История физики

История физики исследует эволюцию физики — науки, изучающей фундаментальные (наиболее общие) свойства и законы движения объектов материального мира. Предметом истории физики являются выявление и обобщённый анализ основных событий и тенденций в развитии физических знаний.

До XVII века

История физики как самостоятельной науки начинается в XVII веке с опытов Галилея и его учеников. Теоретический фундамент классической физики создал Ньютон в конце XVII века. Сочетание быстрого технологического развития и его теоретического осмысления в XVIII—XIX веках привело к выявлению коренных физических понятий (масса, энергия, импульс, атомы и т. д.) и открытию фундаментальных законов их взаимосвязи, хорошо проверенных в экспериментах^[2].

В начале XX века сразу в нескольких областях была обнаружена ограниченность сферы применения классической физики. Появились теория относительности, квантовая физика, теория микрочастиц. Но количество нерешённых физических проблем по-прежнему велико, и это стимулирует деятельность физиков к дальнейшему развитию данной науки.

История науки
По тематике
Математика
Естественные науки
Астрономия
Биология
Ботаника
География
Геология
Почвоведение
Физика
Химия
Экология
Общественные науки
История
Лингвистика
Психология
Социология
Философия
Юриспруденция
Экономика
Технология
Вычислительная техника
Сельское хозяйство
Медицина
Навигация
Категории

В Древнем мире происходило становление

Средств для проверки теоретических моделей и выяснения вопроса, какая из них верна, в древности было крайне мало, даже если речь шла о земных каждодневных явлениях. Единственные физические величины, которые умели тогда достаточно точно измерять, — вес, длина и угол. Эталоном времени служили сутки, которые в Древнем Египте делили не на 24 часа, а на 12 дневных и 12 ночных, так что было два разных часа, и в разные сезоны продолжительность часа была разной^[4]. Но даже когда установили привычные нам единицы времени, из-за отсутствия точных часов большинство физических экспериментов было бы невозможно провести. Поэтому естественно, что вместо научных школ возникали умозрительные или мистические учения.

Несмотря на большое число дошедших до нас документов древнего Египта и Вавилона (III—I тысячелетия до н. э.), ни один из них не содержит каких-либо сведений по физике. Наиболее развитой теоретической наукой была, видимо, астрономия, тогда ещё не отделившаяся от астрологии. Для нужд астрономии в Вавилоне разработали методы довольно точного измерения времени и углов; точность вавилонских астрономических таблиц была намного выше, чем египетских^[5].

В области прикладной механики, судя по впечатляющим сооружениям, египтяне и вавилоняне далеко продвинулись — они умело использовали при строительстве блоки, наклонные плоскости, рычаги, клинья и другие механизмы. Однако нет признаков того, что у них существовала какая-либо развитая физическая теория^[5][1].

Древнейшие дошедшие до нас публикации в области естественных наук появились в Китае и относятся к VII веку до н. э.; возможно, были и более ранние. Китай уже в древние времена достиг высокого уровня развития строительства и ремесла, и накопленный опыт был подвергнут научному анализу. Расцвет китайской физики относится примерно к V—II векам до н. э. Результаты размышлений древнекитайских учёных были включены в различные общефилософские сочинения, из которых выделяются труды Мо-цзы (IV век до н. э.) и его учеников («моистов»)^[6][1].

В той части труда «Моистский канон», где затронуты физические вопросы, основное внимание уделяется механике. Там предпринята первая попытка сформулировать

Китайцы далеко продвинулись в открытии законов геометрической оптики, в частности, им была известна камера-обскура, причём принцип её работы был описан совершенно правильно (в трактате «Мо-цзин»). Примерно с VI века до н. э. китайцы начали использовать компас («указатель юга»), действие которого они объясняли воздействием звёзд и использовали также для гадания^{[C 1]}. Привычный нам компас со стрелкой появился впервые тоже в Китае в XI веке. Китайские учёные много занимались теорией музыки (в том числе резонансом) и акустикой^[7].

В целом древнекитайская физика имела прикладной характер. Отдельные попытки обобщения огромного накопленного эмпирического материала носили метафизический или даже религиозный характер; например, привлекались понятия инь/ян и других природных стихий или конфуцианская мистика^[8][1].

Индийские натурфилософы представляли мир состоящим из пяти основных

• 
  Фалес Милетский
• 
  Анаксагор
• 
  Демокрит
• 
  Архимед
• 
  Герон

Античная наука в Древней Греции опиралась на построенную греческими философами содержательную и целостную систему математических знаний — алгебраических и геометрических.

Ранние античные физики выдвигали различные гипотезы о том, что следует считать основой Вселенной, первоэлементом, из которого строится всё многообразие наблюдаемых объектов.

Платон, знаменитый философ IV века до н. э., коснулся физических проблем в своём диалоге «Тимей». Несмотря на откровенно мистический характер изложенных там идей, этот труд оставил заметный след в истории науки и философии. Платон постулировал существование, наряду с материальным, ещё и идеального мира «чистых идей», устроенного по законам красоты и математики; реальный же мир представляет собой его размытую копию^[14].

