Физика — отрасль науки , основными объектами изучения которой являются материя и энергия . Открытия физики находят применение в естественных науках и технике . Исторически физика возникла в результате научной революции 17 века, быстро развивалась в 19 веке, а затем была преобразована рядом открытий в 20 веке. Сегодня физику можно условно разделить на классическую физику и современную физику .
Многие подробные статьи по конкретным темам доступны в « Очерке истории физики» .
Элементы того, что стало физикой, были почерпнуты преимущественно из областей астрономии , оптики и механики , методологически объединенных изучением геометрии . Эти математические дисциплины зародились в древности у вавилонян и у эллинистических писателей, таких как Архимед и Птолемей . Между тем древняя философия включала в себя то, что называлось « физикой ».
Движение к рациональному пониманию природы началось, по крайней мере, с архаического периода в Греции (650–480 гг. до н. э .) с философами-досократиками . Философ Фалес Милетский (7-й и 6-й века до н. э.), прозванный «отцом науки» за отказ принять различные сверхъестественные, религиозные или мифологические объяснения природных явлений , провозгласил, что каждое событие имеет естественную причину. [1] Фалес также добился успехов в 580 году до нашей эры, предположив, что вода является основным элементом , экспериментируя с притяжением между магнитами и натертым янтарем и сформулировав первые зарегистрированные космологии . Анаксимандр , известный своей протоэволюционной теорией , оспорил идеи Фалеса и предположил, что строительным блоком всей материи является не вода, а вещество под названием апейрон . Около 500 г. до н.э. Гераклит предположил, что единственным основным законом, управляющим Вселенной , является принцип изменений и что ничто не остается в одном и том же состоянии бесконечно. Вместе со своим современником Парменидом они были одними из первых ученых в области древней физики, задумавшихся о роли времени во Вселенной — ключевой концепции, которая до сих пор остается проблемой в современной физике .
В классический период в Греции (6, 5 и 4 века до н. э.) и в эллинистические времена натурфилософия постепенно превратилась в захватывающую и спорную область исследования. Аристотель ( греч . Ἀριστοτέλης , Aristotélēs ) (384–322 до н. э.), ученик Платона , продвигал концепцию, согласно которой наблюдение физических явлений может в конечном итоге привести к открытию управляющих ими естественных законов. [ нужна цитация ] Сочинения Аристотеля охватывают физику, метафизику , поэзию , театр , музыку , логику , риторику , лингвистику , политику , управление , этику , биологию и зоологию . Он написал первую работу, в которой это направление исследований называется «Физика» – в 4 веке до нашей эры Аристотель основал систему, известную как аристотелевская физика . Он попытался объяснить такие идеи, как движение (и гравитация ) с помощью теории четырёх элементов . Аристотель считал, что вся материя состоит из эфира или комбинации четырех элементов: земли, воды, воздуха и огня. По мнению Аристотеля, эти четыре земных элемента способны взаимопревращаться и двигаться к своему естественному месту, поэтому камень падает вниз, к центру космоса, а пламя поднимается вверх, к окружности . В конце концов, аристотелевская физика на протяжении многих столетий стала чрезвычайно популярной в Европе, определяя научные и схоластические разработки средневековья . Она оставалась основной научной парадигмой в Европе до времен Галилео Галилея и Исаака Ньютона .
В начале классической Греции было распространено знание о том, что Земля имеет сферическую («круглую») форму. Около 240 г. до н.э. в результате плодотворного эксперимента Эратосфен ( 276–194 гг. до н.э.) точно оценил его окружность. В отличие от геоцентрических взглядов Аристотеля, Аристарх Самосский ( греч . Ἀρίσταρχος ; ок. 310 – ок. 230 до н. э.) представил явный аргумент в пользу гелиоцентрической модели Солнечной системы , то есть размещения Солнца , а не Земли , в ее центре. . Селевк Селевкийский , последователь гелиоцентрической теории Аристарха, утверждал, что Земля вращается вокруг собственной оси , которая, в свою очередь, вращается вокруг Солнца. Хотя использованные им аргументы были утеряны, Плутарх заявил, что Селевк был первым, кто доказал гелиоцентрическую систему посредством рассуждений.
В III веке до нашей эры греческий математик Архимед Сиракузский ( греч . Ἀρχιμήδης (287–212 до н. э.) – обычно считающийся величайшим математиком древности и одним из величайших математиков всех времен – заложил основы гидростатики , статики и вычислений. основная математика рычага . Ведущий ученый классической древности, Архимед также разработал сложную систему шкивов для перемещения больших объектов с минимальными усилиями. Винт Архимеда лежит в основе современной гидротехники, а его военные машины помогали сдерживать армии Рима в Первой Пунической войне.Архимед даже разорвал аргументы Аристотеля и его метафизику, указав на невозможность разделения математики и природы, и доказал это, превратив математические теории в практические изобретения.Кроме того, в своем труде «О плавающих телах » около 250 г. до н. э. Архимед разработал закон плавучести , также известный как принцип Архимеда . В математике Архимед использовал метод истощения для расчета площади под дугой параболы с помощью суммирования бесконечного ряда и дал замечательные результаты. точное приближение числа Пи . Он также определил спираль, носящую его имя , формулы объёмов поверхностей вращения и гениальную систему выражения очень больших чисел. Он также разработал принципы состояний равновесия и центров тяжести , идеи, которые оказали влияние на известных ученых, Галилея и Ньютона.
Гиппарх (190–120 гг. до н. э.), занимавшийся астрономией и математикой, использовал сложные геометрические методы для составления карт движения звезд и планет и даже предсказывал время солнечных затмений . Он добавил расчеты расстояния Солнца и Луны от Земли, основываясь на своих усовершенствованиях наблюдательных инструментов, использовавшихся в то время. Еще одним из самых известных ранних физиков был Птолемей (90–168 гг. н.э.), один из ведущих умов времен Римской империи . Птолемей был автором нескольких научных трактатов, по крайней мере три из которых имели непреходящее значение для более поздней исламской и европейской науки. Первый - астрономический трактат, ныне известный как Альмагест (по-гречески Ἡ Μεγάλη Σύνταξις, «Великий трактат», первоначально Μαθηματικὴ Σύνταξις, «Математический трактат»). Второй — « География» , представляющий собой подробное обсуждение географических знаний греко-римского мира .
Большая часть накопленных знаний древнего мира была утеряна. Даже из сочинений наиболее известных мыслителей сохранилось мало фрагментов. Хотя он написал не менее четырнадцати книг, из прямых работ Гиппарха почти ничего не сохранилось. Из 150 известных работ Аристотеля существует только 30, и некоторые из них представляют собой «немногим больше, чем конспекты лекций». [ по мнению кого? ]
Важные физико-математические традиции существовали также в древнекитайских и индийских науках .
В индийской философии Махариши Канада был первым, кто систематически развил теорию атомизма около 200 г. до н. э. [3] , хотя некоторые авторы относят его к более ранней эпохе, VI веку до н. э. [4] [5] В дальнейшем он был развит буддийскими атомистами Дхармакирти и Дигнагой в 1-м тысячелетии нашей эры. [6] Пакудха Каччаяна , индийский философ VI века до нашей эры и современник Гаутамы Будды , также выдвигал идеи об атомарном строении материального мира. Эти философы считали, что другие элементы (кроме эфира) физически осязаемы и, следовательно, состоят из мельчайших частиц материи. Последняя мельчайшая частица материи, которую нельзя было разделить дальше, называлась Парману . Эти философы считали атом неразрушимым и, следовательно, вечным. Буддисты считали атомы мельчайшими объектами, которые невозможно увидеть невооруженным глазом, которые возникают и исчезают в одно мгновение. Школа философов Вайшешики считала, что атом — это просто точка в пространстве . Он также был первым, кто изобразил взаимосвязь между движением и приложенной силой. Индийские теории об атоме очень абстрактны и связаны с философией, поскольку они основаны на логике, а не на личном опыте или экспериментах. В индийской астрономии Арьябхатия Арьябхаты ( 499 г. н. э.) предложил вращение Земли , а Нилакантха Сомаяджи (1444–1544) из школы астрономии и математики Кералы предложил полугелиоцентрическую модель, напоминающую систему Тихона .
