Содержание
Физика | это… Что такое Физика?
Примеры разнообразных физических явлений
Фи́зика (от др.-греч. φύσις — природа) — область естествознания, наука, изучающая наиболее общие и фундаментальные закономерности, определяющие структуру и эволюцию материального мира. Законы физики лежат в основе всего естествознания.[1]
Термин «физика» впервые появился в сочинениях одного из величайших мыслителей древности — Аристотеля, жившего в IV веке до нашей эры. Первоначально термины «физика» и «философия» были синонимичны, поскольку обе дисциплины пытаются объяснить законы функционирования Вселенной. Однако в результате научной революции XVI века физика выделилась в отдельное научное направление.
В русский язык слово «физика» было введено Михаилом Васильевичем Ломоносовым, когда он издал первый в России учебник физики в переводе с немецкого языка. Первый русский учебник под названием «Краткое начертание физики» был написан первым русским академиком П.
И. Страховым.
В современном мире значение физики чрезвычайно велико. Всё то, чем отличается современное общество от общества прошлых веков, появилось в результате применения на практике физических открытий. Так, исследования в области электромагнетизма привели к появлению телефонов и позже мобильных телефонов, открытия в термодинамике позволили создать автомобиль, развитие электроники привело к появлению компьютеров.
Физическое понимание процессов, происходящих в природе, постоянно развивается. Большинство новых открытий вскоре получают применение в технике и промышленности. Однако новые исследования постоянно поднимают новые загадки и обнаруживают явления, для объяснения которых требуются новые физические теории. Несмотря на огромный объём накопленных знаний, современная физика ещё очень далека от того, чтобы объяснить все явления природы.
Общенаучные основы физических методов разрабатываются в теории познания и методологии науки.
Содержание
|
1 Период до научной революцииПредмет физики
Физика — это наука о природе (естествознание) в самом общем смысле (часть природоведения). Она изучает различные субстанции бытия (материю, вещество, поля) и наиболее простые и вместе с тем наиболее общие формы её движения, а также фундаментальные взаимодействия природы, управляющие движением материи.
Некоторые закономерности являются общими для всех материальных систем, например, сохранение энергии, — их называют физическими законами.
Физику иногда называют «фундаментальной наукой», поскольку другие естественные науки (биология, геология, химия и др.) описывают только некоторый класс материальных систем, подчиняющихся законам физики. Например, химия изучает атомы, образованные из них вещества и превращения одного вещества в другое. Химические же свойства вещества однозначно определяются физическими свойствами атомов и молекул, описываемыми в таких разделах физики, как термодинамика, электромагнетизм и квантовая физика.
Физика тесно связана с математикой: математика предоставляет аппарат, с помощью которого физические законы могут быть точно сформулированы. Физические теории почти всегда формулируются в виде математических выражений, причём используются более сложные разделы математики, чем обычно в других науках. И наоборот, развитие многих областей математики стимулировалось потребностями физических теорий (см. математическая физика).
Научный метод
Физика — естественная наука. В ее основе лежит экспериментальное исследование явлений природы, а ее задача — формулировка законов, которыми объясняются эти явления.
Физика сосредоточивается на изучении фундаментальных и простейших явлений и на ответах на простые вопросы: из чего состоит материя, каким образом частицы материи взаимодействуют между собой, по каким правилам и законам осуществляется движение частиц и т. д. В основе физических исследований лежат наблюдения. Обобщение наблюдений позволяет физикам формулировать гипотезы о совместных общих черт этих явлений, по которым велись наблюдения. Гипотезы проверяются с помощью продуманного эксперимента, в котором явление проявлялось бы в как можно более чистом виде и не осложнялось бы другими явлениями. Анализ данных совокупности экспериментов позволяет сформулировать закономерность. На первых этапах исследований закономерности носят преимущественно эмпирический, феноменологический характер, то есть явление описывается количественно с помощью определенных параметров, характерных для исследуемых тел и веществ. Анализируя закономерности и параметры, физики строят физические теории, которые позволяют объяснить изучаемые явления на основе представлений о строении тел и веществ и взаимодействие между их составными частями.
Физические теории, в свою очередь, создают предпосылки для постановки точных экспериментов, в ходе которых в основном определяются рамки их применения. Общие физические теории позволяют формулировки физических законов, которые считаются общими истинами, пока накопления новых экспериментальных результатов не потребует их уточнения.
Так, например, Стивен Грей заметил, что электричество можно передавать на довольно значительное расстояние с помощью увлажненных нитей и начал исследовать это явление. Георг Ом сумел найти для него количественную закономерность — ток в проводнике пропорционален напряжению (закон Ома). При этом, конечно, эксперименты Ома опирались на новые источники питания и на новые способы измерять действие электрического тока, что позволило количественно охарактеризовать его. По результатам дальнейших исследований удалось абстрагироваться от формы и длины проводников и ввести такие феноменологические характеристики, как удельное сопротивление проводника и внутреннее сопротивление источника питания.
Закон Ома и поныне основа электротехники, однако исследования установили также рамки его применения — открыли элементы электрической цепи с нелинейными вольт-амперными характеристиками а также вещества, не имеющие электрического сопротивления — сверхпроводники. После открытия заряженных микроскопических частиц — электронов, была сформулирована микроскопическая теория электропроводности, объясняющая зависимости сопротивления от температуры посредством рассеяния электронов на колебаниях кристаллической решетки, примесях и т. д.
В. И. Ленин писал: «Одним словом, сегодняшний «физический» идеализм точно так же, как вчерашний «физиологический» идеализм, означает только то, что одна школа естествоиспытателей в одной отрасли естествознания скатилась к реакционной философии, не сумев прямо и сразу подняться от метафизического материализма к диалектическому материализму. Этот шаг делает и сделает современная физика, но она идет к единственно верному методу и единственно верной философии естествознания не прямо, а зигзагами, не сознательно, а стихийно, не видя ясно своей «конечной цели», а приближаясь к ней ощупью, шатаясь, иногда даже задом».
( Ленин В. И. Материализм и эмпириокритицизм. — Полн. собр. соч., т. 18, с. 327. )
Количественный характер физики
Физика — количественная наука. Физический эксперимент опирается на измерения, то есть сравнение характеристик исследуемых явлений с определенными эталонами. С этой целью физика развила совокупность физических единиц и измерительных приборов. Отдельные физические единицы объединяются в системы физических единиц. Так, на современном этапе развития науки стандартом является Международная система СИ.
Полученные экспериментально количественные зависимости позволяют использовать для своей обработки математические методы и строить теоретические, то есть математические модели изучаемых явлений.
С изменением представлений о природе тех или иных явлений меняются также физические единицы, в которых измеряются физические величины. Так, например, для измерения температуры сначала были предложены произвольные температурные шкалы, которые делили промежуток температур между характерными явлениями (например, замерзанием и кипением воды) на определенное количество меньших промежутков, которые получили название градусов температуры.
Для измерения количества теплоты была введена единица — калория, которая определяла количество теплоты, необходимой для нагрева грамма воды на один градус. Однако со временем физики установили соответствие между механической и тепловой формой энергии. Таким образом, оказалось, что предложенная ранее единица количества теплоты, калория, является излишней, как единица измерения температуры. И количество теплоты и температуру можно измерять в единицах механической энергии. В современную эпоху калория и градус не вышли из практического употребления, но между этими величинами и единицей энергии Джоулем существует точное числовое соотношение. Градус, как единица измерения температуры входит в систему СИ, а коэффициент перехода от температурной к энергетическим величинам, постоянная Больцмана, считается физической постоянной.
История физики
Основная статья: История физики
Физика — это наука о материи, ее свойствах и движении. Она является одной из наиболее древних научных дисциплин.
Люди пытались понять свойства материи из древнейших времен: почему тела падают на землю, почему разные вещества имеют различные свойства и т. д. Интересовали людей также вопрос о строении мира, о природе Солнца и Луны. Сначала ответы на эти вопросы пытались искать в философии. В основном философские теории, которые пытались дать ответы на такие вопросы не проверялись на практике. Однако, несмотря на то, что нередко философские теории неправильно описывали наблюдения, еще в древние времена человечество добилось значительных успехов в астрономии, а греческий мудрец Архимед даже сумел дать точные количественные формулировки многих законов механики и гидростатики.
Некоторые теории древних мыслителей, как, например, идеи о атомах, которые были сформулированы в древних Греции и Индии, опережали время. Постепенно от общей философии начало отделяться естествознание, как и его часть, которая описывает окружающий мир. Одна из основных книг Аристотеля называется «Физика». Несмотря на некоторые неправильные утверждения, физика Аристотеля на протяжении веков оставалась основой знаний о природе.
См. также: Природное явление
Период до научной революции
Свойство человечества сомневаться и пересматривать положения, которые раньше считались единственно истинными, в поисках ответов на новые вопросы в итоге привела к эпохе великих научных открытий, которую сегодня называют научной революцией, начавшейся примерно со второй половины 16-го века. Предпосылки к этим коренным изменениям сложились благодаря достоянию древних мыслителей, наследие которых можно проследить до Индии и Персии. Сюда входят эллиптические модели планетарных орбит, опиравшиеся на гелиоцентрическую модель Солнечной системы, которую разработал индийский математик и астроном Ариабхата I, базовые положения атомизма, предложенные индусскими и джайнистськимы философами, теория о том, что свет эквивалентно энергетическим частицам буддистских мыслителей Дигнагы и Дхармакирти, оптическая теория арабского ученого Альхазена, изобретение персом Могаммадом аль Фазари астролябии. Персидский ученый Насир аль Дин ат Туси указал на значительные недостатки птолемеевской системы.
Средневековая Европа на какое-то время потеряла знания античных времен, но под влиянием Арабского халифата сохраненные арабами сочинения Аристотеля вернулись. В 12-13 веках нашли свой путь в Европу также произведения индийских и персидских ученых. В Средние века начал складываться научный метод, в котором основная роль отводилась экспериментам и математическому описанию. Ибн аль-Хайсам (Альхазен) считается основоположником научного метода. В своей «Книге о оптике», написанной в 1021 году, он описывал эксперименты, поставленные для того, чтобы доказать справедливость своей теории зрения, которая утверждала, что глаз воспринимает свет, излучаемый другими объектами, а не сам глаз излучает свет, как считали раньше Евклид и Птолемей. В экспериментах Альхазена использовалась камера обскура. С помощью этого прибора он проверял свои гипотезы относительно свойств света: или свет распространяется по прямой, или смешиваются в воздухе различные лучи света.
Научная революция
Период научной революции характеризуется утверждением научного метода исследований, вычленением физики из массы натурфилософии в отдельную область и развитием отдельных разделов физики: механики, оптики, термодинамики и т.
д.
Большинство историков придерживаются мнения о том, что научная революция началась в 1543 году, когда Копернику привезли из Нюрнберга впервые напечатанный экземпляр его книги «Об обращении небесных сфер».
На протяжении века с тех пор знания человечество обогатилось работами таких исследователей, как Галилео Галилея, Христиана Гюйгенса, Иоганна Кеплера и Блеза Паскаля. Галилей первым начал последовательно применять научный метод, проводя эксперименты, чтобы подтвердить свои предположения и теории. Он сформулировал некоторые законы динамики и кинематики, в частности закон инерции, и проверил их опытным путем. В 1687 году Ньютон опубликовал книгу «Principia», в которой в подробностях описал две основополагающие физические теории: законы движения тел, известные под названием законы Ньютона, и законы тяготения. Обе теории прекрасно согласовывались с экспериментом. Книга также приводила теории движения жидкостей. Впоследствии классическая механика была переформулирована и расширенная Леонардом Эйлером, Жозефом-Луи Лагранжем, Уильямом Гамильтоном и другими.
Законы гравитации заложили основу тому, что позже стало астрофизикой, которая использует физические теории для описания и объяснения астрономических наблюдений.
После установления законов механики Ньютоном, следующим исследовательским полем стало электричество. Основы создания теории электричества заложили наблюдения и опыты таких ученых 17-го века, как Роберт Бойль, Стивен Грей, Бенджамин Франклин. Сложились основные понятия — электрический заряд и электрический ток. В 1831 году английский физик Майкл Фарадей объединил электричество и магнетизм, продемонстрировав, что движущийся магнит индуцирует в электрической цепи ток. Опираясь на эту концепцию, Джеймс Клерк Максвелл построил теорию электромагнитного поля. Кроме электромагнитных явлений уравнения Максвелла описывают свет. Подтверждение этому нашел Генрих Герц, открыв радиоволны.
С построением теории электромагнитного поля и электромагнитных волн победой волновой теории света, основанной Гюйгенсом, над корпускулярной теорией Ньютона, завершилось построение классической оптики.
На этом пути оптика обогатилась пониманием дифракции и интерференции света, достигнутым благодаря трудам Френеля и Янга.
В 18-м и начале 19-го века были открыты основные законы поведения газов, а со временем тепловых машин сформировалась наука термодинамика. В 19-ом веке Джоуль установил эквивалентность механической и тепловой энергий, что привело к формулировке закона сохранения энергии. Благодаря Клаузиусу был сформулирован второй закон термодинамики, Гиббс заложил основы статистической физики, Людвиг Больцман предложил статистическую интерпретацию понятия энтропии.
Под конец девятнадцатого века физики подошли к значительному открытию — экспериментальному подтверждению существования атома.
В конце девятнадцатого века изменилась роль физики в обществе. Возникновение новой техники: электричества, радио, автомобиля и т. д., требовало большого объема прикладных исследований. Занятия наукой стало профессией. Фирма General Electric первой открыла собственные исследовательские лаборатории.
Такие же лаборатории стали появляться в других фирмах.
Смена парадигм
Конец девятнадцатого, начало двадцатого века был временем, когда под давлением новых экспериментальных данных физикам пришлось пересмотреть старые теории и заменить их новыми, заглядывая все глубже в строение материи. Эксперимент Майкельсона — Морли выбил основу из-под ног электромагнетизма, поставив под сомнение существование эфира. Были открыты новые явления, такие как рентгеновские лучи и радиоактивность. Не успели физики доказать существование атома, как появились доказательства существования электрона, эксперименты с фотоэффекта и измерения спектра теплового излучения давали результаты, которые невозможно было объяснить, исходя из принципов классической физики. В прессе этот период назывался кризисом физики, но одновременно он стал периодом триумфа физики, сумевшей выработать новые революционные теории, которые не только объяснили непонятные явления, но и многие другие, открыв путь к новому пониманию природы.
В 1905 году Альберт Эйнштейн построил специальную теорию относительности, которая продемонстрировала, что понятие эфира не требуется при объяснении электромагнитных явлений. При этом пришлось изменить классическую механику Ньютона, дав ей новую формулировку, справедливую при больших скоростях. Коренным образом изменились также представления о природе пространства и времени. Эйнштейн развил свою теорию в общую теорию относительности, опубликованную в 1916 году. Новая теория включала в себя описание гравитационных явлений и открыла путь к становлению космологии — науки об эволюции Вселенной.
Рассматривая задачу о тепловом излучении абсолютно черного тела Макс Планк в 1900 году предложил невероятную идею, что электромагнитные волны излучаются порциями, энергия которых пропорциональна частоте. Эти порции получили название квантов, а сама идея начала построение новой физической теории — квантовой механики, которая еще больше изменила классическую ньютоновскую механику, на этот раз при очень малых размерах физической системы.
В том же 1905-м году Альберт Эйнштейн применил идею Планка для успешного объяснения экспериментов с фотоэффектом, предположив, что электромагнитные волны не только излучаются, но и поглощаются квантами. Корпускулярная теория света, которая, казалось, потерпела сокрушительное поражение в борьбе с волновой теорией, вновь получила поддержку.
Спор между корпускулярной и волновой теорией нашел свое решение в корпускулярно-волновом дуализме, гипотезе, сформулированной Луи де Бройлем. По этой гипотезе не только квант света, а любая другая частица проявляет одновременно свойства, присущие как корпускул, так и волны. Гипотеза Луи де Бройля подтвердилась в экспериментах с дифракции электронов.
В 1911 году Эрнест Резерфорд предложил планетарную теорию атома, а в 1913 году Нильс Бор построил модель атома, в которой постулировал квантовый характер движения электронов. Благодаря работам Вернера Гайзенберга, Эрвина Шредингера, Вольфганга Паули, Поля Дирака и многих других квантовая механика нашла свое точную математическую формулировку, подтвердждённую многочисленными экспериментами.
В 1927 году была произведена копенгагенская интерпретация, которая открывала путь для понимания законов квантового движения на качественном уровне.
Физика современности
С открытием радиоактивности Анри Беккерелем началось развитие ядерной физики, которая привела к появлению новых источников энергии: атомной энергии и энергии ядерного синтеза. Открытые при исследованиях ядерных реакции новые частицы: нейтрон, протон, нейтрино, дали начало физике элементарных частиц. Эти новые открытия на субатомном уровне оказались очень важными для физики на уровне Вселенной и позволили сформулировать теорию её эволюции — теорию Большого взрыва.
Сложилось окончательное разделение труда между физиками-теоретиками и физиками-экспериментаторами. Энрико Ферми был, пожалуй, последним выдающимся физиком, успешным как в теории, так и в экспериментальной работе.
Передний край физики переместился в область исследования фундаментальных законов, ставя перед собой цель создать теорию, которая объясняла бы Вселенную, объединив теории фундаментальных взаимодействий.
На этом пути физика получила частичные успехи в виде теории электрослабого взаимодействия и теории кварков, обобщённой в так называемой стандартной модели. Однако, квантовая теория гравитации до сих пор не построена. Определенные надежды связываются с теорией струн.
Начиная с создания квантовой механики, быстрыми темпами развивается физика твердого тела, открытия которой привели к возникновению и развитию электроники, а с ней и информатики, которые внесли коренные изменения в культуру человеческого общества.
Теоретическая и экспериментальная физика
Основные статьи: Теоретическая физика, Экспериментальная физика
В основе своей физика — экспериментальная наука: все её законы и теории основываются и опираются на опытные данные. Однако зачастую именно новые теории являются причиной проведения экспериментов и, как результат, лежат в основе новых открытий. Поэтому принято различать экспериментальную и теоретическую физику.
Экспериментальная физика исследует явления природы в заранее подготовленных условиях.
В её задачи входит обнаружение ранее неизвестных явлений, подтверждение или опровержение физических теорий. Многие достижения в физике были сделаны благодаря экспериментальному обнаружению явлений, не описываемых существующими теориями. Например, экспериментальное изучение фотоэффекта послужило одной из посылок к созданию квантовой механики (хотя рождением квантовой механики считается появление гипотезы Планка, выдвинутой им для разрешения ультрафиолетовой катастрофы — парадокса классической теоретической физики излучения).
В задачи теоретической физики входит формулирование общих законов природы и объяснение на основе этих законов различных явлений, а также предсказание до сих пор неизвестных явлений. Верность любой физической теории проверяется экспериментально: если результаты эксперимента совпадают с предсказаниями теории, она считается адекватной (достаточно точно описывающей данное явление).
При изучении любого явления экспериментальные и теоретические аспекты одинаково важны.
Прикладная физика
От своего зарождения физика всегда имела большое прикладное значение и развивалась вместе с машинами и механизмами, которые человечество использовало для своих нужд. Физика широко используется в инженерных науках, немало физиков были одновременно изобретателями и, наоборот. Механика, как часть физики, тесно связана с теоретической механикой и сопротивлением материалов, как инженерными науками. Термодинамика связана с теплотехникой и конструированием тепловых двигателей. Электричество связано с электротехникой и электроникой, для становления и развития которой очень важны исследования в области физики твердого тела. Достижения ядерной физики обусловили появление ядерной энергетики, и тому подобное.
Физика также имеет широкие междисциплинарные связи. На границе физики, химии и инженерных наук возникла и быстро развивается такая отрасль науки как материаловедение. Методы и инструменты используются химией, что привело к становлению двух направлений исследований: физической химии и химической физики.
Все мощнее становится биофизика — область исследований на границе между биологией и физикой, в которой биологические процессы изучаются исходя из атомарного структуры органических веществ. Геофизика изучает физическую природу геологических явлений. Медицина использует методы, такие как рентгеновские и ультразвуковые исследования, ядерный магнитный резонанс — для диагностики, лазеры — для лечения болезней глаз, ядерное облучение — в онкологии, и тому подобное.
Основные теории
Хотя физика имеет дело с разнообразными системами, некоторые физические теории применимы в больших областях физики. Такие теории считаются в целом верными при дополнительных ограничениях. Например, классическая механика верна, если размеры исследуемых объектов намного больше размеров атомов, скорости существенно меньше скорости света, и гравитационные силы малы. Эти теории всё ещё активно исследуются; например, такой аспект классической механики, как теория хаоса был открыт только в XX веке. Они составляют основу для всех физических исследований.
| Теория | Основные разделы | Понятия |
|---|---|---|
| Классическая механика | Законы Ньютона — Лагранжева механика — Гамильтонова механика — Теория хаоса — Гидродинамика — Механика сплошных сред | Вещество — Пространство — Время — Энергия — Движение — Масса — Длина — Скорость — Сила — Мощность — Работа — Закон сохранения — Момент инерции — Угловой момент — Момент силы — Волна — Действие — Размерность |
| Электромагнетизм | Электростатика — Электричество — Магнитостатика — Магнетизм — Уравнения Максвелла — Электродинамика | Электрический заряд — Напряжение — Ток — Электрическое поле — Магнитное поле — Электромагнитное поле — Электромагнитное излучение |
| Термодинамика и Статистическая физика | Тепловая машина — Молекулярно-кинетическая теория | Температура — Постоянная Больцмана — Энтропия — Свободная энергия — Термодинамическое равновесие — Статистическая сумма — Микроканоническое распределение — Большое каноническое распределение |
| Квантовая механика | Уравнение Шрёдингера — Интеграл Фейнмана — Квантовая теория поля | Гамильтониан — Тождественные частицы — Постоянная Планка — Измерение — Квантовый осциллятор — Волновая функция — Нулевая энергия — Перенормировка |
| Теория относительности | Специальная теория относительности — Общая теория относительности | Принцип относительности — 4-вектор — Пространство-время — Скорость света — Тензор энергии-импульса — Кривизна пространства-времени — Чёрная дыра |
Разделы физики
Макроскопическая физика
- Механика
- Классическая механика
- Релятивистская механика
- Механика сплошных сред
- Гидродинамика
- Акустика
- Механика твердого тела
- Термодинамика
- Оптика
- Физическая оптика
- Кристаллооптика
- Молекулярная оптика
- Нелинейная оптика
- Электродинамика
- Электродинамика сплошных сред
- Магнитогидродинамика
- Электрогидродинамика
Микроскопическая физика
Схематическое изображение атомалития.
- Статистическая физика
- Статистическая механика
- Статистическая теория поля
- Физика конденсированных сред
- Физика твёрдого тела
- Физика жидкостей
- Физика атомов и молекул
- Физика наноструктур
- Квантовая физика
- Квантовая механика
- Квантовая теория поля
- Квантовая электродинамика
- Квантовая хромодинамика
- Теория струн
- Ядерная физика
- Физика гиперядер
- Физика высоких энергий
- Физика элементарных частиц
Разделы физики на стыке наук
- Агрофизика
- Акустооптика
- Астрофизика
- Биофизика
- Гидрофизика
- Геофизика
- Петрофизика
- Сейсмология
- Тектонофизика
- Космология
- Математическая физика
- Материаловедение
- Кристаллография
- Медицинская физика
- Метрология
- Радиофизика
- Техническая физика
- Теория колебаний
- Теория динамических систем
- Химическая физика
- Физика атмосферы
- Физика плазмы
- Физическая химия
Справка
- Единицы измерения физических величин
- Фундаментальные физические константы
- Олимпиадные задачи по физике
- История физики
Важнейшие журналы
Основная статья: Список физических журналов
Российские
- Успехи физических наук (УФН)
- Журнал экспериментальной и теоретической физики (ЖЭТФ)
- Письма в ЖЭТФ
- Теоретическая и математическая физика
Зарубежные
- Nature Physics
- Журналы Американского физического общества
- Physics — короткие обзорные статьи по результатам, опубликованным в других журналах общества.
- Reviews of Modern Physics (RMP) Публикует обзорные статьи по большим разделам физики
- Physical Review Letters (PRL) Наиболее престижный (после Nature и Science) журнал: короткие статьи по новейшим исследованиям
- Physical Review (A,B,C,D,E) Статьи разного формата, более подробные, но менее оперативно публикуемые, чем в Phys. Rev. Lett.
- Annals of Physics
- Physics — короткие обзорные статьи по результатам, опубликованным в других журналах общества.
- Журналы Американского института физики
- Physics Today
- Applied Physics Letters (APL)
- Journal of Applied Physics
- Европейские журналы
- Journal of Physics (A, B, C …)
- Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical
- Journal of Physics: Condensed Matter
- New Journal of Physics
- Physica (A, B, C …)
- Physica A
- Physics Letters A
- Europhysics Letters
- Zeitschrift für Physik Именно в этом журнале публиковались Эйнштейн, Гейзенберг, Планк…
- Nuovo cimento (A, B, C …)
- Foundations of Physics
- Journal of Physics (A, B, C …)
- Научно-популярные журналы
- Квант
- Physics World
А также архив препринтов arXiv.
org, на котором статьи появляются гораздо раньше их появления в журналах и доступны для свободного скачивания.
См. также
- Физика в конспектах
- Физики шутят
- Общая физика
- Нерешённые проблемы современной физики
Ссылки
- Физика в Open Encyclopedia Project
- Статья в «Физической энциклопедии»
Коды в системах классификации знаний
- УДК 53
- Государственный рубрикатор научно-технической информации (ГРНТИ) (по состоянию на 2001 год): 29 ФИЗИКА
- Physics and Astronomy Classification Scheme® (PACS)
Примечания
- ↑ Физика — статья из Большой советской энциклопедии (3-е издание)
Литература
- Иванов Б. Н. Законы физики. Изд.3, М.:URSS, 2010 г., 368 с
Физика | это… Что такое Физика?
Примеры разнообразных физических явлений
Фи́зика (от др.-греч. φύσις — природа) — область естествознания, наука, изучающая наиболее общие и фундаментальные закономерности, определяющие структуру и эволюцию материального мира.
Законы физики лежат в основе всего естествознания.[1]
Термин «физика» впервые появился в сочинениях одного из величайших мыслителей древности — Аристотеля, жившего в IV веке до нашей эры. Первоначально термины «физика» и «философия» были синонимичны, поскольку обе дисциплины пытаются объяснить законы функционирования Вселенной. Однако в результате научной революции XVI века физика выделилась в отдельное научное направление.
В русский язык слово «физика» было введено Михаилом Васильевичем Ломоносовым, когда он издал первый в России учебник физики в переводе с немецкого языка. Первый русский учебник под названием «Краткое начертание физики» был написан первым русским академиком П. И. Страховым.