Платон признаёт четыре классические стихии: землю, воду, воздух и огонь, но наряду с ними — ещё и первичный элемент, порождающий прочие четыре, когда укладывается в фигуры правильных многогранников. Платон даже нарисовал схему, какие многогранники соответствуют разным стихиям; например, куб соответствует земле, а пирамида — огню. С этих позиций Платон анализирует и объясняет различные физические процессы — горение, растворение, смену фаз воды, коррозию и т. д.^[14]

Появление апорий Зенона поставило труднейшую и до сих пор не решённую проблему: делимы ли материя, время и пространство бесконечно или для деления существуют какие-то пределы. Одним из вариантов ответа на этот вопрос стал атомизм (Демокрит, V век до н. э.), согласно которому разные тела отличаются друг от друга не составом, а строением, то есть структурой соединения в них неделимых атомов (впрочем, допускалось наличие атомов разных типов и формы). Атомисты считали, что в природе нет ничего, кроме атомов и пустоты. Атомы обладают способностью достаточно прочно соединяться между собой, образуя вещество и другие наблюдаемые физические проявления (свет, тепло, запахи, магнетизм, электрические эффекты). Эпикур даже полагал, что свобода воли человека вызвана тем, что движение атомов подвержено случайным смещениям^[15].

Атомисты провозгласили

Позже аналогичный тезис высказывали Демокрит, Эпикур, Аристотель и другие натурфилософы.

Аристотель (IV век до н. э.) осудил модели своих предшественников как догматические и не подтверждённые наблюдениями. Единственным источником сведений о природе он признал анализ реального опыта, а вводить в теорию заведомо ненаблюдаемые понятия (вроде атомов или корпускул) принципиально недопустимо. Сам Аристотель старался на место догм поставить логические рассуждения и ссылку на общеизвестные физические явления. Термин «Физика» возник как название одного из сочинений Аристотеля. Учёному одно время приписывался содержательный труд «Механические проблемы», но, скорее всего, у этой книги был более поздний автор из Александрии, по взглядам близкий к школе Аристотеля^[17].

Предметом физики, по мнению Аристотеля, является выяснение первопричин природных явлений:

Так как научное знание возникает при всех исследованиях, которые простираются на начала, причины или элементы путём их познания (ведь мы тогда уверены в познании всякой вещи, когда узнаём её первые причины, первые начала и разлагаем её впредь до элементов), то ясно, что и в науке о природе надо определить прежде всего то, что относится к началам.

Вопреки стремлению Аристотеля к опытному обоснованию физики, такой подход, из-за отсутствия экспериментальной физики и точных измерительных приборов, ещё долго (фактически до Ньютона) отдавал приоритет метафизическим фантазиям. В частности, Аристотель и его последователи утверждали, что движение тела поддерживается приложенной к нему силой. Понятия скорости у Аристотеля, как и у других античных мыслителей, не было, так как для него требуется отношение пути ко времени, а греки признавали только отношения однородных величин (по той же причине отсутствовало понятие плотности)^[18].

Аристотель резко критиковал атомистов, заявив: если атомов бесконечно много и они движутся, то у них должно быть бесконечно много «движущих причин», но тогда мир обратился бы в хаос. Большинство движений, по Аристотелю, происходят потому, что тела стремятся занять свои естественные места — например, для тяжёлых тел такое место находится в центре Земли, отсюда возникает эффект падения. Тяжёлые предметы, по мнению Аристотеля, падают быстрее, чем лёгкие той же формы, и время падения обратно пропорционально весу тел. Аристотель рассматривал также и «искусственное движение» под влиянием приложенной силы, но считал, что с прекращением воздействия тело остановится. Очевидное противоречие с опытом — например, летящая стрела движется вовсе не по вертикали — Аристотель объяснял тем, что стрелу поддерживает возмущение воздуха, созданное при выстреле. Он отрицал возможность пустоты, так как в ней невозможно определить «естественное движение»^[17][18].

Аристотель отверг и модель Платона. Он указал, что она не объясняет многие реальные явления, например, рост давления пара при закипании воды, а связь свойств стихий с многогранниками есть произвольный домысел. Взамен Аристотель предложил столь же надуманную «теорию качеств»^[17].

Всё же часть изложенных у Аристотеля физических знаний выдержала испытание временем и, с соответствующими уточнениями, укоренилась в науке. При описании принципа действия весов он дал (в несколько туманной формулировке) условие равновесия рычага^[19]. В акустике он правильно описал, что источником звука от звучащего тела является сжатие и разрежение воздуха, а эхо вызвано отражением звука от препятствий^[20].

Система Аристотеля просуществовала почти два тысячелетия, за это время она подверглась многочисленным толкованиям и комментариям. Большой спор вызвал, например, вопрос о том, как меняется вес тела по мере его приближения к центру Земли — одни считали, что вес растёт, другие — что он падает до нуля^[18].

После IV века до н. э. идейные системы афинской научной школы, недостаточно связанные с опытом, обогащаются более практичным подходом

Ещё Эмпедокл и Анаксагор экспериментально доказали упругость воздуха. Герон, обобщая накопленный опыт по гидравлике, опубликовал двухтомное учебное пособие «Пневматика». Сжимаемость газа, писал Герон, доказывает, что он состоит из частиц, разделённых пустотой. В «Пневматике» описано множество технических устройств, в том числе первая паровая турбина (эолипил). Большой вклад был внесен в теоретическую акустику и теорию музыки^[18].

Эллины успешно развивали

Римская империя поддерживала в первую очередь высокий уровень развития инженерного искусства (строительство, военная техника, водопроводы и др.). Из руководств по практической инженерии большой интерес представляют «Десять книг об архитектуре» Витрувия (I век до н. э.), содержащие ряд перспективных физических идей. Витрувий характеризует звук как волны в воздухе, пишет о круговороте воды в природе (многие его современники верили в самозарождение воды в пещерах из воздуха), утверждает, что ветры образуются от «напряжения водяных паров»^[25].

Несколько римских мыслителей оставили сочинения по теоретико-физическим проблемам — частью под греческим влиянием, частью оригинальных.

