные явления подчиняются электромагнитным законам.
2. Редукция- Этот подход основан на принципе получения свойств сложных систем из взаимодействий, зависимостей и свойств их составных частей. Его можно использовать для понимания работы сложных систем. Например, температура системы приводится к средней кинетической.

Сфера физики

Сфера применения физики распространяется как на массивные объекты, такие как Вселенная и ее окружение, так и на пренебрежимо малые частицы, такие как электроны, протоны и т. д. Она обширна по мере преобразования величины различной длины, простирающиеся на величину от 10 ⁶⁰ м (исследование Вселенной) или до 10 ^-12 м (изучение электронов, протонов и т. д.). Он также охватывает широкий диапазон масс от мельчайших, таких как протоны, нейтроны и т. д., 10 ^-10 кг, до очень массивных галактик, 10 ⁸⁰ кг. Физика рассматривает как микроскопические, так и макроскопические области.

Физика делится на две основные категории в зависимости от сферы ее применения:

1. Классическая физика: Рассматривает макроскопические явления (механика, термодинамика и электромагнетизм). Его можно рассматривать как подотрасль прикладной математики. Законы движения, сформулированные Исааком Ньютоном, были разработаны и разработаны с учетом принципов классической физики.
2. Современная физика: Рассматривает микроскопические явления (специальная теория относительности, квантовая механика).

Некоторые разделы физики

1. Механика — Раздел физики, изучающий движение физических объектов, в частности отношения между силой, материей и движением, связанным между ними. Он учитывает объекты как в состоянии покоя, так и в движении.
2. Электродинамика-  Раздел физики, изучающий быстро меняющиеся электрические и магнитные поля. Это также относится к пониманию движения частиц и взаимодействий, возникающих в переменных полях. Максвелл разработал множество законов, касающихся движения электрических полей и их свойств.
3. Оптика- Раздел физики, изучающий поведение и взаимодействие света друг с другом. Его можно использовать для моделирования конструкции устройств, используемых для визуализации и обнаружения аспектов и компонентов света. Он учитывает как лучевую, так и волновую оптику. Он включает в себя концепции, связанные с формированием изображений и проработкой тем отражения, преломления и дифракции.
4. Термодинамика-  Раздел физики, связанный с теплотой и энергией и связанными с ними понятиями. Он также описал связь с излучением наряду с физическими свойствами материи. Сюда же относится преобразование тепла в различные виды энергии; механической или электрической энергии.

Физика в связи с другими науками

Физика является очень важной отраслью науки, которая играет решающую роль в понимании достижений, относящихся к другим отраслям науки, таким как химия, биология и т. д.

• Физика по отношению к математике. Изучение физических переменных, связанных с изучением математики, привело к открытию идей дифференцирования, интегрирования и дифференциальных уравнений, используемых для оценки величин. Теории в физике и выводы в математике сосуществуют друг с другом. Математика считается детерминированным инструментом развития современной теоретической физики. Он позволяет сформулировать и оценить экспериментальные результаты.

• Физика в связи с биологией. Физика составляет суть области биологии. Понятия и иллюстрации пространства, времени и материи способствовали лучшему пониманию существования живых организмов и изучению законов взаимодействия энергии. Многие болезни и недуги с годами стали лучше диагностироваться благодаря развитию физики, и наоборот. Диагностика заболеваний стала очень эффективной благодаря изобретению и практике использования рентгеновских лучей.
• Физика в связи с химией. Химия в основном является продолжением физики. Понятия, связанные с дифракцией рентгеновских лучей и радиоактивностью, произвели революцию в изучении периодической таблицы. Силы внутри частиц, а также внутренние взаимодействия также можно использовать для лучшего понимания связи и химической структуры веществ. Структуру, поведение и свойства материи легко понять, поскольку обе ветви существуют вместе.
• Физика в связи с метеорологией. Метеорология играет важную роль в дисциплине физики. Он имеет тенденцию объяснять наблюдаемое поведение природы с помощью оценочных гипотез и предположений, принимая во внимание различные релятивистские последствия. Физика атмосферы и метеорология используют как математические, так и физические модели для понимания погодных и климатических условий. Это также относится к описательному математическому и компьютерному моделированию динамики атмосферы.
• Физика в связи с астрономией. Раздел астрономии считается прикладной физикой, поскольку он применяет научные гипотезы и основные правила физики для дальнейшего понимания небесных тел и Вселенной. Например, открытие и использование радиотелескопов, а также оптических телескопов, предложили простой способ исследовать вселенную.

Другие науки, такие как геология, океанология, сейсмология и т. д., также используют некоторые законы физики.

Примеры задач

Задача 1: Что такое физика «высоких энергий»?

Решение: 

Физика высоких энергий, которую также называют физикой элементарных частиц, относится к изучению элементарных составляющих материи и энергии, а также их соответствующих взаимодействий. Физика элементарных частиц занимается проектированием и разработкой ускорителей и детекторов высоких энергий.

Задача 2: Объясните связь физики с сейсмологией.

Решение : 

Сейсмология также называется научным исследованием землетрясений и связанных с ними явлений, таких как извержения вулканов. Движение земной коры, то есть тектонические сдвиги и типы волн, излучающих энергию, помогают нам в изучении землетрясения и его последствий.

Задача 3. Различие между слабыми и сильными ядерными взаимодействиями.

Solution :

The difference between weak and strong nuclear forces are as follows:

Weak nuclear forces	Strong nuclear forces
It приводит к распаду радиоактивных частиц.	Удерживает вместе протоны и нейтроны ядра.
Слабый и очень ближний.	Сильный и ближний бой.
Пример: преобразование протона в нейтрон.	Пример: процесс слияния звезд и Солнца.

Задача 4. В чем разница между классической и современной физикой?

Решение : 

Классическая физика занимается изучением объектов в макроскопическом масштабе, которые можно изучать с помощью пяти человеческих органов чувств, в основном без посторонней помощи. Это по сравнению с современной физикой, которая занимается природой и поведением частиц и энергии на субмикроскопическом уровне. Законы одной области физики остаются неприменимыми к другой области и наоборот. Кроме того, большинство законов классической физики детерминированы.

Задача 5. Дайте определение астрофизике.

Решение : 

Астрофизика — это отрасль науки, занимающаяся методами и принципами, применяемыми при изучении астрономических объектов и явлений во Вселенной.

Задача  6: Объясните причины долговечности научных знаний.

Решение : 

• Это легко подтверждается несколькими учеными, работающими независимо друг от друга.
• Согласовано и точно с разными учеными.
• Огромные знания, накопленные за многие годы.

Задача  7: Можно ли модифицировать научную теорию?

Решение : 

При необходимости научная теория может быть пересмотрена для учета новых явлений или данных. Он не является фиксированным и может быть переформулирован.

Где математика встречается с физикой | Пенн Сегодня

В научном сообществе слово «междисциплинарный» может показаться заезженным современным модным словом. Но объединение разных академических дисциплин — далеко не новая концепция. Математика, химия, физика и биология в течение многих лет объединялись под эгидой «натурфилософии», и только по мере роста знаний и необходимости специализации эти дисциплины становились более специализированными.

Поскольку многие сложные научные вопросы все еще нуждаются в ответах, работа в нескольких областях теперь рассматривается как неотъемлемая часть исследований. Многолетнее сотрудничество между кафедрами физики, астрономии и математики в Penn демонстрирует важность междисциплинарных исследований, выходящих за рамки традиционных границ. Успехи в геометрии, теории струн и физике элементарных частиц, например, стали возможными благодаря командам исследователей, которые говорят на разных «языках», принимают новые исследовательские культуры и понимают силу решения проблем с помощью междисциплинарного подхода.

Сказка о двух дисциплинах

Математика и физика — две тесно связанные области. Для физиков математика — это инструмент, используемый для ответа на вопросы. Например, Ньютон изобрел исчисление для описания движения. Для математиков физика может быть источником вдохновения, а теоретические концепции, такие как общая теория относительности и квантовая теория, побуждают математиков разрабатывать новые инструменты.

Но, несмотря на их тесную связь, исследования в области физики и математики опираются на разные методы. Будучи систематическим изучением поведения материи, физика охватывает изучение как большого, так и малого, от галактик и планет до атомов и частиц. Вопросы решаются с использованием комбинаций теорий, экспериментов, моделей и наблюдений, чтобы либо поддержать, либо опровергнуть новые идеи о природе Вселенной.

Напротив, математика сосредоточена на абстрактных темах, таких как количество (теория чисел), структура (алгебра) и пространство (геометрия). Математики ищут закономерности и разрабатывают новые идеи и теории, используя чистую логику и математические рассуждения. Вместо экспериментов или наблюдений математики используют доказательства для поддержки своих идей.

Хотя физики в своей работе в значительной степени полагаются на математику при расчетах, они не стремятся к фундаментальному пониманию абстрактных математических идей так, как это делают математики. Физикам «нужны ответы, и они получают ответы, выполняя вычисления», — говорит математик Тони Пантев. «Но в математике вычисления — это просто украшение на торте. Вы должны понимать все полностью, , затем , и вы делаете вычисления».

Это фундаментальное различие побуждает исследователей в обеих областях использовать аналогию языка, подчеркивая необходимость «перевода» идей для достижения прогресса и понимания друг друга. «Мы занимаемся тем, как сформулировать вопросы физики, чтобы их можно было рассматривать как математическую задачу», — говорит физик Мирьям Цветич. «Обычно это самая сложная часть».

Камьен работает над физическими задачами, тесно связанными с геометрией и топологией, и призывает своих учеников понимать проблемы так, как это делают математики. «Понимание вещей ради их понимания стоит того, и связывать их с вещами, которые знают другие люди, тоже стоит», — говорит он.

«К нам приходит физик, спрашивает: «Как вы докажете, что это правда?», и мы тут же показываем им, что это ложь», — говорит математик Рон Донаги. «Но мы продолжаем говорить, и фокус не в том, чтобы делать то, что они говорят, а в том, что они имеют в виду, перевод проблемы».

В дополнение к различиям в методологии и языке, математика и физика также имеют разные исследовательские культуры. В физике в статьях могут участвовать десятки соавторов и организаций, а исследователи публикуют свои работы несколько раз в год. Напротив, математики могут работать над одной проблемой, на решение которой уходят годы с небольшим числом сотрудников. «Иногда в статьях по физике говорится: «Мы открыли эту штуку, разве это не круто», — говорит физик Рэнди Камьен. «Но математика никогда не бывает такой. Все сводится к пониманию вещей ради их понимания. В культурном отношении это совсем другое».

Обратите внимание на пробел 

На вопрос, как математики и физики могут преодолеть эти фундаментальные пробелы и успешно работать вместе, многие исследователи ссылаются на часто цитируемый пример, который также имеет отношение к Пенну. В 1950-х годах Эудженио Калаби, ныне почетный профессор, предположил существование шестимерного многообразия — топологического пространства, устроенного таким образом, что сложные структуры могут быть описаны и поняты проще. После того, как существование многообразия было доказано в 1978 Шинг-Тунг Яу, это новое открытие должно было стать фундаментальным компонентом новой идеи в физике элементарных частиц: теории струн.

Предложенная в 1970-х годах в качестве кандидата в основу «теории всего», она описывает материю как состоящую из одномерных вибрирующих струн, образующих элементарные частицы, такие как электроны и нейтрино, а также силы, такие как гравитация и электромагнетизм. Проблема, однако, заключается в том, что теория струн требует 10-мерной вселенной, поэтому физики обратились к многообразиям Калаби-Яу как к месту для размещения «дополнительных» измерений.

