Физика

Гордон — Диалоги (№ 192). Язык физики

Гордон — Диалоги (№ 318). Философские основания физики

Основы фундаментальной физики // ПостНаука (Все об основных понятиях и проблемах современной физики за 1,5 часа. Это видео сделано из лекций физиков Эмиля Ахмедова, Сергея Попова и Дмитрия Казакова «Основы фундаментальной физики») [1:35:07]

Физика — первооснова классической философии, ныне объединяющая естественные науки системой математически выверенных теорий об устройстве целого мира.

Основные из этих теорий проверены экспериментами с высокой точностью. Творческие принципы физики таковы, что любые логически состоятельные свидетельства о неточностях и погрешностях теорий ведут к их итоговому уточнению и обобщению и, по заявлениям физиков и математиков, к пущей математической красоте научной картины мира.

«Физикой» также называют совокупность наиболее общих свойств и закономерностей окружающего мира, понятую как единое и известное целое, в отвлечении и независимо от конкретных происшествий, от истории. В таком смысле вымышленные миры, компьютерные симуляции, виртуальные интерактивные среды и тому подобное — могут иметь свою «физику», отличную от той, где действуют законы естественных наук.

Введение

Физика — отрасль науки, изучающая природу в самом общем смысле. Она изучает вещество, энергию и их конфигурации, стремясь, с одной стороны, к точности каждой из моделей наблюдаемых явлений, а, с другой стороны — к построению единой для всех экспериментальных наук системы закономерностей, которая была бы наиболее проста, но оттого и наиболее эффективна в вычислениях. Оба направления требуют теснейшего взаимодействия физики с математикой: та предоставляет единственную адекватную понятийную систему для описания количественных закономерностей, причем развитие математики в этом ключе было поначалу проведено именно с целью постановки и решения коренных задач естественной науки.

Знания физики лежат в основе всех естественных наук: химии, биологии, географии, астрономии. Открытие физических законов осуществляется на основе фактов, установленных опытным путем. Сами физические законы формулируются в виде количественных соотношений между физическими величинами. Особое значение в физике имеют законы сохранения, которые связаны с принципами симметрии пространства и времени.

История

Древнейшие времена

С древних времен люди пытались понять поведение и свойства материи: почему предметы падают на землю, когда они теряют свою твёрдость, почему разные материалы имеют разные свойства и тому подобное. Тайной были также природа вселенной, сама форма Земли, поведение и движение Солнца и Луны. Различные теории пытались объяснить эти явления, но большинство из них не были подтверждены экспериментально. Однако были люди, которые выдвигали гипотезы и находили доказательства для них, и впоследствии в будущем эти законы стали основой физики.

Согласно Аристотелю, физика по сути абстрактна. Основными качествами материи являются две пары противоположностей: «теплое — холодное» и «сухое — влажное». Связь между «холодным и сухим» соответствует земле, «теплый — влажному» — воздух, «теплый — сухому» — огонь. Известные исследования Аристотеля по механике, акустике, оптике. Его знаменитая работа «Метафизика», которая начинает эпоху развития древних физико-механических наук.

Многие открытия и изобретения в области математики, физики и астрономии принадлежат Архимеду. В частности, Архимед построил полевую машину, винт, рычаг, блок, военную двигательную установку. Он заложил основы гидростатики (один из разделов механики). Он открыл закон действия жидкости и газа на погруженное в них тело (закон Архимеда).

Одним из основоположников современных представлений об атомно-молекулярном строении веществ физических тел является древний философ-материалист Демокрит. Согласно его идеям (называемым атомизмом), все тела, которые существуют в окружающем пространстве, состоят из мелких неделимых частиц — атомов.

XVI—XVII века

Наука расширялась, приобретая прочную математическую и теоретическую базу. Были предложены разные теории, открыты фундаментальные законы. Появилась механическая картина мира, основу которой создали такие известные физики, как Галилео Галилей (1564—1642) и Исаак Ньютон (1643—1727). Именно поэтому в их честь классическую механику часто называют механикой Галилея — Ньютона. Но вместе с ними были заложены основы классической физики такими замечательными учеными, как Блез Паскаль (1623—1662), Эванджелиста Торричелли (1608—1647), Эдм Мариотт (1620—1684), Роберт Бойл (1627—1691), Роберт Гук (1635—1703), Кристиан Гюйгенс (1629—1695) и другие.

Итальянский физик и астроном Галилео Галилей доказал постоянную ускорения свободного падения, первым установив законы движения по инерции (которая стала основой для закона инерции Ньютона). В 1609 году он построил первый телескоп. Он изобрел термоскоп (прообраз термометра), разработал гидростатические весы, подтвердил гелиоцентрическую систему вселенной Коперника. Благодаря Галилею физика возникла как наука.

В 1643 году итальянский физик и математик Эванджелиста Торричелли обнаружил существование атмосферного давления. Изобрел ртутный барометр. Он сформулировал закон движения жидкости через отверстия сосуда и вывел формулу скорости потока (формула Торричелли).