Изучение магнетизма в Древнем Китае восходит к IV веку до нашей эры. (в « Книге Мастера Долины Дьявола »), [7] Основным вкладчиком в эту область был Шэнь Го (1031–1095), эрудит и государственный деятель, который первым описал компас с магнитной стрелкой, используемый для навигации, а также как установление концепции истинного севера . В оптике Шэнь Го самостоятельно разработал камеру-обскуру . [8]
В VII-XV веках в мусульманском мире происходил научный прогресс. На арабский язык были переведены многие классические произведения на индийском , ассирийском , сасанидском (персидском) и греческом языках , в том числе произведения Аристотеля . [9] Важный вклад внес Ибн аль-Хайсам (965–1040), арабский учёный, считающийся основоположником современной оптики . Птолемей и Аристотель предположили, что свет либо исходит из глаза, чтобы осветить объекты, либо что «формы» исходят от самих объектов, тогда как аль-Хайсам (известный под латинским названием «Альхазен») предположил, что свет попадает в глаз лучами из разных точек. на объекте. Работы Ибн аль-Хайсама и аль-Бируни (973–1050), персидского ученого, в конечном итоге перешли в Западную Европу, где их изучали такие ученые, как Роджер Бэкон и Вителло . [10]
Ибн аль-Хайсам использовал контролируемые эксперименты в своей работе по оптике, хотя насколько она отличалась от Птолемея, остается предметом споров. [11] [12] Арабские механики, такие как Бируни и Аль-Хазини, разработали сложную «науку о весе», выполняя измерения удельных весов и объемов [13]
Ибн Сина (980–1037), известный как «Авиценна», был эрудитом из Бухары (на территории современного Узбекистана ), внесшим важный вклад в физику, оптику, философию и медицину . Он опубликовал свою теорию движения в «Книге исцеления» (1020 г.), где утверждал, что метатель придает снаряду импульс, и полагал, что это временное свойство, которое будет уменьшаться даже в вакууме. Он считал его постоянным, требующим внешних сил, таких как сопротивление воздуха , чтобы рассеять его. [14] [15] [16] Ибн Сина провел различие между «силой» и «наклоном» (называемым «майлом») и утверждал, что объект приобретает майл, когда объект находится в противоречии со своим естественным движением. Он пришел к выводу, что продолжение движения объясняется наклоном, передаваемым объекту, и этот объект будет находиться в движении до тех пор, пока не израсходуется майл. Он также утверждал, что снаряд в вакууме не остановится, если на него не воздействовать. Эта концепция движения согласуется с первым законом движения Ньютона , инерцией , который гласит, что движущийся объект будет оставаться в движении, если на него не будет воздействовать внешняя сила. [14] Эта идея, которая расходилась с аристотелевской точкой зрения, была позже описана как « стимул » Джоном Буриданом , находившимся под влиянием « Книги исцеления» Ибн Сины . [17]
Хибат Аллах Абу'л-Баракат аль-Багдаади ( ок. 1080 – ок. 1165 ) принял и модифицировал теорию Ибн Сины о движении снаряда . В своем «Китаб аль-Мутабар» Абу'л-Баракат заявил, что движущийся объект придает сильное влечение ( майл касри ) движущемуся, и что оно уменьшается по мере удаления движущегося объекта от движущегося. [18] Он также предложил объяснение ускорения падающих тел накоплением последовательных приращений мощности с последовательными приращениями скорости . [19] Согласно Шломо Пайнсу , теория движения аль-Багдаади была «древнейшим отрицанием фундаментального динамического закона Аристотеля [а именно, что постоянная сила производит равномерное движение] [и, таким образом, является] смутным предвосхищением фундаментальный закон классической механики [а именно, что сила, приложенная непрерывно, вызывает ускорение]». [20] Жан Буридан и Альберт Саксонский позже сослались на Абу'л-Бараката, объясняя, что ускорение падающего тела является результатом его возрастающего импульса. [18]
Ибн Баджа ( ок. 1085–1138 ), известный в Европе как «Авемпейс», предположил, что на каждую силу всегда есть сила противодействия . Ибн Баджа был критиком Птолемея и работал над созданием новой теории скорости, которая заменила бы теорию Аристотеля. Два будущих философа поддержали теории, созданные Avempace, известные как динамика Avempace. Этими философами были Фома Аквинский , католический священник, и Иоанн Дунс Скот . [21] Галилей далее принял формулу Авемпейса, «что скорость данного объекта есть разница движущей силы этого объекта и сопротивления среды движения». [21]
Насир ад-Дин ат-Туси (1201–1274), персидский астроном и математик, умерший в Багдаде, представил чету Туси . Позже Коперник в значительной степени опирался на работы ад-Дина ат-Туси и его учеников, но без признания. [22]
Осведомленность о древних произведениях вновь пришла на Запад благодаря переводам с арабского языка на латынь . Их повторное введение в сочетании с иудео-исламскими богословскими комментариями оказало большое влияние на средневековых философов , таких как Фома Аквинский . Европейские учёные-схоласты , стремившиеся примирить философию античных философов-классиков с христианским богословием , провозгласили Аристотеля величайшим мыслителем древнего мира. В тех случаях, когда они прямо не противоречили Библии, аристотелевская физика становилась основой физических объяснений европейских церквей. Количественная оценка стала основным элементом средневековой физики. [23]
Схоластическая физика, основанная на аристотелевской физике, описывала вещи как движущиеся в соответствии с их существенной природой. Небесные объекты описывались как движущиеся по кругу, поскольку идеальное круговое движение считалось врожденным свойством объектов, существовавших в нетленном царстве небесных сфер . Теория импульса , прародительница концепций инерции и импульса , была разработана в аналогичном направлении средневековыми философами, такими как Иоанн Филопон и Жан Буридан . Движения под лунной сферой считались несовершенными, и поэтому нельзя было ожидать, что они будут демонстрировать последовательное движение. Более идеализированное движение в «подлунной» сфере могло быть достигнуто только с помощью искусственного интеллекта , и до 17 века многие не рассматривали искусственные эксперименты как действенное средство познания мира природы. Физические объяснения в подлунном мире вращаются вокруг тенденций. Камни содержали элемент земли, а земные объекты имели тенденцию двигаться по прямой линии к центру Земли (и Вселенной в аристотелевской геоцентрической точке зрения), если иное не препятствовало этому. [24]
В XVI и XVII веках в Европе произошел крупный прогресс научного прогресса, известный как Научная революция . Неудовлетворенность старыми философскими подходами началась раньше и привела к другим изменениям в обществе, таким как протестантская Реформация , но революция в науке началась, когда натурфилософы начали проводить постоянную атаку на схоластическую философскую программу и предположили, что математические описательные схемы, заимствованные из такие области, как механика и астрономия, могли бы фактически дать универсально значимые характеристики движения и других концепций.
Прорыв в астрономии совершил польский астроном Николай Коперник (1473–1543), когда в 1543 году он привел веские аргументы в пользу гелиоцентрической модели Солнечной системы, якобы как средство сделать таблицы, изображающие движение планет, более точными и упростить их. производство. В гелиоцентрических моделях Солнечной системы Земля вращается вокруг Солнца вместе с другими телами в земной галактике , что является противоречием, по мнению греко-египетского астронома Птолемея (2 век н. э.; см. выше), чья система поместила Землю в центр Вселенной и была принята уже более 1400 лет. Греческий астроном Аристарх Самосский ( ок. 310 – ок. 230 до н. э.) предположил, что Земля вращается вокруг Солнца, но рассуждения Коперника привели к прочному всеобщему признанию этой «революционной» идеи. Книга Коперника, излагающая эту теорию ( De Revolutionibus orbium coelestium , «О вращении небесных сфер»), была опубликована незадолго до его смерти в 1543 году и, поскольку теперь обычно считается, что она знаменует собой начало современной астрономии, также считается положило начало научной революции. [ нужна цитата ] Новая перспектива Коперника, наряду с точными наблюдениями, сделанными Тихо Браге , позволила немецкому астроному Иоганну Кеплеру (1571–1630) сформулировать свои законы относительно движения планет , которые используются и сегодня.
Итальянский математик, астроном и физик Галилео Галилей (1564–1642) прославился своей поддержкой коперниканства, астрономическими открытиями, эмпирическими экспериментами и усовершенствованием телескопа. Роль Галилея как математика в университетской культуре его эпохи была подчинена трем основным темам изучения: праву , медицине и теологии (которая была тесно связана с философией). Галилей, однако, считал, что описательное содержание технических дисциплин заслуживает философского интереса, особенно потому, что математический анализ астрономических наблюдений – в частности, анализ Коперником относительных движений Солнца , Земли, Луны и планет – указывал на то, что утверждения философов мнение о природе Вселенной может оказаться ошибочным. Галилей также проводил механические эксперименты, настаивая на том, что само движение – независимо от того, было ли оно произведено «естественным» или «искусственным» (то есть намеренным) – имело универсально согласованные характеристики, которые можно было описать математически.
Вначале Галилей учился в Пизанском университете в области медицины, но вскоре его увлекли математика и физика. В 19 лет он обнаружил (и впоследствии подтвердил ) изохронную природу маятника, когда , используя свой пульс, рассчитал время колебаний качающейся лампы в Пизанском соборе и обнаружил, что он оставался одинаковым при каждом колебании независимо от амплитуды колебания . . Вскоре он стал известен благодаря изобретению гидростатических весов и трактату о центре тяжести твердых тел. Преподавая в Пизанском университете (1589–92), он начал свои эксперименты, касающиеся законов движения тел, которые дали результаты, настолько противоречащие общепринятым учениям Аристотеля, что возник сильный антагонизм. Он обнаружил, что тела падают со скоростью, не пропорциональной их весу. Знаменитая история, в которой утверждается, что Галилей сбросил гирю с Пизанской башни, является апокрифом, но он обнаружил, что траектория снаряда представляет собой параболу , и ему приписывают выводы, предвосхищающие законы движения Ньютона (например, понятие инерция). Среди них есть то, что сейчас называется теорией относительности Галилея , первое точно сформулированное утверждение о свойствах пространства и времени за пределами трехмерной геометрии . [ нужна цитата ]
Галилея называли «отцом современной наблюдательной астрономии », [25] «отцом современной физики», «отцом науки» [26] и «отцом современной науки ». [27] По словам Стивена Хокинга , «Галилей, возможно, больше, чем любой другой человек, был ответственен за рождение современной науки». [28] Поскольку религиозная ортодоксия провозгласила геоцентрическое или тихоническое понимание Солнечной системы, поддержка Галилеем гелиоцентризма вызвала споры, и его судила инквизиция . Найденный «яростно подозреваемым в ереси», он был вынужден отречься и провел остаток своей жизни под домашним арестом.