Поскольку структура настолько сложна и только недавно была доказана математиками, ее было непросто напрямую внедрить в физическую структуру, хотя физики постоянно используют математику в своей работе. Физики «используют дифференциальную геометрию, но она известна давно», — говорит физик Берт Оврут. «Когда внезапно появляется теория струн, кто, черт возьми, знает, что такое многообразие Калаби-Яу?»

Благодаря совместным усилиям Эда Виттена, физика с сильными математическими знаниями, и математика Майкла Атьи исследователи нашли способ применить многообразия Калаби-Яу в теории струн. Именно способность Виттена помочь перевести идеи между двумя областями, по мнению многих исследователей, сыграла важную роль в успешном применении совершенно новых идей из математики в перспективных физических теориях.

Многообразия Калаби-Яу, предложенные в 1950-х годах почетным профессором Эудженио Калаби, являются фундаментальным компонентом исследований как в физике элементарных частиц, включая такие области, как теория струн, так и в передовых математических исследованиях гомологической зеркальной симметрии (Изображение: Фонд Саймонса).

В Пенсильвании математики, в том числе Донаги, Пантев и Антонелла Грасси, а также физики Цветич, Камьен, Оврут и Джонатан Хекман, также осознали важность общения на одном языке при работе в двух областях. Они считают Пенн местом, которое особенно хорошо подходит для налаживания связей и устранения пробелов в культурных, языковых и методологических различиях, и они приписывают свой успех времени, потраченному на выслушивание новых идей и разработку способов «перевода» между языками.

Для Донаги это была случайная встреча с Виттеном в середине 1990-х годов, которая привела математика к его первому сотрудничеству с исследователем за пределами чистой математики. Ему так понравилось работать с Виттеном, что он обратился к физикам Penn Цветичу и Овруту, чтобы начать «местное» перекрестное сотрудничество. «С тех пор я попал на крючок и общался с физиками не меньше, чем с другими математиками, — говорит Донаги.

В середине 2000-х Донаги и Оврут вместе с Пантевым и Грасси руководили программой по математике и физике, которую поддерживало Министерство энергетики США. Это сотрудничество ознаменовало собой успешное первое официальное сотрудничество по математике и физике в Пенсильвании. Как объясняет Оврут, работа была сосредоточена на конкретном виде теории струн и требовала чрезвычайно тесного взаимодействия между исследователями-физиками и математиками. «Это было на самом краю математики и алгебраической геометрии, поэтому я не мог сделать этого сам, а математики очень интересовались этими вещами».

Цветич, давний сотрудник Донаги и Грасси, говорит, что математики Пенна обладают необходимым опытом, чтобы помочь ответить на важные вопросы физики, и что их сотрудничество на стыке теории струн и алгебраической геометрии «чрезвычайно плодотворно и продуктивно».

«Я думаю, что это было невероятно продуктивно и полезно для обеих наших групп, — говорит Донаги. «Мы занимаемся этим дольше, чем кто-либо другой, и у нас действительно хорошие прочные связи между группами. Они почти стали одной группой».

«Что облегчает этот тип исследований, так это то, что мы можем поговорить с физиками», — говорит Пантев (справа), который много лет работал с Цветичем и Донаги. «Когда мы говорим с ними, они знают, как говорить на нашем языке, и они могут объяснить вопросы, с которыми они борются, таким образом, чтобы мы могли понять их и найти к ним подход».

Что касается культурных различий, физики, такие как Камьен, который работает над задачами, тесно связанными с геометрией и топологией, поощряют членов своей группы пытаться понять математику так, как это делают математики, вместо того, чтобы рассматривать ее только как инструмент для своей работы. . «Мы пытались усвоить не только их язык, но и их культуру, то, как они понимают вещи, как иногда лучше понимать проблему глубже», — говорит он.

Пересечение путей

Крейг Лори и Линг Лин, действующий и бывший постдоктор, работавший с Цветичем и Хекманом, не понаслышке знают как о проблемах, так и о возможностях работы над проблемой, которая сочетает в себе передовые математические и физические знания. Такие физики, как Лори и Лин, работающие в области М-теории и F-теории, пытаются выяснить, какие типы частиц могут создавать различные геометрические структуры, одновременно удаляя «лишние» шесть измерений.

Добавление дополнительных симметрий упрощает работу с проблемами теории струн и позволяет исследователям задавать вопросы о свойствах геометрических структур и о том, как они соответствуют физике реального мира. Опираясь на предыдущую работу Хекмана, Лори и Лин смогли извлечь физические особенности из известных геометрий в пятимерных системах, чтобы увидеть, перекрываются ли эти частицы с частицами стандартной модели. Используя свои знания как в физике, так и в математике, исследователи показали, что геометрия в разных измерениях связана математически, а это означает, что им легче изучать частицы в разных измерениях.

Используя свою физическую интуицию, Лори и Лин смогли применить свои знания математики, чтобы сделать новые открытия, которые были бы невозможны, если бы эти две области использовались по отдельности. «То, что мы обнаружили, предполагает, что теории в пяти измерениях исходят из теорий в шести измерениях», — объясняет Лин. «Это то, о чем математики, если бы они ничего не знали о теории струн или физике, не подумали бы».

Лори добавляет, что возможность работать напрямую с математиками также полезна в их области, поскольку понимание новых математических исследований может быть проблемой даже для исследователей теоретической физики. «Как физики, мы можем вести долгую дискуссию, используя большую часть интуиции, но если вы поговорите с математиком, он скажет: «Подождите, что именно вы имеете в виду?» предположения», — говорит Лори. «Это также хорошо для прояснения нашего собственного мыслительного процесса».

Родриго Барбоза также знает, что значит работать в разных областях, в его случае переходя от математики к физике. Изучая семимерное многообразие в рамках своей докторской диссертации. программы, Барбоза связался на конференции с Лори из-за их общих исследовательских интересов. Затем они смогли объединить свой опыт благодаря успешному междисциплинарному сотрудничеству, работе, которая была мотивирована докторской степенью Барбозы. исследования в области математики, в которых участвовали как младшие, так и старшие преподаватели, а также постдоки и аспиранты физики.

Хотя Барбоза говорит, что работа была сложной, особенно потому, что он был единственным математиком в группе, он также нашел ее полезной. Ему нравилось давать математические объяснения некоторым сложным понятиям, и он наслаждался редкой возможностью так тесно сотрудничать с исследователями за пределами своей области, еще будучи в аспирантуре. «Я очень благодарен за то, что защитил докторскую диссертацию. в Пенне, потому что это действительно одно из немногих мест, где такое могло произойти», — говорит он.

Следующее поколение

Преподаватели обоих факультетов считают следующее поколение студентов и постдоков «амбидекстрами», обладающими фундаментальными навыками, знаниями и интуицией как в математике, так и в физике. «Молодые люди очень утонченные и открытые, — говорит Пантев. «В прежние времена было очень трудно заниматься исследованиями, связанными с физикой, если вы были математиком, потому что мышление было совершенно другим. Теперь молодые люди в равной степени разбираются в обоих способах мышления, поэтому им легко добиться прогресса».

Хекман присоединился к физическому факультету в 2017 году и уже активно сотрудничает с математическим факультетом. «Что делает это место таким замечательным, так это то, что мы говорим на одном языке», — говорит он. — Хотя Рон говорит, что мы иногда говорим с акцентом.

Хекман также принадлежит к этому новому поколению симметричных исследователей, и за два года работы в Пенсильвании он стал соавтором нескольких статей и начал новые проекты с математиками. Он говорит, что исследователи, которые хотят добиться успеха в будущем, должны уметь сбалансировать потребности обеих областей. «Некоторые студенты ведут себя больше как математики, и мне приходится направлять их, чтобы они действовали больше как физики, а у других лучше развита физическая интуиция, но им нужно осваивать математику», — говорит он.

Это баланс, который требует сочетания гибкости и точности, и он будет постоянной проблемой, поскольку темы становятся все более сложными, а новые наблюдения делаются на основе физических экспериментов. «Математики хотят сделать все четко определенным и строгим. С точки зрения физики, иногда вы хотите получить ответ, который не требует четкого определения, поэтому вам нужно пойти на компромисс», — говорит Лин.

Этот компромисс привлек Барбозу к большему сотрудничеству с физиками, добавив, что эти две области дополняют друг друга. «Проблемы стали настолько сложными, что вам нужен вклад со всех возможных направлений. Физика работает, находя примеры и описывая решения, в то время как в математике вы пытаетесь увидеть, насколько общими являются эти уравнения и как вещи сочетаются друг с другом», — говорит Барбоза. Ему также нравится, что физика дает ему возможность быстрее отвечать на вопросы, чем в чистой математике, где на решение задач могут уйти годы.

Будущее перехода через

Будущее междисциплинарных исследований будет во многом зависеть от следующего поколения, но Пенн имеет хорошие возможности для продолжения этих усилий благодаря близости двух отделов, общим грантам, перекрестным спискам курсов, а также студентам и докторантам, которые активно работают над проблемы по полям. «Происходит постоянный поток базовых знаний, благодаря которому ученики становятся грамотными и свободно владеют сложным языком», — говорит Пантев. «Я думаю, что мы впереди кривой, и я думаю, что мы останемся впереди кривой».

Многие в Penn согласны с тем, что это уникальная черта их двух отделов. «Очень редко бывают такие близкие отношения между математиками, которые действительно слушают то, что мы говорим», — говорит Оврут. «Пенн должен гордиться такой синергией. Это не то, что вы видите каждый день».

Оврут (слева) вместе с Донаги был одним из руководителей невероятно успешной совместной программы по математике и физике, ставшей первым официальным сотрудничеством двух факультетов Пенсильванского университета.

Родриго Барбоза — доцент-исследователь Центра геометрии и физики Саймонса в Университете штата Нью-Йорк, Стоуни-Брук. Он получил докторскую степень. по математике от Penn в 2019 году. 

Мирьям Цветич — профессор Фэй Р. и Юджин Л. Лангберг кафедры физики и астрономии Школы искусств и наук 0449 . У нее также есть второстепенная должность на кафедре математики, и недавно она была назначена главным исследователем коллаборации Саймонса по специальной голономии в геометрии, анализе и физике.

Рон Донаги является профессором факультета математики Школы искусств и наук Пенсильванского университета . Он также имеет второстепенное назначение в Кафедра физики и астрономии .

Джонатан Хекман — доцент кафедры физики и астрономии Школы искусств и наук Пенсильванского университета 9. У него также есть второстепенная должность в Департаменте математики .

Рэндалл Камьен — профессор естественных наук Вики и Уильяма Абрамс в 9-м0449 Факультет физики и астрономии в Школе искусств и наук в Пенсильванском университете . У него также есть второстепенная должность в Департаменте математики .

Крейг Лоури — научный сотрудник с докторской степенью в Школе искусств и наук Университета Пенсильвании .

Лин Лин — исследователь, работающий в ЦЕРНе. В последнее время он работал научным сотрудником с докторской степенью в Школе искусств и наук в Пенсильванском университете .

Берт Оврут является профессором кафедры физики и астрономии Школы искусств и наук Пенсильванского университета .

Тони Пантев — профессор факультета математики Школы искусств и наук Пенсильванского университета Университета Пенсильвании Университет Пенсильвании

Для получения дополнительной информации о перекрестных исследованиях математики и физики, проводимых в Пенсильвании, посетите веб-сайт исследовательской группы по математике и физике.

