Физика

1) Ф. и ее задачи. — 2) Методы Ф. — 3) Гипотезы и теории. — 4) Роль механики и математики в Ф. — 5) Основные гипотезы Ф.; вещество и его строение. — 6) Кинетическая теория вещества. — 7) Действие на расстоянии. — 8) Эфир. — 9) Энергия. — 10) Механические картины, энергетика и феноменология. — 11) Заключение.

Содержание различных отделов Ф., историю отдельных вопросов — см. под соответствующими словами.

1) Ф. и ее задачи. К группе точных наук, изучающих явления и закономерность в последовательности их, принадлежат две родственные науки химия и физика. Обе эти науки исследуют явления, происходящие с телами природы; но в то время, как химия внимание свое почти исключительно посвящает изучению зависимости явлений от природы вещества, с которым эти явления происходят, и специально изучению тех изменений в веществе, которые этими явлениями вызываются, Ф., наоборот, стремится изучать явления раньше всего независимо от природы тел, участвующих в явлениях, и затем только обращает внимание на те особенности, которые наблюдаются в явлениях, в зависимости от характера тел, участвующих в них. Одно и то же явление может быть объектом исследования и для химии, и для физики; но характерно различны те стороны, с которых эти две родственные науки смотрят на явление. И химия, и физика найдут, напр., в горении куска угля почву для исследования; но химия обратит раньше всего внимание на явление образования из углерода и кислорода новых веществ — окиси углерода и углекислоты, изучит, сколько в этих веществах заключается углерода, сколько кислорода. Иначе взглянет на это явление Ф.; она увидит в горении угля явление нагревания тела, затем явление свечения горящего тела, и раньше всего изучит излучение света и нагревание, независимо от того, нагревается ли уголь или какое-либо другое тело. Каждое явление, рассматриваемое химией, имеет несомненно стороны, изучение которых подлежит Ф., но не наоборот: существуют большие группы разнообразных явлений — как то: явления звука, многие магнитные и электрические явления, — которые всецело принадлежат Ф. Химия не находит в них материала для исследования, так как вещество во многих из этих явлений в составе и строении, по-видимому, не меняется. Эти соображения и привели к обычному определению и разграничению областей деятельности Ф. и химии: химия исследует явления, в которых состав и строение вещества меняются; Ф. посвящена изучению явлений в веществе, не изменяющих его состава. Это обычное определение слишком узко и в то же время слишком резко разграничивает родственные области этих наук. В действительности существует обширная пограничная область, которую с одинаковым правом каждая из этих наук может считать своей, — это область, занимающаяся изучением изменений физических свойств вещества в зависимости от их химического состава. В конце истекшего (XIX) стол. эта область выделилась в отдельную дисциплину — физическую химию, значение которой с каждым днем растет. Нет ничего труднее, как точно определить границы какой-либо науки. В особенности это трудно для Ф., которая по обширности своих задач не имеет, может быть, равной себе среди других наук. Изучая некоторые стороны всех явлений, она неизбежно встречается в различных частях своих не только со всеми науками, занимающимися изучением природы, но и с науками философскими, даже с теорией искусств — художества и музыки. Таким образом, границы ее очертить нельзя и, следовательно, невозможно определить задачи Ф. указанием границ ее. Между тем, есть одна характерная сторона этой науки, которая резко отличает ее от всех других родственных ей наук: это именно методы и приемы исследования, которыми Ф. пользуется.

2) Методы Ф. Основой всякого изучения природы является наблюдение, т. е. познавание отдельных явлений в природе через посредство впечатлений, производимых этими явлениями на наши органы чувств. Наблюдая внимательно все явления, мы замечаем, что некоторые характерные особенности явлений повторяются в известной последовательности или проявляются всегда при известной обстановке. Прирожденная человеку пытливость заставляет его ближе изучить эти явления, т. е. подробнее рассмотреть и точнее формулировать условия, при которых эти явления наблюдаются. Можно было бы для этой цели веками копить наблюдения над явлениями, происходящими в природе независимо от воли человека, и из огромного комплекса произведенных таким путем наблюдений черпать знания [Таким путем идет, напр., и теперь еще метеорология]. Но явления в том виде, в котором они поддаются нашему наблюдению в круговороте природы, до того сложны, что является делом в высшей степени трудным, часто невозможным, отделить существенные условия, необходимые и достаточные для того, чтобы вызвать рассматриваемое явление. Желая ускорить и облегчить изучение явлений, человек создал новый метод исследования — опыт. Вызывая в опыте искусственно условия, при которых явление происходит, можно искусственно вызвать это явление; меняя условия опыта и изучая вызванные ими изменения в характере явления, наблюдатель может отделить в явлении существенное от случайного, найти те необходимые и достаточные условия, которые явление вызывают, и внимательно изучить детали его. Помещая различные предметы на дно сосуда с водой, наливая эту воду в сосуды различной формы и материала, наблюдатель убеждается, что на величину кажущегося глазу смещения предмета, находящегося под водой, ни характер предмета, ни особенности сосуда не влияют. Заменяя воду другими жидкостями, наблюдатель находит, что у различных жидкостей это смещение будет различным. Исследуя величину смещения при различных положениях глаза относительно поверхности жидкости, наблюдатель приходит, наконец, к убеждению, что все явление это происходит так, как если бы лучи света, исходящие от тела, при переходе из жидкости в воздух внезапно меняли свое направление, увеличивая свой угол наклона к поверхности жидкости; глаз наблюдателя, помещенный над жидкостью, видит тело на пересечении продолжения лучей в новом месте, и потому тело ему кажется смещенным относительно истинного своего положения. Таким образом, изучая при помощи опыта случайное наблюдение, человек открывает новое более общее явление — явление преломления лучей света при переходе из одной среды в другую, и объясняет им свое наблюдение. Пытливость заставляет исследовать вопрос дальше: как происходит преломление лучей при переходе из одной среды в другую? Целым рядом новых опытов наблюдатель убеждается, что лучи, разно наклоненные к поверхности жидкости, разно отклоняются от своего пути; чем больше угол, образуемый лучом с перпендикуляром, восстановленным к поверхности в точке падения луча, тем больше и отклонение β луча от первоначального направления. Наблюдатель перестает затем довольствоваться найденными им качественными свойствами явления и переходит к количественному исследованию вопроса. Исследуя, напр., явление преломления света, он подвергает измерению углы преломления γ, соответствующие различным углам падения α, и из сопоставления полученных им численных данных приходит к убеждению, что величины α и γ связаны друг с другом некоторой определенной зависимостью; он старается найти эту зависимость и сформулировать ее. Математика дает ему огромное количество типов, выражающих разнообразнейшие возможные зависимости двух величин одна от другой; между этими типами зависимостей он ищет ту, которая лучше всего могла бы выразить взаимозависимость между α и γ. Наконец он находит, что отношение синусов углов α и γ есть величина постоянная, зависящая от природы жидкости, на границе которой происходит преломление: Sinα/Sinγ = n. Таким образом найден численный закон, управляющий явлением. Наблюдатель проверяет его над различными жидкостями, находит его правильным для всех из них; он определяет величину n для различных жидкостей и твердых тел и получает ряд величин (показателей преломления), характеризующих вещество по отношению к прохождению света через него. Численный закон явления представляет могущественнее орудие в руках исследователя. Он прилагает его мысленно к преломлению света через различнейшие, разнообразнейшим образом ограниченные середины, через пластины, призмы и чечевицы, и, пользуясь приемами математики для того, чтобы легче и вернее проследить за сложным ходом лучей, путем дедукции, одним умозрением может прийти к необходимости существования целого ряда новых явлений — схождения лучей в фокусе чечевицы, отклонения луча призмой и т. д. Он проверяет свои теоретические выводы снова на опытах и находит, что они подтверждаются: выросло, таким образом, целое учение о преломлении света. Дружной работой исследователей накопляется в течение многих лет столь огромный комплекс фактов и закономерных зависимостей между явлениями, что необходимым является их классифицировать по группам. В каждой группе объединяются явления и законы, по внешним признакам сходные, и таким образом физику разлагают на отделы — на учение о свете, учение о теплоте, учение о магнитных явлениях и т. д. Группы эти ни резко отграничены, ни стойки: одни и те же явления часто могут быть относимы с одинаковым правом и к одной группе, и к другой; сообразно с духом и направлением науки в данное время целый комплекс явлений причисляется то к одной из них, то к другой.

3) Гипотезы и meopuu. Каждый из выделившихся таким образом из общей совокупности знаний по физике отдел представлял бы в необработанном виде лишь хаос более или менее точно описанных явлений, связанных рядом эмпирически найденных, ничем друг с другом не связанных закономерных зависимостей. В таком виде отдел Ф. не представлял бы еще науки; ему недоставала бы путеводная нить, общая идея, которая соединила бы все разрозненное и дала бы возможность рационально вывести все наблюденное из немногих общих положений. В поисках за этой путеводной нитью, человек создает себе ряд искусственных картин того, каким образом весь этот комплекс явлений мог бы быть объяснен какими-нибудь придуманными человеком свойствами вещества. Созданная человеком гипотеза о свойствах вещества, вызывающих данный комплекс явлений, объединяет явления и законы в стройное здание. Но основы этого здания еще шатки; гипотезу необходимо проверить — и создатель гипотезы и его последователи стараются извлечь из гипотезы путем логических умозаключений необходимость возможно большого числа новых явлений, новых связей между старыми явлениями. Опыт либо подтверждает их заключения — предсказания гипотезы, либо противоречит им. В первом случае гипотеза крепнет, становится на твердую почву, право ее на существование становится временно неоспоримым; во втором случае гипотеза, не выдержавшая очной ставки с опытом, гибнет, исчезает, уступая свое место какой-либо другой, более жизнеспособной. С течением времени количество исследованных явлений и познанных законов растет, и гипотеза, чтобы удержать свое положение в науке, должна удовлетворить всем явлениям, всем законам; один какой-либо факт, сам по себе, может быть, второстепенный, еле заметный, но резко противоречащий господствующей в настоящее время гипотезе, может заставить изменить ее, а не то и низвергнуть. Зато, если гипотеза хорошо выдержала все поставленные ей искусы, она плотно внедряется в науку и становится незыблемой частью ее. Какие представления кладутся в основу гипотез? Единственное непосредственно постигаемое человеком есть вещество, единственное явление в веществе, не вызывающее в нем сомнений по природе своей, есть движение вещества. Поэтому в основании гипотезы мы видим обыкновенно предположение об особенном виде движения известного нам вещества или предположение о существовании особенного вещества, бывшего нами доселе незамеченным и движения в котором вызывают объясняемые гипотезой явления. Таковы старые и новые гипотезы о причине явлений тепловых и световых, магнитных и электрических; в основе всех лежит существующее или специально для того придуманное вещество; движения в этом веществе или возбужденные движением упругие изменения в веществе вызывают, по нашим представлениям, явления, объясняемые гипотезой. История Ф. показывает нам, что возможно одновременное появление нескольких гипотез, одинаково удачно объясняющих какой-либо комплекс явлений. Следует отдать предпочтение, очевидно, той из них, которая 1) проще других, т. е. основывается на более общих свойствах вещества, и 2) которая обнимает наиболее обширный комплекс явлений. В начале XIX в. имелось столько же отдельных гипотез, сколько было отдельных физических агентов; были гипотетические вещества — теплород, вызывавший явления тепла, электрические и магнитные жидкости, присутствие которых вызывало явления электрические и магнитные. Ни одна из этих гипотез не оказалась жизнеспособной, и все они в настоящее время исчезли, вытесненные двумя основными гипотезами о молекулярном движении вещества (явления тепловые) и о существовании упругих натяжений и сжатий (явления электрические и магнитные) и волнообразных движений (явления света и некоторые электромагнитные явления) в гипотетическом веществе эфире. Эти две новые основные гипотезы победили лишь потому, что они проще и, главным образом, значительно общнее старых. Человек не может удовольствоваться знанием точных закономерных зависимостей между явлениями, не делая попыток объяснять связь между явлениями. Гипотеза в Ф. необходима, потому что окрыляет ум, дает ему возможность одним взором охватить мысленно целый, иногда огромный, комплекс фактов; давая уму путеводную нить в классификации явлений, она является в то же время могущественнейшим мнемоническим средством. Но даже не во всем этом заключается главная научная ценность гипотез, а в том, что они дозволяют предсказывать явления, быть может, еще не наблюденные. Стремление проверить на опыте следствие, чисто логическими умозаключениями выведенное из гипотезы, является наиболее частым и наиболее могущественным стимулом к научной работе. "Предвзятая мысль или гипотеза есть необходимая точка исхода всякого опытного исследования; без нее немыслимо открыть что-либо новое", — говорит Клод Бернар. Современный физик мыслью своей живет, таким образом, в особом воображаемом, созданном им же гипотетическом мире и привыкает мало-помалу видеть явления лишь в им же искусственно созданном освещении. Естественно, что гипотезы, лежащие в основе его науки, приобретают для него мало-помалу характер реального бытия и сама наука становится мало-помалу лишь наполовину опытной, наполовину же является изучением логических дедукций из опытно найденных законов и из гипотез.

4) Роль механики и математики в физике. При выводе логических дедукций из опытно найденных законов могущественным орудием физики является математика. Всякая закономерная связь между факторами, определяющими явление, может считаться только тогда точно известной, когда допускает математическую формулировку закона взаимозависимости факторов. Раз такой закон известен, Ф. пытается возможно использовать его, применяя закон к решению множества вопросов, возникающих при рассмотрении сложных явлений, в основе которых лежит явление более простое (часто даже просто схема явления), характеризуемое найденным законом. В этих применениях физик и принужден прибегнуть к математике, дающей часто возможность чисто механическим путем прийти к результату, вывод которого путем одного размышления потребовал бы необыкновенной работы ума, а в большинстве случаев был бы даже немыслим. Математика не может дать ничего такого, что бы в скрытом виде не хранилось уже в положенном в основание математического анализа законе; но зато она дает нам возможность 1) охватить сразу явление такой сложности, что сделать выводы из него путем одного размышления не под силу человеческому уму; 2) прийти к окончательному выводу, не останавливаясь на промежуточных ступенях и посылках, внимательное рассмотрение каждой из которых необходимо входило бы в решение того же вопроса чисто умозрительным путем. Математикой, как всяким орудием, можно пользоваться более или менее умело. История Ф. указывает нам на наиболее блестящих страницах своих на выдающихся физиков-математиков, которые, искусно пользуясь всем арсеналом современной им математики, из нескольких простых законов умели выводить наиболее далекие, наиболее неожиданные заключения; назовем в качестве примера только Фурье — создателя всей теории теплопроводности. Но "истинный дух Ф. должен неустанно направлять рациональное употребление этого могущественного орудия" (Ог. Конт), и в истории Ф. имеются удивительные примеры того, как бесплодны могут быть для Ф. остроумнейшие работы великих математиков, если этот "истинный дух Ф." не руководил ими. Нельзя ставить математике в вину несогласие некоторых выводов ее с результатами опыта; всегда в таких случаях основные опытные законы, положенные в основание выводов, оказываются либо лишь приближенно верными, либо неполными. Наоборот, несогласие это часто указывало на неточность выведенных из опыта законов, и тем самым заставляло пересматривать, переоценивать добытые результаты, проверять их при помощи новых опытов, и тем самым способствовало развитию науки. Другое, еще более важное поле применения математики в Ф. — это применение ее к исследованию гипотез. Мы видели выше, какую важную роль играет гипотеза в развитии Ф.; гипотеза о причине какого-либо комплекса явлений основывается почти всегда, как мы видели, на предположении об особом характере движения какого-либо реального или гипотетического вещества. Если, исходя из подобной гипотезы, мы пожелаем прийти к каким-либо частным выводам относительно характера явления при наличности каких-либо особых условий, то по необходимости должны будем исследовать частный случай той или другой формы движения вещества. Наука, исследующая движение вещества, есть механика, и к ней мы должны будем прибегнуть, чтобы поставить нашу задачу и чтобы решить ее. Механика, в свою очередь, представляет лишь свод математическим анализом найденных наиболее общих зависимостей между факторами, определяющими движение вещества, причем исходной основой для применения анализа послужило опять небольшое число чисто эмпирическим путем найденных законов. Таким образом, и исследование гипотезы путем вывода из нее следствий, допускающих опытную прямую или косвенную поверку, сводится в конце концов к применению математического анализа. В этой области применения математика еще более плодотворна, чем в той, о которой мы упоминали выше; напомним только классические труды Френеля, Юнга по разработке эфирной теории света, и работы Масквелля и других последователей Фарадеевой теории электрических и магнитных явлений. Если мы будем рассматривать и излагать всю систему Ф. единственно как ряд математических дедукций из гипотез об основных причинах явлений, то Ф. сведется в главных чертах лишь к решению ряда более или менее сложных математических задач; так, рассматриваемое учение о физических явлениях называют обыкновенно математической Ф. в отличие от Ф. экспериментальной (опытной, вернее, феноменологической), рассматривающей явления и взаимозависимость между ними сами по себе, не останавливаясь на вопросе о том, могут ли эти явления и связующие их законы быть выведены как необходимые следствия из какой-либо механической картины. Очевидно, что гармоничное и успешное совершенствование Ф. возможно лишь при параллельном движении ее вперед по обеим указанным дорогам.

5) Основные гипотезы Ф. Вещество и его строение. Убеждение в том, что в основании всех явлений природы лежит та или иная форма движения вещества, установилась в науке очень давно. Уже Декарт говорит: "Omnis materiae variatio sive omnium ejus formarum diversitas pendet a motu" ("все разновидности вещества и все разнообразие форм его проистекает от движения"). Гюйгенс решительно высказывается за необходимость такого представления о природе явлений: "истинная философия должна видеть в явлениях механических первопричину всех явлений; по моему мнению, иное представление и невозможно, если мы только не желаем потерять надежду что-либо понимать в Ф." ("Tractatus de Lumine"). Великие ученые нашего времени не менее настойчиво указывали на необходимость такого именно научного миросозерцания и видели "высшую цель, к которой должно стремиться естествознание... в сведении всех явлений природы на механику" (Кирхгоф, 1865). Почти в тех же словах выражается и Гельмгольц: "Конечной целью всех естественных наук является разыскание движений, лежащих в основе всех изменений, и причин, производящих эти движения, т. е. слияние этих наук с механикой". Свойство вещества, наиболее непосредственно бросающееся в глаза, есть его делимость; границ делимости мы ни одним механическим процессом деления достигнуть не можем. При наличности этого свойства вещества мы можем предположить либо 1) что вещество действительно делимо до бесконечности, если не на опыте, то мысленно, и, следовательно, представляет собой нечто непрерывное (continuum); либо 2) что при мысленном делении вещества мы наконец придем к частям его, которые представляются отдельными неразрушаемыми индивидуумами, из более или менее сложного агрегата которых и построено вещество. И то, и другое предположение не могут непосредственно подвергнуться опытной поверке. Первая гипотеза заманчива по своей простоте, но она должна была бы быть загромождена целым рядом новых дополнительных гипотез, чтобы объяснить явления химические — соединение нескольких тел в одно новое, разложения тел на ряд новых. Остается, таким образом, предположение о веществе, построенном из индивидуумов (атомов). На атомистической гипотезе о строении вещества выросла и окрепла современная химия. От химии атомистическую гипотезу унаследовала Ф.; в последней она тоже твердо установилась, несмотря на то, что в Ф. эта гипотеза казалась менее необходимой, чем в химии; истинную пользу от принятия атомистической гипотезы Ф. получила значительно позже, когда представление об атомах было уже общепризнанной основой науки и в Ф. В настоящее время атомистическая гипотеза составляет общее достояние всех естественных наук; признание всеми этой гипотезы объясняется (Менделеев), вероятно, естественным стремлением человека приписать то же самое строение микрокосму — веществу, какое он наблюдает в макрокосме — мире планет. В настоящее время никто не предполагает в атоме чего-либо действительно физически неделимого (каков был атом древних), и понимают под атомом наименьший вещественный индивидуум, который еще обладает всеми свойствами, присущими данному веществу. Таков атом, из которого построены тела химически простые; тела химически сложные представляют агрегаты сложных атомных комплексов — химических молекул, причем в каждой молекуле содержатся атомы всех простых веществ, входящих в состав данного химически сложного вещества. В таком веществе "атомом" в том смысле, какой был придан этому слову выше, явится молекула, так как разрушение молекулы и разложение ее на части влечет за собой переход химически сложного вещества в ряд новых — в отдельные вещества, его составляющие. Целый ряд фактов химии и Ф. требует, затем, для объяснения своего, предположения о том, что 1) химически простые тела состоят из более или менее сложных комплексов отдельных одинаковых атомов, сплоченных вместе; в зависимости от сложности комплекса данное тело представляется в одном или другом из возможных ему видов. 2) В химически сложных веществах, состоящих из молекул, строение молекул, состоящих из одного и того же числа одинаково подобранных атомов простых тел, может быть неодинаково; неодинаковость эта может вызвать различия в физических (и даже химических) свойствах веществ, которые в смысле состава их молекул абсолютно одинаковы. Затем и молекулы химически сложных тел могут существовать в теле не только в отдельности, но и в виде комплексов из нескольких связанных вместе молекул; различная сложность комплексов может объяснить различные физические свойства веществ, молекулы которых во всех отношениях одинаково построены. Все эти предположения о возможной сложности первоначальных элементов, из которых построено вещество, не произвольны, но прямо необходимы в атомистической гипотезе для объяснения явлений аллотропии, изомерии и полимерии (см. Химия), т. е. различных физических свойств веществ, химический состав которых одинаков. Молекулы в химически сложных веществах и атомы в веществах химически простых не касаются друг друга. Только в этом предположении возможно объяснение перехода тел из одного состояния в другое, из газообразного в жидкое и из последнего в твердое, а также объяснение упругости тел. Атомистическая гипотеза предполагает, что молекулы газа находятся на расстояниях друг от друга, которые огромны сравнительно с размерами самих молекул; в жидких телах расстояния между молекулами значительно меньше; меньше всего они в твердых телах. Уменьшение объема тела при увеличении давления, испытываемого телом, есть следствие сближения молекул: в газах изменение объема при данном увеличении давления весьма значительно, в жидкостях много меньше, в твердых телах наименьшее. Подробнее о размерах молекул и расстояния между ними см. соотв. ст. Между молекулами действуют силы, подобные силам тяготения между телами. Представление об этих силах необходимо для объяснения связи (сцепление) между частицами в твердых и жидких телах и для объяснения явлений поверхностного натяжения жидкостей. Силы эти принадлежат к так называемым центральным силам, т. е. величина силы, действующей между двумя данными молекулами, зависит исключительно от расстояния между последними. Это — силы притяжения между молекулами, быстро убывающие по мере возрастания расстояния между ними. Вопрос о том, согласно какому закону происходит убывание сил взаимодействия между молекулами при изменении расстояния между ними, является до сих пор нерешенным. Некоторые толкователи атомистической гипотезы считали, кроме того, необходимым признать между молекулами существование двух систем сил — одной притягательной, другой отталкивательной, сил, закон убывания которых с увеличением расстояния неодинаков. По мере удаления молекул друг от друга величина сил, действующих между ними, быстро убывает. На некотором расстоянии между молекулами взаимное действие их будет столь незначительно, что какая-либо внешняя, ничтожная по величине причина (напр. сила тяжести) может нарушить связь между молекулами и разъединить их; это расстояние называют "радиусом сферы действия молекулярных сил". Понятно, что столь неопределенное представление, как сфера действия молекулярных сил, не может дать точки опоры для численного определения радиуса этой сферы. Все высказанные различными исследователями мнения по этому вопросу сводятся к тому, что в твердых телах радиус сферы действия в несколько раз больше расстояния между молекулами; в жидких телах радиус сферы действия каждой молекулы лишь немного меньше расстояния ее от соседних молекул; в газах каждая молекула находится далеко вне сфер действия всех остальных молекул. Молекулы вещества твердого, жидкого и газообразного находятся в непрерывном движении. Движение молекул в твердых и жидких телах должно быть весьма сложным и непостоянным как по виду пути, так и по скорости частиц, так как каждая молекула, находясь в сфере действия соседних, должна изменять свое движение под влиянием сил, исходящих от соседних частиц. В газах движение должно быть по характеру проще; каждая молекула, вполне свободная, должна двигаться прямолинейно и с постоянной скоростью. Как в жидком, так и в твердом теле, и в газе молекулы должны испытывать столкновения с соседними; в твердых и жидких телах эти столкновения являются лишь моментом, усложняющим и без того в высшей степени сложное движение частиц; в газах столкновение молекул является единственной причиной, изменяющей прямолинейное и равномерное движение частиц и превращающее это движение в хаотическое движение с постоянно меняющимся направлением у каждой молекулы. Каждая молекула вещества, обладая определенной массой и некоторой скоростью, является носительницей некоторого запаса кинетической энергии; тело — совокупность молекул — обладает совокупностью этих запасов энергии. Мы не замечаем движения молекул в теле, и следовательно, для нас энергия тела, вызванная скрытым движением молекул в нем, должна представляться не энергией движения (кинетической) молекул, а каким-то видом потенциальной энергии самого тела. Еще одно в высшей степени важное следствие тотчас вытекает из вышесказанного — а именно необходимость приписать молекуле и атому абсолютную упругость. Действительно, механика учит, что лишь при столкновении абсолютно упругих тел энергия движения их не превращается в другие виды энергии; при ударе тела неупругого или неабсолютно упругого часть движения его исчезает, и после большого ряда ударов скорость тела может сделаться равной нулю. Атомистическая гипотеза является одним из наиболее крепких устоев нашего научного здания. Несмотря на это, нельзя закрыть глаза на те внутренние противоречия, которые при современном представлении об атомах кроются в самых основах ее и на которые неоднократно указывали мыслители. Раньше всего, атомы не могут быть качественно различны; являясь единственным субстратом движения в мире, в котором все видимое разнообразие есть лишь разнообразие движения вещества, атомы должны быть вполне лишены качеств (Вундт, Спенсер, Сталло). Отсюда необходимо прийти к заключению, что первообразный атом (Uratom) должен быть один, что те индивидуумы, которые химия называет атомами, представляют сложные комплексы первообразных атомов и что от большей или меньшей сложности этих комплексов зависят качественные различия атомов химии. Еще не забыта гипотеза Прута (Prout), согласно которой первообразным атомом являлся атом водорода; гипотеза эта оставлена, и для оставления ее имелись веские доводы. Вопрос о первообразном атоме после оставления гипотезы Прута временно сошел со сцены, и лишь в самое последнее время интерес к "первообразному атому" снова возник, и поводом к этому послужили некоторые последние успехи физики. Исследуя явления прохождения электрического разряда через газы, Ленард, Дж. Томсон, Кениг и др. пришли к ряду наблюдений, которые с точки зрения атомистической теории не могут быть объяснены иначе, как предположением о существовании частиц вещества в тысячи раз меньших, чем химический атом водорода; интересно, что некоторые исследования над излучением света привели Лоренца и Зеемана к необходимости совершенно тех же предположений. Эти частицы, несущие (как показало численное исследование опытов) огромные электрические заряды, может быть, явятся для науки будущего теми первичными атомами, из которых построены атомы химии. Другим слабым местом атомистической гипотезы является упругость атома. Упругость как свойство вещества, состоящего из атомов, должна сама объясняться атомистическим строением вещества. Понятно, что если мы примем, что атом химии и теории газов состоит из комплекса первичных атомов, то абсолютную неупругость следует приписать первичному атому, сложный же химический атом может быть и упругим.

6) Кинетическая теория вещества. Движением атомов и молекул с давних пор уже пытались объяснить тепловые явления. Параллельно с развитием этого несомненно существовавшего общего убеждения в механической природе тепла шло чисто опытным путем развитие вещественной теории тепла, видевшей причину тепловых явлений в особом веществе, "теплороде". Представления теории вещественного теплорода были столь просты и изящны, язык ее столь удобен был для описания явлений, что не было пока никаких причин оставлять ее и заменять заманчивой, но неопределенной механической теорией. Убеждение в механической природе тепла еще более укоренилось, когда Майер, Джоуль и другие показали, что теплота может исчезнуть, превратившись в механическую работу, что, наоборот, исчезнувшая механическая работа может дать тепло и что между количествами исчезнувшей работы и возникшего тепла существует постоянное отношение. Но никто из них не решался точнее характеризовать движение молекул в теле и привести его в непосредственную числовую связь с тепловыми свойствами тел. Заслуга эта принадлежит Клаузиусу (1857), который для случая газообразного состояния вещества дал наглядную и полную картину движения молекул; Клаузиус исследовал это движение и вывел из него как необходимость характерные свойства газов; он предсказал на основании своей теории ряд числовых зависимостей между свойствами газов — зависимостей, которые впоследствии нашли блестящее подтверждение. Таким образом Клаузиус положил основание одному из замечательнейших отделов физики — кинетической теории газов (от греческого слова κίνησις — движение), а вместе с тем утвердил и кинетическую теорию вещества. Согласно кинетической теории, всякий объем газа состоит из множества абсолютно упругих молекул, несущихся в полном хаотическом беспорядке по различным направлениям и с различными скоростями. Расстояния между отдельными молекулами вообще на столько больше радиусов сфер действия их, что молекулы газа необходимо признать в механическом отношении совершенно свободными. Двигаясь под влиянием одной инерции, молекула несется с равномерной скоростью по прямой линии, пока не встретится с соседней, тоже движущейся, молекулой или с каким-либо препятствием (стенкой сосуда, напр.). При встрече с соседней молекулой или препятствием данная молекула отражается от них, как отражается абсолютно упругий шар от другого шара или от стенки. Скорости различных молекул весьма различны, и скорость одной и той же молекулы должна непрерывно меняться вследствие столкновения с другими. Длины путей молекул от одного столкновения до другого весьма разнообразны, направления этих путей могут быть всевозможные и тоже вследствие столкновений непрерывно меняются. Такое движение есть движение вполне беспорядочное; все направления движения в нем равновозможны. Скорости движения молекул весьма различны; можно поэтому говорить лишь о средней скорости их, причем средней скоростью называют ту скорость, которую должны были бы иметь все молекулы для того, чтобы полная энергия движения в данном объеме газа была та же самая, что и при данном неизвестном сложном распределении скоростей. Эта средняя скорость, как учит кинетическая теория газов, тем больше, чем выше температура газа и чем плотность газа меньше. Длины путей молекул между двумя столкновениями могут быть весьма различны; мы можем поэтому говорить только о средних длинах путей. Эта средняя длина пути тем меньше, чем больше упругость или плотность газа; действительно, в сжатом газе число столкновений должно быть больше, а, следов., средняя длина пути должна быть меньше. Кинетическая теория газов (см.) дает даже возможность рассчитать как среднюю скорость движения молекул в газе, так и среднюю длину пути и число столкновений в секунду. Некоторый объем газа, представляя комплекс движущихся молекул, обладает известным запасом кинетической энергии. Так как средняя скорость молекул с понижением температуры уменьшается, то уменьшается и запас энергии газа. Кинетическая теория газов отождествляет ее с запасом тепловой энергии газа; согласно этой теории, тепло есть не что иное, как движение молекул, температура — некоторая характеристика теплового состояния, пропорциональная квадрату средней скорости их. При понижении температуры средняя скорость молекул уменьшается; законным является вопрос: возможна ли температура, при которой скорость молекул сделается равной нулю? До настоящего времени такая температура не получена и нет никаких данных для предположения, что она когда-либо достигнута будет. При весьма сильном охлаждении все без исключения известные нам газы переходят в жидкое и затем твердое состояние; к этим состояниям пока еще рискованно прилагать выводы кинетической теории газов. Однако такая температура мыслима; ее называют абсолютным нулем температуры. Закон, связующий среднюю скорость газовых частиц с температурой, и закон расширения газов дают нам возможность приблизительно определить, при какой температуре по шкале Цельсия должен был бы лежать абсолютный нуль; если бы мы вправе были прилагать эти законы к столь значительным температурным интервалам, мы нашли бы таким путем температуру в —273° Ц. Понятно, что никакого реального значения это число иметь не может: оно дает нам только новую исходную точку для счета температур, а следовательно, и новую (абсолютную) температурную шкалу, градус которой равен градусу шкалы Цельсия, а нуль — лежит на 273° Ц. ниже температуры таяния льда и которая является в высшей степени удобной при трактовании многих вопросов теории газов, жидкостей и твердых тел.

В начале 1870-х годов кинетическая теория двинулась на значительный шаг вперед: Ван дер Ваальсу удалось распространить ее и на газы, близкие к насыщению (пары), и на явления перехода паров в жидкость. Опытные факты, доказывавшие, что между жидким и газообразным состоянием нет резкой границы и что возможны переходные состояния, в которых мы вещество с одинаковым правом можем назвать и жидкостью, и паром, были известны и до Ван дер Ваальса; но лишь работы этого ученого дали нам более или менее ясную картину состояния вещества в переходных ступенях его от жидкости к газу и обратно. Несомненно, что и в жидкости существует молекулярное движение и что запас тепловой энергии жидкости есть запас кинетической энергии движущихся молекул ее. Кинетическая картина жидкостей настолько сложна, что не поддалась еще аналитическому исследованию, и в науке нет еще кинетической теории жидкости. Но в самом движении молекул жидкости сомнения быть не может; явления диффузии — медленного проникновения одной жидкости в другую, соприкасающуюся с ней, явление испарения с поверхности жидкости не могут быть объяснены иначе, как с точки зрения кинетической теории. Еще сложнее должны быть формы движения молекул в твердом теле. Связанные прочными молекулярными связями частицы твердого тела, вероятно, лишь колеблются по сложным кривым вокруг некоторых положений равновесия и, вероятно, лишь в высшей степени медленно перемещаются от одного места твердого тела к другому. Мы должны все же признать возможность такого, хотя и медленного, перемещения молекул и у твердого тела, так как недавние опыты Спринга несомненно доказали существование диффузии одного твердого тела в другое, с ним соприкасающееся.

7) Действие на расстоянии. Земля притягивает гирю, магнит притягивает или отталкивает другой магнит, наэлектризованное тело заставляет двигаться другое, тоже наэлектризованное тело. Все это — явления, в которых, по-видимому, существует непосредственное действие тела А на тело В через расстояние, отделяющее их. С давних пор люди пытались объяснить эти явления, т. е. свести их к другим, более понятным; это одно стремление указывает уже, что принцип действия на расстоянии не может быть постигнут умом и является принципом, противным всему воззрению человека на природу. Действительно, в основе всех явлений, по нашим представлениям, должно лежать вещество и движение; движение без вещества немыслимо, и вещество является необходимым субстратом движения; поэтому если мы наблюдаем передачу движения от тела А к телу В, то эта передача могла произойти лишь как следствие непосредственного соприкосновения с В какого-либо вещества (среды), соприкасающегося и с А, и образующего между А и В вещественный мост, по которому может произойти передача движения. Но если таковой среды нет, если явления, как, напр., магнитные действия, происходят и в воздухе, и в пустоте, тогда приходится придумывать специальную среду, невидимую и неосязаемую, пронизывающую и воздух, и пустоту и служащую передатчиком силы. Ко времени Ньютона каждая группа явлений, приводившая к кажущемуся действию на расстоянии, одарена была своей средой, своим невидимым, всепроницающим "флюидом"; все эти флюиды не имели другого обоснования, как стремление к объяснению всякого явления непосредственной передачей движения от тела к телу. Явился Ньютон и смело взялся за исследование наиболее загадочного из всех кажущихся действий на расстоянии — явления тяготения. Сила тяготения для Ньютона лишь математическое представление; явления происходят так, как если бы существовало действие на расстоянии, и он поэтому смело прилагает математический анализ к исследованию этого действия. Что такое тяготение — это его, по-видимому, не заботит: "причин этих свойств тяготения я не мог найти, а гипотез я не придумываю". Несомненно, однако, что Ньютон не был сторонником "actio in distans" — как его выставляли его современники, — это доказывают его письма, но он прозрел гением своим единственный путь, который мог в те времена полезно оживить науку, — путь формального исследования явлений, внутренняя причина которых от нас скрыта. Этим путем шла Ф. целые два столетия после Ньютона, этим путем добыто большинство наших познаний в Ф., и введение этого пути, может быть, наибольшая заслуга Ньютона. Современники Ньютона горячо восстали против веры в действие на расстоянии, будто бы исповедуемой Ньютоном. Они не поняли, что у Ньютона "actio in distans" есть только метод исследования, но не более; Гюйгенс, Лейбниц, Бернулли метали громы негодования на эту "невещественную и необъяснимую силу" тяготения. Годы, однако, проходили, и к новому понятно привыкали; осеняемое могучим авторитетом Ньютона "действие на расстоянии" плотно внедрилось в физику. На действии на расстоянии выросла электростатика Кулона, электродинамика Ампера, Лапласа и все стройное учение о потенциале. Начали забывать, что "действие на расстоянии" есть лишь фикция, метод, придуманный для облегчения постановки и решения многих вопросов Ф., и даже стали привыкать видеть в этом принципе нечто реальное. Когда на арену науки вступил Фарадей, совершенно свободный от современных ему научных предрассудков, совершенно свободный от увлечения математической физикой его дней и руководимый исключительно своим гением, то он неминуемо должен был вернуться к представлению о среде как необходимом промежуточном агенте во всех явлениях, казавшихся следствием непосредственного действия на расстоянии. Убеждения Фарадея показались новыми и оригинальными — до того наука тех дней забыла о том, что действие на расстоянии дано было ей Ньютоном лишь как метод, но не как догмат научного миросозерцания. Полстолетия после Фарадея потребовалось для того, чтобы естественное человеку представление о необходимости передающей действия среды снова вернуть в Ф. как основное положение ее; но все невидимые, неосязаемые среды доньютоновского времени теперь слились в одну, существование которой не должно подлежать сомнению и которую мы называем эфиром.