В современном мире значение физики чрезвычайно велико. Всё то, чем отличается современное общество от общества прошлых веков, появилось в результате применения на практике физических открытий. Так, исследования в области электромагнетизма привели к появлению телефонов и позже мобильных телефонов, открытия в термодинамике позволили создать автомобиль, развитие электроники привело к появлению компьютеров.
Физическое понимание процессов, происходящих в природе, постоянно развивается. Большинство новых открытий вскоре получают применение в технике и промышленности. Однако новые исследования постоянно поднимают новые загадки и обнаруживают явления, для объяснения которых требуются новые физические теории. Несмотря на огромный объём накопленных знаний, современная физика ещё очень далека от того, чтобы объяснить все явления природы.
Общенаучные основы физических методов разрабатываются в теории познания и методологии науки.
Содержание
|
2 Микроскопическая физикаПредмет физики
Физика — это наука о природе (естествознание) в самом общем смысле (часть природоведения). Она изучает различные субстанции бытия (материю, вещество, поля) и наиболее простые и вместе с тем наиболее общие формы её движения, а также фундаментальные взаимодействия природы, управляющие движением материи.
Некоторые закономерности являются общими для всех материальных систем, например, сохранение энергии, — их называют физическими законами. Физику иногда называют «фундаментальной наукой», поскольку другие естественные науки (биология, геология, химия и др.) описывают только некоторый класс материальных систем, подчиняющихся законам физики. Например, химия изучает атомы, образованные из них вещества и превращения одного вещества в другое.
Химические же свойства вещества однозначно определяются физическими свойствами атомов и молекул, описываемыми в таких разделах физики, как термодинамика, электромагнетизм и квантовая физика.
Физика тесно связана с математикой: математика предоставляет аппарат, с помощью которого физические законы могут быть точно сформулированы. Физические теории почти всегда формулируются в виде математических выражений, причём используются более сложные разделы математики, чем обычно в других науках. И наоборот, развитие многих областей математики стимулировалось потребностями физических теорий (см. математическая физика).
Научный метод
Физика — естественная наука. В ее основе лежит экспериментальное исследование явлений природы, а ее задача — формулировка законов, которыми объясняются эти явления. Физика сосредоточивается на изучении фундаментальных и простейших явлений и на ответах на простые вопросы: из чего состоит материя, каким образом частицы материи взаимодействуют между собой, по каким правилам и законам осуществляется движение частиц и т.
д. В основе физических исследований лежат наблюдения. Обобщение наблюдений позволяет физикам формулировать гипотезы о совместных общих черт этих явлений, по которым велись наблюдения. Гипотезы проверяются с помощью продуманного эксперимента, в котором явление проявлялось бы в как можно более чистом виде и не осложнялось бы другими явлениями. Анализ данных совокупности экспериментов позволяет сформулировать закономерность. На первых этапах исследований закономерности носят преимущественно эмпирический, феноменологический характер, то есть явление описывается количественно с помощью определенных параметров, характерных для исследуемых тел и веществ. Анализируя закономерности и параметры, физики строят физические теории, которые позволяют объяснить изучаемые явления на основе представлений о строении тел и веществ и взаимодействие между их составными частями. Физические теории, в свою очередь, создают предпосылки для постановки точных экспериментов, в ходе которых в основном определяются рамки их применения.
Общие физические теории позволяют формулировки физических законов, которые считаются общими истинами, пока накопления новых экспериментальных результатов не потребует их уточнения.
Так, например, Стивен Грей заметил, что электричество можно передавать на довольно значительное расстояние с помощью увлажненных нитей и начал исследовать это явление. Георг Ом сумел найти для него количественную закономерность — ток в проводнике пропорционален напряжению (закон Ома). При этом, конечно, эксперименты Ома опирались на новые источники питания и на новые способы измерять действие электрического тока, что позволило количественно охарактеризовать его. По результатам дальнейших исследований удалось абстрагироваться от формы и длины проводников и ввести такие феноменологические характеристики, как удельное сопротивление проводника и внутреннее сопротивление источника питания. Закон Ома и поныне основа электротехники, однако исследования установили также рамки его применения — открыли элементы электрической цепи с нелинейными вольт-амперными характеристиками а также вещества, не имеющие электрического сопротивления — сверхпроводники.
После открытия заряженных микроскопических частиц — электронов, была сформулирована микроскопическая теория электропроводности, объясняющая зависимости сопротивления от температуры посредством рассеяния электронов на колебаниях кристаллической решетки, примесях и т. д.
В. И. Ленин писал: «Одним словом, сегодняшний «физический» идеализм точно так же, как вчерашний «физиологический» идеализм, означает только то, что одна школа естествоиспытателей в одной отрасли естествознания скатилась к реакционной философии, не сумев прямо и сразу подняться от метафизического материализма к диалектическому материализму. Этот шаг делает и сделает современная физика, но она идет к единственно верному методу и единственно верной философии естествознания не прямо, а зигзагами, не сознательно, а стихийно, не видя ясно своей «конечной цели», а приближаясь к ней ощупью, шатаясь, иногда даже задом».( Ленин В. И. Материализм и эмпириокритицизм. — Полн. собр. соч., т. 18, с. 327. )
Количественный характер физики
Физика — количественная наука.
Физический эксперимент опирается на измерения, то есть сравнение характеристик исследуемых явлений с определенными эталонами. С этой целью физика развила совокупность физических единиц и измерительных приборов. Отдельные физические единицы объединяются в системы физических единиц. Так, на современном этапе развития науки стандартом является Международная система СИ.
Полученные экспериментально количественные зависимости позволяют использовать для своей обработки математические методы и строить теоретические, то есть математические модели изучаемых явлений.
С изменением представлений о природе тех или иных явлений меняются также физические единицы, в которых измеряются физические величины. Так, например, для измерения температуры сначала были предложены произвольные температурные шкалы, которые делили промежуток температур между характерными явлениями (например, замерзанием и кипением воды) на определенное количество меньших промежутков, которые получили название градусов температуры.
Для измерения количества теплоты была введена единица — калория, которая определяла количество теплоты, необходимой для нагрева грамма воды на один градус. Однако со временем физики установили соответствие между механической и тепловой формой энергии. Таким образом, оказалось, что предложенная ранее единица количества теплоты, калория, является излишней, как единица измерения температуры. И количество теплоты и температуру можно измерять в единицах механической энергии. В современную эпоху калория и градус не вышли из практического употребления, но между этими величинами и единицей энергии Джоулем существует точное числовое соотношение. Градус, как единица измерения температуры входит в систему СИ, а коэффициент перехода от температурной к энергетическим величинам, постоянная Больцмана, считается физической постоянной.
История физики
Основная статья: История физики
Физика — это наука о материи, ее свойствах и движении. Она является одной из наиболее древних научных дисциплин.
Люди пытались понять свойства материи из древнейших времен: почему тела падают на землю, почему разные вещества имеют различные свойства и т. д. Интересовали людей также вопрос о строении мира, о природе Солнца и Луны. Сначала ответы на эти вопросы пытались искать в философии. В основном философские теории, которые пытались дать ответы на такие вопросы не проверялись на практике. Однако, несмотря на то, что нередко философские теории неправильно описывали наблюдения, еще в древние времена человечество добилось значительных успехов в астрономии, а греческий мудрец Архимед даже сумел дать точные количественные формулировки многих законов механики и гидростатики.
Некоторые теории древних мыслителей, как, например, идеи о атомах, которые были сформулированы в древних Греции и Индии, опережали время. Постепенно от общей философии начало отделяться естествознание, как и его часть, которая описывает окружающий мир. Одна из основных книг Аристотеля называется «Физика». Несмотря на некоторые неправильные утверждения, физика Аристотеля на протяжении веков оставалась основой знаний о природе.
См. также: Природное явление
Период до научной революции
Свойство человечества сомневаться и пересматривать положения, которые раньше считались единственно истинными, в поисках ответов на новые вопросы в итоге привела к эпохе великих научных открытий, которую сегодня называют научной революцией, начавшейся примерно со второй половины 16-го века. Предпосылки к этим коренным изменениям сложились благодаря достоянию древних мыслителей, наследие которых можно проследить до Индии и Персии. Сюда входят эллиптические модели планетарных орбит, опиравшиеся на гелиоцентрическую модель Солнечной системы, которую разработал индийский математик и астроном Ариабхата I, базовые положения атомизма, предложенные индусскими и джайнистськимы философами, теория о том, что свет эквивалентно энергетическим частицам буддистских мыслителей Дигнагы и Дхармакирти, оптическая теория арабского ученого Альхазена, изобретение персом Могаммадом аль Фазари астролябии. Персидский ученый Насир аль Дин ат Туси указал на значительные недостатки птолемеевской системы.
Средневековая Европа на какое-то время потеряла знания античных времен, но под влиянием Арабского халифата сохраненные арабами сочинения Аристотеля вернулись. В 12-13 веках нашли свой путь в Европу также произведения индийских и персидских ученых. В Средние века начал складываться научный метод, в котором основная роль отводилась экспериментам и математическому описанию. Ибн аль-Хайсам (Альхазен) считается основоположником научного метода. В своей «Книге о оптике», написанной в 1021 году, он описывал эксперименты, поставленные для того, чтобы доказать справедливость своей теории зрения, которая утверждала, что глаз воспринимает свет, излучаемый другими объектами, а не сам глаз излучает свет, как считали раньше Евклид и Птолемей. В экспериментах Альхазена использовалась камера обскура. С помощью этого прибора он проверял свои гипотезы относительно свойств света: или свет распространяется по прямой, или смешиваются в воздухе различные лучи света.
Научная революция
Период научной революции характеризуется утверждением научного метода исследований, вычленением физики из массы натурфилософии в отдельную область и развитием отдельных разделов физики: механики, оптики, термодинамики и т.
д.
Большинство историков придерживаются мнения о том, что научная революция началась в 1543 году, когда Копернику привезли из Нюрнберга впервые напечатанный экземпляр его книги «Об обращении небесных сфер».
На протяжении века с тех пор знания человечество обогатилось работами таких исследователей, как Галилео Галилея, Христиана Гюйгенса, Иоганна Кеплера и Блеза Паскаля. Галилей первым начал последовательно применять научный метод, проводя эксперименты, чтобы подтвердить свои предположения и теории. Он сформулировал некоторые законы динамики и кинематики, в частности закон инерции, и проверил их опытным путем. В 1687 году Ньютон опубликовал книгу «Principia», в которой в подробностях описал две основополагающие физические теории: законы движения тел, известные под названием законы Ньютона, и законы тяготения. Обе теории прекрасно согласовывались с экспериментом. Книга также приводила теории движения жидкостей. Впоследствии классическая механика была переформулирована и расширенная Леонардом Эйлером, Жозефом-Луи Лагранжем, Уильямом Гамильтоном и другими.
Законы гравитации заложили основу тому, что позже стало астрофизикой, которая использует физические теории для описания и объяснения астрономических наблюдений.
После установления законов механики Ньютоном, следующим исследовательским полем стало электричество. Основы создания теории электричества заложили наблюдения и опыты таких ученых 17-го века, как Роберт Бойль, Стивен Грей, Бенджамин Франклин. Сложились основные понятия — электрический заряд и электрический ток. В 1831 году английский физик Майкл Фарадей объединил электричество и магнетизм, продемонстрировав, что движущийся магнит индуцирует в электрической цепи ток. Опираясь на эту концепцию, Джеймс Клерк Максвелл построил теорию электромагнитного поля. Кроме электромагнитных явлений уравнения Максвелла описывают свет. Подтверждение этому нашел Генрих Герц, открыв радиоволны.
С построением теории электромагнитного поля и электромагнитных волн победой волновой теории света, основанной Гюйгенсом, над корпускулярной теорией Ньютона, завершилось построение классической оптики.
На этом пути оптика обогатилась пониманием дифракции и интерференции света, достигнутым благодаря трудам Френеля и Янга.
В 18-м и начале 19-го века были открыты основные законы поведения газов, а со временем тепловых машин сформировалась наука термодинамика. В 19-ом веке Джоуль установил эквивалентность механической и тепловой энергий, что привело к формулировке закона сохранения энергии. Благодаря Клаузиусу был сформулирован второй закон термодинамики, Гиббс заложил основы статистической физики, Людвиг Больцман предложил статистическую интерпретацию понятия энтропии.
Под конец девятнадцатого века физики подошли к значительному открытию — экспериментальному подтверждению существования атома.
В конце девятнадцатого века изменилась роль физики в обществе. Возникновение новой техники: электричества, радио, автомобиля и т. д., требовало большого объема прикладных исследований. Занятия наукой стало профессией. Фирма General Electric первой открыла собственные исследовательские лаборатории.
Такие же лаборатории стали появляться в других фирмах.
Смена парадигм
Конец девятнадцатого, начало двадцатого века был временем, когда под давлением новых экспериментальных данных физикам пришлось пересмотреть старые теории и заменить их новыми, заглядывая все глубже в строение материи. Эксперимент Майкельсона — Морли выбил основу из-под ног электромагнетизма, поставив под сомнение существование эфира. Были открыты новые явления, такие как рентгеновские лучи и радиоактивность. Не успели физики доказать существование атома, как появились доказательства существования электрона, эксперименты с фотоэффекта и измерения спектра теплового излучения давали результаты, которые невозможно было объяснить, исходя из принципов классической физики. В прессе этот период назывался кризисом физики, но одновременно он стал периодом триумфа физики, сумевшей выработать новые революционные теории, которые не только объяснили непонятные явления, но и многие другие, открыв путь к новому пониманию природы.
В 1905 году Альберт Эйнштейн построил специальную теорию относительности, которая продемонстрировала, что понятие эфира не требуется при объяснении электромагнитных явлений. При этом пришлось изменить классическую механику Ньютона, дав ей новую формулировку, справедливую при больших скоростях. Коренным образом изменились также представления о природе пространства и времени. Эйнштейн развил свою теорию в общую теорию относительности, опубликованную в 1916 году. Новая теория включала в себя описание гравитационных явлений и открыла путь к становлению космологии — науки об эволюции Вселенной.
Рассматривая задачу о тепловом излучении абсолютно черного тела Макс Планк в 1900 году предложил невероятную идею, что электромагнитные волны излучаются порциями, энергия которых пропорциональна частоте. Эти порции получили название квантов, а сама идея начала построение новой физической теории — квантовой механики, которая еще больше изменила классическую ньютоновскую механику, на этот раз при очень малых размерах физической системы.
В том же 1905-м году Альберт Эйнштейн применил идею Планка для успешного объяснения экспериментов с фотоэффектом, предположив, что электромагнитные волны не только излучаются, но и поглощаются квантами. Корпускулярная теория света, которая, казалось, потерпела сокрушительное поражение в борьбе с волновой теорией, вновь получила поддержку.
Спор между корпускулярной и волновой теорией нашел свое решение в корпускулярно-волновом дуализме, гипотезе, сформулированной Луи де Бройлем. По этой гипотезе не только квант света, а любая другая частица проявляет одновременно свойства, присущие как корпускул, так и волны. Гипотеза Луи де Бройля подтвердилась в экспериментах с дифракции электронов.
В 1911 году Эрнест Резерфорд предложил планетарную теорию атома, а в 1913 году Нильс Бор построил модель атома, в которой постулировал квантовый характер движения электронов. Благодаря работам Вернера Гайзенберга, Эрвина Шредингера, Вольфганга Паули, Поля Дирака и многих других квантовая механика нашла свое точную математическую формулировку, подтвердждённую многочисленными экспериментами.
В 1927 году была произведена копенгагенская интерпретация, которая открывала путь для понимания законов квантового движения на качественном уровне.
Физика современности
С открытием радиоактивности Анри Беккерелем началось развитие ядерной физики, которая привела к появлению новых источников энергии: атомной энергии и энергии ядерного синтеза. Открытые при исследованиях ядерных реакции новые частицы: нейтрон, протон, нейтрино, дали начало физике элементарных частиц. Эти новые открытия на субатомном уровне оказались очень важными для физики на уровне Вселенной и позволили сформулировать теорию её эволюции — теорию Большого взрыва.
Сложилось окончательное разделение труда между физиками-теоретиками и физиками-экспериментаторами. Энрико Ферми был, пожалуй, последним выдающимся физиком, успешным как в теории, так и в экспериментальной работе.
Передний край физики переместился в область исследования фундаментальных законов, ставя перед собой цель создать теорию, которая объясняла бы Вселенную, объединив теории фундаментальных взаимодействий.
На этом пути физика получила частичные успехи в виде теории электрослабого взаимодействия и теории кварков, обобщённой в так называемой стандартной модели. Однако, квантовая теория гравитации до сих пор не построена. Определенные надежды связываются с теорией струн.
Начиная с создания квантовой механики, быстрыми темпами развивается физика твердого тела, открытия которой привели к возникновению и развитию электроники, а с ней и информатики, которые внесли коренные изменения в культуру человеческого общества.
Теоретическая и экспериментальная физика
Основные статьи: Теоретическая физика, Экспериментальная физика
В основе своей физика — экспериментальная наука: все её законы и теории основываются и опираются на опытные данные. Однако зачастую именно новые теории являются причиной проведения экспериментов и, как результат, лежат в основе новых открытий. Поэтому принято различать экспериментальную и теоретическую физику.
Экспериментальная физика исследует явления природы в заранее подготовленных условиях.
В её задачи входит обнаружение ранее неизвестных явлений, подтверждение или опровержение физических теорий. Многие достижения в физике были сделаны благодаря экспериментальному обнаружению явлений, не описываемых существующими теориями. Например, экспериментальное изучение фотоэффекта послужило одной из посылок к созданию квантовой механики (хотя рождением квантовой механики считается появление гипотезы Планка, выдвинутой им для разрешения ультрафиолетовой катастрофы — парадокса классической теоретической физики излучения).
В задачи теоретической физики входит формулирование общих законов природы и объяснение на основе этих законов различных явлений, а также предсказание до сих пор неизвестных явлений. Верность любой физической теории проверяется экспериментально: если результаты эксперимента совпадают с предсказаниями теории, она считается адекватной (достаточно точно описывающей данное явление).
При изучении любого явления экспериментальные и теоретические аспекты одинаково важны.
Прикладная физика
От своего зарождения физика всегда имела большое прикладное значение и развивалась вместе с машинами и механизмами, которые человечество использовало для своих нужд. Физика широко используется в инженерных науках, немало физиков были одновременно изобретателями и, наоборот. Механика, как часть физики, тесно связана с теоретической механикой и сопротивлением материалов, как инженерными науками. Термодинамика связана с теплотехникой и конструированием тепловых двигателей. Электричество связано с электротехникой и электроникой, для становления и развития которой очень важны исследования в области физики твердого тела. Достижения ядерной физики обусловили появление ядерной энергетики, и тому подобное.
Физика также имеет широкие междисциплинарные связи. На границе физики, химии и инженерных наук возникла и быстро развивается такая отрасль науки как материаловедение. Методы и инструменты используются химией, что привело к становлению двух направлений исследований: физической химии и химической физики.
Все мощнее становится биофизика — область исследований на границе между биологией и физикой, в которой биологические процессы изучаются исходя из атомарного структуры органических веществ. Геофизика изучает физическую природу геологических явлений. Медицина использует методы, такие как рентгеновские и ультразвуковые исследования, ядерный магнитный резонанс — для диагностики, лазеры — для лечения болезней глаз, ядерное облучение — в онкологии, и тому подобное.
Основные теории
Хотя физика имеет дело с разнообразными системами, некоторые физические теории применимы в больших областях физики. Такие теории считаются в целом верными при дополнительных ограничениях. Например, классическая механика верна, если размеры исследуемых объектов намного больше размеров атомов, скорости существенно меньше скорости света, и гравитационные силы малы. Эти теории всё ещё активно исследуются; например, такой аспект классической механики, как теория хаоса был открыт только в XX веке. Они составляют основу для всех физических исследований.
| Теория | Основные разделы | Понятия |
|---|---|---|
| Классическая механика | Законы Ньютона — Лагранжева механика — Гамильтонова механика — Теория хаоса — Гидродинамика — Механика сплошных сред | Вещество — Пространство — Время — Энергия — Движение — Масса — Длина — Скорость — Сила — Мощность — Работа — Закон сохранения — Момент инерции — Угловой момент — Момент силы — Волна — Действие — Размерность |
| Электромагнетизм | Электростатика — Электричество — Магнитостатика — Магнетизм — Уравнения Максвелла — Электродинамика | Электрический заряд — Напряжение — Ток — Электрическое поле — Магнитное поле — Электромагнитное поле — Электромагнитное излучение |
| Термодинамика и Статистическая физика | Тепловая машина — Молекулярно-кинетическая теория | Температура — Постоянная Больцмана — Энтропия — Свободная энергия — Термодинамическое равновесие — Статистическая сумма — Микроканоническое распределение — Большое каноническое распределение |
| Квантовая механика | Уравнение Шрёдингера — Интеграл Фейнмана — Квантовая теория поля | Гамильтониан — Тождественные частицы — Постоянная Планка — Измерение — Квантовый осциллятор — Волновая функция — Нулевая энергия — Перенормировка |
| Теория относительности | Специальная теория относительности — Общая теория относительности | Принцип относительности — 4-вектор — Пространство-время — Скорость света — Тензор энергии-импульса — Кривизна пространства-времени — Чёрная дыра |
Разделы физики
Макроскопическая физика
- Механика
- Классическая механика
- Релятивистская механика
- Механика сплошных сред
- Гидродинамика
- Акустика
- Механика твердого тела
- Термодинамика
- Оптика
- Физическая оптика
- Кристаллооптика
- Молекулярная оптика
- Нелинейная оптика
- Электродинамика
- Электродинамика сплошных сред
- Магнитогидродинамика
- Электрогидродинамика
Микроскопическая физика
Схематическое изображение атомалития.
- Статистическая физика
- Статистическая механика
- Статистическая теория поля
- Физика конденсированных сред
- Физика твёрдого тела
- Физика жидкостей
- Физика атомов и молекул
- Физика наноструктур
- Квантовая физика
- Квантовая механика
- Квантовая теория поля
- Квантовая электродинамика
- Квантовая хромодинамика
- Теория струн
- Ядерная физика
- Физика гиперядер
- Физика высоких энергий
- Физика элементарных частиц
Разделы физики на стыке наук
- Агрофизика
- Акустооптика
- Астрофизика
- Биофизика
- Гидрофизика
- Геофизика
- Петрофизика
- Сейсмология
- Тектонофизика
- Космология
- Математическая физика
- Материаловедение
- Кристаллография
- Медицинская физика
- Метрология
- Радиофизика
- Техническая физика
- Теория колебаний
- Теория динамических систем
- Химическая физика
- Физика атмосферы
- Физика плазмы
- Физическая химия
Справка
- Единицы измерения физических величин
- Фундаментальные физические константы
- Олимпиадные задачи по физике
- История физики
Важнейшие журналы
Основная статья: Список физических журналов
Российские
- Успехи физических наук (УФН)
- Журнал экспериментальной и теоретической физики (ЖЭТФ)
- Письма в ЖЭТФ
- Теоретическая и математическая физика
Зарубежные
- Nature Physics
- Журналы Американского физического общества
- Physics — короткие обзорные статьи по результатам, опубликованным в других журналах общества.
- Reviews of Modern Physics (RMP) Публикует обзорные статьи по большим разделам физики
- Physical Review Letters (PRL) Наиболее престижный (после Nature и Science) журнал: короткие статьи по новейшим исследованиям
- Physical Review (A,B,C,D,E) Статьи разного формата, более подробные, но менее оперативно публикуемые, чем в Phys. Rev. Lett.
- Annals of Physics
- Physics — короткие обзорные статьи по результатам, опубликованным в других журналах общества.
- Журналы Американского института физики
- Physics Today
- Applied Physics Letters (APL)
- Journal of Applied Physics
- Европейские журналы
- Journal of Physics (A, B, C …)
- Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical
- Journal of Physics: Condensed Matter
- New Journal of Physics
- Physica (A, B, C …)
- Physica A
- Physics Letters A
- Europhysics Letters
- Zeitschrift für Physik Именно в этом журнале публиковались Эйнштейн, Гейзенберг, Планк…
- Nuovo cimento (A, B, C …)
- Foundations of Physics
- Journal of Physics (A, B, C …)
- Научно-популярные журналы
- Квант
- Physics World
А также архив препринтов arXiv.
org, на котором статьи появляются гораздо раньше их появления в журналах и доступны для свободного скачивания.
См. также
- Физика в конспектах
- Физики шутят
- Общая физика
- Нерешённые проблемы современной физики
Ссылки
- Физика в Open Encyclopedia Project
- Статья в «Физической энциклопедии»
Коды в системах классификации знаний
- УДК 53
- Государственный рубрикатор научно-технической информации (ГРНТИ) (по состоянию на 2001 год): 29 ФИЗИКА
- Physics and Astronomy Classification Scheme® (PACS)
Примечания
- ↑ Физика — статья из Большой советской энциклопедии (3-е издание)
Литература
- Иванов Б. Н. Законы физики. Изд.3, М.:URSS, 2010 г., 368 с
Физика | это… Что такое Физика?
Примеры разнообразных физических явлений
Фи́зика (от др.-греч. φύσις — природа) — область естествознания, наука, изучающая наиболее общие и фундаментальные закономерности, определяющие структуру и эволюцию материального мира.
Законы физики лежат в основе всего естествознания.[1]
Термин «физика» впервые появился в сочинениях одного из величайших мыслителей древности — Аристотеля, жившего в IV веке до нашей эры. Первоначально термины «физика» и «философия» были синонимичны, поскольку обе дисциплины пытаются объяснить законы функционирования Вселенной. Однако в результате научной революции XVI века физика выделилась в отдельное научное направление.
В русский язык слово «физика» было введено Михаилом Васильевичем Ломоносовым, когда он издал первый в России учебник физики в переводе с немецкого языка. Первый русский учебник под названием «Краткое начертание физики» был написан первым русским академиком П. И. Страховым.
В современном мире значение физики чрезвычайно велико. Всё то, чем отличается современное общество от общества прошлых веков, появилось в результате применения на практике физических открытий. Так, исследования в области электромагнетизма привели к появлению телефонов и позже мобильных телефонов, открытия в термодинамике позволили создать автомобиль, развитие электроники привело к появлению компьютеров.
Физическое понимание процессов, происходящих в природе, постоянно развивается. Большинство новых открытий вскоре получают применение в технике и промышленности. Однако новые исследования постоянно поднимают новые загадки и обнаруживают явления, для объяснения которых требуются новые физические теории. Несмотря на огромный объём накопленных знаний, современная физика ещё очень далека от того, чтобы объяснить все явления природы.
Общенаучные основы физических методов разрабатываются в теории познания и методологии науки.
Содержание
|
2 Микроскопическая физикаПредмет физики
Физика — это наука о природе (естествознание) в самом общем смысле (часть природоведения). Она изучает различные субстанции бытия (материю, вещество, поля) и наиболее простые и вместе с тем наиболее общие формы её движения, а также фундаментальные взаимодействия природы, управляющие движением материи.