Новый вид физики. Объединяющая теория Вольфрама… | Николас Тиг | Из дневников Джона Генри

Объединяющая теория модели Вольфрама

В современной физике произошло несколько примечательных сдвигов парадигмы. Принципы относительности нарушили постоянство пространства и времени в экстремальных масштабах, затем квантовая динамика нарушила точечную точность в нано. Библиотека атомов и составных частиц в конце концов была раскрыта как абстракция для агрегатов субатомных частиц, чьему новейшему члену, бозону Хиггса, для доказательства требовалось столкновение частиц со скоростью, близкой к скорости света.

Брак между этими областями долгое время искали исследователи, так как теория относительности макромасштаба и кванта наномасштаба не могут согласовать природу гравитации, одной из четырех фундаментальных сил. Одним из каналов исследования было изобретение новых видов математики, обнаружение более высоких измерений, проявляющих частицы из вибраций струн и мембран, и симметрии между измерениями, продемонстрированные даже через соответствие AdS/CFT, переводы которых все еще могут быть показаны как разновидность Пенроуза. треугольник, направление которого определяет пункт назначения.

В общем, своего рода постоянство среди этих различных структур является их основами в математике, например, для уравнений, распределений и свойств. Хотя в некоторых случаях могут мешать ошибки измерения, в целом, если мы можем успешно изолировать некоторую систему от окружающих взаимодействий и точно оценить текущее состояние, мы можем, по крайней мере, знать распределение потенциальных эволюций, которые могут быть реализованы посредством прогрессии. Во многих случаях мы можем даже иметь аналогичный потенциал для управляемости, оценивая систему в детализированном представлении курса, которое все же может абстрагироваться от многих более мелких деталей для прогнозирования распределений макросостояний посредством перенормировки.

Новый вид науки

Именно в этом контексте Стивен Вольфрам выпустил в 2002 году свой выдающийся труд «Новый вид науки». На высоком уровне предпосылкой этой работы было исследование неожиданных свойств клеточных автоматов, которые представляют собой простые правила эволюции состояний двумерных пиксельных сеток на основе состояний соседних ячеек в предыдущих строках. Один из выводов заключался в том, что даже из простейших видов элементарных правил, т. е. состояний одиночных двоичных пикселей, полученных как функция трех соседних ячеек в предыдущей строке, правила могут развивать коллективные состояния пикселей, демонстрируя множество различных видов макрошаблонов, таких как однородность. , повторение, фракталы, случайность или сложность на основе применяемых правил и исходных входных строк, используемых в качестве отправной точки для выводов. Особого внимания заслуживают более высокие уровни сложности, поскольку было продемонстрировано, что в игру вступает вычислительная несводимость. Другими словами, предсказания последовательности паттернов не могли быть сокращены математическими уравнениями, более поздние состояния могли быть достигнуты только посредством подробных расчетов каждого промежуточного временного шага. Это открытие представляло дополнительный интерес, если учесть, что по крайней мере одно из правил способно действовать как универсальная машина Тьюринга посредством последовательностей состояний. На самом деле книга делает выводы из этого вывода, чтобы предположить, что все системы, как естественные, так и искусственные, могут рассматриваться в ходе своей эволюции как выполняющие своего рода вычисления, которые могли бы полностью имитировать машину Тьюринга, и хотя некоторые из этих систем могут быть значительно расширены. более эффективны в своих вычислениях, все еще может быть некоторая согласованность между тем, что происходит, скажем, в погодных условиях, встречающихся в природе, и работой человеческого мозга, чтобы привести два примера — принцип, который книга называет вычислительной эквивалентностью.

Правило 30 элементарных клеточных автоматов (изображение из Википедии)

Одна из ключевых глав книги «Новый вид науки» стремилась навести мост между областями клеточных автоматов и фундаментальной физики, или, в частности, предложила гипотезу о том, что под известными законами физики может быть действующей системой, аналогичной развитию клеточных автоматов, что, возможно, могло бы возобновить квантовые дебаты о теории скрытых переменных. Чтобы было ясно, эта базовая система не должна была быть такой простой, как элементарные клеточные автоматы, обсуждавшиеся в другом месте, поскольку их жесткая решетчатая структура вряд ли соответствует тому, что мы знаем о законах природы. Вместо них в книге выдвигается гипотеза о том, что возможный кандидат может представлять собой более гибкую структуру узлов графа с географией, определяемой (потенциально временными) связями узлов, в отличие от жестких матриц смежности клеточных автоматов. Мы будем называть эти сети узлов графа гиперграфами. Конечно, «Новая наука» предлагала их только в качестве своего рода широкой гипотезы и введения в сочетании с предложениями о том, как можно проводить дальнейшие исследования этой теории путем поиска в пространстве возможных правил, которые могут быть найдены для создания закономерностей. в соответствии с известными законами физики — что может потребовать массовых симуляций, как того требует вычислительная несводимость. Типы предлагаемых исследований посредством экспериментов в моделировании правил — это «новый вид науки», о котором не упоминается в названии книги.

Жизнь коротка, время — конечный ресурс, как и внимание исследователя. Таким образом, после публикации этой книги автор, Стивен Вольфрам, снова сосредоточился на своей первой обязанности, управляя предприятием по разработке программного обеспечения, которое он основал в 1987 году, Wolfram Research, которое стало домом для многих флагманских продуктов, соединяющих домены компьютерной техники. языки, математика, естественный язык и многое другое — такие как Mathematica, Wolfram Language, Wolfram Alpha, а также основа голосового помощника, теперь известного как Siri. На самом деле, если бы не поддержка двух молодых исследователей, участников летней школы Wolfram Research, нынешних сотрудников Джонатана Горарда и Макса Пискунова, серьезное изучение физики гиперграфов могло бы занять еще одно или два поколения. К счастью, последние 18 лет между «Новым видом науки» и текущим быстрым прогрессом в модели Вольфрама не были полной потерей, поскольку многие программные инновации, которые сделали возможным эффективное моделирование и исследования гиперграфов, являются результатом инноваций, которые был включен в Mathematica с тех пор. И темпы прогресса в изучении эволюции гиперграфов как основы современной физики за последние два года серьезных исследований были значительными, кульминацией которых стала публикация авторитетной книги «Проект по поиску фундаментальной теории физики». .

Проект по поиску фундаментальной теории физики

В попытке передать основы модели Вольфрама и связи с физикой, я предлагаю здесь несколько основных моментов, основанных на моем прочтении текста. Сначала я предложу, что для более полных и кратких обсуждений было несколько вводных рецензий, предложенных сообществом Wolfram Physics Project, в том числе автором которых является сам Стивен Вольфрам, пожалуйста, считайте эти каналы более авторитетными по сравнению с этим эссе.

В качестве переформулирования того, что мы имеем в виду с помощью терминологии, гиперграф включает в себя набор географически нейтральных точечных узлов, которые связаны друг с другом посредством связей между ними. Другими словами, «расстояние» между двумя узлами зависит от количества пересечений каналов, необходимых для соединения. Эти связи между узлами сами по себе представляют интерес — ссылки могут соединять два узла, три узла или более — в некоторых случаях ссылка может быть даже от одного узла к самому себе. Важным моментом является то, что связи между узлами не должны быть статическими. Фактически, движение гиперграфа во времени реализуется в этой теории путем применения одного или нескольких правил обновления в зависимости от существующих узловых связей. В качестве произвольного примера, если гиперграф был настроен с тремя типами составляющих узлов, которые мы будем обозначать как A, B, C, одним из возможных правил обновления может быть то, что при обнаружении связи между типами узлов A и B, эта ссылка будет заменена на этапе обновления новым набором узлов и связанных ссылок как A-C-B. Это просто произвольный пример. Дело в том, что такого рода правила обновления узловых связей аналогичны правилам близости пикселей, применяемым при обработке шаблонов элементарных клеточных автоматов, и, таким образом, благодаря их последовательностям становится возможным реализовать гиперграфические узловые гиперграфические гиперграфические гиперграфические гиперграфические гиперграфические гиперграфические закономерности возрастающей сложности и изощренности.

Демонстрация прогрессии гиперграфа через приложения правила обновления связи узла.

Другой способ думать об этом состоит в том, что в нашей библиотеке частиц определенные паттерны узлов и связей могут совпадать с конкретными субатомными частицами, и что дальнейшие движения частиц в физическом пространстве могут быть результатом развития паттернов узлов и связей через применение правил к изменена близость поперечного расстояния связи с другими паттернами узловых связей — если вы никогда не видели демонстрацию клеточных автоматов «игры в жизнь» Конвея, посмотрите ее, это может помочь вам лучше понять, что означает для этих типов паттернов путешествовать через пространство состояний в результате применения правил.

Распространение шаблонов ссылок узлов гиперграфа в поперечном физическом пространстве — не единственный тип обновления, рассматриваемый теорией гиперграфов Вольфрама. Учтите, что во многих случаях конкретные шаблоны узлов/связей могут быть результатом более чем одного набора наборов промежуточных правил. может быть результатом какого-то другого пересечения шагов последовательности правил. Дело в том, что реализованное физическое проявление различных шаблонов связи узлов не заботится о шагах последовательности правил, необходимых для реализации, важно только то, что наблюдатель видит как текущее состояние (немного забегая вперед, этот материал наблюдателя затрагивает вопросы квантовой динамики). Если мы хотим различать различные типы последовательностей правил связи узлов для реализации некоторого состояния, предлагаемое в этой теории решение — это то, что известно как многосторонний причинно-следственный граф. На самом деле это не отдельный гиперграф, это скорее слой поверх графа физического пространства, связывающий различные родительские шаблоны, которые ведут к общим дочерним шаблонам, и наоборот. Один из способов думать об этих причинных графах состоит в том, что квантовое измерение наблюдателем устанавливает границу в многостороннем причинном графе между тем состоянием, которое занимает наблюдатель, и теми альтернативными причинными сценариями, которые могли быть реализованы другими последовательностями правил. прогрессии — модель Вольфрама, эквивалентная коллапсу квантовой суперпозиции.

Многосторонний причинно-следственный график, демонстрирующий альтернативные пути прохождения обновления для достижения общих различных состояний.

Этот тип аналогичных свойств гиперграфа по отношению к фундаментальной физике оказывается центральной предпосылкой книги, фактически обширный обзор таких отношений гиперграфа и физики собран в качестве доказательства модели. Давайте рассмотрим несколько демонстраций для иллюстрации.

В качестве первого примера я отметил ранее, что эти узловые и связующие элементы гиперграфа не имеют сами по себе жесткой геометрической структуры, как это было в клеточных автоматах, вместо этого физическое пространство является эмерджентным свойством, реализованным как функция связей гиперграфа. . Учтите, что мы привыкли воспринимать наше окружение как три пространственных измерения, как же тогда такие пространственные ограничения могут возникать из гиперграфа? Ответ заключается в том, что мы можем выбрать произвольный узел в качестве отправной точки, а затем можем просто подсчитать количество узлов, которых можно достичь, следуя заданному количеству пересечений ссылок в каждом направлении. Например, если наш начальный узел связан с двумя соседями, то после первого поколения ссылок из нашей начальной точки мы можем считать, что мы достигли в общей сложности трех узлов. Если затем мы проследим за вторым поколением ссылок из всех узлов, достигнутых в первом поколении, мы сможем подсчитать все узлы, достигнутые кумулятивно в этих первых двух поколениях ссылок, и аналогичным образом через 3, 4 и более поколений ссылок. Конечно, можно ожидать, что количество достигнутых узлов может расти экспоненциально, что и происходит, но гипотеза состоит в том, что мы можем получить эффективную размерность Dr, связав количество поколений ссылок r и связанное число узлов V(r) как Dr = (log(V(r+1)) — log(V(r)) / (log(r+1) — log(r)), где, хотя это производное значение не обязательно может быть постоянным для каждого подсчета поколений , для некоторых типов правил есть потенциал для достижения асимптоты с увеличением количества связей, например, может сходиться к ожидаемым трем пространственным измерениям, к которым мы привыкли.