В оптике крупнейший после Птолемея вклад сделал Ибн аль-Хайсам (XI век, в Европе его называли «Альхазен»), автор монографии «Книга оптики». Альхазен отверг древнюю гипотезу о лучах зрения, исходящих из глаз, дал правильное описание строения глаза и свойств бинокулярного зрения. Он, однако, полагал, что изображение внешних предметов формируется внутри хрусталика^{[C 3]}. Альхазен высказал предположение о конечности скорости света и проводил опыты с камерой-обскурой, опыты по преломлению света и эксперименты с различными видами зеркал. Он установил, что отражённый от криволинейного зеркала луч находится в плоскости, содержащей падающий луч и нормаль к поверхности. Взгляды Альхазена (без упоминания его имени) были детально изложены в книге Эразма Витело (Вителлия), которая появилась в 1271 году и заслужила большую популярность; эта книга издавалась на протяжении 300 лет и существенно содействовала развитию оптики в Европе^[29].

В соответствии с учением Аристотеля, средневековые мыслители считали, что тела тяготеют к их естественному месту пребывания. Например, «тяжёлые» тела тяготеют вниз, «лёгкие» — вверх. Как указано выше, считалось, что для поддержания движения требуется некоторая сила, без силы движение прекращается. Эта модель подверглась аргументированной критике Иоанном Филопоном уже в VI веке н. э. Филопон выдвинул ряд вопросов, для которых механика Аристотеля не даёт правильного ответа, например: почему камень, брошенный рукой вертикально вверх, после отрыва от руки продолжает некоторое время двигаться вверх, хотя сила броска на него больше не действует? Если движение брошенного тела поддерживает, по мнению Аристотеля, возмущение воздуха, то что поддерживает движение колеса, приведенного толчком во вращение вокруг своей оси, ведь воздух тут явно ни при чём? Филопон также отверг мнение Аристотеля, что тяжёлые тела падают быстрее лёгких^[33].

Для ответа на эти вопросы средневековые учёные (Филопон, позднее —

Большие перемены произошли и в развитии теоретической науки.

Открытия Галилея ясно и убедительно, хотя и в общих чертах, указали путь к созданию новой механики. Хотя в ряде случаев Галилей ошибался (скажем, причиной приливов он считал вращение Земли), но большинство этих ошибок относятся к ситуациям, где он не мог поставить проверочный опыт[45].

Ученик Галилея, Торричелли, развил идеи Галилея о движении, сформулировал принцип движения центров тяжести, решил ряд задач гидродинамики и баллистики, в том числе открыл фундаментальную формулу Торричелли (для скорости вытекающей из сосуда жидкости)^[46]. Он опубликовал основанные на идеях Галилея артиллерийские таблицы, однако из-за неучёта сопротивления воздуха их погрешность оказалась практически неприемлемой^[45][47].

• 
  Иоганн Кеплер
• 
  Рене Декарт
• 
  Христиан Гюйгенс
• 
  Исаак Ньютон

В XVII веке интерес к науке в основных странах Европы резко возрос. Возникают первые Академии наук и первые научные журналы. Возрождаются, несмотря на противодействие католической церкви, идеи

В 1637 году

Декарт уже понимал, что движение планеты — это ускоренное движение. Вслед за Кеплером Декарт считал: планеты ведут себя так, как будто существует притяжение Солнца. Для того чтобы объяснить притяжение, он сконструировал механизм Вселенной, в которой все тела приводятся в движение толчками вездесущей, но невидимой, «тонкой материи». Лишённые возможности двигаться прямолинейно из-за отсутствия пустоты, прозрачные потоки этой среды образуют в пространстве системы больших и малых вихрей. Вихри, подхватывая более крупные, видимые частицы обычного вещества, формируют круговороты небесных тел, вращают их и несут по орбитам. Внутри малого вихря находится и Земля. Круговращение стремится растащить прозрачный вихрь вовне, при этом частицы вихря прижимают видимые тела к Земле. По Декарту, это и есть тяготение^[50][52].

Физика Декарта была первой попыткой описать в единой системе все типы природных явлений как механическое движение, представить Вселенную как единый механизм. Многое в этой системе (например,

Свои рассуждения Ньютон сопровождает описанием опытов и наблюдений, убедительно подтверждающих его выводы. Кроме механики, Ньютон заложил основы оптики, небесной механики, гидродинамики, открыл и далеко продвинул математический анализ. Изложенные Ньютоном законы имеют всеобщий характер, так что исчезли основания для разделения физики на земную и «небесную», а система Коперника—Кеплера получила прочную динамическую основу. Этот успех подтверждал распространённое среди физиков мнение, что все процессы во Вселенной имеют в конечном счёте механический характер.

Физические концепции Ньютона находились в резком противоречии с декартовскими. Ньютон верил в атомы, считал «поиск первопричин» вторичным методом, которому должны предшествовать эксперимент и конструирование математических моделей. По этой причине ньютоновская теория тяготения, в которой притяжение существовало без материального носителя и без механического объяснения, долгое время отвергалась учёными (особенно картезианцами) континентальной Европы; дальнодействующее тяготение отвергали, среди прочих, такие крупные учёные как Гюйгенс и Эйлер. Только во второй половине XVIII века, после работ Клеро по теории движения Луны и кометы Галлея, критика утихла^[57]. Хотя метафизические фантазии кое-где встречались и в последующем, всё же, начиная с XVIII века, основным методом познания в физике становится метод Галилея и Ньютона — проведение опытов, выявление по их результатам объективных узловых физических понятий («сил природы», как выражался Ньютон), математическое описание взаимосвязи этих понятий (чаще всего в форме дифференциальных уравнений), теоретический анализ и опытная проверка полученной модели^[58].