Некоторые закономерности являются общими для всех материальных систем, например, сохранение энергии, — их называют физическими законами. Физику иногда называют «фундаментальной наукой», поскольку другие естественные науки (биология, геология, химия и др.) описывают только некоторый класс материальных систем, подчиняющихся законам физики. Например, химия изучает атомы, образованные из них вещества и превращения одного вещества в другое.
Химические же свойства вещества однозначно определяются физическими свойствами атомов и молекул, описываемыми в таких разделах физики, как термодинамика, электромагнетизм и квантовая физика.
Физика тесно связана с математикой: математика предоставляет аппарат, с помощью которого физические законы могут быть точно сформулированы. Физические теории почти всегда формулируются в виде математических выражений, причём используются более сложные разделы математики, чем обычно в других науках. И наоборот, развитие многих областей математики стимулировалось потребностями физических теорий (см. математическая физика).
Научный метод
Физика — естественная наука. В ее основе лежит экспериментальное исследование явлений природы, а ее задача — формулировка законов, которыми объясняются эти явления. Физика сосредоточивается на изучении фундаментальных и простейших явлений и на ответах на простые вопросы: из чего состоит материя, каким образом частицы материи взаимодействуют между собой, по каким правилам и законам осуществляется движение частиц и т.
д. В основе физических исследований лежат наблюдения. Обобщение наблюдений позволяет физикам формулировать гипотезы о совместных общих черт этих явлений, по которым велись наблюдения. Гипотезы проверяются с помощью продуманного эксперимента, в котором явление проявлялось бы в как можно более чистом виде и не осложнялось бы другими явлениями. Анализ данных совокупности экспериментов позволяет сформулировать закономерность. На первых этапах исследований закономерности носят преимущественно эмпирический, феноменологический характер, то есть явление описывается количественно с помощью определенных параметров, характерных для исследуемых тел и веществ. Анализируя закономерности и параметры, физики строят физические теории, которые позволяют объяснить изучаемые явления на основе представлений о строении тел и веществ и взаимодействие между их составными частями. Физические теории, в свою очередь, создают предпосылки для постановки точных экспериментов, в ходе которых в основном определяются рамки их применения.
Общие физические теории позволяют формулировки физических законов, которые считаются общими истинами, пока накопления новых экспериментальных результатов не потребует их уточнения.
Так, например, Стивен Грей заметил, что электричество можно передавать на довольно значительное расстояние с помощью увлажненных нитей и начал исследовать это явление. Георг Ом сумел найти для него количественную закономерность — ток в проводнике пропорционален напряжению (закон Ома). При этом, конечно, эксперименты Ома опирались на новые источники питания и на новые способы измерять действие электрического тока, что позволило количественно охарактеризовать его. По результатам дальнейших исследований удалось абстрагироваться от формы и длины проводников и ввести такие феноменологические характеристики, как удельное сопротивление проводника и внутреннее сопротивление источника питания. Закон Ома и поныне основа электротехники, однако исследования установили также рамки его применения — открыли элементы электрической цепи с нелинейными вольт-амперными характеристиками а также вещества, не имеющие электрического сопротивления — сверхпроводники.
После открытия заряженных микроскопических частиц — электронов, была сформулирована микроскопическая теория электропроводности, объясняющая зависимости сопротивления от температуры посредством рассеяния электронов на колебаниях кристаллической решетки, примесях и т. д.
В. И. Ленин писал: «Одним словом, сегодняшний «физический» идеализм точно так же, как вчерашний «физиологический» идеализм, означает только то, что одна школа естествоиспытателей в одной отрасли естествознания скатилась к реакционной философии, не сумев прямо и сразу подняться от метафизического материализма к диалектическому материализму. Этот шаг делает и сделает современная физика, но она идет к единственно верному методу и единственно верной философии естествознания не прямо, а зигзагами, не сознательно, а стихийно, не видя ясно своей «конечной цели», а приближаясь к ней ощупью, шатаясь, иногда даже задом».( Ленин В. И. Материализм и эмпириокритицизм. — Полн. собр. соч., т. 18, с. 327. )
Количественный характер физики
Физика — количественная наука.
Физический эксперимент опирается на измерения, то есть сравнение характеристик исследуемых явлений с определенными эталонами. С этой целью физика развила совокупность физических единиц и измерительных приборов. Отдельные физические единицы объединяются в системы физических единиц. Так, на современном этапе развития науки стандартом является Международная система СИ.
Полученные экспериментально количественные зависимости позволяют использовать для своей обработки математические методы и строить теоретические, то есть математические модели изучаемых явлений.
С изменением представлений о природе тех или иных явлений меняются также физические единицы, в которых измеряются физические величины. Так, например, для измерения температуры сначала были предложены произвольные температурные шкалы, которые делили промежуток температур между характерными явлениями (например, замерзанием и кипением воды) на определенное количество меньших промежутков, которые получили название градусов температуры.
Для измерения количества теплоты была введена единица — калория, которая определяла количество теплоты, необходимой для нагрева грамма воды на один градус. Однако со временем физики установили соответствие между механической и тепловой формой энергии. Таким образом, оказалось, что предложенная ранее единица количества теплоты, калория, является излишней, как единица измерения температуры. И количество теплоты и температуру можно измерять в единицах механической энергии. В современную эпоху калория и градус не вышли из практического употребления, но между этими величинами и единицей энергии Джоулем существует точное числовое соотношение. Градус, как единица измерения температуры входит в систему СИ, а коэффициент перехода от температурной к энергетическим величинам, постоянная Больцмана, считается физической постоянной.
История физики
Основная статья: История физики
Физика — это наука о материи, ее свойствах и движении. Она является одной из наиболее древних научных дисциплин.
Люди пытались понять свойства материи из древнейших времен: почему тела падают на землю, почему разные вещества имеют различные свойства и т. д. Интересовали людей также вопрос о строении мира, о природе Солнца и Луны. Сначала ответы на эти вопросы пытались искать в философии. В основном философские теории, которые пытались дать ответы на такие вопросы не проверялись на практике. Однако, несмотря на то, что нередко философские теории неправильно описывали наблюдения, еще в древние времена человечество добилось значительных успехов в астрономии, а греческий мудрец Архимед даже сумел дать точные количественные формулировки многих законов механики и гидростатики.
Некоторые теории древних мыслителей, как, например, идеи о атомах, которые были сформулированы в древних Греции и Индии, опережали время. Постепенно от общей философии начало отделяться естествознание, как и его часть, которая описывает окружающий мир. Одна из основных книг Аристотеля называется «Физика». Несмотря на некоторые неправильные утверждения, физика Аристотеля на протяжении веков оставалась основой знаний о природе.
См. также: Природное явление
Период до научной революции
Свойство человечества сомневаться и пересматривать положения, которые раньше считались единственно истинными, в поисках ответов на новые вопросы в итоге привела к эпохе великих научных открытий, которую сегодня называют научной революцией, начавшейся примерно со второй половины 16-го века. Предпосылки к этим коренным изменениям сложились благодаря достоянию древних мыслителей, наследие которых можно проследить до Индии и Персии. Сюда входят эллиптические модели планетарных орбит, опиравшиеся на гелиоцентрическую модель Солнечной системы, которую разработал индийский математик и астроном Ариабхата I, базовые положения атомизма, предложенные индусскими и джайнистськимы философами, теория о том, что свет эквивалентно энергетическим частицам буддистских мыслителей Дигнагы и Дхармакирти, оптическая теория арабского ученого Альхазена, изобретение персом Могаммадом аль Фазари астролябии. Персидский ученый Насир аль Дин ат Туси указал на значительные недостатки птолемеевской системы.
Средневековая Европа на какое-то время потеряла знания античных времен, но под влиянием Арабского халифата сохраненные арабами сочинения Аристотеля вернулись. В 12-13 веках нашли свой путь в Европу также произведения индийских и персидских ученых. В Средние века начал складываться научный метод, в котором основная роль отводилась экспериментам и математическому описанию. Ибн аль-Хайсам (Альхазен) считается основоположником научного метода. В своей «Книге о оптике», написанной в 1021 году, он описывал эксперименты, поставленные для того, чтобы доказать справедливость своей теории зрения, которая утверждала, что глаз воспринимает свет, излучаемый другими объектами, а не сам глаз излучает свет, как считали раньше Евклид и Птолемей. В экспериментах Альхазена использовалась камера обскура. С помощью этого прибора он проверял свои гипотезы относительно свойств света: или свет распространяется по прямой, или смешиваются в воздухе различные лучи света.
Научная революция
Период научной революции характеризуется утверждением научного метода исследований, вычленением физики из массы натурфилософии в отдельную область и развитием отдельных разделов физики: механики, оптики, термодинамики и т.
д.
Большинство историков придерживаются мнения о том, что научная революция началась в 1543 году, когда Копернику привезли из Нюрнберга впервые напечатанный экземпляр его книги «Об обращении небесных сфер».
На протяжении века с тех пор знания человечество обогатилось работами таких исследователей, как Галилео Галилея, Христиана Гюйгенса, Иоганна Кеплера и Блеза Паскаля. Галилей первым начал последовательно применять научный метод, проводя эксперименты, чтобы подтвердить свои предположения и теории. Он сформулировал некоторые законы динамики и кинематики, в частности закон инерции, и проверил их опытным путем. В 1687 году Ньютон опубликовал книгу «Principia», в которой в подробностях описал две основополагающие физические теории: законы движения тел, известные под названием законы Ньютона, и законы тяготения. Обе теории прекрасно согласовывались с экспериментом. Книга также приводила теории движения жидкостей. Впоследствии классическая механика была переформулирована и расширенная Леонардом Эйлером, Жозефом-Луи Лагранжем, Уильямом Гамильтоном и другими.
Законы гравитации заложили основу тому, что позже стало астрофизикой, которая использует физические теории для описания и объяснения астрономических наблюдений.
После установления законов механики Ньютоном, следующим исследовательским полем стало электричество. Основы создания теории электричества заложили наблюдения и опыты таких ученых 17-го века, как Роберт Бойль, Стивен Грей, Бенджамин Франклин. Сложились основные понятия — электрический заряд и электрический ток. В 1831 году английский физик Майкл Фарадей объединил электричество и магнетизм, продемонстрировав, что движущийся магнит индуцирует в электрической цепи ток. Опираясь на эту концепцию, Джеймс Клерк Максвелл построил теорию электромагнитного поля. Кроме электромагнитных явлений уравнения Максвелла описывают свет. Подтверждение этому нашел Генрих Герц, открыв радиоволны.
С построением теории электромагнитного поля и электромагнитных волн победой волновой теории света, основанной Гюйгенсом, над корпускулярной теорией Ньютона, завершилось построение классической оптики.
На этом пути оптика обогатилась пониманием дифракции и интерференции света, достигнутым благодаря трудам Френеля и Янга.
В 18-м и начале 19-го века были открыты основные законы поведения газов, а со временем тепловых машин сформировалась наука термодинамика. В 19-ом веке Джоуль установил эквивалентность механической и тепловой энергий, что привело к формулировке закона сохранения энергии. Благодаря Клаузиусу был сформулирован второй закон термодинамики, Гиббс заложил основы статистической физики, Людвиг Больцман предложил статистическую интерпретацию понятия энтропии.
Под конец девятнадцатого века физики подошли к значительному открытию — экспериментальному подтверждению существования атома.
В конце девятнадцатого века изменилась роль физики в обществе. Возникновение новой техники: электричества, радио, автомобиля и т. д., требовало большого объема прикладных исследований. Занятия наукой стало профессией. Фирма General Electric первой открыла собственные исследовательские лаборатории.
Такие же лаборатории стали появляться в других фирмах.
Смена парадигм
Конец девятнадцатого, начало двадцатого века был временем, когда под давлением новых экспериментальных данных физикам пришлось пересмотреть старые теории и заменить их новыми, заглядывая все глубже в строение материи. Эксперимент Майкельсона — Морли выбил основу из-под ног электромагнетизма, поставив под сомнение существование эфира. Были открыты новые явления, такие как рентгеновские лучи и радиоактивность. Не успели физики доказать существование атома, как появились доказательства существования электрона, эксперименты с фотоэффекта и измерения спектра теплового излучения давали результаты, которые невозможно было объяснить, исходя из принципов классической физики. В прессе этот период назывался кризисом физики, но одновременно он стал периодом триумфа физики, сумевшей выработать новые революционные теории, которые не только объяснили непонятные явления, но и многие другие, открыв путь к новому пониманию природы.
В 1905 году Альберт Эйнштейн построил специальную теорию относительности, которая продемонстрировала, что понятие эфира не требуется при объяснении электромагнитных явлений. При этом пришлось изменить классическую механику Ньютона, дав ей новую формулировку, справедливую при больших скоростях. Коренным образом изменились также представления о природе пространства и времени. Эйнштейн развил свою теорию в общую теорию относительности, опубликованную в 1916 году. Новая теория включала в себя описание гравитационных явлений и открыла путь к становлению космологии — науки об эволюции Вселенной.
Рассматривая задачу о тепловом излучении абсолютно черного тела Макс Планк в 1900 году предложил невероятную идею, что электромагнитные волны излучаются порциями, энергия которых пропорциональна частоте. Эти порции получили название квантов, а сама идея начала построение новой физической теории — квантовой механики, которая еще больше изменила классическую ньютоновскую механику, на этот раз при очень малых размерах физической системы.
В том же 1905-м году Альберт Эйнштейн применил идею Планка для успешного объяснения экспериментов с фотоэффектом, предположив, что электромагнитные волны не только излучаются, но и поглощаются квантами. Корпускулярная теория света, которая, казалось, потерпела сокрушительное поражение в борьбе с волновой теорией, вновь получила поддержку.
Спор между корпускулярной и волновой теорией нашел свое решение в корпускулярно-волновом дуализме, гипотезе, сформулированной Луи де Бройлем. По этой гипотезе не только квант света, а любая другая частица проявляет одновременно свойства, присущие как корпускул, так и волны. Гипотеза Луи де Бройля подтвердилась в экспериментах с дифракции электронов.
В 1911 году Эрнест Резерфорд предложил планетарную теорию атома, а в 1913 году Нильс Бор построил модель атома, в которой постулировал квантовый характер движения электронов. Благодаря работам Вернера Гайзенберга, Эрвина Шредингера, Вольфганга Паули, Поля Дирака и многих других квантовая механика нашла свое точную математическую формулировку, подтвердждённую многочисленными экспериментами.
В 1927 году была произведена копенгагенская интерпретация, которая открывала путь для понимания законов квантового движения на качественном уровне.
Физика современности
С открытием радиоактивности Анри Беккерелем началось развитие ядерной физики, которая привела к появлению новых источников энергии: атомной энергии и энергии ядерного синтеза. Открытые при исследованиях ядерных реакции новые частицы: нейтрон, протон, нейтрино, дали начало физике элементарных частиц. Эти новые открытия на субатомном уровне оказались очень важными для физики на уровне Вселенной и позволили сформулировать теорию её эволюции — теорию Большого взрыва.
Сложилось окончательное разделение труда между физиками-теоретиками и физиками-экспериментаторами. Энрико Ферми был, пожалуй, последним выдающимся физиком, успешным как в теории, так и в экспериментальной работе.
Передний край физики переместился в область исследования фундаментальных законов, ставя перед собой цель создать теорию, которая объясняла бы Вселенную, объединив теории фундаментальных взаимодействий.
На этом пути физика получила частичные успехи в виде теории электрослабого взаимодействия и теории кварков, обобщённой в так называемой стандартной модели. Однако, квантовая теория гравитации до сих пор не построена. Определенные надежды связываются с теорией струн.
Начиная с создания квантовой механики, быстрыми темпами развивается физика твердого тела, открытия которой привели к возникновению и развитию электроники, а с ней и информатики, которые внесли коренные изменения в культуру человеческого общества.
Теоретическая и экспериментальная физика
Основные статьи: Теоретическая физика, Экспериментальная физика
В основе своей физика — экспериментальная наука: все её законы и теории основываются и опираются на опытные данные. Однако зачастую именно новые теории являются причиной проведения экспериментов и, как результат, лежат в основе новых открытий. Поэтому принято различать экспериментальную и теоретическую физику.
Экспериментальная физика исследует явления природы в заранее подготовленных условиях.
В её задачи входит обнаружение ранее неизвестных явлений, подтверждение или опровержение физических теорий. Многие достижения в физике были сделаны благодаря экспериментальному обнаружению явлений, не описываемых существующими теориями. Например, экспериментальное изучение фотоэффекта послужило одной из посылок к созданию квантовой механики (хотя рождением квантовой механики считается появление гипотезы Планка, выдвинутой им для разрешения ультрафиолетовой катастрофы — парадокса классической теоретической физики излучения).
В задачи теоретической физики входит формулирование общих законов природы и объяснение на основе этих законов различных явлений, а также предсказание до сих пор неизвестных явлений. Верность любой физической теории проверяется экспериментально: если результаты эксперимента совпадают с предсказаниями теории, она считается адекватной (достаточно точно описывающей данное явление).
При изучении любого явления экспериментальные и теоретические аспекты одинаково важны.
Прикладная физика
От своего зарождения физика всегда имела большое прикладное значение и развивалась вместе с машинами и механизмами, которые человечество использовало для своих нужд. Физика широко используется в инженерных науках, немало физиков были одновременно изобретателями и, наоборот. Механика, как часть физики, тесно связана с теоретической механикой и сопротивлением материалов, как инженерными науками. Термодинамика связана с теплотехникой и конструированием тепловых двигателей. Электричество связано с электротехникой и электроникой, для становления и развития которой очень важны исследования в области физики твердого тела. Достижения ядерной физики обусловили появление ядерной энергетики, и тому подобное.
Физика также имеет широкие междисциплинарные связи. На границе физики, химии и инженерных наук возникла и быстро развивается такая отрасль науки как материаловедение. Методы и инструменты используются химией, что привело к становлению двух направлений исследований: физической химии и химической физики.
Все мощнее становится биофизика — область исследований на границе между биологией и физикой, в которой биологические процессы изучаются исходя из атомарного структуры органических веществ. Геофизика изучает физическую природу геологических явлений. Медицина использует методы, такие как рентгеновские и ультразвуковые исследования, ядерный магнитный резонанс — для диагностики, лазеры — для лечения болезней глаз, ядерное облучение — в онкологии, и тому подобное.
Основные теории
Хотя физика имеет дело с разнообразными системами, некоторые физические теории применимы в больших областях физики. Такие теории считаются в целом верными при дополнительных ограничениях. Например, классическая механика верна, если размеры исследуемых объектов намного больше размеров атомов, скорости существенно меньше скорости света, и гравитационные силы малы. Эти теории всё ещё активно исследуются; например, такой аспект классической механики, как теория хаоса был открыт только в XX веке. Они составляют основу для всех физических исследований.
| Теория | Основные разделы | Понятия |
|---|---|---|
| Классическая механика | Законы Ньютона — Лагранжева механика — Гамильтонова механика — Теория хаоса — Гидродинамика — Механика сплошных сред | Вещество — Пространство — Время — Энергия — Движение — Масса — Длина — Скорость — Сила — Мощность — Работа — Закон сохранения — Момент инерции — Угловой момент — Момент силы — Волна — Действие — Размерность |
| Электромагнетизм | Электростатика — Электричество — Магнитостатика — Магнетизм — Уравнения Максвелла — Электродинамика | Электрический заряд — Напряжение — Ток — Электрическое поле — Магнитное поле — Электромагнитное поле — Электромагнитное излучение |
| Термодинамика и Статистическая физика | Тепловая машина — Молекулярно-кинетическая теория | Температура — Постоянная Больцмана — Энтропия — Свободная энергия — Термодинамическое равновесие — Статистическая сумма — Микроканоническое распределение — Большое каноническое распределение |
| Квантовая механика | Уравнение Шрёдингера — Интеграл Фейнмана — Квантовая теория поля | Гамильтониан — Тождественные частицы — Постоянная Планка — Измерение — Квантовый осциллятор — Волновая функция — Нулевая энергия — Перенормировка |
| Теория относительности | Специальная теория относительности — Общая теория относительности | Принцип относительности — 4-вектор — Пространство-время — Скорость света — Тензор энергии-импульса — Кривизна пространства-времени — Чёрная дыра |
Разделы физики
Макроскопическая физика
- Механика
- Классическая механика
- Релятивистская механика
- Механика сплошных сред
- Гидродинамика
- Акустика
- Механика твердого тела
- Термодинамика
- Оптика
- Физическая оптика
- Кристаллооптика
- Молекулярная оптика
- Нелинейная оптика
- Электродинамика
- Электродинамика сплошных сред
- Магнитогидродинамика
- Электрогидродинамика
Микроскопическая физика
Схематическое изображение атомалития.
- Статистическая физика
- Статистическая механика
- Статистическая теория поля
- Физика конденсированных сред
- Физика твёрдого тела
- Физика жидкостей
- Физика атомов и молекул
- Физика наноструктур
- Квантовая физика
- Квантовая механика
- Квантовая теория поля
- Квантовая электродинамика
- Квантовая хромодинамика
- Теория струн
- Ядерная физика
- Физика гиперядер
- Физика высоких энергий
- Физика элементарных частиц
Разделы физики на стыке наук
- Агрофизика
- Акустооптика
- Астрофизика
- Биофизика
- Гидрофизика
- Геофизика
- Петрофизика
- Сейсмология
- Тектонофизика
- Космология
- Математическая физика
- Материаловедение
- Кристаллография
- Медицинская физика
- Метрология
- Радиофизика
- Техническая физика
- Теория колебаний
- Теория динамических систем
- Химическая физика
- Физика атмосферы
- Физика плазмы
- Физическая химия
Справка
- Единицы измерения физических величин
- Фундаментальные физические константы
- Олимпиадные задачи по физике
- История физики
Важнейшие журналы
Основная статья: Список физических журналов
Российские
- Успехи физических наук (УФН)
- Журнал экспериментальной и теоретической физики (ЖЭТФ)
- Письма в ЖЭТФ
- Теоретическая и математическая физика
Зарубежные
- Nature Physics
- Журналы Американского физического общества
- Physics — короткие обзорные статьи по результатам, опубликованным в других журналах общества.
- Reviews of Modern Physics (RMP) Публикует обзорные статьи по большим разделам физики
- Physical Review Letters (PRL) Наиболее престижный (после Nature и Science) журнал: короткие статьи по новейшим исследованиям
- Physical Review (A,B,C,D,E) Статьи разного формата, более подробные, но менее оперативно публикуемые, чем в Phys. Rev. Lett.
- Annals of Physics
- Physics — короткие обзорные статьи по результатам, опубликованным в других журналах общества.
- Журналы Американского института физики
- Physics Today
- Applied Physics Letters (APL)
- Journal of Applied Physics
- Европейские журналы
- Journal of Physics (A, B, C …)
- Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical
- Journal of Physics: Condensed Matter
- New Journal of Physics
- Physica (A, B, C …)
- Physica A
- Physics Letters A
- Europhysics Letters
- Zeitschrift für Physik Именно в этом журнале публиковались Эйнштейн, Гейзенберг, Планк…
- Nuovo cimento (A, B, C …)
- Foundations of Physics
- Journal of Physics (A, B, C …)
- Научно-популярные журналы
- Квант
- Physics World
А также архив препринтов arXiv.
org, на котором статьи появляются гораздо раньше их появления в журналах и доступны для свободного скачивания.
См. также
- Физика в конспектах
- Физики шутят
- Общая физика
- Нерешённые проблемы современной физики
Ссылки
- Физика в Open Encyclopedia Project
- Статья в «Физической энциклопедии»
Коды в системах классификации знаний
- УДК 53
- Государственный рубрикатор научно-технической информации (ГРНТИ) (по состоянию на 2001 год): 29 ФИЗИКА
- Physics and Astronomy Classification Scheme® (PACS)
Примечания
- ↑ Физика — статья из Большой советской энциклопедии (3-е издание)
Литература
- Иванов Б. Н. Законы физики. Изд.3, М.:URSS, 2010 г., 368 с
Физика | это… Что такое Физика?
Примеры разнообразных физических явлений
Фи́зика (от др.-греч. φύσις — природа) — область естествознания, наука, изучающая наиболее общие и фундаментальные закономерности, определяющие структуру и эволюцию материального мира.
Законы физики лежат в основе всего естествознания.[1]
Термин «физика» впервые появился в сочинениях одного из величайших мыслителей древности — Аристотеля, жившего в IV веке до нашей эры. Первоначально термины «физика» и «философия» были синонимичны, поскольку обе дисциплины пытаются объяснить законы функционирования Вселенной. Однако в результате научной революции XVI века физика выделилась в отдельное научное направление.
В русский язык слово «физика» было введено Михаилом Васильевичем Ломоносовым, когда он издал первый в России учебник физики в переводе с немецкого языка. Первый русский учебник под названием «Краткое начертание физики» был написан первым русским академиком П. И. Страховым.
В современном мире значение физики чрезвычайно велико. Всё то, чем отличается современное общество от общества прошлых веков, появилось в результате применения на практике физических открытий. Так, исследования в области электромагнетизма привели к появлению телефонов и позже мобильных телефонов, открытия в термодинамике позволили создать автомобиль, развитие электроники привело к появлению компьютеров.
Физическое понимание процессов, происходящих в природе, постоянно развивается. Большинство новых открытий вскоре получают применение в технике и промышленности. Однако новые исследования постоянно поднимают новые загадки и обнаруживают явления, для объяснения которых требуются новые физические теории. Несмотря на огромный объём накопленных знаний, современная физика ещё очень далека от того, чтобы объяснить все явления природы.
Общенаучные основы физических методов разрабатываются в теории познания и методологии науки.
Содержание
|
2 Микроскопическая физикаПредмет физики
Физика — это наука о природе (естествознание) в самом общем смысле (часть природоведения). Она изучает различные субстанции бытия (материю, вещество, поля) и наиболее простые и вместе с тем наиболее общие формы её движения, а также фундаментальные взаимодействия природы, управляющие движением материи.
Некоторые закономерности являются общими для всех материальных систем, например, сохранение энергии, — их называют физическими законами. Физику иногда называют «фундаментальной наукой», поскольку другие естественные науки (биология, геология, химия и др.) описывают только некоторый класс материальных систем, подчиняющихся законам физики. Например, химия изучает атомы, образованные из них вещества и превращения одного вещества в другое.
Химические же свойства вещества однозначно определяются физическими свойствами атомов и молекул, описываемыми в таких разделах физики, как термодинамика, электромагнетизм и квантовая физика.
Физика тесно связана с математикой: математика предоставляет аппарат, с помощью которого физические законы могут быть точно сформулированы. Физические теории почти всегда формулируются в виде математических выражений, причём используются более сложные разделы математики, чем обычно в других науках. И наоборот, развитие многих областей математики стимулировалось потребностями физических теорий (см. математическая физика).
Научный метод
Физика — естественная наука. В ее основе лежит экспериментальное исследование явлений природы, а ее задача — формулировка законов, которыми объясняются эти явления. Физика сосредоточивается на изучении фундаментальных и простейших явлений и на ответах на простые вопросы: из чего состоит материя, каким образом частицы материи взаимодействуют между собой, по каким правилам и законам осуществляется движение частиц и т.