Эффективное измерение как функция шагов прохождения ссылки — здесь каждая строка представляет собой отдельное состояние узла/связи, размер которого увеличивается за счет событий обновления.

Итак, мы выяснили, как распознавать пространство, а как насчет другого ключевого измерения времени? Идея состоит в том, что время реализуется посредством применения обновлений правил гиперграфа, таких как обновление событий, которые могут изменить связи между узлами, создать новые связанные узлы, консолидировать узлы ссылок и т. д. Это различие для измерения времени может помочь объяснить второй закон термодинамики, так как тенденция к увеличению энтропии может быть просто стохастическим эффектом правил обновления, и так же, как второй закон является вероятностным законом с потенциальными краткосрочными отклонениями в различных масштабах, наши обновления правил гиперграфа имеют встроенную функцию. в стохастичности, унаследованной от отклонений шаблонов узлов, к которым применяются правила.

Здесь горизонтальные линии — это пространственно-подобные поверхности через пространство узлов, вертикальные линии — это времениподобные поверхности через последовательности событий обновления.

Другой полезный момент этого различия между измерениями пространства и времени демонстрируется полностью целостным проявлением свойства, аналогичного относительности. На самом деле физики традиционно считают само собой разумеющимся, что общая и специальная теория относительности являются фундаментальными свойствами, для которых еще не понята общепризнанная основная причина. Таким образом, естественное появление релятивистской связи между пространственным и временным измерениями модели Вольфрама является важным результатом. В частности, релятивистские свойства реализуются путем сдвига угла нашей границы наблюдения через причинный граф, реализуя своего рода круг влияния светового конуса из некоторого начального состояния.

Демонстрация относительности (это немного выше моего понимания).

Важным свойством, относящимся к нашему многостороннему каузальному графу, которое Вольфрам считает предпосылкой для возможных правил гиперграфа, является «каузальная инвариантность». Причинная инвариантность относится к принципу, согласно которому идентичность некоторого отдельного реализованного состояния не зависит от различных путей обновлений ссылок узлов гиперграфа, которые могли быть применены для достижения этого состояния. Это связано с отношениями между моделью и квантовой динамикой, где каждое разветвление в приложениях правил можно рассматривать как альтернативную историю, которая пока еще может усиливать или мешать некоторому отдельному нисходящему состоянию, объединенному измерением наблюдателя — например, самого наблюдателя частью того же гиперграфа, что и его окружение. 9(-101) с. Фейнман был прав, внизу полно места.

Включая это изображение как своего рода абстрактную аллюзию на субатомные частицы, полученные из паттернов гиперграфа.

Один пункт, который я нашел недостаточно освещенным в обзоре книги, касался корреляции между свойствами гиперграфа и гравитацией. Я хотел бы предложить здесь своего рода расплывчатую гипотезу в качестве альтернативы тому, что обсуждалось в книге: возможно, гравитация может быть обнаружена в результате отклонений скорости обновления событий в зависимости от плотности связи. Более конкретно, отклонения в направленном распределении событий обновления, например, в пользу обновлений, направленных на области с более высокой плотностью гиперграфа. Я не уверен, работают ли такие направленные распределения с постоянной скоростью света, если только, возможно, нет эквивалентного смещения в обратном направленном распределении событий обновления, на самом деле это просто своего рода мозговой штурм. В любом случае.

Это всего лишь краткий обзор каталога корреляций между гиперграфами и известными физическими свойствами. Есть много других, таких как энергия, импульс, масса, заряд, вращение и т. д. — все это есть в той или иной форме. Но удивительно то, что эти свойства не демонстрируются определениями и уравнениями, все это возникает, возможно, из прогрессии очень-очень простых правил обновления ссылок узлов, применяемых к гиперграфам. Точно так же, как он написал в «Новом виде науки» для клеточных автоматов в 2002 году. Все больше похоже, что Стивен Вольфрам, возможно, был прав все это время.

Изображения защищены авторскими правами и используются с разрешения The Wolfram Physics Project

Книги, которые упоминались здесь или иным образом вдохновили этот пост:

A New Kind of ScienceA Project to Find the Fundamental Theory of Physics

(As партнер Amazon, я зарабатываю на соответствующих покупках. )

Является ли наука мошенничеством?

Мюссер отслеживает действия на собраниях «Сольве», научных конференциях, проходивших в институте в Брюсселе в двадцатые годы. (Эрнест Сольве был богатым бельгийским химиком со склонностью к высокой науке.) Эйнштейн и Нильс Бор встречались и спорили там за завтраком и ужином, больше разговаривая друг с другом, чем друг с другом. Мюссер пишет: «Бор сделал упор на основную заботу Эйнштейна о связях между удаленными точками в космосе», предпочитая сосредоточиться на спорах о вероятности и случайности в природе. Как говорит Мюссер, вопросы «неопределенности» того, было ли то, что вы измеряете, на самом деле неопределенным или просто непознаваемым, пока вы это не измерили, были важным моментом, но не 9.0532 это важный момент.

Мюссер объясняет, что большая проблема была решена главным образом за счет того, что ее отодвинули в сторону. Поколенческие императивы превзошли доказательные. То, что сделало Эйнштейна привлекательным гением народного воображения, было также и тем, что сделало его легким объектом снисхождения. Горячие молодые теоретики покровительствовали ему, а один из коллег Бора насмехался над тем, что, если бы студент выдвинул возражения Эйнштейну, «я бы счел его весьма умным и многообещающим».

Никогда не было решающих дебатов, никогда не было освященных решающих экспериментов, никогда не было даже победного аргумента, чтобы решить дело, при этом один физик признал: «Большинство физиков (включая меня) признают, что Бор выиграл спор, хотя, как и большинство физиков, я трудно описать словами, как это было сделано». С этой точки зрения споры о нелокальности вышли из моды почти так же, как «Rock Around the Clock» вытеснил Синатру с вершин хит-парадов.

Тот же самый паттерн избегания и разговоров о прошлом, взятия на себя нрава времени обнаруживается и в современной науке, вернувшейся к возможности нелокальности. Массер отмечает, что нападки Джеффри Чу на понятие основополагающих законов физики «были радикальными, и радикализм хорошо прошел в Беркли эпохи 60-х». Нападки британского математика Роджера Пенроуза на теорию струн в девяностые годы были интригующими, но слишком несдержанными и слишком неубедительными для зала: «Пенроуз не помог своему делу своим откровенным скептицизмом. . . . Какой бы обоснованной ни была его критика, она не была рассчитана на то, чтобы вызвать к нему расположение коллег».

В самом деле, Мюссер, хотя и привержен эмпирическому объяснению, предполагает, что возрождение «нелокальности» как темы в физике может быть связано с тем, что мы находим метафору нелокальности еще более приемлемой: «Современные коммуникационные технологии могут технически не быть неместным, но он точно чувствует, что это так». Живя среди дальних связей, где то, что происходит в Бангалоре, происходит в Бостоне, мы более восприимчивы к идее такого странного порядка во Вселенной. Мюссер резюмирует это в завидном афоризме: «Если поэзия — это эмоция, вспоминаемая в спокойствии, то наука — это спокойствие, вспоминаемая в эмоции». Кажущийся нейтральным порядок мира природы становится отражателем каждого страстного чувства, которым обладает физик.

В таком случае наука такой же клуб, как и любой другой, с фетишами и модами, с интриганами, мечтателями и занесенными в черный список кандидатами? Нужно ли проводить реальную демаркацию между наукой и любым другим видом общественной деятельности? Одна из тем Массера заключается в том, что граница между необъяснимыми магическими действиями и объяснимыми физическими явлениями размыта. Примером может служить лунная теория приливов. Возражение Галилея было похоже на возражение Эйнштейна против квантовой теории: то, что Луна оказывает оккультное влияние на океаны, было явной магической чушью. Это возражение стало точкой зрения Ньютона: оккультные влияния можно было бы понять трезво и объяснить движение звезд и планет. То, что было магией, стало математическим, а затем обыденным. «Волшебные» объяснения, как и жуткие действия, постоянно возрождаются и отвергаются, пока, наконец, не переосмысливаются и не принимаются. Таким образом, вместо четкой границы между наукой и магией мы видим зыбкую, изменчивую границу, которая постоянно перерисовывается. Это как в мультфильме «Looney Tunes», где Багз проводит линию в грязи и бросает вызов Йосемитскому Сэму «просто пересечь эту линию», а затем, когда Сэм это делает, Багс перерисовывает ее снова и снова, все в обратном направлении, пока, в В конце Сэм переступает через обрыв. История Мюссера предполагает, что границы между наукой и магией в реальном мире такие же, как у Багса: они сделаны на ходу и являются скорее ловушкой, чем учебным пособием.

За последние несколько десятилетий старые границы между историей астрологии и астрономии, а также между алхимией и химией, безусловно, стерлись; историки научной революции больше не настаивают на полном разрыве между наукой и более ранними формами магии. Там, где когда-то искали и принимали всерьез логические критерии между наукой и ненаукой (или псевдонаукой), критерий «опровержимости» Карла Поппера был, пожалуй, самым известным, настаивая на том, что здравая теория может быть в принципе доказана ошибочной одним тот или иной тест — многие историки и философы науки пришли к выводу, что это наивный взгляд на то, как на самом деле работает научное предприятие. Они видят путаницу принуждения, старые магические идеи, случайные эксперименты, замалчиваемые неудачи — все это объединяется в социальной практике, которая дает результаты, но редко следует определенной логике.

Тем не менее, старое представление о научной революции, которая на самом деле была революцией, вновь обретает некоторую достоверность. Дэвид Вуттон в своей новой энциклопедической истории «Изобретение науки» (Harper) признает размытые границы между магией и наукой, но настаивает на том, что революция заключалась в публичном характере нового подхода. «Алхимию убило не экспериментирование, — пишет он. Он продолжает:

Что убило алхимию, так это настойчивость в том, что эксперименты должны открыто сообщаться в публикациях, которые представляют четкий отчет о том, что произошло, и затем они должны быть воспроизведены, предпочтительно в присутствии независимых свидетелей. Алхимики стремились к тайному знанию, убежденные, что лишь немногие способны познать божественные тайны и что общественный порядок рухнет, если золото перестанет быть в дефиците. . . . На смену эзотерическому знанию пришла новая форма знания, которая зависела как от публикации, так и от публичного или полупубличного исполнения. Закрытое общество сменилось открытым.

Пикантным образом Вуттон, мало принимая во внимание критерий фальсифицируемости Поппера, компенсирует его, заимствуя критерий из его политической философии. Научные общества являются открытыми обществами. Сегодня лунные приливы оккультны, на следующий день они являются наукой, и что меняется, так это то, как мы говорим о них.