Вклад, который Галилей внес в наблюдательную астрономию, включает телескопическое подтверждение фаз Венеры ; его открытие в 1609 году четырех крупнейших спутников Юпитера (впоследствии получивших собирательное название « галилеевы спутники »); и наблюдение и анализ солнечных пятен . Галилей также занимался прикладной наукой и технологиями, изобретая, среди других инструментов, военный компас . Его открытие спутников Юпитера было опубликовано в 1610 году и позволило ему получить должность математика и философа при дворе Медичи . Таким образом, от него ожидалось участие в дебатах с философами аристотелевской традиции, и он получил большую аудиторию благодаря своим собственным публикациям, таким как «Беседы и математические демонстрации относительно двух новых наук » (изданные за границей после его ареста за публикацию « Диалога о двух новых науках»). Главные Мировые Системы ) и Пробирщик . [29] [30] Интерес Галилея к экспериментированию и формулированию математических описаний движения сделал экспериментирование неотъемлемой частью натуральной философии. Эта традиция, в сочетании с нематематическим акцентом на сбор «экспериментальных историй» философскими реформистами, такими как Уильям Гилберт и Фрэнсис Бэкон , привлекла значительное количество последователей в годы, предшествовавшие и после смерти Галилея, включая Евангелисту Торричелли и участников. в Академии дель Чименто в Италии; Марин Мерсенн и Блез Паскаль во Франции; Христиан Гюйгенс в Нидерландах; и Роберт Гук и Роберт Бойл в Англии.
Французский философ Рене Декарт (1596–1650) имел хорошие связи и влияние в сетях экспериментальной философии того времени. Однако у Декарта была более амбициозная программа, направленная на полную замену схоластической философской традиции. Ставя под сомнение реальность, интерпретируемую через чувства, Декарт стремился восстановить философские объяснительные схемы, сводя все воспринимаемые явления к движению невидимого моря «корпускул». (Примечательно, что он исключил из своей схемы человеческую мысль и Бога , считая их отдельными от физической вселенной). Предлагая эту философскую основу, Декарт предполагал, что различные виды движения, например движения планет и движения земных объектов, не являются фундаментально разными, а являются просто разными проявлениями бесконечной цепи корпускулярных движений, подчиняющихся универсальным принципам. Особенно влиятельными были его объяснения круговых астрономических движений с точки зрения вихревого движения корпускул в пространстве (Декарт утверждал, в соответствии с убеждениями, если не с методами схоластики, что вакуум не может существовать ), а также его объяснение гравитация с точки зрения корпускул, толкающих объекты вниз. [31] [32] [33]
Декарт, как и Галилей, был убежден в важности математического объяснения, и он и его последователи были ключевыми фигурами в развитии математики и геометрии в 17 веке. Декартовские математические описания движения утверждали, что все математические формулировки должны быть оправданы с точки зрения прямого физического действия. Эту позицию придерживались Гюйгенс и немецкий философ Готфрид Лейбниц , который, следуя картезианской традиции, разработал свою собственную философскую альтернативу схоластике. которую он изложил в своей работе 1714 года « Монадология» . Декарта называли «отцом современной философии», и большая часть последующей западной философии была ответом на его труды, которые внимательно изучаются и по сей день. В частности, его «Размышления о первой философии» продолжают оставаться стандартным учебником на большинстве университетских философских факультетов. Влияние Декарта на математику столь же очевидно; декартова система координат , позволяющая выражать алгебраические уравнения в виде геометрических фигур в двумерной системе координат , была названа в его честь. Его считают отцом аналитической геометрии , моста между алгеброй и геометрией , важного для открытия исчисления и анализа .
Голландский физик, математик, астроном и изобретатель Христиан Гюйгенс (1629–1695) был ведущим ученым Европы между Галилеем и Ньютоном. Гюйгенс происходил из дворянской семьи, занимавшей важное положение в голландском обществе 17 века; время, когда Голландская республика процветала в экономическом и культурном отношении. Этот период — примерно между 1588 и 1702 годами — истории Нидерландов также называют Золотым веком Нидерландов , эпохой научной революции, когда голландская наука была одной из самых известных в Европе. В это время в Нидерландах проживали такие интеллектуалы и учёные, как Рене Декарт, Барух Спиноза , Пьер Бейль , Антони ван Левенгук , Джон Локк и Гуго Гроций . Именно в этой интеллектуальной среде вырос Христиан Гюйгенс. Отец Кристиана, Константин Гюйгенс , был, помимо важного поэта, секретарем и дипломатом принцев Оранских. Он знал многих ученых своего времени благодаря своим контактам и интеллектуальным интересам, в том числе Рене Декарта и Марина Мерсенна , и именно благодаря этим контактам Христиан Гюйгенс узнал об их работах. Особенно Декарт, чья механистическая философия оказала огромное влияние на работы Гюйгенса. Позже Декарт был впечатлен способностями Христиана Гюйгенса в геометрии, как и Мерсенн, который окрестил его «новым Архимедом» (из-за чего Константин стал называть своего сына «мой маленький Архимед»).
Вундеркинд, Гюйгенс начал переписку с Марином Мерсенном, когда ему было 17 лет. Гюйгенс заинтересовался азартными играми , когда познакомился с работами Ферма , Блеза Паскаля и Жирара Дезарга . Именно Блез Паскаль вдохновил его на написание « Ван Рекенинга» в «Spelen van Gluck» , которое Франс ван Скутен перевел и опубликовал под названием «De Ratiociniis in Ludo Aleae» в 1657 году. последовательное изложение математического подхода к азартным играм. Два года спустя Гюйгенс вывел геометрически теперь стандартные формулы классической механики для центростремительной и центробежной силы в своей работе De vi Centrifuga (1659). Примерно в то же время исследования Гюйгенса в области часового искусства привели к изобретению маятниковых часов ; прорыв в хронометрии и самый точный хронометр за почти 300 лет. Теоретическое исследование того, как работает маятник, в конечном итоге привело к публикации одного из его самых важных достижений: Horologium Oscillatorium . Эта работа была опубликована в 1673 году и стала одной из трех наиболее важных работ 17 века по механике (двумя другими являются « Рассуждения и математические демонстрации, относящиеся к двум новым наукам» Галилея (1638 г.) и «Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica» Ньютона (1687 г.) [34] ). . « Horologium Oscillatorium» — первый современный трактат, в котором физическая проблема ( ускоренное движение падающего тела) идеализируется с помощью набора параметров, а затем математически анализируется, и представляет собой одну из плодотворных работ прикладной математики . [35] [36] Именно по этой причине Гюйгенса называют первым физиком-теоретиком и одним из основателей современной математической физики . [37] [38] «Horologium Oscillatorium» Гюйгенса оказал огромное влияние на историю физики, особенно на работы Исаака Ньютона, который очень восхищался этой работой. Например, законы Гюйгенса, описанные в «Horologium Oscillatorium» , структурно аналогичны первым двум законам движения Ньютона . [39]
Через пять лет после публикации своей книги «Horologium Oscillatorium» Гюйгенс описал свою волновую теорию света . Хотя оно было предложено в 1678 году, оно не было опубликовано до 1690 года в его «Трактате о Люмьере» . Его математическая теория света первоначально была отвергнута в пользу корпускулярной теории света Ньютона, пока в 1821 году Огюстен-Жан Френель не принял принцип Гюйгенса, чтобы дать полное объяснение прямолинейного распространения и дифракционных эффектов света. Сегодня этот принцип известен как Принцип Гюйгенса-Френеля . Будучи астрономом, Гюйгенс начал шлифовать линзы вместе со своим братом Константином-младшим. построить телескопы для астрономических исследований. Он был первым, кто определил кольца Сатурна как «тонкое, плоское кольцо, нигде не соприкасающееся и наклоненное к эклиптике», и открыл первый из спутников Сатурна, Титан , с помощью телескопа-рефрактора .
Помимо многих важных открытий, сделанных Гюйгенсом в физике и астрономии, а также изобретений им хитроумных устройств, он был также первым, кто привнес математическую строгость в описание физических явлений. Из-за этого, а также из-за того, что он разработал институциональные рамки для научных исследований на континенте, его называют «ведущим действующим лицом в «создании науки в Европе » » [40].