д. В основе физических исследований лежат наблюдения. Обобщение наблюдений позволяет физикам формулировать гипотезы о совместных общих черт этих явлений, по которым велись наблюдения. Гипотезы проверяются с помощью продуманного эксперимента, в котором явление проявлялось бы в как можно более чистом виде и не осложнялось бы другими явлениями. Анализ данных совокупности экспериментов позволяет сформулировать закономерность. На первых этапах исследований закономерности носят преимущественно эмпирический, феноменологический характер, то есть явление описывается количественно с помощью определенных параметров, характерных для исследуемых тел и веществ. Анализируя закономерности и параметры, физики строят физические теории, которые позволяют объяснить изучаемые явления на основе представлений о строении тел и веществ и взаимодействие между их составными частями. Физические теории, в свою очередь, создают предпосылки для постановки точных экспериментов, в ходе которых в основном определяются рамки их применения.
Общие физические теории позволяют формулировки физических законов, которые считаются общими истинами, пока накопления новых экспериментальных результатов не потребует их уточнения.
Так, например, Стивен Грей заметил, что электричество можно передавать на довольно значительное расстояние с помощью увлажненных нитей и начал исследовать это явление. Георг Ом сумел найти для него количественную закономерность — ток в проводнике пропорционален напряжению (закон Ома). При этом, конечно, эксперименты Ома опирались на новые источники питания и на новые способы измерять действие электрического тока, что позволило количественно охарактеризовать его. По результатам дальнейших исследований удалось абстрагироваться от формы и длины проводников и ввести такие феноменологические характеристики, как удельное сопротивление проводника и внутреннее сопротивление источника питания. Закон Ома и поныне основа электротехники, однако исследования установили также рамки его применения — открыли элементы электрической цепи с нелинейными вольт-амперными характеристиками а также вещества, не имеющие электрического сопротивления — сверхпроводники.
После открытия заряженных микроскопических частиц — электронов, была сформулирована микроскопическая теория электропроводности, объясняющая зависимости сопротивления от температуры посредством рассеяния электронов на колебаниях кристаллической решетки, примесях и т. д.
В. И. Ленин писал: «Одним словом, сегодняшний «физический» идеализм точно так же, как вчерашний «физиологический» идеализм, означает только то, что одна школа естествоиспытателей в одной отрасли естествознания скатилась к реакционной философии, не сумев прямо и сразу подняться от метафизического материализма к диалектическому материализму. Этот шаг делает и сделает современная физика, но она идет к единственно верному методу и единственно верной философии естествознания не прямо, а зигзагами, не сознательно, а стихийно, не видя ясно своей «конечной цели», а приближаясь к ней ощупью, шатаясь, иногда даже задом».( Ленин В. И. Материализм и эмпириокритицизм. — Полн. собр. соч., т. 18, с. 327. )
Количественный характер физики
Физика — количественная наука.
Физический эксперимент опирается на измерения, то есть сравнение характеристик исследуемых явлений с определенными эталонами. С этой целью физика развила совокупность физических единиц и измерительных приборов. Отдельные физические единицы объединяются в системы физических единиц. Так, на современном этапе развития науки стандартом является Международная система СИ.
Полученные экспериментально количественные зависимости позволяют использовать для своей обработки математические методы и строить теоретические, то есть математические модели изучаемых явлений.
С изменением представлений о природе тех или иных явлений меняются также физические единицы, в которых измеряются физические величины. Так, например, для измерения температуры сначала были предложены произвольные температурные шкалы, которые делили промежуток температур между характерными явлениями (например, замерзанием и кипением воды) на определенное количество меньших промежутков, которые получили название градусов температуры.
Для измерения количества теплоты была введена единица — калория, которая определяла количество теплоты, необходимой для нагрева грамма воды на один градус. Однако со временем физики установили соответствие между механической и тепловой формой энергии. Таким образом, оказалось, что предложенная ранее единица количества теплоты, калория, является излишней, как единица измерения температуры. И количество теплоты и температуру можно измерять в единицах механической энергии. В современную эпоху калория и градус не вышли из практического употребления, но между этими величинами и единицей энергии Джоулем существует точное числовое соотношение. Градус, как единица измерения температуры входит в систему СИ, а коэффициент перехода от температурной к энергетическим величинам, постоянная Больцмана, считается физической постоянной.
История физики
Основная статья: История физики
Физика — это наука о материи, ее свойствах и движении. Она является одной из наиболее древних научных дисциплин.
Люди пытались понять свойства материи из древнейших времен: почему тела падают на землю, почему разные вещества имеют различные свойства и т. д. Интересовали людей также вопрос о строении мира, о природе Солнца и Луны. Сначала ответы на эти вопросы пытались искать в философии. В основном философские теории, которые пытались дать ответы на такие вопросы не проверялись на практике. Однако, несмотря на то, что нередко философские теории неправильно описывали наблюдения, еще в древние времена человечество добилось значительных успехов в астрономии, а греческий мудрец Архимед даже сумел дать точные количественные формулировки многих законов механики и гидростатики.
Некоторые теории древних мыслителей, как, например, идеи о атомах, которые были сформулированы в древних Греции и Индии, опережали время. Постепенно от общей философии начало отделяться естествознание, как и его часть, которая описывает окружающий мир. Одна из основных книг Аристотеля называется «Физика». Несмотря на некоторые неправильные утверждения, физика Аристотеля на протяжении веков оставалась основой знаний о природе.
См. также: Природное явление
Период до научной революции
Свойство человечества сомневаться и пересматривать положения, которые раньше считались единственно истинными, в поисках ответов на новые вопросы в итоге привела к эпохе великих научных открытий, которую сегодня называют научной революцией, начавшейся примерно со второй половины 16-го века. Предпосылки к этим коренным изменениям сложились благодаря достоянию древних мыслителей, наследие которых можно проследить до Индии и Персии. Сюда входят эллиптические модели планетарных орбит, опиравшиеся на гелиоцентрическую модель Солнечной системы, которую разработал индийский математик и астроном Ариабхата I, базовые положения атомизма, предложенные индусскими и джайнистськимы философами, теория о том, что свет эквивалентно энергетическим частицам буддистских мыслителей Дигнагы и Дхармакирти, оптическая теория арабского ученого Альхазена, изобретение персом Могаммадом аль Фазари астролябии. Персидский ученый Насир аль Дин ат Туси указал на значительные недостатки птолемеевской системы.
Средневековая Европа на какое-то время потеряла знания античных времен, но под влиянием Арабского халифата сохраненные арабами сочинения Аристотеля вернулись. В 12-13 веках нашли свой путь в Европу также произведения индийских и персидских ученых. В Средние века начал складываться научный метод, в котором основная роль отводилась экспериментам и математическому описанию. Ибн аль-Хайсам (Альхазен) считается основоположником научного метода. В своей «Книге о оптике», написанной в 1021 году, он описывал эксперименты, поставленные для того, чтобы доказать справедливость своей теории зрения, которая утверждала, что глаз воспринимает свет, излучаемый другими объектами, а не сам глаз излучает свет, как считали раньше Евклид и Птолемей. В экспериментах Альхазена использовалась камера обскура. С помощью этого прибора он проверял свои гипотезы относительно свойств света: или свет распространяется по прямой, или смешиваются в воздухе различные лучи света.
Научная революция
Период научной революции характеризуется утверждением научного метода исследований, вычленением физики из массы натурфилософии в отдельную область и развитием отдельных разделов физики: механики, оптики, термодинамики и т.
д.
Большинство историков придерживаются мнения о том, что научная революция началась в 1543 году, когда Копернику привезли из Нюрнберга впервые напечатанный экземпляр его книги «Об обращении небесных сфер».
На протяжении века с тех пор знания человечество обогатилось работами таких исследователей, как Галилео Галилея, Христиана Гюйгенса, Иоганна Кеплера и Блеза Паскаля. Галилей первым начал последовательно применять научный метод, проводя эксперименты, чтобы подтвердить свои предположения и теории. Он сформулировал некоторые законы динамики и кинематики, в частности закон инерции, и проверил их опытным путем. В 1687 году Ньютон опубликовал книгу «Principia», в которой в подробностях описал две основополагающие физические теории: законы движения тел, известные под названием законы Ньютона, и законы тяготения. Обе теории прекрасно согласовывались с экспериментом. Книга также приводила теории движения жидкостей. Впоследствии классическая механика была переформулирована и расширенная Леонардом Эйлером, Жозефом-Луи Лагранжем, Уильямом Гамильтоном и другими.
Законы гравитации заложили основу тому, что позже стало астрофизикой, которая использует физические теории для описания и объяснения астрономических наблюдений.
После установления законов механики Ньютоном, следующим исследовательским полем стало электричество. Основы создания теории электричества заложили наблюдения и опыты таких ученых 17-го века, как Роберт Бойль, Стивен Грей, Бенджамин Франклин. Сложились основные понятия — электрический заряд и электрический ток. В 1831 году английский физик Майкл Фарадей объединил электричество и магнетизм, продемонстрировав, что движущийся магнит индуцирует в электрической цепи ток. Опираясь на эту концепцию, Джеймс Клерк Максвелл построил теорию электромагнитного поля. Кроме электромагнитных явлений уравнения Максвелла описывают свет. Подтверждение этому нашел Генрих Герц, открыв радиоволны.
С построением теории электромагнитного поля и электромагнитных волн победой волновой теории света, основанной Гюйгенсом, над корпускулярной теорией Ньютона, завершилось построение классической оптики. На этом пути оптика обогатилась пониманием дифракции и интерференции света, достигнутым благодаря трудам Френеля и Янга.
В 18-м и начале 19-го века были открыты основные законы поведения газов, а со временем тепловых машин сформировалась наука термодинамика. В 19-ом веке Джоуль установил эквивалентность механической и тепловой энергий, что привело к формулировке закона сохранения энергии. Благодаря Клаузиусу был сформулирован второй закон термодинамики, Гиббс заложил основы статистической физики, Людвиг Больцман предложил статистическую интерпретацию понятия энтропии.
Под конец девятнадцатого века физики подошли к значительному открытию — экспериментальному подтверждению существования атома.
В конце девятнадцатого века изменилась роль физики в обществе. Возникновение новой техники: электричества, радио, автомобиля и т. д., требовало большого объема прикладных исследований. Занятия наукой стало профессией. Фирма General Electric первой открыла собственные исследовательские лаборатории. Такие же лаборатории стали появляться в других фирмах.
Смена парадигм
Конец девятнадцатого, начало двадцатого века был временем, когда под давлением новых экспериментальных данных физикам пришлось пересмотреть старые теории и заменить их новыми, заглядывая все глубже в строение материи. Эксперимент Майкельсона — Морли выбил основу из-под ног электромагнетизма, поставив под сомнение существование эфира. Были открыты новые явления, такие как рентгеновские лучи и радиоактивность. Не успели физики доказать существование атома, как появились доказательства существования электрона, эксперименты с фотоэффекта и измерения спектра теплового излучения давали результаты, которые невозможно было объяснить, исходя из принципов классической физики. В прессе этот период назывался кризисом физики, но одновременно он стал периодом триумфа физики, сумевшей выработать новые революционные теории, которые не только объяснили непонятные явления, но и многие другие, открыв путь к новому пониманию природы.
В 1905 году Альберт Эйнштейн построил специальную теорию относительности, которая продемонстрировала, что понятие эфира не требуется при объяснении электромагнитных явлений. При этом пришлось изменить классическую механику Ньютона, дав ей новую формулировку, справедливую при больших скоростях. Коренным образом изменились также представления о природе пространства и времени. Эйнштейн развил свою теорию в общую теорию относительности, опубликованную в 1916 году. Новая теория включала в себя описание гравитационных явлений и открыла путь к становлению космологии — науки об эволюции Вселенной.
Рассматривая задачу о тепловом излучении абсолютно черного тела Макс Планк в 1900 году предложил невероятную идею, что электромагнитные волны излучаются порциями, энергия которых пропорциональна частоте. Эти порции получили название квантов, а сама идея начала построение новой физической теории — квантовой механики, которая еще больше изменила классическую ньютоновскую механику, на этот раз при очень малых размерах физической системы. В том же 1905-м году Альберт Эйнштейн применил идею Планка для успешного объяснения экспериментов с фотоэффектом, предположив, что электромагнитные волны не только излучаются, но и поглощаются квантами. Корпускулярная теория света, которая, казалось, потерпела сокрушительное поражение в борьбе с волновой теорией, вновь получила поддержку.
Спор между корпускулярной и волновой теорией нашел свое решение в корпускулярно-волновом дуализме, гипотезе, сформулированной Луи де Бройлем. По этой гипотезе не только квант света, а любая другая частица проявляет одновременно свойства, присущие как корпускул, так и волны. Гипотеза Луи де Бройля подтвердилась в экспериментах с дифракции электронов.
В 1911 году Эрнест Резерфорд предложил планетарную теорию атома, а в 1913 году Нильс Бор построил модель атома, в которой постулировал квантовый характер движения электронов. Благодаря работам Вернера Гайзенберга, Эрвина Шредингера, Вольфганга Паули, Поля Дирака и многих других квантовая механика нашла свое точную математическую формулировку, подтвердждённую многочисленными экспериментами. В 1927 году была произведена копенгагенская интерпретация, которая открывала путь для понимания законов квантового движения на качественном уровне.
Физика современности
С открытием радиоактивности Анри Беккерелем началось развитие ядерной физики, которая привела к появлению новых источников энергии: атомной энергии и энергии ядерного синтеза. Открытые при исследованиях ядерных реакции новые частицы: нейтрон, протон, нейтрино, дали начало физике элементарных частиц. Эти новые открытия на субатомном уровне оказались очень важными для физики на уровне Вселенной и позволили сформулировать теорию её эволюции — теорию Большого взрыва.
Сложилось окончательное разделение труда между физиками-теоретиками и физиками-экспериментаторами. Энрико Ферми был, пожалуй, последним выдающимся физиком, успешным как в теории, так и в экспериментальной работе.
Передний край физики переместился в область исследования фундаментальных законов, ставя перед собой цель создать теорию, которая объясняла бы Вселенную, объединив теории фундаментальных взаимодействий. На этом пути физика получила частичные успехи в виде теории электрослабого взаимодействия и теории кварков, обобщённой в так называемой стандартной модели. Однако, квантовая теория гравитации до сих пор не построена. Определенные надежды связываются с теорией струн.
Начиная с создания квантовой механики, быстрыми темпами развивается физика твердого тела, открытия которой привели к возникновению и развитию электроники, а с ней и информатики, которые внесли коренные изменения в культуру человеческого общества.
Теоретическая и экспериментальная физика
Основные статьи: Теоретическая физика, Экспериментальная физика
В основе своей физика — экспериментальная наука: все её законы и теории основываются и опираются на опытные данные. Однако зачастую именно новые теории являются причиной проведения экспериментов и, как результат, лежат в основе новых открытий. Поэтому принято различать экспериментальную и теоретическую физику.
Экспериментальная физика исследует явления природы в заранее подготовленных условиях. В её задачи входит обнаружение ранее неизвестных явлений, подтверждение или опровержение физических теорий. Многие достижения в физике были сделаны благодаря экспериментальному обнаружению явлений, не описываемых существующими теориями. Например, экспериментальное изучение фотоэффекта послужило одной из посылок к созданию квантовой механики (хотя рождением квантовой механики считается появление гипотезы Планка, выдвинутой им для разрешения ультрафиолетовой катастрофы — парадокса классической теоретической физики излучения).
В задачи теоретической физики входит формулирование общих законов природы и объяснение на основе этих законов различных явлений, а также предсказание до сих пор неизвестных явлений. Верность любой физической теории проверяется экспериментально: если результаты эксперимента совпадают с предсказаниями теории, она считается адекватной (достаточно точно описывающей данное явление).
При изучении любого явления экспериментальные и теоретические аспекты одинаково важны.
Прикладная физика
От своего зарождения физика всегда имела большое прикладное значение и развивалась вместе с машинами и механизмами, которые человечество использовало для своих нужд. Физика широко используется в инженерных науках, немало физиков были одновременно изобретателями и, наоборот. Механика, как часть физики, тесно связана с теоретической механикой и сопротивлением материалов, как инженерными науками. Термодинамика связана с теплотехникой и конструированием тепловых двигателей. Электричество связано с электротехникой и электроникой, для становления и развития которой очень важны исследования в области физики твердого тела. Достижения ядерной физики обусловили появление ядерной энергетики, и тому подобное.
Физика также имеет широкие междисциплинарные связи. На границе физики, химии и инженерных наук возникла и быстро развивается такая отрасль науки как материаловедение. Методы и инструменты используются химией, что привело к становлению двух направлений исследований: физической химии и химической физики. Все мощнее становится биофизика — область исследований на границе между биологией и физикой, в которой биологические процессы изучаются исходя из атомарного структуры органических веществ. Геофизика изучает физическую природу геологических явлений. Медицина использует методы, такие как рентгеновские и ультразвуковые исследования, ядерный магнитный резонанс — для диагностики, лазеры — для лечения болезней глаз, ядерное облучение — в онкологии, и тому подобное.
Основные теории
Хотя физика имеет дело с разнообразными системами, некоторые физические теории применимы в больших областях физики. Такие теории считаются в целом верными при дополнительных ограничениях. Например, классическая механика верна, если размеры исследуемых объектов намного больше размеров атомов, скорости существенно меньше скорости света, и гравитационные силы малы. Эти теории всё ещё активно исследуются; например, такой аспект классической механики, как теория хаоса был открыт только в XX веке. Они составляют основу для всех физических исследований.
| Теория | Основные разделы | Понятия |
|---|---|---|
| Классическая механика | Законы Ньютона — Лагранжева механика — Гамильтонова механика — Теория хаоса — Гидродинамика — Механика сплошных сред | Вещество — Пространство — Время — Энергия — Движение — Масса — Длина — Скорость — Сила — Мощность — Работа — Закон сохранения — Момент инерции — Угловой момент — Момент силы — Волна — Действие — Размерность |
| Электромагнетизм | Электростатика — Электричество — Магнитостатика — Магнетизм — Уравнения Максвелла — Электродинамика | Электрический заряд — Напряжение — Ток — Электрическое поле — Магнитное поле — Электромагнитное поле — Электромагнитное излучение |
| Термодинамика и Статистическая физика | Тепловая машина — Молекулярно-кинетическая теория | Температура — Постоянная Больцмана — Энтропия — Свободная энергия — Термодинамическое равновесие — Статистическая сумма — Микроканоническое распределение — Большое каноническое распределение |
| Квантовая механика | Уравнение Шрёдингера — Интеграл Фейнмана — Квантовая теория поля | Гамильтониан — Тождественные частицы — Постоянная Планка — Измерение — Квантовый осциллятор — Волновая функция — Нулевая энергия — Перенормировка |
| Теория относительности | Специальная теория относительности — Общая теория относительности | Принцип относительности — 4-вектор — Пространство-время — Скорость света — Тензор энергии-импульса — Кривизна пространства-времени — Чёрная дыра |
Разделы физики
Макроскопическая физика
- Механика
- Классическая механика
- Релятивистская механика
- Механика сплошных сред
- Гидродинамика
- Акустика
- Механика твердого тела
- Термодинамика
- Оптика
- Физическая оптика
- Кристаллооптика
- Молекулярная оптика
- Нелинейная оптика
- Электродинамика
- Электродинамика сплошных сред
- Магнитогидродинамика
- Электрогидродинамика
Микроскопическая физика
Схематическое изображение атомалития.
- Статистическая физика
- Статистическая механика
- Статистическая теория поля
- Физика конденсированных сред
- Физика твёрдого тела
- Физика жидкостей
- Физика атомов и молекул
- Физика наноструктур
- Квантовая физика
- Квантовая механика
- Квантовая теория поля
- Квантовая электродинамика
- Квантовая хромодинамика
- Теория струн
- Ядерная физика
- Физика гиперядер
- Физика высоких энергий
- Физика элементарных частиц
Разделы физики на стыке наук
- Агрофизика
- Акустооптика
- Астрофизика
- Биофизика
- Гидрофизика
- Геофизика
- Петрофизика
- Сейсмология
- Тектонофизика
- Космология
- Математическая физика
- Материаловедение
- Кристаллография
- Медицинская физика
- Метрология
- Радиофизика
- Техническая физика
- Теория колебаний
- Теория динамических систем
- Химическая физика
- Физика атмосферы
- Физика плазмы
- Физическая химия
Справка
- Единицы измерения физических величин
- Фундаментальные физические константы
- Олимпиадные задачи по физике
- История физики
Важнейшие журналы
Основная статья: Список физических журналов
Российские
- Успехи физических наук (УФН)
- Журнал экспериментальной и теоретической физики (ЖЭТФ)
- Письма в ЖЭТФ
- Теоретическая и математическая физика
Зарубежные
- Nature Physics
- Журналы Американского физического общества
- Physics — короткие обзорные статьи по результатам, опубликованным в других журналах общества.
- Reviews of Modern Physics (RMP) Публикует обзорные статьи по большим разделам физики
- Physical Review Letters (PRL) Наиболее престижный (после Nature и Science) журнал: короткие статьи по новейшим исследованиям
- Physical Review (A,B,C,D,E) Статьи разного формата, более подробные, но менее оперативно публикуемые, чем в Phys. Rev. Lett.
- Annals of Physics
- Physics — короткие обзорные статьи по результатам, опубликованным в других журналах общества.
- Журналы Американского института физики
- Physics Today
- Applied Physics Letters (APL)
- Journal of Applied Physics
- Европейские журналы
- Journal of Physics (A, B, C …)
- Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical
- Journal of Physics: Condensed Matter
- New Journal of Physics
- Physica (A, B, C …)
- Physica A
- Physics Letters A
- Europhysics Letters
- Zeitschrift für Physik Именно в этом журнале публиковались Эйнштейн, Гейзенберг, Планк…
- Nuovo cimento (A, B, C …)
- Foundations of Physics
- Journal of Physics (A, B, C …)
- Научно-популярные журналы
- Квант
- Physics World
А также архив препринтов arXiv. org, на котором статьи появляются гораздо раньше их появления в журналах и доступны для свободного скачивания.
См. также
- Физика в конспектах
- Физики шутят
- Общая физика
- Нерешённые проблемы современной физики
Ссылки
- Физика в Open Encyclopedia Project
- Статья в «Физической энциклопедии»
Коды в системах классификации знаний
- УДК 53
- Государственный рубрикатор научно-технической информации (ГРНТИ) (по состоянию на 2001 год): 29 ФИЗИКА
- Physics and Astronomy Classification Scheme® (PACS)
Примечания
- ↑ Физика — статья из Большой советской энциклопедии (3-е издание)
Литература
- Иванов Б. Н. Законы физики. Изд.3, М.:URSS, 2010 г., 368 с
Физика | это… Что такое Физика?
Примеры разнообразных физических явлений
Фи́зика (от др.-греч. φύσις — природа) — область естествознания, наука, изучающая наиболее общие и фундаментальные закономерности, определяющие структуру и эволюцию материального мира. Законы физики лежат в основе всего естествознания.[1]
Термин «физика» впервые появился в сочинениях одного из величайших мыслителей древности — Аристотеля, жившего в IV веке до нашей эры. Первоначально термины «физика» и «философия» были синонимичны, поскольку обе дисциплины пытаются объяснить законы функционирования Вселенной. Однако в результате научной революции XVI века физика выделилась в отдельное научное направление.
В русский язык слово «физика» было введено Михаилом Васильевичем Ломоносовым, когда он издал первый в России учебник физики в переводе с немецкого языка. Первый русский учебник под названием «Краткое начертание физики» был написан первым русским академиком П. И. Страховым.
В современном мире значение физики чрезвычайно велико. Всё то, чем отличается современное общество от общества прошлых веков, появилось в результате применения на практике физических открытий. Так, исследования в области электромагнетизма привели к появлению телефонов и позже мобильных телефонов, открытия в термодинамике позволили создать автомобиль, развитие электроники привело к появлению компьютеров.
Физическое понимание процессов, происходящих в природе, постоянно развивается. Большинство новых открытий вскоре получают применение в технике и промышленности. Однако новые исследования постоянно поднимают новые загадки и обнаруживают явления, для объяснения которых требуются новые физические теории. Несмотря на огромный объём накопленных знаний, современная физика ещё очень далека от того, чтобы объяснить все явления природы.
Общенаучные основы физических методов разрабатываются в теории познания и методологии науки.
Содержание
|
Предмет физики
Физика — это наука о природе (естествознание) в самом общем смысле (часть природоведения). Она изучает различные субстанции бытия (материю, вещество, поля) и наиболее простые и вместе с тем наиболее общие формы её движения, а также фундаментальные взаимодействия природы, управляющие движением материи.
Некоторые закономерности являются общими для всех материальных систем, например, сохранение энергии, — их называют физическими законами. Физику иногда называют «фундаментальной наукой», поскольку другие естественные науки (биология, геология, химия и др.) описывают только некоторый класс материальных систем, подчиняющихся законам физики. Например, химия изучает атомы, образованные из них вещества и превращения одного вещества в другое. Химические же свойства вещества однозначно определяются физическими свойствами атомов и молекул, описываемыми в таких разделах физики, как термодинамика, электромагнетизм и квантовая физика.
Физика тесно связана с математикой: математика предоставляет аппарат, с помощью которого физические законы могут быть точно сформулированы. Физические теории почти всегда формулируются в виде математических выражений, причём используются более сложные разделы математики, чем обычно в других науках. И наоборот, развитие многих областей математики стимулировалось потребностями физических теорий (см. математическая физика).
Научный метод
Физика — естественная наука. В ее основе лежит экспериментальное исследование явлений природы, а ее задача — формулировка законов, которыми объясняются эти явления. Физика сосредоточивается на изучении фундаментальных и простейших явлений и на ответах на простые вопросы: из чего состоит материя, каким образом частицы материи взаимодействуют между собой, по каким правилам и законам осуществляется движение частиц и т. д. В основе физических исследований лежат наблюдения. Обобщение наблюдений позволяет физикам формулировать гипотезы о совместных общих черт этих явлений, по которым велись наблюдения. Гипотезы проверяются с помощью продуманного эксперимента, в котором явление проявлялось бы в как можно более чистом виде и не осложнялось бы другими явлениями. Анализ данных совокупности экспериментов позволяет сформулировать закономерность. На первых этапах исследований закономерности носят преимущественно эмпирический, феноменологический характер, то есть явление описывается количественно с помощью определенных параметров, характерных для исследуемых тел и веществ. Анализируя закономерности и параметры, физики строят физические теории, которые позволяют объяснить изучаемые явления на основе представлений о строении тел и веществ и взаимодействие между их составными частями. Физические теории, в свою очередь, создают предпосылки для постановки точных экспериментов, в ходе которых в основном определяются рамки их применения. Общие физические теории позволяют формулировки физических законов, которые считаются общими истинами, пока накопления новых экспериментальных результатов не потребует их уточнения.