8) Эфир — всепроницающая вещественная среда, единственный наполнитель всего пространства; среда, в которой молекулы тел, непосредственно познаваемых нашими чувствами, плавают, как пылинки в воде; среда, которая по геометрическим свойствам одинакова с пространством, по физическим свойствам с осязаемым веществом. Представление об эфире да и само слово "эфир" не так ново, как можно было бы думать. Древние греческие философы создали это слово, создали и связанное с ним представление. Их миросозерцание не допускало в природе пустоты, и чтобы удовлетворить системе, требовавшей чего-либо даже в пустоте, они пришли к необходимости эфира. Мы снова встречаемся с эфирами ("флюидами") в средние века, когда они служили для объяснения всех кажущихся действий на расстоянии. Так явились эфиры магнитные и электрические, специальный эфир, в котором плавают планеты, и другие еще; словом, как образно говорит Максвелль, "пространство было перезаполнено эфирами". Должна была наступить реакция, и она явилась к началу XVIII стол. в лице великого Ньютона. После Ньютона сто лет и не решались говорить об эфирах. Наступило XIX стол., и в 1818 г. Парижская академия объявляет конкурс на сочинение, которое объяснило бы причины дифракции света; по тону самого объявления видно, что столпы академии, Лаплас, Пуассон, Био, надеялись получить объяснение, которое придало бы еще более блеска Ньютоновой теории истечения. В академию поступает в ответ сочинение молодого французского инженера Огюстена Френеля, который с неожиданной простотой, легко и изящно объясняет все известные световые явления, исходя из теории колебания эфира, того самого светового эфира Гука и Гюйгенса, который, казалось, раз навсегда похоронен был Ньютоном; Это был решительный удар для теории истечения и новый расцвет для эфира Гюйгенса. Продолжатели Френеля — Мак-Куллаг, Гамильтон, Эри и другие, исходя из теории эфира, создали вместе с Френелем учение о свете, столь стройное, столь прекрасное, что до настоящего времени оно служит недосягаемым образцом научной теории (см.). В начале 1850-х гг. истекшего столетия на арену вопроса об эфире выступает Михаил Фарадей. "Если есть эфир, — говорит он, — то он должен бы исполнять и другое назначение, кроме распространения световых лучей". Это была его основная мысль, и, преследуя ее, он пытался создать картину явлений электрических и магнитных, в которых действующей средой являлся бы "световой" эфир. В те времена вопрос о внутренней природе этих явлений почти никого не занимал; все поглощены были чисто внешней математической формулировкой их, данной блестящими французскими математиками начала истекшего столетия. Фарадея с его оригинальным, чисто физическим умом все это удовлетворить не могло; он стремился понять внутреннюю суть явлений. Он нарисовал себе ясную картину электрических и магнитных явлений как следствий натяжений и закручиваний в световом эфире. Каковы были детали Фарадеева эфирного механизма электромагнитных явлений, нам неизвестно; Фарадей не владел математикой, единственным языком, на котором он мог бы понятно для остальных изложить свои мысли. Его не понимали; великим открытиям его удивлялись, но над идеями, которые привели его к этим открытиям, улыбались. Первый Клерк Максвелль, профессор в Кембридже, прозрел все величие идей Фарадея и долгое время тщетно пытался придумать и описать детальный эфирный механизм, который мог бы дать полную картину того, что представлялось Фарадею. Это ему не удалось, и тогда он, исходя из законов механики, которым по общему убеждению должен подлежать и эфир, построил весьма общую теорию электромагнитных явлений, происходящих в эфирной среде. Теория Максвелля привела к удивительным результатам; она все почти объяснила, очень многое предсказала и, что замечательнее всего, связала в одно стройное целое явления световые и электромагнитные как явления, происходящие в одном и том же эфире. Ко времени появления труда Максвелля (1873) выяснились и многие другие стороны явлений в эфире; ясно, напр., стало, что так назыв. явления "лучистого тепла" представляют частный случай распространения радиаций в эфире. Таким образом эфир получил значение мирового агента, главного носителя энергии в мире. B Германии, бывшей до тех пор главной руководительницей в области Ф., к теории Максвелля отнеслись довольно скептически: тем более интересно, что как раз из среды германских ученых вышел знаменитый Генрих Герц, которому через 15 лет после появления труда Максвелля суждено было блестяще подтвердить путем опыта справедливость Фарадей-Максвеллевых воззрений на роль эфира в явлениях электромагнитных и показать полное качественное тождество электромагнитных волн в эфире и световых волн. Работы Герца и его последователей устранили для настоящего времени всякую возможность каких-либо других взглядов на общий характер электромагнитных явлений, кроме взглядов Фарадея и Максвелля. Эфир, бывший "световым", сделался эфиром "электромагнитным", так как и явления световые сделались частным случаем явлений электромагнитных. Современная Ф., как мы видим, в большей части своей есть "Ф. эфира". Непосредственно свойств эфира мы исследовать не можем и судим о них лишь на основании изучения тех явлений, которые, по нашим представлениям, в эфире происходят. Таким путем добыты были те сведения о свойствах эфира, которыми располагает современная Ф. Из определенного Ланглеем количества тепла, приносимого солнечными лучами в 1 мин. на каждый кв. см земной поверхности (3 мал. калор.), лорд Кельвин (1854) вычислил, что плотность d эфира несомненно больше 2∙10^-25, т. е. d >2∙10^-25, причем плотность воды принята за единицу. В 1879 г. тот же вопрос рассматривал Глан с совершенно другой точки зрения; он находит, что Д >10^-18. В 1885 г. Гретцу удалось из рассмотрения явлений вращения плоскости поляризации найти число, меньше которого должна быть плотность эфира, d<>^-15. Таким образом, плотность эфира согласно этим данным должна заключаться приблизительно между 10^-15и 10^-18, т. е. должна выражаться дробью, числитель которой единица, а знаменатель число с 15—18 цифрами. Мы ничего не знаем о том, весит ли эфир, т. е. подвержен ли он законам тяготения или нет. Если, как это многие предполагают, эфир сам является передатчиком действий тяготения, то, понятно, мы не можем говорить о весе его. Эфир пронизывает все тела, и мы должны себе представить каждое тело как тучу молекул, плавающих среди безбрежного эфирного моря. Эфир внутри тел несомненно отличается от свободного эфира в пустом (свободном от вещества) пространстве. В свободном эфире скорость распространения волн (световых или электромагнитных) равна, как известно, 300000 км в 1 секунду; в веществе, как показали и непосредственные опыты, она меньше. С другой стороны, механика учит, что скорость распространения упругих волн в какой-либо среде тем больше, чем больше упругость среды и чем меньше ее плотность. Мы должны, следовательно, предположить, что несвободный эфир внутри вещества обладает либо меньшей упругостью, либо большей плотностью, чем эфир свободный. Френель склонился ко второму предположению, и оно теперь общепринято (см.). Мы пока еще ничего не знаем о том, как себе представить уплотнение эфира внутри вещества. Явление светорассеяния, наблюдаемое только в несвободном эфире и отсутствующее в эфире свободном, указывает несомненно на какие-то связи между эфиром и молекулами; о характере этих связей пока еще ничего не известно. Изучение явлений распространения волн в эфире приводит нас к некоторым представлениям и об упругих свойствах эфира. Несомненно из всего, что поныне известно, что в эфире возможно распространение с конечной скоростью лишь волн с поперечными колебаниями. Волны с продольными колебаниями в эфире никогда не наблюдались; чтобы объяснить это, необходимо предположить — либо что скорость распространения продольных волн в эфире бесконечно велика, либо что она бесконечно мала. Если мы допустим бесконечно большую скорость продольных волн, как это обыкновенно и делают в Ф., то мы приходим к заключению, что эфир должен обладать свойствами упругого по отношению к сдвигу, но несжимаемого твердого тела. Чрезвычайный интерес, но и чрезвычайную сложность представляет вопрос о том, как относится эфир к движущимся через него телам. Возможны три предположения: 1) тела движутся свободно через неподвижный эфир, не увлекая его за собой; 2) тела движутся через эфир, не нарушая неподвижности окружающего эфира и унося с собой лишь часть того эфира, который находится в них; 3) тела несутся через эфир, перенося с собой весь запас заключенного в них эфира. Еще Френель высказался за второе предположение, а именно за то, что лишь часть эфира, связанная с молекулами, принимает участие в движении тела. Этот вывод проверен был на опыте раньше Физо (1855), а затем Майкельсоном и Морлейем (1886); исследователи определяли скорость распространения света в воде, текущей по направлению распространения света, и нашли ее действительно большей, чем в покоящейся воде, и как раз во столько раз большей, как это предсказывает предположение Френеля. Кроме того, предположение Френеля прекрасно объясняет наблюдаемую на опыте независимость явления астрономической аберрации от среды, которая находится на пути световых лучей. Еще большие трудности представляет вопрос о том, увлекает ли движущееся тело находящийся вокруг него эфир, т. е. существует ли нечто подобное трению между покоящимся эфиром и движущимся телом. Вопрос представляет особенный интерес по отношению к возможному увлечению эфира движущимся с огромной скоростью земным шаром. Несмотря на целый ряд остроумнейших попыток решить этот вопрос, нам о нем пока почти ничего еще не известно. Мнения очень многих (начиная с Ньютона) склонялись к тому, что эфир является передатчиком и сил тяготения; но о силе тяготения нам, кроме Ньютонова закона, ничего не известно. Скорость распространения сил тяготения неизвестна; попытки определить ее из астрономических наблюдений (Лаплас, Оппольцер, Геппергер) не привели к каким-либо определенным результатам. Какое-либо влияние промежуточной среды на силу тяжести или влияние на нее формы тела (независимо от его массы) тоже пока не замечено. Таким образом, характер сил тяготения, с внешней стороны лучше всего нам знакомых, менее всего нам известен; поэтому пока и не может быть речи о сколько-нибудь удовлетворительном объяснении этих сил. На почве эфира построена и одна из замечательнейших спекуляций об интимной природе вещества, именно теория вихревых эфирных атомов В. Томсона. В вихре (см.) вещество, из которого вихрь состоит, вращается вокруг осевой линии вихря и движется в то же время поступательно вместе с вихрем. Гельмгольц и после него В. Томсон и Дж. Томсон исследовали условия образования и существования таких вихрей в жидкостях и газах и пришли к многим в высшей степени замечательным выводам. Если мы имеем вихревое кольцо в несжимаемой и не обладающей вязкостью жидкости, то это вихревое кольцо неуничтожимо; нет способов, посредством которых мы были бы в состоянии разбить такое кольцо на части, уничтожить его. С другой стороны, в такой идеальной жидкости мы не имеем возможности создать вихрь; мы можем создать его только в вязкой жидкости, в которой вихревое движение само по себе через некоторое время прекратится. Но если предположить, что какая-либо творческая сила создала ряд вихрей в идеальной жидкости, то эти вихри будут вечны, бессмертны. Такой вихрь упруг, он представляет неразрушимый индивидуум среди остальной массы жидкости — он обладает, как показывает математический анализ, всеми свойствами, которые мы приписываем другому неделимому — атому. В. Томсон и высказал мысль, что атомы вещества, может быть, не что иное, как кольцевые вихри некоторой идеальной жидкости. Разнообразие вещества может быть объяснено разнообразием форм вихрей и сплетением нескольких вихрей в одну сложную систему — молекулу. Эта идеальная жидкость не есть, однако, эфир; в такой жидкости появление поперечных колебаний нам было бы совершенно непонятно. Остается предположить, что эта жидкость какой-то новый эфир — эфир второго порядка, из мельчайших вихрей которого состоит наш обычный эфир. Эфиру приписывались в разное время и другие еще функции — его отождествляли даже с электричеством, но уже того, что, по общему убеждению, несет на себе эфир, достаточно, чтобы признать, что в механической картине мироздания эфир играет роль несомненно более значительную, чем вещество осязаемое.

9) Энергия. Скрыто или явно во всех отдельных частях Ф. сквозит убеждение в том, что все происходящее в мире, подлежащем изучению Ф., есть не что иное, как движение вещества. Движение всякого вещества подчиняется общим законам механики; следовательно, и все физические явления в конце концов должны подчиняться некоторым совершенно общим законам, тем законам, которые лежат в основе механики и по общности своей называются в механике "принципами". В применении к тому методу, которым пользуется Ф. при рассмотрении явлений, особенно удобным является принцип, называемый в механике "законом живой силы", в приложении к физике — "принципом сохранения энергии". Этот принцип, являющийся в настоящее время путеводной нитью всей Ф. в ее развитии, может быть поставлен и в полную независимость от механического воззрения на мир; на него можно смотреть как на опытный принцип, вытекающий из всего того, что мы знаем о явлениях природы; его можно рассматривать и как следствие аксиомы о невозможности "perpetuum mobile". Каков бы ни был путь, посредством которого мы пришли к убеждению о подчинении всех явлений принципу сохранения энергии, мы должны в настоящее время признать этот принцип как одну из незыблемых основ Ф. Инстинктивное чувствование чего-то неисчезающего, неизменного во всем круговороте явлений природы сквозит в писаниях даже древнейших исследователей и философов. Лишь в начале прошлого столетия выработалось представление о том, что это нечто неисчезающее, неразрушимое есть энергия. Энергией мы называем способность совершать механическую работу; если какая-либо совокупность тел способна, как-либо изменившись, совершить работу, то мы говорим, что эта совокупность тел обладает известным запасом энергии; чем больше работа, которую может совершить эта система, тем больше запасенное в ней количество энергии. Движущееся тело, поднятый груз, закрученная пружина обладают запасом энергии; нагретое тело тоже источник энергии — действительно, мы можем заставить его, охладившись, нагреть газ, который расширится и, подняв груз, совершит механическую работу. Наэлектризованные тела, магниты тоже могут представлять запасы энергии; наконец, таким же запасом обладает и всякая совокупность двух тел, могущих химически воздействовать друг на друга. Всякое явление можно рассматривать как переход энергии из одного вида в другой. Заставим падающий груз приводить в действие динамо-машину; ток этой последней заставим накаливать проволоку, которая, в свою очередь, может нагревать воду; свет, излучаемый проволокой, заставим упасть на хлористое серебро, и оно под влиянием света будет разлагаться, выделяя металлическое серебро. Всю эту сложную совокупность явлений мы можем рассматривать как переход энергии падающего груза из одного вида в другой. Поднятый груз обладал запасом энергии; пока он падал, запас энергии его уменьшился, но зато за счет этого уменьшения возник новый вид ее — энергия электрического тока. Ток накаливал проволоку — энергия тока переходила в тепловую энергию в проволоке. Проволока излучала свет — тепловая энергия ее переходила в энергию колебания эфира и т. д. Нет ли количественного закона, который управлял бы этими переходами энергии из одного вида в другой? Будем ли мы исходить из той точки зрения, что все эти явления представляют не что иное, как движение вещества, или непосредственно из аксиомы о невозможности "perpetuum mobile", мы всегда придем к заключению, что полное количество энергии во всей системе тел, участвовавшей в описанных процессах, нисколько за время течения процессов не изменилось. Изменилось только распределение энергии между телами и распределение энергии по различным видам ее. Это одинаково справедливо для всех процессов, какие бы мы ни придумали; отсюда следует, что и вообще энергия не может ни создаться, ни исчезнуть, а только переходит от тела к телу, от одного вида к другому. Представим себе, что мы могли бы всякий запас энергии (какого бы то ни было вида) какой-либо системы тел совершенно отнять от нее и превратить в один вид энергии, напр. в энергию поднятого груза; тогда мы могли бы сравнивать количества разнороднейших видов энергий, приведя их для этого к одному и тому же виду; если два количества энергии различных видов, будучи приведены к одному третьему виду, дали бы равные количества этого третьего вида, мы их назвали бы эквивалентными количествами энергии. Раз мы пришли к убеждению, что энергия не может ни исчезнуть, ни создаться, то, следовательно, всякий запас энергии, кажущимся образом исчезнувший, в действительности только перешел в эквивалентную ему сумму других видов энергии. Совокупность этих представлений обнимает великий принцип сохранения энергии. Формулировать его можно следующим образом: энергия не исчезает и не образуется вновь, но энергия одного вида может перейти в эквивалентную ей сумму энергий других видов. Наука не сразу, понятно, пришла к выводу столь необыкновенной, столь необъятной общности. Убеждение в необходимости существования такого принципа выросло на рассмотрении частных случаев физических явлений, но раньше всего на исследовании явлений тепловых. Представление о вещественной природе тепла, сильно поколебленное опытами Румфорда и Деви, уже в начале XIX в. начало уступать кинетическому воззрению на тепловые явления. Независимо от того росло убеждение, что тепло не что иное, как вид энергии, и что при трении явление теплообразования не сопровождает поглощение механической работы, но есть действительный переход механической энергии в новый вид ее — тепловую. Лишь в 1841 г. в работе совершенно неизвестного тогда судового врача Роберта Майера впервые высказана была определенно и страстно эта назревавшая мысль. "В сплетении причин и следствий... ни одна часть их, ни даже часть части не может сделаться равной нулю. Это первое свойство всех причин назовем их "неразрушимостью", — пишет Р. Майер, и дальше: — силы неразрушимы и способны к превращениям". Уже в 1845 г. Майер вычисляет на основании опытов над расширением газов, какое число единиц механической работы нужно затратить, чтобы получить единицу количества тепла; в той же работе Майер делает огромный шаг вперед и обобщает свои представления и на случай электрических явлений, и на различные физиологические и космические вопросы. Независимо от Майера в 1843 г. к аналогичным выводам пришел в Копенгагене инженер Кольдинг; он исходил из чисто метафизических оснований, но не пренебрегал и опытом, и на основании опытов над трением (по-видимому, первый) определяет опытным путем механический эквивалент тепла. В том же 1843 г. англичанин Джоуль начинает ряд своих знаменитых опытов для точного численного определения механического эквивалента. Ему мы главным образом обязаны разработкой методов этих определений и наиболее точными из известных до последнего времени результатов подобных определений. Работы Джоуля сильно содействовали глубокому укоренению убеждения, что при переходе механической энергии всецело в тепловую количество последней пропорционально количеству затраченной при этом механической энергии. Еще Майер ясно чувствовал чрезвычайную общность закона сохранения энергии; но в его изложении нет той строгой определенности, той точности языка, которая убеждает и других. Предстояло точно сформулировать на языке науки то, что чувствовал в природе Майер; это сделал Гельмгольц, и в этом одна из бессмертных заслуг его. В юношеском труде своем "Ueber die Erhaltung der Kraft" (1847) Гельмгольц ищет исходных пунктов для нового энергетического взгляда на природу и находит их, с одной стороны, в невозможности "perpetuum mobile", с другой — в признании первопричиной всех явлений действий притягательных и отталкивательных сил, величина которых зависит исключительно от расстояния между действующими друг на друга "точками" (центральный силы). Затем великий ученый блестяще развертывает в своей работе применения закона сохранения энергии; особенно подробно он останавливается на явлениях электрических и магнитных, на явлении электромагнитной индукции, на взаимодействии токов и т. д. Работа Гельмгольца впервые выяснила ученому миру всю общность и плодовитость новой идеи, которая, однако, лишь медленно пробивалась сквозь научную рутину и, может быть, только к 60-м годам сделалась исходной основой Ф.

Первый закон учения об энергии, о котором мы говорили выше, трактует о количественном соотношении между энергиями, всецело преобразовавшимися одна в другую. Он совершенно не затрагивает вопроса о том, когда и в какой мере такая трансформация возможна; он трактует количественную сторону уже совершившегося явления трансформации, но не дает ответа на вопрос, может ли такая трансформация иметь место и если может, то при каких условиях. Первый закон в приложении к явлениям тепловым говорит: "Когда механическая работа всецело переходит в тепло, то каждый килограмм-метр перешедшей в тепло работы дает 1/425 большой калории; когда тепло всецело переходит в механическую работу, то каждая большая калория дает 425 килограмм-метров механической работы". Возможен ли всецелый переход энергии одного вида в другой — остается вопросом открытым. Интересно, что еще задолго до Майера и Гельмгольца, а именно в 1824 г., добыты были результаты, которые впоследствии послужили основой для разработки этого вопроса. Размышляя над явлениями, происходящими в паровой машине, гениальный молодой французский инженер Сади Карно ("Reflexions sur la puissance motrice du feu", 1824) приходит к заключению (см.), что должен существовать общий закон, управляющий условиями перехода тепла в механическую работу, того перехода, который мы "лишь в несовершенном и исковерканном виде наблюдаем в паровой машине". Посредством в высшей степени оригинального метода рассуждения, сделавшегося теперь общим местом науки, но требовавшего для создания его необыкновенной, прямо гениальной способности к отвлеченным рассуждениям, Карно приходит к принципу, который он ищет: для превращения тепла в механическую работу необходимо существование двух тел различной температуры и переход тепла каким бы то ни было путем от тела с более высокой к телу с более низкой температурой; "движущая сила тепла" (т. е. количество полученной механической работы) "не зависит от вещества, которое применяется для получения ее (силы), и количество ее (силы) определяется единственно температурами тел, между которыми происходит перенос тепла". Карно смотрел на тепло как на вещество; переход тепла от одной температуры к другой происходит, по его мнению, как переход воды, движущей мельничное колесо, от одного уровня к другому; как количество воды неуничтожимо и лишь падением своим вращает колесо, так же неуничтожимо и тепло, и лишь падение его от одной температуры к другой — низшей вызывает работу тепловой машины. С точки зрения первого закона учения об энергии, это воззрение, конечно, неправильно. Если появляется механическая работа, некоторое эквивалентное ей количество энергии тепла должно исчезнуть, превратившись в работу; но к этому превратившемуся количеству тепла вполне приложим принцип Карно — оно зависит исключительно от температур тех тел, между которыми происходит переход тепла. Исследования Карно оставались малоизвестными, и лишь когда Клапейрон в 1834 г. изящнейшим образом аналитически их сформулировал, дав те геометрические и аналитические формы, в которые впоследствии вылилась термодинамика, работы Карно стали известными ученому миру. Ими воспользовался В. Томсон в 1848 году при создании своей абсолютной шкалы температур (см. Теплота) и в 1849 г. при исследовании влияния давления на температуру плавления льда. Все время Томсон стоит на точке зрения Карно о неуничтожимости тепла; переход тепла в работу он считает невозможным. Это мнение находилось в резком противоречии с первым законом учения об энергии, который в те времена уже был точно сформулирован Гельмгольцем и опытно проверен как раз на переходе механической работы в тепло соотечественником Томсона — Джоулем. Лишь в 1850 г. не только открыто указывает на это противоречие, но и разрешает его Клаузиус. Он показывает, что всякий переход тепла из более теплого тела в менее теплое может сопровождаться появлением механической работы; но при этом не все тепло сохраняется (как это думал Карно) и не все перешедшее тепло превращается в работу, а лишь часть его. К этой части вполне приложим принцип Карно — она зависит исключительно от температур тел, между которыми происходит переход. Клаузиус вычисляет, как зависит величина этой части от температур тел, между которыми происходит переход тепла, и показывает, как мала эта часть в наших тепловых двигателях. Итак, нет возможности все перешедшее тепло превратить в механическую работу; с другой стороны, уже в те времена опытно доказано было, что, обратно, при переходе механической энергии в тепловую возможен полный переход одного вида энергии в другую. Таким образом, впервые оказалось, что эквивалентные количества энергий различных видов могут существенно различаться по ценности своей, по способности своей переходить из одного вида в другой, напр. в механическую энергию. Ближайшее рассмотрение других видов энергии, кроме энергии тепловой и механической, показало, что и эти другие виды нельзя признать равноценными; одни из них всецело могут переходить в энергии остальных видов, другие только частью своей. Невозможно при настоящем состоянии учения об энергии дать таблицу различных видов энергии, расположенную по относительной ценности этих видов; можно только сказать, что наиболее ценными является энергия механическая и энергия электрическая в некоторых формах ее; менее ценны энергия лучистых колебаний эфира, некоторые проявления электрической энергии и энергия тепловая. Понятно, что при этих рассуждениях о ценности различных видов энергии мы рассматриваем лишь идеальные, мыслимые процессы перехода одного вида ее в другой; в действительности переход механической энергии в электрическую, напр. в наших приборах, невозможен всецело, так как по причине трения или явлений, аналогичных трению, часть механической энергии против нашей воли превратится в тепловую. Мы рассуждаем только об идеальных процессах перехода, и они, а не опыт, служат нам критерием для указания энергии ее места по ценности. Сравнение тепловой энергии с другими видами указало, затем, что для каждого вида энергии существует характеристика, подобная температуре для случая энергии тепловой, которая определяет часть данного вида энергии, способную при данных условиях перейти в какой-либо другой вид ее. Таким образом, результаты, добытые Карно и Клаузиусом, распространились на все виды энергии и получили необыкновенную общность. Совокупность добытых общих результатов можно формулировать весьма различно; эту совокупность и называют вторым законом учения об энергии.

Все явления, происходящие в неодушевленной природе, мы можем рассматривать как явления перехода энергии из одного ее вида в другой; следовательно, ко всем явлениям два закона учения об энергии приложимы. Возможно, что все результаты, добытые исследованием механических картин явлений, можно вывести как следствия двух принципов учения об энергии; существует значительная группа ученых, которая в этом вполне уверена и полагает, что дальнейшее развитие теоретической Ф. должно идти этим энергетическим путем, что механическая картина отжила свой век, что в каждом явлении, подвергающемся исследованию Ф., должно рассматривать лишь формы и переходы энергии, не заботясь о том, какова механическая картина, могущая объяснить это явление.

10) Механические картины, энергетика и феноменология. Веками освященный метод теоретического исследования физических явлений при помощи механических картин нашел в новом методе — энергетическом — соперника, с которым приходится считаться. В начале появления энергетического метода основатели его осторожно исходили из представления о механической природе явлений, но только не вдавались в детальное рассмотрение картин, а непосредственно прилагали к скрыто предполагаемой механической картине общие принципы учения об энергии; этим путем добыты были, может быть, наиболее ценные результаты теоретической Ф. последних десятилетий. Многие последователи этой школы сочли возможным совсем даже отрешиться от мысли о механической картине; они рассматривают основные законы энергетики (учения об энергии) как единственное, на чем можно строить исследование явлений; они даже открыто напали на старый метод, на самые важные основы его, на вещество, на атомистическую теорию как на ненужные, лишние представления. Эта крайняя фракция энергетической школы, однако, не доказала еще на деле возможности обойтись без механических картин и не показала еще эвристической ценности своего метода. Больцман, один из лучших современных знатоков философии Ф., смотрит на нее как на реакцию против чрезмерного увлечения механическими картинами; в настоящее время энергетика не может, по его мнению, заменить вполне механической картины, она "идеал для далекого будущего". В последнее время начал обрисовываться еще один метод теоретического исследования физических явлений, метод, который Больцман назвал "феноменологическим". Феноменологи довольствуются перечислением и описанием явлений, пользуясь для этого всеми даваемыми наукой способами, но не стремятся ни к единству мировоззрения, ни к механическому объяснению, ни к какому-либо обоснованию описываемого; если каким бы то ни было путем добытые (хотя бы угаданные) закономерные зависимости между факторами, определяющими группу явлений, дают возможность количественно и качественно предсказывать явления, то они ими довольствуются, не задаваясь вопросом о происхождении и внутреннем смысле этих зависимостей. Когда знаменитый Генрих Герц десять лет тому назад впервые откровенно встал на точку зрения феноменологии, то многие сочли это, как пишет Больцман, за "скверную шутку"; между тем заметно, что феноменология приобретает сторонников. И эту новую нарождающуюся школу можно рассматривать как реакцию на то преобладающее значение, которое механический метод придает гипотезе и картине. Между тем старый метод идет неустанно своим путем, добывая Ф. все новые и новые результаты; еще в самое последнее время, как бы в ответ на притязания энергетиков и феноменологов, он выступил с грубо-механической картиной частичек электрических зарядов, так называемых электронов.

11) Заключение. Еще в сравнительно недавнее время Ф. представляла совокупность нескольких совершенно обособленных и по внутреннему содержанию ничего общего друг с другом не имеющих отделов. В настоящее время многие из резких границ, определявших объемы этих отделов, стушевались. Наиболее определенно выделяются в строе современной Ф. лишь те отделы ее, которые трактуют почти исключительно о явлениях, вызванных только движением осязаемого вещества. Сюда принадлежит раньше всего учение о звуке — акустика. Внутренняя сущность механизма возникновения и распространения звука хорошо известна; звуковые явления происходят в средах, со свойствами которых мы хорошо знакомы. Ввиду всего этого задачи, встречающиеся при изучении акустики, являются поставленными настолько определенно, что дальнейшее развитие ее зависит скорее от успехов механики и математики, чем от успехов Ф. Это справедливо, однако, лишь относительно вопросов возникновения и распространения звука; учение о восприятии звука органом слуха представляет еще мало исследованную область, которая, однако, относится скорее к физиологии органов чувств, чем к Ф. (физиологическая акустика, музыкальная акустика). Движения и деформации твердого тела относятся всецело к области механики, точно так же как и вопросы движения жидкостей. В учении о жидкостях вопросы капиллярности (волосности) относят, однако, обыкновенно к Ф., так как сущность механизма капиллярных явлений еще не окончательно выяснена. Определение постоянных, характеризующих отношение вещества к движущим и деформирующим его силам (плотность, вязкость, поверхностное натяжение, упругие постоянные), входит обыкновенно в область Ф., так как применяемые для этих определений методы выработаны были этой наукой. Учение о телах в газообразном состоянии принадлежат Ф. почти всецело, причем путеводной нитью в этом учении служит кинетическая теория газов (см.). Учение о тепловых явлениях в современной физике разрабатывается в теоретической части своей на основаниях термодинамики (механической теории тепла — см.), того отдела учения об энергии, который специально трактует о явлениях тепловых. Немаловажную долю учения о тепле представляет изучение и опытное определение тех постоянных, которые характеризуют тепловые свойства тел. Кинетическая картина тепловых явлений ясно разработана лишь для газов; разработка же ее для жидких и твердых тел отступила пока на задний план и лишь медленно подвигается вперед. Господствующую роль в современной Ф. занимает учение об электрических и магнитных явлениях. Усиленная разработка этого учения началась с конца истекшего столетия, когда Фарадей-Максвеллево учение о природе электромагнитных явлений дало твердую основу для создания полной теории этих явлений. В последнее время особенный интерес привлекло изучение тех многосторонних и глубоких зависимостей, которые связуют электромагнитные явления с явлениями световыми. Учение о свете, трактовавшееся до конца истекшего столетия с точки зрения Френелевой теории, получило в настоящее время новое освещение в виде более общей электромагнитной теории света, давшей возможность рассматривать и теоретически упомянутые выше зависимости между явлениями электромагнитными и световыми. Несмотря на большие успехи, достигнутые теоретической физикой в математической обработке, разыскание новых явлений путем опыта и наблюдения не останавливается; хотя в сравнительно частых случаях теория могла делать предсказания, т. е. указывать на новые явления, ускользавшие от опыта, но нет достаточного основания предполагать такую полноту теории, которая упразднила бы опытную разработку в какой-либо части физики. Приложение физических методов к другим наукам чрезвычайно обширно. Если в астрономии теория тяготения достаточна для объяснения большинства всех явлений движения небесных тел, то понятие о составе этих тел стало возможным только с открытием спектрального анализа, что произошло, как известно, путем опыта и соображений чисто физического характера. Еще шире приложение Ф. к технике. Так, с середины истекшего столетия началось усиленное развитие технических применений электричества, которое с 80-х годов пошло столь быстро, что учение о применениях электричества пришлось выделить в отдельную прикладную науку электротехнику (см.). Точно так же и в учении о свете мало-помалу выделяется учение о расчете и конструкции оптических инструментов; можно ожидать, что, подобно электротехнике, и учение об оптических инструментах вскоре вполне отделится от основной науки Ф. и образует отдельную техническую науку. Об этих и подобных прикладных знаниях — см. соответственные статьи. Из современных руководств по Ф., обнимающих полный объем ее, можно назвать: О. Хвольсон, "Курс физики" (4 ч., вышли пока 3 ч.); его же, "Краткий курс физики" (4 ч., вышли пока 3 ч.); П. Зидов, "Курс физики" (2 т., более элемент., чем курсы проф. Хвольсона); A. Wüllner, "Lehrbuch der Experimentalphysik" (4 тома); Müller-Pouillet, "Lehrbuch der Physik" (4 т., более элемент., чем Wüllner); Violle, "Cours de Physique" (вышли пока 2 т.) и Chappuis et Berget, "Leçons de Physique générale" (4 т., более элемент., чем Violle).

А. Гершун.

I. Предмет и структура физики

Ф. – наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи и законы её движения. Поэтому понятия Ф. и сё законы лежат в основе всего естествознания. Ф. относится к точным наукам и изучает количественные закономерности явлений.

Слово «Ф.» происходит от греч. phýsis – природа. Первоначально, в эпоху античной культуры наука не была расчленённой и охватывала всю совокупность знаний о природных явлениях. По мере дифференциации знаний и методов исследования из общей науки о природе выделились отдельные науки, в том числе и Ф. Границы, отделяющие Ф. от др. естественных наук, в значительной мере условны и меняются с течением времени.

В своей основе Ф. – экспериментальная наука: её законы базируются на фактах, установленных опытным путём. Эти законы представляют собой количественные соотношения и формулируются на математическом языке. Различают экспериментальную Ф. – опыты, проводимые для обнаружения новых фактов и для проверки известных физических законов, и теоретическую Ф., цель которой состоит в формулировке законов природы и в объяснении конкретных явлений на основе этих законов, а также в предсказании новых явлений. При изучении любого явления опыт и теория в равной мере необходимы и взаимосвязаны.

В соответствии с многообразием исследуемых объектов и форм движения физической материи Ф. подразделяется на ряд дисциплин (разделов), в той или иной мере связанных друг с другом. Деление Ф. на отдельные дисциплины не однозначно, и его можно проводить, руководствуясь различными критериями. По изучаемым объектам Ф. делится на Ф. элементарных частиц, Ф. ядра, Ф. атомов и молекул, Ф. газов и жидкостей, Ф. твёрдого тела, Ф. плазмы. Др. критерий – изучаемые процессы или формы движения материи. Различают: механическое движение, тепловые процессы, электромагнитные явления, гравитационные, сильные, слабые взаимодействия; соответственно в Ф. выделяют механику материальных точек и твёрдых тел, механику сплошных сред (включая акустику), термодинамику и статистическую механику, электродинамику (включая оптику), теорию тяготения, квантовую механику и квантовую теорию поля. Указанные подразделения Ф. частично перекрываются вследствие глубокой внутренней взаимосвязи между объектами материального мира и процессами, в которых они участвуют. По целям исследования выделяют иногда также прикладную Ф. (например, прикладная оптика).

Особо выделяют в Ф. учение о колебаниях и волнах, что обусловлено общностью закономерностей колебательных процессов различной физической природы и методов их исследования. Здесь рассматриваются механические, акустические, электрические и оптические колебания и волны с единой точки зрения.

Современная Ф. содержит небольшое число фундаментальных физических теорий, охватывающих все разделы Ф. Эти теории представляют собой квинтэссенцию знаний о характере физических процессов и явлений, приближённое, но наиболее полное отображение различных форм движения материи в природе.

II. Основные этапы развития физики

Становление физики (до 17 в.).Физические явления окружающего мира издавна привлекали внимание людей. Попытки причинного объяснения этих явлений предшествовали созданию Ф. в современном смысле этого слова. В греко-римском мире (6 в. до н. э. – 2 в. н. э.) впервые зародились идеи об атомном строении вещества (Демокрит, Эпикур, Лукреций),была разработана геоцентрическая система мира (Птолемей), установлены простейшие законы статики (правило рычага), открыты закон прямолинейного распространения и закон отражения света, сформулированы начала гидростатики (закон Архимеда), наблюдались простейшие проявления электричества и магнетизма.

Итог приобретённых знаний в 4 в. до н. э. был подведён Аристотелем (См. Аристотель). Физика Аристотеля включала отдельные верные положения, но в то же время в ней отсутствовали многие прогрессивные идеи предшественников, в частности атомная гипотеза. Признавая значение опыта, Аристотель не считал его главным критерием достоверности знания, отдавая предпочтение умозрительным представлениям. В средние века учение Аристотеля, канонизированное церковью, надолго затормозило развитие науки.

Наука возродилась лишь в 15–16 вв. в борьбе со схоластизированным учением Аристотеля. В середине 16 в. Н. Коперник выдвинул гелиоцентрическую систему мира (См. Гелиоцентрическая система мира) и положил начало освобождению естествознания от теологии. Потребности производства, развитие ремёсел, судоходства и артиллерии стимулировали научные исследования, опирающиеся на опыт. Однако в 15–16 вв. экспериментальные исследования носили в основном случайный характер. Лишь в 17 в. началось систематическое применение экспериментального метода в Ф., и это привело к созданию первой фундаментальной физической теории – классической механики Ньютона.

Формирование физики как науки (начало 17 – конец 18 вв.).

Развитие Ф. как науки в современном смысле этого слова берёт начало с трудов Г. Галилея (1-я половина 17 в.), который понял необходимость математического описания движения. Он показал, что воздействие на данное тело окружающих тел определяет не скорость, как считалось в механике Аристотеля, а ускорение тела. Это утверждение представляло собой первую формулировку закона инерции. Галилей открыл принцип относительности в механике (см. Галилея принцип относительности), доказал независимость ускорения свободного падения тел от их плотности и массы, обосновывал теорию Коперника. Значительные результаты были получены им и в др. областях Ф. Он построил зрительную трубу с большим увеличением и сделал с её помощью ряд астрономических открытий (горы на Луне, спутники Юпитера и др.). Количественное изучение тепловых явлений началось после изобретения Галилсем первого термометра.

В 1-й половине 17 в. началось успешное изучение газов. Ученик Галилея Э. Торричелли установил существование атмосферного давления и создал первый барометр. Р. Бойль и Э. Мариотт исследовали упругость газов и сформулировали первый газовый закон, носящий их имя. В. Снеллиус и Р. Декарт открыли закон преломления света. В это же время был создан микроскоп. Значительный шаг вперёд в изучении магнитных явлений был сделан в самом начале 17 в. У. Гильбертом. Он доказал, что Земля является большим магнитом, и первый строго разграничил электрические и магнитные явления.

Основным достижением Ф. 17 в. было создание классической механики. Развивая идеи Галилея, Х. Гюйгенса и др. предшественников, И. Ньютон в труде «Математические начала натуральной философии» (1687) сформулировал все основные законы этой науки (см. Ньютона законы механики). При построении классической механики впервые был воплощён идеал научной теории, существующий и поныне. С появлением механики Ньютона было окончательно понято, что задача науки состоит в отыскании наиболее общих количественно формулируемых законов природы.

Наибольших успехов механика Ньютона достигла при объяснении движения небесных тел. Исходя из законов движения планет, установленных И. Кеплером на основе наблюдений Т. Браге, Ньютон открыл закон всемирного тяготения (см. Ньютона закон тяготения). С помощью этого закона удалось с замечательной точностью рассчитать движение Луны, планет и комет Солнечной системы, объяснить приливы и отливы в океане. Ньютон придерживался концепции дальнодействия, согласно которой взаимодействие тел (частиц) происходит мгновенно непосредственно через пустоту; силы взаимодействия должны определяться экспериментально. Им были впервые четко сформулированы классические представления об абсолютном пространстве как вместилище материи, не зависящем от её свойств и движения, и абсолютном равномерно текущем времени. Вплоть до создания теории относительности эти представления не претерпели никаких изменений.

В это же время Гюйгенс и Г. Лейбниц сформулировали закон сохранения количества движения; Гюйгенс создал теорию физического маятника, построил часы с маятником.

Началось развитие физической акустики. М. Мерсенн измерил число собственных колебаний звучащей струны и впервые определил скорость звука в воздухе. Ньютон теоретически вывел формулу для скорости звука.

Во 2-й половине 17 в. начала быстро развиваться геометрическая оптика применительно к конструированию телескопов и др. оптических приборов, а также были заложены основы физической оптики. Ф. Гримальди открыл дифракцию света (См. Дифракция света), а Ньютон провёл фундаментальные исследования дисперсии света (См. Дисперсия света). С этих работ Ньютона берёт начало оптическая спектроскопия. В 1676 О. К. Рёмер впервые измерил скорость света. Почти одновременно возникли и начали развиваться две различные теории о физической природе света – корпускулярная и волновая (см. Оптика). Согласно корпускулярной теории Ньютона, свет – это поток частиц, движущихся от источника по всем направлениям. Гюйгенс заложил основы волновой теории света, согласно которой свет – это поток волн, распространяющихся в особой гипотетической среде – эфире, заполняющем всё пространство и проникающем внутрь всех тел.

Т. о., в 17 в. была построена в основном классическая механика и начаты исследования в др. областях Ф.: в оптике, учении об электрических и магнитных явлениях, теплоте, акустике.

В 18 в. продолжалось развитие классической механики, в частности небесной механики. По небольшой аномалии в движении планеты Уран удалось предсказать существование новой планеты – Нептун (открыта в 1846). Уверенность в справедливости механики Ньютона стала всеобщей. На основе механики была создана единая механическая картина мира, согласно которой всё богатство, всё качественное многообразие мира – результат различия в движении частиц (атомов), слагающих тела, движении, подчиняющемся законам Ньютона. Эта картина многие годы оказывала сильнейшее влияние на развитие Ф. Объяснение физического явления считалось научным и полным, если его можно было свести к действию законов механики.

Важным стимулом для развития механики послужили запросы развивающегося производства. В работах Л. Эйлера и др. была разработана динамика абсолютно твёрдого тела. Параллельно с развитием механики частиц и твёрдых тел шло развитие механики жидкостей и газов. Трудами Д. Бернулли, Эйлера, Ж. Лагранжа и др. в 1-й половине 18 в. были заложены основы гидродинамики идеальной жидкости – несжимаемой жидкости, лишённой вязкости и теплопроводности. В «Аналитической механике» (1788) Лагранжа уравнения механики представлены в столь обобщённой форме, что в дальнейшем их удалось применить и к немеханическим, в частности электромагнитным, процессам.

В других областях Ф. происходило накопление опытных данных и формулировались простейшие экспериментальные законы. Ш. Ф. Дюфе открыл существование двух видов электричества и определил, что одноимённо заряженные тела отталкиваются, а разноимённо заряженные – притягиваются. Б. Франклин установил закон сохранения электрического заряда. Г. Кавендиш и независимо Ш. Кулон открыли основной закон электростатики, определяющий силу взаимодействия неподвижных электрических зарядов (Кулона закон). Возникло учение об атмосферном электричестве. Франклин, М. В. Ломоносов и Г. В. Рихман доказали электрическую природу молнии. В оптике продолжалось совершенствование объективов телескопов. Трудами П. Бугера и И. Ламберта начала создаваться фотометрия. Были открыты инфракрасные (В. Гершель, англ. учёный У. Волластон) и ультрафиолетовые (нем. учёный Н. Риттер, Волластон) лучи.

Заметный прогресс произошёл в исследовании тепловых явлений; после открытия Дж. Блэком скрытой теплоты плавления и экспериментального доказательства сохранения теплоты в калориметрических опытах стали различать температуру и количество теплоты. Было сформулировано понятие теплоёмкости, начато исследование теплопроводности и теплового излучения. При этом одновременно утвердились неправильные взгляды на природу тепла: теплоту стали рассматривать как особого рода неуничтожимую невесомую жидкость – теплород, способную перетекать от нагретых тел к холодным. Теория теплоты, согласно которой теплота – это вид внутреннего движения частиц, потерпела временное поражение, несмотря на то что её поддерживали и развивали такие выдающиеся учёные, как Ньютон, Гук, Бойль, Бернулли, Ломоносов и др.