В конце 17 — начале 18 веков были отмечены достижения физика и математика Кембриджского университета сэра Исаака Ньютона (1642–1727). Ньютон, член Королевского общества Англии , объединил свои открытия в механике и астрономии с более ранними, чтобы создать единую систему описания устройства Вселенной. Ньютон сформулировал три закона движения, которые сформулировали связь между движением и объектами, а также закон всемирного тяготения , последний из которых можно было использовать для объяснения поведения не только падающих на Землю тел, но также планет и других небесных тел. Чтобы прийти к своим результатам, Ньютон изобрел одну из форм совершенно новой отрасли математики: исчисление (также изобретенное независимо Готфридом Лейбницем ), которое должно было стать важным инструментом в большей части последующего развития большинства разделов физики. Открытия Ньютона были изложены в его книге Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica («Математические принципы естественной философии»), публикация которой в 1687 году ознаменовала начало современного периода механики и астрономии.
Ньютон смог опровергнуть картезианскую механическую традицию, согласно которой все движения следует объяснять непосредственной силой, действующей на корпускулы. Используя свои три закона движения и закон всемирного тяготения, Ньютон отказался от идеи о том, что объекты следуют по путям, определяемым естественными формами, и вместо этого продемонстрировал, что не только регулярно наблюдаемые пути, но и все будущие движения любого тела могут быть математически выведены на основе знания о их существующее движение, их массу и силы , действующие на них. Однако наблюдаемые небесные движения не совсем соответствовали ньютоновской трактовке, и Ньютон, который также глубоко интересовался теологией , воображал, что Бог вмешался, чтобы обеспечить дальнейшую стабильность Солнечной системы.
Принципы Ньютона (но не его математические подходы) вызвали споры среди континентальных философов, которые с философской точки зрения считали отсутствие у него метафизического объяснения движения и гравитации неприемлемым. Начиная примерно с 1700 года, между континентальной и британской философскими традициями возник горький раскол, который был подогреваем жаркими, постоянными и жестокими личными спорами между последователями Ньютона и Лейбница по поводу приоритета над аналитическими методами исчисления, которые каждый из них разработал независимо. Первоначально на континенте преобладали картезианская и лейбницианская традиции (что привело к доминированию лейбницевской системы обозначений исчисления повсюду, кроме Британии). Сам Ньютон в частном порядке был обеспокоен отсутствием философского понимания гравитации, хотя в своих трудах настаивал на том, что в этом нет необходимости, чтобы сделать вывод о ее реальности. По мере развития XVIII века континентальные натурфилософы все чаще принимали готовность ньютоновцев отказаться от онтологических метафизических объяснений математически описываемых движений. [41] [42] [43]
Ньютон построил первый действующий телескоп-рефлектор [44] и разработал теорию цвета, опубликованную в журнале «Оптика» , основанную на наблюдении, что призма разлагает белый свет на множество цветов, образующих видимый спектр . В то время как Ньютон объяснял свет как состоящее из мельчайших частиц, конкурирующая теория света, объяснявшая его поведение с помощью волн, была представлена в 1690 году Христианом Гюйгенсом. Однако вера в механистическую философию в сочетании с репутацией Ньютона означала, что волновая теория пользовалась относительно небольшой поддержкой до 19 века. Ньютон также сформулировал эмпирический закон охлаждения , изучил скорость звука , исследовал степенные ряды , продемонстрировал обобщенную биномиальную теорему и разработал метод приближения корней функции . Его работа над бесконечными рядами была вдохновлена десятичными дробями Саймона Стевина . [45] Самое главное, Ньютон показал, что движения объектов на Земле и небесных тел управляются одним и тем же набором естественных законов, которые не были ни капризными, ни злонамеренными. Продемонстрировав соответствие законов движения планет Кеплера своей собственной теории гравитации, Ньютон также развеял последние сомнения относительно гелиоцентризма. Объединив воедино все идеи, выдвинутые во время научной революции, Ньютон фактически заложил основу современного общества в области математики и естественных наук.
Другие разделы физики также привлекли внимание в период научной революции. Уильям Гилберт , придворный врач королевы Елизаветы I , опубликовал в 1600 году важную работу по магнетизму, описывающую, как сама Земля ведет себя как гигантский магнит. Роберт Бойль (1627–91) изучал поведение газов, заключенных в камеру, и сформулировал названный в его честь газовый закон ; он также внес вклад в физиологию и в создание современной химии. Другим важным фактором научной революции стал рост научных обществ и академий в различных странах. Самые ранние из них были в Италии и Германии и просуществовали недолго. Более влиятельными были Королевское общество Англии (1660 г.) и Академия наук Франции (1666 г.). Первый был частным учреждением в Лондоне и включал таких ученых, как Джон Уоллис , Уильям Браункер , Томас Сиденхэм , Джон Мэйоу и Кристофер Рен (которые внесли свой вклад не только в архитектуру, но также в астрономию и анатомию); последний, находившийся в Париже, был правительственным учреждением и включал в себя в качестве иностранного члена голландца Гюйгенса. В 18 веке важные королевские академии были созданы в Берлине (1700 г.) и Санкт-Петербурге (1724 г.). Общества и академии предоставили основные возможности для публикации и обсуждения научных результатов во время и после научной революции. В 1690 году Джеймс Бернулли показал, что циклоида является решением проблемы таутохроны; а в следующем году, в 1691 году, Иоганн Бернулли показал, что цепь, свободно подвешенная в двух точках, образует цепную связь , кривую с максимально низким центром тяжести, доступную для любой цепи, подвешенной между двумя фиксированными точками. Затем в 1696 году он показал, что циклоида является решением проблемы брахистохроны .
Предшественник двигателя был разработан немецким ученым Отто фон Герике , который в 1650 году спроектировал и построил первый в мире вакуумный насос для создания вакуума , как это было продемонстрировано в эксперименте с Магдебургскими полушариями . Он был вынужден создать вакуум, чтобы опровергнуть давнее предположение Аристотеля о том, что «природа не терпит вакуума» . Вскоре после этого ирландский физик и химик Бойль узнал о проектах Герике и в 1656 году совместно с английским ученым Робертом Гуком построил воздушный насос. Используя этот насос, Бойль и Гук заметили корреляцию давления и объема газа: PV = k , где P — давление , V — объем , а k — константа: эта зависимость известна как закон Бойля . В то время воздух считался системой неподвижных частиц, а не интерпретировался как система движущихся молекул. Концепция теплового движения появилась два столетия спустя. Поэтому в публикации Бойля 1660 года говорится о механической концепции: воздушной пружине. [46] Позже, после изобретения термометра, температуру свойства можно было определить количественно. Этот инструмент дал Гей-Люссаку возможность вывести свой закон , который вскоре привел к закону идеального газа . Но еще до установления закона идеального газа сотрудник Бойля по имени Денис Папен построил в 1679 году варочный котел для костей, который представляет собой закрытый сосуд с плотно закрывающейся крышкой, удерживающий пар до тех пор, пока не будет создано высокое давление.
В более поздних конструкциях был реализован клапан выпуска пара, чтобы машина не взорвалась. Наблюдая за ритмичным движением клапана вверх и вниз, Папен придумал идею поршневого и цилиндрического двигателя. Однако он не реализовал свой замысел. Тем не менее в 1697 году по проектам Папена инженер Томас Савери построил первый двигатель. Хотя эти ранние двигатели были грубыми и неэффективными, они привлекли внимание ведущих ученых того времени. Следовательно, до 1698 года и изобретения двигателя Savery , лошади использовались для привода шкивов, прикрепленных к ведрам, которые поднимали воду из затопленных соляных шахт в Англии. В последующие годы были построены новые варианты паровых двигателей, такие как двигатель Ньюкомена , а позже двигатель Ватта . Со временем эти первые двигатели в конечном итоге будут использоваться вместо лошадей. Таким образом, каждый двигатель стал ассоциироваться с определенным количеством «лошадиных сил» в зависимости от того, сколько лошадей он заменил. Основная проблема этих первых двигателей заключалась в том, что они были медленными и неуклюжими, преобразуя в полезную работу менее 2% входного топлива . Другими словами, нужно было сжечь большое количество угля (или древесины), чтобы получить лишь небольшую часть объема работы. Отсюда родилась потребность в новой науке о динамике двигателей.
В XVIII веке механика, основанная Ньютоном, была разработана несколькими учеными по мере того, как все больше математиков изучали исчисление и разрабатывали его первоначальную формулировку. Применение математического анализа к проблемам движения было известно как рациональная механика или смешанная математика (позже она была названа классической механикой ).
-Portrait-Portr_10971.tif_(cropped).jpg/1280px-ETH-BIB-Bernoulli,_Daniel_(1700-1782)-Portrait-Portr_10971.tif_(cropped).jpg)
В 1714 году Брук Тейлор вывел основную частоту натянутой колеблющейся струны через ее натяжение и массу на единицу длины, решив дифференциальное уравнение . Швейцарский математик Даниэль Бернулли (1700–1782) провел важные математические исследования поведения газов, предвосхитив кинетическую теорию газов, разработанную более века спустя, и был назван первым физиком-математиком. [47] В 1733 году Даниэль Бернулли вывел основную частоту и гармоники висячей цепи, решив дифференциальное уравнение. В 1734 году Бернулли решил дифференциальное уравнение колебаний упругого стержня, зажатого на одном конце. Трактовка Бернулли гидродинамики и его исследование потока жидкости были представлены в его работе 1738 года «Гидродинамика» .