Так, например, Стивен Грей заметил, что электричество можно передавать на довольно значительное расстояние с помощью увлажненных нитей и начал исследовать это явление. Георг Ом сумел найти для него количественную закономерность — ток в проводнике пропорционален напряжению (закон Ома). При этом, конечно, эксперименты Ома опирались на новые источники питания и на новые способы измерять действие электрического тока, что позволило количественно охарактеризовать его. По результатам дальнейших исследований удалось абстрагироваться от формы и длины проводников и ввести такие феноменологические характеристики, как удельное сопротивление проводника и внутреннее сопротивление источника питания. Закон Ома и поныне основа электротехники, однако исследования установили также рамки его применения — открыли элементы электрической цепи с нелинейными вольт-амперными характеристиками а также вещества, не имеющие электрического сопротивления — сверхпроводники. После открытия заряженных микроскопических частиц — электронов, была сформулирована микроскопическая теория электропроводности, объясняющая зависимости сопротивления от температуры посредством рассеяния электронов на колебаниях кристаллической решетки, примесях и т. д.
В. И. Ленин писал: «Одним словом, сегодняшний «физический» идеализм точно так же, как вчерашний «физиологический» идеализм, означает только то, что одна школа естествоиспытателей в одной отрасли естествознания скатилась к реакционной философии, не сумев прямо и сразу подняться от метафизического материализма к диалектическому материализму. Этот шаг делает и сделает современная физика, но она идет к единственно верному методу и единственно верной философии естествознания не прямо, а зигзагами, не сознательно, а стихийно, не видя ясно своей «конечной цели», а приближаясь к ней ощупью, шатаясь, иногда даже задом».( Ленин В. И. Материализм и эмпириокритицизм. — Полн. собр. соч., т. 18, с. 327. )
Количественный характер физики
Физика — количественная наука. Физический эксперимент опирается на измерения, то есть сравнение характеристик исследуемых явлений с определенными эталонами. С этой целью физика развила совокупность физических единиц и измерительных приборов. Отдельные физические единицы объединяются в системы физических единиц. Так, на современном этапе развития науки стандартом является Международная система СИ.
Полученные экспериментально количественные зависимости позволяют использовать для своей обработки математические методы и строить теоретические, то есть математические модели изучаемых явлений.
С изменением представлений о природе тех или иных явлений меняются также физические единицы, в которых измеряются физические величины. Так, например, для измерения температуры сначала были предложены произвольные температурные шкалы, которые делили промежуток температур между характерными явлениями (например, замерзанием и кипением воды) на определенное количество меньших промежутков, которые получили название градусов температуры. Для измерения количества теплоты была введена единица — калория, которая определяла количество теплоты, необходимой для нагрева грамма воды на один градус. Однако со временем физики установили соответствие между механической и тепловой формой энергии. Таким образом, оказалось, что предложенная ранее единица количества теплоты, калория, является излишней, как единица измерения температуры. И количество теплоты и температуру можно измерять в единицах механической энергии. В современную эпоху калория и градус не вышли из практического употребления, но между этими величинами и единицей энергии Джоулем существует точное числовое соотношение. Градус, как единица измерения температуры входит в систему СИ, а коэффициент перехода от температурной к энергетическим величинам, постоянная Больцмана, считается физической постоянной.
История физики
Основная статья: История физики
Физика — это наука о материи, ее свойствах и движении. Она является одной из наиболее древних научных дисциплин. Люди пытались понять свойства материи из древнейших времен: почему тела падают на землю, почему разные вещества имеют различные свойства и т. д. Интересовали людей также вопрос о строении мира, о природе Солнца и Луны. Сначала ответы на эти вопросы пытались искать в философии. В основном философские теории, которые пытались дать ответы на такие вопросы не проверялись на практике. Однако, несмотря на то, что нередко философские теории неправильно описывали наблюдения, еще в древние времена человечество добилось значительных успехов в астрономии, а греческий мудрец Архимед даже сумел дать точные количественные формулировки многих законов механики и гидростатики.
Некоторые теории древних мыслителей, как, например, идеи о атомах, которые были сформулированы в древних Греции и Индии, опережали время. Постепенно от общей философии начало отделяться естествознание, как и его часть, которая описывает окружающий мир. Одна из основных книг Аристотеля называется «Физика». Несмотря на некоторые неправильные утверждения, физика Аристотеля на протяжении веков оставалась основой знаний о природе.
См. также: Природное явление
Период до научной революции
Свойство человечества сомневаться и пересматривать положения, которые раньше считались единственно истинными, в поисках ответов на новые вопросы в итоге привела к эпохе великих научных открытий, которую сегодня называют научной революцией, начавшейся примерно со второй половины 16-го века. Предпосылки к этим коренным изменениям сложились благодаря достоянию древних мыслителей, наследие которых можно проследить до Индии и Персии. Сюда входят эллиптические модели планетарных орбит, опиравшиеся на гелиоцентрическую модель Солнечной системы, которую разработал индийский математик и астроном Ариабхата I, базовые положения атомизма, предложенные индусскими и джайнистськимы философами, теория о том, что свет эквивалентно энергетическим частицам буддистских мыслителей Дигнагы и Дхармакирти, оптическая теория арабского ученого Альхазена, изобретение персом Могаммадом аль Фазари астролябии. Персидский ученый Насир аль Дин ат Туси указал на значительные недостатки птолемеевской системы.
Средневековая Европа на какое-то время потеряла знания античных времен, но под влиянием Арабского халифата сохраненные арабами сочинения Аристотеля вернулись. В 12-13 веках нашли свой путь в Европу также произведения индийских и персидских ученых. В Средние века начал складываться научный метод, в котором основная роль отводилась экспериментам и математическому описанию. Ибн аль-Хайсам (Альхазен) считается основоположником научного метода. В своей «Книге о оптике», написанной в 1021 году, он описывал эксперименты, поставленные для того, чтобы доказать справедливость своей теории зрения, которая утверждала, что глаз воспринимает свет, излучаемый другими объектами, а не сам глаз излучает свет, как считали раньше Евклид и Птолемей. В экспериментах Альхазена использовалась камера обскура. С помощью этого прибора он проверял свои гипотезы относительно свойств света: или свет распространяется по прямой, или смешиваются в воздухе различные лучи света.
Научная революция
Период научной революции характеризуется утверждением научного метода исследований, вычленением физики из массы натурфилософии в отдельную область и развитием отдельных разделов физики: механики, оптики, термодинамики и т. д.
Большинство историков придерживаются мнения о том, что научная революция началась в 1543 году, когда Копернику привезли из Нюрнберга впервые напечатанный экземпляр его книги «Об обращении небесных сфер».
На протяжении века с тех пор знания человечество обогатилось работами таких исследователей, как Галилео Галилея, Христиана Гюйгенса, Иоганна Кеплера и Блеза Паскаля. Галилей первым начал последовательно применять научный метод, проводя эксперименты, чтобы подтвердить свои предположения и теории. Он сформулировал некоторые законы динамики и кинематики, в частности закон инерции, и проверил их опытным путем. В 1687 году Ньютон опубликовал книгу «Principia», в которой в подробностях описал две основополагающие физические теории: законы движения тел, известные под названием законы Ньютона, и законы тяготения. Обе теории прекрасно согласовывались с экспериментом. Книга также приводила теории движения жидкостей. Впоследствии классическая механика была переформулирована и расширенная Леонардом Эйлером, Жозефом-Луи Лагранжем, Уильямом Гамильтоном и другими. Законы гравитации заложили основу тому, что позже стало астрофизикой, которая использует физические теории для описания и объяснения астрономических наблюдений.
После установления законов механики Ньютоном, следующим исследовательским полем стало электричество. Основы создания теории электричества заложили наблюдения и опыты таких ученых 17-го века, как Роберт Бойль, Стивен Грей, Бенджамин Франклин. Сложились основные понятия — электрический заряд и электрический ток. В 1831 году английский физик Майкл Фарадей объединил электричество и магнетизм, продемонстрировав, что движущийся магнит индуцирует в электрической цепи ток. Опираясь на эту концепцию, Джеймс Клерк Максвелл построил теорию электромагнитного поля. Кроме электромагнитных явлений уравнения Максвелла описывают свет. Подтверждение этому нашел Генрих Герц, открыв радиоволны.
С построением теории электромагнитного поля и электромагнитных волн победой волновой теории света, основанной Гюйгенсом, над корпускулярной теорией Ньютона, завершилось построение классической оптики. На этом пути оптика обогатилась пониманием дифракции и интерференции света, достигнутым благодаря трудам Френеля и Янга.
В 18-м и начале 19-го века были открыты основные законы поведения газов, а со временем тепловых машин сформировалась наука термодинамика. В 19-ом веке Джоуль установил эквивалентность механической и тепловой энергий, что привело к формулировке закона сохранения энергии. Благодаря Клаузиусу был сформулирован второй закон термодинамики, Гиббс заложил основы статистической физики, Людвиг Больцман предложил статистическую интерпретацию понятия энтропии.
Под конец девятнадцатого века физики подошли к значительному открытию — экспериментальному подтверждению существования атома.
В конце девятнадцатого века изменилась роль физики в обществе. Возникновение новой техники: электричества, радио, автомобиля и т. д., требовало большого объема прикладных исследований. Занятия наукой стало профессией. Фирма General Electric первой открыла собственные исследовательские лаборатории. Такие же лаборатории стали появляться в других фирмах.
Смена парадигм
Конец девятнадцатого, начало двадцатого века был временем, когда под давлением новых экспериментальных данных физикам пришлось пересмотреть старые теории и заменить их новыми, заглядывая все глубже в строение материи. Эксперимент Майкельсона — Морли выбил основу из-под ног электромагнетизма, поставив под сомнение существование эфира. Были открыты новые явления, такие как рентгеновские лучи и радиоактивность. Не успели физики доказать существование атома, как появились доказательства существования электрона, эксперименты с фотоэффекта и измерения спектра теплового излучения давали результаты, которые невозможно было объяснить, исходя из принципов классической физики. В прессе этот период назывался кризисом физики, но одновременно он стал периодом триумфа физики, сумевшей выработать новые революционные теории, которые не только объяснили непонятные явления, но и многие другие, открыв путь к новому пониманию природы.
В 1905 году Альберт Эйнштейн построил специальную теорию относительности, которая продемонстрировала, что понятие эфира не требуется при объяснении электромагнитных явлений. При этом пришлось изменить классическую механику Ньютона, дав ей новую формулировку, справедливую при больших скоростях. Коренным образом изменились также представления о природе пространства и времени. Эйнштейн развил свою теорию в общую теорию относительности, опубликованную в 1916 году. Новая теория включала в себя описание гравитационных явлений и открыла путь к становлению космологии — науки об эволюции Вселенной.
Рассматривая задачу о тепловом излучении абсолютно черного тела Макс Планк в 1900 году предложил невероятную идею, что электромагнитные волны излучаются порциями, энергия которых пропорциональна частоте. Эти порции получили название квантов, а сама идея начала построение новой физической теории — квантовой механики, которая еще больше изменила классическую ньютоновскую механику, на этот раз при очень малых размерах физической системы. В том же 1905-м году Альберт Эйнштейн применил идею Планка для успешного объяснения экспериментов с фотоэффектом, предположив, что электромагнитные волны не только излучаются, но и поглощаются квантами. Корпускулярная теория света, которая, казалось, потерпела сокрушительное поражение в борьбе с волновой теорией, вновь получила поддержку.
Спор между корпускулярной и волновой теорией нашел свое решение в корпускулярно-волновом дуализме, гипотезе, сформулированной Луи де Бройлем. По этой гипотезе не только квант света, а любая другая частица проявляет одновременно свойства, присущие как корпускул, так и волны. Гипотеза Луи де Бройля подтвердилась в экспериментах с дифракции электронов.
В 1911 году Эрнест Резерфорд предложил планетарную теорию атома, а в 1913 году Нильс Бор построил модель атома, в которой постулировал квантовый характер движения электронов. Благодаря работам Вернера Гайзенберга, Эрвина Шредингера, Вольфганга Паули, Поля Дирака и многих других квантовая механика нашла свое точную математическую формулировку, подтвердждённую многочисленными экспериментами. В 1927 году была произведена копенгагенская интерпретация, которая открывала путь для понимания законов квантового движения на качественном уровне.
Физика современности
С открытием радиоактивности Анри Беккерелем началось развитие ядерной физики, которая привела к появлению новых источников энергии: атомной энергии и энергии ядерного синтеза. Открытые при исследованиях ядерных реакции новые частицы: нейтрон, протон, нейтрино, дали начало физике элементарных частиц. Эти новые открытия на субатомном уровне оказались очень важными для физики на уровне Вселенной и позволили сформулировать теорию её эволюции — теорию Большого взрыва.
Сложилось окончательное разделение труда между физиками-теоретиками и физиками-экспериментаторами. Энрико Ферми был, пожалуй, последним выдающимся физиком, успешным как в теории, так и в экспериментальной работе.
Передний край физики переместился в область исследования фундаментальных законов, ставя перед собой цель создать теорию, которая объясняла бы Вселенную, объединив теории фундаментальных взаимодействий. На этом пути физика получила частичные успехи в виде теории электрослабого взаимодействия и теории кварков, обобщённой в так называемой стандартной модели. Однако, квантовая теория гравитации до сих пор не построена. Определенные надежды связываются с теорией струн.
Начиная с создания квантовой механики, быстрыми темпами развивается физика твердого тела, открытия которой привели к возникновению и развитию электроники, а с ней и информатики, которые внесли коренные изменения в культуру человеческого общества.
Теоретическая и экспериментальная физика
Основные статьи: Теоретическая физика, Экспериментальная физика
В основе своей физика — экспериментальная наука: все её законы и теории основываются и опираются на опытные данные. Однако зачастую именно новые теории являются причиной проведения экспериментов и, как результат, лежат в основе новых открытий. Поэтому принято различать экспериментальную и теоретическую физику.
Экспериментальная физика исследует явления природы в заранее подготовленных условиях. В её задачи входит обнаружение ранее неизвестных явлений, подтверждение или опровержение физических теорий. Многие достижения в физике были сделаны благодаря экспериментальному обнаружению явлений, не описываемых существующими теориями. Например, экспериментальное изучение фотоэффекта послужило одной из посылок к созданию квантовой механики (хотя рождением квантовой механики считается появление гипотезы Планка, выдвинутой им для разрешения ультрафиолетовой катастрофы — парадокса классической теоретической физики излучения).
В задачи теоретической физики входит формулирование общих законов природы и объяснение на основе этих законов различных явлений, а также предсказание до сих пор неизвестных явлений. Верность любой физической теории проверяется экспериментально: если результаты эксперимента совпадают с предсказаниями теории, она считается адекватной (достаточно точно описывающей данное явление).
При изучении любого явления экспериментальные и теоретические аспекты одинаково важны.
Прикладная физика
От своего зарождения физика всегда имела большое прикладное значение и развивалась вместе с машинами и механизмами, которые человечество использовало для своих нужд. Физика широко используется в инженерных науках, немало физиков были одновременно изобретателями и, наоборот. Механика, как часть физики, тесно связана с теоретической механикой и сопротивлением материалов, как инженерными науками. Термодинамика связана с теплотехникой и конструированием тепловых двигателей. Электричество связано с электротехникой и электроникой, для становления и развития которой очень важны исследования в области физики твердого тела. Достижения ядерной физики обусловили появление ядерной энергетики, и тому подобное.
Физика также имеет широкие междисциплинарные связи. На границе физики, химии и инженерных наук возникла и быстро развивается такая отрасль науки как материаловедение. Методы и инструменты используются химией, что привело к становлению двух направлений исследований: физической химии и химической физики. Все мощнее становится биофизика — область исследований на границе между биологией и физикой, в которой биологические процессы изучаются исходя из атомарного структуры органических веществ. Геофизика изучает физическую природу геологических явлений. Медицина использует методы, такие как рентгеновские и ультразвуковые исследования, ядерный магнитный резонанс — для диагностики, лазеры — для лечения болезней глаз, ядерное облучение — в онкологии, и тому подобное.
Основные теории
Хотя физика имеет дело с разнообразными системами, некоторые физические теории применимы в больших областях физики. Такие теории считаются в целом верными при дополнительных ограничениях. Например, классическая механика верна, если размеры исследуемых объектов намного больше размеров атомов, скорости существенно меньше скорости света, и гравитационные силы малы. Эти теории всё ещё активно исследуются; например, такой аспект классической механики, как теория хаоса был открыт только в XX веке. Они составляют основу для всех физических исследований.
| Теория | Основные разделы | Понятия |
|---|---|---|
| Классическая механика | Законы Ньютона — Лагранжева механика — Гамильтонова механика — Теория хаоса — Гидродинамика — Механика сплошных сред | Вещество — Пространство — Время — Энергия — Движение — Масса — Длина — Скорость — Сила — Мощность — Работа — Закон сохранения — Момент инерции — Угловой момент — Момент силы — Волна — Действие — Размерность |
| Электромагнетизм | Электростатика — Электричество — Магнитостатика — Магнетизм — Уравнения Максвелла — Электродинамика | Электрический заряд — Напряжение — Ток — Электрическое поле — Магнитное поле — Электромагнитное поле — Электромагнитное излучение |
| Термодинамика и Статистическая физика | Тепловая машина — Молекулярно-кинетическая теория | Температура — Постоянная Больцмана — Энтропия — Свободная энергия — Термодинамическое равновесие — Статистическая сумма — Микроканоническое распределение — Большое каноническое распределение |
| Квантовая механика | Уравнение Шрёдингера — Интеграл Фейнмана — Квантовая теория поля | Гамильтониан — Тождественные частицы — Постоянная Планка — Измерение — Квантовый осциллятор — Волновая функция — Нулевая энергия — Перенормировка |
| Теория относительности | Специальная теория относительности — Общая теория относительности | Принцип относительности — 4-вектор — Пространство-время — Скорость света — Тензор энергии-импульса — Кривизна пространства-времени — Чёрная дыра |
Разделы физики
Макроскопическая физика
- Механика
- Классическая механика
- Релятивистская механика
- Механика сплошных сред
- Гидродинамика
- Акустика
- Механика твердого тела
- Термодинамика
- Оптика
- Физическая оптика
- Кристаллооптика
- Молекулярная оптика
- Нелинейная оптика
- Электродинамика
- Электродинамика сплошных сред
- Магнитогидродинамика
- Электрогидродинамика
Микроскопическая физика
Схематическое изображение атомалития.
- Статистическая физика
- Статистическая механика
- Статистическая теория поля
- Физика конденсированных сред
- Физика твёрдого тела
- Физика жидкостей
- Физика атомов и молекул
- Физика наноструктур
- Квантовая физика
- Квантовая механика
- Квантовая теория поля
- Квантовая электродинамика
- Квантовая хромодинамика
- Теория струн
- Ядерная физика
- Физика гиперядер
- Физика высоких энергий
- Физика элементарных частиц
Разделы физики на стыке наук
- Агрофизика
- Акустооптика
- Астрофизика
- Биофизика
- Гидрофизика
- Геофизика
- Петрофизика
- Сейсмология
- Тектонофизика
- Космология
- Математическая физика
- Материаловедение
- Кристаллография
- Медицинская физика
- Метрология
- Радиофизика
- Техническая физика
- Теория колебаний
- Теория динамических систем
- Химическая физика
- Физика атмосферы
- Физика плазмы
- Физическая химия
Справка
- Единицы измерения физических величин
- Фундаментальные физические константы
- Олимпиадные задачи по физике
- История физики
Важнейшие журналы
Основная статья: Список физических журналов
Российские
- Успехи физических наук (УФН)
- Журнал экспериментальной и теоретической физики (ЖЭТФ)
- Письма в ЖЭТФ
- Теоретическая и математическая физика
Зарубежные
- Nature Physics
- Журналы Американского физического общества
- Physics — короткие обзорные статьи по результатам, опубликованным в других журналах общества.
- Reviews of Modern Physics (RMP) Публикует обзорные статьи по большим разделам физики
- Physical Review Letters (PRL) Наиболее престижный (после Nature и Science) журнал: короткие статьи по новейшим исследованиям
- Physical Review (A,B,C,D,E) Статьи разного формата, более подробные, но менее оперативно публикуемые, чем в Phys. Rev. Lett.
- Annals of Physics
- Physics — короткие обзорные статьи по результатам, опубликованным в других журналах общества.
- Журналы Американского института физики
- Physics Today
- Applied Physics Letters (APL)
- Journal of Applied Physics
- Европейские журналы
- Journal of Physics (A, B, C …)
- Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical
- Journal of Physics: Condensed Matter
- New Journal of Physics
- Physica (A, B, C …)
- Physica A
- Physics Letters A
- Europhysics Letters
- Zeitschrift für Physik Именно в этом журнале публиковались Эйнштейн, Гейзенберг, Планк…
- Nuovo cimento (A, B, C …)
- Foundations of Physics
- Journal of Physics (A, B, C …)
- Научно-популярные журналы
- Квант
- Physics World
А также архив препринтов arXiv. org, на котором статьи появляются гораздо раньше их появления в журналах и доступны для свободного скачивания.
См. также
- Физика в конспектах
- Физики шутят
- Общая физика
- Нерешённые проблемы современной физики
Ссылки
- Физика в Open Encyclopedia Project
- Статья в «Физической энциклопедии»
Коды в системах классификации знаний
- УДК 53
- Государственный рубрикатор научно-технической информации (ГРНТИ) (по состоянию на 2001 год): 29 ФИЗИКА
- Physics and Astronomy Classification Scheme® (PACS)
Примечания
- ↑ Физика — статья из Большой советской энциклопедии (3-е издание)
Литература
- Иванов Б. Н. Законы физики. Изд.3, М.:URSS, 2010 г., 368 с
Наука физика — опыты, квантовая механика, известные физики, интересные факты
Без нее вы не смогли бы прочитать этот текст, да и пересечь Землю по суше и воде. Без физика не было бы домов, пластмассы, удобств, коммунальных услуг и прочего, что требует точных расчетов и знания поведения тел в пространстве. Свет, радио, сеть, электричество — все это достижения физиков. К счастью, физика выходит далеко за пределы видимого мира: в макромир квантовой механики и в космос, в чудеса вселенной.
Самое обсуждаемое по теме Наука физика
Сегодня теория множественности миров является частью массовой культуры и постоянно присутствует в фильмах и сериалах. При этом Мультивселенная не выдумка фантастов – в ее основе лежат научные теории, описывающие устройство нашего мира. Наиболее популярной является теория инфляции, согласно которой Вселенная начала расширяться после Большого взрыва, а ее свойства объясняет структура и распределение галактик. Профессор Стэндфордского университета Андрей Линде является сторонником теории Мультиверса. Он отмечает, что наше понимание реальности неполное, а существование параллельных вселенных невозможно подтвердить экспериментально (по крайней мере пока). Но что, если посмотреть на Вселенную иначе, допустив существование всего одной альтернативной реальности – так называемой зеркальной Вселенной? Исследователи полагают, что с ее помощью можно разрешить кризис космологии. Но как? Давайте разбираться!
Читать далее
Из чего состоит реальность? Ответ на этот вопрос, вероятно, сокрыт в квантовой механике – разделе физики, который описывает Вселенную на уровне элементарных частиц и их взаимодействий друг с другом. Знакомство с квантовым миром следует начинать с фундаментальных безмассовых частиц – фотонов, которые способны вести себя и как частица и как волна (но не одновременно). Этот принцип известен как корпускулярно-волновой дуализм, а в его основе лежат идеи Исаака Ньютона. В ХХ веке их развитие представил физик-теоретик Макс Планк, а усилия Нильса Бора (еще одного основоположника квантовой механики) привели к постулированию принципа дополнительности, согласно которому решающим звеном наблюдаемой картины является наблюдатель. Если он измеряет свойства квантового объекта как частицы, то свет ведет себя как частица и наоборот. Но почему? И что поведение крохотных частиц говорит о нашей реальности?
Читать далее
Мы — часть Вселенной. И это не просто слова. Каждое живое существо на нашей планете состоит из крошечных, невидимых глазу элементарных частиц. То же касается всей видимой материи, которую астрономы наблюдают с помощью телескопов. К счастью, для изучения атомов не нужно отправляться в космическое путешествие – физики прекрасно справляются с этой задачей на Земле. Например, с помощью Большого адронного коллайдера (БАК) ускоряя частицы и дробя материю на атомы. Так, за последние годы мир узнал о существовании самых разных частиц – бозона Хиггса, тетракварков и энионов. Все эти частицы создают реальный мир и могут многое рассказать об устройстве Вселенной, например, о таинственной темной материи, увидеть которую никому не удалось. Недавно исследователи сообщили об открытии «кузена» бозона Хиггса, а также об аномалиях, предположительно вызванных стерильными нейтрино.
Читать далее
Мы воспринимаем время как стрелу, указывающую вперед. К тому же, пространство и время неразрывно связаны между с собой. Их дуэт проявляется в движении и развитии материи. Что же до главой силы во Вселенной, то гравитация искусно вплетает материальные объекты в ткань пространства-времени и дуэт превращается в трио. Общая теория относительности (ОТО) Эйнштейна удивительно точно описывает Вселенную. Но квантовая механика нарушает эту гармонию, ведь в мире субатомных частиц все устроено иначе. Две фундаментальные физические теории не согласуются друг с другом, что привело к кризису в современной физике. Но что, если взглянуть на ситуацию радикально по-другому? Существует ли вообще время? И если нет, то как тогда устроена Вселенная?
Читать далее
Что мы знаем о Вселенной, в которой живем? Чтобы хоть немного понять устройство окружающего мира, исследователи разработали мощные научные инструменты. Такие телескопы как Хаббл и Джеймс Уэбб, что начнет полноценную работу уже в июне 2022 года, в прямом смысле слова открыли нам глаза. Но изучать Вселенную можно и на Земле, например, с помощью ускорителей частиц. Ведь согласно физическим теориям, все вокруг нас (как и мы сами) состоит из невидимых глазу частиц, что работают по своим законам. Общая теория относительности Эйнштейна блестяще описывает нашу повседневную реальность, но когда речь заходит об элементарных частицах, ОТО не работает, а знаменитую Стандартную модель элементарных частиц все чаще называют неполной. Так, согласно результатам нового исследования, частица W—бозон, кажется на 0,1% тяжелее других. И если это действительно так, нас ожидает пересмотр самой успешной научной теории всех времен.
Читать далее
Одна из наиболее многообещающих попыток объяснить гравитацию – это попытка взглянуть на нее иначе, например, как на что-то вроде голограммы — трехмерного эффекта, который появляется на плоской двумерной поверхности. Идея заключается в том, что нам лишь кажется, что мы живем в трехмерной вселенной – на самом деле изменений может быть только два. Такой взгляд на мир называется голографическим принципом. Итак, представим, что некоторая удаленная двумерная поверхность содержит все данные, необходимые для полного описания нашего мира, и, как и в голограмме, эти данные проецируются в трех измерениях. Подобно персонажам на экране телевизора, мы живем на плоской поверхности, которая выглядит так, будто у нее есть глубина.