Классическая физика (19 в.).

В начале 19 в. длительная конкуренция между корпускулярной и волновой теориями света завершилась окончательной, казалось бы, победой волновой теории. Этому способствовало успешное объяснение Т. Юнгом и О. Ж. Френелем (См. Френель) явления интерференции и дифракции света с помощью волновой теории. Эти явления присущи исключительно волновому движению, и объяснить их с помощью корпускулярной теории представлялось невозможным. В это же время было получено решающее доказательство поперечности световых волн (Френель, Д. Ф. Араго, Юнг), открытой ещё в 18 в. (см. Поляризация света). Рассматривая свет как поперечные волны в упругой среде (эфире), Френель нашёл количественный закон, определяющий интенсивность преломленных и отражённых световых волн при переходе света из одной среды в другую (см. Френеля формулы), а также создал теорию двойного лучепреломления (См. Двойное лучепреломление).

Большое значение для развития Ф. имело открытие Л. Гальвани и А. Вольта электрического тока. Создание мощных источников постоянного тока – гальванических батарей – дало возможность обнаружить и изучить многообразные действия тока. Было исследовано химическое действие тока (Г. Дэви, М.Фарадей). В. В.Петров получил электрическую дугу. Открытие Х. К. Эрстедом (1820) действия электрического тока на магнитную стрелку доказало связь между электричеством и магнетизмом. Основываясь на единстве электрических и магнитных явлений, А. Ампер пришёл к выводу, что все магнитные явления обусловлены движущимися заряженными частицами – электрическим током. Вслед за этим Ампер экспериментально установил закон, определяющий силу взаимодействия электрических токов (Ампера закон).

В 1831 Фарадей открыл явление электромагнитной индукции (см. Индукция электромагнитная). При попытках объяснения этого явления с помощью концепции дальнодействия встретились значительные затруднения. Фарадей высказал гипотезу (ещё до открытия электромагнитной индукции), согласно которой электромагнитные взаимодействия осуществляются посредством промежуточного агента – электромагнитного поля (См. Электромагнитное поле) (концепция близкодействия). Это послужило началом формирования новой науки о свойствах и законах поведения особой формы материи – электромагнитного поля.

В начале 19 в. Дж. Дальтон ввёл в науку (1803) представление об атомах как мельчайших (неделимых) частицах вещества – носителях химической индивидуальности элементов.

К 1-й четверти 19 в. был заложен фундамент Ф. твёрдого тела. На протяжении 17–18 и начала 19 вв. происходило накопление данных о макроскопических свойствах твёрдых тел (металлов, технических материалов, минералов и т.п.) и установление эмпирических законов поведения твёрдого тела под влиянием внешних воздействий (механических сил, нагревания, электрических и магнитных полей, света и т.д.). Исследование упругих свойств привело к открытию Гука закона (1660), исследование электропроводности металлов – к установлению Ома закона (1826), тепловых свойств – закона теплоёмкостей Дюлонга и Пти (1819) (см. Дюлонга и Пти закон).Были открыты основные магнитные свойства твёрдых тел. В это же время была построена общая теория упругих свойств твёрдых тел (Л. М. А. Навье, 1819–26, О. Л. Коши, 1830). Почти для всех этих результатов характерна трактовка твёрдого тела как сплошной среды, хотя уже значительной частью учёных было признано, что твёрдые тела, являющиеся в большинстве своём кристаллами, обладают внутренней микроскопической структурой.

Важнейшее значение для Ф. и всего естествознания имело открытие закона сохранения энергии, связавшего воедино все явления природы. В середине 19 в. опытным путём была доказана эквивалентность количества теплоты и работы и т. о. установлено, что теплота представляет собой не какую-то гипотетическую невесомую субстанцию – теплород, а особую форму энергии. В 40-х гг. 19 в. Ю. Р. Майер, Дж. Джоуль и Г. Гельмгольц независимо открыли закон сохранения и превращения энергии. Закон сохранения энергии стал основным законом теории тепловых явлений (термодинамики), получив название первого начала термодинамики (См. Первое начало термодинамики).

Ещё до открытия этого закона С. Карно в труде «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824) получил результаты, послужившие основой для др. фундаментального закона теории теплоты – второго начала термодинамики (См. Второе начало термодинамики). Этот закон сформулирован в работах Р. Клаузиуса (1850) и У. Томсона (1851). Он является обобщением опытных данных, свидетельствующих о необратимости тепловых процессов в природе, и определяет направление возможных энергетических процессов. Значительную роль в построении термодинамики сыграли исследования Ж. Л. Гей-Люссака, на основе которых Б. Клапейроном было найдено уравнение состояния идеального газа, обобщённое в дальнейшем Д. И. Менделеевым.

Одновременно с развитием термодинамики развивалась молекулярно-кинетическая теория тепловых процессов. Это позволило включить тепловые процессы в рамки механической картины мира и привело к открытию нового типа законов – статистических, в которых все связи между физическими величинами носят вероятностный характер.

На первом этапе развития кинетической теории наиболее простой среды – газа – Джоуль, Клаузиус и др. вычислили средние значения различных физических величин: скорости молекул, числа их столкновений в секунду, длины свободного пробега и т.д. Была получена зависимость давления газа от числа молекул в единице объёма и средней кинетической энергии поступательного движения молекул. Это позволило вскрыть физический смысл температуры как меры средней кинетической энергии молекул.

Второй этап развития молекулярно-кинетической теории начался с работ Дж. К. Максвелла. В 1859, введя впервые в Ф. понятие вероятности, он нашёл закон распределения молекул по скоростям (см. Максвелла распределение). После этого возможности молекулярно-кинетической теории необычайно расширились и привели в дальнейшем к созданию статистической механики. Л. Больцман построил кинетическую теорию газов (См. Кинетическая теория газов) и дал статистическое обоснование законов термодинамики. Основная проблема, которую в значительной степени удалось решить Больцману, заключалась в согласовании обратимого во времени характера движения отдельных молекул с очевидной необратимостью макроскопических процессов. Термодинамическому равновесию системы, по Больцману, соответствует максимум вероятности данного состояния. Необратимость процессов связана со стремлением систем к наиболее вероятному состоянию. Большое значение имела доказанная им теорема о равномерном распределении средней кинетической энергии по степеням свободы.

Классическая статистическая механика была завершена в работах Дж. У. Гиббса (1902), создавшего метод расчёта функций распределения для любых систем (а не только газов) в состоянии термодинамического равновесия. Всеобщее признание статистическая механика получила в 20 в. после создания А. Эйнштейном и М. Смолуховским (См. Смолуховский) (1905–06) на основе молекулярно-кинетической теории количественной теории броуновского движения (См. Броуновское движение), подтвержденной в опытах Ж. Б. Перрена.

Во 2-й половине 19 в. длительный процесс изучения электромагнитных явлений был завершен Максвеллом. В своей основной работе «Трактат об электричестве и магнетизме» (1873) он установил уравнения для электромагнитного поля (носящие его имя), которые объясняли все известные в то время факты с единой точки зрения и позволяли предсказывать новые явления. Электромагнитную индукцию Максвелл интерпретировал как процесс порождения переменным магнитным полем вихревого электрического поля. Вслед за этим он предсказал обратный эффект – порождение магнитного поля переменным электрическим полем (см. Ток смещения). Важнейшим результатом теории Максвелла был вывод о конечности скорости распространения электромагнитных взаимодействий, равной скорости света. Экспериментальное обнаружение электромагнитных волн Г. Р. Герцем (1886–89) подтвердило справедливость этого вывода. Из теории Максвелла вытекало, что свет имеет электромагнитную природу. Тем самым оптика стала одним из разделов электродинамики. В самом конце 19 в. П. Н. Лебедев обнаружил на опыте и измерил давление света, предсказанное теорией Максвелла, а А. С. Попов впервые использовал электромагнитные волны для беспроволочной связи.

В 19 в. Г. Кирхгоф и Р. Бунзен заложили основы спектрального анализа (1859). Продолжалось также развитие механики сплошных сред. В акустике была разработана теория упругих колебаний и волн (Гельмгольц, Дж. У. Рэлей и др.). Возникла техника получения низких температур. Были получены в жидком состоянии все газы, кроме гелия, а в начале 20 в. Х. Камерлинг-Оннес (1998) ожижил гелий.

К концу 19 в. Ф. представлялась современникам почти завершенной. Казалось, что все физические явления можно свести к механике молекул (или атомов) и эфира. Эфир рассматривался как механическая среда, в которой разыгрываются электромагнитные явления. Один из крупнейших физиков 19 в. – У. Томсон обращал внимание лишь на два необъяснимых факта: отрицательный результат Майкельсона опыта по обнаружению движения Земли относительно эфира и непонятную с точки зрения молекулярно-кинетической теории зависимость теплоёмкости газов от температуры. Однако именно эти факты явились первым указанием на необходимость пересмотра основных представлений Ф. 19 в. Для объяснения этих и множества др. фактов, открытых впоследствии, понадобилось создание теории относительности и квантовой механики.

Релятивистская и квантовая физика. Физика атомного ядра и элементарных частиц (конец 19 – 20 вв.).

Наступление новой эпохи в Ф. было подготовлено открытием электрона Дж. Томсоном в 1897. Выяснилось, что атомы не элементарны, а представляют собой сложные системы, в состав которых входят электроны. Важную роль в этом открытии сыграло исследование электрических разрядов в газах.

В конце 19 – начале 20 вв. Х. Лоренц заложил основы электронной теории.

В начале 20 в. стало ясно, что электродинамика требует коренного пересмотра представлений о пространстве и времени, лежащих в основе классической механики Ньютона. В 1905 Эйнштейн создал частную (специальную) теорию относительности – новое учение о пространстве и времени. Эта теория исторически была подготовлена трудами Лоренца и А. Пуанкаре.

Опыт показывал, что сформулированный Галилеем принцип относительности, согласно которому механические явления протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчёта (См. Инерциальная система отсчёта), справедлив и для электромагнитных явлений. Поэтому уравнения Максвелла не должны изменять свою форму (должны быть инвариантными) при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой. Однако оказалось, что это справедливо лишь в том случае, если преобразования координат и времени при таком переходе отличны от преобразований Галилея, справедливых в механике Ньютона. Лоренц нашёл эти преобразования (Лоренца преобразования), но не смог дать им правильную интерпретацию. Это было сделано Эйнштейном в его частной теории относительности.

Открытие частной теории относительности показало ограниченность механической картины мира. Попытки свести электромагнитные процессы к механическим процессам в гипотетической среде – эфире оказались несостоятельными. Стало ясно, что электромагнитное поле представляет собой особую форму материи, поведение которой не подчиняется законам механики.

В 1916 Эйнштейн построил общую теорию относительности – физическую теорию пространства, времени и тяготения. Эта теория ознаменовала новый этап в развитии теории тяготения.

На рубеже 19–20 вв., ещё до создания специальной теории относительности, было положено начало величайшей революции в области Ф., связанной с возникновением и развитием квантовой теории.

В конце 19 в. выяснилось, что распределение энергии теплового излучения по спектру, выведенное из закона классической статистической физики о равномерном распределении энергии по степеням свободы, противоречит опыту. Из теории следовало, что вещество должно излучать электромагнитные волны при любой температуре, терять энергию и охлаждаться до абсолютного нуля, т. е. что тепловое равновесие между веществом и излучением невозможно. Однако повседневный опыт противоречил этому выводу. Выход был найден в 1900 М. Планком, показавшим, что результаты теории согласуются с опытом, если предположить, в противоречии с классической электродинамикой, что атомы испускают электромагнитную энергию не непрерывно, а отдельными порциями – квантами. Энергия каждого такого кванта прямо пропорциональна частоте, а коэффициент пропорциональности является квант действия h = 6,6․10^-27 эрг․сек, получивший впоследствии название постоянной Планка.

В 1905 Эйнштейн расширил гипотезу Планка, предположив, что излучаемая порция электромагнитной энергии распространяется и поглощается также только целиком, т. с. ведёт себя подобно частице (позднее она была названа Фотоном). На основе этой гипотезы Эйнштейн объяснил закономерности Фотоэффекта, не укладывающиеся в рамки классической электродинамики.

Т. о., на новом качественном уровне была возрождена корпускулярная теория света. Свет ведёт себя подобно потоку частиц (корпускул); однако одновременно ему присущи и волновые свойства, которые проявляются, в частности, в дифракции и интерференции света. Следовательно, несовместимые с точки зрения классической Ф. волновые и корпускулярные свойства присущи свету в равной мере (дуализм света). «Квантование» излучения приводило к выводу, что энергия внутриатомных движений также может меняться только скачкообразно. Такой вывод был сделан Н. Бором в 1913.

К этому времени Э. Резерфорд (1911) на основе экспериментов по рассеянию альфа-частиц веществом открыл атомное ядро и построил планетарную модель атома. В атоме Резерфорда электроны движутся вокруг ядра подобно тому, как планеты движутся вокруг Солнца. Однако, согласно электродинамике Максвелла, такой атом неустойчив: электроны, двигаясь по круговым (или эллиптическим) орбитам, испытывают ускорение, а следовательно, должны непрерывно излучать электромагнитные волны, терять энергию и, постепенно приближаясь к ядру, в конце концов (как показывали расчёты, за время порядка 10^-8сек) упасть на него. Т. о., устойчивость атомов и их линейчатые спектры оказались необъяснимыми в рамках законов классической Ф. Бор нашёл выход из этой трудности. Он постулировал, что в атомах имеются особые стационарные состояния, в которых электроны не излучают. Излучение происходит при переходе из одного стационарного состояния в другое. Дискретность энергии атома была подтверждена опытами Дж. Франка и Г. Герца (1913–14) по изучению столкновений с атомами электронов, ускоренных электрическим полем. Для простейшего атома – атома водорода – Бор построил количественную теорию спектра излучения, согласующуюся с опытом.

В тот же период (конец 19 – начало 20 вв.) начала формироваться Ф. твёрдого тела в её современном понимании как Ф. конденсированных систем из огромного числа частиц (Физика 10²² см^--3). До 1925 её развитие происходило по двум направлениям: Ф. кристаллической решётки и Ф. электронов в кристаллах, прежде всего в металлах. В дальнейшем эти направления сомкнулись на базе квантовой теории.

Представление о кристалле как о совокупности атомов, упорядоченно расположенных в пространстве и удерживаемых в положении равновесия силами взаимодействия, прошло длительный путь развития и окончательно сформировалось в начале 20 в. Разработка этой модели началась с работы Ньютона (1686) по расчёту скорости звука в цепочке упруго связанных частиц и продолжалась др. учёными: Д. и И. Бернулли (1727), Коши (1830), У. Томсоном (1881) и др.

В конце 19 в. Е. С. Федоров (См. Фёдоров) работами по структуре и симметрии кристаллов заложил основы теоретической кристаллографии; в 1890–91 он доказал возможность существования 230 пространственных групп симметрии кристаллов (См. Симметрия кристаллов) – видов упорядоченного расположения частиц в кристаллической решётке (т. н. федоровских групп (См. Фёдоровская группа)). В 1912 М. Лауэ с сотрудниками открыл дифракцию рентгеновских лучей на кристаллах, окончательно утвердив представление о кристалле как упорядоченной атомной структуре. На основе этого открытия был разработан метод экспериментального определения расположения атомов в кристаллах и измерения межатомных расстояний, что положило начало рентгеновскому структурному анализу (См. Рентгеновский структурный анализ) [У. Л. Брэгг н У. Г. Брэгг (1913), Г. В. Вульф (1913)]. В эти же годы (1907–1914) была разработана динамическая теория кристаллических решёток, уже существенно учитывающая квантовые представления. В 1907 Эйнштейн на модели кристалла как совокупности квантовых гармонических осцилляторов одинаковой частоты объяснил наблюдаемое падение теплоёмкости твёрдых тел при понижении температуры – факт, находящийся в резком противоречии с законом Дюлонга и Пти. Более совершенная динамическая теория кристаллической решётки как совокупности связанных квантовых осцилляторов различных частот была построена П. Дебаем (См. Дебай) (1912), М. Борном и Т. Карманом (1913), Э. Шрёдингером (1914) в форме, близкой к современной. Новый важный её этап начался после создания квантовой механики.

Второе направление (Ф. системы электронов в кристалле) начало развиваться сразу после открытия электрона как электронная теория металлов и др. твёрдых тел. В этой теории электроны в металле рассматривались как заполняющий кристаллическую решётку газ свободных электронов, подобный обычному разреженному молекулярному газу, подчиняющемуся классической. статистике Больцмана. Электронная теория позволила дать объяснение законов Ома и Видемана – Франца (П. Друде), заложила основы теории дисперсии света в кристаллах и др. Однако не все факты укладывались в рамки классической электронной теории. Так, не получила объяснения зависимость удельного сопротивления металлов от температуры, оставалось неясным, почему электронный газ не вносит заметного вклада в теплоёмкость металлов и т.д. Выход из создавшихся трудностей был найден лишь после построения квантовой механики.

Созданный Бором первый вариант квантовой теории был внутренне противоречивым: используя для движения электронов законы механики Ньютона, Бор в то же время искусственно накладывал на возможные движения электронов квантовые ограничения, чуждые классической Ф.

Достоверно установленная дискретность действия (См. Действие) и её количественная мера – постоянная Планка h – универсальная мировая постоянная, играющая роль естественного масштаба явлений природы, требовали радикальной перестройки как законов механики, так и законов электродинамики. Классические законы справедливы лишь при рассмотрении движения объектов достаточно большой массы, когда величины размерности действия велики по сравнению с h и дискретностью действия можно пренебречь.

В 20-е гг. 20 в. была создана самая глубокая и всеобъемлющая из современных физических теорий – квантовая, или волновая, механика – последовательная, логически завершенная нерелятивистская теория движения микрочастиц, которая позволила также объяснить многие свойства макроскопических тел и происходящие в них явления. В основу квантовой механики легли идея квантования Планка – Эйнштейна – Бора и выдвинутая Л. де Бройлем (См. Бройль) гипотеза (1924), что двойственная корпускулярно-волновая природа свойственна не только электромагнитному излучению (фотонам), но и любым др. видам материи. Все микрочастицы (электроны, протоны, атомы и т.д.) обладают наряду с корпускулярными и волновыми свойствами: каждой из них можно поставить в соответствие волну (длина которой равна отношению постоянной Планка h к импульсу частицы, а частота – отношению энергии частицы к h). Волны де Бройля описывают свободные частицы. В 1927 впервые наблюдалась дифракция электронов, экспериментально подтвердившая наличие у них волновых свойств. Позднее дифракция наблюдалась и у др. микрочастиц, включая молекулы (см. Дифракция частиц).

В 1926 Шрёдингер, пытаясь получить дискретные значения энергии атома из уравнения волнового типа, сформулировал основное уравнение квантовой механики, названное его именем. В. Гейзенберг и Борн (1925) построили квантовую механику в др. математической форме – т. н. матричную механику.

В 1925 Дж. Ю. Уленбек и С. А. Гаудсмит на основании экспериментальных (спектроскопических) данных открыли существование у электрона собственного момента количества движения – Спина (а следовательно, и связанного с ним собственного, спинового, магнитного момента), равного ¹/₂ħ. (Величина спина обычно выражается в единицах ħ=h/2π, которая, как и h, называется постоянной Планка; в этих единицах спин электрона равен ¹/₂.) В. Паули записал уравнение движения нерелятивистского электрона во внешнем электромагнитном поле с учётом взаимодействия спинового магнитного момента электрона с магнитным полем. В 1925 он же сформулировал т. н. принцип запрета, согласно которому в одном квантовом состоянии не может находиться больше одного электрона (Паули принцип). Этот принцип сыграл важнейшую роль в построении квантовой теории систем многих частиц, в частности объяснил закономерности заполнения электронами оболочек и слоев в многоэлектронных атомах и т. о. дал теоретическое обоснование периодической системе элементов (См. Периодическая система элементов) Менделеева.

В 1928 П. А. М. Дирак получил квантовое релятивистское уравнение движения электрона (см. Дирака уравнение), из которого естественно вытекало наличие у электрона спина. На основании этого уравнения Дирак в 1931 предсказал существование позитрона (первой Античастицы), в 1932 открытого К. Д. Андерсоном в космических лучах (См. Космические лучи). [Античастицы других структурных единиц вещества (протона и нейтрона) – Антипротон и Антинейтрон были экспериментально открыты соответственно в 1955 и 1956.]

Параллельно с развитием квантовой механики шло развитие квантовой статистики – квантовой теории поведения физических систем (в частности, макроскопических тел), состоящих из огромного числа микрочастиц. В 1924 Ш. Бозе, применив принципы квантовой статистики к фотонам – частицам со спином 1, вывел формулу Планка распределения энергии в спектре равновесного излучения, а Эйнштейн получил формулу распределения энергии для идеального газа молекул (Бозе – Эйнштейна статистика (См. Бозе - Эйнштейна статистика)). В 1926 П. А. М. Дирак и Э. Ферми показали, что совокупность электронов (и др. одинаковых частиц со спином ¹/₂), для которых справедлив принцип Паули, подчиняется др. статистике – Ферми – Дирака статистике (См. Ферми - Дирака статистика). В 1940 Паули установил связь спина со статистикой.

Квантовая статистика сыграла важнейшую роль в развитии Ф. конденсированных сред и в первую очередь в построении Ф. твёрдого тела. На квантовом языке тепловые колебания атомов кристалла можно рассматривать как совокупность своего рода «частиц», точнее квазичастиц (См. Квазичастицы), – Фононов (введены И. Е. Таммом в 1929). Такой подход объяснил, в частности, спад теплоёмкости металлов (по закону T³) c понижением температуры Т в области низких температур, а также показал, что причина электрического сопротивления металлов – рассеяние электронов не на ионах, а в основном на фононах. Позднее были введены др. квазичастицы. Метод квазичастиц оказался весьма эффективным для исследования свойств сложных макроскопических систем в конденсированном состоянии.

В 1928 А. Зоммерфельд применил функцию распределения Ферми – Дирака для описания процессов переноса в металлах. Это разрешило ряд трудностей классической теории и создало основу для дальнейшего развития квантовой теории кинетических явлений (электро- и теплопроводности, термоэлектрических, гальваномагнитных и др. эффектов) в твёрдых телах, особенно в металлах (См. Металлы) и полупроводниках (См. Полупроводники).

Согласно принципу Паули, энергия всей совокупности свободных электронов металла даже при абсолютном нуле отлична от нуля. В невозбуждённом состоянии все уровни энергии, начиная с нулевого и кончая некоторым максимальным уровнем (уровнем Ферми), оказываются занятыми электронами. Эта картина позволила Зоммерфельду объяснить малость вклада электронов в теплоёмкость металлов: при нагревании возбуждаются только электроны вблизи уровня Ферми.

В работах Ф. Блоха, Х. А. Бете и Л. Бриллюэна (1928–34) была разработана теория зонной энергетической структуры кристаллов, которая дала естественное объяснение различиям в электрических свойствах диэлектриков и металлов. Описанный подход, получивший название одноэлектронного приближения, имел дальнейшее развитие и широкое применение, особенно в Ф. полупроводников.

В 1928 Я. И. Френкель и Гейзенберг показали, что в основе Ферромагнетизма лежит квантовое Обменное взаимодействие (которое на примере атома гелия было в 1926 рассмотрено Гейзенбергом); в 1932–33 Л. Неель и независимо Л. Д. Ландау предсказали Антиферромагнетизм.

Открытия сверхпроводимости (См. Сверхпроводимость) Камерлинг-Оннесом (1911) и сверхтекучести (См. Сверхтекучесть) жидкого гелия П. Л. Капицей (См. Капица) (1938) стимулировали развитие новых методов в квантовой статистике. Феноменология. теория сверхтекучести была построена Ландау (1941); дальнейшим шагом явилась феноменология, теория сверхпроводимости Ландау и В. Л. Гинзбурга (1950).

В 50-х гг. были развиты новые мощные методы расчётов в статистической квантовой теории многочастичных систем, одним из наиболее ярких достижений которых явилось создание Дж. Бардином, Л. Купером, Дж. Шриффером (США) и Н. Н. Боголюбовым (СССР) микроскопической теории сверхпроводимости.

Попытки построения последовательной квантовой теории излучения света атомами привели к новому этапу развития квантовой теории – созданию квантовой электродинамики (См. Квантовая электродинамика) (Дирак, 1929).

Во 2-й четверти 20 в. происходило дальнейшее революционное преобразование Ф., связанное с познанием структуры атомного ядра и совершающихся в нём процессов и с созданием Ф. элементарных частиц. Упомянутое выше открытие Резерфордом атомного ядра было подготовлено открытием радиоактивности (См. Радиоактивность) и радиоактивных превращений тяжёлых атомов ещё в конце 19 в. (А. Беккерель, П. и М. Кюри). В начале 20 в. были открыты Изотопы. Первые попытки непосредственного исследования строения атомного ядра относятся к 1919, когда Резерфорд путём обстрела стабильных ядер азота α-частицами добился их искусственного превращения в ядра кислорода. Открытие нейтрона в 1932 Дж. Чедвиком привело к созданию современной протонно-нейтронной модели ядра (Д. Д. Иваненко, Гейзенберг). В 1934 супруги И. и Ф. Жолио-Кюри открыли искусственную радиоактивность.

Создание ускорителей заряженных частиц (См. Ускорители заряженных частиц) позволило изучать различные ядерные реакции. Важнейшим результатом этого этапа Ф. явилось открытие деления атомного ядра.

В 1939–45 была впервые освобождена ядерная энергия с помощью цепной реакции деления ²³⁵U и создана атомная бомба. Заслуга использования управляемой ядерной реакции деления ²³⁵U в мирных, промышленных целях принадлежит СССР. В 1954 в СССР была построена первая атомная электростанция (г. Обнинск). Позже рентабельные атомные электростанции были созданы во многих странах.

В 1952 была осуществлена реакция термоядерного синтеза (взорвано ядерное устройство), и в 1953 создана водородная бомба.

Одновременно с Ф. атомного ядра в 20 в. начала быстро развиваться Ф. элементарных частиц. Первые большие успехи в этой области связаны с исследованием космических лучей. Были открыты Мюоны, Пи-мезоны, К-мезоны, первые Гипероны.После создания ускорителей заряженных частиц на высокие энергии началось планомерное изучение элементарных частиц, их свойств и взаимодействий; было экспериментально доказано существование двух типов Нейтрино и открыто много новых элементарных частиц, в том числе крайне нестабильные частицы – Резонансы, среднее время жизни которых составляет всего 10^-22–10^-24 сек. Обнаруженная универсальная взаимопревращаемость элементарных частиц указывала на то, что эти частицы не элементарны в абсолютном смысле этого слова, а имеют сложную внутреннюю структуру, которую ещё предстоит открыть. Теория элементарных частиц и их взаимодействий (сильных, электромагнитных и слабых) составляет предмет квантовой теории поля – теории, ещё далёкой от завершения.

III. Фундаментальные теории физики

Классическая механика Ньютона. Фундаментальное значение для всей Ф. имело введение Ньютоном понятия состояния. Первоначально оно было сформулировано для простейшей механической системы – системы материальных точек (См. Материальная точка). Именно для материальных точек непосредственно справедливы законы Ньютона. Во всех последующих физических теориях понятие состояния было одним из основных. Состояние механической системы полностью определяется координатами и импульсами всех образующих систему тел. Если известны силы взаимодействия тел, определяющие их ускорения, то по значениям координат и импульсов в начальный момент времени уравнения движения механики Ньютона (второй закон Ньютона) позволяют однозначно установить значения координат и импульсов в любой последующий момент времени. Координаты и импульсы – основные величины в классической механике; зная их, можно вычислить значение любой др. механической величины: энергии, момента количества движения и др. Хотя позднее выяснилось, что ньютоновская механика имеет ограниченную область применения, она была и остаётся тем фундаментом, без которого построение всего здания современной Ф. было бы невозможным.

Механика сплошных сред.

Газы, жидкости и твёрдые тела в механике сплошных сред рассматриваются как непрерывные однородные среды. Вместо координат и импульсов частиц состояние системы однозначно характеризуется следующими функцияциями координат (х, у, z) и времени (t): плотностью р(х, у, z, t), давлением Р(х, у, z, t) и гидродинамической скоростью v(х, у, z, t), с которой переносится масса. Уравнения механики сплошных сред позволяют установить значения этих функций в любой последующий момент времени, если известны их значения в начальный момент и граничные условия.

Эйлера уравнение, связывающее скорость течения жидкости с давлением, вместе с Неразрывности уравнением, выражающим сохранение вещества, позволяют решать любые задачи динамики идеальной жидкости. В гидродинамике вязкой жидкости учитывается действие сил трения и влияние теплопроводности, которые приводят к диссипации механической энергии, и механика сплошных сред перестаёт быть «чистой механикой»: становятся существенными тепловые процессы. Лишь после создания термодинамики была сформулирована полная система уравнений, описывающая механические процессы в реальных газообразных, жидких и твёрдых телах. Движение электропроводящих жидкостей и газов исследуется в магнитной гидродинамике (См. Магнитная гидродинамика). Колебания упругой среды и распространение в ней волн изучаются в акустике (См. Акустика).

Термодинамика.

Всё содержание термодинамики является в основном следствием двух начал: первого начала – закона сохранения энергии, и второго начала, из которого следует необратимость макроскопических процессов. Эти начала позволяют ввести однозначные функции состояния: внутреннюю энергию (См. Внутренняя энергия) и энтропию (См. Энтропия). В замкнутых системах внутренняя энергия остаётся неизменной, а энтропия сохраняется только при равновесных (обратимых) процессах. При необратимых процессах энтропия возрастает, и её рост наиболее полно отражает определённую направленность макроскопических процессов в природе. В термодинамике основными величинами, задающими состояние системы, – термодинамическими параметрами–являются в простейшем случае давление, объём и температура. Связь между ними даётся термическим уравнением состояния (а зависимость энергии от объёма и температуры – калорическим уравнением состояния). Простейшее термическое уравнение состояния – уравнение состояния идеального газа (Клапейрона уравнение).

В классической термодинамике изучают состояния теплового равновесия и равновесные (протекающие бесконечно медленно) процессы. Время не входит в основные уравнения. Впоследствии (начиная с 30-х гг. 20 в.) была создана термодинамика неравновесных процессов. В этой теории состояние определяется через плотность, давление, температуру, энтропию и др. величины (локальные термодинамические параметры), рассматриваемые как функции координат и времени. Для них записываются уравнения переноса массы, энергии, импульса, описывающие эволюцию состояния системы с течением времени (уравнения диффузии (См. Диффузия) и теплопроводности (См. Теплопроводность), Навье – Стокса уравнения (См. Навье - Стокса уравнения)). Эти уравнения выражают локальные (т. е. справедливые для данного бесконечно малого элемента объёма) законы сохранения указанных физ. величин.

Статистическая физика (статистическая механика).

В классической статистической механике вместо задания координат r_i, и импульсов p_i частиц системы задаётся функция распределения частиц по координатам и импульсам, f(r_i, p_i,..., r_N, p_N, t), имеющая смысл плотности вероятности обнаружения наблюдаемых значений координат и импульсов в определённых малых интервалах в данный момент времени t(N –число частиц в системе). Функция распределения f удовлетворяет уравнению движения (уравнению Лиувилля), имеющему вид уравнения непрерывности в пространстве всех r, и p_i (т. е. в фазовом пространстве (См. Фазовое пространство)). Уравнение Лиувилля однозначно определяет f в любой последующий момент времени по заданному её значению в начальный момент, если известна энергия взаимодействия между частицами системы. Функция распределения позволяет вычислить средние значения плотностей вещества, энергии, импульса и их потоков, а также отклонения их от средних значений – Флуктуации. Уравнение, описывающее эволюцию функции распределения для газа, было впервые получено Больцманом (1872) и называлось кинетическим уравнением Больцмана (См. Кинетическое уравнение Больцмана).

Гиббс получил выражение для функции распределения произвольной системы, находящейся в равновесии с термостатом (каноническое Гиббса распределение). Эта функция распределения позволяет по известному выражению энергии как функции координат и импульсов частиц (функции Гамильтона) вычислить все Потенциалы термодинамические, что является предметом статистической термодинамики.

Процессы, возникающие в системах, выведенных из состояния термодинамического равновесия, необратимы и изучаются в статистической теории неравновесных процессов (эта теория вместе с термодинамикой неравновесных процессов образует кинетику физическую (См. Кинетика физическая)). В принципе, если функция распределения известна, можно определить любые макроскопические величины, характеризующие систему в неравновесном состоянии, и проследить за их изменением в пространстве с течением времени.

Для вычисления физических величин, характеризующих систему (средние плотности числа частиц, энергии и импульса), не требуется знания полной функции распределения. Достаточно более простых функций распределения: одночастичных, дающих среднее число частиц с данными значениями координат и импульсов, и двухчастичных, определяющих взаимное влияние (корреляцию) двух частиц. Общий метод получения уравнений для таких функций был разработан (в 40-х гг. 20 в.) Боголюбовым, Борном, Г. Грином (англ. физик) и др. Уравнения для одночастичной функции распределения, построение которых возможно для газов малой плотности, называются кинетическими. К их числу относится кинетическое уравнение Больцмана. Разновидности уравнения Больцмана для ионизованного газа (плазмы (См. Плазма)) – кинетические уравнения Ландау и А. А. Власова (30–40-е гг. 20 в.).

В последние десятилетия всё большее значение приобретает исследование плазмы. В этой среде основную роль играют Электромагнитные взаимодействия заряженных частиц, и лишь статистическая теория, как правило, способна дать ответ на различные вопросы, связанные с поведением плазмы. В частности, она позволяет исследовать устойчивость высокотемпературной плазмы во внешнем электромагнитном поле. Эта задача чрезвычайно актуальна в связи с проблемой управляемого термоядерного синтеза (См. Управляемый термоядерный синтез).

Электродинамика.

Состояние электромагнитного поля в теории Максвелла характеризуется двумя основными векторами: напряжённостью электрического поля Е и магнитной индукцией В, являющимися функциями координат и времени. Электромагнитные свойства вещества задаются тремя величинами: диэлектрической проницаемостью (См. Диэлектрическая проницаемость) ε, магнитной проницаемостью (См. Магнитная проницаемость)(и удельной Электропроводностью σ, которые должны быть определены экспериментально. Для векторов Е и В и связанных с ними вспомогательных векторов электрической индукции D и напряжённости магнитного поля Н записывается система линейных дифференциальных уравнений с частными производными – Максвелла уравнения. Эти уравнения описывают эволюцию электромагнитного поля. По значениям характеристик поля в начальный момент времени внутри некоторого объёма и по граничным условиям на поверхности этого объёма можно найти Е и Вв любой последующий момент времени. Эти векторы определяют силу, действующую на заряженную частицу, движущуюся с определённой скоростью в электромагнитном поле (Лоренца силу (См. Лоренца сила)).

Основатель электронной теории Лоренц сформулировал уравнения, описывающие элементарные электромагнитные процессы. Эти уравнения, называемые Лоренца – Максвелла уравнениями (См. Лоренца - Максвелла уравнения), связывают движение отдельных заряженных частиц с создаваемым ими электромагнитным полем.

Опираясь на представления о дискретности электрических зарядов и уравнения для элементарных электромагнитных процессов, можно распространить методы статистической механики на электромагнитные процессы в веществе. Электронная теория позволила вскрыть физический смысл электромагнитных характеристик вещества ε, μ, σ и дала возможность рассчитывать значения этих величин в зависимости от частоты, температуры, давления и т.д.

Частная (специальная) теория относительности. Релятивистская механика.

В основе частной теории относительности – физической теории о пространстве и времени при отсутствии полей тяготения – лежат два постулата: принцип относительности и независимость скорости света от движения источника. Согласно принципу относительности Эйнштейна, любые физические явления – механические, оптические, тепловые и т.д. – во всех инерциальных системах отсчёта при одинаковых условиях протекают одинаково. Это означает, что равномерное и прямолинейное движение системы не влияет на ход процессов в ней. Все инерциальные системы отсчёта равноправны (не существует выделенной, «абсолютно покоящейся» системы отсчёта, как не существует абсолютных пространства и времени). Поэтому скорость света в вакууме во всех инерциальных системах отсчёта одинакова. Из этих двух постулатов вытекают преобразования координат и времени при переходе от одной инерциальной системы к другой – Лоренца преобразования. Из преобразований Лоренца получаются основные эффекты частной теории относительности: существование предельной скорости, совпадающей со скоростью света в вакууме с (любое тело не может двигаться со скоростью, превышающей с, и с является максимальной скоростью передачи любых взаимодействий); относительность одновременности (события, одновременные в одной инерциальной системе отсчёта, в общем случае не одновременны в другой); замедление течения времени и сокращение продольных – в направлении движения – размеров тела (все физические процессы в теле, движущемся со скоростью v относительно некоторой инерциальной системы отсчёта, протекают в

Законы механики Ньютона перестают быть справедливыми при больших (сравнимых со скоростью света) скоростях движения. Сразу же после создания теории относительности были найдены релятивистские уравнения движения, обобщающие уравнения движения механики Ньютона. Эти уравнения пригодны для описания движения частиц со скоростями, близкими к скорости света. Исключительно важное значение для Ф. получили два следствия релятивистской механики: зависимость массы частицы от скорости и универсальная связь между энергией и массой (см. Относительности теория).

При больших скоростях движения любая физическая теория должна удовлетворять требованиям теории относительности, т. е. быть релятивистски-инвариантной. Законы теории относительности определяют преобразования при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой не только координат и времени, но и любой физической величины. Эта теория вытекает из принципов инвариантности, или симметрии в Ф. (см. Симметрия в физике).

Общая теория относительности (теория тяготения). Из четырёх типов фундаментальных взаимодействий – гравитационных, электромагнитных, сильных и слабых – первыми были открыты гравитационные взаимодействия, или силы тяготения. На протяжении более двухсот лет никаких изменений в основы теории гравитации, сформулированной Ньютоном, внесено не было. Почти все следствия теории находились в полном согласии с опытом.

Во 2-м десятилетии 20 в. классическая теория тяготения была революционным образом преобразована Эйнштейном. Теория тяготения Эйнштейна, в отличие от всех прочих теорий, была создана без стимулирующей роли новых экспериментов, путём логического развития принципа относительности применительно к гравитационным взаимодействиям, и получила название общей теории относительности. Эйнштейн по-новому интерпретировал установленный ещё Галилеем факт равенства гравитационной и инертной масс (см. Масса). Это равенство означает, что тяготение одинаковым образом искривляет пути всех тел. Поэтому тяготение можно рассматривать как искривление самого пространства-времени. Теория Эйнштейна вскрыла глубокую связь между геометрией пространства-времени и распределением и движением масс. Компоненты т. н. метрического тензора, характеризующие метрику пространства-времени (См. Метрика пространства-времени), одновременно являются потенциалами гравитационного поля, т. е. определяют состояние гравитационного поля. Гравитационное поле описывается нелинейными уравнениями Эйнштейна. В приближении слабых полей из них вытекает существование гравитационных волн, пока не обнаруженных экспериментально (см. Гравитационное излучение).

Гравитационные силы – самые слабые из фундаментальных сил в природе. Для протонов они примерно в 10³⁶ раз слабее электромагнитных. В современной теории элементарных частиц гравитационные силы не учитываются, т.к. полагают, что они не играют заметной роли. Роль гравитационных сил становится решающей при взаимодействиях тел космических размеров; они определяют также структуру и эволюцию Вселенной.

Теория тяготения Эйнштейна привела к новым представлениям об эволюции Вселенной. В середине 20-х гг. А. А. Фридман нашёл нестационарное решение уравнений гравитационного поля, соответствующее расширяющейся Вселенной. Этот вывод был подтвержден наблюдениями Э. Хаббла, открывшего закон красного смещения (См. Красное смещение)для галактик (означающий, что расстояния между любыми галактиками увеличиваются с течением времени). Др. пример предсказания теории – возможность неограниченного сжатия звёзд достаточно большой массы (больше 2–3 солнечных масс) с образованием т. н. «чёрных дыр» (См. Чёрная дыра). Имеются определённые указания (наблюдения за двойными звёздами – дискретными источниками рентгеновских лучей) на существование подобных объектов.

Общая теория относительности, как н квантовая механика, – великие теории 20 в. Все предшествующие теории, включая специальную теорию относительности, обычно относят к классической Ф. (иногда классической Ф. называют всю неквантовую Ф.).

Квантовая механика.