Рациональная механика занималась прежде всего разработкой сложных математических трактовок наблюдаемых движений, используя принципы Ньютона в качестве основы, и делала упор на улучшение управляемости сложных вычислений и разработку законных средств аналитической аппроксимации. Представительный современный учебник был опубликован Иоганном Батистом Хорватом . К концу века аналитические подходы стали достаточно строгими, чтобы проверять стабильность Солнечной системы исключительно на основе законов Ньютона, без ссылки на божественное вмешательство, даже несмотря на то, что детерминистские подходы к таким простым системам, как проблема трех тел в гравитации, оставались неразрешимыми. [48] В 1705 году Эдмонд Галлей предсказал периодичность кометы Галлея , Уильям Гершель открыл Уран в 1781 году, а Генри Кавендиш измерил гравитационную постоянную и определил массу Земли в 1798 году. В 1783 году Джон Мичелл предположил, что некоторые объекты могут быть настолько массивные, что даже свет не мог вырваться из них.
В 1739 году Леонард Эйлер решил обыкновенное дифференциальное уравнение вынужденного гармонического осциллятора и заметил явление резонанса. В 1742 году Колен Маклорен открыл свои равномерно вращающиеся самогравитирующие сфероиды . В 1742 году Бенджамин Робинс опубликовал свои «Новые принципы артиллерийского дела» , положившие начало науке аэродинамики. Британские работы, проводимые такими математиками, как Тейлор и Маклорен, в течение столетия отставали от континентальных разработок. Тем временем в научных академиях на континенте процветала работа, возглавляемая такими математиками, как Бернулли и Эйлер, а также Жозеф-Луи Лагранж , Пьер-Симон Лаплас и Адриен-Мари Лежандр . В 1743 году Жан ле Рон д'Аламбер опубликовал свой «Трактат о динамике» , в котором он ввел концепцию обобщенных сил для ускорения систем и систем с ограничениями и применил новую идею виртуальной работы для решения динамической задачи, теперь известной как D' Принцип Аламбера как конкурент второго закона движения Ньютона. В 1747 году Пьер Луи Мопертюи применил к механике минимальные принципы. В 1759 году Эйлер решил уравнение в частных производных вибрации прямоугольного барабана. В 1764 году Эйлер исследовал уравнение в частных производных вибрации круглого барабана и нашел одно из решений функции Бесселя. В 1776 году Джон Смитон опубликовал статью об экспериментах, связывающих мощность, работу , импульс и кинетическую энергию , а также подтверждающих сохранение энергии . В 1788 году Лагранж представил свои уравнения движения в «Аналитической механике» , в которых вся механика была организована вокруг принципа виртуальной работы. В 1789 году Антуан Лавуазье сформулировал закон сохранения массы . Рациональная механика, разработанная в XVIII веке, была изложена как в « Аналитической механике » Лагранжа, так и в «Трактате о небесной механике» Лапласа (1799–1825).
В 18 веке термодинамика развивалась посредством теорий невесомых «невесомых жидкостей» , таких как тепло («калорийность»), электричество и флогистон (которая была быстро отвергнута как концепция после того, как Лавуазье в конце века идентифицировал газообразный кислород ). . Если предположить, что эти концепции были реальными жидкостями, их течение можно было проследить с помощью механического устройства или химических реакций. Эта традиция экспериментирования привела к разработке новых видов экспериментального оборудования, таких как Лейденская банка ; и новые виды измерительных приборов, например калориметр , и улучшенные версии старых, например термометр . Эксперименты также привели к появлению новых концепций, таких как идея скрытого тепла экспериментатора из Университета Глазго Джозефа Блэка и характеристика электрической жидкости из Филадельфии Бенджамина Франклина как текущей между местами избытка и дефицита (эта концепция позже была переосмыслена с точки зрения положительного и отрицательного). отрицательные заряды ). Франклин также показал, что молния — это электричество, в 1752 году.
Принятая в XVIII веке теория тепла рассматривала его как своего рода жидкость, называемую теплородной ; хотя позже было показано, что эта теория ошибочна, ряд придерживавшихся ее ученых, тем не менее, сделали важные открытия, полезные для развития современной теории, в том числе Джозеф Блэк (1728–99) и Генри Кавендиш (1731–1810). Этой теории теплорода, разработанной главным образом химиками, противостояла менее общепринятая теория времен Ньютона, согласно которой тепло возникает в результате движения частиц вещества. Эта механическая теория получила поддержку в 1798 году в результате экспериментов по пушечному бурению графа Румфорда ( Бенджамина Томпсона ), который обнаружил прямую связь между теплом и механической энергией.
Хотя в начале 18 века было признано, что открытие абсолютных теорий электростатических и магнитных сил, родственных принципам движения Ньютона, было бы важным достижением, ни одного из них так и не последовало. Эта невозможность постепенно исчезла по мере того, как экспериментальная практика стала более распространенной и усовершенствованной в первые годы XIX века в таких местах, как недавно созданный Королевский институт в Лондоне. Тем временем аналитические методы рациональной механики начали применяться к экспериментальным явлениям, наибольшее влияние оказала аналитическая трактовка потока тепла французским математиком Жозефом Фурье , опубликованная в 1822 году. [49] [50] [51] Джозеф Пристли предложил электрический закон обратных квадратов в 1767 году, а Шарль-Огюстен де Кулон ввел закон обратных квадратов электростатики в 1798 году.
В конце века члены Французской академии наук добились явного доминирования в этой области. [43] [52] [53] [54] В то же время экспериментальная традиция, заложенная Галилеем и его последователями, сохранилась. Королевское общество и Французская академия наук были крупными центрами проведения и отчетности об экспериментальной работе. Эксперименты в механике, оптике, магнетизме , статическом электричестве , химии и физиологии на протяжении XVIII века четко не отличались друг от друга, но выявлялись существенные различия в объяснительных схемах и, следовательно, в постановке экспериментов. Химические экспериментаторы, например, бросили вызов попыткам навязать химическую принадлежность схеме абстрактных сил Ньютона и вместо этого сосредоточились на изоляции и классификации химических веществ и реакций. [55]
В 1821 году Уильям Гамильтон начал анализ характеристической функции Гамильтона. В 1835 году он сформулировал канонические уравнения движения Гамильтона .
В 1813 году Питер Юарт поддержал идею сохранения энергии в своей статье «О мере движущей силы» . В 1829 году Гаспар Кориолис ввел термины работа (сила, умноженная на расстояние) и кинетическая энергия в том значении, которое они имеют сегодня. В 1841 году Юлиус Роберт фон Майер , учёный -любитель , написал статью о сохранении энергии, хотя отсутствие у него академической подготовки привело к её отклонению. В 1847 году Герман фон Гельмгольц официально сформулировал закон сохранения энергии.
В 1800 году Алессандро Вольта изобрел электрическую батарею (известную как вольтова столба ) и тем самым улучшил способ изучения электрических токов. Год спустя Томас Янг продемонстрировал волновую природу света, получившую сильное экспериментальное подтверждение в работах Огюстена-Жана Френеля , и принцип интерференции. В 1820 году Ганс Кристиан Эрстед обнаружил, что проводник с током порождает окружающую его магнитную силу, а через неделю после того, как открытие Эрстеда достигло Франции, Андре-Мари Ампер обнаружил, что два параллельных электрических тока будут оказывать друг на друга силы. В 1821 году Майкл Фарадей построил двигатель с электрическим приводом, а Георг Ом в 1826 году сформулировал свой закон электрического сопротивления, выражающий взаимосвязь между напряжением, током и сопротивлением в электрической цепи.
В 1831 году Фарадей (и независимо Джозеф Генри ) открыл обратный эффект: создание электрического потенциала или тока посредством магнетизма, известного как электромагнитная индукция ; эти два открытия легли в основу электродвигателя и электрогенератора соответственно.
В 19 веке связь между теплотой и механической энергией была установлена количественно Юлиусом Робертом фон Майером и Джеймсом Прескоттом Джоулем , которые измерили механический эквивалент тепла в 1840-х годах. В 1849 году Джоуль опубликовал результаты серии своих экспериментов (включая эксперимент с гребным колесом), которые показывают, что тепло — это форма энергии, и этот факт был признан в 1850-х годах. Связь между теплом и энергией сыграла важную роль в разработке паровых машин, и в 1824 году была опубликована экспериментальная и теоретическая работа Сади Карно . Карно уловил некоторые идеи термодинамики в своем обсуждении эффективности идеализированного двигателя. Работа Сади Карно послужила основой для формулировки первого закона термодинамики — повторной формулировки закона сохранения энергии — который был сформулирован около 1850 года Уильямом Томсоном , позже известным как лорд Кельвин, и Рудольфом Клаузиусом . Лорд Кельвин, который в 1848 году распространил концепцию абсолютного нуля на газы на все вещества, опирался на инженерную теорию Лазара Карно , Сади Карно и Эмиля Клапейрона , а также на эксперименты Джеймса Прескотта Джоуля по взаимозаменяемости механических, химическая, тепловая и электрическая формы работы — сформулировать первый закон.