Читать далее
Гравитация является самой главной силой во Вселенной. Именно она удерживает планеты на орбите вокруг Солнца. Она же удерживает Луну на земной орбите и создает звезды и планеты, притягивая материал, из которого они состоят. Но что особенно интересно, так это способность гравитации притягивать свет. Этот принцип открыл Альберт Эйнштейн, описав гравитацию как кривую в пространстве – она огибает объект, например звезду или планету. И если поблизости находится другой объект, он также втягивается в кривую. Согласно Общей теории относительности (ОТО), время движется медленнее вблизи массивных объектов, так как их гравитационная сила изгибает пространство-время, которые неразрывно связаны. Это означает, что большие массы деформируют ткань пространства-времени своим огромным гравитационным влиянием. Недавно в научном журнале Nature вышла интересная статья. Ее авторы утверждают, что атомные часы, разделенные всего несколькими сантиметрами, измеряют разные скорости времени – как и предсказывал Эйнштейн.
Читать далее
Наша Вселенная – странное место. Судите сами: мы живем на шаре, который вращается вокруг обычной звезды (коих на просторах космоса не счесть), а наша галактика небольшая и по космическим меркам заурядная. Вокруг нас – бесконечная Вселенная, которая расширяется с ускорением. И чтобы хотя бы немного понять как устроен окружающий мир, мы придумали физику – науку, которая описывает земные и космические законы, то есть законы Природы. И если Общая теория относительности (ОТО) отлично применима для описания происходящего на Земле, то с космосом все не так просто. В 2010 году исследователи обнаружили, что законы физики на самом деле могут медленно меняться со временем, значительно усложняя наше понимание Вселенной. А недавно команда астрофизиков предложила еще один ответ на вопрос о том, различны ли законы физики в разных частях космоса.
Читать далее
Квантовая теория родилась в первой половине XX века. Среди ее создателей были Нильс Бор, Альберт Эйнштейн, Макс Планк, Вернер Гейзенберг, Эрвин Шредингер и другие, не менее выдающиеся ученые. Создание Стандартной модели элементарных частиц ознаменовало собой революцию в понимании Вселенной. Именно квантовая теория подарила миру лазеры, МРТ, ускорители частиц, компьютеры, интернет и ядерное оружие. Но что дальше? Некоторые физики полагают, что в ближайшие пять лет будут созданы устройства, которые до недавнего времени описывались лишь на страницах научно-фантастических романов. Дело в том, что любой скачок в области квантовых вычислений увеличивает потенциал технологии, способной выполнять вычисления и моделирование, выходящие за рамки современных суперкомпьютеров. Иными словами, мир готовится к квантовому будущему. И если квантовые технологии действительно изменят вычисления в том виде, в каком мы их знаем, то какое будущее нас ждет?
Читать далее
Отношения между Россией и США в очередной раз накалены до предела. Угрозы ввода санкций звучат практически ежедневно. Казалось бы, ничего нового. В условиях санкций Россия живет уже восемь лет. Но на этот раз ситуация более серьезная — Америка грозит прекратить поставки в Россию высокотехнологичного оборудования. Это не только смартфоны iPhone и процессоры Intel и AMD, но и прочая электроника, в которой используются чипы, выполненные по технологиям США. Следует понимать, что Америка лицензирует каждую свою разработку, в результате чего создать чип без применения американских технологий практически невозможно. Другими словами, после принятия санкций, поставки электронной продукции прекратят не только американский производители. Чем может ответить Россия в такой ситуации? Попросту обрушить производство полупроводников во всем мире. Дело в том, что Россия является основным поставщиком инертного газа неона и палладия, без которые используются для производства чипов.
Читать далее
физика | Определение, типы, темы, важность и факты
Модель давления газа Бернулли
Смотреть все СМИ
- Ключевые люди:
- Жерар Муру
Донна Стрикленд
Барри С. Бэриш
Валери Томас
Артур Эшкин
- Похожие темы:
- механика
оптика
квантовая механика
сила тяжести
космология
Просмотреть весь связанный контент →
Популярные вопросы
Что такое физика?
Физика — это область науки, изучающая структуру материи и то, как взаимодействуют фундаментальные составляющие Вселенной. Он изучает объекты, начиная от очень маленьких, используя квантовую механику, и заканчивая всей вселенной, используя общую теорию относительности.
Почему физика работает в единицах СИ?
Физики и другие ученые используют в своей работе Международную систему единиц (СИ), потому что они хотят использовать систему, принятую учеными всего мира. С 2019 годаединицы СИ были определены в терминах фундаментальных физических констант, а это означает, что ученые, где бы они ни использовали СИ, могут согласовать единицы, которые они используют для измерения физических явлений.
Сводка
Прочтите краткий обзор этой темы
физика , наука, изучающая структуру материи и взаимодействия между фундаментальными составляющими наблюдаемой вселенной. В самом широком смысле физика (от греческого physikos ) касается всех аспектов природы как на макроскопическом, так и на субмикроскопическом уровнях. Область его изучения охватывает не только поведение объектов под действием заданных сил, но и природу и происхождение гравитационных, электромагнитных и ядерных силовых полей. Его конечной целью является формулировка нескольких всеобъемлющих принципов, которые объединяют и объясняют все такие разрозненные явления.
Физика — основная физическая наука. До недавнего времени физика и естествознание взаимозаменяемо обозначали науку, целью которой является открытие и формулировка фундаментальных законов природы. По мере того как современные науки развивались и становились все более специализированными, физика стала обозначать ту часть физической науки, которая не включалась в астрономию, химию, геологию и инженерию. Физика, однако, играет важную роль во всех естественных науках, и во всех таких областях есть разделы, в которых физические законы и измерения получают особое внимание, носящие такие названия, как астрофизика, геофизика, биофизика и даже психофизика. Физику можно, по сути, определить как науку о материи, движении и энергии. Его законы обычно выражаются экономно и точно на языке математики.
Как эксперимент, наблюдение за явлениями в максимально точно контролируемых условиях, так и теория, формулирование единой концептуальной основы, играют существенную и взаимодополняющую роль в развитии физики. Физические эксперименты приводят к измерениям, которые сравниваются с результатом, предсказанным теорией. Говорят, что теория, которая надежно предсказывает результаты экспериментов, к которым она применима, воплощает закон физики. Однако закон всегда может быть изменен, заменен или ограничен более ограниченной областью, если более поздний эксперимент сделает это необходимым.
Конечной целью физики является поиск единого набора законов, управляющих материей, движением и энергией на малых (микроскопических) субатомных расстояниях, в человеческом (макроскопическом) масштабе повседневной жизни и на самых больших расстояниях (например, во внегалактическом масштабе). Эта амбициозная цель была достигнута в значительной степени. Хотя полностью единая теория физических явлений еще не создана (и, возможно, никогда не будет), кажется, что удивительно небольшой набор фундаментальных физических законов может объяснить все известные явления. Совокупность физики, разработанная примерно к началу 20-го века и известная как классическая физика, может в значительной степени объяснить движения макроскопических объектов, которые движутся медленно относительно скорости света, а также такие явления, как тепло, звук, электричество, магнетизм и свет. Современные разработки теории относительности и квантовой механики видоизменяют эти законы в той мере, в какой они применимы к более высоким скоростям, очень массивным объектам и к крошечным элементарным составляющим материи, таким как электроны, протоны и нейтроны.
Тест «Британника»
Физика и законы природы
Какая сила замедляет движение? Каждому действию есть равное и противоположное что? В этом викторине по физике нет ничего, что E = mc было бы квадратным.
Объем физики
Традиционно организованные разделы или области классической и современной физики описаны ниже.
Под механикой обычно понимается изучение движения объектов (или отсутствия их движения) под действием заданных сил. Классическую механику иногда считают разделом прикладной математики. Он состоит из кинематики, описания движения и динамики, изучения действия сил при создании либо движения, либо статического равновесия (последнее составляет науку о статике). Предметы 20-го века квантовой механики, имеющие решающее значение для изучения структуры материи, субатомных частиц, сверхтекучести, сверхпроводимости, нейтронных звезд и других важных явлений, и релятивистской механики, важной, когда скорости приближаются к скорости света, являются формами механики, которые будут будут обсуждаться далее в этом разделе.
Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подписаться сейчас
В классической механике законы изначально формулируются для точечных частиц, в которых не учитываются размеры, форма и другие внутренние свойства тел. Таким образом, в первом приближении даже такие большие объекты, как Земля и Солнце, рассматриваются как точечные, например, при расчете планетарного орбитального движения. В динамике твердого тела также учитываются протяженность тел и распределение их масс, но предполагается, что они не способны деформироваться. Механика деформируемых твердых тел — это упругость; гидростатика и гидродинамика рассматривают, соответственно, жидкости в состоянии покоя и в движении.
Три закона движения, сформулированные Исааком Ньютоном, составляют основу классической механики вместе с признанием того, что силы являются направленными величинами (векторами) и соответственно комбинируются. Первый закон, также называемый законом инерции, гласит, что, если на него не действует внешняя сила, покоящийся объект остается в покое или, если он движется, он продолжает двигаться по прямой линии с постоянной скоростью. Следовательно, равномерное движение не требует причины. Соответственно, механика сосредотачивается не на движении как таковом, а на изменении состояния движения объекта, которое является результатом действующей на него результирующей силы. Второй закон Ньютона приравнивает результирующую силу, действующую на объект, к скорости изменения его количества движения, которое является произведением массы тела на его скорость. Третий закон Ньютона, закон действия и противодействия, гласит, что при взаимодействии двух частиц силы, действующие друг на друга, равны по величине и противоположны по направлению. В совокупности эти законы механики в принципе позволяют определить будущие движения множества частиц, если известно их состояние движения в какой-то момент, а также силы, действующие между ними и на них извне. Из этого детерминированного характера законов классической механики в прошлом делались глубокие (и, вероятно, неверные) философские выводы, которые даже применялись к человеческой истории.
Лежащие на самом базовом уровне физики, законы механики характеризуются определенными свойствами симметрии, примером которых является вышеупомянутая симметрия между силами действия и противодействия. Другие симметрии, такие как инвариантность (т. е. неизменная форма) законов при отражениях и вращениях, совершаемых в пространстве, обращение времени или переход в другую часть пространства или в другую эпоху времени, присутствуют как в классических механике и в релятивистской механике, а с некоторыми ограничениями и в квантовой механике. Можно показать, что свойства симметрии теории имеют в качестве математических следствий основные принципы, известные как законы сохранения, которые утверждают постоянство во времени значений определенных физических величин при заданных условиях. Сохраняющиеся величины являются наиболее важными в физике; к ним относятся масса и энергия (в теории относительности масса и энергия эквивалентны и сохраняются вместе), импульс, угловой момент и электрический заряд.
Физика: наука о Вселенной и обо всем, что в ней
Наряду с химией и биологией, физика завершает тройку изначальных «точных» наук — тех, которые используют проверяемые предсказания и гипотезы, эксперименты, математику и моделирование, а не «мягкие» науки, которые используют более качественные данные и гораздо меньше полагаются на тестирование.
Что такое физика?
Все наши современные науки получили свои названия от древнегреческого. В случае с физикой это слово «физик», что переводится как «знание природы». Таким образом, физика означает изучение природы на ее самом базовом уровне — материи, поведения и движения, типов энергии, времени и пространства, а также их действий и взаимодействий 9.0039 (1) . Она прошла путь от неразрывной связи с химией и биологией и даже натурфилософией до эпохи Просвещения до того, чтобы стать самостоятельной крупной силой в научный век.
Это наука, посвященная пониманию того, как ведет себя наш мир и Вселенная и почему они делают то, что делают. Кажется, что каждое новое открытие в физике ставит больше вопросов, чем дает ответов, и открывает новые области исследований. Сегодня она пересекается со многими другими науками и оказала глубокое влияние на науки об окружающей среде, как и химия. Он также поддерживает физические науки, обеспечивая теоретическую основу, на которой он может основывать свои собственные предположения и основные теоретические модели.
Физика есть/есть:
- Рассчитано расстояние между Землей и телами за пределами нашей Солнечной системы, включая другие звезды в нашем поле зрения и другие галактики
- Рассчитал возраст нашего солнца и как долго мы можем разумно ожидать, что оно будет продолжать гореть
- жизненно важен для новых технологий, которые все мы используем каждый день, от технологии солнечных батарей до ветряных турбин, инженерного проектирования и создания новых сплавов и полимеров
- Ответственный за ядерную физику, которая дала нам ядерную энергию, и ядерную медицину, которая открыла новые возможности лечения таких вещей, как рак
Степень завершенной школьный диплом/Gedsome CollegeSosociate Degretbachelor для получения степени диплоктората
Желаемая дипломатическая дипломатическая дипломатическая дипломатическая дипломатическая программа по устойчивой программе по устойчивости по устойчивой программе.0003
Рекламный контент
История физики
В древности: Старый и Новый Свет
Физика начинается с древнейших цивилизаций и ограничивалась астрономией, хотя и не так, как мы понимаем ее сегодня. Древние египтяне, жители Месопотамии, греки и даже новые мировые цивилизации, такие как майя и ацтеки, имели сложное представление о звездах. Каждый из них исследовал небо, чтобы отслеживать и предсказывать движение солнца, луны и звездного поля, хотя в основном с целью отслеживания времен года и понимания вселенной на ее простейшем уровне. У них не было инструментов или понимания небес, чтобы полностью понять, но в некоторых случаях их математика была надежной и весьма замечательной. Каждая крупная цивилизация имела ту или иную форму поклонения солнцу или почитания, и некоторые из них были удивительно похожи, несмотря на отсутствие контактов 9.0039 (2) . Например, в древнегреческом мифе говорится, что бог солнца Гелиос каждую ночь водил по небу колесницу, в то время как у навахо есть поразительно похожее поверье, что их собственный бог Йохонаа’ей каждый день таскал солнце на своей спине (3) . Весь этот миф и фольклор, конечно, глубоко ненаучен. Но что он действительно сделал, так это заложил основу для физики, отметив — в мельчайших подробностях — как внеземные тела пересекали небо. Не было никакого объяснения траекториям кругов, которые они проделали в небе над нами, и не было никаких попыток объяснить это. Но эта информация использовалась для отслеживания сезонов и планирования древнего сельскохозяйственного года. Стоунхендж в Англии считается гигантским календарем; самые ранние известные структуры для отслеживания движения звезд в течение года находятся в Месопотамии (4) .
Древнегреческая натурфилософия
До того, как физика стала точной наукой со всеми ее поддисциплинами и тонкостями, подкрепленной математикой и практически любой другой наукой, она стала способом осмысления мира с помощью естественных средств. Эта естественная философия была очень полезна для протонауки. Явления больше не считались частью работы магии или сверхъестественных средств. Проще говоря, натурфилософия определила, что каждое событие, независимо от размера или значения, должно иметь естественное объяснение. Это был важный и фундаментальный отход от мистического или сверхъестественного взгляда на мир, хотя он и не был основан на экспериментах или наблюдениях, как позже стала наука физика. Эти ранние мыслители были Фалесом 9.0039 (5) , который создал натурфилософию и предположил, что сейсмологические события, такие как землетрясения, имели естественную причину (правильно), но предположил (ошибочно), что массивы суши были гигантскими плотами, которые реагировали на океанскую рябь, вызвавшую землетрясения.
Фалес также предположил, что вода является веществом, на котором построена вся материя. Он ошибался и в этом, но у Анаксимандра была другая идея. Он изобрел нечто, называемое материей «Апейрон», которая не имеет происхождения и безгранична и ответственна за создание вселенной и всего в ней, хотя и не по замыслу — это оставалось верой сверхъестественных существ и мистиков (6) . Это было скорее философское, чем научное наблюдение, и сегодня историки науки неоднократно спорят о том, что на самом деле имел в виду Анаксимандр. Он не теоретизировал атом — это произошло гораздо позже, — но некоторые проводили параллели с открытием водорода. У Гераклита мы имеем рождение концепции времени как текучей вещи. Ему не составило большого труда определить, что ничто никогда не остается неизменным и подвержено постоянным и бесконечным изменениям.
Но величайшим достижением этого века, вытекающим из натурфилософии, был атомизм. Хотя исследователям потребовалось почти 2000 лет, чтобы открыть атом, первая теория об этих крошечных частицах возникла в 5 веке до нашей эры в греческий период (7) . И Левкипп, и Демокрит основывались на теориях гораздо более раннего времени, а также на трудах древней долины Инда и китайских размышлениях по этому вопросу, но именно в этот век была сформулирована первая истинная теория, хотя и без наблюдений. Слово «атом» происходит от «атомос», что означает «неделимый», то есть их нельзя разбить. Теперь мы знаем, что идея о том, что атомы не могут быть расщеплены, ложна.
Средневековый мир
Примерно через 1000 лет после падения Западной Римской империи академические и интеллектуальные занятия вышли из моды отчасти из-за необходимости, а отчасти из-за строгого контроля средневековой церкви за вещами, выходящими за рамки учение. Средневековая Европа была временем небольшого исследования и небольшого интереса ко всем областям, которые сегодня входят в сферу науки физики. Однако церковь и многие другие учреждения сохранили такие работы из любопытства, если не из академических соображений, поэтому мы так много знаем о том, что большинство греческих и римских мыслителей думали о мире. Но то же самое было не так на исламском Ближнем Востоке. Они не только сохранили и приняли как западных, так и восточных мыслителей, но и опирались на их знания. Он считается золотым веком ислама, и в это время было сделано много открытий в области естественных наук.
Но было бы ошибкой сказать, что христианская Европа была интеллектуально бедной до эпохи Возрождения. Галилей Галилей был одним из первых астрономов в мире, но его идеи не были полностью его собственными — он черпал вдохновение для критики подхода Аристотеля и древнего мира к физике в образе Иоанна Филопона, византийского ученого 6 века. который поставил под сомнение многие более ранние утверждения. Филопон редок тем, что основывал свое понимание физического мира на наблюдении. Он оказал влияние на более поздних исламских мыслителей (8) до и во время падения Восточной Римской империи (или Византии). Этот Исламский Золотой Век положил начало Веку Разума. Это был век оптики; Ибн аль-Хайтам написал «Книгу оптики» , в которой был не только последний гвоздь в крышку гроба древних представлений об оптике, но и изобретение камеры-обскуры (9) . Среди других оптических физиков этого века Аль-Фариси, Аль-Кинди (отец арабской философии), Ибн Сахл и человек, считающийся величайшим исламским ученым всех времен — Авиценна — отец современной медицины, но также и астроном.
Европейский Ренессанс, который, по мнению многих, стал возможен благодаря бегству восточных мыслителей из рухнувшей цивилизации Византии в Западную Европу, забрал многие из древних и более поздних работ из исламского мира, которые торговали своими знаниями с последний оплот Римской империи. Скоро наступит время классической физики, но до Просвещения и современной науки еще далеко.
НАЙТИ ШКОЛЫ
Рекламный контент
Классическая физика
Период развития физики от Ренессанса до Просвещения и примерно до 1900 года известен как «Классическая физика». Сегодня она отделена от современной физики, потому что в некотором роде она была ошибочной (10) . Однако переход к классической физике примечателен заметным переходом от философии и теории, основанной на интуиции, к наблюдению и экспериментированию. Появление оптических инструментов, таких как микроскоп и телескоп, позволило открыть атом, бросить вызов представлению о том, что Земля является не только центром Солнечной системы, но и центром Вселенной, и определить гравитацию. Это эпоха Коперника, сформулировавшего гелиоцентрическую модель Солнечной системы, Иоганна Кеплера, сформулировавшего законы, определяющие движение планетарных тел, Галилея, чья поразительная работа по созданию телескопов укрепила коперниканский взгляд на Солнечную систему, Исаака Ньютона, установившего всеобщую законы движения и гравитации. Наряду со всем этим произошли важные изменения в математике. Исаак Ньютон также был ответственен за изобретение исчисления 9.0039 (11) , что позволило физике приступить к решению некоторых из ее сложнейших задач.
Изменения начала 19 го века, которые привели к промышленной революции, были частично основаны на инженерном прогрессе, подпитываемом достижениями в физике. Если бы физика не стала солидной наукой в 18 -м -19 -м -м веках, возможно, у нас не было бы двигателя внутреннего сгорания и использования ископаемого топлива (12), новых разработок в металлургии и строительстве зданий и многого другого. что подтолкнуло к индустриализации. Это был также век электричества и лампочки — великий век изобретений. Но, несмотря на все эти изобретения и прикладную физику, классическая физика не могла все объяснить. На самом деле он упал на некоторых сложных участках и к моменту 20 9 г.Наступил 0131-й -й век, многие его недостатки и ограничения уже были под пристальным вниманием. Главной проблемой была его вера в константы и предсказуемость, что было понятно в эпоху Просвещения, потому что наука основана на предсказуемости. Но физика и окружающие ее законы не неизменны (10) . Потребовалось бы признание этих недостатков, чтобы развить несколько подполей в 20 веке.
Современная физика
Как отмечалось выше, классическая физика, несмотря на ее использование, имеет несколько фундаментальных недостатков. 20 -й -й век был началом современной физики, которая включала в себя множество открытий и теорий и дала жизнь некоторым из наших самых знаменитых ученых, таких как Мария Кюри (за ее работу с радиоизотопами), ее дочь Ирен (открывшая искусственную радиоактивность), Макс Планк (начавший разрабатывать квантовую теорию), Вера Рубин (открывшая темную материю), Альберт Эйнштейн (совершивший революцию в физике своей теорией относительности, решившей и исправившей несколько проблем, мучивших физиков в течение нескольких поколений) и профессор Стивен Хокинг в течение многих лет. ряд открытий, решенных парадоксов и сложных теорий, особенно тех, которые относятся к природе черных дыр (13) . Это также век освоения космоса, расчета размеров нашей Солнечной системы и расстояний до ближайших звезд и других галактик. Благодаря математическим измерениям и физике мы смогли подсчитать, что размер видимой Вселенной составляет около 200 миллиардов галактик. Его даже использовали, чтобы попытаться рассчитать потенциальное количество цивилизаций во Вселенной. В нем, известном как уравнение Дрейка, используется математическое моделирование, основанное на том, что мы знаем о физических аспектах солнечных систем, количестве планет и относительном размере «Зоны Златовласки».0039 (14) .
Квантовая теория уступила место квантовой механике, одной из самых сложных наук для понимания непрофессионалом. Ее первыми пионерами были Поль Дирак, Вернер Гейзенберг и Эрвин Шредингер, и сегодня она остается сложной наукой. В начале 20 -го -го века было проведено множество сложных экспериментов во многих областях физики, в том числе открытие бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере (15) в ЦЕРН, крупнейшем в мире ускорителе частиц. Но физика никогда не была о сложном и возвышенном — она тоже о повседневности. Она лежит в основе инженерии и многих других наук. Это имеет фундаментальное значение для наук о Земле, таких как метеорология, и имеет жизненно важное значение для нашего понимания самой насущной проблемы этого поколения — изменения климата.
Как физика применяется в науке об окружающей среде
Никакая другая наука не может уйти от физики (или химии), потому что вся материя состоит из молекул. Поскольку физика изучает то, как материя действует и реагирует на различные воздействия и аспекты мира и вселенной, физика имеет огромное значение для наук об окружающей среде.
Изменение климата : Хотя немногие физики намеренно стремятся стать климатологами, многие сегодня работают над некоторыми фундаментальными проблемами, вызванными изменением климата, и изучают возможные решения (16) . Физика нашей окружающей среды, атмосфера и океан, циклическая система (18) повышение температуры определяют ряд вещей, таких как движение жидкости в водных системах, таких как колебания океана, и то, как окружающая среда будет реагировать на изменения химического состава атмосферы. Физика покажет, как изменится климат, и каковы долгосрочные последствия для наземной и водной экологии.
Возобновляемая энергия : Вклад физики в науку об окружающей среде продемонстрирован не лучше, чем в развитии возобновляемой энергии. Например, солнечные панели и солнечные батареи преобразуют свет (для панелей) и тепло (для батарей) в электричество с помощью химических процессов, которые мы определили с помощью физики 9.0039 (17) . Кроме того, физика сыграла фундаментальную роль в разработке турбин — науки, лежащей в основе ветряных электростанций, которые также вырабатывают электроэнергию. Наконец, физику можно использовать для расчета количества энергии, производимой при переработке и сжигании биотоплива так же, как это делается для ископаемого топлива.
СВЯЗАННЫЕ : Интернет-мастера по энергетической политике и климату
Загрязнение и здоровье человека : Подобно изменению климата, физика является ключом к пониманию явлений и распространения загрязнения воздуха. Это имеет огромное значение для общественного здравоохранения, а также для масштабов и серьезности определенных состояний, от астмы до рака легких 9.0039 (18) . Физики и физики измеряют загрязнители воздуха, предлагают и разрабатывают методы их снижения, а также исследуют небезопасный уровень. Они также участвуют вместе с химиками в решении проблемы.
Спутниковые технологии : Без спутников мы бы не знали о нашей планете столько, сколько знали бы (16) . Физика лежит в основе ракет, используемых для отправки спутников в космос. Даже полет зависит от физики и необходимого соотношения между скоростью и подъемной силой. Во-вторых, физика изображения/фотографии позволяет нам получать изображения, улавливая световые волны и создавая изображение для изучения учеными-экологами, а также передавать данные с воздушных спутников в планетарные компьютерные системы. Это касается тепловидения и других типов, которые позволили нам составить карту нашего мира и метеорологических явлений.
Сейсмология : Понимание физики также играет центральную роль в прогнозировании и измерении сейсмологической активности и, конечно же, в подготовке к такому экологическому бедствию, как землетрясение или извержение вулкана (18) . Когда земля движется, она создает рябь на земле. Землетрясения, происходящие в море, создают рябь на воде, вызывающую цунами. Одна из самых страшных сейсмологических катастроф современности произошла на Рождество 2004 года, когда землетрясение под океаном вызвало мощное цунами, унесшее жизни около 250 000 человек. Физика может предсказать, основываясь на масштабах сейсмологической активности, воздействие такой активности на сушу и океан.
Поддисциплины физики
Как и другие точные науки, физику можно разделить на две большие группы: прикладную физику и теоретическую физику. Последний занимается разработкой теорий о том, как может функционировать Вселенная или любые атомы или молекулы в ней. Прикладная физика — это практическое использование материалов, обычно используемых в инженерных проектах. С каждым новым открытием, новой наукой и новой технологией у физики всегда будут проблемы, которые нужно понять и проанализировать.
Акустика
Наука о звуке и изучение звуковых волн известна как «акустика» (19) . Это и теоретическая, и прикладная наука. Например, в концертных залах и театрах важно спроектировать архитектуру таким образом, чтобы она наилучшим образом использовала звук, позволяла ему распространяться далеко и направлять шум без слишком большой обратной связи или эха. По той же причине он с большим успехом использовался и в современных церквях. Несмотря на то, что звук невидим, он возникает в виде волн, исходящих из центральной точки. Они представляют собой реверберацию воздушных частиц, реагирующих на звук. Это касается не только музыки или архитектуры. В науку об акустике входят и другие аспекты звукорежиссуры — создание звука и управление звуком (редукция). Другие области применения включают SONAR, используемый гражданскими и военными судами для обнаружения аномалий в море и под водой, медицинское использование с ультразвуковым сканированием и даже сейсмологию.