Состояние микрообъекта в квантовой механике характеризуется волновой функцией (См. Волновая функция) ψ. Волновая функция имеет статистический смысл (Борн, 1926): она представляет собой амплитуду вероятности, т. е. квадрат её модуля, |ψ|², есть плотность вероятности нахождения частицы в данном состоянии. В координатном представлении ψ = ψ(х, у, z, t) и величина |ψ|²ΔxΔyΔz определяет вероятность того, что координаты частицы в момент времени t лежат внутри малого объёма ΔxΔyΔz около точки с координатами х, у, z. Эволюция состояния квантовой системы однозначно определяется с помощью Шрёдингера уравнения (См. Шрёдингера уравнение).

Волновая функция даёт полную характеристику состояния. Зная ψ, можно вычислить вероятность определённого значения любой относящейся к частице (или системе частиц) физические величины и средние значения всех этих физических величин. Статистические распределения по координатам и импульсам не являются независимыми, из чего следует, что координата и импульс частицы не могут иметь одновременно точных значений (принцип неопределённости Гейзенберга); их разбросы связаны Неопределённостей соотношением. Соотношение неопределённостей имеет место также для энергии и времени.

В квантовой механике момент импульса, его проекция, а также энергия при движении в ограниченной области пространства могут принимать лишь ряд дискретных значений. Возможные значения физических величин являются собственными значениями (См. Собственные значения) операторов, которые в квантовой механике ставятся в соответствие каждой физической величине. Физическая величина принимает определённое значение с вероятностью, равной единице, лишь в том случае, если система находится в состоянии, изображаемом собственной функцией (См. Собственные функции) соответствующего оператора.

Квантовая механика Шрёдингера – Гейзенберга не удовлетворяет требованиям теории относительности, т. е. является нерелятивистской. Она применима для описания движения элементарных частиц и слагающих их систем со скоростями, много меньшими скорости света.

С помощью квантовой механики была построена теория атомов, объяснена Химическая связь, в том числе понята природа ковалентной химической связи; при этом было открыто существование специфического обменного взаимодействия – чисто квантового эффекта, не имеющего аналога в классической Ф. Обменная энергия играет главную роль в образовании ковалентной связи как в молекулах, так и в кристаллах, а также в явлениях ферромагнетизма и антиферромагнетизма. Эта энергия имеет важное значение во внутриядерных взаимодействиях.

Такие ядерные процессы, как α-распад, удалось объяснить только с помощью квантового эффекта прохождения частиц сквозь Потенциальный барьер (см. Туннельный эффект).

Была построена квантовая теория рассеяния (см. Рассеяние микрочастиц), приводящая к существенно другим результатам, чем классическая теория рассеяния. В частности, оказалось, что при столкновениях медленных нейтронов с ядрами поперечное сечение взаимодействия в сотни раз превышает поперечные размеры сталкивающихся частиц. Это имеет исключительно важное значение для ядерной энергетики.

На основе квантовой механики была построена Зонная теория твёрдого тела.

Из квантовой теории вынужденного излучения (См. Вынужденное излучение), созданной Эйнштейном ещё в 1917, в 50-х гг. возник новый раздел радиофизики: были осуществлены генерация и усиление электромагнитных волн с помощью квантовых систем. Н. Г. Басов, А. М. Прохоров и независимо Ч. Таунс создали микроволновой квантовый генератор (мазер), в котором использовалось вынужденное излучение возбуждённых молекул. В 60-х гг. был создан Лазер – квантовый генератор электромагнитных волн в видимом диапазоне длин волн (см. Квантовая электроника).

Квантовая статистика.

Подобно тому, как на основе классических законов движения отдельных частиц была построена теория поведения большой их совокупности – классическая статистика, на основе квантовых законов движения частиц была построена квантовая статистика. Последняя описывает поведение макроскопических объектов в том случае, когда классическая механика неприменима для описания движения слагающих их частиц. В этом случае квантовые свойства микрообъектов отчётливо проявляются в свойствах макроскопических тел.

Математический аппарат квантовой статистики существенно отличается от аппарата классической статистики, т. к., как говорилось выше, некоторые физические величины в квантовой механике могут принимать дискретные значения. Но содержание самой статистической теории равновесных состояний не претерпело глубоких изменений. В квантовой статистике, как и вообще в квантовой теории систем многих частиц, важную роль играет принцип тождественности одинаковых частиц (см. Тождественности принцип). В классической статистике принимается, что перестановка двух одинаковых (тождественных) частиц меняет состояние. В квантовой статистике состояние системы не меняется при такой перестановке. Если частицы (или квазичастицы) имеют целый спин (они называются Бозонами), то в одном и том же квантовом состоянии может находиться любое число частиц. Системы таких частиц описываются Бозе – Эйнштейна статистикой. Для любых частиц (квазичастиц) с полуцелым спином (Фермионов) справедлив принцип Паули, и системы этих частиц описываются Ферми – Дирака статистикой.

Квантовая статистика позволила обосновать теорему Нернста (Третье начало термодинамики) – стремление энтропии к нулю при абсолютной температуре Т → 0.

Квантовая статистическая теория равновесных процессов построена в столь же законченной форме, как и классическая. Заложены также основы квантовой статистической теории неравновесных процессов. Уравнение, описывающее неравновесные процессы в квантовой системе и называемое основным кинетическим уравнением, позволяет в принципе проследить за изменением во времени вероятности распределения по квантовым состояниям системы.

Квантовая теория поля (КТП).

Следующий этап в развитии квантовой теории – распространение квантовых принципов на системы с. бесконечным числом степеней свободы (Поля физические) и описание процессов рождения и превращения частиц – привёл к КТП, наиболее полно отражающей фундаментальное свойство природы – корпускулярно-волновой дуализм.

В КТП частицы описываются с помощью квантованных полей, представляющих собой совокупность операторов рождения и поглощения частиц в различных квантовых состояниях. Взаимодействие квантованных полей приводит к различным процессам испускания, поглощения и превращения частиц. Любой процесс в КТП рассматривается как уничтожение одних частиц в определённых состояниях и появление других в новых состояниях.

Первоначально КТП была построена применительно к взаимодействию электронов, позитронов и фотонов (квантовая электродинамика). Взаимодействие между заряженными частицами, согласно квантовой электродинамике, осуществляется путём обмена фотонами, причём электрический заряд е частицы представляет константу, характеризующую связь поля заряженных частиц с электромагнитным полем (полем фотонов).

Идеи, положенные в основу квантовой электродинамики, были в 1934 использованы Э. Ферми для описания процессов Бета-распада радиоактивных атомных ядер с помощью нового типа взаимодействия (который, как выяснилось впоследствии, представляет собой частный случай т. н. слабых взаимодействий (См. Слабые взаимодействия)). В процессах электронного бета-распада один из нейтронов ядра превращается в протон и одновременно происходит испускание электрона и электронного антинейтрино. Согласно КТП, такой процесс можно представить как результат контактного взаимодействия (взаимодействия в одной точке) квантованных полей, соответствующих четырём частицам со спином ¹/₂: протону, нейтрону, электрону и антинейтрино (т. е. четырёхфермионным взаимодействием).

Дальнейшим плодотворным применением идей КТП явилась гипотеза Х. Юкавы (См. Юкава) (1935) о существовании взаимодействия между полем нуклонов (протонов и нейтронов) и полем мезонов (См. Мезоны) (в то время ещё не обнаруженных экспериментально). Ядерные силы между нуклонами, согласно этой гипотезе, возникают в результате обмена нуклонов мезонами, а короткодействующий характер ядерных сил объясняется наличием у мезонов сравнительно большой массы покоя. Мезоны с предсказанными свойствами (пи-мезоны) были обнаружены в 1947, а взаимодействие их с нуклонами оказалось частным проявлением сильных взаимодействий (См. Сильные взаимодействия).

КТП является, т. о., основой для описания элементарных взаимодействий, существующих в природе: электромагнитных, сильных и слабых. Наряду с этим методы КТП нашли широкое применение и в теории твёрдого тела, плазмы, атомного ядра, поскольку многие процессы в этих средах связаны с испусканием и поглощением различного рода элементарных возбуждений – квазичастиц (фононов, спиновых волн (См. Спиновые волны) и др.).

Из-за бесконечного числа степеней свободы у поля взаимодействие частиц – квантов поля – приводит к математическим трудностям, которые до сих пор не удалось полностью преодолеть. Однако в теории электромагнитных взаимодействий любую задачу можно решить приближённо, т.к. взаимодействие можно рассматривать как малое возмущение свободного состояния частиц (вследствие малости безразмерной константы ¹/₁₃₇, характеризующей интенсивность электромагнитных взаимодействий). Теория всех эффектов в квантовой электродинамике находится в полном согласии с опытом. Тем не менее положение в этой теории нельзя считать благополучным, т.к. для некоторых физических величин (массы, электрического заряда) при вычислениях по теории возмущений получаются бесконечные выражения (расходимости). Их исключают, используя т.к. технику перенормировок, заключающуюся в том, что бесконечно большие величины для массы и заряда частицы заменяются их наблюдаемыми значениями. Большой вклад в разработку квантовой электродинамики внесли (в конце 40-х гг.) С. Томонага, Р. Фейнман, Ю. Швингер.

Разработанные в квантовой электродинамике методы в дальнейшем пытались применить для расчёта процессов слабого и сильного (ядерного) взаимодействий, однако здесь встретился ряд проблем.

Слабые взаимодействия присущи всем элементарным частицам, кроме фотона. Они проявляются в распадах большинства элементарных частиц и в некоторых других их превращениях. Константа слабых взаимодействий, определяющая интенсивность протекания вызванных ими процессов, растет с увеличением энергии частиц.

После экспериментально установленного факта несохранения пространственной чётности (См. Чётность) в процессах слабого взаимодействия (1956) была предложена т. н. универсальная теория слабых взаимодействий, близкая к фермиевской теории β-распада. Однако, в отличие от квантовой электродинамики, эта теория не позволяла вычислять поправки в высших порядках теории возмущений, т. е. теория оказалась неперенормируемой. В конце 60-х гг. сделаны попытки построения перенормируемой теории слабых взаимодействий. Успех был достигнут на основе т. н. калибровочных теорий. Была создана объединённая модель слабых и электромагнитных взаимодействий. В этой модели наряду с фотоном – переносчиком электромагнитных взаимодействий между заряженными частицами, должны существовать переносчики слабых взаимодействий – т. н. промежуточные векторные бозоны. Предполагается, что интенсивность взаимодействий промежуточных бозонов с др. частицами такая же, как и у фотонов. Т. к. радиус слабых взаимодействий очень мал (меньше 10^-15 см), то, согласно законам квантовой теории, масса промежуточных бозонов должна быть очень велика: несколько десятков протонных масс. На опыте эти частицы пока не обнаружены. Должны существовать как заряженные (W^- и W ⁺), так и нейтральный (Z⁰) векторные бозоны. В 1973 экспериментально наблюдались процессы, которые, по-видимому, можно объяснить существованием нейтральных промежуточных бозонов. Однако справедливость новой единой теории электромагнитных и слабых взаимодействий нельзя считать доказанной.

Трудности создания теории сильных взаимодействий связаны с тем, что из-за большой константы связи методы теории возмущений оказываются здесь неприменимыми. Вследствие этого, а также в связи с наличием огромного экспериментального материала, нуждающегося в теоретическом обобщении, в теории сильных взаимодействий развиваются методы, основанные на общих принципах квантовой теории поля – релятивистской инвариантности (См. Релятивистская инвариантность), локальности взаимодействия (означающей выполнение условия причинности; см. Причинности принцип) и др. К ним относятся метод дисперсионных соотношений и аксиоматический метод (см. Квантовая теория поля). Аксиоматический подход является наиболее фундаментальным, но пока не обеспечивает достаточного количества конкретных результатов, допускающих экспериментальную проверку. Наибольшие практические успехи в теории сильных взаимодействий получены благодаря применению принципов симметрии.

Делаются попытки построить единую теорию слабых, электромагнитных и сильных взаимодействий (по типу калибровочных теорий).

Принципы симметрии и законы сохранения.

Физические теории позволяют по начальному состоянию объекта определить его поведение в будущем. Принципы симметрии (или инвариантности) носят общий характер, им подчинены все физические теории. Симметрия законов Ф. относительно некоторого преобразования означает, что эти законы не меняются при проведении данного преобразования. Поэтому принципы симметрии можно установить на основании известных физ. законов. С др. стороны, если теория каких-либо физических явлений ещё не создана, открытые на опыте симметрии играют эвристическую роль при построении теории. Отсюда особая важность экспериментально установленных симметрий сильно взаимодействующих элементарных частиц – адронов, теория которых, как уже говорилось, не построена.

Существуют общие симметрии, справедливые для всех физических законов, для всех видов взаимодействий, и приближённые симметрии, справедливые лишь для определённого круга взаимодействий или даже одного вида взаимодействия. Т. о., наблюдается иерархия принципов симметрии. Симметрии делятся на пространственно-временные, или геометрические, и внутренние симметрии, описывающие специфические свойства элементарных частиц. С симметриями связаны законы сохранения. Для непрерывных преобразований эта связь была установлена в 1918 Э. Нетер (См. Нётер) на основе самых общих предположений о математическом аппарате теории (см. Нётер теорема, Сохранения законы).

Справедливыми для всех типов взаимодействий являются симметрии законов Ф. относительно следующих непрерывных пространственно-временных преобразований: сдвига и поворота физической системы как целого в пространстве, сдвига во времени (изменения начала отсчёта времени). Инвариантность (неизменность) всех физических законов относительно этих преобразований отражает соответственно однородность и изотропию пространства и однородность времени. С этими симметриями связаны (соответственно) законы сохранения импульса, момента количества движения и энергии. К общим симметриям относятся также инвариантность по отношению к преобразованиям Лоренца и калибровочным преобразованиям (1-го рода) – умножению волновой функции на т. н. фазовый множитель, не меняющий квадрата её модуля (последняя симметрия связана с законами сохранения электрического, барионного и лептонного зарядов), и некоторые другие.

Существуют также симметрии, отвечающие дискретным преобразованиям: изменению знака времени (см. Обращение времени), пространственной инверсии (См. Пространственная инверсия)(т. н. зеркальная симметрия природы), зарядовому сопряжению (См. Зарядовое сопряжение). На основе приближённой SU (3)-симметрии (см. Сильные взаимодействия) М. Гелл-Ман (1962) создал систематику адронов, позволившую предсказать существование нескольких элементарных частиц, открытых позднее экспериментально.

Систематику адронов можно объяснить, если предположить, что все адроны «построены» из небольшого числа (в наиболее распространённом варианте – из трёх) фундаментальных частиц – кварков (См. Кварки) и соответствующих античастиц – антикварков. Существуют различные кварковые модели адронов, однако экспериментально обнаружить свободные кварки пока не удалось. В 1975–76 были открыты две новые сильно взаимодействующие частицы (ψ₁ и ψ₂) с массами, превышающими утроенную массу протона, и временами жизни 10^-20 и 10^-21 сек.Объяснение особенностей рождения и распада этих частиц, по-видимому, требует введения дополнительного, четвёртого, кварка, которому приписывается квантовое число «очарование». Помимо этого, по современным представлениям, каждый кварк существует в трёх разновидностях, отличающихся особой характеристикой – «цветом».

Успехи в классификации адронов на основе принципов симметрии очень велики, хотя причины возникновения этих симметрий до конца не ясны; возможно, они действительно обусловлены существованием и свойствами кварков.

IV. Современная экспериментальная физика

Ещё в начале 20 в. такие эпохальные открытия, как открытие Резерфордом атомного ядра, можно было делать с помощью сравнительно простой аппаратуры. Но в дальнейшем эксперимент стал очень быстро усложняться и экспериментальные установки начали приобретать промышленный характер. Неизмеримо возросла роль измерительной и вычислительной техники. Современные экспериментальные исследования в области ядра и элементарных частиц, радиоастрономии (См. Радиоастрономия), квантовой электроники и Ф. твёрдого тела требуют небывалых масштабов и затрат средств, которые зачастую доступны лишь крупным государствам или даже группам государств с развитой экономикой.

Огромную роль в развитии ядерной Ф. и Ф. элементарных частиц сыграли разработка методов наблюдения и регистрации отдельных актов превращений элементарных частиц (вызванных их столкновениями друг с другом и с атомными ядрами) и создание ускорителей заряженных частиц, положившее начало развитию Ф. высоких энергий. Открытие В. И. Векслсром (См. Векслер) (1944) и независимо Э. М. Макмилланом (1945) принципа автофазировки (См. Автофазировка) повысило предел достижимых энергий частиц в тысячи раз. Ускорители со встречными пучками значительно увеличили эффективную энергию столкновения частиц. Были созданы высокоэффективные счётчики заряженных частиц, действие которых основано на различных принципах: газоразрядные, сцинтилляционные, черенковские и др. Фотоумножители позволяют регистрировать единичные фотоны. Наиболее полную и точную информацию о событиях микромира получают с помощью пузырьковой и искровой камер и толстослойных фотоэмульсий, в которых можно непосредственно наблюдать следы (треки) пролетевших заряженных частиц. Построены детекторы, позволяющие регистрировать редчайшие события – столкновения нейтрино с атомными ядрами.

Подлинная революция в экспериментальном исследовании взаимодействий элементарных частиц связана с применением ЭВМ для обработки информации, получаемой от регистрирующих устройств. Для фиксации маловероятных процессов приходится анализировать десятки тысяч фотографий треков. Вручную это заняло бы столь много времени, что получение нужной информации стало бы практически невозможным. Поэтому изображения треков с помощью специальных устройств преобразуются в серию электрических импульсов и дальнейший анализ треков производится с помощью ЭВМ. Это чрезвычайно сокращает время между экспериментом и получением обработанной информации. В искровых камерах регистрация и анализ треков частиц осуществляются автоматически с использованием ЭВМ непосредственно в экспериментальной установке.

Значение ускорителей заряженных частиц определяется следующими обстоятельствами. Чем больше энергия (импульс) частицы, тем меньше (согласно принципу неопределённости) размеры объектов или их деталей, которые можно различить при столкновениях частицы с объектом. К 1977 эти минимальные размеры составляют 10^-15 см. Изучая рассеяние электронов высокой энергии на нуклонах, удалось обнаружить элементы внутренней структуры нуклонов – распределение электрического заряда и магнитного момента внутри этих частиц (т. н. Формфакторы). Рассеяние электронов сверхвысоких энергий на нуклонах указывает на существование внутри нуклонов нескольких отдельных образований сверхмалых размеров, названных партонами. Возможно, партоны представляют собой гипотетические кварки.

Другая причина интереса к частицам высоких энергий – рождение при их столкновениях с мишенью новых частиц всё большей массы. Всего известно 34 стабильных и квазистабильных (т. е. не распадающихся за счёт сильных взаимодействий) частиц (с античастицами) и более двухсот резонансов, причём подавляющее их число открыто на ускорителях. Исследование рассеяния частиц сверхвысоких энергий должно способствовать выяснению природы сильных и слабых взаимодействий.

Изучены самые различные типы ядерных реакций. На ускорителе Объединённого института ядерных исследований в г. Дубне впервые осуществлено столкновение релятивистских ядер. Успешно идёт синтез трансурановых элементов. Получены ядра антидейтерия, антитрития и антигелия. На ускорителе в Серпухове открыта новая закономерность сильных взаимодействий – рост полного сечения взаимодействия адронов очень высоких энергий при их столкновении с увеличением энергии столкновения (т. н. серпуховский эффект).

Развитие радиофизики получило новое направление после создания радиолокационных станций (См. Радиолокационная станция) во время 2-й мировой войны 1939–45. Радиолокаторы нашли широкое применение в авиации и морском транспорте, в космонавтике. Была осуществлена локация небесных тел: Луны, Венеры и др. планет, а также Солнца. Сооружены гигантские радиотелескопы, улавливающие излучения космических тел со спектральной плотностью потока энергии 10^-26эрг/см²․сек․гц. Информация о космических объектах неизмеримо возросла. Были открыты радиозвёзды и радиогалактики с мощным излучением в диапазоне радиоволн, а в 1963 – наиболее удалённые от нас квазизвёздные объекты – Квазары. Светимость квазаров в сотни раз превышает светимость ярчайших галактик. Разрешающая способность современных радиотелескопов, использующих передвижные антенны, управляемые ЭВМ, достигает угловой секунды (для излучения с длиной волны в несколько см). При разносе антенн на большие расстояния (порядка 10 тыс. км) получается ещё более высокое разрешение (в сотые доли угловой секунды).

Исследование радиоизлучения небесных тел помогло установить источники первичных космических лучей (протонов, более тяжёлых атомных ядер, электронов). Этими источниками оказались вспышки сверхновых звёзд (См. Сверхновые звёзды). Было открыто Реликтовое излучение – тепловое излучение, соответствующее температуре 2,7 К. В 1967 открыты Пульсары. – быстро вращающиеся Нейтронные звёзды. Пульсары создают направленное излучение в радиодиапазоне, видимом и рентгеновском диапазонах, интенсивность которого периодически меняется из-за вращения звёзд.

Большую роль в изучении околоземного космического пространства и далёкого космоса сыграли запуски космических станций: были открыты радиационные пояса (См. Радиационные пояса Земли)Земли, обнаружены космические источники рентгеновского излучения и всплески γ-излучения (эти виды излучения поглощаются атмосферой Земли и не доходят до её поверхности).

Современные радиофизические методы позволяют осуществлять космическую связь на расстояния в десятки и сотни млн. км. Необходимость передачи большого объёма информации стимулировала разработку принципиально новых, оптических линий связи с применением волоконных светопроводов.

Высочайшей точности достигли измерения амплитуды колебаний макроскопических тел. С помощью радиотехнических и оптических датчиков можно регистрировать механические колебания с амплитудой порядка 10^-15см (имеется возможность повысить этот предел до 10^-16–10^-19см).

Для исследования структуры кристаллов и органических молекул применяются высокоточные автоматические рентгеновские и нейтронные дифрактометры, в сотни тыс. раз сократившие время расшифровки структур. В структурных исследованиях применяются также электронные микроскопы (См. Электронный микроскоп) большой разрешающей силы. Нейтронография позволяет изучать и магнитную структуру твёрдых тел.

Для исследования структуры и распределения электронной плотности в веществе успешно применяются Электронный парамагнитный резонанс (открыт Е. К. Завойским (См. Завойский) в 1944), Ядерный магнитный резонанс (открыт Э. Пёрселлом и Ф. Блохом в 1946), Мёссбауэра эффект (открыт Р. Л. Мёссбауэром в 1958). Совершенствуется исследование структуры атомов и молекул органических и неорганических веществ по их спектрам излучения и поглощения в широком диапазоне частот (в т. ч. с применением лазерного излучения; см. Спектроскопия лазерная).

В гидроакустике (См. Гидроакустика) открыто и исследовано явление сверхдальнего распространения звука (См. Сверхдальнее распространение звука) в морях и океанах – на расстояния в тысячи км (амер. учёные М. Ивинг, Дж. Ворцель, 1944, и независимо сов. физики Л. М. Бреховских, Л. Д. Розенберг и др., 1946).

В последнее десятилетие развиваются акустические методы исследования твёрдых тел, основанные на применении ультразвуковых и гиперзвуковых волн (см. Ультразвук, Гиперзвук), а также поверхностных акустических волн.

Быстрое развитие Ф. полупроводников совершило переворот в радиотехнике и электронике. Полупроводниковые приборы вытеснили электровакуумные лампы. Резко уменьшились и стали надёжнее радиотехнические устройства и вычислительные машины, существенно уменьшилась потребляемая ими мощность. Появились интегральные схемы, сочетающие на одном небольшом (в десятки мм²) кристалле тысячи и более электронных элементов. Процесс последовательной микроминиатюризации радиоэлектронных приборов и устройств привёл к созданию на нескольких кристаллах т. н. микропроцессоров, выполняющих операционные функции ЭВМ. Небольшие вычислительные машины изготавливаются на одном кристалле.

ЭВМ стали неотъемлемой частью физических исследований и применяются как для обработки экспериментальных данных, так и в теоретических расчётах, особенно тех, которые ранее были неосуществимыми из-за огромной трудоёмкости.

Большое значение как для самой науки, так и для практических применений имеет исследование вещества при экстремальных условиях: при очень низких или очень высоких температурах, сверхвысоком давлении или глубоком вакууме, сверхсильных магнитных полях и т.д.

Высокий и сверхвысокий вакуум создаётся в электронных приборах и ускорителях для того, чтобы избежать столкновений ускоряемых частиц с молекулами газа. Исследование свойств поверхностей и тонких слоев вещества в сверхвысоком вакууме открыло новый раздел Ф. твёрдого тела. Эти исследования очень важны, в частности, в связи с освоением космического пространства.

V. Некоторые нерешенные проблемы физики

Физика элементарных частиц.

Наиболее фундаментальной проблемой Ф. было и остаётся исследование материи на самом глубоком уровне – уровне элементарных частиц. Накоплен огромный экспериментальный материал по взаимодействиям и превращениям элементарных частиц, произвести же теоретическое обобщение этого материала с единой точки зрения пока не удаётся. Либо недостаёт необходимых фактов, либо – идеи, способной пролить свет на проблему строения и взаимодействия элементарных частиц. Остаётся нерешенной задача о теоретическом определении спектра масс элементарных частиц. Возможно, для решения этой проблемы и устранения бесконечностей в квантовой теории поля необходимо введение некоторой фундаментальной длины (См. Фундаментальная длина), которая ограничивала бы применимость обычных представлений о пространстве-времени как о непрерывной сущности. До расстояний порядка 10^-15см и соответственно времён t Физика l/cФизика 10^-25сек обычные пространственно-временные соотношения, по-видимому, справедливы, но на меньших расстояниях, возможно, они нарушаются. Делаются попытки введения фундаментальной длины в единой теории поля (См. Единая теория поля) (Гейзенберг и др.) и в различных вариантах квантования пространства-времени (См. Квантование пространства-времени). Однако пока эти попытки не привели к ощутимым результатам.

Не решена задача построения квантовой теории тяготения. Только намечается возможность сведения воедино четырёх фундаментальных взаимодействий.

Астрофизика. Развитие Ф. элементарных частиц и атомного ядра позволило приблизиться к пониманию таких сложных проблем, как эволюция Вселенной на ранних стадиях развития, эволюция звёзд и образование химических элементов. Однако, несмотря на огромные достижения, перед современной астрофизикой стоят и нерешенные проблемы. Остаётся неясным, каково состояние материи при огромных плотностях и давлениях внутри звёзд и «чёрных дыр». Не выяснена физическая природа квазаров и радиогалактик, причины вспышек сверхновых звёзд и появления всплесков γ-излучения. Непонятно, почему попытки обнаружения солнечных нейтрино, которые должны рождаться в недрах Солнца при термоядерных реакциях, к успеху не привели (см. Нейтринная астрономия). Не выявлен полностью механизм ускорения заряженных частиц (космических лучей) при вспышках сверхновых звёзд и механизм излучения электромагнитных волн пульсарами и т.д. Наконец, положено лишь начало решению проблемы эволюции Вселенной в целом. Что было на ранних стадиях эволюции Вселенной и какова её судьба в дальнейшем? Сменится ли когда-нибудь наблюдаемое расширение Вселенной её сжатием? На все эти вопросы пока ответов нет.

Несомненно, что наиболее фундаментальные проблемы современной Ф. связаны с элементарными частицами и проблемой строения и развития Вселенной. Здесь предстоит открыть новые законы поведения материи в необычных условиях – при сверхмалых пространственно-временных расстояниях в микромире и сверхбольших плотностях в начале расширения Вселенной. Все др. проблемы имеют более частный характер и связаны с поисками путей эффективного использования основных законов для объяснения наблюдаемых явлений и предсказания новых.

Физика ядра. После создания протонно-нейтронной модели ядра был достигнут большой прогресс в понимании структуры атомных ядер, построены различные приближённые ядерные модели. Однако последовательные теории атомного ядра (подобной теории атомных оболочек), позволяющей рассчитать, в частности, энергию связи нуклонов в ядре и уровни энергии ядра, пока нет. Успех в этом направлении может быть достигнут лишь после построения теории сильных взаимодействий.

Экспериментальное исследование взаимодействия нуклонов в ядре – ядерных сил – сопряжено с очень большими трудностями из-за предельно сложного характера этих сил. Они зависят от расстояния между нуклонами, от скоростей нуклонов и ориентаций их спинов.

Значительный интерес представляет возможность экспериментального обнаружения долгоживущих элементов с атомными номерами около 114 и 126 (т. н. островов стабильности), которые предсказываются теорией.

Одна из важнейших задач, которую предстоит решить Ф., – проблема управляемого термоядерного синтеза. В большом масштабе ведутся экспериментальные и теоретические работы по созданию горячей дейтерий-тритиевой плазмы, необходимой для термоядерной реакции. Сов. установки типа «токамак» являются, по-видимому, самыми перспективными в этом отношении. Имеются и др. возможности. В частности, для нагрева крупинок из смеси дейтерия с тритием можно использовать лазерное излучение, электронные или ионные пучки, получаемые в мощных импульсных ускорителях.

Квантовая электроника. Квантовые генераторы дают электромагнитное излучение, уникальное по своим свойствам. Излучение лазера когерентно и может достигать в узком спектральном интервале огромной мощности: 10¹²–10¹³ вт, причём расходимость светового пучка составляет всего около 10^-4 рад. Напряжённость электрического поля излучения лазера может превышать напряжённость внутриатомного поля.

Создание лазеров вызвало появление и быстрое развитие нового раздела оптики – нелинейной оптики (См. Нелинейная оптика). В сильном лазерном излучении становятся существенными нелинейные эффекты взаимодействия электромагнитной волны со средой. Эти эффекты – перестройка частоты излучения, самофокусировка пучка и др. представляют большой теоретический и практический интерес.

Почти строгая монохроматичность лазерного излучения позволила получить объёмное изображение объектов (Голография) с помощью интерференции волн.

Лазерное излучение применяют для разделения изотопов, в частности для обогащения урана изотопом ²³⁵U, для испарения и сварки металлов в вакууме, в медицине и т.д. Перспективно, по-видимому, применение лазеров для нагрева вещества до температур, при которых возможно осуществление термоядерных реакций. Стоит задача поисков новых применений лазерного излучения, например для связи в космосе.

Главные проблемы, которые предстоит решить, – это дальнейшее повышение мощности и расширение диапазона длин волн лазерного пучка с плавной перестройкой по частоте. Ведутся поисковые работы по созданию рентгеновских и гамма-лазеров.

Физика твёрдого тела. Ф. твёрдого тела принадлежит ведущая роль в исследовании возможностей получения материалов с экстремальными свойствами в отношении механической прочности, теплостойкости, электрических, магнитных и оптических характеристик.

С 70-х гг. 20 в. ведутся активные поиски нефононных механизмов сверхпроводимости. Решение этой задачи, возможно, позволило бы создать высокотемпературные сверхпроводники. Это имело бы огромное значение для экспериментальной Ф. и техники, в том числе решило бы проблему передачи электрической энергии на большие расстояния практически без потерь.

Весьма интересная проблема – исследование физических свойств твёрдого и жидкого гелия-3 при сверхнизких (ниже 3․10^-3 К) температурах. Твёрдый гелий-3 должен быть, по-видимому, единственным обменным ядерным антиферромагнетиком. Жидкий гелий-3 – простейшая ферми-жидкость, теория которой составляет существенный предмет квантовой статистики.

Большой научный и практический интерес представляет получение металлического водорода и изучение его физических свойств. Он должен быть уникальным физическим объектом, т.к. его решётка состоит из протонов. Полагают, что металлический водород будет обладать рядом необычных свойств, изучение которых может привести к принципиально новым открытиям в Ф. В институте физики высоких давлений АН СССР сделаны первые шаги в этом направлении – обнаружен переход в металлическое состояние тонких плёнок твёрдого водорода при температуре 4,2 К и давлении около 1 Мбар.

Разрабатываются новые направления исследования твёрдых тел акустическими методами: акустоэлектроника (взаимодействие акустических волн с электронами в полупроводниках, металлах и сверхпроводниках), акустический ядерный и парамагнитный резонансы, определение фононного спектра и дисперсионных кривых.

Следует отметить, что развитие традиционных направлений Ф. твёрдого тела часто приводит к неожиданным открытиям новых физических явлений или материалов с существенно новыми свойствами, как, например, Джозефсона эффект, полупроводники с гетеропереходами, сверхпроводники 2-го рода, квантовые кристаллы, нитевидные кристаллы и др.

Несмотря на достигнутые успехи, необходимо разрабатывать принципиально новые физические методы получения более надёжных и миниатюрных полупроводниковых устройств (см. Микроэлектроника, Функциональная электроника), методы получения более высоких давлений, сверхнизких температур и т.п.

Большое значение имеет изучение Ф. полимеров (См. Полимеры) с их необычными механическими и термодинамическими свойствами, в частности биополимеров, к которым относятся все белки.

Физика плазмы. Важность изучения плазмы связана с двумя обстоятельствами. Во-первых, в плазменном состоянии находится подавляющая часть вещества Вселенной: звёзды и их атмосферы, межзвёздная среда, радиационные пояса и Ионосфера Земли и др. Во-вторых, именно в высокотемпературной плазме имеется реальная возможность осуществления управляемого термоядерного синтеза.

Основные уравнения, описывающие плазму, хорошо известны. Однако процессы в плазме столь сложны, что предсказать её поведение в различных условиях весьма трудно. Главная проблема, стоящая перед Ф. плазмы, – разработка эффективных методов разогрева плазмы до температуры порядка 1 млрд. градусов и удержание её в этом состоянии (несмотря на разного рода неустойчивости, присущие высокотемпературной плазме) в течение времени, достаточного для протекания термоядерной реакции в большей части рабочего объёма. Решение проблемы устойчивости плазмы играет важную роль также в обеспечении работы ускорителей на встречных пучках (См. Ускорители на встречных пучках) и в разработке т. н. коллективных методов ускорения частиц.

Исследование электромагнитного и корпускулярного излучения плазмы имеет решающее значение для объяснения ускорения заряженных частиц при вспышках сверхновых, излучения пульсаров и др.

Разумеется, проблемы современной Ф. не сводятся к перечисленным; свои проблемы имеются во всех разделах Ф., и общее число их столь велико, что они не могут быть здесь приведены.

VI. Связь физики с другими науками и техникой

Физика и философия. Вследствие общности и широты своих законов Ф. всегда оказывала воздействие на развитие философии и сама находилась под её влиянием. С каждым новым открытием в естественнонаучной области, по словам Ф. Энгельса, материализм неизбежно должен менять свою форму.

В достижениях современной Ф. всё большее подтверждение и конкретизацию находит высшая форма материализма – Диалектический материализм. При переходе к исследованию микромира закон диалектики (См. Диалектика) – единство противоположностей – проявляется особенно отчётливо. Единство прерывного и непрерывного находит своё отражение в корпускулярно-волновом дуализме микрочастиц. Необходимое и случайное выступают в неразрывной связи, что выражается в вероятностном, статистическом характере законов движения микрочастиц. Провозглашаемое материализмом единство материального мира ярко проявляется во взаимных превращениях элементарных частиц – возможных форм существования физической материи. Особенно важен правильный философский анализ в революционные эпохи развития Ф., когда старые представления подвергаются коренному пересмотру. Классический образец такого анализа был дан В. И. Лениным в книге «Материализм и эмпириокритицизм». Лишь понимание соотношения между абсолютной и относительной истинами позволяет правильно оценить сущность революционных преобразований в Ф., видеть в них обогащение и углубление наших представлений о материи, дальнейшее развитие материализма.

Физика и математика. Ф. – количественная наука. Основные её законы формулируются на математическом языке, главным образом с помощью дифференциальных уравнений. С др. стороны, новые идеи и методы в математике часто возникали под влиянием Ф. Анализ бесконечно малых был создан Ньютоном (одновременно с Г. В. Лейбницем) при формулировке основных законов механики. Создание теории электромагнитного поля привело к развитию векторного анализа. Развитие таких разделов математики, как Тензорное исчисление, римановская геометрия (См. Риманова геометрия), теория групп (См. Группа) и др., стимулировалось новыми физическими теориями: общей теорией относительности и квантовой механикой. Развитие квантовой теории поля ставит новые проблемы функционального анализа и т.д.

Физика и другие естественные науки.Тесная связь Ф. с др. отраслями естествознания привела, по словам С. И. Вавилова, к тому, что Ф. глубочайшими корнями вросла в астрономию, геологию, химию, биологию и др. естественные науки. Образовался ряд пограничных дисциплин: Астрофизика, Геофизика, Биофизика, Физическая химия и др. Физические методы исследования получили решающее значение для всех естественных наук. Электронный микроскоп на несколько порядков повысил возможности различения деталей объектов, позволив наблюдать отдельные молекулы. С помощью рентгеноструктурного анализа изучаются не только кристаллы, но и сложнейшие биологические структуры. Подлинным его триумфом явилось установление структуры молекул ДНК, входящих в состав хромосом клеточных ядер всех живых организмов и являющихся носителями наследств, кода. Революция в биологии, связанная с возникновением молекулярной биологии и генетики, была бы невозможна без Ф.

Метод т. н. меченых атомов играет огромную роль в исследовании обмена веществ в живых организмах; многие проблемы биологии, физиологии и медицины были решены с их помощью. Ультразвук применяется в медицине для диагностики и терапии.

Как говорилось выше, законы квантовой механики лежат в основе теории химической связи. С помощью меченых атомов можно проследить кинетику химических реакций. Физическими методами, например с помощью пучков мюонов, полученных на ускорителях, удаётся осуществить химические реакции, не идущие в обычных условиях. Используются структурные аналоги атома водорода – Позитроний и Мюоний, существование и свойства которых были установлены физиками. В частности, с помощью мюония удаётся измерять скорость протекания быстрых химических реакций. (См. Мюоны.)

Развитие электроники позволяет наблюдать процессы, протекающие за время, меньшее 10^-12сек. Оно же привело к революции в астрономии – созданию радиоастрономии.

Результаты и методы ядерной Ф. применяются в геологии; с их помощью, в частности, измеряют абсолютный возраст горных пород и Земли в целом (см. Геохронология).

Физика и техника. Ф. образует фундамент главнейших направлений техники. Электротехника и энергетика, радиотехника и электроника, светотехника, строительная техника, гидротехника, значительная часть военной техники выросли на основе Ф. Благодаря сознательному использованию физических законов техника из области случайных находок вышла на широкую дорогу целенаправленного развития. Если в 19 в. между физическим открытием и первым его техническим применением проходили десятки лет, то теперь этот срок сократился до нескольких лет.

В свою очередь, развитие техники оказывает не менее существенное влияние на совершенствование экспериментальной Ф. Без развития электротехники, электроники, технологии производства очень прочных и лишённых примесей материалов было бы невозможно создание таких устройств, как ускорители заряженных частиц, огромные пузырьковые и искровые камеры, полупроводниковые приборы и т.д.

Возникновение ядерной энергетики связано с крупными достижениями ядерной Ф. Ядерные реакторы-размножители на быстрых нейтронах могут использовать природный уран и торий, запасы которого велики. Осуществление управляемого термоядерного синтеза практически навсегда избавит человечество от угрозы энергетического кризиса.

Техника будущего будет основываться не на готовых природных материалах, а главным образом на синтетических материалах с наперёд заданными свойствами. Создание и исследование структуры вещества играют в решении этой проблемы определяющую роль.

Развитие электроники и создание совершенных ЭВМ, базирующиеся на достижениях Ф. твёрдого тела, неизмеримо расширили творческие возможности человека, а также привели к построению «думающих» автоматов, способных быстро принимать решения в обстановке, требующей обработки большого объёма информации.

Огромное повышение производительности труда достигается благодаря использованию ЭВМ (автоматизация производства и управления). По мере усложнения народного хозяйства объём перерабатываемой информации становится чрезвычайно большим. Поэтому очень важно дальнейшее усовершенствование вычислительных машин – увеличение их быстродействия и объёма памяти, повышение надёжности, уменьшение габаритов и стоимости. Эти усовершенствования возможны только на основе новых достижений Ф.

Современная Ф. стоит у истоков революционных преобразований во всех областях техники. Она вносит решающий вклад в научно-техническую революцию (См. Научно-техническая революция).

О развитии Ф. в СССР см. раздел Физические науки. См. также статьи Физические журналы, Физические институты.

Лит.:История и методология науки. Энгельс Ф., Диалектика природы, М., 1975; Ленин В. И., Материализм и эмпириокритицизм, Полное собрание соч., 5 изд., т. 18; его же, Философские тетради, там же, т. 29; Дорфман Я. Г., Всемирная история физики с древнейших времен до конца XVIII века, М., 1974; Кудрявцев П. С., История физики, т. 1–3, М., 1956–71; Лауэ М., История физики, пер. с нем., М., 1956; Льоцци М., История физики, пер. с итал., М., 1970; Марков М. А., О природе материи, М., 1976.