В области древней науки оптики в XVII веке был совершён целый ряд фундаментальных открытий. Был наконец сформулирован правильный

Продолжались споры сторонников корпускулярной и волновой природы света. Гюйгенс в «Трактате о свете» построил первую качественную и отчасти математическую модель световых волн — ещё несовершенную, так как она не могла объяснить ни дифракции, ни прямолинейного распространения света. Главным достижением Гюйгенса стал «принцип Гюйгенса», лежащий в основе волновой оптики — он наглядно объясняет ход распространения волны^[60].

Важным этапом в развитии оптики и астрономии стало создание Ньютоном первого зеркального телескопа (рефлектора) с вогнутым сферическим зеркалом: в нём, в отличие от чисто линзовых телескопов, отсутствовала хроматическая аберрация. Ньютон также опубликовал теорию цветности, хорошо проверенную на опытах, и доказал, что белый солнечный свет есть наложение разноцветных составляющих. Свои представления о свойствах света (не отвлекаясь на гипотезы о его природе) Ньютон изложил в капитальной монографии «Оптика» (1704), на столетие определившей развитие этой науки^[61].

Экспериментальная основа знаний об электричестве и магнетизме к началу XVI века включала только электризацию трением, свойство

В 1600 году врач английской королевы

Декарт построил первую теорию магнетизма: вокруг магнита циркулируют потоки винтообразных эфирных частиц двух типов, с противоположной резьбой. Эти потоки вытесняют воздух между двумя магнитами, в результате чего они притягиваются; аналогично Декарт объяснил притяжение железа к магниту. За электростатические явления аналогично ответственны частицы лентообразной формы^[65]. Модель Декарта, за неимением лучшей, просуществовала почти до конца XVIII века^[62].

В 1647 году

В других трудах Бойль утверждает, что материя состоит из мелких частиц (корпускул, в современной терминологии — молекул), определяющих химические свойства вещества, и химические реакции сводятся к перестановке таких частиц. Он также обосновал кинетический характер теплоты, то есть её глубокую связь с хаотическим движением частиц тела: при нагревании скорость этих частиц увеличивается^[67].

Книга Бойля «Новые физико-механические эксперименты касательно упругости воздуха» получила широкую известность, исследованием свойств газов и их практическим применением занялись крупнейшие физики Европы.

Из других важных открытий XVII века следует назвать закон Гука (1678), связывающий растяжение упругого тела с приложенной силой.

Главным достижением техники XVIII века стало изобретение паровой машины (1784 год), вызвавшее перестройку многих промышленных технологий и появление новых средств производства. В связи с быстрым развитием металлургии, машинной и военной промышленности интерес к физике растёт. Начинается выпуск не только сводных, но и специализированных научных журналов, количество и тиражи научных изданий показывают постоянный рост. Повысился престиж науки, лекции видных учёных привлекают толпы любознательного народа^[69][70].

Физики-экспериментаторы в этот период уже располагали множеством измерительных инструментов приемлемой точности и средствами изготовления недостающих приборов. Смысл термина «физика» сузился, из сферы этой науки были выделены астрономия, геология, минералогия, техническая механика, физиология. Картезианство, не подтверждаемое опытом, быстро теряет сторонников; Даламбер в 1743 году иронически назвал картезианцев «почти не существующей сектой». Ускоренными темпами развивались механика и учение о теплоте. Во второй половине века начинается интенсивное изучение электричества и магнетизма. В рамках ньютоновской системы мира с большим успехом формируется новая небесная механика. Характерной особенностью физики XVIII века является тот факт, что все разделы физики, а также химии и астрономии, развивались независимо, попытка Декарта создать единую целостную систему знаний была признана неудачной и на время оставлена. Однако носителями природных сил по-прежнему считались декартовские «тонкие материи» — невидимые, невесомые и всепроникающие (теплород, электрическая и магнитная жидкости)^[71][69].

Первоначально теоретическая и прикладная физика развивались в значительной степени независимо — например, в изобретении очков не участвовали теоретики-оптики. С XVIII века взаимодействие теории с практикой начинает становиться более интенсивным, хотя в разных разделах физики ситуация разная — в более развитых разделах взаимодействие более заметно. Например, термодинамика делала только первые шаги, и паровая машина была построена без помощи теоретиков, а вот развитие оптического приборостроения в XVIII веке уже существенно опирается на хорошо развитую теорию^[71].

• 
  Леонард Эйлер
• 
  Жозеф Луи Лагранж
• 
  Даниил Бернулли
• 
  Пьер Луи де Мопертюи

Создание

Вопрос о том, какая величина (импульс ${\displaystyle mv}$ или «живая сила» ${\displaystyle mv^{2}}$) сохраняется при движении, вызвал горячие споры, продолжавшиеся до середины XVIII века, когда

• 
  Бенджамин Франклин
• 
  Шарль Огюстен де Кулон
• 
  Луиджи Гальвани
• 
  Алессандро Вольта

В первой половине XVIII века единственным источником электричества служила электризация трением. Первый существенный вклад в электростатику сделал

Франклин предложил и первую теорию: электричество, по его мнению, есть особая субстанция из мельчайших частиц, подобная жидкости («флюид»). Она притягивается к обычному веществу и может входить внутрь его, но отталкивается сама от себя. Разные материалы могут вместить в себе разное количество электричества, при этом они становятся окружены некой «электрической атмосферой». Положительный и отрицательный заряды, по этой теории, вызваны избытком или недостатком электрической субстанции соответственно. Теория Франклина не объясняла, однако, почему отрицательно заряженные тела, лишённые электричества, отталкиваются так же, как и положительно заряженные, поэтому многие физики склонялись к мнению, что «электрических жидкостей» всё-таки две[80].