Вуттон также настаивает, вопреки мнению современной академии, что единичные наблюдаемые факты, которые он называет «убийственными фактами», действительно полировали античные авторитеты. Факты сами по себе неочевидны: факт факта нужно было выдумывать, оспаривать и оспаривать заново. Но, как только мы согласны с тем, что факты — это факта, они могут проделать потрясающую работу. Традиционная птолемеевская астрономия, существовавшая более тысячелетия, была разрушена открытием Галилея о фазах Венеры. Этот убийственный факт «служит единым, солидным и сильным аргументом в пользу его вращения вокруг Солнца, так что не остается места для сомнений», — писал Галилей, а Вуттон добавляет: «Никто не был настолько глуп, чтобы оспаривать эти утверждения». ». Наблюдения были пропитаны теорией — Вуттон показывает восхитительный рисунок кратера на Луне, которого на самом деле не существует, нарисованный порядочным английским астрономом, который только что читал Галилея, — а факты, как всегда, смягчались нашими желаниями. А вот они все так же злобно улыбались, как мультяшные барракуды, съедая старые орбиты.

С точки зрения Вуттона вытекает несколько вещей. Во-первых, «групповое мышление» в науке часто является истинным мышлением. Наука всегда делалась в облаке социальных сетей. Но эта сила согласия ценна только в том случае, если есть готовность смотреть в глаза убийственному факту. В новой книге гарвардского физика-теоретика Лизы Рэндалл «Темная материя и динозавры» (Ecco) захватывающим центральным тезисом является идея о том, что в Млечном Пути может существовать диск темной материи, возмущающий орбиты комет и потенциально отправляющий их периодически к Земле, где они, вероятно, производят большие кратеры и вымирания. Но эта теория правдоподобна только потому, что один убийственный факт убил более раннюю теорию, которая утверждала, что невидимая звезда находится где-то там, возмущает и угасает. Каждый новый орбитальный телескоп сканировал небо, а так называемая звезда Немезида так и не появилась. Диски темной материи теперь могут появляться в пространстве, оставшемся пустым из-за отсутствия звезды.

Аналогичная закономерность наблюдается в случае поиска «Вулкана», гипотетической планеты, которая в девятнадцатом веке находилась между Меркурием и Солнцем и объясняла возмущения на орбите Меркурия. Как объясняет Томас Левенсон в «Охоте за Вулканом» (Random House), астрономы девятнадцатого века были настолько увлечены идеей пропавшей планеты, что многие из них, очарованные случайными тенями, настаивали на том, что видели ее в свои телескопы. Только в 1915 году, когда Эйнштейн предложил новую интерпретацию возмущений (что-то связанное с гравитацией как искривлением пространства-времени), астрономы смогли перестать «видеть» то, чего не было.

В научно-популярном мире много говорят о «мемах» — идеях, которым каким-то образом удается воспроизвести себя в наших головах. Но, возможно, настоящие мемы — это не идеи, мелодии или артефакты, а способы их создания — привычки ума, а не продукты ума. Наука — это не игровой автомат, в который вы вводите факты, а выявляете истину. Но это особый вид социальной деятельности, в котором множество различных человеческих черт — упрямство, любопытство, неприятие авторитетов, сплошная сквернословие и неохотная готовность подвергать излюбленные представления на всеобщее обозрение — заканчиваются тем, что производят надежное знание. Распространение идей Билла Джеймса о бейсболе, от листовок, напечатанных на мимеографе, до офисов «Ред Сокс» — хороший пример того, как научный склад ума распространился туда, куда наука обычно не заходила. (Сам Джеймс знал это, заметив, что если он собирается быть Галилеем, то кто-то должен быть Папой.)

Так или иначе, наука действительно существует. Утверждение, что фундаментальные исследования ценны, потому что они ведут к прикладным технологиям, может быть верным, но, возможно, не лежит в основе социального использования предприятия. То, как думают ученые, заставляет нас осознать, как мы можем думать. Сэмюэл Джонсон сказал, что артист, едущий верхом на трех лошадях, может ничего и не добиться, но он увеличивает наше уважение к способностям человека. Ученые, которые показывают, что природа скачет на трех лошадях одновременно — или даже на двух лошадях по противоположным сторонам вселенной, — также расширяют наше уважение к тому, что мы способны вообразить, и именно это действие, на его собственном жутком расстоянии, действительно запутывает наши мысли. ♦

Специальность по физике | Путеводитель по дипломам, работе и карьере в области физики

Что такое физика?

Вкратце физика — это наука, которая пытается понять законы природы и отношения между энергией и материей. Однако, возможно, было бы более уместно определить физику как образ мышления, а не как профессию. Область физики учит студентов применять логический подход к решению проблем в любых ситуациях, в которых они могут оказаться. Студенты-физики изучают концепции и методы науки, которые можно применять во многих различных профессиональных областях и темах исследований.

Физика занимается всем, от субатомных частиц до черных дыр и общей структурой Вселенной. Физики используют математические формулы, чтобы попытаться объяснить свои теории и сделать предсказания. Это наука, которая привлекала и сбивала с толку некоторых из самых блестящих умов всех времен: сэра Исаака Ньютона, Альберта Эйнштейна и Стивена Хокинга, и это лишь некоторые из них.

Но физика также интересуется тем, как вещи работают на более осязаемом уровне. Законы физики применяются в таких областях, как инженерия, связь, биология и электроника. Развитие таких технологий, как лазеры и полупроводники, стало результатом новаторских работ в области физики. Телевизоры, микроволновые печи и цифровые камеры не существовали бы без прорывов в физике.

Физика на самом деле изучает то, как устроен мир, и ее можно считать самой фундаментальной из всех наук. Цель физики — разработать теории, обобщающие законы природы и ведущие к пониманию того, почему вещи работают именно так, а не иначе. Основы физики могут быть применены к большинству других наук, и по этой причине очень многие люди используют физику как трамплин для перехода к другим областям обучения или профессиям.

Что делает профессиональный физик?

Должностные инструкции трудно поддаются количественной оценке в этой области. Физик может провести свой день, разрабатывая материалы для компьютерных чипов или разбивая атомные частицы. Физики облетели Землю и исследовали океаны. Они создали инструменты для диагностики болезней; они разработали лучшие и более эффективные виды топлива для автомобилей и домов; они рассчитали движение арктических ледников.

Для старшеклассников: подготовка к профессиональному обучению физике

Всем, кто планирует изучать физику в колледже, следует подумать об учебной программе, насыщенной уроками алгебры на уровне старшей школы, с некоторыми математическими вычислениями и тригонометрией, где это возможно. Как и следовало ожидать, уроки естественных наук тоже важны.

Воспользуйтесь любой возможностью познакомиться с наукой, например, приняв участие в научной ярмарке или во внеклассных мероприятиях, таких как школьные научные клубы.

Найдите взрослых, у которых есть опыт или интерес к физике, включая ваших учителей. Наличие наставника, с которым можно поговорить о физике или задать вопросы, играет важную роль в вашем профессиональном развитии.

Нужна ли ученая степень для работы в области физики?

Почти треть студентов-физиков выбирают двойную специализацию, при этом математика является наиболее распространенным направлением. Обычно это связано с тем, что для получения дополнительной степени по математике требуется всего несколько дополнительных занятий помимо тех, которые требуются для получения степени по физике. Но математика — не единственный вариант. Некоторые из других наиболее распространенных двойных специальностей — это программы научных степеней, такие как информатика, астрономия и химия. Для начинающих преподавателей естественных наук или физики требуются дипломы об образовании и сертификаты преподавателя.

В некоторых школах есть два варианта программ бакалавриата: один для студента, который хочет стать физиком-теоретиком, другой для студента, который хочет использовать физику в менее ориентированном на исследования контексте. Степень бакалавра, как правило, является единственным требованием для последнего варианта.

Степень магистра или доктора требуется для преподавания физики в университете или для проведения исследований в частных промышленных или государственных лабораториях. Эти ученые степени высшего уровня требуют сосредоточенного изучения в определенной области по выбору студента. Онлайн-степени по физике — еще один вариант, который может предоставить работающему профессионалу некоторую столь необходимую гибкость планирования в отношении повышения их образовательной квалификации.

Что можно делать со степенью бакалавра по физике?

Хотя некоторые специалисты в области физики продолжают зарабатывать должности профессиональных физиков, это лишь верхушка айсберга в том, что касается возможностей физики. Обладая навыками решения проблем, математических рассуждений, компьютерного программирования, а также организации и интерпретации научных данных, выпускники факультета физики могут хорошо подходить для множества профессий, требующих пошагового решения проблем с использованием математических навыков, хорошей наблюдательности и общения. навыки и умения.

Многие отрасли промышленности ищут выпускников-физиков: телекоммуникации, промышленная физика, больничная физика, электроника, вычисления, тестирование контроля качества, банковское дело, страхование и технические продажи, для начинающих. Физики, как правило, специализируются в одной или нескольких областях физики, например:

• Ядерная физика . Ядерная физика включает изучение компонентов, структуры и поведения ядра атома. Он имеет ряд практических применений в развитии ядерной энергетики, датировании археологии, детекторах дыма и ядерной медицине. Методы ядерной диагностики произвели революцию в медицине, открыв способы «заглянуть» внутрь тела без хирургического вмешательства.
• Геофизика. Геофизики применяют физические теории и измерения для изучения свойств земли. К геофизике относятся разделы сейсмологии, геотермометрии (нагрев земли), гидрологии (подземные и поверхностные воды), гравитации и геодезии (гравитационное поле Земли). Некоторые из его применений используются при строительстве автомагистралей и мостов, изучении землетрясений, городском планировании и археологии.
• Атомная, молекулярная и оптическая физика . В этой области физики изучают взаимодействие материи и света на уровне атома. Эти три обычно группируются вместе из-за их взаимосвязей, сходства используемых методов и связанных с ними энергетических шкал. Атомная физика больше занимается изучением атома, чем силами, изучаемыми в ядерной физике. Молекулярная физика фокусируется на многоатомных структурах и их внутренних и внешних взаимодействиях с материей и светом. Оптическая физика манипулирует светом, чтобы понять его фундаментальные свойства.
• Астрономия. Астрономия считается разделом физики. Астрономы наблюдают и собирают данные, используемые для объяснения отношений между звездами и планетами, а также других явлений, происходящих во Вселенной. Астрономы вместе с другими физиками могут быть призваны решать проблемы, связанные с навигацией космических полетов и спутниковой связью.
• Астрофизика. Астрофизика — это часть астрономии, изучающая физику звезд, звездных систем и межзвездного вещества. Астрофизики применяют законы физики, чтобы понять, как формируются астрономические тела, как они взаимодействуют и как умирают. Астрофизику можно использовать, чтобы выяснить, как добраться до других планет, как строить новые и более безопасные способы или изучить, как человеческое тело приспосабливается к новым ситуациям.
• Космическая физика. Космическая физика — это изучение космической среды от самых верхних слоев земной атмосферы до дальнего космоса. Область, в которой вращаются спутники, представляет особый интерес, поскольку спутники используются для связи, вещания, мониторинга погоды, дистанционного зондирования, информации о местоположении и многого другого.
• Физика Образование. Выпускники физики со степенью бакалавра могут решить работать учителями начальной или средней школы, преподавая физику следующим поколениям. Технические школы также могут нанимать специалистов по физике, имеющих некоторый профессиональный опыт. Государственные школы требуют сертификации для преподавания, но не все частные школы или технические школы.
• Инженерная физика. Инженерное дело — еще один выход для специалистов по физике. Это одна из самых требовательных профессий, потому что она часто имеет дело с решениями, влияющими на безопасность людей. Строительство мостов, небоскребов, самолетов и электрических систем требует прочного физического фундамента. Некоторые студенты могут получить степень по физике, а затем поступить в аспирантуру на степень магистра инженерии. Другие имеют двойную специализацию в области физики и техники. Несколько других отраслей, требующих солидного физического образования, — это строительство, химическая, пищевая, авиакосмическая промышленность, сельское хозяйство, энергетика, топливо, металлургия, текстиль и одежда, компьютеры и транспорт.
• Информатика. Информатика предлагает карьеру для физиков, специализирующихся в области графики и программного обеспечения, искусственного интеллекта, обработки данных и компьютерных игр. Компьютерное оборудование является результатом прикладной физики.