Общая физика. Хайкин С. Э., Физические основы механики, 2 изд., М., 1971; Стрелков С. П., Механика, 3 изд., М., 1975; Ландсберг Г. С., Оптика, 5 изд., М., 1976; Кикоин А. К., Кикоин И. К., Молекулярная физика, 2 изд., М., 1976; Калашников С. Г., Электричество, 3 изд., М., 1970; Горелик Г. С., Колебания и волны. Введение в акустику, радиофизику и оптику, 2 изд., М., 1959; Борн М., Атомная физика, пер. с англ., 3 изд., М., 1970; Шпольский Э. В., Атомная физика, т. 1, 6 изд., т. 2, 4 изд., М., 1974; Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М., Фейнмановские лекции по физике, пер. с англ., в. 1–9, М., 1965–67; Берклеевский курс физики, т. 1–5, пер. с англ., М., 1971–74.

Теоретическая физика. Курс теоретической физики: Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., т. 1, Механика, 3 изд., М., 1973; т. 2, Теория поля, 6 изд., М., 1973; т. 3, Квантовая механика. Нерелятивистская теория, 3 изд., М., 1974; Берестецкий В. Б., Лифшиц Е. М., Питаевский Л. П., т. 4, ч. 1, Релятивистская квантовая теория, М., 1968; Лифшиц Е. М., Питаевский Л. П., т. 4, ч. 2, Релятивистская квантовая теория, М., 1971; Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., т. 5, ч. 1, Статистическая физика, 3 изд., М., 1976; их же, Механика сплошных сред, 2 изд., М., 1954; их же. Электродинамика сплошных сред, М., 1959; Голдстейн Г., Классическая механика, пер. с англ., 2 изд., М., 1975; Леонтович М. А., Введение в термодинамику, 2 изд., М. – Л., 1952; его же, Статистическая физика, М. – Л., 1944; Кубо Р., Термодинамика, пер. с англ., М., 1970; его же, Статистическая механика, пер. с англ., М., 1967; Тамм И. Е., Основы теории электричества, 9 изд., М., 1976; Борн М., Вольф Э., Основы оптики, пер. с англ., 2 изд., М., 1973; Давыдов А. С., Квантовая механика, 2 изд., М., 1973; Блохинцев Д. И,, Основы квантовой механики, 5 изд., М., 1976; Дирак П. А. М., Принципы квантовой механики, пер. с англ., М., 1960.

Монографии. Абрикосов А. А., Введение в теорию нормальных металлов, М., 1972; Андронов А. А., Витт А. А., Хайкин С. Э., Теория колебаний, 2 изд., М., 1959; Арцимович Л. А., Управляемые термоядерные реакции, 2 изд., М., 1963; Ахиезер А. И., Квантовая электродинамика, 1969; Бете Г., Зоммерфельд А., Электронная теория металлов, пер. с нем., Л. – М., 1938; Блохин М. А., Физика рентгеновских лучей, 2 изд., М., 1957; Боголюбов Н. Н., Проблемы динамической теории в статистической физике, М. – Л., 1946; Боголюбов Н. Н., Ширков Д. В., Введение в теорию квантованных полей, 3 изд., М., 1976; Бриллюэн Л., Наука и теория информации, пер. с англ., М., 1960; Вонсовский С. В., Магнетизм, М., 1971; Гиббс Д ж. В., Термодинамические работы, пер. с англ., М. – Л., 1950; его же, Основные принципы статистической механики, пер. с англ., М. – Л., 1946; Гинзбург В. Л., О физике и астрофизике, 2 изд., М., 1974; Ансельм А. И., Введение в теорию полупроводников, М. – Л., 1962; Ельяшевич М. А., Атомная и молекулярная спектроскопия, М., 1962; Зельдович Я. Б., Новиков И. Д., Теория тяготения и эволюция звезд, М., 1971; Зельдович Я. Б., Райзер Ю. П., Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений, 2 изд., М., 1966; Зоммерфельд А., Строение атома и спектры, пер. с нем., т. 1–2, М., 1956; Зубарев Д. Н., Неравновесная статистическая термодинамика, М., 1971; Капица П. Л., Эксперимент, теория, практика, М., 1974; Карслоу Г., Егер Д., Теплопроводность твердых тел, пер. с англ., М., 1964; Киттель Ч., Введение в физику твердого тела, пер. с англ., 2 изд., М., 1962; Лорентц Г. А., Теория электронов и ее применение к явлениям света и теплового излучения, пер. с англ., 2 изд., М., 1956; Лукьянов С. Ю., Горячая плазма и управляемый ядерный синтез, М., 1975; Нейман И., фон, Математические основы квантовой механики, пер. с нем., М., 1964; Окунь Л. Б., Слабое взаимодействие элементарных частиц, М., 1963; Скучик Е., Основы акустики, пер. с англ., т. 1–2, М., 1976; Стретт Дж. В. (Лорд Рэлей), Теория звука, т. 1–2, 2 изд., М., 1955; Фок В. А., Теория пространства, времени и тяготения, 2 изд., М., 1961; Френкель Я. И., Введение в теорию металлов, 3 изд., М., 1958; Эйнштейн А., Инфельд Л., Эволюция физики, пер. с англ., 3 изд., М., 1965.

Энциклопедии и справочники: Физический энциклопедический словарь, т. 1–5, М, 1960–66; Encyclopaedic Dictionary of Physics (ed. J. Thewlis), v. 1–9, Oxf. – N. Y., 1961–64; Яворский Б. М., Детлаф А. А., Справочник по физике для инженеров и студентов вузов, 6 изд., М., 1974.

А. М. Прохоров.

1. фи́зика;
2. фи́зики;
3. фи́зики;
4. фи́зик;
5. фи́зике;
6. фи́зикам;
7. фи́зику;
8. фи́зики;
9. фи́зикой;
10. фи́зикою;
11. фи́зиками;
12. фи́зике;
13. фи́зиках.

жен., греч. наука о природе, о законах и явлениях ее: обычно разумеют природу безорудную, мертвую. Физические силы природы, ·противоп. химические, а более органические; это: тяготенье тел, притяженье плоскостей, явления света, тепла, магнитной, электрической силы и пр. Физические силы человека, телесные, ·противоп. духовные, нравственные. Физическая география, наука о наружном, природном виде земли, ее образовании и естественных на ней явлениях. Физико-математический факультет университета, заключающий в себе эти две науки и вспомогательные к ним. Физик, ученый, занимающийся физикой. Физикат, врачебная управа в обеих столицах. Физиономия жен. лицо, лик, облик, рода, ·стар. рожай и рожей муж. черты и выраженье лица. Ни одной человеческой физиономии (нет фигур в картах). Физиономика, наука или искусство разгадывать по лицу и телу свойства и качества человека. Физионом, физиономик, физиономист муж. физиономистка жен. кто занимается физиономикой, изучает физиономические признаки. Физиография жен. описанье произведений природы. Физиология, наука о жизни орудных тел, в правильном, здоровом их состоянии. Фазиологические чтения, опыты. Физиолог, ученый, изучивший сей предмет.

ФИ́ЗИКА 2, -и и ФИ́ЗИЯ, -и, ж. (прост.). То же, что лицо (в 1 знач.).

ФИ́ЗИКА, -и, жен.

1. Одна из основных областей естествознания наука о свойствах и строении материи, о формах её движения и изменения, об общих закономерностях явлений природы. Теоретическая ф. Прикладная ф.

2. Сами такие свойства и строение, формы движения и изменения. Ф. твёрдого тела. Ф. плазмы. Ф. ядра.

| прил. физический, -ая, -ое.

II. ФИ́ЗИКА, -и и ФИЗИЯ, -и, жен. (прост.). То же, что лицо (в 1 знач.).

ФИ́ЗИКА 1, -и, ж.

1)

-и, ж.

Наука, изучающая общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи и законы ее движения.

Теоретическая физика.

|| чего.

Раздел этой науки, посвященный изучению строения и общих свойств какой-л. формы материи.

Физика атмосферы. Физика моря. Физика Земли. Физика элементарных частиц.

[греч. φυσική]

2)

-и, ж. прост. устар., шутл.

Лицо, физиономия.

В «Недоросле» Бобров играл Скотинина с неподражаемым совершенством, да и физика его вполне соответствовала этой роли. С. Аксаков, Я. Е. Шушерин.

[Досужев:] Надобно франта-то этого видеть, физику-то его посмотреть. А. Островский, Тяжелые дни.

I.

(иноск.) — физическое развитие; физическая сила

Ср. Этот господин пользуясь своею чрезмерною физикою, дозволил себе въехать мне в самую, так сказать, физиономию.

Маркевич. Иван Сусанин у мирового.

См. физиономия.

См. физия.

II.

См. физия

ФИ́ЗИКА, физики, жен. (греч. physike).

1. только ед. Основная наука естествознания о формах движения материи, ее свойствах и о явлениях неорганической природы, состоящая из ряда дисциплин (механика, термодинамика, оптика, акустика, электромагнетизм и т.д.). Теоретическая физика. Прикладная физика. Молекулярная физика.

2. Лицо, физиономия (прост. вульг.). «Он закричал: "Эй, гляди, математик, не добрались бы когда-нибудь за это до твоей физики".» Лесков.

I

1.

Научная дисциплина, изучающая наиболее общие свойства материального мира, свойства и строение материи, формы её движения и изменения.

2.

Учебный предмет, содержащий теоретические основы данной науки.

3.

Учебник, излагающий содержание данного учебного предмета.

II

Лицо человека; физиономия 1. (обычно с оттенком пренебрежительности).

ФИЗИКА (греч. ta physika - от physis - природа), наука о природе, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие свойства материального мира. По изучаемым объектам физика подразделяется на физику элементарных частиц, атомных ядер, атомов, молекул, твердого тела, плазмы и т. д. К основным разделам теоретической физики относятся: механика, электродинамика, оптика, термодинамика, статистическая физика, теория относительности, квантовая механика, квантовая теория поля. Физика начала развиваться еще до н. э. (Демокрит, Архимед и др.); в 17 в. создается классическая механика (И. Ньютон); к кон. 19 в. было в основном завершено формирование классической физики. В нач. 20 в. в физике происходит революция, она становится квантовой (М. Планк, Э. Резерфорд, Н. Бор). В 20-е гг. была разработана квантовая механика - последовательная теория движения микрочастиц (Л. де Бройль, Э. Шредингер, В. Гейзенберг, В. Паули, П. Дирак). Одновременно (в нач. 20 в.) появилось новое учение о пространстве и времени - теория относительности (А. Эйнштейн), физика делается релятивистской. Во 2-й пол. 20 в. происходит дальнейшее существенное преобразование физики, связанное с познанием структуры атомного ядра, свойств элементарных частиц (Э. Ферми, Р. Фейнман, М. Гелл-Ман и др.), конденсированных сред (Д. Бардин, Л. Д. Ландау, И. Н. Боголюбов и др.). Физика стала источником новых идей, преобразовавших современную технику: ядерная энергетика (Н. В. Курчатов), квантовая электроника (Н. Г. Басов, А. М. Прохоров и Ч. Таунс), микроэлектроника, радиолокация и др. возникли и развились в результате достижений физики.

ФИЗИКА (от греческого physis - природа), наука, изучающая строение, наиболее общие свойства материи и законы ее движения. В соответствии с изучаемым видом движения материальных объектов физика подразделяется на механику, электродинамику, оптику, относительности теорию, квантовую механику, квантовую теорию поля, термодинамику и статистическую физику; по характеру объектов различают физику элементарных частиц, физику ядер, атомов и молекул, физику газов, жидкостей и твердых тел, физику плазмы и т.п. Зарождение физики восходит к ранней античности [Демокрит, Аристотель, Лукреций Кар, Архимед (5 - 1 вв. до нашей эры]. Физика как наука начала складываться в 16 - 18 вв. в трудах создателей классической механики Г. Галилея, И. Ньютона и др. В конце 18 - середине 19 вв. были изучены электрические и магнитные явления (М. Фарадей, Х. Эрстед, А. Ампер), что завершилось созданием классической электродинамики (Дж. Максвелл) и на ее основе - электромагнитной теории света (Г. Герц). В середине 19 в. в результате анализа действия тепловых машин (С. Карно) и других тепловых явлений (Р. Майер, Дж. Джоуль, Г. Гельмгольц) были заложены основы термодинамики; в конце 19 в. микроскопический анализ физических систем с большим числом частиц привел к созданию статистической физики (Л. Больцман, Дж. Гиббс). На рубеже 19 и 20 вв. был обнаружен ряд явлений (дискретность атомных спектров, радиоактивность и законы теплового излучения), необъяснимых в рамках так называемой классической физики и положивших начало новому этапу в физике. В начале 20 в. были сформулированы основные положения квантовой физики (М. Планк, Э. Резерфорд, Н. Бор). В 20-х годах обнаружены волновые свойства микрочастиц и сформулированы основы квантовой механики (Л. де Бройль, Э. Шредингер, В. Гейзенберг), а также получила развитие теория гравитации на основе обобщения ранее созданной А. Эйнштейном (1905) теории относительности. К середине 20 в. относится овладение ядерной энергией, достигнуты значительные успехи в области физики элементарных частиц и физики твердого тела - создан транзистор (Дж. Бардин) и установлена физическая природа явлений сверхтекучести (П.Л. Капица, Л.Д. Ландау) и сверхпроводимости; получила развитие квантовая электроника (в том числе созданы лазеры). К числу наиболее актуальных проблем современной физики относятся, например, завершение теорий Великого объединения и Большого взрыва, а в практической области - разработка и применение высокотемпературных сверхпроводников. Физика лежит в основе радио, телевидения, электроэнергетики, техники связи и вычислительной техники, металлургии, разведки полезных ископаемых, осуществления космических полетов и др. Достижения физики оказывают существенное воздействие на развитие современной цивилизации в целом, например: создание ядерного оружия поставило под угрозу само существование человечества, но овладение ядерной энергетикой, прежде всего решение проблемы управляемого термоядерного синтеза, ведет к обеспечению человечества практически неограниченным источником энергии.

I фи́зика I, уже у Ф. Прокоповича; см. Смирнов 307. Через польск. fizyka из лат. рhуsiса "наука о природе" от греч. τὰ φυσικά или φυσικη (ἑπιστήμη) от φύσις "природа".II фи́зика II "рожа, физиономия" (Лесков). Преобразование в семинаристском жаргоне слова физионо́мия под влиянием фи́зика I; ср. физиомо́рдия.

жен. physics физика низких температур ≈ cryogenics термоядерная физика электронная физика ядерная физикаж. physics;
ядерная ~ nuclear physics.

f.physics

физика ж Physik f

ж

Physik f

ж.

physique f

ядерная физика — physique nucléaire

ж.

física f

прикладна́я фи́зика — física aplicada

ж.

fisica

прикладная / теоретическая физика — fisica applicata / teorica

химическая физика — fisica chimica, fisiochimica

ядерная физика — fisica nucleare

ФИЗИКА

наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности явлений природы, св-ва и строение материи и законы её движения. Понятия Ф. и её законы лежат в основе всего естествознания. Ф. относится к точным наукам и изучает количеств. закономерности явлений.

Слово «Ф.» происходит от греч. physis — природа. В эпоху античной культуры наука охватывала всю совокупность знаний о природных явлениях. По мере дифференциации знаний и методов исследований из неё выделились отд. науки, в т. ч. и Ф. Границы, отделяющие Ф. от др. естеств. наук, в значит. мере условны и меняются с течением времени.

Ф.— эксперим. наука: её законы базируются на фактах, установленных опытным путём. Законы Ф. представляют собой количеств. соотношения и формулируются на матем. языке. Различают экспериментальную Ф.— опыты, проводимые для обнаружения новых фактов и проверки известных физ. законов, и теоретическую Ф., цель к-рой состоит в формулировке законов природы и объяснении конкретных явлений на основе этих законов, а также в предсказании новых явлений. При изучении любого явления опыт и теория в равной мере необходимы и взаимосвязаны.

В соответствии с многообразием исследуемых объектов и форм движения материи Ф. подразделяется на ряд дисциплин (разделов), в той или иной мере связанных друг с другом; это деление не однозначно, и его можно проводить, руководствуясь разл. критериями. По изучаемым объектам Ф. делится на Ф. элем. ч-ц, Ф. ядра, Ф. атомов и молекул, Ф. газов и жидкостей, Ф. тв. тела, Ф. плазмы. Др. критерий — изучаемые процессы или формы движения материи. Соответственно в Ф. выделяют: механику материальной точки и тв. тела, механику сплошных сред (включая акустику), термодинамику и статистич. механику, электродинамику (включая оптику), теорию тяготения, квант. механику и квант. теорию поля. Указанные разделы Ф. частично перекрываются вследствие глубокой внутр. взаимосвязи между объектами материального мира и процессами, в к-рых они участвуют. По целям исследования выделяют также прикладную Ф. (напр., прикладная оптика).

Особо выделяют в Ф. учение о колебаниях и волнах, что обусловлено общностью закономерностей колебат. процессов разл. физ. природы и методов их исследования. Здесь рассматриваются механич., акустич., электрич. и оптич колебания и волны с единой точки зрения.

Совр. Ф. содержит небольшое число фундам. физ. теорий, охватывающих все разделы Ф. Эти теории представляют собой квинтэссенцию знаний о характере физ. процессов и явлений, приближённое, но наиболее полное отображение разл. форм движения материи.

Основные этапы развития физики

Физ. явления издавна привлекали внимание людей. В 6 в. до н. э.— 2 в. н. э. впервые зародились идеи об ат. строении в-ва (Демокрит, Эпикур, Лукреций), была разработана геоцентрич. система мира (Птолемей), установлены простейшие законы статики (правило рычага), открыты закон прямолинейного распространения и закон отражения света, сформулированы начала гидростатики (закон Архимеда), наблюдались простейшие проявления электричества и магнетизма. Итог приобретённых знаний в 4 в. до н. э. был подведён Аристотелем. Признавая значение опыта, Аристотель не считал его гл. критерием достоверности знания, отдавая предпочтение умозрит. представлениям. В средние века учение Аристотеля было канонизировано церковью, что надолго затормозило развитие науки.

Развитие Ф. как науки в совр. смысле этого слова началось в 17 в. и связано в первую очередь с именем итал. учёного Г. Галилея, к-рый понял необходимость матем. описания движения. Он показал, что воздействие на данное тело окружающих тел определяет не скорость, как считалось в учении Аристотеля, а ускорение тела. Это утверждение — первая формулировка закона инерции. Галилей открыл принцип относительности в механике, доказал независимость ускорения свободного падения тел от их плотности и массы, обосновывал теорию Коперника и получил значит. результаты в астрономии, в изучении оптич., тепловых и др. явлений. Ученик Галилея итал. учёный Э. Торричелли установил существование атм. давления и создал первый барометр. Англ. учёный Р. Бойль и франц. учёный Э. Мариотт исследовали упругость газов и сформулировали первый газовый закон, носящий их имя. Голл. учёный В. Снелль и франц. учёный Р. Декарт открыли закон преломления света, был создан микроскоп. В 1600 англ. учёный У. Гильберт разграничил электрич. и магн. явления и доказал, что Земля — гигантский магнит.

Осн. достижение Ф. 17 в.— создание классич. механики; И. Ньютон в труде «Математические начала натуральной философии» (1687) сформулировал все осн. законы этой науки (см. НЬЮТОНА ЗАКОНЫ МЕХАНИКИ). С появлением механики Ньютона было окончательно понято, что задача науки состоит в отыскании наиболее общих количественно формулируемых законов природы. Фундам. значение имело введение Ньютоном понятия состояния, к-рое стало одним из осн. для всех физ. теорий. Состояния систем тел в механике полностью определяются координатами и импульсами тел системы. Если известны силы вз-ствия тел, а также значения координат и импульсов в нач. момент времени, то из ур-ния движения (второй закон Ньютона) можно однозначно установить значения координат и импульсов в любой последующий момент.

Исходя из законов движения планет, установленных И. Кеплером, Ньютон открыл закон всемирного тяготения, с помощью к-рого удалось с замечат. точностью рассчитать движение Луны, планет и комет, объяснить приливы и отливы в океане. Им были впервые чётко сформулированы классич. представления об абсолютном пр-ве как вместилище материи, не зависящем от её св-в и движения, и абсолютном равномерно текущем времени. Вплоть до создания теории относительности эти представления не претерпели изменений. В это же время голл. учёный X. Гюйгенс и нем. учёный Г. Лейбниц сформулировали закон сохранения кол-ва движения; Гюйгенс создал теорию физ. маятника, построил часы с маятником. Началось развитие физ. акустики.

Со 2-й пол. 17 в. быстро развивается геом. оптика применительно к конструированию телескопов и др. оптич. приборов. Были заложены и основы физ. оптики: итал. физик Ф. Гримальди открыл дифракцию света, а Ньютон провёл фундам. исследования дисперсии света. В 1676 дат. астроном О. К. Рёмер впервые измерил скорость света. Почти одновременно возникли и начали развиваться корпускулярная и волновая теории света (см. ОПТИКА).

В работах Л. Эйлера и др. учёных была разработана динамика абсолютно тв. тела. Параллельно с развитием механики ч-ц и тв. тела шло развитие механики жидкости и газа. Трудами швейц. учёного Д. Бернулли, Эйлера, франц. учёного Ж. Лагранжа и др. в 1-й пол. 18 в. были заложены основы гидродинамики идеальной жидкости. В «Аналитической механике» (1788) Лагранжа ур-ния механики представлены в столь обобщённой форме, что в дальнейшем их удалось применить и к немеханическим, в частности эл.-магн., процессам. Была создана единая механич. картина мира, согласно к-рой всё богатство и многообразие мира — результат различия движения ч-ц (атомов), слагающих тела, движения, подчиняющегося законам Ньютона. Объяснение физ. явления считалось науч. и полным, если его удавалось свести к действию законов механики.

В др. областях Ф. происходило накопление опытных данных и формулировались простейшие эксперим. законы. Франц. физик Ш. Ф. Дюфе открыл существование двух родов электричества и установил характер их вз-ствия. Амер. учёный Б. Франклин установил закон сохранения электрич. заряда. Англ. учёный Г. Кавендиш и независимо франц. физик Ш. Кулон открыли осн. закон электростатики, определяющий силу вз-ствия неподвижных электрич. зарядов (Кулона закон). Трудами франц. учёного П. Бугера и нем. учёного И. Ламберта начала создаваться фотометрия. Было открыто инфракрасное (англ. учёные В. Гершель и У. Волластон) и ультрафиолетовое (нем. учёный И. Риттер, Волластон) излучения.

Заметный прогресс произошёл в исследовании тепловых явлений; было сформулировано понятие теплоёмкости, начато изучение теплопроводности и теплового излучения. Трудами М. В. Ломоносова, Бойля, англ. физика Р. Гука, Бернулли и др. были заложены основы мол.-кинетич. теории теплоты.

В нач. 19 в. борьба между корпускулярной и волн. теориями света завершилась победой волн. теории. Этому способствовало успешное объяснение англ. учёным Т. Юнгом и франц. учёным О. Ж. Френелем явления интерференции и дифракции света с помощью волн. теории. Было получено решающее доказательство поперечности световых волн (Френель, франц. учёный Д. Ф. Араго, Юнг). Рассматривая свет как поперечные волны в упругой среде (эфире), Френель установил количеств. закон, определяющий интенсивность преломлённых и отражённых световых волн.

Большое значение для развития Ф. имело открытие итал. учёными Л. Гальвани и А. Вольтой электрич. тока и создание гальванич. батарей. Было исследовано хим. действие тока (англ. учёные Г. Дэви, М. Фарадей), получена электрич. дуга (В. В. Петров). Открытие дат. физиком X. К. Эрстедом (1820) действия электрич. тока на магн. стрелку доказало связь между электрич. и магн. явлениями. В том же году франц. физик А. М. Ампер пришёл к выводу, что все магн. явления обусловлены движущимися заряж. ч-цами — электрич, током, и экспериментально установил закон, определяющий силу вз-ствия электрич. токов (Ампера закон). В 1831 Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. Ранее Фарадей высказал гипотезу, согласно к-рой эл.-магн. вз-ствия осуществляются посредством промежуточного агента — эл.-магн. поля. Это послужило началом формирования новой науки о св-вах и законах поведения особой формы материи — эл.-магн. поля.

К 1-й пол. 19 в. были накоплены фактич. данные о макроскопич. св-вах тв. тел и установлены эмпирич. законы поведения тв. тела под влиянием механич. сил, темп-ры, электрич. и магн. полей, света и др. Исследование упругих св-в привело к открытию Гука закона (1660), электропроводности металлов — к установлению Ома закона (1826), тепловых св-в — закона теплоёмкостей (Дюлонга и Пти закона). Были открыты осн. магн. св-ва тв. тел, построена общая теория упругих св-в тв. тел (франц. учёные Л. М. Навье, О. Л. Коши).

Важнейшее значение для Ф. и всего естествознания имело открытие (нем. учёные Ю. Р. Майер, Г. Гельмгольц, англ. физик Дж. Джоуль) закона сохранения энергии, связавшего воедино все явления природы. В сер. 19 в. опытным путём была доказана эквивалентность кол-ва теплоты и работы и т. о. установлено, что теплота представляет собой особую форму энергии. Закон сохранения энергии стал осн. законом теории тепловых явлений (термодинамики) и получил название первого начала термодинамики. Фундам. закон теории теплоты — второе начало термодинамики — был сформулирован нем. физиком Р. Клаузиусом в 1850 (на основе результатов, полученных франц. учёным С. Карно в 1824) и англ. физиком У. Томсоном в 1851. Он является обобщением опытных данных, свидетельствующих о необратимости процессов в природе, и определяет направление возможных энергетических превращений. Значит. роль в построении термодинамики сыграли исследования франц. учёного Ж. Л. Гей-Люссака, на основе к-рых франц. физиком Б. Клапейроном было установлено ур-ние состояния идеальных газов, обобщённое в дальнейшем Д. И. Менделеевым.

Одновременно с развитием термодинамики развивалась и мол.-кинетич, теория тепловых процессов; были открыты физ. законы нового типа — статистические, в к-рых все связи между физ. величинами носят вероятностный характер. В 1859 англ. физик Дж. Максвелл, впервые введя в Ф. понятие вероятности, нашёл закон распределения молекул по скоростям (Максвелла распределение). Возможности мол.-кинетич. теории необычайно расширились, что привело в дальнейшем к созданию статистич. механики. Австр. физик Л. Больцман построил кинетическую теорию газов и дал статистич. обоснование законов термодинамики. Осн. проблема, к-рую удалось в значит. степени решить Больцману, заключается в согласовании обратимого во времени движения молекул с очевидной необратимостью макроскопич. процессов. Большое значение имела доказанная им теорема о равномерном распределении ср. кинетич. энергии по степеням свободы. Классич. статистич. механика была завершена в работах амер. физика Дж. У. Гиббса (1902), создавшего метод расчёта ф-ции распределения для любых систем в состоянии термодинамич. равновесия. Всеобщее признание статистич. механика получила в 20 в. после создания А. Эйнштейном и польск. физиком М. Смолуховским (1905—06) на основе мол.-кинетической теории количеств. теории броуновского движения, подтверждённой опытами франц. физика Ж. Б. Перрена.

Во 2-й пол. 19 в. процесс изучения эл.-магн. явлений завершился созданием Максвеллом классич., электродинамики. В своей осн. работе «Трактат об электричестве и магнетизме» (1873) он установил ур-ния для эл.-магн. поля (носящие его имя), к-рые объясняли все известные в то время факты с единой точки зрения и позволяли предсказывать новые явления. Эл.-магн. индукцию Максвелл интерпретировал как процесс порождения перем. магн. полем вихревого электрич. поля. Затем он предсказал обратный эффект — порождение магн. поля перем. электрич. полем (ток смещения). Важнейшим результатом теории Максвелла был вывод о конечности скорости распространения эл.-магн. вз-ствий, равной скорости света. Эксперим. обнаружение эл.-магн. волн нем. физиком Г. Герцем (1886—89) подтвердило справедливость этого вывода. Из теории Максвелла вытекало, что свет имеет эл.-магн. природу. Тем самым оптика стала одним из разделов электродинамики. В 1899 П. Н. Лебедев экспериментально обнаружил и измерил давление света, предсказанное теорией Максвелла. В 1895 А. С. Попов впервые использовал эл.-магн. волны для беспроволочной связи.

В 1859 трудами нем. учёных Г. Кирхгофа и Р. Бунзена заложены основы спектрального анализа. Продолжалось развитие механики сплошных сред. В акустике была разработана теория упругих колебаний и волн (Гельмгольц, англ. физик Рэлей). Возникла техника получения низких темп-р. Были получены в жидком состоянии все газы, кроме гелия. В 1908 голл. физику X. Камерлинг-Оннесу удалось ожижить и гелий.

Новый этап в развитии Ф. связан с открытием англ. физиком Дж. Томсоном в 1897 эл-на. Выяснилось, что атомы не элементарны, а представляют собой сложные системы, в состав к-рых входят эл-ны. В кон. 19 — нач. 20 вв. голл. физик X. А. Лоренц заложил основы электронной теории. Им были сформулированы ур-ния, описывающие элем. эл.-магн. процессы (Лоренца — Максвелла уравнения), к-рые связывают движение отд. заряж. ч-ц с создаваемым ими эл.-магн. полем. Электронная теория Лоренца дала возможность рассчитывать значения эл.-магн. хар-к в-ва в зависимости от частоты, темп-ры и т. д.

В нач. 20 в. стало ясно, что электродинамика требует коренного пересмотра представлений о пр-ве и времени, лежащих в основе классич. механики Ньютона. В 1905 Эйнштейн создал частную (специальную) относительности теорию — новое учение о пр-ве и времени. Эта теория исторически была подготовлена трудами Лоренца и франц. учёного А. Пуанкаре. Частная теория относительности показала, что свести эл.-магн. процессы к механич. процессам в гипотетической среде (эфире) невозможно. Стало ясно, что эл.-магн. поле представляет собой особую форму материи, поведение к-рой не подчиняется законам механики. В 1916 Эйнштейн построил общую теорию относительности — физ. теорию пр-ва, временя я тяготения. Эта теория ознаменовала новый этап в развитии теории тяготения.

На рубеже 19—20 вв. было положено начало величайшей революции в области Ф., связанной с возникновением и развитием квант. теории. В кон. 19 в. выяснилось, что распределение энергии теплового излучения по спектру, выведенное из закона классич. статистич. Ф. о равномерном распределении энергии по степеням свободы, противоречит опыту. Выход был найден в 1900 нем. физиком М. Планком, показавшим, что результаты теории согласуются с опытом, если предположить, что атом испускает эл.-магн. энергию не непрерывно, а отд. порциями — квантами. Энергия каждого такого кванта прямо пропорциональна частоте, а коэфф. пропорциональности явл. квант действия h=6,626
• 10-34 Дж
• с, получивший впоследствии назв. постоянной Планка.

В 1905 Эйнштейн развил гипотезу Планка, предположив, что излучаемая порция эл.-магн. энергии поглощается также только целиком, т. е. ведёт себя подобно ч-це (позднее она была назв. фотоном). На основе этой гипотезы Эйнштейн объяснил закономерности фотоэффекта, не укладывающиеся в рамки классич. электродинамики. Т. о., на новом качеств. уровне была возрождена корпускулярная теория света. Свет ведёт себя подобно потоку ч-ц; но одновременно ему присущи и волн. св-ва (дифракция, интерференция). Следовательно, несовместимые с точки зрения классич. Ф. волн. и корпускулярные св-ва присущи свету в равной мере (дуализм света). «Квантование» излучения приводило к выводу, что энергия внутриатомных движений также изменяется только скачкообразно (дат. физик Н. Бор, 1913). К этому времени англ. физик Э. Резерфорд исследовал рассеяние альфа-частиц в-вом и на основе результатов эксперимента установил существование ат. ядра и построил планетарную модель атома. Однако, согласно электродинамике Максвелла, такой атом неустойчив: эл-ны, двигаясь по круговым (эллиптическим) орбитам, испытывают ускорение, а следовательно, должны непрерывно излучать эл.-магн. волны, терять энергию и, постепенно приближаясь к ядру, за время =10-8 с упасть на ядро. Планетарная модель атома в рамках классич. Ф. приводила к неустойчивости атомов, а их линейчатые спектры оставались необъяснимыми. Для решения этой проблемы Бор постулировал существование в атомах стационарных состояний, находясь в к-рых эл-н не излучает. При переходе из одного такого состояния в другое он может испускать или поглощать энергию. Дискретность энергии атома была подтверждена экспериментально (Франка — Герца опыт, 913—14). Бор построил для атома водорода количеств. теорию спектров, согласующуюся с опытом.

Представление о кристалле как о совокупности атомов, упорядоченно расположенных в пр-ве и удерживаемых в положении равновесия силами вз-ствия, окончательно сформировалось в нач. 20 в. В 1890—91 Е. С. Фёдоров заложил основы теор. кристаллографии. В 1912 нем. физик М. Лауэ с сотрудниками открыл дифракцию рентг. лучей на кристаллах. На основе этого открытия был разработан метод эксперим. определения расположения атомов в кристалле и измерения межатомных расстояний, что положило начало рентгеновскому структурному анализу (Г. В. Вульф и англ. физики У. Л. Брэгг и У. Г. Брэгг). В 1907—14 была разработана динамич. теория крист. решёток, уже существенно учитывающая квант. представления. В 1907 Эйнштейн на модели кристалла как совокупности квант. гармонич. осцилляторов одинаковой частоты объяснил наблюдаемое падение теплоёмкости тв. тел при понижении темп-ры. Динамич. теория крист. решётки как совокупности гармонич. осцилляторов разл. частот была построена голл. физиком П. Дебаем (1912), нем. физиком М. Борном и амер. учёным Т. Карманом (1913), австр. физиком Э. Шрёдингером (1914) в форме, близкой к современной. Новый этап развития Ф. тв. тела начался после создания квант. механики.

Созданный Бором первый вариант квант. теории атома был внутренне противоречивым: используя для описания движения эл-нов законы механики Ньютона, Бор в то же время накладывал на возможные движения эл-нов квант. ограничения, чуждые классич. механике. Достоверно установленная дискретность действия и её количеств. мера постоянная Планка h — универсальная мировая постоянная, играющая роль естеств. масштаба явлений природы, требовали радикальной перестройки механики и электродинамики. Классич. законы оказались справедливыми лишь при рассмотрении тел достаточно большой массы, для к-рых величина действия велика по сравнению с h и дискретностью действия можно пренебречь.

В 20-е гг. 20 в. была создана квант., или волновая, механика — последовательная, логически завершённая нерелятивистская теория движения микрочастиц, к-рая позволила также объяснить мн. св-ва макроскопич. тел и происходящие в них явления. В основу её легли идея квантования Планка — Эйнштейна — Бора и выдвинутая в 1923 франц. физиком Л. де Бройлем гипотеза о двойственной корпускулярно-волновой природе любых видов материи. В 1927 впервые была обнаружена дифракция эл-нов (а позднее и др. микрочастиц, включая молекулы), экспериментально подтвердившая наличие у них волновых св-в. В 1926 Шрёдингер, пытаясь получить дискр. значения энергии атома из ур-ния волн. типа, сформулировал осн. ур-ние квант. механики, назв. его именем. В. Гейзенберг и Борн (Германия, 1925) построили квант. механику в др. матем. форме — т. н. матричную механику. Состояние микрообъекта в квант. механике характеризуется волновой ф-цией, эволюция к-рой определяется ур-нием Шрёдингера. Волновая ф-ция имеет статистич. смысл (Борн, 1926): квадрат её модуля есть плотность вероятности обнаружения ч-цы в данный момент времени в определ. точке пр-ва.

В 1925 амер. физики Дж. Ю. Уленбек и С. А. Гаудсмит на основании спектроскопич. данных открыли существование у эл-на собств. момента кол-ва движения — спина (а следовательно, и связанного с ним спинового магн. момента). Швейц. физик В. Паули записал ур-ние движения нерелятивистского эл-на во внеш. эл. магн. поле с учётом вз-ствия спинового магн. момента эл-на с магн. полем. В 1925 он же сформулировал т. н. принцип запрета (Паули принцип), согласно к-рому в одном квант. состоянии не может находиться более одного эл-на. Этот принцип сыграл важную роль в построении квант. теории систем мн. одинаковых ч-ц, в частности объяснил закономерности заполнения эл-нами оболочек и слоев в многоэлектронных атомах и т. о. дал теор. объяснение периодич. системе элементов Менделеева.

В 1928 англ. физик П. Дирак получил квант. релятив. ур-ние движения эл-на (Дирака уравнение), из к-рого естественно вытекало наличие у эл-на спина. На основании этого ур-ния Дирак в 1931 предсказал существование позитрона — первой античастицы, открытой в 1932 амер. физиком К. Д. Андерсоном в косм. лучах (антипротон и антинейтрон были экспериментально открыты соответственно в 1955 и 1956).

Параллельно с квант. механикой развивалась квант. статистика — квант. теория поведения физ. систем, состоящих из огромного числа микрочастиц. В 1924 инд. физик Ш. Бозе, применив принцип квант. статистики к фотонам (их спин равен 1), вывел ф-лу Планка для распределения энергии в спектре равновесного излучения, а Эйнштейн — ф-лу распределения энергии для идеального газа молекул (Бозе — Эйнштейна статистика). В 1926 Дирак и итал. физик Э. Ферми показали, что совокупность эл-нов (и др. одинаковых ч-ц со спином 1/2), для к-рых справедлив принцип Паули, подчиняется др. статистич. законам (Ферми — Дирака статистике). В 1940 Паули теоретически установил связь спина со статистикой. Квант. статистика сыграла важную роль в развитии Ф. конденсированных сред и в первую очередь Ф. тв. тела. В 1929 И. Е. Тамм предложил рассматривать тепловые колебания атомов кристалла как совокупность квазичастиц — фононов. Такой подход позволил объяснить, в частности, спад теплоёмкости металлов (= Т3) с понижением темп-ры Т в области низких темп-р, а также показал, что осн. причина электрич. сопротивления металлов — рассеяние эл-нов на фононах. Позднее были введены др. квазичастицы. Метод квазичастиц оказался весьма эффективным в Ф. конденсированных сред.

В 1928 нем. физик А. Зоммерфельд применил ф-цию распределения Ферми — Дирака для описания процессов переноса в металлах, что создало основу для дальнейшего развития квант. теории электро- и теплопроводности, термоэлектрич., гальваномагн. и др. кинетич. явлений в тв. телах. В работах Ф. Блоха и X. А. Бете в Германии и Л. Бриллюэна во Франции 1928—34) была разработана зонная теория энергетич. структуры кристаллов, к-рая дала естеств. объяснение различию в электрич. св-вах металлов и диэлектриков.

В 1928 Я. И. Френкель и Гейзенберг показали, что в основе ферромагнетизма лежит квант. обменное взаимодействие; в 1932—33 франц. физик Л. Неель и независимо Л. Д. Ландау предсказали антиферромагнетизм.

Открытия сверхпроводимости Камерлинг-Оннесом (1911) и сверхтекучести П. Л. Капицей (1938) стимулировали развитие новых методов в квант. статистике. Феноменологич. теория сверхтекучести была построена Ландау (1941); дальнейшим шагом явилась феноменологич. теория сверхпроводимости Ландау и В. Л. Гинзбурга (1950). В 50-х гг. были развиты новые методы расчёта в статистич. квант. теории многочастичных систем, одним из наиболее ярких достижений к-рых явилось создание Дж. Бардином, Л. Купером и Дж. Шриффером (США) и Н. Н. Боголюбовым микроскопич. теории сверхпроводимости.

На основе квант. теории вынужденного излучения, созданной Эйнштейном в 1917, в 50-х гг. возникла новая область радиофизики — квантовая электроника. Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым (и независимо Ч. Таунсом, США) осуществлены генерация и усиление эл.-магн. волн с помощью построенного ими мазера. В 60-х гг. был создан квант. генератор света — лазер.

Во 2-й четв. 20 в. происходило дальнейшее революц. преобразование Ф., связанное с познанием структуры ат. ядра и происходящих в нём процессов, а также с созданием Ф. элем. ч-ц. Открытию Резерфордом ат. ядра предшествовало открытие радиоактивности (А. Беккерель, П. и М. Кюри, Франция). В 1903 Резерфорд и Ф. Содди (Великобритания) объяснили радиоактивность как самопроизвольное превращение элементов, сопровождающееся излучением заряж. ч-ц. В 1919 Резерфорд, продолжая опыты по рассеянию альфа-частиц, добился превращения ядер азота в ядра кислорода. Открытие нейтрона в 1932 англ. физиком Дж. Чедвиком привели к созданию совр. протонно-нейтронной модели ядра (Д. Д. Иваненко, Гейзенберг). В 1934 франц. физики И. и Ф. Жолио-Кюри открыли искусств. радиоактивность.