Мнения учёных о модели Франклина разделились: была резкая критика, но были и сторонники, среди которых — видный немецкий физик Эпинус. Эпинус был известен тем, что открыл пироэлектричество и предсказал закон Кулона за 20 лет до Кулона. Эпинус также предположил, что разряд лейденской банки имеет колебательный характер. Эйлер в особую электрическую жидкость не верил и приписывал электрические явления процессам сгущения/разрежения в эфире^[78].

Конец века ознаменовался двумя этапными событиями в истории электричества. В 1785 году появился первый из мемуаров

В начале века немецкий физик

В оптике, под влиянием ньютоновской критики, волновая теория света в течение XVIII века почти потеряла сторонников, несмотря на решительную поддержку

Важной особенностью периода стало постепенное укрепление мнения, что не все явления природы основаны на механическом движении. Уже второе начало термодинамики не допускало механического обоснования, поскольку из него вытекала необратимость ряда процессов, а попытки объяснить электромагнетизм как колебания эфирной среды натолкнулись на непреодолимые трудности, разрешившиеся только в XX веке с появлением теории относительности и упразднением эфира как среды-носителя^[93].

В XIX веке появились много новых разделов физики, прежде всего — связанные с

• 
  Томас Юнг
• 
  Огюстен Жан Френель
• 
  Арман Ипполит Луи Физо

Через сто лет после появления «

Первый удар по корпускулярной (эмиссионной) теории света нанёс

Курьёзный случай описывает Араго: на заседании комиссии академиков Пуассон выступил против теории Френеля, так как из неё следовал нелепый вывод: при определённых условиях в центре тени от непрозрачного кружка мог появиться ярко освещённый участок. На одном из следующих заседаний Френель и Араго продемонстрировали членам комиссии этот эффект, получивший название «пятно Пуассона»^[95]. С этих пор формулы Френеля для дифракции, преломления и интерференции вошли во все учебники физики. И Юнг, и Френель рассматривали свет как упругие продольные колебания эфира, плотность которого в веществе выше, чем в вакууме^[94].

Оставалось понять механизм поляризации. Ещё в 1816 году Френель обсуждал возможность того, что световые колебания эфира не продольны, а поперечны. Это легко объяснило бы явление поляризации. Однако поперечные колебания ранее встречались только в несжимаемых твёрдых телах, в то время как эфир считали близким по свойствам к газу или жидкости. Исследование отражения поляризованного света убедило Френеля, что гипотеза о поперечности световых волн справедлива, после чего он представил мемуар с описанием новых опытов и полную теорию поляризации, сохраняющую значение и в наши дни^[96]. Следующие почти сто лет обозначены триумфальным успехом волновой теории во всех областях. Классическая волновая оптика была завершена, поставив в то же время труднейший вопрос: что же такое эфир и каковы его свойства?^[94]

Сильнейшее влияние на развитие физики имел

• 
  Ханс Кристиан Эрстед
• 
  Андре Мари Ампер
• 
  Майкл Фарадей

К концу XVIII века в активе физики электромагнитных явлений были уже теория

Теоретической основой этих результатов считалось существование двух типов «электрической жидкости», положительной и отрицательной; каждая из них притягивает частицы другого типа и отталкивает — своего собственного. Тело заряжено, если один из типов этой жидкости преобладает; проводниками являются те материалы, которые не оказывают электрическим жидкостям сопротивления. Сила притяжения или отталкивания подчиняется закону обратных квадратов^[98].

Как уже сказано выше, в 1800 году

• электролиз: в том же 1800 году Никольсон и Карлайл (William Nicholson, Anthony Carlisle) разложили воду на водород и кислород, а Дэви в 1807 году открыл калий и натрий.
• электрическая дуга: В. В. Петров (1802) и Дэви.

Главные сенсационные события начались в 1820 году, когда

• первый
  Фарадей
  )
• термоэлемент (1821 год, Зеебек)
• первый чувствительный гальванометр для измерения величины тока (1825 год, Л. Нобили)
• закон Ома (1827)

В 1826 году Ампер издал монографию «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта». Он открыл электромагнит (соленоид), высказал идею электрического телеграфа. Формула Ампера для взаимодействия двух элементов тока вошла в учебники. Максвелл назвал Ампера «Ньютоном электричества»^[98].

Первые

После открытий Фарадея стало ясно, что старые модели электромагнетизма (

В первой работе (1855—1856) Максвелл дал ряд уравнений в интегральной форме для постоянного электромагнитного поля на основе гидродинамической модели (силовые линии соответствовали трубкам тока жидкости). Эти уравнения вобрали всю электростатику, электропроводность и даже поляризацию. Магнитные явления моделируются аналогично. Во второй части работы Максвелл, уже не приводя никаких аналогий, строит модель электромагнитной индукции. В последующих работах Максвелл формулирует свои уравнения в дифференциальной форме и вводит

Единство природных сил, которое не сумел доказать Декарт, было восстановлено. Гипотезы об электрической и магнитной жидкостях ушли в прошлое, вместо них появился новый физический объект — электромагнитное поле, объединяющее электричество, магнетизм и свет. Первоначально это поле трактовали как механические процессы в упругом эфире^[102].

Часть физиков выступила против теории Максвелла (особенно много возражений вызвала концепция тока смещения).