Астрономия
Астрономия — одна из старейших форм современной физики, существовавшая задолго до того, как физика стала наукой. На протяжении большей части письменной истории и даже раньше люди интересовались звездами, их относительным положением и использовали их для отслеживания времен года. Звезды и планеты вдохновляли воображение и лежат в основе некоторых из наших самых устойчивых мифов. Но астрономия сегодня совсем другая. Это изучение объектов в небе (луны, планеты, кометы, астероиды, звезды, галактики, черные дыры) — их движение и движение, положение относительно нашей планеты, звезды или галактики, химия и состав, а также математические принципы. Когда-то это было связано с астрологией, но сегодня это мистицизм, и, несмотря на рассмотрение положения астрологических тел, это не наука (20) .
Астрофизика
Часто используется взаимозаменяемо с астрономией, между астрономией и астрофизикой есть несколько ключевых различий, хотя специалисты этих двух групп очень часто работают вместе над одними и теми же проектами. Основное различие между астрономией и астрофизикой состоит в том, что первая касается измерений, расстояний, движения и взаимосвязей. Последний использовал физические принципы и математические измерения для понимания этих взаимосвязей — притяжения и отталкивания, гравитации, горения внутри звезд и других физических принципов 9.0039 (21) . Однако астрофизики должны понимать астрономию, чтобы понять, почему внеземные тела имеют такие отношения, и астрономы используют данные астрофизики для предсказания или построения траекторий.
Атомная физика
Атомы образуют всю материю — органическую и неорганическую, и являются строительными блоками материала во всей известной Вселенной. Поэтому работа атомной физики заключается в изучении атомов (22) . Они рассмотрят такие элементы, как количество электронов, их изменение в ответ на раздражители и структуру электронного облака. Хотя считается, что многие люди, работающие в этой области, занимаются производством ядерной энергии и ядерным оружием, это слишком узкий и простой взгляд на атомную физику; ядерная физика является одной из областей атомной физики и во многих отношениях совершенно от нее отделена. В последние десятилетия он установил более тесные связи с квантовой механикой, поскольку исследования в этой области развивались и продемонстрировали дальнейшие применения.
Биофизика
Физические науки используют математику для понимания и объяснения природы, тогда как биологические науки хотят понять, как будет функционировать биологическая система. Это пересекающиеся области, и биофизика — это раздел, предназначенный для преодоления разрыва между биологией и физикой, это теоретическая основа и прикладная наука, которая использует физику для понимания биологических систем. Типичным примером является понимание физической механики того, как создается молекула, различные части клетки или организма работают на физическом уровне, включая неврологическую систему, включая электрические импульсы, передаваемые между мозгом и органами, иммунную систему и другие структуры. Он использует принципы математики и химии, а также биологии и физики (23) .
Теория хаоса
Это область физики и математики, изучающая поведение систем (24) , их чувствительность даже к незначительным изменениям и то, как они реагируют на эти изменения. Это междисциплинарный теоретический подход, который может применяться практически к любой другой науке. Его основная философия заключается в том, что, несмотря на кажущуюся случайность, существуют системы и закономерности, поддерживающие равновесие. Любое изменение, каким бы малым оно ни было, может оказать глубокое влияние на все в целом — это называется эффектом бабочки: идея о том, что взмах крыльев бабочки в одном географическом месте может привести к тому, что погодные системы появятся на другой стороне планеты. Теория может позволить нам предсказывать погодные условия, но это также основная причина, по которой метеорологи могут ошибаться — незначительные колебания могут изменить направление погодного фронта.
Химическая физика
Между физикой и химией больше связей, чем атомов. Химическая физика объединяет обе науки и включает в себя такие общие области, как атомная, молекулярная физика и химия твердого тела. Это общий термин для всего, что имеет взаимный интерес к химии и физике, но не включает физическую химию, которая является родственной, но немного отличающейся субдисциплиной и скорее отраслью химии, чем физики. Химическая физика изучает химические реакции веществ с помощью прикладной атомной физики. Его интересуют электроны, ядра, атомы и молекулы. Физическая химия изучает физическую природу химии, химических молекул и соединений.
Вычислительная физика
Вычислительная физика, связанная с математической физикой, представляет собой использование мощных математических и других моделей для проверки физики и других теорий с физической точки зрения. Это одна из старейших дисциплин физики, использующая информационные технологии (25). Многие спорят, является ли он теоретическим или прикладным, поскольку он берет теории и проверяет их. Тем не менее, это также практическое использование при сборе данных из физических источников. Программа SETI использует вычислительную физику для поиска признаков внеземной жизни, отфильтровывая естественный фоновый шум. Событие, известное как «Вау-сигнал», использовало вычислительный сбор и фильтрацию с большим эффектом (26) . К сожалению, это никогда не было воспроизведено, и хотя наш лучший шанс обнаружить внеземную жизнь потребует мощных вычислений, мы еще не достигли этого.
НАЙТИ ШКОЛЫ
Рекламный контент
Космология
Возможно, это та дисциплина, которой была физика до того, как стала физикой как наукой. Космология связана с астрономией и астрофизикой, но вместо того, чтобы рассматривать математические вероятности, физическую структуру, движение, взаимосвязи, гравитацию и т. д., она рассматривает все эти данные в качестве доказательства формирования Вселенной, прослеживая ее эволюционную историю вплоть до Большого Взрыв и те драгоценные секунды после образования Вселенной. Он также стремится выяснить, когда придет конец Вселенной и что будет дальше. Проще говоря, это изучение Вселенной в максимально возможном масштабе. Это область физики и астрономии, занимающаяся теорией струн и суперструн, темной материей и энергией, а также теориями, касающимися возможности мультивселенной.0039 (27) .
Криофизика/Криогеника
Температура является важным фактором, влияющим на физический материал. Жидкое вещество становится твердым при достаточном охлаждении и газообразном при достаточном нагреве. Простой физический эффект заключается в замедлении и уплотнении физического материала. Криофизика и криогеника выходят за рамки простого изучения температуры — это изучение эффектов чрезвычайно низких температур, обычно работающих по шкале Кельвина, а не по шкале Цельсия или Фаренгейта. В популярной науке криогеника — это вера в то, что человеческое тело можно искусственно снизить до этих температур, чтобы сохранить органический материал и предотвратить естественное разложение. Но криофизика и криогеника — это гораздо больше, чем сохранение органического вещества — это изучение свойств и воздействия как на органическое, так и на неорганическое вещество.
Кристаллография
Кристаллические твердые тела имеют интересную молекулярную связь, которая отличается от любой другой материи. Хотя анализ структуры физического материала не уникален в кристаллографии, то, как такие материалы, как алмаз, функционируют и сочетаются друг с другом, может помочь нам понять другую материю (28) . Наука выросла в результате открытия лазера и его многочисленных промышленных, исследовательских и медицинских применений. Сегодня он имеет множество применений в биомедицинских исследованиях, химии, физике, а также в областях, которые мы никогда не осознавали, таких как генетика и лечение таких заболеваний, как рак, и все потому, что мы можем производить инструменты с высокой точностью и использовать уникальную структуру кристаллов.
Эконофизика
Если бы две науки никогда не шли вместе, то этими отраслями были бы физика и экономика. Тем не менее, оба используют математику в своей основе. Эконофизика — это использование физических принципов, особенно математических по своей природе, включая статистику (29) , статистическую вероятность, стохастические процессы (вероятность и случайность) и даже теорию хаоса (см. выше) применительно к непредсказуемым задачам. На самом деле использование физики и системы моделирования восходит к рождению классического либерализма и того метода экономической науки, который возник во время промышленной революции. Это допускает нестатическую систему в экономике, подверженную иррациональным мыслям и действиям со стороны элементов (то есть людей) и их способности влиять на спрос и цену.
Электроника
«Электроника» в 21 м веке обычно относится к таким устройствам, как телевизоры и смартфоны. Электроника — это не сами устройства, а наука, которая делает их возможными. Это раздел физики, который исследует все элементы разработки устройств, использующих электричество, но также изучает свойства электронов при работе в вакууме, через газы или влияние и воздействие проводящего материала. Он касается элементов электронного устройства, включая передачу и хранение данных, тепло, транзисторы, светодиоды и другие диоды, схемы и печатные платы, а также технологии, предназначенные для их подключения. Основной задачей электроники в настоящее время является дальнейшее увеличение функциональности при одновременном снижении энергопотребления.
Электромагнетизм
Эта область физики изучает электромагнитные взаимодействия. Это взаимодействие, которое происходит между электрически заряженными частицами, создавая электромагнитные, электрические и магнитные поля и свет. Это одна из четырех широких «сил» в физическом мире (30) . Электромагнетизм может проявляться по-разному, одним из наиболее распространенных является молния, но это не единственный пример. Электромагнетизм жизненно важен как для органических, так и для неорганических объектов и их функций. Электричество и магнетизм долгое время считались двумя отдельными, но взаимодополняющими силами, но теперь мы знаем, что они связаны и являются частью одного и того же, поэтому и требуется эта субдисциплина — изучение причин и следствий электромагнетизма в повседневном использовании.
Гидромеханика
Гидромеханика — это прикладная область физики, изучающая движения и свойства веществ в жидком состоянии — плазмы, жидкостей и газов. Он разбит на две области: гидродинамика и гидростатика. Гидродинамика не ограничивается физикой, но включается в любую науку, которая имеет профессиональный интерес к движению перечисленных здесь жидкостей. Типичные приложения включают изучение звездообразования (астрономия), колебаний и воздействий океана (метеорология и наука об окружающей среде), того, как ветряные турбины работают и могут использовать энергию ветра (экологическая инженерия), сейсмологической активности. Он даже имеет медицинское применение при изучении функций крови в системе кровообращения 9.0039 (31) . Жидкостная статика — это исследование жидких веществ, когда они не находятся в движении.
Геофизика
Частично наука об окружающей среде, частично инженерия и частично физика, геофизика имеет огромное значение и используется в других областях. Он используется в археологии, антропологии, геологии и палеонтологии для обнаружения захороненных останков. Он используется для создания карт объектов на малых и больших территориях. Но по своей сути геофизика представляет собой описание топографии и особенностей недр как физической географии, их физических свойств и эффектов на основе трехмерных моделей (32) . Возможно, у этой технологии не так много применений в прикладной физике, но она имеет широкое и потенциально безграничное применение в других областях. Но как это работает? Он измеряет форму Земли, магнитные и гравитационные поля, геологический состав, топографические особенности и структуры, а также всю связанную с ними динамику. Хотя он ищет твердо захороненные останки как аномалии, его также можно использовать для изучения круговорота воды.
Лазерная физика
Лазерная физика, также известная как наука о лазерах (33) , это изучение деятельности, приложений, свойств и природы лазеров. Лазер (усиление света за счет стимулированного излучения) представляет собой интенсивный пучок электромагнитного света с одной длиной волны или цветом спектра. В нем используется квантовая электроника и конструкция оптического резонатора, а также разработка технологий и носителей для использования лазера (например, Blu-Ray). диски, использующие синий лазер для считывания хранящихся на нем данных). Существуют также промышленные применения, такие как прецизионная лазерная резка, и медицинские применения, такие как разрушение мягких тканей; совсем недавно лазерная хирургия глаза использовалась для исправления дефекта зрения.
Математическая физика
Это одна из теоретических областей физики, которая направлена на прикладную математику для решения некоторых из самых больших головоломок и проблем, существующих в физике (34) , а также прикладных исследований, использующих математику в качестве основного инструмента. Некоторые из проблем, в которых использовалась математическая физика, включают расчет размера нашей галактики путем точного определения звезд внутри нее и определения расстояний. Вопросы, касающиеся поиска внеземной жизни, привели к «уравнению Дрейка» (математическая модель), которая рассматривает возможность существования разумной жизни на других растениях. Это подогрело интерес к этой области и стимулировало программу SETI. Также используются в статистической вероятности,
Механика
Также известная как «классическая механика», она объясняет, как движутся объекты — как искусственные, так и естественные. Следовательно, она касается движения и гравитационных воздействий звезд на планеты, а также изучает движение самолетов, машин, отдельных частей и всего, что движется (35) . Когда объект понят, можно предсказать его будущие и прошлые движения. Это столько же математика, сколько и физика, и в значительной степени заслуга сэра Исаака Ньютона, который определил возможность движения объектов на основе силы. Но он остается актуальным и сегодня, среди прочего, в аэрокосмической технике; причина, по которой ему дали новое название, заключалась в его ограничениях в других местах и новых отраслях науки, которые развились вслед за более поздними уравнениями Эйнштейна.
Медицинская физика
Медицинская наука представляет собой междисциплинарный подход, одну из самых важных наук в современном мире и одну из областей, которые больше всего выиграли от медицинских приложений. Медицинская физика — это любое применение физики в медицинском мире. Это может включать ядерную медицину для лечения рака и других новообразований, ультразвук для сканирования внутренних органов для измерения опухолей или проверки развития плода, рентгенологию, такую как рентген, а также использование как теории, так и практической физики (36) . Его также можно использовать для разработки и внедрения новых медицинских технологий лечения и сканирования.
Метеорология
Хотя метеорология в значительной степени является наукой о Земле, она основана на прочном фундаменте физических принципов. Погодные системы, погодные фронты и возникающие в результате явления вызваны физическим движением планеты, которое, в свою очередь, влияет на приливы, направление ветра, скорость, давление и все другие элементы, которые приводят к определенным погодным явлениям (37) . Это также важно для построения графиков и прогнозирования последствий изменения климата. Химический дисбаланс, уровень воды, колебания и движение воздуха и воды — все это может оказывать сильное влияние на метеорологические явления — повседневную погоду, но также и экстремальные осадки (засухи и наводнения), волны тепла, периоды холода и так далее.
Молекулярная физика
Изучение физических свойств молекул (состоящих из атомов), химических связей между атомами, образующих молекулы, и молекулярной динамики известно как «молекулярная физика» (38) . Он тесно связан с несколькими областями химии, а также с другими областями физики, поскольку молекулы лежат в основе многих вещей в физическом мире. Он исследует взаимодействия между молекулами и то, как создаются и разрываются связи. Это фундаментально для понимания самых основных процессов во Вселенной и изобилия элементов.
Нанотехнологии/Нанофизика
Это научно-технические разработки сверхмалых объектов, которые можно увидеть только под микроскопом (39) . Несмотря на то, что это инженерная «проблема» или технологический прогресс, потенциал микроскопических машин должен будет использовать физику и физические свойства устройств для предоставления новых медицинских технологий, работы в опасных средах, таких как обращение с химическими веществами, восстановление окружающей среды и множество других областей. . Наука касается способности управлять отдельными атомами, а также создавать и управлять небольшими машинами. Считается, что манипулирование отдельными атомами может дать ключи к открытию Вселенной и стать следующим большим шагом в эволюции физики как науки.
Ядерная физика
Ядерная физика вызывает в воображении идеи ядерных бомб и ядерной энергии, но все гораздо проще. Атомная физика занимается физикой атомов, включая электроны каждого атома, но те, кто занимается ядерной физикой, изучают только ядра атомов, их состав и то, как они действуют и реагируют (40) . Именно стремление расщепить атом и использовать его энергию привело к ядерным технологиям — бомбе и энергетике, а также ядерной медицине и магнитно-резонансным изображениям (МРТ), которые по-разному используют ядерные технологии. Это также позволило использовать радиоуглеродное датирование, сельскохозяйственные изотопы и разработки в области техники и химии. Ожидается, что он обеспечит будущие разработки в области транспорта и производства энергии по мере того, как мир отходит от нефти.
Оптика
Оптика, также известная как «физика света», изучает свойства, происхождение, действие и взаимодействие света и связанных с ним частиц. Свет не имеет массы (41) , так как состоит из фотонов, не имеющих массы. Тем не менее, у них есть энергия и импульс. В настоящее время известно, что скорость света является самой высокой из возможных скоростей, хотя писатели-фантасты и физики десятилетиями спорили о том, можно ли путешествовать быстрее этой скорости. Это также изучение зрения, потому что свет, проникающий в наши глаза, интерпретирует световые узоры, которые позволяют животным, которые могут видеть, делать это.
Физика элементарных частиц
Тесно связанная с ядерной физикой (см. выше), из которой она возникла, физика элементарных частиц отличается тем, что изучает эффекты, материю и излучение всех частиц, а не только атомных ядер. Сюда входят мельчайшие из всех частиц, намного меньшие, чем атом, такие как кварки, лептоны, фотоны и так далее. Современная физика элементарных частиц исследует «Стандартную модель» фундаментальных частиц и полей, а также более новые недавние частицы, такие как бозон Хиггса, открытый в начале этого десятилетия в ЦЕРН 9.0039 (42) .
Фотоника
Хотя некоторые ученые включают фотонику в поддисциплину оптики (физика света — см. выше), другие утверждают, что фотоника — это немного другая дисциплина. В зависимости от того, кого вы спросите, это может означать применение света, в то время как оптика — это теория. Другие воспринимают разницу как разницу между классической физикой (оптика) и квантовой физикой (для фотоники), что делает фотонику субдисциплиной, а оптику — субдисциплиной. Однако согласованной терминологии не существует, и они могут использоваться взаимозаменяемо (43) .
Физика плазмы
В физике существует четыре состояния материалов: газ, жидкость и твердое тело — три наиболее известных за пределами науки, четвертое — плазма (44) . В отличие от трех других, переменной для его создания является не температура, а добавление энергии, чтобы разрушить электроны и зарядить их отрицательно (так называемая ионизация). Это также придает плазме новые свойства; он продемонстрирует сильную реакцию на электрические и магнитные помехи. Плазма встречается в природе и, согласно исследованиям, может представлять до 99% всего материала во Вселенной. Физика плазмы — это изучение плазмы, ее свойств и действий при определенном давлении.
Квантовая физика
Общий термин для всего, что относится к квантовой физике, а не к классической, то есть к мельчайшим частицам, намного меньшим, чем атомы. Это широкая ветвь, которая охватывает следующие области.
Квантовая электродинамика
Кузен классической электродинамики (45) , квантовая электродинамика (или сокращенно КЭД) объясняет взаимодействие между материей и светом. Это также первая квантовая теория, в которой существует универсальное согласие между специальной теорией относительности и квантовой механикой. Он математически описывает явления и взаимодействия, связанные с электрически заряженными частицами и их фотонным обменом. По сути, он визуализирует этот обмен как силу — войти, обменяться и выйти, как описано Ричардом Фейнманом в одной из его многочисленных диаграмм.
Квантовая гравитация
Гравитация была и остается одной из самых сложных теорий, озадачивающих физиков. Квантовая гравитация — это теоретическая основа, основанная на принципах квантовой механики. В первую очередь это касается астрофизики и сильного гравитационного воздействия внеземных тел друг на друга.
Квантовая теория поля
Это область теоретической физики, в которой исследователи строят модели для квантово-механических моделей субатомных частиц для области физики элементарных частиц и делают то же самое для квазичастиц для области физики конденсированного состояния (46) . Это структура, набор теорий, математических моделей и инструментов, объединяющих специальную теорию относительности, классическую физику и аспекты квантовой механики. Сегодня это эффективная теория поля, но когда-то она считалась «фундаментальной», поскольку ее понижение означало определенные неудачи в рамках общей теории относительности.
Квантовая оптика
Сегодня оптика является одной из лучших областей для изучения квантовой механики (47) как с помощью классической, так и квантовой теории. Он касается квантовых аспектов света — действия и взаимодействия, обнаружения света и его свойств посредством изучения и теории фотонов.
Физика твердого тела
В то время как гидродинамика связана с жидким веществом (жидкостью, газом, плазмой), твердое тело касается материалов в твердой форме. Он охватывает как классическую, так и квантовую физику, кристаллографию, поскольку кристаллы являются одним из самых интересных продаваемых веществ (см. выше), и многие другие подобласти. Он исследует, как свойства твердых материалов в более крупном масштабе вызываются свойствами атомного масштаба, и представляет собой междисциплинарную науку, объединяющую физику с материаловедением и работающую над такими взаимными интересами, как сопротивление и проводимость 9.0039 (48) .
Термодинамика
Термодинамика, наиболее известная своими законами, касается взаимосвязи между приложениями тепла и энергии. В частности, он рассматривает, как энергия создается из температуры, а также ее атрибуты и приложения. Энергия создается или изменяется, когда тепло воздействует на что-то (49) . Например, кипячение кастрюли или чайника увеличивает скорость движения воды до тех пор, пока она не достигнет того, что мы называем «точкой кипения». Как только это происходит, жидкая вода превращается в пар, поскольку приложенное повышение температуры разрывает связи между молекулами. Это также касается переноса тепла и энергии, энтропии (отходы тепла, приводящие к потере энергии из замкнутой системы), цикла Карно и закона охлаждения. Есть четыре закона термодинамики, а именно:
- Нулевой закон : когда два тела находятся в тепловом равновесии с третьим телом, в результате они находятся в равновесии друг с другом
- Первый закон : Увеличение энергии системы равно увеличению тепловой энергии; дополнительная работа, выполненная в системе
- Второй закон : Тепловая энергия не может передаваться от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой без дополнительной энергии
- Третий закон : Энтропия (отходы энергии) равна нулю в кристалле при температуре абсолютного нуля
НАЙТИ ШКОЛЫ
Рекламный контент
Будущие вызовы и возможности для физики
Физика всегда будет нужна, поскольку она так важна для всех других наук — химии, биологии, технологии, инженерии и так далее. В то время как некоторые науки спорят о том, достигли ли они пределов вопросов, которые они могут задать, физика только ставит больше вопросов с каждым ответом. Это будущие задачи физики.
Каков истинный размер Вселенной?
Наша галактика имеет диаметр около 100 000 световых лет. Мы всего лишь одна из примерно 2 триллионов известных галактик (50) в наблюдаемой вселенной , лишь небольшую часть которых мы можем наблюдать в настоящее время. Здесь важна «наблюдаемая» часть — кроме того, мы не знаем, сколько еще существует галактик. Мы смогли увидеть эти галактики с помощью оптики и измерения световых волн. Что происходит за пределами этого диапазона? Если мы можем «всего» увидеть 2 триллиона, поместив нашу галактику в центр этой узкой полосы, мы должны задаться вопросом, сколько еще во Вселенной мы не можем увидеть, потому что световые волны от этих галактик еще не достигли нас и, возможно, не достигнут. так в течение тысяч или даже миллионов лет.
Понимание Солнца
Звезда в центре нашей Солнечной системы остается во многом загадочной. Можно с уверенностью сказать, что он находится примерно на полпути своей жизни. Мы также знаем его окончательную судьбу, основываясь на действиях подобных наблюдаемых звезд во Вселенной. Но в ней еще так много того, чего мы не понимаем — например, свойства и скорости солнечного ветра, для которых обычные тепловые модели неадекватны, и истинный предел гелиосферы, и ее влияние на «космическую погоду» (51) .
SETI
Это «Поиск внеземного разума». Само собой разумеется, что с таким количеством галактик жизнь развилась где-то еще. Но в конечном итоге это может оказаться тщетным поиском, поскольку мы можем быть одни — пока, или мы можем быть единственной цивилизацией пока во вселенной, изобилующей простой жизнью. Цивилизации могли появиться и исчезнуть за миллиарды лет существования этой вселенной, и некоторые из них могут эволюционировать после того, как нас не станет. Мы наблюдали крошечную часть наблюдаемой Вселенной без убедительных доказательств того, что цивилизованная жизнь существует где-либо поблизости, хотя «Вау-сигнал» — единственный сигнал, который мы когда-либо получали, у него может быть просто натуралистическое объяснение, если он когда-либо будет обнаружен во второй раз. время. Оправдание этих расходов — это дело всех наук, которые должны объединиться и продемонстрировать их ценность на благо всего человечества, а не считать их легкомысленной тратой денег.
Смягчение последствий изменения климата
Для этого потребуется наладить более тесные связи с климатологией и другими науками об окружающей среде, но смягчение последствий изменения климата является проблемой, которая затрагивает всех нас. Именно благодаря атмосферной физике мы пришли к предсказанию и моделированию последствий изменения климата, и именно физики, работающие в этой области, могут дать часть решения (52) . Но мы еще многого не понимаем в отношении атмосферных концентраций и взаимосвязи с погодными условиями. Ответы должны прийти через комбинацию физики и химии и приложений теории хаоса.
Потребности в энергии против более чистых и экологичных технологий
Растущее население требует больше энергии, но необходимость смягчения последствий изменения климата означает, что мы должны сделать все возможное, чтобы сократить потребление энергии. Может показаться, что конфликт есть, и в определенной степени он есть, но прогресс в прикладной физике уже есть. Батареи, силовые элементы и другие способы хранения энергии способны хранить больше энергии, чем когда-либо прежде, а наши электронные устройства становятся все более мощными с каждым днем, что снижает энергопотребление. Мы ожидаем, что в будущем новые достижения в области физики и химии позволят еще больше снизить потребление энергии (17) — от светодиодов, которые излучают мощный свет при гораздо меньшем потреблении, а также более эффективных солнечных панелей и электромобилей. Физика помогла метеорологии и климатологии в разработке ветряных турбин, физике Солнца в разработке солнечных батарей и панелей, а физике воды в разработке энергии приливов, гидроэлектроэнергии и других технологий на основе воды, которые используют энергию движения жидкости. Он также разработал ядерную энергетику; какие новые технологии лежат в основе оставшейся части 21 -й -й век будет основываться только на наших растущих потребностях в энергии для растущего населения.
Интернет
На данный момент наиболее важными событиями в Интернете являются облачное хранилище, большие данные и «интернет вещей». Интернет — это изобретение физики: для передачи данных с одного устройства на другое по радиоволнам используются самые старые и наиболее понятные из всех технологий, основанных на физике. Однако задача состоит в том, чтобы продолжать продвигать технологии для все более быстрого доступа в Интернет, более простого подключения новых устройств, чтобы гарантировать, что подключение не будет ограничено количеством людей, пытающихся получить к нему доступ, и предоставить технологию, которая будет продолжать предоставлять достаточно хранилище для хранения этих данных в облаке. В то же время физика должна гарантировать, что мы делаем все возможное, чтобы обеспечить это, одновременно снижая потребление энергии.