В 1653 году французский математик, физик и философ Блез Паскаль открыл основной закон гидростатики (закон Паскаля). Его работа подтвердила существование атмосферного давления и его зависимость от высоты. Также доказано, что воздух имеет вес.

В 1676 году известный английский физик и математик Роберт Гук сформулировал закон зависимости модуля силы упругости от абсолютной деформации тела при упругих деформациях (закон Гука) в своей анаграмме «Uttension sic vis» («Как напряжение, так сила»).

В своей знаменитой фундаментальной работе по физике «Математические основы естественной философии» (1687 г.) великий английский ученый, физик, математик и астроном Исаак Ньютон сформулировал открытые им законы гравитации и основные законы механики (первый, второй и третий законы Ньютона, или закон инерции, основной закон динамики и закон действия и противодействия соответственно). Он посвятил большую часть своей работы изучению трения, создал физическую картину мира и сделал много открытий в оптике.

XVIII—XIX века

18 век был богат на значительные открытия в области термодинамики. В 1733 году Даниил Бернулли, используя статистические методы классической механики, получил ряд результатов в кинетической теории газов, что привело к развитию статистической механики.

В середине XIX века Уильям Томпсон (лорд Кельвин) и Рудольф Клаузиус заложили основы термодинамики. В 1847 году Юлиус Майер и Джеймс Джоуль сформулировали общий закон сохранения энергии.

Электричество и магнетизм изучали Фарадей, Ом и другие ученые. В 1855 году Максвелл объединил два явления в единую теорию электромагнетизма, описав их уравнениями. Из этой теории следует, что свет — это электромагнитная волна.

В 1895 году Рентген обнаружил рентгеновское излучение, очень высокочастотное электромагнитное излучение, которое побудило изучать радиоактивность, которая была открыта в 1896 году Анри Беккерелем и исследована Пьером и Марией Кюри, а также другими исследователями. Это заложило основы для новой области — ядерной физики.

В 1897 году Джозеф Томсон открыл электрон, один из основных носителей заряда. В 1904 году он предложил первую модель атома (существование атомов было предсказано Джоном Далтоном в 1808 году).

XX—XXI века

В 1905 году Альберт Эйнштейн сформулировал основные принципы теории относительности и создал новую релятивистскую теорию гравитации. Он был одним из ученых, стоявший у истоков квантовой физики.

В 1911 году Эрнест Резерфорд провел серию экспериментов по рассеянию альфа-частиц и доказал существование компактного, положительно заряженного ядра атома. Нейтрально заряженные нейтронные частицы были открыты Джеймсом Чедвиком в 1932 году.

В начале XX в. Планк, Эйнштейн, Бор и другие объяснили аномалии, обнаруженные в экспериментах (которые были признаны проявлениями квантовой природы материи), а затем ввели понятие дискретных уровней энергии. В 1925 году Гейзенберг и Шредингер сформулировали основные принципы квантовой механики, которые включали в себя ранее приобретенные знания о квантовом мире и объяснили результаты многих экспериментов. В квантовой механике физические измерения имеют вероятностный характер.

Квантовая механика разработала теоретические методы для изучения свойств твердых тел и жидкостей, включая такие явления, как кристаллическая структура, проводимость, сверхпроводимость и сверхтекучесть. Среди пионеров в этой области физики выделяется Блох, который смог объяснить поведение электронов в кристаллических структурах.

Во время Второй мировой войны все воюющие стороны проводили интенсивные исследования в области ядерной физики, стремясь создать атомную бомбу. Усилия немцев оказались безуспешными, но Манхэттенский проект достиг своей цели. В Америке в 1942 году команда под руководством Ферми достигла первой искусственной ядерной цепной реакции, а в 1945 году в Нью-Мексико произошел первый ядерный взрыв.

В середине XX в. электромагнитное взаимодействие было описано. Квантовая теория поля легла в основу современной теории частиц, которая занимается изучением фундаментальных сил природы и элементарных частиц. В третьей четверти 20 в. Янг и Миллс успешно описали все известные частицы в это время.

Основные принципы и понятия

• Симметрии: законы сохранения
  • Масса-энергия, заряд, [изо]спин и «цвет» — меры, строго следующие закону сохранения.
• Редукционизм. Вещество составлено из частей, менее разнообразных.
• Принцип наименьшего действия, принцип Ферма.
• Стохастика, статистическая механика, термодинамика.
• Закон обратных квадратов и общий геометрический театр явлений.
• Волны: взаимодействия распространяются как колебания с частотой и угловым направлением.
• Атомизм. Дробление вещества имеет универсальные пределы.
• Эффекты наблюдателя
  • Принцип дополнительности
    • Общий принцип дополнительности
• Изотропность по пространству: законы равны для всех траекторий.
• Судя по разбеганию галактик, Вселенная раньше была плотнее: инфляционная теория.

Покуда физика стремится к наикратчайшему описанию наиболее широкого набора данных, то практическое применение её ограничено лишь сложностью, но, с другой стороны — может быть проверено на деле, как экспериментальное произведение прикладной физики, — технического искусства.