Уже в 1887 году Герц построил первый в мире радиопередатчик (вибратор Герца); приёмником служил резонатор (разомкнутый проводник). В том же году Герц обнаружил ток смещения в диэлектрике (заодно открыв фотоэффект). В следующем году Герц открыл стоячие электромагнитные волны, позже с хорошей точностью измерил скорость распространения волн, обнаружил для них те же явления, что и для света — отражение, преломление, интерференция, поляризация и др.^[102]

В 1890 году

• 
  Джон Дальтон
• 
  Джеймс Джоуль
• 
  Рудольф Клаузиус
• 
  Уильям Томсон (лорд Кельвин)
• 
  Людвиг Больцман

Успехи химии и невозможность взаимопревращения

В 1802 году Гей-Люссак и Дальтон открыли закон связи объёма и температуры газа. В 1808 году Гей-Люссак обнаружил парадокс: газы соединялись всегда в кратных объёмных отношениях, например: C + O₂ (по одному объёму) = CO₂ (два объёма). Для объяснения этого противоречия с теорией Дальтона Авогадро в 1811 году предложил разграничить понятие атома и молекулы. Он также предположил, что в равных объёмах газов содержится равное число молекул (а не атомов, как считал Дальтон). Тем не менее вопрос о существовании атомов был спорным ещё долгое время^[110].

В теории тепла в первой половине XIX века по-прежнему господствовал

В это же время начинают формироваться современные понятия

», добавил в выражение для последней множитель ${\displaystyle 1/2}$, после чего кинетическая энергия ${\displaystyle {\frac {mv^{2}}{2}}}$ приобрела современный вид

Работы по

Кельвин в 1848 году предложил «абсолютную температурную шкалу» (шкалу Кельвина), начинающуюся в точке «абсолютного нуля» (—273 градуса Цельсия). Максвелл в 1860 году вывел статистический закон распределения скоростей молекул газа, получил формулы для внутреннего трения и диффузии, создал набросок кинетической теории теплопроводности^[113].

Дальнейшие успехи кинетической теории газов и термодинамики во многом связаны с

• 
  Джозеф Джон Томсон
• 
  Анри Беккерель
• 
  Роберт Эндрюс Милликен
• 
  Эрнест Резерфорд

Чтобы связать атомную гипотезу с электрическими явлениями, Берцелиус и Фарадей предположили, что имеются два типа атомов, с положительными и отрицательными зарядами. Из этого следовало существование наименьшего электрического заряда. Стоуни предложил термин «электрон» (1874 год) и дал неплохую оценку его заряда. Были и другие гипотезы, например, У. Праут считал, что раз атомные веса элементов кратны атомному весу водорода, то существует один первичный атом — водорода, а все прочие состоят из сцеплённых первичных атомов. Крукс предположил, что существует нулевой первоэлемент — «протил», составляющий и водород, и прочие элементы, а Уильям Томсон считал атом стабильным вихрем в эфире^[116].

Ещё ранее, в 1858 году, при исследовании электрического разряда в газе были открыты катодные лучи. После долгих дискуссий учёные пришли к выводу, что это и есть поток электронов. В 1897 году Дж. Дж. Томсон измерил отношение заряд/масса для катодных лучей и доказал, что оно не зависит от материала катода и других условий опыта. Предположив, что заряд электрона совпадает с (уже известным) зарядом иона водорода, Томсон получил оценку массы электрона. Ко всеобщему удивлению, она оказалась во много раз меньше массы атома водорода. Гипотезу Берцелиуса-Фарадея пришлось отвергнуть. Томсон показал также, что частицы, излучаемые при фотоэффекте, имеют такое же отношение заряд/масса и, очевидно, тоже являются электронами. Экспериментально определить заряд и массу электрона удалось в 1910 году Роберту Милликену в ходе остроумного опыта^[116].

В 1878 году

Решающие открытия были совершены в 1895-м (

В 1901 году Вальтер Кауфман сообщил, что он обнаружил предсказанное Хевисайдом и Дж. Дж. Томсоном возрастание инертной массы электрона при увеличении его скорости. Лоренцеву теорию движения электрона пришлось пересматривать; полемика на эту тему продолжалась даже после создания теории относительности^[116].

Большие споры вызывал вопрос о том, что является источником энергии радиоактивного излучения. В 1902 году

В оптике главным событием стало открытие спектрального анализа (1859 год). В 1842 году австрийский физик Доплер обнаружил изменение частоты и длины волны, испускаемых движущимся источником. Оба эффекта стали важнейшими инструментами науки, особенно в астрофизике^[121]. В середине века появилось ещё одно важное изобретение — фотография^[122].

В 1821 году

Ещё одной важной особенностью физики XX века стало расширение понимания единства природных сил. Уже в XIX веке появилось универсальное понятие энергии, а Максвелл объединил оптику, электричество и магнетизм. В XX веке обнаружились глубокие связи пространства и времени, вещества и излучения (частицы и волны), гравитации и геометрии, массы и энергии и многие другие взаимоотношения. Появилось немало новых разделов физики — теория относительности, квантовая механика, атомная физика, электроника, аэродинамика, радиофизика, физика плазмы, астрофизика, космология и другие.

• 
  Альберт Абрахам Майкельсон
• 
  Хендрик Антон Лоренц
• 
  Анри Пуанкаре
• 
  Герман Минковский

В 1728 году английский астроном Брэдли открыл аберрацию света: все звёзды описывают на небосводе малые круги с периодом в один год. С точки зрения эфирной теории света это означало, что эфир неподвижен, и его кажущееся смещение (при движении Земли вокруг Солнца) по принципу суперпозиции отклоняет изображения звёзд.