Планирование карьеры в области физики

Физика требует больших затрат времени и усилий. Студент, планирующий построить карьеру физика, должен сделать академические требования своим главным приоритетом. Это означает, что нужно обращать внимание на оценки, особенно на уроках математики и естественных наук, и набирать высокие баллы на выпускном экзамене (GRE) перед поступлением в аспирантуру. Кроме того, будущие физики должны наладить отношения с преподавателями, которые могут написать рекомендательные письма.

Учащиеся, которые хотят преподавать в старших классах, должны знать, что для преподавания в государственных школах необходим сертификат преподавателя. Курсы в области образования важны, равно как и навыки общения и межличностного общения. С другой стороны, финансовые компании, такие как банки, страховые компании и инвестиционные фирмы, также могут эффективно использовать навыки и способности критического мышления специалистов по физике. Студенты-физики, планирующие карьеру в этой отрасли, должны посещать занятия по статистике, бухгалтерскому учету и экономике.

Учащиеся, желающие поступить в медицинский или стоматологический вуз, должны поговорить с консультантом домедицинского образования в начале своей карьеры в колледже, чтобы определить дополнительные курсы (такие как биология и химия), которые они должны пройти перед поступлением в медицинский вуз. Студент-медик должен выполнить примерно такое же количество заданий по физике, как и по биологии, и около четверти тестового материала на обычном вступительном экзамене в медицинскую школу основано на физике.

Сертификация, лицензирование и ассоциации

Для физиков не требуется лицензии, но любой, кто планирует преподавать в государственной начальной или средней школе, должен получить сертификат преподавателя.

Профессиональные ассоциации

• . и иначе, чем другие науки. Понимание этих различий важно, если мы хотим иметь эффективную научную политику.

  Физика долгое время считалась образцом того, какой должна быть наука. Была надежда и ожидание, что если достаточно времени, ресурсов и таланта будет вложено в науки, связанные с другими явлениями, в частности в науки о жизни, поведенческие и социальные науки, то глубокие, широкие и точные знания, которые то, что было достигнуто в физических науках, может быть достигнуто и там. В дискуссиях о научной политике часто высказывается предположение, что всякая хорошая наука должна быть подобна физике: отличаться количественной спецификацией явлений, математической точностью и дедуктивной силой теории, используемой для объяснения этих явлений, и, прежде всего, результирующей точностью и глубиной анализа. каузальное понимание.

  Замечания лорда Кельвина, сделанные более века назад, остаются общепринятым мнением о важности количественной оценки. «Когда вы можете измерить то, о чем говорите, и выразить это в числах, вы что-то об этом знаете; но когда вы не можете это измерить, когда вы не можете выразить это в числах, ваши знания скудны и неудовлетворительны». Замечания Галилея, вероятно, являются самым известным аргументом в пользу математических теорий: «Вселенную… нельзя понять, если сначала не научиться понимать язык и интерпретировать символы, которыми она написана. Она написана на языке математики».

  Неоспоримый успех физики. Он пролил яркий свет на основную структуру и работу физического мира и позволил людям использовать эти знания для разработки технологий, которые помогли создать современный мир.

  Но в какой степени количественная оценка и математизация необходимы или достаточны для замечательных достижений физики? Безусловно, они связаны. Количественная оценка является важной частью причины, по которой физика может достичь такой точности описания и предсказательной способности. А математическая структура ее теорий не только обеспечивает поразительную точность ее объяснений и предсказаний, но и делает возможными продуктивные выводы и расчеты в большей степени, чем в любой другой науке. Неудивительно, что ученые в других областях часто страдают от зависти к физике или что политики жаждут такой же силы в науках, имеющих отношение к проблемам, которые они пытаются решить.

  Но это может быть глупый квест. Природа предмета, изучаемого наукой, сильно ограничивает как методы исследования и анализа, которые могут быть продуктивными, так и природу выводов, которые может достичь наука. Упор на количественную оценку и математическое теоретизирование, столь успешный в физике, может оказаться неуместным в науках, занимающихся другими предметами. Если не преуменьшать их ценность, когда это возможно, ни количественная характеристика предмета, ни математическое изложение теории, объединяющей и объясняющей этот предмет, не являются строго необходимыми или достаточными для того, чтобы наука была точной и строгой. Некоторые науки достигли значительной точности и строгости, не обладая этими особенностями. Другие науки методологически восприняли эти характеристики, но не достигли особенно резкого освещения своего предмета. Меня особенно беспокоят эти последние случаи.

  Для многих наук могут просто не существовать точные закономерности, установленные физикой. С другой стороны, более качественное понимание, которого могут достичь эти науки, может быть просветляющим и практически ценным. Ряд наук, идеи которых крайне необходимы, чтобы помочь обществу более адекватно справляться с неотложными проблемами современного мира, относятся ко второму типу. Тенденция ученых и политиков думать, что такие науки должны создавать знания, подобные физике, может уменьшить способность общества использовать в своих интересах знания, которые они способны предоставить.

  Когда цифр недостаточно

  Природа предмета, изучаемого наукой, сильно отличается от области к области. Как следствие, способы, которыми явления и воздействующие на них причинные механизмы могут быть эффективно охарактеризованы и поняты, также различаются. И эти различия сильно влияют на виды методологий исследования, которые, вероятно, будут плодотворными. Это не признается так широко и ясно, как должно быть.

  Предмет, которым сегодня занимается физика, совершенно особенный и кажется особенно подходящим для количественного и математического анализа. Таким образом, рассмотрим ньютоновскую трактовку движения планет, которая продолжает служить каноническим примером успешной науки. Местоположение любой планеты в любое время можно полностью описать с помощью чисел, как и ее движение в это время. Его замкнутый путь вокруг Солнца можно выразить через параметры математической функции, описывающей форму орбиты. Объяснение Ньютона включает в себя массу каждой планеты и солнца, и то, как они связаны друг с другом, а также их местоположение, и это также может быть выражено в уравнениях и числах.

  Плодотворное сведение кажущихся сложными и разнообразными явлений к набору чисел и уравнений является отличительной чертой физики. Рассмотрим современную астрофизику и, в частности, изучение того, расширяется ли Вселенная, и если да, то каким образом. Такие вещи, как галактики, центральные объекты наблюдения и анализа в такого рода исследованиях, кажутся чрезвычайно сложными и неоднородными, и они действительно таковы, если задавать о них определенные вопросы. Но для целей изучения того, как расширяется Вселенная, соответствующие сложности могут быть охарактеризованы только несколькими измерениями, такими как масса, возраст, местоположение и скорость удаления от Земли. Процессы, происходящие внутри и воздействующие на них, кажутся одинаковыми во всей Вселенной. Это вера физики как науки, и она кажется вполне обоснованной. Астрофизики могут охарактеризовать то, что они изучают, используя числа и математические законы, как это сделал Ньютон в своем великом труде.

  Физика замечательна тем, что способна делать предсказания (которые часто подтверждаются экспериментально) или давать объяснения явлений на основе математических расчетов, связанных с выявленными ею «законами». Эта аналитическая стратегия иногда используется для вывода о существовании или характеристиках чего-то, что ранее не наблюдалось, а иногда даже не концептуализировалось, например, аргумент о том, что должна существовать «темная энергия», если кто-то хочет понять, как расширяется Вселенная. Никакая другая наука не может сравниться с физикой в ​​отношении такой аналитической силы, основанной на теории.

  Однако, как подчеркивала философ Нэнси Картрайт, «законы» физики строго выполняются только в узких или жестко ограниченных условиях, таких как космический вакуум или вакуум в лаборатории. Не очевидно, что такие жесткие законы существуют даже в контролируемых условиях во всех сферах научных исследований. То, что они, по-видимому, существуют для физики, следует рассматривать как важный аспект ее предмета, а не как общее состояние мира.

  Но является ли количественная оценка предмета и математическая форма теории строго необходимой для того, чтобы наука могла делать надежные прогнозы и указывать путь, как это столь мощно делает физика, к эффективной практической технологии?

  Рассмотрим органическую химию. Числа, безусловно, являются центральными аспектами того, как характеризуют элементы и молекулы. Однако, особенно для сложных органических соединений, способ описания молекул включает в себя значительно больше, чем просто числа. Какие атомы связаны с какими другими атомами, и характер их связи, как правило, описывается цифрами и словами. Так же и формы молекул. А характеристика процессов и условий образования и распада молекул в значительной степени носит описательный характер, сопровождаемый разного рода блок-схемами. Часть «теории» здесь может быть выражена математически, но большая ее часть — нет.

  Или поразмышлять о молекулярной и клеточной биологии, в частности, о структуре и функционировании ДНК, генов, экспрессии генов и создании белков. Характеристика ДНК напоминает способ, которым характеризуют органические молекулы. Хотя спираль — это математическая форма, все без исключения, о которых я знаю, двойная спираль ДНК представлена ​​в виде картинки. Пары оснований нуклеотидов, которые в различных комбинациях содержат фундаментальную биологическую информацию для создания белков, изображаются как натянутые между двумя цепями остова, а гены изображаются как последовательности нуклеотидов. Точно так же процессы, ведущие к производству того или иного белка, описываются в основном в виде картинок и блок-схем, сопровождаемых подробным словесным повествованием.

  По мере того, как биология углубляется в более макроскопические вопросы, такие как то, как клетка образует белки, научная перспектива приобретает характеристики, которые, как утверждал Эрнст Майр, отличают биологию от физических наук. Часто между явлениями, классифицируемыми как принадлежащие к определенному типу, существуют значительные различия, причем отдельные случаи имеют по крайней мере некоторые идиосинкразические элементы. Действующие силы и процессы, как правило, несколько различаются от случая к случаю, и их следует понимать как имеющие стохастический аспект. Строение клеток и детали того, как производится тот или иной белок, являются хорошими примерами.

  Между тем описание и предсказание изучаемых явлений весьма точны в молекулярной биологии — как в тех аспектах, которые являются в основном органической химией, так и в тех, которые имеют более биологический (в смысле Майра) характер. Хотя ни в органической химии, ни в молекулярной биологии «теория» не имеет ничего подобного аналитической дедуктивной силе, которой теория обладает в некоторых областях физики, она все же обеспечивает понимание значительной точности и глубины. И, как и в случае с физикой, понимание, которое породила молекулярная и клеточная биология, часто служило ясным руководством для практического проектирования производственных процессов и продуктов. Но в органической химии и тем более в молекулярной биологии, хотя числа и являются одним из аспектов описания явлений, они далеко не все; математика также не является основным языком теории.