Создание ускорителей заряженных ч-ц позволило изучать разл. яд. реакции. Важнейшим результатом этого этапа явилось открытие деления ат. ядра. В 1939—45 была впервые освобождена яд. энергия с помощью цепной реакции деления 235U. Впервые яд. энергия в мирных целях была использована в СССР. В 1954 в СССР была построена первая ат. электростанция (г. Обнинск). В 1952 была осуществлена реакция термоядерного синтеза (термоядерный взрыв). Одновременно с Ф. ат. ядра с 30-х гг. 20 в. начала быстро развиваться Ф. элем. ч-ц. Первые большие успехи в этой области были связаны с исследованием косм. лучей. Были открыты мюоны, p-мезоны, К-мезоны, первые гипероны. После создания ускорителей заряж. ч-ц на высокие энергии началось планомерное изучение элем. ч-ц, их св-в и вз-ствий. Было экспериментально доказано существование двух типов нейтрино и открыто много новых элем. ч-ц, в т. ч. крайне нестабильные ч-цы — резонансы. Обнаружена универсальная взаимопревращаемость элем. ч-ц.

Успехи теоретической и экспериментальной физики

Квантовая теория поля (КТП) — закономерный этап в развитии физ. теории — распространила квант. принципы на системы с бесконечным числом степеней свободы. Первоначально КТП была построена применительно к вз-ствию эл-нов, позитронов и фотонов (квантовая электродинамика, 1929). Вз-ствие между заряж. ч-цами, согласно этой теории, осуществляется путём обмена фотонами. Несмотря на то, что все выводы теории находятся в полном согласии с опытом, она встретила ряд трудностей. Так, теор. значения масс и зарядов ч-ц получаются бесконечно большими. Чтобы избежать противоречий, используют технику перенормировок, заключающуюся в том, что бесконечно большие в теории значения масс и зарядов ч-ц заменяются их наблюдаемыми значениями.

Идеи, положенные в основу квант. электродинамики, были использованы для описания процессов b-распада радиоактивных ат. ядер с помощью нового типа вз-ствия, назв. слабым взаимодействием.

Дальнейшим плодотворным применением идей КТП явилась гипотеза о том, что вз-ствие между нуклонами (протонами и нейтронами) возникает вследствие обмена мезонами. Короткодействующий хар-р яд. сил объясняется наличием у мезонов сравнительно большой массы покоя. Мезоны с предсказанными св-вами (пи-мезоны) были обнаружены в 1947. Вз-ствие их с нуклонами оказалось частным случаем сильных взаимодействий. Трудности сильных вз-ствий связаны с тем, что из-за большой константы связи приближённые методы теории возмущений оказываются здесь неприменимыми.

В кон. 60-х гг. была построена перенормируемая теория слабых вз-ствий. Успех был достигнут на основе т. н. калибровочных теорий. Создана объединённая модель слабых и эл.-магн. вз-ствий, согласно к-рой, наряду с фотоном — переносчиком эл.-магн. вз-ствий, должны существовать переносчики слабых вз-ствий — промежуточные векторные бозоны с массами в неск. десятков протонных масс. Наряду с заряженными (W+ и W-) бозонами должны существовать и нейтральные (Z°). В 1973 впервые экспериментально наблюдались процессы, к-рые можно объяснить существованием нейтральных бозонов (нейтральные токи), а в 1983 все эти бозоны были экспериментально обнаружены.

Большие успехи достигнуты в систематике сильно взаимодействующих ч-ц (адронов), позволившие предсказать существование неск. элем. ч-ц, открытых позднее экспериментально. Систематику адронов можно сделать наглядной, если предположить, что все адроны «построены» из небольшого числа (в первоначальном варианте из трёх) фундам. ч-ц — кварков с дробными электрич. зарядами и соответствующих антикварков. Открытие в 1975—76 нового класса ч-ц (J/y-мезонов) потребовало введения ещё одного кварка. Сделаны попытки построения теории сильных вз-ствий с учётом новых эксперим. данных (см. КВАНТОВАЯ ХРОМОДИНАМИКА).

Существ. черта совр. эксперим. Ф.— неизмеримо возросшая роль измерит. и вычислит. техники. Совр. эксперим. исследования в области ядра и элем. ч-ц, радиоастрономии, квант. электроники и Ф. тв. тела обычно ведутся на больших установках и требуют значительных материальных затрат. Огромную роль в развитии яд. Ф. и Ф. элем. ч-ц сыграли разработка методов наблюдения и регистрации отд. актов превращений элем. ч-ц и создание ускорителей элем. ч-ц, положившее начало развитию Ф. высоких энергий.

Подлинная революция в эксперим. исследовании вз-ствий элем. ч-ц связана с применением ЭВМ для обработки информации, получаемой от регистрирующих устройств. Это позволило фиксировать крайне редкие процессы и анализировать десятки тысяч фотографий треков элем. ч-ц.

Развитие радиофизики получило новое направление после создания в 1939—45 радиолокац. устройств. Были сооружены гигантские радиотелескопы, улавливающие излучение косм. тел с ничтожно малой спектральной плотностью потока энергии (до =10-2 эрг
• см-2с-2 Гц-1), открыты с их помощью радиозвёзды и радиогалактики с мощным радиоизлучением, а в 1963 — наиболее удалённые от нас квазизвёздные объекты с большой светимостью — квазары. Исследование радиоизлучения небесных тел помогло установить источники первичных косм. лучей (протонов, более тяжёлых ядер и эл-нов). Ими оказались вспышки сверхновых звёзд. Было открыто реликтовое излучение, существование к-рого вытекало из модели горячей Вселенной. В 1967 открыты пульсары — быстро вращающиеся нейтронные звёзды. Пульсары создают направленное излучение в радио-, видимом и рентг. диапазонах. Интенсивность этого излучения периодически меняется за доли секунды из-за вращения звёзд.

Развитие традиц. направлений Ф. тв. тела привело к неожиданным открытиям новых физ. явлений и материалов с существенно новыми св-вами.

Успехи Ф. полупроводников совершили переворот в технике и радиотехнике. С заменой электровакуумных ламп полупроводниковыми приборами повысилась надёжность радиотехн. устройств и ЭВМ, существенно уменьшилась потребляемая ими мощность. Появились интегральные схемы, сочетающие на одном небольшом (площадью в десятки мм2) кристалле тысячи и более электронных элементов. Небольшие ЭВМ изготовляются на одном кристалле.

Большое значение как для самой науки, так и для практич. применений имеют результаты, полученные при исследовании в-ва в экстремальных условиях: при очень низких или очень высоких темп-рах, сверхвысоких давлениях или глубоком вакууме, сверхсильных магн. полях и т. д.

Основные нерешённые проблемы физики

Физика элементарных частиц. Наиболее фундам. проблемой Ф. было и остаётся исследование материи на уровне элем. ч-ц. Ещё далеко не все положения новых теорий получили прямое эксперим. подтверждение. Остаётся нерешённым вопрос о возможности существования кварков и мюонов (ч-ц, осуществляющих связь между кварками) в свободном состоянии.

Не удалось достигнуть б. или м. завершённого теоретич. обобщения обширного эксперим. материала с единой точки зрения. Не решена задача о теор. определении спектра масс элем. ч-ц. Неясно, существует ли верхняя граница для масс кварков и др. фундам. ч-ц. Не создана непротиворечивая теория вз-ствия элем. ч-ц, к-рая не приводила бы к бесконечным значениям масс и др. физ. величин. Наконец, не решена задача построения квант. теории тяготения. Лишь наметилось построение теории, объединяющей четыре фундам. вз-ствия (суперобъединение).

Астрофизика. Развитие Ф. элем. ч-ц и ат. ядра позволило приблизиться к пониманию таких сложных проблем, как эволюция Вселенной на ранних стадиях её развития, эволюция звёзд и образования хим. элементов. Однако, несмотря на огромные достижения, перед совр. астрофизикой стоят нерешённые проблемы. Остаётся неясным, каково состояние материи при огромных плотностях и давлениях внутри нейтронных звёзд и «чёрных дыр». Не выяснены до конца природа квазаров и радиогалактик, причины вспышек сверхновых звёзд и появления всплесков g-излучения. Непонятно, почему число регистрируемых нейтрино, испускаемых Солнцем при термоядерных реакциях, меньше предсказываемого теорией. Не выявлен полностью механизм ускорения заряж. ч-ц (косм. лучей) при вспышках сверхновых звёзд и механизм эл.-магн. излучения пульсаров и т. д. Наконец, положено лишь начало решению проблемы эволюции Вселенной в целом.

Физика ядра. После создания протонно-нейтронной модели ядра был достигнут большой прогресс в понимании структуры ат. ядер, построены разл. приближённые модели ядра. Однако последоват. теории ат. ядра, позволяющей, в частности, рассчитать энергию связи нуклонов в ядре и уровни энергии ядра, пока нет. Успех в этом направлении может быть достигнут лишь после построения теории сильных вз-ствий. Эксперим. исследование вз-ствий нуклонов в ядре — ядерных сил — сопряжено с очень большими трудностями из-за предельно сложного хар-ра этих сил. Они зависят от расстояния между нуклонами, от скоростей нуклонов и ориентации их спинов.

Значит. интерес представляет возможность эксперим. обнаружения долгоживущих элементов с ат. номерами ок. 114 и 126 (т. н. островов стабильности), к-рые предсказываются теорией.

Одна из важнейших задач, к-рую предстоит решить,— проблема управляемого термоядерною синтеза (УТС), широко ведутся эксперим. и теор. исследования по созданию горячей дейтерий-тритиевой плазмы, необходимой для термоядерной реакции. Установки типа «токамак», впервые разработанные в СССР, являются, по-видимому, самыми перспективными в этом отношении. Разрабатываются и др. возможности решения проблемы УТС; в частности, для нагрева крупинок из смеси дейтерия с тритием можно использовать лазерное излучение, электронные и ионные пучки, получаемые в мощных импульсных ускорителях.

Квантовая электроника. Излучение квант. генераторов уникально по своим св-вам. Оно когерентно и может достигать в узком спектр. интервале огромной мощности: 1012—1013 Вт, причём расходимость светового пучка составляет всего ок. 10-4 рад. Напряжённость электрич. поля излучения лазера может превышать напряжённость внутриатомного поля. Создание лазеров вызвало появление и быстрое развитие нового раздела — нелинейной оптики. В сильном лазерном излучении становятся существенными нелинейные эффекты вз-ствия эл.-магн. волны со средой. Эти эффекты: перестройка частоты излучения, самофокусировка пучка и др.— представляют большой теор. и практич. интерес.

Почти строгая монохроматичность лазерного излучения позволила получать с помощью интерференции волн объёмное изображение объектов (голограммы). Лазерное излучение применяют для разделения изотопов, для испарения и сварки металлов в вакууме, в медицине и т. д. Ведётся поиск возможностей применения лазеров для нагрева в-ва до термоядерных темп-р, осуществления связи в космосе и т. д.

Гл. проблемы, к-рые предстоит решить,— это дальнейшее повышение мощности и расширение диапазона длин волн лазерного луча с плавной перестройкой по частоте. Ведутся поисковые работы по созданию рентг. и гамма-лазеров.

Физика твёрдого тела. Ф. тв. тела принадлежит ведущая роль в исследовании возможностей получения материалов с экстремальными св-вами в отношении механич. прочности, теплостойкости, электрич., магн. и оптич. хар-к.

С 70-х гг. 20 в. ведутся активные поиски нефононных механизмов сверхпроводимости. Решение этой задачи, возможно, позволило бы создать высокотемпературные сверхпроводники, что, в частности, решило бы проблему передачи электроэнергии на большие расстояния практически без потерь. Разрабатываются принципиально новые физ. методы получения более надёжных и миниатюрных полупроводниковых устройств. методы получения более высоких давлений, сверхнизких темп-р и т. п. Большое значение имеет изучение Ф. полимеров с их необычными механич. и термодинамич. св-вами, в частности биополимеров.

Физика плазмы. Важность изучения плазмы связана с двумя обстоятельствами. Во-первых, в плазменном состоянии находится подавляющая часть в-ва Вселенной. Во-вторых, именно в высокотемпературной плазме имеется возможность осуществления управляемого термоядерного синтеза.

Осн. ур-ния, описывающие плазму, известны, однако процессы в плазме столь сложны, что предсказать её поведение в разл. условиях весьма трудно. Гл. проблема, стоящая перед Ф. плазмы,— разработка эффективных методов её разогрева до темп-ры =109 К и удержание её в этом состоянии в течение времени, достаточного для протекания термоядерной реакции в большей части рабочего объёма. Решение проблемы устойчивости плазмы играет важную роль также в обеспечении работы ускорителей на встречных пучках и в разработке т. н. коллективных методов ускорения ч-ц. Исследование эл.-магн. и корпускулярного излучения плазмы имеет решающее значение для объяснения ускорения заряж. ч-ц при вспышках сверхновых звёзд, излучения пульсаров и др.

Разумеется, проблемы совр. Ф. не сводятся только к перечисленным; свои задачи имеются во всех разделах Ф., и общее число их столь велико, что они не могут быть здесь приведены.

ФИЗИКА, наука, занимающаяся изучением ВЕЩЕСТВА и ЭНЕРГИИ. Физика стремится установить и объяснить их многочисленные формы и взаимосвязи. Современная физика считает, что в природе существует четыре основных силы: СИЛА ТЯЖЕСТИ, которая впервые была адекватно описана Исааком Ньютоном; ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СИЛА, которая была систематизирована в уравнениях МАКСВЕЛЛА в XIX В.; СЛАБОЕ ЯДЕРНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ, за счет которого происходит распад некоторых СУБАТОМНЫХ ЧАСТИЦ; и СИЛЬНОЕ ЯДЕРНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ, связывающее атомные ядра. Физика основывается на шести фундаментальных теориях: НЬЮТОНОВСКАЯ МЕХАНИКА, ТЕРМОДИНАМИКА, ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ, СТАТИСТИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА, ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ И КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА. Разделы физики включают ФИЗИКУ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ, БИОФИЗИКУ, ГЕОФИЗИКУ, АСТРОФИЗИКУ и ЯДЕРНУЮ ФИЗИКУ.

(от древнегреч. physis - природа).

Древние называли физикой любое исследование окружающего мира и явлений природы. Такое понимание термина "физика" сохранилось до конца 17 в. Позднее появился ряд специальных дисциплин: химия, исследующая свойства вещества, обусловленные особенностями его атомной структуры, биология, изучающая живые организмы и т.д. Помимо традиционных предметов исследования, о которых пойдет речь ниже, физика занимается столь разными проблемами, как поведение смазки в машинах, процессы образования химических связей, хранение и передача генетической информации в живых системах и т.д. Объединяющий принцип физики как науки кроется не столько в предметах исследования, сколько в подходе к их изучению, и этим физика отличается от других наук. Опираясь на определенные аксиомы и гипотезы, проводя эксперименты и используя математические методы, она стремится объяснить все многообразие природных явлений исходя из небольшого числа взаимосогласующихся принципов. Физик надеется, что, когда о природных явлениях станет известно достаточно много и когда они будут достаточно хорошо поняты, множество других, на первый взгляд разрозненных и не связанных с ними фактов уложатся в простую, допускающую математическое описание схему.

РАННЯЯ ИСТОРИЯ ФИЗИКИ

До эпохи Возрождения, последовавшей за тысячелетием застоя, большинство научных открытий было совершено в Древней Греции, хотя родиной многих открытий и изобретений были также арабские страны и Китай. Особенно больших успехов греки достигли в математике и астрономии. Правда, многое из того, что принято в наследство от древних греков, было известно уже вавилонянам. Однако именно греки ввели понятие доказательства. Греческим мыслителям мы обязаны и другой важной идеей: о возможности объективного познания природы. И все же физика древних греков во многом была несовершенной. Ее основные представления были разработаны Аристотелем и базировались на аналогиях с поведением человека и животных в том смысле, что явления природы объяснялись целями, достижению которых они якобы служат. Греческие астрономы наблюдали небо и записывали свои наблюдения, однако не существует никаких свидетельств того, что они проводили научные эксперименты. Античный мир породил лишь две фигуры, внесшие важный вклад в формирование основ современной физики: Демокрит из Абдеры (ок. 460-370 до н.э.) во Фракии (ныне Болгария) и Архимед из Сиракуз (ок. 287-212 до н.э.). Демокрит первым из великих математиков оказал глубокое влияние на развитие физики. Более всего Демокрит известен как создатель атомистической теории. Идея атомистики, по-видимому, зародилась у его учителя Левкиппа из Милета, фигуры апокрифической, о котором мало что известно. Аргументы атомистов носили косвенный характер (чему вряд ли приходится удивляться, если принять во внимание, что прямые экспериментальные исследования атомных явлений стали возможны только в 20 в.). Они полагали, что, хотя в природе и происходят непрерывные изменения, в ней также, по всей видимости, имеется некий неизменный субстрат. Демокриту этот субстрат виделся как совокупность атомов, а рост и распад организмов и растений - лишь как проявления изменений в расположении неизменных атомов. Плавление твердых тел и испарение жидкостей он объяснял как переход совокупности атомов к менее связанному состоянию. Эпохальные открытия часто можно отнести к одной из двух категорий. Открытие первого рода состоит в обнаружении неожиданно нового явления в эксперименте, который может быть повторен с тем же результатом кем угодно; такое открытие заставляет пересмотреть понятия, ранее считавшиеся твердо установленными. В качестве примера можно привести обнаружение Галилеем спутников Юпитера и открытие Рентгеном излучения, носящего ныне его имя. К открытиям другого рода принадлежат такие, в которых наблюдаемые явления оставляют место для размышлений и выводов. Такие открытия в конечном счете основаны на свойственном ученому интуитивном ощущении природы вещей, и именно к ним относятся открытия, совершенные Левкиппом и Демокритом. К этой же категории принадлежат теория строения Солнечной системы Коперника и специальная и общая теории относительности Эйнштейна. Второй великий предтеча современной физики, Архимед, был величайшим математиком древности. В центре его интересов была статика, которая занимается изучением сил в состоянии равновесия. Например, Архимед показал, как находить центр тяжести различных геометрических фигур. Другая важная работа Архимеда - трактат о гидростатике и плавающих телах. Хотя его труды, в отличие от атомистической теории, не были нацелены на выяснение самой сути природы, они позволили физике подняться еще на одну ступень, показав, как с помощью математики можно расширить физические представления. Иногда математика дает возможность систематизировать все следствия некой физической гипотезы, выражая их в виде соотношений, истинность или ложность которых поддается экспериментальной проверке. В древности этот вывод сделал для себя, пожалуй, лишь Архимед; в Средние века этот урок был предан забвению, и его пришлось открывать заново в эпоху Возрождения.

ВОЗРОЖДЕНИЕ

В конце 16 в. в теоретической астрономии возник кризис, распространившийся и на другие области естествознания. Его результатом стал полный переворот во взглядах человека на самого себя и на окружающий его мир. Событие, послужившие причиной такого переворота, внешне выглядело вполне заурядно: в 1543 вышла в свет книга Коперника Об обращениях небесных сфер (De Revolutionibus), в которой было показано, что движение небесных тел легче понять и описать, если предположить, что в центре Солнечной системы находится Солнце, а Земля - лишь одна из планет, которые обращаются вокруг него. Старая птолемеевская теория помещала неподвижную Землю в центр мироздания, а звезды и планеты, которые мыслились расположенными на прозрачных сферах, обращались вокруг Земли.

НИКОЛАЙ КОПЕРНИК

Новая теория предлагала по-новому посмотреть на устройство мира. По Аристотелю, Земля находится в центре мироздания потому, что состоит из тяжелых веществ, которых заставило собраться в центре мира их естественное движение. Каждый объект во Вселенной имеет свое собственное место, к которому он стремится, если может двигаться свободно и если его место не занято чем-то другим, что должно находиться в другом месте. Место земли, воздуха, огня и воды - под самой низкой сферой, сферой Луны. Все в более высоких сферах состоит из особой субстанции - эфира - и не подвержено ни изменению, ни гибели. Понятия собственного места и назначения применимы повсюду: в царствах растений и животных, в человеческих сообществах, в нематериальном мире. Выше всего этого стоит Бог, придающий смысл мирозданию и дарующий ему существование. Солнечная система была важной частью Божественного замысла, и когда Коперник поставил под вопрос эту часть, стало ясно, что опасность грозит и всему целому. К началу 1600-х годов опасность стала еще более реальной. Немецкий астроном И.Кеплер (1571-1630) усовершенствовал коперниковскую теорию, заменив круговые орбиты эллипсами, а неравномерное движение - равномерным, после чего новая теория стала настолько точной, что обращение к старой стало просто неуместным. В 1608 флорентийский математик и физик Галилео Галилей (1564-1642) изобрел телескоп, с помощью которого вскоре удалось получить наглядное подтверждение правильности новой теории, и решился высказать мысль, которая должна была произвести переворот в умах итальянцев и прежде всего - в умах папы Урбана VIII и кардиналов. "О философии - писал Галилей - можно прочесть в величественной книге - я имею в виду Вселенную, и эта книга постоянно открыта нашему взору, но понять ее может лишь тот, кто сначала научится постигать ее язык и толковать символы, которыми она пользуется. Написана же она на языке математики, а символы ее - треугольники, круги и другие геометрические фигуры, без которых человек не смог бы понять в ней ни единого слова; без них он был бы обречен блуждать в потемках по лабиринту".

ГАЛИЛЕО ГАЛИЛЕЙ

Тысячу лет люди искали истину в бесконечных спорах о латинских текстах отцов церкви. Оказывается, они использовали не тот язык и не те книги. После нескольких тайных заседаний суда инквизиции Галилею было запрещено следовать коперниковскому учению. Галилей не подчинился и в 1633 в возрасте 70 лет был вызван на публичный процесс, отрекся от своего учения, несмотря на это, был приговорен к пожизненному домашнему аресту. Но этот запрет вернул Галилея к фундаментальным исследованиям, и через пять лет он опубликовал свой последний и наиболее значительный труд Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки (рус. перевод 1934). Науки эти - статика, занимающаяся изучением сил, находящихся в равновесии, и динамика, изучающая движения под действием сил. Эта работа Галилея стала основой исчерпывающего объяснения коперниковской системы, которое Ньютон дал спустя 50 лет.

ПРИРОДА КАК МЕХАНИЗМ

И. Ньютон (1643-1727) родился в протестантской Англии менее чем через год после смерти Галилея. Научная деятельность Ньютона протекала в основном в Кембридже, где в 1669 он стал профессором математики. Первые открытия в области математики и физики были им сделаны в 24 года. Его открытия в области механики и астрономии подробно изложены в Математических началах натуральной философии (Philosophiae naturalis principia mathematica, 1687). Изложение начинается с формулировок трех законов механики, из которых выводится все остальное в виде последовательности утверждений, задач и математических расчетов, перемежаемых пояснениями (называемыми схолиями), в которых Ньютон комментирует сделанное. Три закона механики формулируются просто: 1. Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние. 2. Изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует. 3. Действию всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе - взаимодействия двух тел друг на друга между собою равны и направлены в противоположные стороны. (Перевод А.Н.Крылова)

Новым в системе Ньютона стало понятие силы не просто как некоего действия, а как величины. В первых двух книгах Начал Ньютон показывает, как найти, что произойдет с физическими системами, если к ним приложить различные силы. Далее он рассматривает, какого рода тела встречаются в природе и какие силы на них действуют. Здесь для проверки ньютоновской теории была использована астрономия - область знания, в которой на протяжении 2000 лет велись тщательные наблюдения за движением планет, а последующие работы Коперника и Кеплера привели к созданию непротиворечивой модели Солнечной системы. В книге III Ньютон показал, что огромное множество самых разнообразных явлений и процессов - движение планет, Луны, спутников Юпитера, комет, приливы, прецессию равноденствий и т.д. - можно объяснить, если принять гипотезу о существовании силы всемирного тяготения, действующей между любыми двумя телами и изменяющейся обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Подробные вычисления были выполнены им с помощью оригинальных математических методов, о которых Г.Лейбниц дал такой отзыв: "Если взять математику от начала мира до того времени, когда жил Ньютон, то сделанное им - гораздо лучшая ее половина".

ИСААК НЬЮТОН

Обрисовав достижения Ньютона в механике, мы должны теперь упомянуть о том, чего ему не удалось достичь. Существует ряд других сил, принципиально отличных от гравитационных, законы которых он так и не открыл. Он также не предложил никакого объяснения трем законам движения (впрочем, следует признать, что все это по большей части осталось необъясненным и поныне). На протяжении всей своей жизни он питал надежду объяснить химические явления, применяя к поведению атомов те же законы, что и к движению планет. Ньютон был последовательным атомистом, убежденным, что все вещество состоит из "твердых, массивных, жестких, непроницаемых, подвижных корпускул", а его интуитивное представление о единстве природы привело к совершенно правильному заключению, что корпускулярные свойства присущи также и свету. Далее Ньютон с атомистических позиций рассматривает некоторые химические реакции. В своих рассуждениях Ньютон предвосхитил многие положения химической науки наших дней, но, как нам теперь ясно, его замысел в принципе не мог быть доведен до завершения, ибо химические явления столь сложны, что без развития экспериментальной техники, лишь в 20 в. открывшей возможность детального исследования свойств отдельных атомов и субатомных частиц, не было никаких шансов понять, что представляют собой атомы, как они взаимодействуют с образованием химических соединений и каким образом свойства атомов, входящих в состав молекулы данного соединения, определяют его свойства. Еще до Ньютона ряд передовых мыслителей, например Декарт, представляли мир как механизм, действующий по законам причинности и не имеющий границ. Задуманный и сотворенный Богом, этот механизм далее мог функционировать самостоятельно, возможно, лишь под Его наблюдением. Сознание человека было островком в центре мироздания, всесторонне связанным с божественным механизмом. И хотя жить с такой философией было не слишком уютно и множество вопросов оставалось без ответа, она явилась благодатным облегчением после тысячелетия теологического гнета. Почти 150 лет, последовавших за выходом ньютоновских Начал, физическая наука рационализировалась и систематизировалась без сумятицы и кипения страстей, привносимых новыми идеями. Основной прогресс в этот период заключался в развитии математического аппарата, позволявшего быстро и корректно рассчитывать следствия, вытекающие из теоретических представлений. Потраченные усилия дали такие плоды, что последующим поколениям ученых, воспитанным на этой философии, оказалось необычайно трудно отказаться от ньютоновского подхода, когда механистическая картина мира стала настолько сложной, что утратила те черты, которые ранее делали ее столь привлекательной. Проследим теперь за наследием ньютоновской философии, распространившейся в различные области исследования, поскольку многие ее слабые, равно как и сильные стороны до сих пор дают о себе знать.

Астрономия. Хотя ныне считается, что благодаря Галилею и Ньютону стало понятным устройство Солнечной системы, было бы большой ошибкой думать, что их идеи сразу же получили признание. После выхода Начал еще целое поколение студентов Кембриджа продолжало изучать планетную теорию Декарта, в которой гравитация не играла никакой роли, а на континенте астрономические идеи Ньютона вообще не воспринял ни один из великих математиков, его современников, - ни Лейбниц, ни Гюйгенс, ни Бернулли. На ум приходит горькое замечание М.Планка: "Новая научная истина торжествует не потому, что переубеждает оппонентов и открывает им глаза, а потому, что ее оппоненты постепенно уходят из жизни и вырастает новое поколение, для которого она новой уже не является". Следует также иметь в виду, что очень долго существовали серьезные основания сомневаться в справедливости теории Ньютона. Она проста применительно к движению одной планеты вокруг Солнца и дает результаты, которые согласуются с эмпирическими законами движения планет Кеплера: планеты движутся по эллиптическим орбитам с Солнцем в одном из фокусов; прямая, проведенная от Солнца к планете, за равные промежутки времени охватывает равные секториальные площади; отношение куба среднего расстояния до Солнца к квадрату периода обращения вокруг Солнца есть величина постоянная для каждой из планет. Существовавшие же данные астрономических наблюдений отличались не только высокой точностью, но и охватывали более чем 2000-летний период времени, а эти данные показывали, что наблюдаемое движение планет отклоняется от предсказанного на основании столь простых законов; так, Юпитер в действительности движется быстрее и находится ближе к Солнцу, а Сатурн - медленнее и дальше от Солнца. И лишь в 1784, спустя 97 лет после выхода Начал, П.Лаплас установил, что эти расхождения связаны с возмущениями орбит, вызванными взаимным притяжением планет, и согласуются с законами Ньютона. Были обнаружены и получили свои объяснения и другие расхождения теории и наблюдений, и лишь в 1915 А.Эйнштейн (1879-1955) показал, что обнаруженное задолго до этого небольшое несоответствие в движении Меркурия требует для своего объяснения новой теории. Общая теория относительности Эйнштейна явилась первой серьезной модификацией теории планетных движений Ньютона. К сожалению, предсказываемые этой теорией эффекты настолько слабы, что окончательная ее проверка еще впереди. И поныне ряд несоответствий остается без объяснения.

Оптика. Линзы появились в весьма древние времена. Кусок горного хрусталя в форме линзы был найден в развалинах Ниневии. Аристофан (5 в. до н.э.) был знаком с применением линз в качестве зажигательных стекол. Через три столетия александрийский астроном Птолемей проводил опыты по преломлению света при переходе его из воздуха в воду или стекло; составленные Птолемеем таблицы сохранились до нашего времени. Древнегреческие мыслители занимались и теорией зрения. Пифагорейцы, как и Демокрит, учили, что видимый предмет посылает в глаз наблюдателя частицы света. Платон и его последователи считали, что мы видим, когда некое явление, источаемое из нашего глаза, взаимодействует с влияниями, исходящими от объекта и Солнца. Бурное развитие науки знаменовалось изобретением новых оптических инструментов и новой волной интереса к зрительному процессу. Около 1608 появился телескоп. Почти сразу же после этого были изобретены микроскопы, которые нетрудно получить из телескопов, просто переставив линзы. Диоптрика (Dioptrica) Кеплера, в которой впервые излагалась теория оптических инструментов, была опубликована в 1611, а закон преломления света при входе в стекло и выходе из него, который пытался установить еще Птолемей, оставался неизвестным до 1637, когда Декарт опубликовал его в своей Диоптрике (Dioptique). Формулировка этого закона (правда, отличная от обычной) была обнаружена в трудах голландского математика В.Снеллиуса уже после его смерти в 1626. Декарт объяснял закон Снеллиуса гипотетическим изменением скорости света при переходе через границу сред, однако фактически о скорости света не было известно ничего, кроме того, что она очень велика. В 1676 датчанин О.Ремер показал, что наблюдаемые в движении спутников Юпитера отклонения можно объяснить, допустив, что свету требуется 22 мин для преодоления расстояния, равного диаметру земной орбиты. Единственное значение для диаметра земной орбиты, которым астрономы располагали в то время, была грубая и довольно произвольная оценка, предложенная директором Парижской обсерватории Ж.Кассини, и из нее следовало, что скорость света составляет около 200 000 км/с. Адекватные оценки размеров Солнечной системы были получены только сто лет спустя, но лишь в 1849 А.Физо впервые измерил скорость света в лабораторных условиях. С тех пор скорость света стала одной из наиболее точно установленных постоянных. На сегодняшний день ее точное значение равно 299792458 ± 1,2 м/с. Параллельно с усовершенствованием оптических приборов и оптических измерений был выстроен ряд теоретических предположений относительно природы света. Некоторые из них описаны в статье СВЕТ, о других будет сказано ниже.

Звук. Изучение звука снова возвращает нас в античность, где туманная традиция связывает начало таких исследований с именем Пифагора. Насколько можно судить, философы Древней Греции за 500 лет до н.э. экспериментально исследовали различия между благозвучными (консонантными) и неблагозвучными (диссонантными) музыкальными интервалами. Они сделали вывод, что если колеблющуюся струну прижимать в различных точках и щипком заставлять колебаться каждую из двух частей струны, то чем "проще" отношение длин двух частей, на которые разделилась струна, тем более благозвучным окажется консонантный интервал издаваемых звуков. Под простыми понимаются отношения 2:1, 3:2, 4:3 и т.д., соответствующие музыкальным интервалам октаве, квинте, кварте и т.д. Эти интервалы составляли основу всей западной музыкальной гармонии до 13 в., и хотя кварта более не считается гармоническим интервалом, продолжая Пифагоров ряд отношений до 5:4 и 6:5, мы получаем большую и малую терции - фундаментальные интервалы западной музыки последних 500 лет. Что касается физической природы звука, то многое здесь было известно уже Аристотелю. В дошедшем до нас в виде фрагментов трактате Звук и слух (см. Aristotelis opera. Ed. Academia regia borussica, v. 1-5, B, 1831-1870) он приводит подробное и точное описание распространения звуковых волн в воздухе. Римский архитектор Витрувий, знакомый с аристотелевской традицией, посвятил одну из книг своего сочинения Об архитектуре (De architectura) (ок. 10 до н.э.) акустике театров и других зданий, заложив этим основания науки, известной сегодня под названием архитектурной акустики. После Витрувия в развитии акустики наступила пауза, которая продолжалась до 17 в., когда акустическими проблемами занялись Галилей и Ньютон. Галилей исследовал разные источники звука, в частности колеблющиеся струны, и показал, что частота колебаний струны, а следовательно, и частота издаваемого звука определяются ее физическими свойствами - длиной, натяжением и массой. Ньютон поставил перед собой более трудную задачу - описать на языке математики процесс распространения звуковой волны в воздухе. Проведенный им анализ, опиравшийся на известные тогда данные об упругости воздуха, дал теоретическое значение скорости звука 298 м/с, тогда как из опытов Флемстида и Галлея было получено значение 348 м/с. Столь значительное расхождение удалось объяснить лишь в 1816, когда Лаплас указал на то, что величина упругости воздуха, на основании которой вычисляется скорость звука, должна отличаться от обычно измеряемой, т.к. изменения в звуковой волне происходят очень быстро и в воздухе не успевает установиться тепловое равновесие. Внеся в вычисления Ньютона поправку в этом единственном пункте, Лаплас получил формулу, прекрасно согласующуюся с самыми точными экспериментальными данными. Сегодня часто ставят обратную задачу: определяют упругость газа по измеренной скорости звука в нем. Когда механизм возникновения звука и его природа были объяснены на основе фундаментальных законов движения, акустика перестала быть чисто умозрительной дисциплиной, и после Лапласа ее развитие шло по трем направлениям: практические потребности (проектирование концертных залов, создание музыкальных инструментов и звуковоспроизводящей аппаратуры), физиологические и психологические аспекты восприятия звука и чистая теория. Второе из названных направлений породило новую область физического познания - область очень интересную и трудную, поскольку в ней изучается субъективный процесс, по сути тот же, посредством которого он сам и исследуется. Здесь физика трудится рука об руку с несколькими другими науками. Основополагающие труды по физиологии слуха и зрения принадлежат Г. Гельмгольцу (1821-1894). Его книги Учение о слуховых ощущениях как физиологическая основа для теории музыки (СПб, 1875) и О зрении (СПб, 1896), по всеобщему признанию, являются научной классикой. Сущность звука - лишь один из вопросов чистой физики, и ответ на него давно получен. И все же существует мало других разделов физики, разветвленные приложения которых вызывали бы такой всеобщий интерес и, судя по публикациям, доставляли бы такое удовольствие работающим в них исследователям.

См. также ЗВУК И АКУСТИКА.

Теплота и термодинамика. Еще каких-нибудь сто лет назад господствовало представление о теплоте как о некой калорической жидкости. Считалось, что эта жидкость есть во всех телах, и от того, сколько ее содержится в теле, зависит его температура. В том, что температура тел, находящихся в тепловом контакте, выравнивается, усматривали аналогию с установлением общего уровня жидкости в сообщающихся сосудах. Теория калорической жидкости в том виде, как ее сформулировал Дж.Блэк (1728-1799), могла объяснить широкий круг явлений. Однако в некоторых пунктах встречались затруднения. Например, хорошо известно, что если нагревать лед, то его температура не повышается до тех пор, пока весь лед не растает. Такое тепло Блэк назвал "скрытым" (термин "скрытая теплота плавления" сохранился поныне), имея в виду, что при таянии льда теплота как-то переходит в частицы воды, не производя обычного эффекта. Вода вмещает большое количество скрытой теплоты, и когда Б.Румфорд (1753-1814) показал, что вес льда при таянии остается неизменным, было решено, что калорическая жидкость невесома. В другом опыте, проведенном в Мюнхенском арсенале на станке, на котором рассверливали стволы пушек, Румфорду удалось добиться выделения огромного количества тепла при небольшом количестве металлической стружки: для этого он в течение двух с половиной часов сверлил болванку тупым сверлом. Румфорд счел, что его опыт убедительно доказал несостоятельность теории калорической жидкости, но ее сторонники возразили, что в материи очень много калорической жидкости и даже при сверлении тупым сверлом высвобождается только малая ее часть. Калорическая теория, подлатанная таким образом, просуществовала примерно до 1850. Однако еще Демокрит более чем за 2000 лет до этого выдвигал другую гипотезу. Если материя состоит из крохотных частиц, то отличие твердого тела от жидкости определяется разной силой их сцепления. Если принять, что вначале при нагревании частицы твердого тела начинают просто сильнее колебаться, оставаясь на своих местах, то разумно предположить, что при нагревании выше определенной температуры частицы будут срываться со своих мест, образуя жидкость, а при дальнейшем нагревании произойдет следующее превращение - жидкость станет газом. Галилей высказал аналогичную идею в 1623, а Декарт писал в 1644, что "под теплом и холодом следует понимать не что иное, как ускорение и замедление материальных частиц". Ньютон, расходившийся с теорией Декарта почти по всем вопросам, в этом пункте был с ней согласен. Хорошо известно, что движение тел при наличии трения порождает тепло и, наоборот, тепло может порождать движение, как это происходит в паровой машине и в двигателе внутреннего сгорания. Возникает вопрос: сколько работы может совершить тепловая машина, если подвести к ней заданное количество тепла? Ответить на этот вопрос весьма трудно, и в его рассмотрении необходимо выделить два этапа. Первое положение, которое мы должны отметить, - то, что совершение тепловой машиной некоторой работы сопровождается исчезновением определенного количества тепла. Говоря о механической работе, совершаемой машиной, пионер в этой области французский физик Н.Карно (1796-1832) употреблял термин "движущая сила". В записной книжке, обнаруженной после смерти Карно в 1878, говорилось: "Тепло может быть колебательным движением частиц. Если это так, то количество тепла есть не что иное, как механическая энергия, затраченная на приведение частиц в колебательное движение... Таким образом, можно сформулировать общий принцип, согласно которому количество движущей силы в природе неизменно; точнее говоря, она не создается и не исчезает". Этот принцип имеет для физики огромное значение. Он называется законом сохранения энергии, а в контексте данного раздела - первым началом термодинамики. Слово "энергия", введенное в научный оборот Т.Юнгом в 1807, здесь имеет смысл "полного количества энергии", которое остается постоянным и включает в себя тепловую, кинетическую и все прочие формы энергии, которые встретятся нам в дальнейшем. Не стремясь к особой строгости, можно определить энергию как способность совершать работу, а ее мерой, какую бы форму ни принимала энергия, можно считать количество механической работы, которой энергия эквивалентна. Карно удалось найти численное выражение эквивалентности тепла и работы. В современных единицах полученный им результат таков: 3,7 джоуля эквивалентно 1 калории (более точное значение равно 4,19). То же самое открытие было сделано врачом Ю. Майером (1814-1878), заметившим изменения в интенсивности обмена веществ (как мы сказали бы это сейчас) у моряков, совершавших плавание в экваториальных водах. В 1842 Майер пришел к заключению, что механический эквивалент одной калории равен 3,85 джоуля, но его главной заслугой было глубокое интуитивное уяснение важности и универсальности нового принципа, позволившее ему применять закон сохранения энергии в столь разных областях, как физиология, небесная механика и теория приливов. Однако самый существенный вклад в развитие принципа сохранения энергии внес Дж.Джоуль (1818-1889). В 1843-1848 он провел серию опытов по изучению взаимных превращений электрической, тепловой, механической и внутренней энергии и на основании полученных данных заключил, что механический эквивалент тепла составляет от 4,25 до 4,60. Тщательные измерения Джоуля вооружили противников теории калорической жидкости многочисленными весомыми аргументами, и эта теория оказалась окончательно опровергнутой: тепло как вид энергии может возникать и исчезать, но при этом общее количество энергии в мире остается неизменным. Для установления первого начала термодинамики потребовалось столь много времени потому, что существует еще один принцип, ограничивающий величину работы, которую можно совершить при данном количестве тепла. Этот принцип тоже был открыт Карно и изложен им в тоненькой брошюрке Рассуждения о движущей силе огня (Reflexions sur la puissance motrice de feu, 1824). В ней Карно показал, что если тепло подводится к машине при температуре T1, а отводится - при температуре T2 (это могут быть температуры, при которых водяной пар поступает в паровую машину и отводится от нее), то существует некий максимум работы, которую может совершить машина при данном количестве тепла. Этот максимум всегда меньше полного количества тепла и определяется только величинами T1 и T2, независимо от того, какое вещество переносит тепло. Из закона сохранения энергии следует, что часть тепла, подводимого к машине, уходит с отработавшим теплоносителем, оставаясь неиспользованным. Чем ниже температура теплоносителя, тем труднее использовать его энергию на совершение работы. В килограмме воды при комнатной температуре больше тепловой энергии, чем в 10 г пара, но энергию последнего значительно легче извлечь. Таким образом, в результате любого превращения энергии в работу с теплоносителем уходит какое-то количество менее "полезной" энергии, и никакой компенсирующий процесс не может увеличить ее "полезность". В математической форме это положение выразил Р.Клаузиус (1822-1888), введя величину, которую он назвал энтропией и которая является мерой "бесполезности" (с точки зрения совершения работы) энергии. Любой процесс, в результате которого тепло превращается в работу, сопровождается повышением энтропии окружающей среды. Было установлено, что любая попытка уменьшить энтропию приводит к еще большему ее увеличению где-нибудь в другом месте. Ныне этот принцип называется вторым началом термодинамики. Содержание всей своей работы Клаузиус сформулировал в виде двустрочия, помещенного в конце статьи:

Энергия мира постоянна. Энтропия мира стремится к максимуму.