Источники
- https://www.britannica.com/topic/sun-worship
- http://blog.nmai.si.edu/main/2017/08/indian-beliefs-eclipse.html
- https://www.researchgate.net/publication/259712780_Calendars_and_Years_Astronomy_and_Time_in_the_Ancient_Near_East_edited_by_John_M_Steele
- http://galileoandeinstein.physics.virginia.edu/lectures/thales.html
- https://explorable.com/ancient-physics
- https://www.britannica.com/topic/atomism
- https://plato.stanford.edu/entries/philoponus/
- http://journals.sagepub.com/doi/abs/10.1068/p3210
- https://iopscience.iop.org/book/978-0-7503-1206-6/chapter/bk978-0-7503-1206-6ch2
- https://www.math.uh.edu/~tomforde/calchistory.html
- http://resources.schoolscience.co.uk/IoP/14-16/biogs/biogs5.html
- https://www.newscientist.com/article/2053929-a-brief-history-of-stephen-hawking-a-legacy-of-paradox/
- https://www. seti.org/drake-equation
- https://www.smithsonianmag.com/science-nature/how-the-higgs-boson-was-found-4723520/
- https://arxiv.org/ftp/physics/papers/0501/0501021.pdf
- https://www.nap.edu/read/10118/chapter/10
- https://acoustics.byu.edu/what-is
- http://articles.adsabs.harvard.edu/cgi-bin/nph-iarticle_query?db_key=AST&bibcode=2012JAHH…15…42L&letter=.&classic=YES&defaultprint=YES&whole_paper=YES&page=42&epage=42&send=Send+ PDF&filetype=.pdf
- http://curious.astro.cornell.edu/about-us/145-people-in-astronomy/careers-in-astronomy/general-questions/892-what-s-the-difference-between-astronomy-and -астрофизика-средний
- http://users.aber.ac.uk/ruw/teach/327/atomic.php
- https://www.biophysics.org/what-is-biophysics
- https://geoffboeing.com/2015/03/chaos-theory-logistic-map/
- https://www.wiley.com/en-us/Computational+Physics%3A+Problem+Solving+with+Python%2C+3rd+Edition-p-9783527413157
- https://www. nrao.edu/archives/items/show/3684
- https://www.space.com/16042-cosmology.html
- http://www.xtal.iqfr.csic.es/Cristalografia/index-en.html
- https://www.researchgate.net/publication/265875318_What_is_EconoPhysics
- http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Forces/funfor.html
- https://www.livescience.com/47446-fluid-dynamics.html
- http://www.eegs.org/what-is-geophysics-
- http://www.iop.org/cs/page_43644.html
- https://www.livescience.com/47814-classical-mechanics.html
- https://medicalphysics.duke.edu/medical_physics
- https://www.nature.com/articles/130708a0
- https://jila.colorado.edu/research/atomic-молекулярно-физика
- https://www.nano.gov/nanotech-101/what/definition
- http://www.desy.de/user/projects/Physics/Relativity/SR/light_mass.html
- https://home.cern/topics/хиггс-бозон
- http://optics.org/article/32348
- http://www. plasmas.org/basics.htm
- http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Forces/qed.html
- https://plato.stanford.edu/entries/quantum-field-theory/
- http://gerdbreitenbach.de/gallery/
- http://www.physics.udel.edu/~bnikolic/teaching/phys624/lectures/what_is_solid_state_physics.pdf
- https://www.livescience.com/50776-thermodynamics.html
- https://iopscience.iop.org/article/10.3847/0004-637X/830/2/83
- https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fphy.2013.00006/full
- https://www.aps.org/policy/reports/popa-reports/energy/climate.cfm
- Автор
- Последние сообщения
Мэтью Мейсон
М. М. Мейсон имеет степень бакалавра археологии и магистра ландшафтной археологии в Университете Эксетера. Личный интерес к науке об окружающей среде рос вместе с его формальными исследованиями и в конечном итоге стал частью его аспирантуры, где он изучал как естественные, так и антропогенные изменения в окружающей среде на юго-западе Англии; его особые интересы связаны с аэрофотосъемкой. У него есть опыт работы с ГИС (цифровая картография), но в настоящее время он работает писателем-фрилансером, поскольку из-за экономического спада ему трудно найти соответствующую работу. В настоящее время он живет на юго-западе Англии.
Последние сообщения Мэтью Мейсона (см. все)
Введение в орнитологию
Изучение птиц, их биологии и привычек, среды обитания и эволюции, а также множества других аспектов птиц имеет давнюю традицию в рамках дисциплины зоологии. В орнитологии нет ученых степеней и большинство приходят учиться…
Гл. 1 Введение в науку и область физики, физических величин и единиц измерения — College Physics 2e
Рисунок
1.1
Законы физики описывают самые маленькие и самые большие силы и структуры, такие как туманность Вуаль, остаток сверхновой звезды, которая была в 20 раз больше нашего Солнца. Захватывающее изображение, растянувшееся на 110 световых лет в поперечнике, создано взрывной волной звездного взрыва, столкнувшейся с облаками газа. Ученые используют последовательные наблюдения за все еще движущейся волной, чтобы узнать о формировании туманности способами, которые они могут применить к другим системам. Законов физики на удивление немного, что подразумевает простоту, лежащую в основе кажущейся сложности природы. (кредит: НАСА, ЕКА, Hubble Heritage и Оцифрованный обзор неба 2)
Краткое содержание главы
1.1
Физика: введение
1,2
Физические величины и единицы
1,3
Точность, прецизионность и значимые цифры
1,4
приближение
Какова ваша первая реакция, когда вы слышите слово «физика»? Вы представляли себе работу над сложными уравнениями или заучивание формул, которые, кажется, не имеют реального применения в жизни за пределами кабинета физики? Многие люди подходят к предмету физики с некоторым страхом. Но когда вы начнете исследовать этот широкий предмет, вы вскоре поймете, что физика играет гораздо большую роль в вашей жизни, чем вы думали сначала, независимо от ваших жизненных целей или выбора профессии.
Рассмотрим туманность Вуаль, облако нагретой пыли и газа, расположенное примерно в 2400 световых годах от Земли (световой год — это расстояние, которое свет проходит за один год, или примерно 9,5 триллионов километров). Уникальная структура является продолжающимся результатом взрыва сверхновой, произошедшего 8000 лет назад. Ударная волна от взрыва сталкивается с облаком газа и пыли, создавая веревкообразные нити и листовидный вид. Ученые сравнивают более новые изображения, такие как приведенное выше, с подробными снимками, сделанными космическим телескопом Хаббла в 19 году.97, чтобы понять расширение туманности и другие свойства астрономических объектов. Силы, заставляющие остаток сверхновой действовать именно так, как он есть, — это те же самые силы, с которыми мы боремся здесь, на Земле, независимо от того, планируем ли мы отправить ракету в космос или просто обогреть новый дом. Хотя масштаб сильно отличается, взаимодействие газов в туманности Вуаль похоже на взаимодействие газов на Земле; а яркие цветовые сочетания создаются знакомым свечением водорода, серы, кислорода и подобных элементов, из которых состоит все, что мы знаем. Сегодня вечером найдите минутку, чтобы посмотреть на звезды. Силы там такие же, как и здесь, на Земле. Изучая физику, вы можете лучше понять взаимосвязь всего, что мы можем видеть и знать в этой вселенной.
За всю историю человечества люди создали и изготовили миллионы различных предметов. Последовательные технологические периоды (часто называемые каменным веком, бронзовым веком, железным веком и т. д.) были отмечены нашим знанием физических свойств определенных материалов и нашей способностью манипулировать ими. Все эти знания проистекают из физики, будь то то, как скала будет отслаиваться при изготовлении наконечника копья, эффект интеграции углерода с железом в печах Южной Индии и Шри-Ланки для создания самой ранней высококачественной стали или правильный способ комбинирования. идеально отшлифованные и отполированные кусочки стекла для создания оптических приборов. Наш нынешний технологический век, информационный век, основан на всех этих знаниях, и его можно проследить до критических инноваций, созданных людьми из всех слоев общества, работающих вместе. Мохамед М. Аталла и Давон Канг, например, изобрели полевой МОП-транзистор (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник). Хотя это неизвестное большинству людей, это крошечное устройство, созданное в 1959 ученого египетского происхождения и корейского ученого, работающих в лаборатории в Нью-Джерси, является основой современной электроники. Было произведено больше полевых МОП-транзисторов, чем любого другого объекта в истории человечества. Они используются в компьютерах, смартфонах, микроволновых печах, автомобильных элементах управления, медицинских инструментах и почти во всех других электронных устройствах.
Затем подумайте о самых захватывающих современных технологиях, о которых вы слышали в новостях, таких как поезда, которые левитируют над путями, «плащи-невидимки», преломляющие свет вокруг себя, и микроскопические роботы, которые борются с раковыми клетками в наших телах. Все эти новаторские достижения, обычные или невероятные, основаны на принципах физики. Помимо того, что они играют важную роль в технологиях, такие специалисты, как инженеры, пилоты, врачи, физиотерапевты, электрики и программисты, применяют физические концепции в своей повседневной работе. Например, пилот должен понимать, как силы ветра влияют на траекторию полета, а физиотерапевт должен понимать, как мышцы тела испытывают силы, когда они двигаются и изгибаются. Как вы узнаете из этого текста, принципы физики продвигают новые захватывающие технологии, и эти принципы применяются в самых разных профессиях.
В этом тексте вы начнете исследовать историю формального изучения физики, начиная с натурфилософии и древних мыслителей Ближнего Востока и Средиземноморья и заканчивая обзором сэра Исаака Ньютона и законов физики, носящие его имя. Вы также познакомитесь со стандартами, которые ученые используют при изучении физических величин, и с взаимосвязанной системой измерений, которую использует большая часть научного сообщества для общения на одном математическом языке. Наконец, вы изучите пределы нашей способности быть точными и точными, а также причины, по которым ученые прилагают все усилия, чтобы как можно более четко определить свои собственные ограничения.
Физика и физические науки | Научные образовательные ресурсы Флинна
- Дом
- Ресурсы
- Физика и физические науки
Книги и обзорные материалы
Просмотрите, что доступно в материале Flinn Scientific’s Demo a Day перед покупкой. Охватываемые темы физических наук: энергия и движение, свойства и классификации материи, атомная теория, волны, звук и свет и многое другое. Проверьте еще раз, чтобы узнать, какие еще ресурсы могут помочь в обучении физике.
Химические демонстрации
Химические демонстрации физики и физики, специально разработанные для вас, чтобы включить их в класс и удивить ваших учеников.
Электричество
Наэлектризуйте и шокируйте своих учеников с помощью этих видеороликов и заданий, призванных пробудить и пробудить их интерес к электричеству. Найдите ресурс, который добавит волнения в ваш класс.
Энергия и работа
Зарядите свою лекцию по физике энергией и поработайте с различными ресурсами, собранными Flinn Scientific.
Силы и равновесие
Будет легко заинтересовать ваших учеников, когда они будут изучать силы и равновесие. Просмотрите бесплатные демонстрации Flinn Scientific и научите своих студентов закону движения Ньютона, эффекту Марангони и многому другому.
Тепло и термодинамика
Более 20 ресурсов по теплу и термодинамике, чтобы пробудить интерес учащихся к этой области физических наук. Просмотрите видеоролики Flinn Scientific, справочные материалы и советы, чтобы найти то, что обязательно разогреет вашу научную лабораторию.
Магнетизм
Магниты — это заманчивые инструменты, которые учителя и ученики могут использовать на демонстрациях. Привлекайте своих учеников, когда будете применять одну из этих демонстраций на следующем уроке по магнетизму.
Измерение и плотность
Спросите учащихся, есть ли у воздуха/газа масса и плотность. Удивите их этими демонстрациями по измерению и плотности не только воздуха, но и многих других предметов.
Современная атомная и ядерная наука
Преподавание атомов может быть затруднено, поскольку его нельзя непосредственно наблюдать. Компания Flinn Scientific разработала множество учебных ресурсов и демонстраций, которые помогут вам в вашей следующей лаборатории по современной атомной ядерной науке.
Импульс и столкновения
Найдите предложения о том, как включить и использовать ваши счастливые/грустные мячи помимо очевидных столкновений. Просмотрите видеоролики Flinn Scientifics и другие ресурсы, чтобы найти другие полезные советы по обучению импульсу и столкновениям.
Движение
Движение в физике обычно определяется в терминах перемещения, времени, скорости и ускорения. Просмотрите ресурсы и видеоролики Flinn Scientific, готовясь к следующему уроку в движении.
Оптика и освещение
Посмотреть в действии — оптические и осветительные комплекты и изделия Flinn Scientific. Используйте ресурсы Flinn Scientific, чтобы определить, какой будет ваша следующая блестящая демонстрация или занятие в классе.
Часто задаваемые вопросы по физике и физическим наукам
Давление
Компания Flinn Scientific выпустила множество обучающих видеороликов по давлению. Ознакомьтесь с ними, а также с другими различными учебными пособиями, которые вы можете интегрировать в свою физическую лабораторию.
Ракеты и полет
Думаете добавить ракеты и полеты в свою лабораторию физических наук? Ознакомьтесь с советами и протоколами безопасности Flinn Scientific для успешного запуска.
Простые машины
Анализ шестерен и шкивов. Классифицировать рычаги. Ищите другие простые машины, как ресурсы, которые помогут вам объяснить основы физики.
Студенческая лаборатория
Вам нужна новая лабораторная работа для учащихся на уроке физики, но какая из них подходит? Изучите разработки Flinn Scientific, к которым вы можете получить бесплатный доступ. Или просмотрите, что доступно в лабораторной работе, прежде чем покупать ее.
Волны и звук
Создайте музыку в своей следующей физической лаборатории на волнах и звуке. Просмотрите эти многочисленные видеоролики и просмотрите несколько ресурсов, которые найдут отклик у ваших студентов лаборатории.
Титаны квантовой физики получают награду за прорыв
По мере того, как миллиарды долларов вливаются в квантовые вычисления, а страны строят коммуникационные сети, защищенные квантовым шифрованием, становится все труднее игнорировать известность квантовой информатики.
Премия за прорыв в фундаментальной физике этого года присуждается четырем первооткрывателям, которые объединили математику, информатику и физику для «основополагающей работы в области квантовой информации». Премия разделена между Чарльзом Беннеттом из IBM, Жилем Брассаром из Монреальского университета, Дэвидом Дойчем из Оксфордского университета и Питером Шором из Массачусетского технологического института.
«Эти четыре человека действительно внесли большой вклад в появление квантовой теории информации, — говорит Николя Гизин, квантовый физик-экспериментатор из Женевского университета. «Приятно видеть, что эти призы стали ближе к моему сердцу».
Премия «Прорыв» была основана израильско-российским миллиардером и физиком Юрием Мильнером в 2012 году, и ее щедро поддержали другие магнаты, включая соучредителей Марка Цукерберга и Сергея Брина. Подобно Альфреду Нобелю, чье состояние, полученное в виде Нобелевской премии, образовалось благодаря изобретению динамита, прошлые финансовые связи Мильнера с Кремлем привлекли внимание, особенно в свете продолжающегося вторжения России в Украину. В предыдущих интервью Мильнер подчеркивал свою независимость и пожертвования украинским беженцам. Представитель указал на Scientific American , который Милнер переехал в США в 2014 году и с тех пор не возвращался в Россию.
Но признание квантовой информатики не всегда дается легко — или с такой финансовой поддержкой. В широком смысле эта область представляет собой комбинацию двух теорий: квантовой механики, описывающей нелогичное поведение атомного и субатомного мира, и теории информации, подробно описывающей математические и физические пределы вычислений и коммуникации. Его история представляет собой более запутанную историю со спорадическими достижениями, которые часто упускались из виду традиционными научными журналами.
В 1968 году, Стивен Визнер, в то время аспирант Колумбийского университета, разработал новый способ кодирования информации с помощью поляризованных фотонов. Среди прочего Визнер предположил, что изначально хрупкая природа квантовых состояний может быть использована для создания устойчивых к подделке квантовых денег. Не имея возможности опубликовать многие из своих опрометчивых теоретических идей и увлекшись религией, Визнер, который умер в прошлом году, в основном оставил академию, чтобы стать строителем в Израиле.
Прежде чем покинуть Колумбию, Визнер передал некоторые свои идеи другому молодому исследователю. «Парнем одного из моих соседей по комнате был Стивен Визнер, который начал рассказывать мне о своих «квантовых деньгах», — вспоминает Беннетт. «[Это] показалось мне интересным, но это не было похоже на начало совершенно новой области». В конце 1970-е Беннетт встретил Брассарда, и они начали обсуждать деньги Визнера, которые, по их мнению, могли потребовать невероятной задачи по улавливанию фотонов с помощью зеркал для создания квантовой банкноты.
«Фотоны не предназначены для того, чтобы оставаться на месте — они предназначены для путешествий», — говорит Брассард, объясняя ход мысли. «Если они путешествуют, что может быть более естественным, чем общение?» Протокол, предложенный Беннеттом и Брассардом, названный BB84, положил начало области квантовой криптографии. Позднее подробно и популяризировано в Scientific American , BB84 позволял двум сторонам обмениваться сообщениями с соблюдением строжайшей секретности. Если бы третья сторона шпионила, она бы оставила неизгладимое свидетельство своего вмешательства — например, повреждение квантовой восковой печати.
Пока Беннет и Брассард разрабатывали квантовую криптографию, начала появляться еще одна радикальная идея: квантовые вычисления. На известном теперь собрании в Массачусетском технологическом институте. Endicott House в Дедхэме, штат Массачусетс, в мае 1981 года физик Ричард Фейнман предположил, что компьютер, использующий квантовые принципы, может решать проблемы, невозможные для компьютера, ограниченного законами классической физики. Хотя он и не присутствовал на конференции, Дойч услышал об этой идее и загорелся. «Постепенно я все больше и больше убеждался в связи между вычислениями и физикой, — говорит он.
Разговаривая с Беннетом позже в том же году, Дойч пережил решающее озарение: преобладавшая тогда вычислительная теория была основана на неправильной физике — «классической» механике Исаака Ньютона и релятивистском подходе Альберта Эйнштейна, а не на более глубокой квантовой реальности. «Поэтому я подумал, что перепишу теорию вычислений, основываясь на квантовой теории, а не на классической», — как ни в чем не бывало говорит Дойч. «Я не ожидал, что из этого выйдет что-то принципиально новое. Я просто ожидал, что он будет более строгим». Однако вскоре он понял, что описывает компьютер совершенно другого типа. Даже если он достиг тех же результатов, он добился этого с помощью принципов квантовой механики.
Новая теория Дойча обеспечила важную связь между квантовой механикой и теорией информации. «Это сделало квантовую механику доступной для меня на моем языке информатики», — говорит Умеш Вазирани, ученый-компьютерщик из Калифорнийского университета в Беркли. Позже, вместе с австралийским математиком Ричардом Джозой, Дойч предложил в качестве доказательства принципа первый алгоритм, который будет экспоненциально быстрее классических алгоритмов, хотя и не принес ничего практического.
Но вскоре появилось больше полезных приложений. В 1991 Артур Экерт, в то время аспирант Оксфорда, предложил новый протокол квантовой криптографии E91. Этот метод привлек внимание многих физиков своей элегантностью и практичностью, а также тем фактом, что он был опубликован в ведущем физическом журнале. «Это прекрасная идея. Немного удивительно, что Экерт не входит в список победителей премии «Прорыв в фундаментальной физике» этого года, говорит Гисин.
Два года спустя, когда Беннетт, Брассар, Джоса, исследователь компьютерных наук Клод Крепо и физики Ашер Перес и Уильям Вуттерс предложили квантовую телепортацию, физики обратили на это внимание. Новая техника даст одной стороне возможность передавать информацию, такую как результат подбрасывания монеты, другой посредством запутанности, квантовой корреляции, которая может связывать такие объекты, как электроны. Несмотря на популярные научно-фантастические утверждения, этот метод не позволяет передавать сообщения быстрее скорости света, но он значительно расширил возможности реальной квантовой связи. «Это самая невероятная идея, — говорит Чао-Ян Лу, 9 лет.0039 , квантовый физик из Университета науки и технологий Китая, который помог внедрить эту технику из космоса.
Такие слова, как «революция», слишком часто используются для описания прогресса в науке, который обычно медлителен и постепенен. Но в 1994 году Шор потихоньку стал один. Работая в AT&T Bell Laboratories, он слушал доклады Вазирани и Беннета. «Я начал думать о том, какие полезные вещи можно сделать с помощью квантового компьютера», — говорит он. «Я думал, что это был долгий путь. Но это было очень интересное место. Так что я начал работать над этим. Я никому ничего не говорил».
Вдохновленный успехом других квантовых алгоритмов в периодических или повторяющихся задачах, Шор разработал алгоритм, который мог делить числа на их простые множители (например, 21 = 7 x 3) экспоненциально быстрее, чем любой классический алгоритм. Последствия были сразу очевидны: первичная факторизация была основой современного шифрования. Наконец-то у квантовых компьютеров появилось действительно революционное практическое применение. По словам Вазирани, алгоритм Шора «просто дал понять, что вам нужно все бросить», чтобы работать над квантовыми вычислениями.
Хотя Шор нашел мощный вариант использования квантового компьютера, ему не удалось решить более сложную проблему его создания — даже в теории. Хрупкие квантовые состояния, которые такие устройства могли использовать, чтобы превзойти классические вычисления, также делали их чрезвычайно уязвимыми для ошибок. Более того, стратегии исправления ошибок для классических компьютеров нельзя было использовать в квантовых компьютерах. Не испугавшись, на конференции по квантовым вычислениям в Турине, Италия, в 1995 году Шор поспорил с другими исследователями, что квантовый компьютер разложит 500-значное число на множители раньше, чем это сделает классический компьютер. (Даже с современными классическими суперкомпьютерами вычисление 500 цифр, вероятно, заняло бы миллиарды лет.) Никто не согласился на ставку Шора, и некоторые просили третий вариант: сначала сгорит солнце.
Два типа ошибок досаждают квантовым компьютерам: битовые ошибки и фазовые ошибки. Эти ошибки сродни повороту стрелки компаса соответственно с севера на юг или с востока на запад. К сожалению, исправление битовых ошибок усугубляет фазовые ошибки, и наоборот. Другими словами, более точный азимут на север приводит к менее точному азимуту на восток или запад. Но позже, в 1995 году, Шор придумал, как сочетать коррекцию битов и коррекцию фазы — цепочка операций, мало чем отличающаяся от сборки кубика Рубика без изменения завершенной стороны. Алгоритм Шора остается неэффективным до тех пор, пока квантовые компьютеры не станут более мощными (наибольшее число, учитываемое с помощью алгоритма, равно 21, так что классический факторинг остается в лидерах — пока). Но это все же сделало квантовые вычисления возможными, если не практичными. «Именно тогда все стало реальностью», — говорит Брассард.
Вся эта работа привела к новым взглядам на квантовую механику и вычисления. Для Дойча это вдохновило на создание еще более фундаментальной теории «конструкторов», которые, по его словам, описывают «множество всех физических преобразований». Другие остаются равнодушными к вероятности дальнейших глубоких открытий, возникающих в квантовой сфере. «Квантовая механика действительно странная, и я не думаю, что когда-либо будет какой-то простой способ ее понять», — говорит Шор. На вопрос, делает ли его работа над квантовыми вычислениями природу реальности более легкой или трудной для понимания, он лукаво отвечает: «Она определенно делает ее более загадочной».
То, что начиналось как времяпрепровождение или эклектичное интеллектуальное занятие, теперь переросло самые смелые фантазии первопроходцев в этой области. «Мы никогда не думали, что это когда-нибудь станет практичным. Было очень весело думать об этих сумасшедших идеях», — говорит Брассард. «В какой-то момент мы решили, что говорим серьезно, но люди не пошли за нами. Это было неприятно. Теперь, когда это признано в такой степени, это чрезвычайно приятно».
ОБ АВТОРЕ(АХ)
Даниэль Гаристо () — независимый научный журналист, освещающий достижения в области физики и других естественных наук. Его сочинения публиковались в журналах Nature News , Science News, Undark и других изданиях.
Физика – MEL Science
Попытайся
Научите своих детей чудесам физики с помощью ежемесячных практических учебных наборов, которые гарантированно пробудят любовь к науке.
Попробуйте
Любимый родителями
Синтия Марион Миксон
«Тот факт, что он очень интерактивен и поощряет абстрактное мышление и дисциплину метода и наблюдения. Это также ОЧЕНЬ УДОВОЛЬСТВУЕТ! Даже для родителей. В результате мои дети хотят заниматься наукой!»
Кит Черчилль
«Эксперименты хорошо спланированы и содержат достаточно материала, чтобы повторить эксперименты, если хотите. Это интересный способ познакомить детей с наукой, и это пойдет им на пользу, когда они начнут изучать науку в школе».
Андреа Такер Делкоре
«Моим детям нравятся уникальные проекты и разнообразие вариантов. Мы пробовали STEM, физику и химию, и каждый из них стал хитом».
Наборы
Посмотрите, что ваши дети могут делать дома!
Увлекательные наборы для занятий физикой. Доставка ежемесячно на дом. Сертифицированный сейф. Упакован со всем, что нужно вашим детям. Наполнен весельем для всей семьи.
Наука за свечением!
Практическая электромеханика!
Раскройте напряжение в пластиковых материалах!
Просмотреть все проекты
Впечатления
Пусть технологии станут учителем
Множество уникальных захватывающих впечатлений. Доступно в любое время со смартфона или планшета. Разработано, чтобы сделать экранное время продуктивным и содержательным.
Попробуйте
Как это работает
Выберите один или несколько предметов при оформлении заказа. Вы можете переключать темы в любое время в своем профиле.
Получайте наборы для практических занятий каждый месяц на дом.
Вашим детям понравится
Практические наборы и увлекательные образовательные занятия для ваших детей
Попробуйте
Любимый детьми
Более 3 миллионов подписчиков с энтузиазмом поделились своим научным опытом.
Одобрено экспертами
Это один из самых захватывающих и амбициозных образовательных проектов по домашней химии, которые я когда-либо видел.
Королевского химического общества
Классический химический набор получил обновление 21 века.
Приложения MEL для смартфонов и планшетов должны отвлекать детей от игровых консолей.
Американского химического общества
Отмечен наградами
Остались вопросы?
Что такое MEL Science?
MEL Science — это образовательная подписка, которая предлагает более 100 практических проектов, выполняемых ежемесячно, и более 50 цифровых впечатлений, доступных в любое время.
Каков рекомендуемый возрастной диапазон?
У каждого субъекта есть рекомендуемый возрастной диапазон. При подписке вы можете выбирать предметы в зависимости от возраста ваших детей.
Это безопасно?
Мы приложили все усилия, чтобы наши практические проекты были максимально безопасными.
- Они соответствуют требованиям CPSC (Комиссия по безопасности потребительских товаров) США для комплектов для обучения.
- Наши практические проекты по химии соответствуют специальному списку веществ Европейского комитета по стандартизации (CEN), разрешенных в детских химических наборах (EN 71-4).
- Ни один из наших проектов не включает взрывчатые вещества.
- Все они протестированы на детях и содержат подробные наглядные пошаговые инструкции.
Могу ли я покупать проекты отдельно?
В настоящее время такой опции нет. Однако мы надеемся скоро представить эту возможность.
Содержит ли каждый набор достаточно компонентов, чтобы повторить эксперимент несколько раз?
Подавляющее большинство наборов для экспериментов включает в себя достаточно компонентов, чтобы провести каждый эксперимент дважды.