Другим серьёзным затруднением был тот факт, что уравнения Максвелла не соответствовали принципу относительности Галилея, несмотря на то, что электромагнитные эффекты зависят только от относительного движения^[127]. Был исследован вопрос, при каких преобразованиях координат уравнения Максвелла инвариантны. Правильные формулы впервые выписали Лармор (1900 год) и Пуанкаре (1905 год), который доказал их групповые свойства и предложил назвать преобразованиями Лоренца. В работе «О динамике электрона» (1905 год) Пуанкаре также дал обобщённую формулировку принципа относительности, охватывающего и электродинамику. В этой работе есть даже четырёхмерный интервал Минковского. Тем не менее Пуанкаре продолжал верить в реальность эфира, а разработанной им математической модели не придавал объективного физического содержания, рассматривая её, в соответствии со своей философией, как удобное соглашение («конвенцию»)^[126].

Физическая, объективная сущность модели Пуанкаре раскрылась после работ Эйнштейна. В статье 1905 года Эйнштейн рассмотрел два постулата: всеобщий принцип относительности и постоянство скорости света. Из этих постулатов автоматически следовали формулы преобразования Лоренца, лоренцево сокращение, относительность одновременности и ненужность эфира. Были выведены также новый закон суммирования скоростей, возрастания инерции со скоростью и т. д. Эйнштейн указал, что все законы физики должны быть инвариантны относительно преобразований Лоренца. Позже эта теория получила название специальной теории относительности (СТО). После изгнания из физики эфира электромагнитное поле приобрело новый статус самодостаточного физического объекта, не нуждающегося в дополнительном механическом носителе. В том же году появилась и формула ${\displaystyle E=mc^{2}}$ — инерция определяется энергией^[126][128].

Часть учёных сразу приняли

Первую успешную теорию, объяснившую спектр атома

1. Существуют орбиты, на которых электрон будет стабилен (не будет терять энергию).
2. При перескоке с одной дозволенной орбиты на другую электрон излучает или поглощает энергию, соответствующую разнице энергий орбит. Спектр атома водорода теория Бора предсказывала точно, но для других элементов согласия не было^[130].

В 1915 году теория Бора была дополнена

После открытия

• 
  Макс Планк
• 
  Нильс Бор
• 
  Луи де Бройль
• 
  Эрвин Шрёдингер
• 
  Поль Дирак

В 1880-е годы был экспериментально получен спектр излучения

Электромагнитному полю, таким образом, оказался присущ «

В 1927 году Гейзенберг сформулировал принцип неопределённости: координаты и импульс микрообъекта невозможно точно определить одновременно — уточняя координаты, мы неизбежно «размываем» точность определения скорости. Бор обобщил этот тезис до «принципа дополнительности»: корпускулярное и волновое описание явлений дополняют друг друга; если нас интересует причинная связь, удобно корпускулярное описание, а если пространственно-временная картина, то волновое. Фактически же микрообъект не является ни частицей, ни волной; эти классические понятия возникают только потому, что наши приборы измеряют классические величины. Школа Бора вообще считала, что все атрибуты атома не существуют объективно, а появляются только при взаимодействии с наблюдателем. «Нет реальности, не зависящей от способа её наблюдения» (Бор). Многие физики (Эйнштейн, Планк, де Бройль, Бом и др.) пытались заменить копенгагенскую интерпретацию иной, но успеха не добились^[134].

В начале 1950-х Н. Г. Басов, А. М. Прохоров и Ч. Таунс разработали основные принципы усиления и генерации электромагнитного излучения квантовыми системами, положенные затем в основу создания принципиально новых источников излучения радиочастотного (мазеры) и оптического (лазеры) диапазонов. В 1960 году Теодор Майман создал первый лазер (оптический квантовый генератор) на основе кристалла рубина, генерирующий импульсы монохроматического излучения на длине волны 694 нм. К настоящему времени создано большое количество лазеров с различными характеристиками — газовых, твердотельных, полупроводниковых, излучающих свет в различных частях оптического диапазона спектра.

Разработана и проверена в экспериментах квантовая теория поля^[137]. Идут поиски общей теории поля, которая охватила бы все фундаментальные взаимодействия, включая гравитацию. В течение всего XX века продолжались попытки построить квантовую теорию гравитации; основные из них — это теории суперструн и петлевая квантовая гравитация. Ещё одним кандидатом на эту роль является М-теория, которая, в свою очередь, — недавнее развитие теории суперструн.

Математические методы квантовой теории поля были успешно применены и в теоретической физике твёрдого тела; позже в ней получили применение методы топологии — например, для описания квантового эффекта Холла.

Первую «стыковку» физики и астрономии осуществил

С астрофизикой близко смыкается космология, изучающая строение и эволюцию всей наблюдаемой Вселенной.

В XVIII веке гипотезы о «планетогенезе», то есть механизме формирования Солнечной системы и, возможно, иных планетных систем, предложили Сведенборг (1732 год, на основе декартовских вихрей), Кант (1755 год) и Лаплас (1796 год, сгущение газопылевого облака). Последняя идея, в значительно расширенном и доработанном виде, стала основой современных теорий планетогенеза. Были, однако, и другие версии; например, Дж. Джинс в 1919 году предположил, что некогда рядом с Солнцем прошла массивная звезда, в результате чего случился выброс из Солнца вещества, сгустившегося в планеты. Более перспективной оказалась другая идея Джинса (1904 год): источник энергии Солнца — внутриатомная энергия^[139][140].