Кельвин и Клаузиус также сформулировали второй закон термодинамики , который первоначально был сформулирован в терминах того факта, что тепло не переходит самопроизвольно от более холодного тела к более горячему. Вскоре последовали и другие формулировки (например, второй закон был изложен во влиятельной работе Томсона и Питера Гатри Тейта «Трактат о естественной философии »), и Кельвин, в частности, понимал некоторые общие последствия закона. Второй закон – идея о том, что газы состоят из движущихся молекул – довольно подробно обсуждался Даниэлем Бернулли в 1738 году, но потерял популярность и был возрожден Клаузиусом в 1857 году. В 1850 году Ипполит Физо и Леон Фуко измерили скорость света в воде и обнаружили, что она медленнее, чем в воздухе, что подтверждает волновую модель света. В 1852 году Джоуль и Томсон продемонстрировали, что быстро расширяющийся газ охлаждается, что позже было названо эффектом Джоуля-Томсона или эффектом Джоуля-Кельвина. Герман фон Гельмгольц выдвинул идею о тепловой смерти Вселенной в 1854 году, в том же году, когда Клаузиус установил важность dQ/T ( теоремы Клаузиуса ) (правда, он еще не назвал эту величину).
В 1859 году Джеймс Клерк Максвелл открыл закон распределения скоростей молекул . Максвелл показал, что электрические и магнитные поля распространяются наружу от своего источника со скоростью, равной скорости света, и что свет представляет собой один из нескольких видов электромагнитного излучения, отличающийся от остальных только частотой и длиной волны. В 1859 году Максвелл разработал математику распределения скоростей молекул газа. Волновая теория света получила широкое признание ко времени работы Максвелла над электромагнитным полем, и впоследствии исследования света, электричества и магнетизма были тесно связаны. В 1864 году Джеймс Максвелл опубликовал свои статьи по динамической теории электромагнитного поля и заявил, что свет является электромагнитным явлением в публикации 1873 года « Трактата об электричестве и магнетизме» Максвелла . Эта работа опиралась на теоретические работы немецких теоретиков, таких как Карл Фридрих Гаусс и Вильгельм Вебер . Инкапсуляция тепла в движении частиц и добавление электромагнитных сил к ньютоновской динамике создали чрезвычайно прочную теоретическую основу для физических наблюдений.
Предсказание о том, что свет представляет собой передачу энергии в волновой форме через « светоносный эфир », и кажущееся подтверждение этого предсказания обнаружением электромагнитного излучения студентом Гельмгольца Генрихом Герцем в 1888 году было большим триумфом физической теории и открыло возможность что вскоре могут быть разработаны еще более фундаментальные теории, основанные на этой области. [56] [57] [58] [59] Экспериментальное подтверждение теории Максвелла было предоставлено Герцем, который сгенерировал и обнаружил электрические волны в 1886 году и проверил их свойства, в то же время предвещая их применение в радио, телевидении и других устройствах. . В 1887 году Генрих Герц открыл фотоэлектрический эффект . Вскоре после этого начались исследования электромагнитных волн, и многие ученые и изобретатели проводили эксперименты по изучению их свойств. В середине-конце 1890-х годов Гульельмо Маркони разработал систему беспроводной телеграфии на основе радиоволн [60] (см. изобретение радио ).
Атомная теория вещества была вновь предложена в начале 19 века химиком Джоном Дальтоном и стала одной из гипотез кинетико-молекулярной теории газов, разработанной Клаузиусом и Джеймсом Клерком Максвеллом для объяснения законов термодинамики.
Кинетическая теория, в свою очередь, привела к революционному подходу к науке — статистической механике Людвига Больцмана (1844–1906) и Иосии Уилларда Гиббса (1839–1903), которая изучает статистику микросостояний системы и использует статистику для определения состояния. физической системы. Взаимосвязывая статистическую вероятность определенных состояний организации этих частиц с энергией этих состояний, Клаузиус по-новому интерпретировал диссипацию энергии как статистическую тенденцию молекулярных конфигураций переходить ко все более вероятным и все более дезорганизованным состояниям (введя термин « энтропия » для обозначения описывают дезорганизацию государства). Статистическая и абсолютная интерпретации второго закона термодинамики породили спор, который продлится несколько десятилетий (приводя к таким аргументам, как « демон Максвелла ») и который не будет считаться окончательно разрешенным до тех пор, пока поведение атомов не будет твердо установлено. в начале 20 века. [61] [62] В 1902 году Джеймс Джинс обнаружил масштаб длины, необходимый для роста гравитационных возмущений в статической, почти однородной среде.
В 1822 году ботаник Роберт Браун открыл броуновское движение : пыльцевые зерна в воде перемещаются в результате их бомбардировки быстродвижущимися атомами или молекулами жидкости.
В 1834 году Карл Якоби открыл свои равномерно вращающиеся самогравитирующие эллипсоиды ( эллипсоид Якоби ).
В 1834 году Джон Рассел наблюдал незатухающую одиночную водную волну ( солитон ) в канале Юнион недалеко от Эдинбурга и использовал резервуар с водой для изучения зависимости скорости одиночной водяной волны от амплитуды волны и глубины воды. В 1835 году Гаспар Кориолис теоретически исследовал механический КПД водяных колес и вывел эффект Кориолиса . В 1842 году Кристиан Доплер предложил эффект Доплера .
В 1851 году Леон Фуко показал вращение Земли с помощью огромного маятника ( Маятник Фуко ).
В первой половине века в механике сплошных сред были достигнуты важные успехи , а именно: формулировка законов упругости твердых тел и открытие уравнений Навье – Стокса для жидкостей.
В конце XIX века физика развилась до такой степени, что классическая механика смогла справиться с очень сложными задачами, включающими макроскопические ситуации; термодинамика и кинетическая теория были хорошо известны; геометрическую и физическую оптику можно понимать в терминах электромагнитных волн; а законы сохранения энергии, импульса (и массы) получили широкое признание. Эти и другие открытия были настолько глубокими, что было общепринято считать, что все важные законы физики были открыты и что отныне исследования будут направлены на выяснение мелких проблем и, в частности, на усовершенствование методов и измерений.
Однако около 1900 г. возникли серьезные сомнения в полноте классических теорий — триумф теорий Максвелла, например, был подорван уже начавшими проявляться несоответствиями — и в их неспособности объяснить некоторые физические явления, такие как распределение энергии в излучение черного тела и фотоэлектрический эффект , в то время как некоторые теоретические формулировки, доведенные до предела, приводили к парадоксам. Выдающиеся физики, такие как Хендрик Лоренц , Эмиль Кон , Эрнст Вихерт и Вильгельм Вин, считали, что некоторая модификация уравнений Максвелла может стать основой для всех физических законов. Эти недостатки классической физики так и не были решены, и потребовались новые идеи. В начале 20-го века мир физики потрясла крупная революция, которая привела к новой эпохе, которую обычно называют современной физикой. [63]
В XIX веке экспериментаторы начали обнаруживать неожиданные формы радиации: Вильгельм Рентген произвел сенсацию своим открытием рентгеновских лучей в 1895 году; В 1896 году Анри Беккерель обнаружил, что некоторые виды материи излучают излучение сами по себе. В 1897 году Дж. Дж. Томсон открыл электрон , а новые радиоактивные элементы, открытые Марией и Пьером Кюри, подняли вопросы о якобы неразрушимом атоме и природе материи. Мари и Пьер ввели термин « радиоактивность », чтобы описать это свойство материи, и выделили радиоактивные элементы радий и полоний . Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди идентифицировали две формы излучения Беккереля с электронами и элементом гелием . Резерфорд идентифицировал и назвал два типа радиоактивности, а в 1911 году интерпретировал экспериментальные данные как показывающие, что атом состоит из плотного положительно заряженного ядра, окруженного отрицательно заряженными электронами. Классическая теория, однако, предсказывала, что эта структура должна быть нестабильной. Классическая теория также не смогла успешно объяснить два других экспериментальных результата, появившихся в конце XIX века. Одной из них была демонстрация Альберта А. Майкельсона и Эдварда В. Морли , известная как эксперимент Майкельсона-Морли , которая показала, что, по-видимому, не существует предпочтительной системы отсчета, покоящейся по отношению к гипотетическому светоносному эфиру , поскольку описывающих электромагнитные явления. Исследования радиации и радиоактивного распада продолжали оставаться в центре внимания физических и химических исследований на протяжении 1930-х годов, когда открытие ядерного деления Лизой Мейтнер и Отто Фришем открыло путь к практическому использованию того, что стало называться «атомной» энергией. .
В 1905 году 26-летний немецкий физик Альберт Эйнштейн (тогда работавший патентным клерком в Берне , Швейцария) показал, как на измерения времени и пространства влияет движение между наблюдателем и объектом наблюдения. Радикальная теория относительности Эйнштейна произвела революцию в науке. Хотя Эйнштейн внес много других важных вкладов в науку, сама по себе теория относительности представляет собой одно из величайших интеллектуальных достижений всех времен. Хотя понятие относительности не было введено Эйнштейном, он признавал, что скорость света в вакууме постоянна, т. е. одинакова для всех наблюдателей, и является абсолютным верхним пределом скорости. Это не влияет на повседневную жизнь человека, поскольку большинство объектов движутся со скоростью, намного меньшей скорости света. Однако для объектов, движущихся со скоростью, близкой к скорости света, теория относительности показывает, что часы, связанные с этими объектами, будут идти медленнее, и что объекты уменьшаются в длине согласно измерениям наблюдателя на Земле. Эйнштейн также вывел знаменитое уравнение E = mc 2 , которое выражает эквивалентность массы и энергии .