Этот максимум отвечает состоянию, в котором вся материя будет иметь одну и ту же температуру и нигде не будет "полезной" энергии. Но уже задолго до того, как будет достигнуто такое состояние, жизнь станет невозможна. Пессимистический интеллектуальный климат конца 19 в. во многом связан с открытием этих двух абсолютных ограничений для будущего человечества.

Молекулярно-кинетическая теория. Развитая в трудах Клаузиуса, Кельвина (1824-1907) и их последователей наука термодинамика преуспела в установлении связей между множеством различных физических и химических явлений на основе первого и второго начал термодинамики, однако существуют пределы, за которыми столь общие утверждения уже не в силах объяснить происходящее. Необходимо было выяснить, каковы размеры частиц вещества и как они движутся. Не зная этого, невозможно, например, предсказать, при какой температуре будет плавиться данное твердое вещество, каковы его скрытая теплота плавления и электрические свойства. В общую схему термодинамики необходимо было включить законы, которым подчиняется движение отдельных молекул. Проблема, с которой столкнулись здесь ученые, была несравненно более трудной, чем ранее. Молекулы слишком малы, чтобы их можно было наблюдать непосредственно, и выводы можно делать, опираясь только на коллективные свойства систем, состоящих из миллиардов частиц. Первый шаг в создании молекулярно-кинетической теории сделал Д.Бернулли в своей книге по гидродинамике (Hydrodynamica sive de viribus et motibus fluidorum commentarii, 1738). Бернулли принял, что газ состоит из чрезвычайно малых частиц, которые движутся быстро и свободно, если не считать столкновений. Эти частицы осыпают стенки сосуда ударами; каждый такой удар слишком слаб, чтобы его можно было ощутить, но огромное число ударов проявляется как постоянное давление. Затем путем рассуждений, неявно опирающихся на законы Ньютона, Бернулли пришел к выводу, что если медленно сжать газ, не изменяя скоростей движения частиц, то давление повысится, так что произведение давления на объем останется постоянным. Именно это соотношение для газа, сжимаемого при постоянной температуре, экспериментально открыл Р.Бойль в 1660. Бернулли указал также, что нагревание газа должно приводить к увеличению скорости частиц, а тем самым - к повышению давления вследствие увеличения числа и силы ударов частиц о стенки сосуда. Десятью годами позднее аналогичные идеи были высказаны русским ученым М.В.Ломоносовым, который дополнительно указал на то, что если верхнего предела для скоростей молекул газа, а следовательно, и для температуры в принципе не существует, то нижний предел - нулевая скорость - существует всегда, следовательно, должен существовать нижний предел температуры, ниже которого ничего нельзя охладить. Ныне этот предел называют абсолютным нулем. Примечательно, что эти соображения обратили на себя внимание лишь 120 лет спустя, а потому ощутимого влияния на становление молекулярно-кинетической теории практически не оказали. Вместо этого физики и математики на протяжении столетия боролись с ложным представлением Ньютона о взаимном отталкивании всех атомов. Здесь нужно упомянуть одну из самых малоизвестных в истории науки фигур - Дж.Уотерсона (1811-1883). Инженер и учитель, Уотерсон опубликовал в 1843 довольно неясно написанную книгу, прочитанную лишь немногими, в которой изложил некоторые соображения о свойствах газа, состоящего из быстро движущихся молекул. В 1845 он представил в Королевское общество подробную статью, которая, однако, была отвергнута как непригодная для публикации. По мнению одного из рецензентов, статья Уотерсона - "нонсенс, неприемлемый даже для публичного прочтения". Впоследствии Уотерсону удалось все же опубликовать некоторые из своих работ, но они остались без внимания. Уотерсон прожил довольно долго и стал свидетелем того, как другие удостоивались похвал и признания за открытия, которые гораздо раньше сделал он сам. И все же он не дожил до того времени, когда к тем же выводам пришел Дж.Рэлей в 1891, отдавший должное его трудам. В 1856 к идеям Бернулли ученые вернулись снова. А.Крониг (1822-1879), годом позже Клаузиус и в 1860 Дж.Максвелл (1831-1879), великолепно владевший математическим аппаратом, на основе законов Ньютона предприняли систематический анализ газа из частиц, слишком малых, чтобы их можно было видеть, и взаимодействующих при участии сил, зависимость которых от расстояния могла быть задана лишь в самом общем виде. Так была заложена основа кинетической теории газов, или молекулярно-кинетической теории (в вопрос о природе молекул и их отношении к структуре вещества внес ясность в начале 19 в. А.Ампер). Эта теория давала оценки масс молекул, их размеров (около двух-трех стомиллионных сантиметра), среднего расстояния между молекулами в газе и в обобщенном виде охватывала все явления, порождаемые случайным действием огромного числа частиц. Позже, благодаря трудам Л.Больцмана (1844-1906) и Дж.Гиббса (1839-1903), она превратилась в науку, известную под названием статистической механики. Больцман показал, что второе начало термодинамики - вывод не более чем статистический. Постепенное разупорядочение во Вселенной аналогично постепенной утрате порядка в первоначально упорядоченной колоде игральных карт при многократном ее тасовании, и подобно тому как карты могут расположиться в исходной последовательности, если колоду перетасовать чудовищно большое число раз, так и вся Вселенная в один прекрасный день чисто случайно вернется в то состояние, из которого она когда-то вышла. (Оптимизма в такой концовке сценария умирающей Вселенной несколько поубавится, если оценить время, необходимое для случайного самопроизвольного возрождения.) Гиббсу принадлежит также заслуга создания химической термодинамики, на которой основаны современная теория химических реакций и вся химическая промышленность.

См. также ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА. У кинетической теории, равно как и у атомистической гипотезы, есть один серьезный недостаток: до тех пор пока поведение молекул нельзя будет наблюдать непосредственно, невозможно быть уверенным в правильности этой теории. Никакие подтверждения предсказаний молекулярно-кинетической теории на макроскопическом уровне не могут полностью исключить возможность того, что, подобно теории калорической жидкости или ньютоновской теории газа, она дает приемлемые с научной точки зрения результаты, исходя из неверных посылок. И действительно, еще в 1900 такие выдающиеся ученые, как физик Э.Мах и химик В.Оствальд, заявляли, что не желают рассматривать атомы иначе как гипотезу, позволяющую объяснять некоторые наблюдаемые явления. Но вскоре ситуация резко изменилась. Поскольку молекулярный масштаб слишком мал для прямых наблюдений (и остается таковым поныне, если не считать весьма специальных условий), единственная надежда на "установление контакта" с миром молекулярно-кинетических явлений состоит в том, чтобы найти некий объект промежуточных размеров, достаточно малый для того, чтобы на нем непосредственно сказывались движения молекул, и в то же время достаточно большой для прямого наблюдения. В 1905 А.Эйнштейн, тогда служащий швейцарского патентного бюро в Берне, опубликовал работу, посвященную теоретическому анализу поведения частиц микроскопических размеров, свободно движущихся в жидкости. Разумеется, с каждой такой частицей ежесекундно сталкиваются случайным образом тысячи молекул, но, подобно всем случайным событиям, эти столкновения не могут в точности уравновесить друг друга (так же как при 100 бросаниях монеты редко выпадают ровно 50 орлов и 50 решек). Эйнштейну удалось вывести закон, по которому происходит случайное блуждание частиц: их среднее удаление от исходной точки возрастает как квадратный корень из времени. Вся теория Эйнштейна была изложена в виде цепочки формул. Подставляя в них определенные числа, можно было получать массы молекул. В примечании, данном в конце работы, Эйнштейн сообщал, что описываемое им явление, по-видимому, наблюдал в 1827 шотландский ботаник Р.Броун, исследовавший под микроскопом цветочную пыльцу, взвешенную в воде. Не прекращающиеся ни на миг блуждания частиц пыльцы (теперь эти блуждания называются броуновским движением) возбудили тогда некоторое любопытство, их даже приписали столкновениям частиц с молекулами, но лишь Эйнштейн усмотрел в броуновском движении мостик, соединяющий макроскопический и микроскопический миры.

См. также

ТЕРМОДИНАМИКА;

МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ.

Электричество и магнетизм. Долгое время большинство физиков рассматривали эти явления как несущественные курьезы. Первым, кто предположил, что они со временем будут играть важную роль в понимании природных явлений, был, по-видимому, Ньютон. Начало научных наблюдений электрических и магнитных явлений связывают с именем английского физики У.Гильберта (1540-1603). Он провел ряд опытов, пытаясь доказать, что земной магнетизм можно объяснить, если представить Землю в виде большого сферического магнита. Первые опыты с электричеством (этот термин ввел Гильберт) были поставлены с целью дать ответ на вопрос, существуют ли два типа носителей электричества или же отрицательный заряд - это просто отсутствие заряда положительного. Деление зарядов на положительные и отрицательные восходит к Б.Франклину (1706-1790), одному из немногих людей в Америке 18 в., которые интересовались общенаучными вопросами. Первые количественные измерения, предпринятые для того чтобы установить законы электричества, были выполнены в конце 18 в. Тогда целому ряду исследователей удалось разными путями показать, что электрические силы сходны с гравитационными в том отношении, что они тоже обратно пропорциональны квадрату расстояния, хотя два электрических заряда могут и притягиваться, и отталкиваться, а под действием гравитационных сил тела могут только притягиваться друг к другу. Вскоре Ш.Кулон (1736-1806), один из тех, кто исследовал взаимодействие электрических зарядов и сформулировал закон, которому это взаимодействие подчиняется, установил аналогичную закономерность для магнитных сил.

См. также

МАГНИТЫ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА;

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ. Все последующие события берут начало с изобретения А.Вольта (1745-1827) в 1800 электрической батареи, с помощью которой можно было получать постоянный электрический ток. Это изобретение позволило совершить множество открытий. Многие из них принадлежат М.Фарадею (1791-1867), чье имя в экспериментальной науке стоит почти так же высоко, как имя Ньютона в науке теоретической. Открытия, о которых идет речь, можно разделить на три группы: электрохимические, оптические и электромагнитные. К последним относятся наблюдения Х.Эрстеда (1820), обнаружившего, что электрический ток создает магнитное поле, и Фарадея (1831), продемонстрировавшего, что переменное магнитное поле создает электрическую силу. Эти открытия в свою очередь показали, что электричество и магнетизм должны быть тесно связаны между собой. Было достаточно легко представить электрический ток как некую жидкость, текущую по проводнику под действием электрических сил, но электромагнитные явления не поддавались такому простому механистическому объяснению, и, как мы увидим в дальнейшем, их физическая интерпретация привела к крушению того, что называли механистической картиной мира. Но прежде чем переходить к этому, расскажем о последнем блестящем успехе механистического подхода.

МАЙКЛ ФАРАДЕЙ

Строение атома. Обычные природные явления не дают никаких свидетельств о внутреннем строении атомов; почти все "коллективные" свойства газов и жидкостей и многие "коллективные"свойства твердых тел можно объяснить, считая атомы твердыми шариками, между которыми действуют силы взаимного притяжения. Однако в конце 19 в. стало очевидно, что существуют по крайней мере два класса явлений, для объяснения которых нужно более подробно знать, что именно представляет собой атом. Один из этих классов составляют явления, свидетельствующие о том, что атомы, лишь незначительно различающиеся по массе, могут обладать существенно разными химическими свойствами. Другой класс явлений связан со спектроскопией, которая занимается анализом света, испускаемого раскаленными газами и парами. Оказалось, что такой свет представляет собой набор волн с определенными частотами, характерными для каждого сорта атомов. В первые годы 20 в. было построено несколько моделей атома. К этому времени стало известно, что одним из его составных элементов является электрон - частица с отрицательным электрическим зарядом и массой, в несколько тысяч раз меньшей массы атома. Из того, что в целом атом электрически нейтрален, следовало, что наряду с электронами атом содержит какие-то компенсирующие положительные заряды. В 1911-1912 строение атома было в общих чертах установлено. Э.Резерфорд (1871-1937) начал свою научную карьеру с разгадки тайн радиоактивности - явления, открытого в 1896 А.Беккерелем. В 1911, работая в Манчестерском университете, Резерфорд получил экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что положительный заряд атома сосредоточен в его небольшой массивной сердцевине - ядре. Резерфорд сразу же высказал предположение, что атом устроен аналогично Солнечной системе: роль Солнца играет атомное ядро, а роль планет - электроны.

См. также

АТОМА СТРОЕНИЕ;

АТОМНОГО ЯДРА СТРОЕНИЕ. После открытия, сделанного Резерфордом, было естественным попытаться воспользоваться ньютоновской механикой, чтобы описать строение атома, в частности, размеры атомов, их химические свойства и спектры. Начало работам в этом направлении было положено Н.Бором, практикантом, приехавшим в Манчестер к Резерфорду из Дании. Бор решил начать с простейшего из атомов - водорода, в котором, согласно планетарной модели Резерфорда, должен быть один электрон, обращающийся вокруг одной тяжелой частицы, называемой протоном. Кроме того, частоты эмиссионного спектра водорода составляли простой набор, который точно описывался формулой, подобранной И.Бальмером в 1885. Бор быстро обнаружил, что одних законов Ньютона недостаточно для того, чтобы объяснить стабильность атома и испускание света только определенных частот; эти законы необходимо дополнить новым законом, не опирающимся на предшествующую физику. Согласно этому закону, из всех возможных орбит, по которым электрон может обращаться вокруг ядра в соответствии с ньютоновской механикой, в природе реализуется только небольшой набор орбит, удовлетворяющих некоторому математическому условию. "Постулаты Бора" и идея Эйнштейна о природе лучистой энергии (о чем будет сказано ниже) позволили Бору получить формулу Бальмера. За этим успехом, открывшим путь к познанию строения атома, последовало качественное объяснение основных химических свойств всех атомов. Но темные места все же оставались, и самым загадочным было то, что теория Бора не могла объяснить спектр или хотя бы стабильность любого атома, более сложного, чем атом водорода. Не поддавался анализу даже атом гелия с всего лишь двумя электронами, вращающимися вокруг ядра, положительный заряд которого вдвое больше заряда протона. Напрашивался вывод, что атом водорода следует рассматривать как некое исключение и что успех Бора, возможно, был чисто случайным. В действительности же механистическая концепция достигла пределов своего развития и в ближайшем будущем ей предстояло уступить место иному взгляду на физические явления, который подспудно формировался на протяжении многих лет.

ПРИРОДА КАК ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИЕ ПОЛЯ

Для Ньютона и его современников было вполне естественным спрашивать себя, откуда берется сила гравитации и как она действует. Он понимал, что данный предмет далеко не прост. Ему казалось невероятным, чтобы два тела могли взаимодействовать через разделяющее их абсолютно пустое пространство. В письме Р.Бентли Ньютон писал: "То, что тяготение должно быть внутренне присущим, неотъемлемым и необходимым для материи, так, чтобы одно тело могло действовать на другое на расстоянии через пустоту, без посредства чего-либо еще, представляется мне столь большой нелепостью, что, по моему убеждению, ни один человек, способный со знанием дела судить о философских материях, не впадет в нее. Тяготение должно вызываться неким агентом, постоянно действующим по определенным законам; а материален этот агент или нематериален, я предоставляю судить читателям". Во времена Ньютона такой агент назывался эфиром, и этому представлению предстояло трансформироваться в более утонченное понятие поля. Теория поля заняла центральное место в современной физике - так же как материальный атомистический механизм был центральной концепцией физики предшествующих столетий. Теорий эфира было много, и каждая из них возникла в ответ на необходимость объяснения действия той или иной силы на расстоянии. Так, были эфиры гравитационный, электрический, магнитный и светоносный (последний эфир был гипотетической средой, обеспечивающей распространение света). Под воздействием общефизических представлений своего времени теории эфира приобретали более механистический характер - эфиры были жидкостями, подчинявшимися законам Ньютона или другим аналогичным законам, а передаваемые ими влияния носили характер механического действия. По мере накопления знаний о свете сам свет начали представлять как волновое движение в светоносном эфире, аналогичное распространению звука в воздухе. Впервые эта точка зрения была высказана в 1746 выдающимся математиком Л.Эйлером (1707-1783). Вначале взгляды Эйлера не встретили понимания, поскольку противоречили ньютоновской корпускулярной теории света, но получили признание после двух решающих экспериментальных подтверждений. Первым подтверждением стала интерференция двух наложенных световых пучков от одного и того же источника, при которой совпадение горбов и впадин одной волны с горбами и впадинами другой создает картину, состоящую из светлых и темных пятен. Такие явления были известны со времен Ньютона, систематически же их исследовали с точки зрения волновой теории в 1801 Т.Юнг (1773-1829) и позднее О.Френель (1788-1827). Объяснения интерференции с позиций корпускулярной теории выглядели неуклюже, но их было принято считать верными, и лишь после того, как Юнг в 1817 предложил свое объяснение поляризации света, корпускулярная теория была вынуждена уступить место волновой. Поляризованный свет обладает пространственной направленностью, не свойственной звуку, и это обстоятельство навело Юнга на мысль, что световые волны в отличие от звуковых являются поперечными, т.е. в них, как и в волнах на воде, колебания происходят поперек направления их распространения (а не вдоль, как в звуковых, продольных волнах). Волновая теория света объясняет все известные явления интерференции и поляризации, но поиски механической модели, которая сделала бы ее понятной, столкнулись с непреодолимыми трудностями. Проблема в том, что эфир как физическая субстанция должен быть достаточно плотным, чтобы свет мог распространяться по нему с огромной скоростью, но все же не слишком плотным, чтобы мешать движению планет и других объектов. К тому же эфир должен обладать некоторой упругостью - поперечные волны могут распространяться в желе, но не в воде. (Наблюдаемые нами волны на воде распространяются только по ее поверхности.) Ныне трудно себе представить, что идея механического эфира могла восприниматься столь серьезно, но так уж сильна была власть ньютоновского механицизма, что понадобились колоссальные интеллектуальные усилия, чтобы окончательно его отбросить. Между тем формировалась новая концепция. На М.Фарадея, занимавшегося изучением магнетизма, сильное впечатление произвели картины, образуемые железными опилками на листке бумаги вблизи полюсов магнита. Опилки выстраивались в линии, и Фарадей установил, что их направление в каждой точке совпадает с направлением силы, создаваемой в этой точке магнитом. Попадая в области более или менее интенсивного магнитного поля, линии всегда сходились в пучок или, наоборот, расходились, и Фарадей догадался, что они дают видимую картину чего-то, что и в их отсутствие реально существует в пространстве вблизи полюсов магнита. Это "что-то" получило название поля. Фарадей заключил, что поле состоит из "магнитных силовых линий"; позднее он обнаружил существование аналогичных электрических силовых линий и в 1846 высказал предположение, что свет - это поперечные колебания, распространяющиеся вдоль силовых линий. Гипотеза Фарадея была первым предвосхищением установленной впоследствии тесной связи между светом, с одной стороны, и электричеством и магнетизмом - с другой. Заслуга создания теории электромагнитного поля, как его стали называть, в основном принадлежит Дж. Максвеллу (1831-1879). В 1856, будучи научным сотрудником Тринити-колледжа в Кембридже, Максвелл начал работать над созданием механической теории электрического и магнитного полей, намереваясь выразить точным математическим языком идеи Фарадея. К 1861 Максвелл создал весьма сложную, но многообещающую картину эфира как текучей среды, передающей некоторые напряжения и допускающей сложные вихревые движения. Исходя из таких наглядных представлений, он вывел систему дифференциальных уравнений, связывающих различные компоненты электрического и магнитного полей. Уравнения описывали как статические явления, например кулоновские электрические и магнитные взаимодействия, так и динамические, например, открытые Фарадеем. Кроме того, уравнения Максвелла позволили предсказать новую взаимосвязь между электрическим и магнитными полями - их согласованное распространение в виде поперечных волн со скоростью 306 000 км/с. К тому времени уже было известно, что свет распространяется примерно с такой же скоростью, а эксперименты Физо (1849) дали значение, весьма близкое к полученному Максвеллом. Это замечательное согласие говорило о том, что Максвеллу удалось построить столь давно ожидаемую теорию света и к тому же объяснить все электрические и магнитные явления. Оправдалось пророческое замечание Фарадея (1851): "Если эфир существует, то, вероятно, передача излучений не есть его единственное назначение". Теория Максвелла наряду с теорией Бора явилась высшим достижением механистического подхода. Сегодня мы видим в его теории электромагнитного поля две стороны. Изящные симметричные уравнения, которые и поныне считаются корректными и полными, сопровождает неуклюжая концепция эфира, призванная эти уравнения объяснить. В 1864 Максвелл представил уточненный вариант своей теории Королевскому обществу. Эфир входил в эту теорию неявно, как фон для физических соотношений электромагнитного поля, но был лишен всех свойств, кроме тех, которые следовали из самих полевых уравнений. Однако крупнейших физиков того времени, в том числе Кельвина и Гельмгольца, теория Максвелла не убедила, и Кельвин, доживший до 1907, так и не признал ее. Многие же физики более молодого поколения приняли теорию Максвелла, и основную роль здесь сыграли эксперименты Г.Герца (1857-1894), который впервые осуществил генерацию и прием электромагнитных волн. Эксперименты Герца не только подтвердили теорию Максвелла, но и заложили основы радиотехники. Теория Максвелла привела к самым большим теоретическим продвижениям в физике со времен Ньютона. Максвелл пришел в физику, когда в ней господствовали идеи движущихся центров силы, а покинул ее, заложив основы представления о поле, которое проявляется в том, что оказывает силовое воздействие на вещество, а также переносит энергию. Последнее обстоятельство более всего наполняет поле реальностью: без труда можно представить, что электрические заряды создают силы, действующие на другие заряды на расстоянии, но если один материальный объект дает вспышку излучения, которое впоследствии поглощает другой объект, то закон сохранения энергии будет нарушен, если не принять, что за время от испускания до поглощения излучения энергия распространяется в форме поля. Сегодня физика в основном занята изучением взаимодействующих полей, одним из которых является поле Максвелла. Все эти поля распространяются в виде волн, но не в какой-либо среде, как звуковые волны в воздухе, а просто как волны поля. Пример старшего поколения ученых, долго относившегося к идее таких "бестелесных" волн с недоверием, как к некой мистификации, в очередной раз напоминает нам о трудностях становления подлинно новых научных идей.

Принципы относительности. Одна из наиболее характерных особенностей любого физического поля - то, в каком виде оно предстает перед наблюдателем. Например, покоящийся электрический заряд создает чисто электрическое поле. Но если заряд движется относительно наблюдателя или, что эквивалентно, если наблюдатель движется относительно заряда, то поле оказывается отчасти и магнитным. То же самое можно сказать о поле, создаваемом магнитом, и мы приходим к заключению, что разграничение электрического и магнитного полей существует только в некой определенной системе отсчета. Если же мы выберем новую систему отсчета так, чтобы она двигалась относительно старой, то граница сгладится - чисто электрическое поле приобретет магнитную компоненту, а чисто магнитное - электрическую. На этот счет к 1900 были известны два положения. Во-первых, уравнения Максвелла описывают ситуацию в целом правильно. Во-вторых, если речь идет только о самом явлении, то существенно лишь относительное движение наблюдателя и объекта наблюдения. Эта истина, так называемый принцип относительности, воплощена в законе инерции Галилея и пронизывает всю схему механики Ньютона. В конце 19 в. физики, к своему удивлению, обнаружили, что эти два положения математически не согласуются между собой и что можно утверждать либо одно, либо другое, но не то и другое одновременно. Теория эфира предлагала такой выход: электрический заряд, покоящийся в эфире и измеренный движущимся наблюдателем, не эквивалентен движущемуся заряду для неподвижного наблюдателя. А.Пуанкаре (1854-1912), исследовав такое предположение, понял, что оно привносит в законы электричества асимметрию, которая не отвечает ничему наблюдаемому в природе. Выход указал в 1905 А. Эйнштейн замечательной теорией, названной им позднее частной (специальной) теорией относительности. Приняв за основу правильность уравнений Максвелла, Эйнштейн показал, что принцип относительности может быть сохранен, если радикально пересмотреть не подвергавшиеся на протяжении столетий сомнению фундаментальные понятия пространства и времени. Работа Эйнштейна стала частью системы образования нового блестящего поколения физиков, выросшего в 1920-х годах. Последующие годы не выявили в частной теории относительности каких-либо слабых мест.

АЛЬБЕРТ ЭЙНШТЕЙН (справа Р.Оппенгеймер).

Однако Эйнштейну не давало покоя то обстоятельство, ранее отмеченное Ньютоном, что вся идея относительности движения рушится, если ввести ускорение; в этом случае в игру вступают силы инерции, отсутствующие при равномерном и прямолинейном движении. Через десять лет после создания частной теории относительности Эйнштейн предложил новую, в высшей степени оригинальную теорию, в которой главную роль играет гипотеза искривленного пространства и которая дает единую картину явлений инерции и гравитации. В этой теории принцип относительности сохранен, но представлен в гораздо более общей форме, и Эйнштейну удалось показать, что его общая теория относительности с небольшими изменениями включает большую часть ньютоновской теории тяготения, причем одно из этих изменений объясняет известную аномалию в движении Меркурия. На протяжении более 50 лет после появления общей теории относительности в физике ей не придавалось особого значения. Дело в том, что расчеты, производимые на основе общей теории относительности, дают почти такие же ответы, как и вычисления в рамках теории Ньютона, а математический аппарат общей теории относительности намного сложнее. Проводить длинные и трудоемкие расчеты стоило лишь, чтобы разобраться в явлениях, возможных в гравитационных полях неслыханно высокой интенсивности. Но в 1960-х годах, с наступлением эры космических полетов, астрономы начали сознавать, что Вселенная гораздо разнообразнее, чем это представлялось вначале, и что могут существовать такие компактные объекты с высокой плотностью, как нейтронные звезды и черные дыры, в которых гравитационное поле действительно достигает необычайно высокой интенсивности. В то же время развитие вычислительной техники отчасти сняло бремя утомительных расчетов с плеч ученого. В результате общая теория относительности начала привлекать внимание многочисленных исследователей, и в этой области начался бурный прогресс. Были получены новые точные решения уравнений Эйнштейна и найдены новые способы интерпретации их необычных свойств. Более детально была разработана теория черных дыр. Граничащие с фантастикой приложения этой теории указывают на то, что топология нашей Вселенной гораздо сложнее, чем можно было думать, и что могут существовать другие вселенные, отстоящие от нашей на гигантские расстояния и соединенные с ней узкими мостиками искривленного пространства. Не исключено, конечно, что это предположение окажется неверным, но ясно одно: теория и феноменология гравитации - это математическая и физическая страна чудес, которую мы едва начали исследовать.

См. также

ЧЕРНАЯ ДЫРА;

НЕЙТРОННАЯ ЗВЕЗДА.

Кванты. Читателю уже известно, что для описания весьма и весьма многих материальных систем пригодна механика Ньютона, а для правильного описания всех электромагнитных полей необходима теория Максвелла. Теперь мы хотим показать, что в действительности эти два подхода - просто два крайних случая единой картины, называемой квантовой теорией. Как и теории Ньютона и Максвелла, это некая математическая схема, но гораздо более трудная для объяснения на нематематическом языке, поскольку квантовая теория не основывается на интуитивных представлениях, которые лишь уточнялись бы математикой. Для большей ясности в дальнейшем изложении мы откажемся от исторического подхода, т.к. ряд важных открытий был сделан в "неподходящее время" и в такой последовательности, которая затрудняет их понимание. В 1887 Герц, изучая электромагнитное излучение, попутно сделал открытие, установив, что свет, падающий на металлическую поверхность, каким-то образом делает ее электрически заряженной. В последующие годы удалось выяснить, что свет выбивает из металла отрицательные электрические заряды. Ныне это явление называется фотоэлектрическим эффектом. В 1898 Дж.Дж.Томсон (1856-1940) установил, что отрицательные заряды переносятся микроскопическими частицами с массой, в тысячи раз меньшей массы любого атома. Томсон назвал эти частицы электронами. Далее, в основном благодаря усилиям Эйнштейна (1905), выяснилось, что свет имеет двойственную природу: это и частицы, называемые ныне фотонами, и волны. В разных экспериментах он ведет себя по-разному. Не располагая объяснением этого странного явления, физики принялись за поиск новых идей. Простейшую и, как оказалось в дальнейшем, наиболее плодотворную идею высказал Л.де Бройль (1892-1987). В 1924 он предложил распространить загадочную двойственность света и на материю и высказал предположение, что электрон должен обнаружить свои волновые свойства, если поставить эксперимент по интерференции электронов, аналогичный экспериментам по интерференции света, которые в свое время были проведены Т.Юнгом. Такие эксперименты вскоре были выполнены и дали предсказанные де Бройлем результаты. Кроме того, де Бройль предположил, что орбитальный электрон в теории Бора описывает вокруг ядра замкнутую волну, и выглядевшие до этого произвольными постулаты Бора для определения энергетических уровней атома водорода получили простое и естественное объяснение. Напомним в связи с этим, что с момента своего появления в 1913 теория Бора оказалась почти бесплодной в объяснении количественных свойств атомов, отличных от атома водорода. Теперь настало время разрешить проблему строения атома, что и было сделано почти одновременно двумя физиками. В 1925 В.Гейзенберг (1901-1976) развил несколько громоздкий математический аппарат с трудно постижимым физическим смыслом, позволявший тем не менее быстро получать правильные ответы на некоторые вопросы, связанные со строением атома. В следующем году Э.Шредингер (1887-1961), исходя из гипотезы де Бройля о волнах материи, сделал практически то же, что в свое время сделал Максвелл в связи с гипотезой Юнга о волновой природе света: вывел полевые уравнения, позволявшие объяснить большинство атомных свойств. В 1927 Шредингер показал, что его теория, сильно отличавшаяся своими физическими допущениями от теории Гейзенберга, по своему математическому содержанию эквивалентна ей. Единство физических явлений с волновой точки зрения обусловлено тем, что свет и все другие формы материи можно представить в виде полей в пустом (в остальных отношениях) пространстве, описываемых некоторыми уравнениями, показывающими, как поля изменяются в пространстве и времени и как они взаимодействуют сами с собой и друг с другом. Различия же между светом и веществом с этой точки зрения связаны с особенностями математического представления различных полей и структурой полевых уравнений. Теперь нам нужно объяснить корпускулярность полей. Труднее всего понять, каким образом поле, по самой своей сущности однородное и непрерывное, может проявлять себя как нечто дискретное и разрывное. В такой постановке проблема восходит к 1900, когда М.Планк (1858-1947) пытался объяснить интенсивность и цвет излучения, испускаемого раскаленным твердым телом. Он был вынужден допустить, что материальный объект, испускающий излучение с частотой n, делает это не непрерывно, как можно было бы ожидать, а малыми порциями - квантами, каждый из которых несет энергию Е, пропорциональную частоте. Если соотношение пропорциональности записать в виде E = hn, то оказывается, что коэффициент пропорциональности h имеет одно и то же значение для всех форм материи (ныне он называется постоянной Планка). В 1905 Эйнштейн воспользовался идеей Планка, объяснив фотоэлектрический эффект как результат столкновений фотонов с электронами, а в 1913 Бор в поисках объяснения дискретности частот излучения, испускаемого атомами, создал свою чисто механическую теорию, включив в нее гипотезу Планка о дискретности квантов и введя в различные формулы постоянную Планка h. Уравнения, выведенные де Бройлем, Гейзенбергом и Шредингером, содержали h, так что постоянная Планка стала своего рода символом дискретности природы. Выраженная в обычных единицах, величина h представляет собой очень малое число, и следовательно, дискретность лежит намного ниже уровня восприятия наших рецепторов, но тем не менее она участвует во всех процессах, сопровождающихся излучением или поглощением энергии - в возникновении и распространении света и звука, во взаимодействии частиц и многом другом. Дискретные порции энергии любого вида называются квантами, а вся теория, имеющая с ними дело, - квантовой теорией. Теория Гейзенберга и Шредингера называлась по-разному - квантовой или волновой механикой - в зависимости от того, какая точка зрения была принята. Кванты различных полей получили названия с окончанием -он: фотон для света, фонон для звука, электрон, протон, нейтрон и т.д. Квантовая теория заставила физиков пересмотреть взгляды на все, что происходит в атомных масштабах, а также на многие обычные явления. Но ее самой глубокой новой идеей стало понятие неопределенности, которое мы не станем обсуждать здесь подробно. Скажем только, что оно утверждает существование некоторых пределов, в которых ни познание, ни объяснение физических явлений невозможны даже в принципе. В этих пределах все происходящее носит случайный характер в том смысле, что причинность в ее надлежащем понимании не действует. Однозначные причинные формулировки механистической картины мира в таких ситуациях уступают место статистическим утверждениям, дающим лишь вероятности, но не позволяющим абсолютно точно предсказать результаты конкретного эксперимента. Кажущаяся точность законов динамики в том виде, в каком их изложил Ньютон и придерживались его последователи, в квантовой теории предстает как прямое следствие статистического "закона больших чисел", согласно которому статистические утверждения тем точнее, чем больше выборка, на основании которой они сделаны. В очень упрощенном виде ситуация с дуализмом вещество - поле на сегодня выглядит так: поле - основной способ описания материи, но у него есть аспекты дискретности, напоминающие о ньютоновской концепции вещества (и света) как субстанции, состоящей из малых частиц, взаимодействующих между собой. В атомном масштабе ситуация действительно очень отличается от той, которая представлялась Ньютону, поскольку проявляются неопределенности и нарушения причинности, но на макроуровне эти эффекты исчезают, что дает возможность предсказывать события с точностью пусть и не абсолютной, но вполне достаточной для любых практических целей. Таким образом, механистическая картина мира предстает перед ними как практическое следствие фундаментальной теории полей, хотя, если перейти на микроуровень, мы не можем теперь вслед за Левкиппом сказать, что "все имеет причину и является результатом необходимости". Мы не знаем, как будет выглядеть современная квантовая теория через сто лет, и хотя некоторым она кажется странной и непонятной, тем не менее она ни разу не пришла в противоречие с экспериментом, а область ее применимости все время расширяется.

СОВРЕМЕННАЯ ФИЗИКА

До 1940-х годов основные виды известной тогда материи выглядели довольно просто: атом состоял из электронов, движущихся вокруг массивного ядра; при некоторых условиях он испускал свет в форме квантов, называвшихся фотонами; ядра состояли из нейтронов и протонов (нуклонов), каждый из которых обладал массой, примерно в 1840 раз превышающей массу электрона; частица третьего типа с массой, промежуточной между массой электрона и протона, названная "мезоном", отвечала за взаимодействие частиц ядра (нуклонов), а фотон, квант электромагнитного поля, удерживал вместе электрон и ядро. В то время было естественно рассматривать все перечисленные выше частицы как элементарные формы материи, аналогичные элементам традиционной химии, из которых состоит все, что нас окружает. Однако с открытием в последнее время большого числа новых частиц зародилось сомнение в том, что все они действительно элементарны. Основные работы в этой очень трудной области физики ведутся в научно-исследовательских центрах, располагающих чрезвычайно дорогостоящими экспериментальными установками. В Соединенных Штатах это Брукхейвенская и Аргоннская национальные лаборатории, Национальная лаборатория ускорителей близ Чикаго, Станфордский линейный ускоритель, в Западной Европе - ЦЕРН, Европейский совет по ядерным исследованиям (European Council for Nuclear Research) в Женеве, объединяющий 12 стран. Несколько научно-исследовательских центров, возникших при больших ускорителях, имеется в России. Главная задача фундаментального изучения материи состоит в том, чтобы как можно больше узнать о всех возможных ее формах, т.е. установить, какие бывают элементарные частицы и каковы их свойства, объяснить, почему наша Вселенная содержит именно эти, а не другие разновидности частиц. В 1970-х годах возникла теория, в которой элементарные частицы считались состоящими из еще более фундаментальных "кирпичиков" материи - кварков. Сначала кварков было всего три, затем их стало 12, а чуть позже - 15. Как это часто бывало в прошлом с другими теориями материи, с каждым таким расширением списка частиц усиливалось подозрение, что теория кварков при всей ее привлекательности все же не является подлинно фундаментальной. Второе общее направление, которому следует в своем развитии фундаментальная физика сегодня, - это изучение форм материи, состоящих из большого числа связанных частиц. Одно из направлений такого рода исследований занимается изучением газов, частицы которых слабо связаны и основное время проводят в свободном полете. Если не считать поведения газов при экстремальных условиях (такого рода вопросы интересуют тех, кто, например, занимается изучением ракетных двигателей), в этой области знаний сейчас нет ни одного принципиального вопроса, на который нельзя было бы дать ответ. Что касается жидкостей и твердых тел, то здесь предстоит выяснить еще многое. В частности, твердые тела обладают разнообразными механическими, электрическими и магнитными свойствами, для объяснения которых недостаточно знать, из каких частиц эти тела состоят, поскольку упомянутые свойства зависят также от их агрегатного состояния. Физика твердого тела - быстро развивающаяся область науки, и отчасти это связано с ее большим прикладным значением: так, транзисторы и другие полупроводниковые устройства, созданные как результат исследований и разработок в области физики твердого тела, произвели настоящую революцию в электронике.

См. также

ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА;

ТРАНЗИСТОР. Еще одно состояние агрегации мы находим в атомном ядре. Поскольку ядро очень мало и его составляющие прочно связаны ядерными силами, оно представляет собой очень трудный объект для изучения, так что сведения о его структуре и типах внутриядерного движения весьма скудны. Исследования в этой области широко поддерживаются правительствами, поскольку ядерной энергии придется удовлетворять значительную часть энергетических потребностей человечества, когда иссякнут источники нефти и угля. Наконец, упомянем о физике плазмы, одной из новых областей науки. Плазма - это раскаленный газ, состоящий из проводящих электричество ионов и электронов, но его поведение заметно отличается от поведения газа при обычных условиях. Если учесть, что все звезды и значительная часть межзвездного вещества - плазма, то получается, что во Вселенной в таком состоянии находится более 99% материи. Следовательно, для проникновения в тайны космоса необходимо как можно более полно исследовать свойства самой плазмы. Кроме того, для создания наиболее перспективных - термоядерных источников энергии, по-видимому, потребуется воспроизвести условия, царящие в недрах звезд. До Второй мировой войны почти все значительные исследования в области физики выполнялись в университетских лабораториях, поддерживаемых университетскими фондами. После войны ситуация изменилась по трем причинам. Во-первых, создание новых экспериментальных установок стало для университетских бюджетов слишком дорогим делом, что привело к необходимости широкомасштабного участия государства в субсидировании научных программ. Во-вторых, правительства осознали необходимость поддержки научных исследований в собственных военных, экономических и политических целях. Это в особенности касается космических программ и исследований в области физики элементарных частиц, а также различных видов деятельности, связанных с решением энергетических проблем. В-третьих, коренным образом изменилось отношение деловых людей к науке: теперь большой бизнес во всем мире участвует в создании лабораторий, в которых проводятся серьезные исследования. Все предпринимавшиеся ранее попытки предсказать будущее науки кончались провалом, однако очевидно, что мы можем ожидать большого прогресса в указанных выше направлениях. Ясно также, что в будущем появятся совершенно новые направления исследований, которые сейчас невозможно предвидеть, как невозможно было предсказать сто лет назад появление ядерной физики. Подлинно всеобъемлющая физическая теория позволит рассматривать с единой точки зрения процессы, протекающие во всех масштабах - от космического до субатомного. Ныне же, хотя нам известно многое, мы видим лишь интригующие фрагменты полной картины мира. Основные разделы физики и дополнительную рубрикацию ее частей см.:

АТОМА СТРОЕНИЕ;

БИОФИЗИКА;

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ;

ТЯГОТЕНИЕ;

ТЕПЛОТА;

МЕХАНИКА;

АТОМНОГО ЯДРА СТРОЕНИЕ;

ОПТИКА;

УСКОРИТЕЛЬ ЧАСТИЦ;

ДЕТЕКТОРЫ ЧАСТИЦ;

ЧАСТИЦЫ ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ;

КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА;

ОТНОСИТЕЛЬНОСТЬ;

ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА;

ЗВУК И АКУСТИКА;

ТЕРМОДИНАМИКА.