Первым инструментом, пригодным для научного исследования внеземных объектов, стал

Другим незаменимым инструментом астрофизиков стал

Изучение астрономических объектов предоставляет теоретической физике уникальные возможности, поскольку по масштабу и разнообразию космические процессы неизмеримо превосходят всё, что можно воспроизвести в земной лаборатории. Например, астрофизики провели множество наблюдений для проверки эйнштейновской теории тяготения и выяснения возможных границ её применимости. При объяснении ряда наблюдаемых явлений (например, нейтронных звёзд и космологических эффектов) применяются и проверяются методы физики микромира^[145].

Появление

Английский учёный и изобретатель

Специфика законов метеорологии (высокий динамизм, большое число факторов влияния, неустойчивость из-за наличия положительных обратных связей с труднопредсказуемыми последствиями и т. д.) вынуждает использовать для моделирования изменения погоды мощные компьютеры, но проблема долгосрочных прогнозов остаётся актуальной[153].

В 1918 году

Распространение компьютеров, в свою очередь, позволило компьютерному моделированию стать широко используемым инструментом в физике.

Из других достижений физики конца XX — начала XXI века следует упомянуть открытие высокотемпературной сверхпроводимости (1986 год) и технологии получения графена (2002 год) и других двумерных кристаллов; оба эти направления исследований расцениваются как перспективные, но их широкое практическое применение ещё впереди.

См. также: Нерешённые проблемы современной физики

С 1970-х годов в теоретической физике наблюдается затишье, некоторые учёные даже заговорили о «кризисе физики» или даже о «конце науки»^[156]. Тем не менее, идёт работа в рамках существующих теорий. Так, например, получены первые надёжные признаки существования гравитационных волн, исследуются скорости распространения гравитационного и электромагнитного взаимодействия, которые, по предсказаниям теории относительности, совпадают. В ЦЕРНе построен и эксплуатируется Большой адронный коллайдер высоких энергий, который должен помочь проверить, помимо прочего, теорию суперсимметрии и стандартную модель. В 2013 году было официально объявлено, что с помощью коллайдера обнаружен бозон Хиггса, что подтверждает и завершает стандартную модель^[157].

Ли Смолин выделяет пять актуальных физических проблем фундаментального значения, решение которых приведёт к существенному прогрессу физики^[156].

• Разработка квантового варианта теории гравитации, построение «теории всего».
• Физическое (не только математическое) обоснование квантовой механики или обобщение её до теории с более понятным физическим смыслом.
• Объединить в одной теории частицы и все четыре силы взаимодействия.
• Найти причины «тонкой настройки Вселенной», для чего желательно свести число фундаментальных констант к минимуму.
• Выяснить, что собой представляют тёмная материя и тёмная энергия или, если они не существуют, определить, как и почему тяготение в очень больших масштабах действует вопреки теории. Расширить экспериментальную базу космологии.

Из других важнейших проблем, выходящих за рамки Стандартной модели, физики называют^[158]:

• Асимметрия материи и антиматерии в наблюдаемой Вселенной
• Нейтринные осцилляции
• Сильная CP-проблема

• Историки физики

Комментарии

Источники

Общая история физики

• ЛКИ, 2010. — 352 с. — ISBN 978-5-382-01091-5
  .
• Дорфман Я. Г. Всемирная история физики. С начала XIX до середины XX века. — Изд. 3-е. — М.: ЛКИ, 2011. — 317 с. — ISBN 978-5-382-01277-3.
• История естествознания в России. — М.:
  Изд-во АН СССР
  , 1957—1960.
• Кудрявцев П. С. Курс истории физики. — М.: Просвещение, 1974.
• ГИТТЛ
  , 1956. — 230 с.
• Льоцци М. История физики. — М.: Мир, 1970. — 464 с.
• Очерки развития основных физических идей / Под ред. А. Т. Григорьяна и Л. С. Полака. — М.: Изд-во АН СССР, 1959.
• Розенбергер Ф. История физики. — М.—Л.: ГИТТЛ, 1934.
• Спасский Б. И. История физики, в двух томах. — Изд. 2-е. — М.: Высшая школа, 1977.
• Физика на рубеже XVII—XVIII веков. — М.: Наука, 1974.
• Храмов Ю. А. Физики. Биографический справочник. — Изд. 2-е, испр. и доп. — М.: Наука, 1983. — 400 с.

История отдельных разделов физики и смежных наук

• Брегг В. Г. История электромагнетизма. — М.—Л.: Гостехиздат, 1947.
• Визгин В. П. Релятивистская теория тяготения (истоки и формирование, 1900—1915). — М.: Наука, 1981. — 352 с.
• Гельфер Я. М. История и методология термодинамики и статистической физики, в двух томах. — М.: Высшая школа, 1969—1973.
• Григорьян А. Т. Механика от античности до наших дней. — М.: Наука, 1971.
• Джеммер М. Эволюция понятий квантовой механики. — М.: Наука, 1985. — 379 с.
• Еремеева А. И., Цицин Ф. А. История астрономии (основные этапы развития астрономической картины мира). — М.:
  Изд-во МГУ, 1989. — ISBN 5-211-00347-0
  .
• Творцы физической оптики. — М.: Наука, 1973.
• Уиттекер Э. История теории эфира и электричества. Классические теории. — М.—Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2001. — 512 с. — ISBN 5-93972-070-6.
• Фигуровский И. А. Очерк общей истории химии. — М.: Наука, 1969.

Ссылки

• Pierre Duhem. History of Physics (англ.). Дата обращения: 15 августа 2015. Архивировано из оригинала 11 июля 2015 года. (The original catholic encyclopedia).

Эта статья входит в число избранных статей русскоязычного раздела Википедии.

Эта статья победила на конкурсе статьи года и была признана статьёй 2015 года русской Википедии.