Эйнштейн утверждал, что скорость света является постоянной во всех инерциальных системах отсчета и что электромагнитные законы должны оставаться в силе независимо от системы отсчета - утверждения, которые делали эфир «излишним» для физической теории и утверждали, что наблюдения времени и длины различаются относительно от того, как наблюдатель двигался относительно измеряемого объекта (то, что стало называться « специальной теорией относительности »). Из этого также следовало, что масса и энергия являются взаимозаменяемыми величинами согласно уравнению E = mc 2 . В другой статье, опубликованной в том же году, Эйнштейн утверждал, что электромагнитное излучение передается в дискретных количествах (« квантах ») в соответствии с константой, которую физик-теоретик Макс Планк установил в 1900 году, чтобы прийти к точной теории распределения излучения черного тела. — предположение, объясняющее странные свойства фотоэффекта.
Специальная теория относительности представляет собой формулировку связи между физическими наблюдениями и понятиями пространства и времени. Теория возникла из противоречий между электромагнетизмом и механикой Ньютона и оказала большое влияние на обе эти области. Первоначальный исторический вопрос заключался в том, имело ли смысл обсуждать переносящий электромагнитные волны «эфир» и движение относительно него, а также можно ли обнаружить такое движение, как это было безуспешно предпринято в эксперименте Майкельсона-Морли. Эйнштейн разрушил эти вопросы и концепцию эфира в своей специальной теории относительности. Однако его основная формулировка не включает детальную теорию электромагнетизма. Он возникает из вопроса: «Что такое время?» Ньютон в «Началах» (1686 г.) дал недвусмысленный ответ: «Абсолютное, истинное и математическое время само по себе и по своей собственной природе течет равномерно, безотносительно к чему-либо внешнему, и под другим именем называется длительностью». Это определение является основным для всей классической физики.
Эйнштейну хватило гениальности подвергнуть сомнению это утверждение, и он обнаружил, что оно неполно. Вместо этого каждый «наблюдатель» обязательно использует свою собственную шкалу времени, а для двух наблюдателей, находящихся в относительном движении, их шкалы времени будут различаться. Это оказывает соответствующее влияние на измерения положения. Пространство и время становятся взаимосвязанными понятиями, фундаментально зависящими от наблюдателя. Каждый наблюдатель управляет своей собственной пространственно-временной структурой или системой координат. Поскольку не существует абсолютной системы отсчета, все наблюдатели данных событий производят разные, но одинаково достоверные (и согласующиеся) измерения. То, что остается абсолютным, утверждается в постулате относительности Эйнштейна: «Основные законы физики одинаковы для двух наблюдателей, имеющих постоянную относительную скорость по отношению друг к другу».
Специальная теория относительности оказала глубокое влияние на физику: начавшись как переосмысление теории электромагнетизма, она нашла новый закон симметрии природы, теперь называемый симметрией Пуанкаре , который заменил старую симметрию Галилея .
Специальная теория относительности оказала еще одно долгосрочное влияние на динамику . Хотя первоначально ей приписывали «объединение массы и энергии», стало очевидно, что релятивистская динамика установила четкое различие между массой покоя , которая является инвариантным (независимым от наблюдателя) свойством частицы или системы частиц, и энергией и энергией. импульс системы. Последние два по отдельности сохраняются во всех ситуациях, но не инвариантны относительно разных наблюдателей. Термин « масса» в физике элементарных частиц претерпел семантическое изменение , и с конца 20 века он почти исключительно обозначает остальную (или инвариантную ) массу .
К 1916 году Эйнштейн смог обобщить это дальше, чтобы иметь дело со всеми состояниями движения, включая неравномерное ускорение, что стало общей теорией относительности. В этой теории Эйнштейн также определил новую концепцию — кривизну пространства-времени, которая описывала гравитационный эффект в каждой точке пространства. Фактически искривление пространства-времени полностью заменило универсальный закон гравитации Ньютона. По мнению Эйнштейна, сила гравитации в обычном понимании — это своего рода иллюзия, вызванная геометрией пространства. Наличие массы вызывает искривление пространства-времени вблизи массы, и это искривление определяет траекторию пространства-времени, по которой должны следовать все свободно движущиеся объекты. На основе этой теории также было предсказано, что свет должен подчиняться гравитации, и все это было подтверждено экспериментально. Этот аспект теории относительности объяснил явления огибания света вокруг Солнца, предсказал черные дыры, а также свойства космического микроволнового фонового излучения — открытие, раскрывающее фундаментальные аномалии в классической гипотезе устойчивого состояния. За работы по теории относительности, фотоэлектрическому эффекту и излучению черного тела Эйнштейн получил Нобелевскую премию в 1921 году.
Постепенное принятие теорий относительности Эйнштейна и квантовой природы передачи света, а также модели атома Нильса Бора создало столько же проблем, сколько и решило, что привело к полномасштабным усилиям по восстановлению физики на новых фундаментальных принципах. Распространив теорию относительности на случаи ускоряющихся систем отсчета (« общая теория относительности ») в 1910-х годах, Эйнштейн постулировал эквивалентность между инерционной силой ускорения и силой гравитации, что привело к выводу, что пространство искривлено и имеет конечный размер. и предсказание таких явлений, как гравитационное линзирование и искажение времени в гравитационных полях.
Хотя теория относительности разрешила конфликт электромагнитных явлений, продемонстрированный Майкельсоном и Морли, второй теоретической проблемой было объяснение распределения электромагнитного излучения, испускаемого черным телом ; Эксперимент показал, что на более коротких волнах, ближе к ультрафиолетовому концу спектра, энергия приближается к нулю, но классическая теория предсказывала, что она должна стать бесконечной. Это вопиющее несоответствие, известное как ультрафиолетовая катастрофа , было разрешено новой теорией квантовой механики . Квантовая механика — это теория атомов и субатомных систем. Примерно первые 30 лет 20 века представляют собой время зарождения и развития теории. Основные идеи квантовой теории были сформулированы в 1900 году Максом Планком (1858–1947), получившим в 1918 году Нобелевскую премию по физике за открытие количественной природы энергии. Квантовая теория (которая ранее опиралась на «соответствие» в больших масштабах между квантованным миром атома и непрерывностью « классического » мира) была принята, когда эффект Комптона установил, что свет несет импульс и может рассеивать частицы, и когда Луи де Бройль утверждал, что материю можно рассматривать как ведущую себя как волну, во многом так же, как электромагнитные волны ведут себя как частицы ( дуализм волна-частица ).
В 1905 году Эйнштейн использовал квантовую теорию для объяснения фотоэлектрического эффекта, а в 1913 году датский физик Нильс Бор использовал ту же константу для объяснения стабильности атома Резерфорда, а также частот света, излучаемого газообразным водородом. Квантовая теория атома уступила место полномасштабной квантовой механике в 1920-х годах. Новые принципы «квантовой», а не «классической» механики, сформулированные в матричной форме Вернером Гейзенбергом , Максом Борном и Паскуалем Йорданом в 1925 году, основывались на вероятностных отношениях между дискретными «состояниями» и отрицали возможность причинной связи . . Квантовая механика была широко развита Гейзенбергом, Вольфгангом Паули , Полем Дираком и Эрвином Шредингером , которые в 1926 году создали эквивалентную теорию, основанную на волнах; но « принцип неопределенности » Гейзенберга 1927 года (указывающий на невозможность точного и одновременного измерения положения и импульса) и « копенгагенская интерпретация » квантовой механики (названная в честь родного города Бора) продолжали отрицать возможность фундаментальной причинности, хотя такие оппоненты, как Эйнштейн, метафорически утверждал бы, что «Бог не играет в кости со Вселенной». [64] Новая квантовая механика стала незаменимым инструментом в исследовании и объяснении явлений на атомном уровне. Также в 1920-х годах работы индийского учёного Сатьендры Натха Бозе по фотонам и квантовой механике легли в основу статистики Бозе-Эйнштейна , теории конденсата Бозе-Эйнштейна .
Теорема о спин-статистике установила, что любая частица в квантовой механике может быть либо бозоном (статистически Бозе-Эйнштейн), либо фермионом (статистически Ферми-Дирак ). Позже было обнаружено, что все фундаментальные бозоны передают силы, например фотон, передающий электромагнетизм.
Фермионы — это частицы, «подобные электронам и нуклонам», которые являются обычными составляющими материи . Статистика Ферми-Дирака позже нашла множество других применений, от астрофизики (см. Вырожденная материя ) до проектирования полупроводников .
