Экспериментальная физика — это категория дисциплин и субдисциплин 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 (помимо 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 изучают разные аспекты природы, они обе преследуют одну и ту же цель — понять ее и находятся в симбиотических отношениях. Первый предоставляет данные о Вселенной, которые затем можно проанализировать, чтобы их понять, а второй дает объяснения данным 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, чтобы их получить.
Как отдельная область, экспериментальная физика была создана в Европе раннего Нового времени , 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 современного научного метода. Галилей сформулировал и успешно проверил несколько результатов в динамике, в частности закон инерции , который впоследствии стал первым законом в законах движения Ньютона . В «Двух новых науках» Галилея диалог между персонажами Симпличио и Сальвиати обсуждает движение корабля (как движущейся системы координат) и то, как груз этого корабля безразличен к его движению. Гюйгенс использовал движение лодки по голландскому каналу, чтобы проиллюстрировать раннюю форму сохранения импульса .
Считается, что экспериментальная физика достигла своего апогея с публикацией в 1687 году «Philosophiae Naturalis Principia Mathematica» сэра Исаака Ньютона (1643–1727). В 1687 году Ньютон опубликовал « Начала» , подробно описывающие два всеобъемлющих и успешных физических закона: законы движения Ньютона , из которых возникает классическая механика ; и закон всемирного тяготения Ньютона , который описывает фундаментальную силу гравитации . Оба закона хорошо согласовались с экспериментом. В «Начала» также вошли несколько теорий гидродинамики .
С конца 17 века термодинамику разрабатывали физик и химик Роберт Бойль , Томас Янг и многие другие. В 1733 году Даниэль Бернулли использовал статистические аргументы с классической механикой для получения термодинамических результатов, положив начало развитию 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 ответственен за современную форму статистической механики .
Помимо классической механики и термодинамики, еще одной важной областью экспериментальных исследований в физике была природа электричества . Наблюдения таких ученых, как Бойль, Стивен Грей и Бенджамин Франклин, проведенные в 17 и 18 веках, создали основу для последующих работ. Эти наблюдения также установили наше базовое понимание электрического заряда и тока . К 1808 году Джон Дальтон обнаружил, что атомы разных элементов имеют разный вес, и предложил современную теорию атома .
Ганс Кристиан Эрстед первым предположил связь между электричеством и магнетизмом после наблюдения отклонения стрелки компаса под действием проходящего мимо электрического тока. 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 взаимосвязь между электричеством и магнетизмом. Уравнения Максвелла также правильно предсказали, что свет представляет собой электромагнитную волну . Начиная с астрономии, принципы натуральной философии кристаллизовались в фундаментальные законы физики , которые были сформулированы и усовершенствованы в последующие столетия. К XIX веку наука разделилась на несколько областей со специализированными исследователями, и область физики, хотя и логически превосходящая, больше не могла претендовать на единоличное владение всей областью научных исследований.
Некоторые примеры выдающихся проектов экспериментальной физики:
Экспериментальная физика использует два основных метода экспериментальных исследований: контролируемые эксперименты и натурные эксперименты . Контролируемые эксперименты часто используются в лабораториях , поскольку лаборатории могут предложить контролируемую среду. Натурные эксперименты используются, например, в астрофизике при наблюдении небесных объектов , где контроль действующих переменных невозможен.
Известные эксперименты включают в себя:
Некоторые известные экспериментальные методы включают в себя:
Среди известных физиков-экспериментаторов:
См. график ниже, где представлены списки физических экспериментов.
СМИ, связанные с экспериментальной физикой, на Викискладе?