  В эволюционной биологии различия, на которые обратил внимание Майр, становятся еще более заметными. Изучение эволюции в наши дни берет от молекулярной биологии понимание генов и генных мутаций. Однако его ориентация как самостоятельная область исследования направлена ​​на явления гораздо более макроуровня: распределение различных фенотипов и генотипов в популяции вида в любое время, изменения во времени в этих распределениях и факторы. и механизмы этих изменений.

  Определенная часть этой характеристики является количественной. Некоторые фенотипические характеристики, такие как количество зубов или пальцев на ногах, рост и вес, длина клюва или скорость движения, могут быть подсчитаны или измерены, но важные фенотипические характеристики, такие как ловкость, сила или привлекательность, наоборот секс не может быть легко измерен или, по крайней мере, не полностью охвачен числами. В эволюционной биологии числовая характеристика явлений, такая как описание Дарвином клювов вьюрков на разных островах Галапагосских островов, почти всегда заключена в вербальном, а иногда и в изобразительном языке, что, с одной стороны, обеспечивает контекст для интерпретации этих чисел, а с другой стороны, содержит важную информацию, не включенную в них.

  Мало того, что полное описание вьюрков Дарвина включает качественную информацию, биологи-эволюционисты также признают, что все вьюрки на данном острове не совсем одинаковы. В среднем они значительно отличаются от острова к острову, и даже на отдельном острове могут быть значительные различия. Это сильно отличается от того, как физики думают о классах вещей, которые они изучают, скажем, об электронах, которые, как считается, имеют точно одинаковые характеристики везде, где они встречаются. Как я объясню ниже более подробно, наличие значительной степени внутренней неоднородности в объектах или классах объектов, изучаемых многими областями науки, очень существенно отличает их от физики.

  Кроме того, в отличие от великой работы Ньютона, теория Дарвина выражена словесно. И это продолжает оставаться доминирующим способом теоретического изложения в современных статьях и книгах, посвященных эволюционной биологии. Математические модели широко используются в современной эволюционной биологии, но они не предназначены для отображения, как это делает теория в физике, как все работает на самом деле (даже если только в контролируемых условиях). Я живо помню разговор, который у меня состоялся несколько лет назад с Джоном Мейнардом Смитом относительно роли его формальных моделей (например, моделей в его 19-летнем возрасте).82 книга Эволюция и теория игр ) по эволюционной биологии. Он заметил, что «эволюционные процессы гораздо сложнее этого. Эти модели — всего лишь интеллектуальные инструменты, помогающие вам думать о том, что происходит».

  Тем не менее, хотя понимание эволюционной биологии носит в основном качественный характер и не позволяет точно предсказать, как будут развиваться виды, или сформулировать жесткие «естественные законы», подобные тем, которые открыл Ньютон, оно формирует то, как мы смотрим на широкий спектр ряд эмпирически наблюдаемых биологических явлений и процессов и дает убедительное объяснение многим из них. И это понимание полезно практически. Он дает руководство для целого ряда человеческих усилий, от разработки лучших сортов растений до понимания и попыток справиться с изменениями в бактериях, которые угрожают людям, до понимания некоторых опасностей экологических изменений, к которым мы в противном случае были бы слепы.

  Описание человеческого мира

  Виды понимания, которые могут быть достигнуты в социальных науках и науках о поведении, еще больше расходятся с теми, что в физических науках. Изучаемые явления почти всегда очень разнородны, а классификации несколько размыты. Существующие закономерности имеют тенденцию быть качественными и стохастическими, а не резкими и точными.

  Большая часть описания явлений, изучаемых социальными науками, является качественной и вербальной. Как и в биологии, словесное описание часто сопровождается числами, которые призваны придать такому описанию большую точность. Однако то, насколько точно достигается точность, очевидно, зависит от того, насколько полно, точно и четко эти числа характеризуют явления, которые они количественно определяют. Здесь ситуация в социальных науках и науках о поведении сильно отличается от ситуации в физических науках.

  Значительная часть различий связана с различиями в видах изучаемых явлений. Большая часть предмета, изучаемого социальными и поведенческими науками, не только весьма разнородна, но и общее представление о природе явления часто имеет нечеткие границы, например, как в случае с «безработицей», «интеллектом» и «новаторством». ” Явления с размытыми концептуальными границами не являются чем-то особенным для поведенческих и социальных наук; рассмотрим концепцию биологического вида, где происходит межвидовое размножение, или геологическую концепцию землетрясения, которое может сопровождаться форшоками, афтершоками и продолжающимся сползанием земной коры. В таких случаях явление часто будет оперативно определяться числами, используемыми для его характеристики. Но выбор таких чисел носит произвольный характер, что может скрывать скрытую нечеткость.

  Например, рассмотрим понятие безработицы и статистические данные, используемые для ее измерения. Что значит быть «безработным»? В стандартном измерении люди считаются безработными, если они сообщают, что у них нет работы и что они активно ищут работу, но не находят ее. Однако понятие не иметь работы, но активно ее искать, очевидно, имеет неоднозначные границы. Люди, которые имеют работу неполный рабочий день, но хотят и ищут работу на полный рабочий день, не включаются в официальные данные по безработице. Также официальное определение безработицы исключает из числа безработных людей без работы, которые потеряли надежду найти ее и по этой причине не сообщают об активном поиске. И, конечно же, нет четкого представления о том, что такое «активный поиск».

  Я не нападаю на статистику безработицы. Скорее, я хочу проиллюстрировать, что числа, используемые социологами, почти никогда не обладают такой твердостью или точностью, как большинство чисел, используемых в физических науках. Значительная часть причины этого заключается в том, что изучаемые явления часто не имеют столь четкого определения. Как следствие, анализ состояния безработицы, проводимый знающими аналитиками, почти всегда включает словесное качественное обсуждение и несколько дополнительных цифр, например, количество работников, занятых неполный рабочий день, в дополнение к стандартной цифре безработицы.

  В случае с безработицей, по крайней мере, есть некоторые очевидные вещи, которые нужно подсчитать или попытаться измерить. Для многих предметов, изучаемых социальными науками и науками о поведении, нет прямых способов подсчета или измерения непосредственно рассматриваемых переменных. Если эти явления должны быть связаны с числами, необходимо определить некоторые заменители или построить некоторые количественные показатели.

  IQ — хороший пример. Хотя концепция интеллекта и представление о том, что одни люди умнее других, широко распространены и, по-видимому, полезны в непрофессиональных кругах, существуют серьезные проблемы с четким общим определением того, что означает интеллект. В таких обстоятельствах существует тенденция определять понятие с точки зрения того, как оно измеряется, но те, кто много знает о предмете, часто расходятся во мнениях относительно того, подходит ли это определение к понятию с нечеткими границами и разнородными атрибутами, такими как интеллект или интеллект. безработица. Как следствие, психологи, изучающие интеллект, и экономисты, изучающие безработицу, склонны использовать такие стандартные показатели как часть более общей и в основном качественной характеристики.

  Ситуация похожа на ситуацию с изучением инноваций. Опять же, основная проблема заключается в том, что инновация не может быть определена достаточно широко, чтобы охватить ряд явлений, к которым кажется применимым этот термин, сохраняя при этом четкие границы определений. Рассмотрим тип исследования, связанного с попыткой оценить инновационную эффективность различных фирм в отрасли. Одна правдоподобная исследовательская стратегия состоит в том, чтобы работать с различными письменными отчетами об инновациях в этой области и о том, что сделали различные фирмы, возможно, дополненными интервью. Характеристика инновационности фирмы, полученная в результате такого исследования, будет качественной. Однако информированные люди могли бы договориться хотя бы о примерном ранжировании фирм. И можно попытаться количественно закодировать индикаторы инновационности в письменных отчетах и ​​построить интервью, чтобы получить числовую оценку для различных ответов. Кроме того, можно использовать опубликованные данные, которые имеют какое-то отношение к инновациям, например, расходы фирм на исследования и разработки (НИОКР) и патенты. Для многих экономистов оказалось привлекательным сосредоточить свои исследования на такого рода цифрах, например, исследуя взаимосвязь между расходами на НИОКР и патентованием.

  Однако расходы на НИОКР или патенты имеют серьезные ограничения как меры инновационного вклада или результата. Во многих отраслях большая часть инноваций осуществляется посредством деятельности, которая не считается исследованиями и разработками. Многие инновации не запатентованы. Качественные описания релевантных технологических историй и роли, которую в этих историях играли различные фирмы и другие экономические субъекты, почти наверняка обеспечивают не только необходимую интерпретацию и контекст для цифр, но и способ оценки их значимости. Числа являются частью описания, которое также в значительной степени является качественным. Более того, уделение внимания исключительно или в значительной степени таким числам не только игнорирует или преуменьшает другие виды знаний, которые не менее важны, но также может привести к очень искаженному представлению о том, что происходит.

  Сложное — это другое

  Давайте еще раз задумаемся о законах движения планет Ньютона. Хотя планеты явно различаются по большому количеству признаков, для понимания их орбит оказалось возможным охарактеризовать все планеты как в основном однотипные объекты с их различиями, описываемыми в терминах нескольких количественных параметров, которые определяли их орбиты, учитывая то, как работает гравитация.

  Напротив, все планеты имеют сложные поверхности, и детали их поверхности значительно различаются от планеты к планете. Характеристика этих поверхностей и описание различий между планетами включает в себя гораздо больше, чем просто набор чисел. За прошедшие годы были разработаны различные теории, объясняющие, почему поверхность, скажем, Марса такая, какая она есть. Части этих теорий включают предложения о задействованных физике и химии, и некоторые из них могут быть выражены математически. Но широкая теория, которая стремится объяснить причину топографии поверхности Марса или других планет, выражается не математически, а скорее в форме повествования. Это повествование, как правило, относится к тому же набору переменных и сил, которые воздействуют на поверхности всех планет, но детали могут значительно различаться от планеты к планете.

  Такие исследования обычно не рассматриваются как часть физики. Скорее, они гораздо больше похожи на изучаемые явления и вопросы, которые задают геологи или климатологи. Или биологи, пытающиеся понять такие макропредметы, как эволюция и экология.

  В то время как физика может ограничивать изучаемый ею предмет, так что такая разнородность не имеет отношения к ее целям, для других наук это разнообразие или изменчивость является сутью того, что они изучают. Как правило, некоторый порядок может быть достигнут путем определения ограниченного числа подмножеств или классов, внутри которых элементы более однородны, чем в коллекции в целом. Но в этих областях внутриклассовая неоднородность по-прежнему имеет тенденцию быть значительной, и во многих случаях границы между классами размыты. Ранее я говорил о понятии «вид» в биологии, обладающем всеми этими характеристиками.

  Вопрос о существенной неоднородности внутри класса встает особенно остро, когда задаваемые вопросы касаются частного случая данного явления. Общие научные знания о землетрясениях и ураганах могут сообщить нам лишь небольшую часть того, что нам нужно знать, чтобы точно предсказать, когда следующее землетрясение обрушится на Беркли или обрушится ли следующий ураган на Нью-Йорк.