Поскольку философски настроенные люди продолжали спорить о фундаментальной природе Вселенной, квантовые теории продолжали создаваться, начиная с формулировки Полем Дираком релятивистской квантовой теории в 1928 году. Однако попытки полностью квантовать электромагнитную теорию были заблокированы на протяжении 1930-х годов из-за теоретические формулировки, дающие бесконечные энергии. Эта ситуация не считалась адекватно решенной до тех пор , пока после окончания Второй мировой войны Джулиан Швингер , Ричард Фейнман и Син-Итиро Томонага независимо друг от друга не сформулировали метод перенормировки , который позволил создать надежную квантовую электродинамику (КЭД). [65]
Между тем, новые теории фундаментальных частиц получили распространение с появлением идеи квантования полей посредством « обменных сил », регулируемых обменом короткоживущими «виртуальными» частицами , которым позволялось существовать в соответствии с законами, управляющими присущими им неопределенностями. в квантовом мире. Примечательно, что Хидеки Юкава предположил, что положительные заряды ядра удерживаются вместе благодаря мощной, но короткодействующей силе, действующей через частицу с массой между массой электрона и протона . Эта частица, « пион », была идентифицирована в 1947 году как часть множества частиц, открытых после Второй мировой войны. Первоначально такие частицы были обнаружены как ионизирующее излучение, оставленное космическими лучами , но все чаще их стали производить в более новых и более мощных ускорителях частиц . [66]
Помимо физики элементарных частиц, значительными достижениями того времени были:
Эйнштейн считал, что все фундаментальные взаимодействия в природе можно объяснить с помощью единой теории. Единые теории поля представляли собой многочисленные попытки «объединить» несколько взаимодействий. Одной из многих формулировок таких теорий (как и теорий поля в целом) является калибровочная теория , обобщение идеи симметрии. В конце концов Стандартной модели (см. ниже) удалось объединить сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия. Все попытки объединить гравитацию с чем-то еще потерпели неудачу.
_in_1958.jpg/1280px-Chien-Shiung_Wu_(1912-1997)_in_1958.jpg)
Когда Чьен-Шиунг Ву в своем эксперименте нарушила четность в слабых взаимодействиях , после этого была сделана серия открытий. [68] Взаимодействие этих частиц путем рассеяния и распада стало ключом к новым фундаментальным квантовым теориям. Мюррей Гелл-Манн и Юваль Нееман внесли некоторый порядок в эти новые частицы, классифицировав их по определенным качествам, начиная с того, что Гелл-Манн называл « Восьмеричным путем ». В то время как ее дальнейшее развитие, кварковая модель , поначалу казалось неадекватным для описания сильных ядерных взаимодействий , допуская временное появление конкурирующих теорий, таких как S-матрица , создание квантовой хромодинамики в 1970-х годах завершило набор фундаментальных и обменных частиц. что позволило создать «стандартную модель», основанную на математике калибровочной инвариантности , которая успешно описывала все силы, за исключением гравитации, и которая остается общепринятой в области ее применения. [64]
Стандартная модель, основанная на теории Янга–Миллса [69], объединяет теорию электрослабого взаимодействия и квантовую хромодинамику в структуру, обозначаемую калибровочной группой SU(3)×SU(2)×U(1). Формулировка объединения электромагнитного и слабого взаимодействий в стандартной модели принадлежит Абдусу Саламу , Стивену Вайнбергу и, впоследствии, Шелдону Глэшоу . Электрослабая теория позже была подтверждена экспериментально (наблюдением нейтральных слабых токов ) [70] [71] [72] [73] и отмечена Нобелевской премией по физике 1979 года. [74]
С 1970-х годов физика фундаментальных частиц дала понимание космологии ранней Вселенной , в частности, теории Большого взрыва, предложенной как следствие общей теории относительности Эйнштейна . Однако, начиная с 1990-х годов, астрономические наблюдения также поставили новые задачи, такие как необходимость новых объяснений галактической стабильности (« темная материя ») и кажущегося ускорения расширения Вселенной (« темная энергия »).
Хотя ускорители подтвердили большинство аспектов Стандартной модели, обнаружив ожидаемые взаимодействия частиц при различных энергиях столкновений, теория, согласующая общую теорию относительности со Стандартной моделью, еще не найдена, хотя многие теоретики считали суперсимметрию и теорию струн многообещающим направлением движения вперед. . Однако Большой адронный коллайдер , начавший работу в 2008 году, не смог найти никаких доказательств в поддержку суперсимметрии и теории струн. [75]
Можно сказать, что космология стала серьезным исследовательским вопросом после публикации «Общей теории относительности» Эйнштейна в 1915 году, хотя она не вошла в научное русло до периода, известного как «Золотой век общей теории относительности ».
Примерно десять лет спустя, в разгар того, что было названо « Великими дебатами », Хаббл и Слайфер обнаружили расширение Вселенной в 1920-х годах, измеряя красные смещения доплеровских спектров галактических туманностей. Используя общую теорию относительности Эйнштейна, Леметр и Гамов сформулировали то, что впоследствии стало известно как теория большого взрыва . Конкурирующая теория, названная теорией устойчивого состояния , была разработана Хойлом , Голдом , Нарликаром и Бонди .
Космическое микроволновое фоновое излучение было подтверждено в 1960-х годах Пензиасом и Уилсоном , и это открытие способствовало большому взрыву в ущерб сценарию устойчивого состояния. Более поздняя работа была проведена Smoot et al. (1989), среди других участников, использовали данные спутников «Исследователь космического фона» (CoBE) и « Уилкинсонский зонд микроволновой анизотропии» (WMAP), которые уточнили эти наблюдения. В 1980-е годы (то же самое десятилетие, когда проводились измерения COBE) Аланом Гутом была также предложена теория инфляции .
В последнее время проблемы темной материи и темной энергии поднялись на первое место в повестке дня космологии.
4 июля 2012 года физики, работающие в Большом адронном коллайдере ЦЕРН, объявили, что они обнаружили новую субатомную частицу, очень напоминающую бозон Хиггса , потенциальный ключ к пониманию того, почему элементарные частицы имеют массу, а также к существованию разнообразия и жизни в Вселенная. [76] На данный момент некоторые физики называют эту частицу «хиггсовской». [76] Джо Инкандела из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре сказал: «В конце концов, это может стать одним из крупнейших наблюдений за любыми новыми явлениями в нашей области за последние 30 или 40 лет. вернемся, например, к открытию кварков ». [76] Майкл Тернер , космолог из Чикагского университета и председатель правления физического центра, сказал:
«Это важный момент для физики элементарных частиц и перепутье — будет ли это высшей точкой или первым из многих открытий, которые укажут нам на решение действительно важных вопросов, которые мы поставили?»
— Майкл Тернер , Чикагский университет [76]
Питер Хиггс был одним из шести физиков, работавших в трех независимых группах, которые в 1964 году изобрели понятие поля Хиггса («космической патоки»). Другими были Том Киббл из Имперского колледжа в Лондоне ; Карл Хаген из Рочестерского университета ; Джеральд Гуральник из Университета Брауна ; и Франсуа Энглерт и Роберт Браут , оба из Свободного университета Брюсселя . [76]
Хотя поля Хиггса никогда не наблюдались, они играют важную роль в теориях Вселенной и теории струн. При определенных условиях, согласно странному объяснению эйнштейновской физики, они могут наполниться энергией, которая оказывает антигравитационное воздействие. Такие поля были предложены как источник огромного всплеска расширения, известного как инфляция, на ранних стадиях Вселенной и, возможно, как секрет темной энергии, которая сейчас, по-видимому, ускоряет расширение Вселенной. [76]
С возросшей доступностью и разработкой передовых аналитических методов в XIX веке физика определялась в большей степени, если не в большей степени, этими методами, чем поиском универсальных принципов движения и энергии, а также фундаментальной природы материи. Такие области, как акустика , геофизика , астрофизика , аэродинамика , физика плазмы , физика низких температур и физика твердого тела, присоединились к оптике, гидродинамике , электромагнетизму и механике как области физических исследований. В 20 веке физика также стала тесно связана с такими областями, как электротехника , аэрокосмическая промышленность и материаловедение , и физики начали работать как в правительственных и промышленных лабораториях, так и в академических учреждениях. После Второй мировой войны число физиков резко возросло и сосредоточилось в Соединенных Штатах, а в последние десятилетия физика стала более международным занятием, чем когда-либо в ее предыдущей истории.
То же самое справедливо и для методологии Альхасена.
Он может выглядеть современно из-за своей сильной эмпирической предвзятости и опоры на контролируемые эксперименты, но подход Птолемея был не менее эмпирическим и тоже был основан на контролируемых экспериментах.
Кроме того, два наиболее современно выглядящих эксперимента Альхасена основаны на физически недостижимой точности в конструкции оборудования и наблюдениях, поэтому у нас остается сомнение в том, что он действительно проводил их так, как описано – за исключением, конечно, своего ума.
И эти эксперименты не были новы по замыслу.
Они явно основывались на эквивалентных положениях «Оптики» Птолемея, хотя Альхасену пришлось существенно и творчески переформулировать их, чтобы приспособить тестирование световых лучей, а не зрительных лучей.
{{cite book}}: |author=имеет родовое название ( помощь ) Подборка из 56 статей, написанных физиками. Комментарии и примечания Ллойда Моца и Дейла Макаду.