Экспериментальная физика — это категория дисциплин и поддисциплин в области физики , которые занимаются наблюдением физических явлений и экспериментами . Методы варьируются от дисциплины к дисциплине, от простых экспериментов и наблюдений, таких как эксперименты Галилея , до более сложных, таких как Большой адронный коллайдер .
.jpg/1280px-Sir_Ernest_Rutherfords_laboratory,_early_20th_century._(9660575343).jpg)
Экспериментальная физика — это раздел физики, который занимается сбором данных, методами сбора данных, а также детальной концептуализацией (за пределами простых мысленных экспериментов ) и реализацией лабораторных экспериментов. Ее часто противопоставляют теоретической физике , которая больше занимается предсказанием и объяснением физического поведения природы, чем получением эмпирических данных.
Хотя экспериментальная и теоретическая физика занимаются разными аспектами природы, обе они преследуют одну и ту же цель — понять ее и находятся в симбиотических отношениях. Первая предоставляет данные о вселенной, которые затем можно анализировать, чтобы понять, в то время как вторая дает объяснения для данных и, таким образом, дает представление о том, как лучше получать данные и ставить эксперименты. Теоретическая физика также может дать представление о том, какие данные необходимы для лучшего понимания вселенной и какие эксперименты следует разработать для их получения.
Напряжение между экспериментальными и теоретическими аспектами физики было выражено Джеймсом Клерком Максвеллом следующим образом: «Только когда мы попытаемся связать теоретическую часть нашего обучения с практической, мы начнем ощущать в полной мере эффект того, что Фарадей назвал «ментальной инерцией» — не только трудность распознавания среди конкретных объектов перед нами абстрактных отношений, которым мы научились из книг, но и отвлекающую боль от переключения ума с символов на объекты и с объектов обратно на символы. Однако это цена, которую нам приходится платить за новые идеи». [1]
Как отдельная область, экспериментальная физика была создана в ранней современной Европе , во время так называемой научной революции , такими физиками, как Галилео Галилей , Христиан Гюйгенс , Иоганн Кеплер , Блез Паскаль и сэр Исаак Ньютон . В начале 17 века Галилей широко использовал эксперименты для проверки физических теорий, что является ключевой идеей в современном научном методе. Галилей сформулировал и успешно проверил несколько результатов в динамике, в частности закон инерции , который позже стал первым законом в законах движения Ньютона . В «Двух новых науках» Галилея диалог между персонажами Симпличио и Сальвиати обсуждает движение корабля (как движущейся системы отсчета) и то, как груз этого корабля безразличен к его движению. Гюйгенс использовал движение лодки по голландскому каналу, чтобы проиллюстрировать раннюю форму сохранения импульса .
Экспериментальная физика, как полагают, достигла пика своего развития с публикацией Philosophiae Naturalis Principia Mathematica в 1687 году сэром Исааком Ньютоном (1643–1727). В 1687 году Ньютон опубликовал Principia , в котором подробно изложил два всеобъемлющих и успешных физических закона: законы движения Ньютона , из которых возникла классическая механика ; и закон всемирного тяготения Ньютона , который описывает фундаментальную силу гравитации . Оба закона хорошо согласуются с экспериментом. Principia также включали несколько теорий в области гидродинамики .
С конца 17 века термодинамика развивалась физиком и химиком Робертом Бойлем , Томасом Янгом и многими другими. В 1733 году Даниил Бернулли использовал статистические аргументы с классической механикой для получения термодинамических результатов, положив начало области статистической механики . В 1798 году Бенджамин Томпсон (граф Рамфорд) продемонстрировал преобразование механической работы в тепло, а в 1847 году Джеймс Прескотт Джоуль сформулировал закон сохранения энергии , как в форме тепла, так и в форме механической энергии. Людвиг Больцман в девятнадцатом веке отвечает за современную форму статистической механики .
Помимо классической механики и термодинамики, еще одной большой областью экспериментального исследования в физике была природа электричества . Наблюдения в 17-м и восемнадцатом веках таких ученых, как Бойль, Стивен Грей и Бенджамин Франклин, создали основу для более поздних работ. Эти наблюдения также установили наше базовое понимание электрического заряда и тока . К 1808 году Джон Дальтон открыл, что атомы разных элементов имеют разный вес, и предложил современную теорию атома .
Ганс Христиан Эрстед первым предположил связь между электричеством и магнетизмом, наблюдая за отклонением стрелки компаса под действием электрического тока поблизости. К началу 1830-х годов Майкл Фарадей продемонстрировал, что магнитные поля и электричество могут генерировать друг друга. В 1864 году Джеймс Клерк Максвелл представил Королевскому обществу набор уравнений, описывающих эту связь между электричеством и магнетизмом. Уравнения Максвелла также правильно предсказывали, что свет является электромагнитной волной . Начиная с астрономии, принципы естественной философии кристаллизовались в фундаментальные законы физики, которые были сформулированы и улучшены в последующие столетия. К 19 веку науки разделились на несколько областей со специализированными исследователями, и область физики, хотя и логически превосходящая, больше не могла претендовать на единоличное владение всей областью научных исследований.
Вот некоторые примеры выдающихся проектов в области экспериментальной физики:
Экспериментальная физика использует два основных метода экспериментального исследования: контролируемые эксперименты и естественные эксперименты . Контролируемые эксперименты часто используются в лабораториях , поскольку лаборатории могут предложить контролируемую среду. Естественные эксперименты используются, например, в астрофизике при наблюдении за небесными объектами , где контроль фактических переменных невозможен.
Известные эксперименты включают в себя:
Некоторые известные экспериментальные методы включают в себя:
Известные физики-экспериментаторы:
Перечень физических экспериментов см. в хронологии ниже.
Медиа, связанные с экспериментальной физикой на Wikimedia Commons