  Проблема разнообразия внутри классов и нечетких классовых границ особенно актуальна в социальных науках. Социальные науки также должны столкнуться с проблемой, заключающейся в том, что предмет, который они изучают, часто меняется со временем, и, следовательно, как объекты, которые они изучают, так и основные причинно-следственные связи, влияющие на эти переменные, сегодня могут отличаться от тех, что были в прошлом году или десятилетие назад. Таким образом, экономисты давно интересовались отношениями между рыночной структурой и инновациями. Однако существует множество различных видов инноваций и множество различий в отраслевых структурах. Кроме того, со временем характер важных технологий имеет тенденцию меняться, как и доминирующие способы организации фирм и способы конкуренции. Неудивительно, что экономисты не смогли найти каких-либо строгих стабильных «законов», управляющих тем, как инновации соотносятся со структурой рынка.

  В первую очередь это не означает, что исследования по таким предметам, как инновации и землетрясения, не могут дать общего понимания, которое может иметь значительную практическую ценность. Как уже отмечалось, эволюционная биология — очень успешная наука в этом отношении. Что касается инноваций, один важный вывод напрямую связан с неоднородностью и стохастическим характером предмета: из-за отсутствия предсказуемости того, какие конкретные пути инноваций будут работать лучше всего, разнообразие усилий в области является почти необходимым условием для значительного прогресса. быть произведенным. По мнению, по крайней мере, некоторых экономистов, этот факт является гораздо более сильным аргументом в пользу экономической политики, поощряющей конкурентные рыночные структуры и относительно легкий вход в отрасль, чем статические аргументы в большинстве учебников по экономике. Еще один важный вывод заключается в том, что новые фирмы часто играют гораздо более важную роль в создании значительных инноваций, когда технология молода, чем когда она более зрелая. Такого рода знания чрезвычайно важны для фирм, пытающихся разработать стратегию НИОКР, а также для политиков, направляющих решения правительства по различным вопросам, от научной политики до антимонопольного законодательства.

  Что мы можем ожидать от науки

  Я утверждаю, что науки, которые изучают явления, которые значительно различаются от случая к случаю, причем каждый случай сам находится под влиянием многих факторов, которые также часто весьма разнородны, сильно отличаются от физики. Этот аргумент имеет важное практическое значение, потому что типы научных исследований, направленных на понимание таких явлений, особенно распространены в том, что Дональд Стоукс назвал «квадрантом Пастера». Такие исследования связаны с явлениями, которые мы хотим лучше понять не только потому, что нам любопытно, но и потому, что мы верим, что лучшее понимание поможет нам более эффективно решать практические проблемы. Последняя цель часто накладывает серьезное ограничение на степень упрощения предмета, который научное исследование может создать с помощью контролируемых экспериментов или предположить в теоретизировании, в то же время создавая понимание, которое удовлетворяет предполагаемые потребности, которые мотивируют исследование. Тем не менее, в науке, направленной на предоставление таких знаний, мы не должны удивляться, если результаты, полученные в одном исследовании, значительно отличаются от результатов, полученных в другом, даже если кажется, что оба они были сделаны в одинаковых контекстах, одинаковыми способами и с одинаковым вниманием. к научной строгости.

  Эта проблема очень хорошо знакома в том виде знаний, который был получен благодаря научным исследованиям, направленным на углубление нашего понимания и способности предсказывать закономерности глобального потепления. За последнюю четверть века исследования принесли нам значительный прирост наших знаний об исторических климатических тенденциях и закономерностях, а также об условиях и силах, которые, по-видимому, стоят за этими изменениями.

  Но способность предсказывать многие важные типы изменений (например, будущие уровни выбросов парниковых газов) или оценивать последствия различных изменений (например, будущие режимы выпадения осадков), не говоря уже о затратах — и выгодах — усилий для сокращения выбросов, ограничен, и разные модели основаны на несколько разных предположениях, но все они в основном совместимы с тем, что известно нам с научной точки зрения, и дают разные прогнозы.

  Здесь я хочу подчеркнуть, что в то время как общие знания об изменении климата и его причинах сильны, конкретные знания о будущих последствиях и времени их возникновения не только слабы, но и неизбежны. Но ожидание того, что наука о климате должна быть похожа на физику, породило ожидание того, что исследования должны обеспечивать физико-подобную точность и аккуратность. Эти ложные ожидания приводят к ненадлежащему вниманию со стороны ученых, политиков и заинтересованной общественности к вопросам неопределенности, которые вряд ли когда-либо будут решены из-за природы изучаемых явлений.

  Те же характеристики получены в биомедицинских науках. Безусловно, научные исследования дали нам важные и достоверные знания о причинах многих болезней, опустошающих человечество, и во многих случаях эти знания послужили основой для разработки эффективных методов борьбы с этими болезнями. Однако точность и сила научного понимания часто относительно ограничены.

  Основная причина этого заключается в том, что широкие категории заболеваний, такие как рак или слабоумие, очень неоднородны как в отношении точной природы заболевания, так и в отношении причин, которые его вызвали. Наука борется с этой неоднородностью, пытаясь разделить разнообразие на более однородные подклассы. Но история таких исследований показывает, что почти всегда сохраняется значительная неоднородность даже в рамках более тонких классификаций болезней.

  Поскольку причины, а также пути развития многих заболеваний многочисленны и варьируются от случая к случаю, научное понимание болезни, скорее всего, будет недостаточно сильным, чтобы четко указать на эффективное лечение. Как следствие, большая часть относительно эффективной медицины, которая у нас есть сейчас, обязана своим происхождением не столько научному пониманию, сколько методу проб и ошибок, изучающему, что работает. Иногда это обучение происходит путем преднамеренного экспериментирования, но во многих случаях это происходит почти случайно. И у нас есть ограниченное понимание того, почему некоторые из этих методов лечения работают так, как они работают, даже если у нас есть убедительные доказательства того, что они действительно работают.

  Кроме того, при многих заболеваниях то, что помогает одним пациентам, не помогает другим. В некоторых из этих случаев у нас есть достаточно хорошее представление о характеристиках пациентов и других переменных, связанных с эффективностью конкретных методов лечения, и когда мы это делаем, это может быть встроено в статистический план тестирования различных методов лечения. Но во многих случаях мы плохо понимаем характеристики пациентов и другие факторы, которые вызывают разные реакции на лечение.

  Многие из этих характеристик еще сильнее проявляются в исследованиях, направленных на повышение эффективности образовательной практики. Практики, хорошо работающие в определенной контролируемой среде (например, в школе-лаборатории), очень часто не работают, когда их опробуют в другой обстановке. Также ясно, что разные дети учатся по-разному, и разные учителя хороши в разных методах обучения. Несмотря на это разнообразие, с годами сформировалось общее понимание «здравого смысла» в целом хорошей и плохой практики преподавания. Во многом это результат профессионального опыта. Некоторые из них были выиграны или, по крайней мере, вынесены на свет благодаря исследованиям. Хорошим примером является относительно недавнее осознание того, что то, чему дети научились в самые ранние годы, оказывает сильное и продолжительное влияние на то, чему они учатся в школе. Но и здесь расширенное понимание является результатом тщательного изучения опыта, а не знания, выведенного из более глубоких причин.

  Исследования в области психологии детского развития действительно дали основание подозревать важность обучения в раннем детстве. С другой стороны, едва ли не единственная ссылка на результаты исследований в области наук о мозге, которую можно найти в педагогической литературе, — это свидетельство того, что физический мозг детей развивается очень быстро в раннем возрасте. Хотя долгое время существовала надежда, что рост научных знаний в областях, которые, казалось бы, являются основополагающими для понимания того, как дети учатся, будет в значительной степени способствовать нашей способности определять лучшую педагогическую практику, похоже, было немного случаев, когда это произошло.

  В последние годы передовой план эмпирических исследований эффективности образовательных практик заключался в том, чтобы случайным образом распределять студентов по изучаемым практикам и сравнивать их результаты с результатами контрольной группы. Эта исследовательская стратегия обеспечивает способ оценки того, является ли в целом широко определенный способ выполнения чего-либо в среднем эффективным по сравнению с другой практикой, лечением или договоренностью. Однако применительно к практике в образовании почти всегда существуют различия в том, что такое номинальная практика между школами в школьной системе или даже внутри школ между классами. И почти всегда студенты по-разному реагируют на разные практики. Кроме того, есть веские основания сомневаться в том, что другое эмпирическое исследование, проведенное максимально похожими способами, даст такие же результаты, как и первое исследование.

  Это не означает, что тестирование случайным образом бесполезно в качестве инструмента, помогающего нам улучшить образовательную практику. В некоторых случаях научная проверка может показать большие и довольно общие различия в эффективности конкретных методов обучения или способов организации школ, которые, хотя и были замечены некоторыми, не получили широкого признания и признания. В других случаях свидетельство того, что конкретный метод, по-видимому, последовательно приносит пользу определенному классу учащихся, если не всем учащимся, может быть полезным для стимулирования более эффективной адаптации обучения.

  Помимо зависти к физике

  При изучении явлений, которые имеют тенденцию лежать в квадранте Пастера, было бы ошибкой думать, что можно получить точность или общность знаний, которые ожидаются от физики или химии. Типы чисел, которые можно оценивать и с которыми можно работать во многих областях, как правило, являются в лучшем случае приблизительными и неполными показателями того, о чем мы хотели бы знать, а не точными измерениями. Как следствие, почти всегда их можно понять только в более богатом контексте описания и повествования. В исследованиях такого рода предметов и вопросов качественное описание и объяснение следует рассматривать не как низшую форму научного понимания с целью исследования, чтобы заменить их числами, а скорее как жизненно важный аспект нашего понимания того, что числа могут дополнять, но не заменить. Набор цифр без такого качественного контекста — результат исследования, которое можно было бы назвать «голой эконометрикой», — скорее всего, будет бесполезен в качестве руководства для политики или того хуже.

  Хорошим примером является давняя цель политиков и ученых измерить «норму отдачи» от государственных расходов на НИОКР в сфере деятельности или государственной программы. Любые такие числа, которые рассчитываются, должны быть очень чувствительными к очень конкретным и несколько произвольным предположениям, которые позволили их получить, и особенностям контекста, для которого они были оценены. Я бы сказал, что сами по себе они не могут сказать политикам ничего ценного. С другой стороны, если те, кто генерирует эти цифры, и те, кто их интерпретирует, хорошо осведомлены о конкретных программах и мероприятиях, связанных с ними, и имеют хорошее представление о том, какие знания или возможности были получены в результате исследования, и цифры были получены в свете этого понимания, то эти цифры можно разумно интерпретировать как индикатор результатов исследования.

  Важным следствием моего аргумента является то, что продуктивный прогресс на практике во многих областях, которым науки в квадранте Пастера стремятся способствовать, требует существенного взаимодействия между обучением ученых посредством исследований и обучением на практике со стороны тех, кто участвует в разработке политики и реализация. Исследовательскому предприятию необходимо не только осветить путь к лучшей практике, но и попытаться понять на более глубоком уровне то, что было изучено на практике. Отмечу, что это общепризнанная характеристика эффективных областей инженерных исследований и биомедицинских исследований. Это менее известная потребность в социальных науках и науках о поведении, но были предприняты важные шаги по установлению лучшего двустороннего взаимодействия в таких областях, как образование. И я бы сказал, что это очень необходимо сделать в отношении исследований, которые оценивают исследовательские программы.

  Исследовательские программы, которые оправданы с точки зрения их потенциального вклада в решение практических проблем, должны разрабатываться с четким пониманием сильных и слабых сторон вовлеченных наук, и ученые и политики должны соответствующим образом умерить свои ожидания. Высокоуровневые идеи значительной силы, такие как наши знания о важности дошкольного образования или человеческом влиянии на климат, могут дать ценное общее руководство для нашей политики.