ЛИТЕРАТУРА

Льоцци М. История физики. М., 1970 Роджерс Э.М. Физика для любознательных, тт. 1-3. М., 1972, 1973 Джеммер М. Эволюция понятий квантовой механики. М., 1985

ФИЗИКА

(греч. τὰ φυσικά – наука о природе, от φύσις – природа) – комплекс науч. дисциплин, изучающих общие свойства структуры, взаимодействия и движения материи. В соответствии с этими задачами совр. Ф. весьма условно можно подразделить на три больших области – структурную Ф., физику взаимодействий (Ф. поля) и Ф. д в и ж е н и я (механику).

Науки, образующие структурную Ф., довольно четко различаются по изучаемым объектам, к-рыми могут быть как элементы структуры вещества (элементарные частицы, атомы, молекулы), так и более сложные образования (плазма, кристаллы, жидкости, звезды). По мере открытия новых уровней структуры и состояний вещества объектная область структурной Ф. расширяется. Сейчас она охватывает все известные уровни строения вещества – от элементарных частиц до галактик.

Ф. взаимодействий, основанная на представлении о поле как материальном носителе взаимодействия, делится на четыре отдела, соответственно четырем известным видам взаимодействий (сильное, электромагнитное, слабое, гравитационное).

Ф. движения (механика) включает в себя классическую (ньютонову) механику, релятивистскую (эйнштейновскую) механику, нерелятивистскую квантовую механику и релятивистскую квантовую механику.

Особое место в совр. системе физич. наук занимает с т а т и с т и ч. Ф., представляющая собой теорию поведения ансамблей – совокупностей большого количества частиц (см. Статистические и динамические закономерности). Будучи основана на определ. предположениях о структуре ансамблей и характере взаимодействия и движения частиц ансамбля, статистич. Ф. сочетает в себе черты всех трех осн. областей Ф. Ее методы применяются во всех разделах Ф.

При решении конкретных физич. задач вопросы, связанные с выяснением структуры, взаимодействия и движения, тесно переплетаются. Так, Ф. атома, будучи разделом структурной Ф., необходимо включает в себя конкретные представления о характере движения и взаимодействия образующих атом частиц – ядра и электронов, т.е. может рассматриваться с т. зр. и Ф. взаимодействий и Ф. движения. Тем не менее приведенное подразделение комплекса физич. наук имеет определ. смысл, ибо выявляет те осн. категории, к-рые играли роль общих методологич. средств построения физич. картины мира на всех этапах истории Ф.

Изложенная т. зр. на предмет Ф. не является единственной. Часто Ф. определяют как науку о таких формах материи ("первичных", "элементарных"), к-рые входят в состав любых материальных систем, о структуре этих форм, их взаимодействии и движении. В этом случае структуру самой Ф. определяют, исходя из многообразия исследуемых в ней форм материи и характерных для них видов движения (Ф. атома, Ф. твердого тела, Ф. тяготения, Ф. колебаний и т.д.), и специально выделяют такие ее разделы, к-рые охватывают вое многообразие явлений, происходящих при нек-рых определ. условиях, – Ф. низких температур, Ф. сверхвысоких давлений и т.п. (подробнее о др. подходах к определению предмета Ф. – см. И. В. Кузнецов, К вопросу об определении предмета совр. Ф., в кн.: Нек-рые философские вопросы естествознания, М.. 1957; С. И. Вавилов, Физика, Собр. соч., т. 3, М., 1956, с. 148–64; А. Ф. Иоффе, Физика, БСЭ, 2 изд., т. 45, М., 1956; Физика, в кн.: Физический энциклопедический словарь, т. 5, М., 1966).

Обладая наиболее развитыми математическими и экспериментальными средствами исследования, Ф. занимает ведущее место среди естеств. наук. Ее представления, результаты и методы используются всеми без исключения естеств. науками. Это приводит к образованию многочисленных "стыковых" дисциплин (геофизика, физич. химия, химич. Ф., астрофизика, биофизика и т.п.). Сама же Ф. вырабатывает свои средства с помощью философии (методологич. средства), математики (матем. аппарат физич. теорий) и техники (экспериментальные средства), оказывая обратное влияние на развитие этих областей знания.

Уже в глубокой древности возникли зачатки знаний, впоследствии вошедшие в состав Ф. и связанные с простейшими представлениями о длине, тяжести, движении, равновесии и т.п. В недрах греч. натурфилософии сформировались зародыши всех трех частей Ф., однако сначала на первом плане стояла Ф. движения, понимаемого в самом широком смысле – как изменение вообще. Взаимодействие отд. вещей трактовалось наивно-антропоцентрически (напр., мнение об одушевленности магнита у Фалеса). Подробное рассмотрение проблем, связанных с анализом движения как перемещения в пространстве, впервые было осуществлено в знаменитых апориях Зенона Элейского. В связи с обсуждением структуры первоначал зарождаются и конкурируют концепции непрерывной делимости до бесконечности (Анаксагор) и дискретности, существования неделимых элементов (атомисты). В этих концепциях закладывается понятийный базис будущей структурной Φ. В связи с задачами анализа простейшей формы движения (изменения по месту) возникают попытки уточнения понятий "движение", "покой", "находиться в...", "место", "время", "движение", "пустота". Результаты, полученные на этом пути, образуют основу понятийного аппарата будущей Ф. движения – механики. При сохранении антропоморфных тенденций у атомистов четко намечается понимание взаимодействия как непосредств. столкновения осн. первоначал – атомов. Полученные умозрит. путем достижения греч. натурфилософии вплоть до 16 в. служили единств. средствами построения картины мира в науке. Матем. средства (в основном геометрические) служили при этом лишь для описания наблюдений и иллюстрации словесных рассуждений. Эксперимент существовал лишь в виде отд. зачатков (эмпирики).

Превращение Ф. в самостоят. науку обычно связывается с именем Галилея. Осн. задачей Ф. он считал эмпирич. установление количеств, связей между характеристиками явлений и выражение этих связей в матем. форме с целью дальнейшего исследования их матем. средствами, в роли к-рых выступали геометрич. чертежи и арифметич. учение о пропорциях. Использование этих средств регулировалось сформулированными им осн. принципами и законами (принцип относительности, принцип независимости действия сил, закон равноускоренного движения и др.). Достижения Галилея и его современников в области Ф. движения (Кеплер, Декарт, Гюйгенс) подготовили почву для работ Ньютона, приступившего к оформлению целостного предмета механики в систему понятий. Продолжая методологич. ориентацию на принципы, а не на скрытые причины (hypothesis non fingo), Ньютон сформулировал три закона (аксиомы) движения и вывел из них ряд следствий, трактовавшихся прежде как самостоят. законы. Ньютоновские "Математические начала натуральной философии" подвели итоги работы по установлению смысла и количеств. характеристик осн. понятий механики – "пространство", "время", "масса", "количество движения", "сила". Для решения задач, связанных с движением, Ньютон (вместе с Лейбницем) создал дифференциальное и интегральное исчисления, одно из самых мощных матем. средств Ф. Начиная с Ньютона и вплоть до конца 19 в. механика трактуется как общее учение о движении (понимаемом как перемещение в пространстве) и становится магистральной линией развития Ф. С ее помощью строится Ф. взаимодействий, где конкурируют концепции близкодействия и дальнодействия. Потребности концепции близкодействия вызвали к новой жизни антич. представления об эфире (Декарт). Успехи небесной механики, основанные на ньютоновском законе всемирного тяготения, способствовали победе концепции дальнодействия (согласно к-рой гравитац. взаимодействие между частицами вещества осуществляется мгновенно и непосредственно через пустоту с помощью дальнодействующих сил). По образцу теории тяготения строилась и Ф. взаимодействий в области электричества и магнетизма (Кулон).

Успехи гидродинамики (Бернулли, Эйлер) способствовали внедрению в Ф. идей непрерывности на основе представлений о невесомых жидкостях (флюидах). Как флюиды трактовались электричество, магнетизм и теплота. Юнг и Френель развивали теорию света как волн в непрерывном эфире, также рассматривавшемся как флюид. Начиная с Дальтона, введшего понятие атомного веса, атомистика отделяется от философии, а химия обретает статус фундаментальной науки. Представления об атомах и молекулах, перенесенные из химии в Ф., постепенно вытеснили невесомые флюиды. Юнг (1816) дал первую количеств. оценку размеров молекулы. Усилиями Бернулли, Клаузиуса, Максвелла была построена (в опоре на статистич. представления) кинетич. теория газов, дальнейшее развитие к-рой Больцманом и Гиббсом позволило объяснить тепловые явления без помощи теплорода.

С Фарадея начинается интенсивное развитие Ф. электричества и магнетизма на основе идеи близкодействия. Переход от электростатики к электродинамике (Фарадей, Эрстед, Ампер) позволил объединить электрические и магнитные явления. Фарадеевские представления о поле как особом состоянии эфира были оформлены Максвеллом в строгую матем. теорию, к-рая с единой т. зр. трактовала электрические, магнитные и оптич. явления.

К концу 19 в. Ф. представляла собой развитый комплекс дисциплин, объединенных идеей сохранения и превращения энергии (см. Сохранения принципы). Мн. ученым Ф. казалась принципиально завершенной наукой. Филос. фоном ее было механистич. мировоззрение, представлявшее собой синтез атомизма с доктриной лапласовского детерминизма. Вероятностные представления статистич. Ф. трактовались как всецело обусловленные незнанием точных значений начальных импульсов и координат частиц, составляющих ансамбль. Электромагнитные явления многими еще не считались автономными – усилия большинства ученых были направлены на сведение их к механич. явлениям путем построения хитроумных моделей эфира.

Внутр. противоречия, возникшие при теоретич. объяснении результатов нек-рых опытов в рамках классич. картины мира, привели к возникновению новых, неклассич. направлений релятивистской и квантовой Ф. Релятивистская Ф., возникшая из необходимости объяснить отрицат. результат опыта Майкельсона (спец. относительности теория) и факта равенства инертной и тяжелой массы (общая теория относительности), стала Ф. быстрых движений и сильных гравитац. полей. Квантовая теория, появившаяся в связи с парадоксами объяснения наблюдаемого распределения энергии в спектре излучения абсолютно черного тела (Планк, 1900) явлениями фотоэффекта (Эйнштейн, 1905) и противоречиями планетарной модели атома (Бор, 1913), стала общей теорией взаимодействия и движения микрообъектов. В связи с этим претерпела радикальные изменения вся физич. картина мира. В Ф. движения спец. теория относительности (Эйнштейн, 1905) сделала ненужным представление об эфире как абс. системе отсчета. Это дало возможность и в Ф. взаимодействий отказаться от эфира и приписать полю самостоят. существование.

Сначала теоретически, а затем экспериментально и промышленно (ядерная энергетика) установленные связь массы и энергии (Е=mс²), а также зависимость массы движущегося тела от скорости его движения покончили с резким противопоставлением материи и движения, характерным для классич. Ф. Постулат о постоянстве скорости света во всех инерциальных системах отсчета и распространение принципа относительности на электромагнитные явления показали относительность количеств, определенности пространственных и врем. промежутков. Это привело к понятию единого четырехмерного пространственно-врем. континуума и ликвидировало разобщенность понятий пространства и времени, свойственную классич. механике. Общая теория относительности (Эйнштейн, 1916), интерпретировавшая поле тяготения как искривление пространства-времени, обусловленное наличием материи, перекинула еще один мост от материи и движения к взаимодействию.

Создание в 20-х гг. 20 в. квантовой механики, основанной на представлении о дискретной природе действия (существование миним. кванта действия ħ) (Бор, Борн, Гейзенберг, де Бройль, Шрёдингер, Паули и др.), привело к дальнейшему изменению представлений о движении и взаимодействии, сделав невозможным применение понятия траектории к анализу движения микрообъектов. Релятивистская квантовая механика (Дирак, Паули, Гейзенберг, В. А. Фок, Дайсон, Р. Фейнман, Ю. Швингер и др.), наряду с пространств.-врем. перемещением элементарных частиц, сохраняющим их тождественность и регулируемым законами сохранения энергии и импульса, стала рассматривать их взаимопревращения (см. Микрочастицы). Все эти, как и др. законы сохранения, являются в совр. Ф. следствиями общих свойств симметрии пространства-времени и взаимодействий.

В области структурной Ф. квантовые представления привели к тому, что концепция абсолютно элементарных, неделимых единиц структуры – атомов, уступила место представлениям об относительности понятий элементарности и сложности, о чем в свое время говорил еще Ленин. Релятивистская квантовая теория поля, объединив в едином понятии квантованного поля понятия частицы и поля, преодолела резкое противопоставление пространств. дискретности вещества (взаимодействующих частиц) и пространств. непрерывности поля (переносчика взаимодействия), характерное для классич. Ф. и сохранившееся в нерелятивистской квантовой механике. Изменились и др. связи структурной Ф. с Ф. взаимодействий. В классич. Ф. (включая релятивистскую) результаты взаимодействия целиком определялись пространств.-врем. структурой взаимодействующих объектов (координатами и скоростями – для частиц, напряженностью или потенциалом в каждой точке пространства и законом изменения их во времени – для полей). Знание характеристик элементов структуры позволяло определить состояние системы в целом. Т.о., Ф. взаимодействий была логически вторичной по отношению к структурной Ф.

В современной квантовой Ф. дело обстоит наоборот – на первый план выдвинулась Ф. взаимодействий и ответ на вопрос о строении микрообъектов определяется результатами взаимодействия данной микрочастицы с другими. В связи с этим существенно изменились требования к способу задания состояния микрообъектов в теории. Во-первых, волновая функция относится к системе в целом. Во-вторых, энергетически-импульсные характеристики микрообъектов (потенциальные характеристики их взаимодействия) в квантовой механике являются логически равноправными и, что особенно важно, независимыми по отношению к их пространств.-врем. характеристикам. Наиболее отчетливо логич. первичность взаимодействия по сравнению с пространств.-врем. структурой проявляется в Ф. элементарных частиц. Если в Ф. атома и атомного ядра характеристикам взаимодействия еще могут быть сопоставлены пространств.-врем. модели взаимодействующих объектов (типа боровских орбит, распределения плотности заряда в атомах, различных моделей ядра), дающие нек-рую пространств.-врем. картину механизма взаимодействия, то в Ф. элементарных частиц это можно сделать в гораздо меньшей степени. Элементы структуры атома (ядро и электроны) и атомного ядра (протоны и нейтроны) еще могут считаться существующими "в недрах" исходных частиц до взаимодействия, к-рое приводит лишь к перераспределению этих элементов. Элементарные частицы до взаимодействия могут рассматриваться состоящими из двух элементарных частиц лишь весьма условно. Это находит свое выражение в понятии "виртуальности" элементов структуры элементарных частиц: виртуальные частицы как элементы структуры реальных элементарных частиц характеризуют лишь возможные результаты порождения новых реальных элементарных частиц при взаимодействии исходных реальных частиц. Еще более виртуальными являются т.н. квазичастицы в Ф. полупроводников и Ф. твердого тела, позволяющие трактовать возбуждение состояния макротел как результат существования, движения и взаимодействия квазичастиц. Как и многие другие модельные представления, квазичастицы служат для теоретич. объяснения макроскопически наблюдаемых явлений в твердых и жидких телах. Т.о., совр. теория структуры элементарных частиц приобретает существенно динамич. характер. По сути дела, современная квантовая Ф., вскрыв ограниченность пространств.-врем. описания микромира на языке классич. понятий координаты и скорости, дала более глубокое его описание на языке ψ-функции и ограничила свои задачи описанием и предсказанием всех возможных макроскопически наблюдаемых результатов взаимодействия. Эта черта совр. Ф., считающаяся мн. учеными временной, наиболее ярко проявляется в формализме s-матрицы, представляющем собой физич. воплощение кибернетич. идей "черного ящика".

Совр. Ф. взаимодействий значительно расширила свою объектную область, включив в рассмотрение, наряду с гравитационными и электромагнитными, сильные (ядерные) и слабые (β-распадные) взаимодействия, проявляющиеся только в микромире. Факт наличия четырех существенно различных видов взаимодействий постоянно поддерживает зародившиеся еще в классич. Ф., но пока безуспешные стремления построить общую теорию поля.

В статистич. Ф., куда также проникли квантовые идеи о движении и взаимодействии, оформляется в самостоят. ветвь статистич. Ф. процессов (физич. кинетика).

Достижения Ф. в 20 в. значительно повлияли на конкретные представления о смысле таких филос. категорий, как материя, движение, пространство и время. К числу фундаментальных достижений совр. Ф., имеющих общефилос. значение, относится также установление принципа относительности свойств материальных объектов. Это связано с последоват. учетом в понятийном аппарате теории роли материального окружения объекта (в первую очередь измерит, прибора и системы отсчета) в деле определения этих свойств. Классич. Ф. считала свойства, обнаруживаемые при измерении, присущими объекту и только ему (принцип абсолютности свойств). Уже теория относительности вскрыла количеств. относительность таких свойств объектов, как длина, время жизни, масса, зависящих, как оказалось, не только от самого объекта, но и от системы отсчета. Отсюда следовало, что количеств, определенность свойств объекта должна быть отнесена не к нему "самому по себе", а к системе "объект+система отсчета", хотя носителем качеств. определенности свойств по-прежнему оставался сам объект. Квантовая теория пошла еще дальше в этом направлении, выдвинув идею дополнительности (см. Дополнительноcти принцип). Существование дополнит. свойств, не объяснимое с т. зр. принципа абсолютности свойств, получает естеств. объяснение с помощью принципа относительности свойств. С т. зр. последнего, термин "свойство объекта" следует рассматривать в плане "виртуальности" – как характеристику потенциальных возможностей объекта, к-рые реализуются только при наличии второго объекта, взаимодействующего с первым. С квантовой Ф. связано также гораздо более широкое понимание причинности, опирающееся на отказ от характерного для классич. Ф. предположения, что в основе статистич. закономерностей всегда лежат однозначно определенные динамич. закономерности.

В концептуальных рамках релятивистской и квантовой теорий развитие Ф., для к-рого характерны все более последоват. отказ от применимости классич. представлений "в малом", все более абстрактная характеристика состояния, все меньшая наглядность, продолжается и в наст. время. Принципы и представления этих теорий служат фундаментом как для решения прикладных физико-технических и пром. задач (строительства ускорителей, реакторов, термоядерных установок и атомных электростанций), так и для формирования новых представлений о структуре, взаимодействии и движении при экстраполяции принципов на новые объектные области – в квантовой радиофизике, Ф. полупроводников, Ф. сверхпроводимости, Ф. плазмы, астрофизике и т.д. Задача синтеза релятивистских и квантовых принципов является одной из основных и до сих пор не решенных задач Ф. элементарных частиц, представляющей передний край современной теоретической и экспериментальной Ф.

В области экспериментальной Ф. осн. проблемы состоят, с одной стороны, в осуществлении целенаправленных экспериментов по проверке гипотез о структуре, строении и взаимодействии элементарных частиц, выдвигаемых физиками-теоретиками. С др. стороны, ведется поиск технич. средств, к-рые позволили бы проверить справедливость квантовых и релятивистских принципов на новой объектной области, ранее не доступной экспериментальному изучению (эксперименты с частицами высоких энергий – встречные пучки, космич. лучи).

В теоретич. Ф. осн. круг собственно физич. проблем связан с исследованием формальной структуры матем. аппарата, используемого в теории (попытки аксиоматизации теории поля, вопросы сходимости ряда в теории возмущений и т.п.). Осн. методами, используемыми в новейшей теоретич. Ф., являются теория поля, метод s-матрицы и теория групп. Они различаются как выбором матем. аппарата, так и предъявляемыми к нему требованиями. В теории поля, использующей для построения матем. моделей аппарат алгебры операторов в гильбертовом пространстве, упор делается на строгое матем. осмысливание теории, а не на детальное сравнение с опытом. В основе метода s-матрицы лежит матем. аппарат теории функций комплексного переменного. Оперирование матем. аппаратом производится без опоры на наглядные модельные представления, на основе аксиоматич. требований, предъявляемых к матем. характеристикам s-матрицы (аналитичность, унитарность и т.д.), связывающей состояния до и после взаимодействия. Этот метод в его совр. виде занимает промежуточное положение между случаем, когда создание строгой теории признается более важным (как в теории поля), нежели использование ограниченных и формальных методов (как в теории групп), и случаем, когда поиск ведется вне рамок к.-л. единой методич. концепции путем простого подбора тех или иных моделей с последующим отбрасыванием неудачных вариантов (как в ядерной Ф.).

Методы теории групп, основанные на учете связи типа симметрии состояния физич. объектов с инвариантами групп преобразований, позволили построить ряд абстрактных теорий симметрии сильно взаимодействующих частиц (адронов) – теорию SU3-симметрии, SU6-симметрии и т.п. Эти теории не используют никаких модельных представлений и опираются только на отвлеченные свойства групп. Будучи основаны на глубоких матем. идеях, подобно теории поля, методы теории групп, в отличие от нее, покоятся на прочной экспериментальной основе. Однако, выделяя только те аспекты природы, к-рые удается понять в рамках абстрактной симметрии, эти методы не дают возможности осмыслить численные значения времени жизни частиц и характер их взаимодействий. Поэтому громадный объем экспериментальных фактов (в т.ч. все, относящиеся к легким частицам – лептонам) находится вне поля зрения этих методов. Все три упомянутых метода остаются слишком ограниченными, отрывочными и неопределенными и поэтому рассматриваются ведущими физиками как предварит. достижения на пути к более общей теории, способы построения к-рой пока не ясны.

Методологич. проблемы новейшей Ф. так или иначе связаны с анализом роли матем. аппарата в построении физич. теорий. Это обусловлено существ, отличием характера использования математики в совр. Ф. В классич. Ф. теория обслуживала эксперимент, а матем. язык служил лишь рафинированным средством о п и с а н и я эмпирич. связей и о б ъ я с н е н и я их с помощью разного рода моделей (напр., как в случае отношения эмпирич. законов Бойля–Мариотта, Шарля и Гей-Люссака к распределению Максвелла, основанному на атомно-молекулярной модели строения вещества). Совр. Ф. отличается широким использованием математической гипотезы как метода исследования (хотя сам этот метод зародился уже в классич. Ф.), причем часто без опоры на модельные представления, руководствуясь почти исключительно матем. требованиями к характеру осн. уравнений. Это выдвигает теоретич. уровень исследования на первое место по сравнению с эмпирическим, за к-рым остаются только функции контроля – принципиальная проверка и количеств, уточнение результатов, полученных с помощью матем. гипотезы на теоретич. уровне. В случае успеха существование объектов или их характеристик, предположенное на теоретич. уровне, подтверждается эмпирически, что приводит к открытию новых частиц или эффектов. Именно таким путем были открыты в Ф. позитрон (первоначально предсказанный теоретически на основании интерпретации результатов решения уравнения Дирака), несохранение четности в слабых взаимодействиях (опыты By по проверке гипотезы Ли и Янга), Ω^–-мезон (на основании предсказания теории SU3-симметрии). Ряд объектов, возможность существования к-рых следует из нек-рых матем. гипотез, до сих пор экспериментально не обнаружены – гравитац. волны (их существование вытекает из интерпретации результатов определ. способа решения уравнений общей теории относительности), монополь Дирака (изолированный магнитный полюс, существующий согласно интерпретации одного из вариантов матем. оформления электродинамики), кварки (гипотетич. суперэлементарные частицы) и др.

Методологич. тенденция, идущая от классич. Ф., предписывает искать для каждого матем. выражения, фигурирующего в теории, соответствующий ему фрагмент физич. реальности. Эта тенденция может быть названа онтологической, ибо в ней в качестве принципа интерпретации провозглашается своеобразный принцип параллелизма между матем. формой и физич. содержанием теории. Согласно этому принципу, матем. аппарат теории непосредственно отражает (изоморфно или гомоморфно) объекты, свойства и отношения реального мира как таковые, так что матем. символы являются знаками элементов реальности, а структура матем. выражений воспроизводит структуру реального мира физич. объектов и их взаимодействий.

С этой методологич. тенденцией в совр. Ф. успешно конкурирует тенденция к эмпирич. интерпретации матем. аппарата физич. теории. Принцип такой интерпретации иногда называют "началом принципиальной наблюдаемости". При эмпирич. интерпретации матем. символы теории трактуются как обозначающие результаты реальных эмпирич. процедур, причем физич. смыслом обладают далеко не все из символов. Нек-рые из них, служащие промежуточным средством для вычислений, не получают никакой интерпретации и рассматриваются как вспомогательные. Последоват. приверженцы эмпирия, интерпретации единственно достаточным условием истинности физич. теории считают ее способность к предсказаниям, оправдывающимся на опыте, и не делают из факта успешности подобных предсказаний вывода о сходстве структуры матем. аппарата теории со структурой реальности. Наиболее последовательно принцип эмпирич. интерпретации осуществляется совр. Ф. в методе s-матрицы.

Выражением борьбы тех же принципов интерпретации является полемика вокруг интерпретации квантовой механики (точнее, ее матем. аппарата). Так, ψ-функция, задающая состояние микрообъектов, интерпретируется сторонниками онтологич. интерпретации (Д. Бом, Л. до Бройль, А. Яноши и др.) как отображение нек-рого объективно существующего волнового поля. Сторонники же эмпирич. интерпретации (копенгагенская школа и ее разновидности) считают ψ-функцию лишь промежуточным средством расчета результатов реальных экспериментов.

С проблемой интерпретации в совр. Ф. тесно связана проблема реальности – проблема принципов построения картины мира. Обычно эту картину строят на базе принципов онтологич. интерпретации – путем онтологизации матем. аппарата теории (именно так появились в совр. Ф. представления о двойственной корпускулярно- волновой природе микрообъектов, о кварках и т.п.). При этом изменение вида используемого в теории матем. аппарата влечет за собой изменение онтологич. представлений. Иногда онтологизируются не матем. выражения, а модельные представления, управляющие оперированием с этими выражениями (как, напр., в ядерной Ф.). Полученная подобным способом физич. картина мира считается образом реальности, лежащей на ненаблюдаемом уровне. Сторонники эмпирич. интерпретации склоняются к тому, чтобы употреблять термин "реальность" и конкретизировать его смысл только на эмпирич. уровне исследования, принципиально отказываясь придавать онтологич. смысл гипотезам о характере непосредственно не наблюдаемых объектов. Промежуточной является позиция М. Борна, считающего образами реальности инварианты, фигурирующие в матем. аппарате теории.

Поиск "сумасшедших идей", столь актуальный в совр. Ф., с т. зр. проблемы реальности представляет собой проблему существенно новых принципов построения физич. картины мира, к-рые позволили бы придать теории элементарных частиц логич. замкнутость и полноту. Большинство ученых считает, что принципов квантовой механики и теории относительности недостаточно для осуществления этой цели. Однако отсутствие ощутимых успехов в преодолении этой недостаточности вынуждает при решении конкретных задач до сих пор ограничиваться лишь незначит, модификациями квантово-релятивистского концептуального аппарата, не затрагивающими его принципиальных основ.

Лит.: Дюгем П., Физич. теория, ее цель и строение, пер. с франц., СПБ, 1910; Планк М., Физич. очерки, пер. с нем., М., [1925]; Гейзенберг В., Филос. проблемы атомной Ф., пер. [с англ.], М., 1953; его же, Ф. и философия, пер. с нем., М., 1963; Кудрявцев П. С, История Ф., [2 изд.], т. 1–2, М., 1956; Лауэ М., История Ф., пер. с нем., М., 1956; Нильс Бор и развитие физики. Сб. [ст.], М., 1958; Очерки развития осн. физич. идей. Сб. ст., М., 1959; Филос. вопросы совр. физики. Сб. ст., М., 1959; Бор Н., Атомная Ф. и человеч. познание, пер. с англ., М., 1961; Бройль Л. де, По тропам науки, пер. с франц., М., 1962; его же, Революция в Ф., пер. с франц., 2 изд., М., 1965; Теоретич. физика 20 века, М., 1962; Над чем думают физики, вып. 1–4, М., 1962–65; Развитие совр. Ф. Сб. ст., М., 1964; Борн Μ., Φ. в жизни моего поколения. Сб. ст., М., 1963; Филос. проблемы Ф. элементарных частиц, М., 1963; Спасский Б. И., История Ф., ч. 1–2, М., 1963–64; Эйнштейн Α., Φ. и реальность. Сб. ст., пер. с нем. и англ., М., 1965; Ландау Л. Д., Лифшиц В. М., Теоретич. физика, 2 изд., т. 1–9, М., 1965; Фейнмановские лекции по Ф., [пер. с англ.], вып. 1–8, М., 1965–66; Кузнецов Б. Г., Развитие физич. идей от Галилея до Эйнштейна в свете совр. науки, 2 изд., М., 1966; Эйнштейн Α., Инфельд Л., Эволюция Ф., пер. с англ., 4 изд., [М.], 1966; Campbell N. R., Physics. The elements, Camb., 1920; Lenzen V. Г., The nature of physical theory, N. Y., 1931; Bridgman P. W., The nature of physical theory, Princeton, 1936; Planck M., The philosophy of physics, N. Y., [1936]; Stebbing L. S., Philosophy and the physicists, L., [1937]; Frank Ph., Between physics and philosophy, Camb., 1941; Destouches J. L., Principes foundamentaux de physique théorique, P., [1942]; Lindsay R. В., Margenau H., Foundations of physics, [5 ed.], N. Y.–L., [1947]; Eddington Α., The philosophy of physical science, Camb., 1949; Margenau H., The nature of physical reality, N.Y., 1950; Destouches-Février P., La structure des théories physiques, P., 1951; Weizsäcker C.F. von, Zum Weltbild der Physik, 6 Aufl., Stuttg., 1954.

И. Алексеев, Ю. Румер. Новосибирск.

ФИ́ЗИКА -и; ж. [от греч. physis - природа]

1. Наука, изучающая общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи и законы её движения. Теоретическая ф. // Учебный предмет, излагающий эту науку. Учитель физики.

2. чего. Строение, общие свойства и законы движения какой-л. формы материи; раздел этой науки, изучающий такие свойства и законы. Ф. атмосферы. Ф. моря. Ф. Земли. Ф. элементарных частиц. Ф. твёрдого тела.

3. Разг. Учебник по этому предмету.

◁ Физи́ческий (см.).

* * *

(греч. tá physiká, от phýsis — природа), наука о природе, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие свойства материального мира. По изучаемым объектам подразделяется на физику элементарных частиц, атомных ядер, атомов, молекул, твёрдого тела, плазмы и т. д. К основным разделам теоретической физики относятся: механика, электродинамика, оптика, термодинамика, статистическая физика, теория относительности, квантовая механика, квантовая теория поля.Физика начала развиваться ещё до н. э. (Демокрит, Архимед и др.); в XVII в. создаётся классическая механика (И. Ньютон); в конце XIX в. было в основном завершено формирование классической физики. В начале XX в. в физике происходят революционные изменения, она становится квантовой (М. Планк, Э. Резерфорд, Н. Бор). В 20-x гг. была разработана квантовая механика — последовательная теория движения микрочастиц (Л. де Бройль, Э. Шрёдингер, В. Гейзенберг, В. Паули, П. Дирак). Одновременно (в начале XX в.) появилось новое учение о пространстве и времени — теория относительности (А. Эйнштейн), физика делается релятивистской. Во 2-й половине XX в. происходит дальнейшее существенное преобразование физики, связанное с познанием структуры атомного ядра, свойств элементарных частиц (Э. Ферми, Р. Фейнман, М. Гелл-Ман и др.), конденсированных сред (Дж. Бардин, Л. Д. Ландау, Н. Н. Боголюбов и др.).Физика составляет научный фундамент современной техники и её развития, включая такие направления, как ядерная энергетика, космическая техника, квантовая электроника, вычислительная техника, разработка наукоёмких, ресурсосберегающих технологий. В свою очередь, реализация новых физических идей многократно увеличивает базу и возможности физического эксперимента и его моделирования (исследования экстремальных состояний вещества, строения и эволюции Земли, Солнечной системы и дальнего Космоса, термоядерного синтеза, компьютерное моделирование и др.).

* * *

ФИ́ЗИКА (греч. ta physika, от physis — природа), наука о природе, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие свойства материального мира. По изучаемым объектам физика подразделяется на физику элементарных частиц, атомных ядер, атомов, молекул, твердого тела, плазмы и т. д. К основным разделам теоретической физики относятся: механика, электродинамика, оптика, термодинамика, статистическая физика, теория относительности, квантовая механика, квантовая теория поля.

Физика начала развиваться еще до н. э. (Демокрит(см. ДЕМОКРИТ), Архимед(см. АРХИМЕД) и др.); в 17 в. создается классическая механика (И. Ньютон(см. НЬЮТОН Исаак)); к кон. 19 в. было в основном завершено формирование классической физики. В нач. 20 в. в физике происходит революция, она становится квантовой (М. Планк(см. ПЛАНК Макс), Э. Резерфорд(см. РЕЗЕРФОРД Эрнест), Н. Бор(см. БОР Нильс)). В 20-е гг. была разработана квантовая механика — последовательная теория движения микрочастиц (Л. де Бройль(см. БРОЙЛЬ Луи), Э. Шредингер(см. ШРЕДИНГЕР Эрвин), В. Гейзенберг(см. ГЕЙЗЕНБЕРГ Вернер), В. Паули(см. ПАУЛИ Вольфганг), П. Дирак).(см. ДИРАК Поль) Одновременно (в нач. 20 в.) появилось новое учение о пространстве и времени — теория относительности (А. Эйнштейн(см. ЭЙНШТЕЙН Альберт)), физика делается релятивистской. Во 2-й пол. 20 в. происходит дальнейшее существенное преобразование физики, связанное с познанием структуры атомного ядра, свойств элементарных частиц (Э. Ферми(см. ФЕРМИ Энрико), Р. Фейнман(см. ФЕЙНМАН Ричард Филлипс), М. Гелл-Ман(см. ГЕЛЛ-МАН Марри) и др.), конденсированных сред (Д. Бардин(см. БАРДИН Джон), Л. Д. Ландау(см. ЛАНДАУ Лев Давидович), Н. Н. Боголюбов(см. БОГОЛЮБОВ Николай Николаевич (старший)) и др.).

Физика стала источником новых идей, преобразовавших современную технику: ядерная энергетика (И. В. Курчатов), квантовая электроника (Н. Г. Басов(см. БАСОВ Николай Геннадиевич), А. М. Прохоров(см. ПРОХОРОВ Александр Михайлович) и Ч. Таунс(см. ТАУНС Чарлз Хард) ), микроэлектроника, радиолокация и др. возникли и развились в результате достижений физики.

(от греч.physike, physis — природа) — наука, изучающая наиболее общие свойства материального мира, а именно: существующие формы материи и ее строение (атомы, молекулы, ядра, элементарные частицы, кристаллы, жидкости и пр.), взаимодействия и движения различных форм материи (электромагнитные, гравитационные, ядерные, слабые взаимодействия и многие другие процессы). Существенным фактором физики является пользование математикой (См. Физическая картина мира).

ФИЗИКА

Науки делятся на две группы — на физику и собирание марок.

Эрнест Резерфорд

Существует лишь то, что можно измерить.

Макс Планк

Когда видишь уравнение Е = тс2, становится стыдно за свою болтливость.

Станислав Ежи Лец

Эйнштейн объяснял мне свою теорию каждый день, и вскоре я уже был совершенно уверен, что он ее понял.

Хаим Вейцман в 1929 г.

— Я работаю с утра до вечера. — А когда же вы думаете?

Диалог между молодым физиком и Эрнестом Резерфордом

Если бы я мог упомнить названия всех элементарных частиц, я бы стал ботаником.

Энрико Ферми

В сущности, теоретическая физика слишком трудна для физиков.

Давид Гильберт, математик

Господь Бог не играет в кости.

Альберт Эйнштейн о «принципе неопределенности» в квантовой механике

Господь Бог изощрен, но не злонамерен.

Альберт Эйнштейн

Господь не только играет в кости, но к тому же забрасывает их порою туда, где мы их не можем не увидеть.

Стивен Хокинг

Не наше дело предписывать Богу, как ему следует управлять этим миром.

Нильс Бор

Во всем виноват Эйнштейн. В 1905 году он заявил, что абсолютного покоя нет, и с тех пор его действительно нет.

Стивен Ликок

Я физик и имею право на сохранение энергии.

Хуго Штейнхаус

Энергия любит материю, но изменяет ей с пространством во времени.

Славомир Врублевский

Если оно зеленое или дергается — это биология. Если воняет — это химия. Если не работает — это физика.

«Краткий определитель наук»

Ад должен быть изотермальным. В противном случае помещенные туда инженеры и физико-химики (а их там должно быть немало) смогли бы сконструировать тепловую установку, которая питала бы холодильник, с тем чтобы охладить часть своего окружения до любой заранее выбранной температуры.

Генри Бент

Два элемента, которые наиболее часто встречаются во Вселенной, — водород и глупость.

Фрэнк Заппа

(греч. tа physika - наука о природе, от physis - природа) - наука о строении материи и о простейших формах её движения и взаимодействия. Совр. Ф. исследует элементарные частицы, атомные ядра, атомы, молекулы, макроскопич. агрегаты этих частиц - твёрдые тела, жидкости и газы, включая плазму, а также поля физические, связывающие частицы в-ва в системы. Ф. подразделяют на отд. области как в соответствии с указанным выше многообразием объектов её исследования (напр., на Ф. твёрдого тела, Ф. плазмы), так и в связи с качеств. различиями изучаемых процессов и явлений (напр., на механику, акустику, учение о теплоте, электричество и магнетизм, оптику). По методам исследования различают экспериментальную и теоретич. Ф. Наиболее общими теориями в совр. Ф. являются относительности теория, квантовая механика, статистическая физика, термодинамика и теория поля. Ф. - основа естествознания. Её представления, результаты и методы исследования широко используются всеми естеств. науками (астрономией, биологией, геологией, химией и др.). Это привело к образованию таких пограничных наук, как биофизика, хим. физика, физ. химия, астрофизика, геофизика. Особенно тесно Ф. связана с математикой. Ф. служит теоретич. основой совр. техники (электротехники, электроники, теплотехники и т. д.).

ФИЗИКА — (1) основополагающая область естествознания — наука о формах существования, свойствах и закономерностях движения и превращения материи и энергии (вещества и поля), их взаимодействия в пространстве и времени (см.). В отличие от химии (см.), изучающей изменения самого вещества, Ф. изучает главным образом те изменения энергии, которые имеют место при взаимодействии тел (масс), полей (сил). Ф. изучает элементарные частицы, атомные ядра, атомы, молекулы, твёрдые тела, жидкости, газы, плазму, а также свет, оптику, физ. поля, космические объекты, излучения и др. По методам исследования различают Ф. экспериментальную и теоретическую. Законы Ф. составляют основу современного естествознания (картина мира) и являются теоретическим фундаментом современной техники. К фундаментальным физическим теориям относятся: классическая механика, квантовая механика, квантовая теория поля, электродинамика, теория относительности, ядерная Ф., термодинамика, статистическая Ф. и др. Особо выделяют теорию колебаний и волн. На стыке Ф. и др. естественных наук возникли астрофизика, геофизика, физ. химия, биофизика и др.; (2) Ф. высоких энергий — раздел Ф., в котором изучают свойства, взаимодействия и возможную «структуру» составных элементарных частиц. Экспериментальными средствами Ф. высоких энергий являются ускорители заряженных частиц (см. (1)).