Фі́зика (від грец. φυσικός природний, φύσις природа) — природнича наука, яка досліджує загальні властивості матерії та явищ у ній, а також виявляє загальні закони, які керують цими явищами; це наука про закономірності Природи в широкому сенсі цього слова. Фізики вивчають поведінку та властивості матерії в широких межах її проявів, від субмікроскопічних елементарних частинок, з яких побудоване все матеріальне (фізика елементарних частинок), до поведінки всього Всесвіту як єдиної системи (космологія).
Деякі з закономірностей, які встановлені фізикою, є загальними для всіх матеріальних систем. До таких можна віднести, наприклад, закон збереження енергії. Такі закономірності називають законами фізики. Фізику вважають фундаментальною наукою, тому що всі інші природничі науки (хімія, геологія, біологія тощо) мають справу з певними різновидами матеріальних систем, які підкоряються законам фізики. Наприклад, властивості хімічних речовин визначаються властивостями молекул та атомів, які їх складають, а ці властивості досліджують в таких галузях фізики як квантова механіка, термодинаміка та/або електрика (електромагнетизм).
Фізика тісно пов'язана з математикою. Фізичні теорії, як правило, побудовані на основі певного математичного апарату і цей апарат часто набагато складніший в порівнянні з іншими природничими науками. Але відмінність фізики від математики в тому, що фізика принципово зосереджена на описі матеріального світу, тоді як математика має справу з абстрактними ідеями та формулюваннями, які не обов'язково описують певну об'єктивну реальність. Позаяк чіткого поділу не існує, на перетині цих двох наук постала спеціальна дисципліна — математична фізика, яка вибудовує математичні структури фізичних теорій.
Загальний огляд фізичної науки
Науковий метод
Фізика — природнича наука. В її основі лежить експериментальне дослідження явищ природи, а її задача — формулювання законів, якими пояснюються ці явища. Фізика зосереджується на вивченні найфундаментальніших та найпростіших явищ і на відповідях на найпростіші запитання: з чого складається матерія, яким чином частинки матерії взаємодіють між собою, за якими правилами й законами здійснюється рух частинок тощо. В основі фізичних досліджень лежать спостереження. Узагальнення спостережень дозволяє фізикам формулювати гіпотези щодо спільних загальних рис тих явищ, за якими велися спостереження. Гіпотези перевіряються за допомогою продуманого експерименту, в якому явище проявлялося б у якомога чистішому вигляді й не ускладнювалося б іншими явищами. Аналіз даних сукупності експериментів дозволяє сформулювати закономірність. На перших етапах досліджень закономірності мають здебільшого емпіричний, феноменологічний характер, тобто явище описується кількісно за допомогою певних параметрів, характерних для досліджуваних тіл та речовин. Аналізуючи закономірності та параметри, фізики будують фізичні теорії, які дозволяють пояснити досліджувані явища на основі уявлень про будову тіл та речовин і взаємодію між їхніми складовими частинами. Фізичні теорії, в свою чергу, створюють передумови для постановки точніших експериментів, в ході яких здебільшого визначаються рамки їхнього застосування. Найзагальніші фізичні теорії дозволяють формулювання фізичних законів, які вважаються загальними істинами, доки накопичення нових експериментальних результатів не вимагатиме їхнього уточнення.
Наприклад, Стівен Ґрей помітив, що електрику можна передавати на доволі значну віддаль за допомогою зволожених ниток і почав досліджувати це явище. Георг Ом зумів знайти для нього кількісну закономірність — струм у провіднику пропорційний напрузі (закон Ома). При цьому, звісно, експерименти Ома опиралися на нові джерела живлення та на нові способи вимірювати дію електричного струму, що дозволило кількісно охарактеризувати його. За результатами подальших досліджень вдалося абстрагуватися від форми та довжини провідників і ввести такі феноменологічні характеристики, як питомий опір провідника та внутрішній опір джерела живлення. Закон Ома й понині залишається основою електротехніки, однак дослідження встановили також рамки його застосування — відкрили елементи електричного кола з нелінійними вольт-амперними характеристиками і навіть речовини, які не мають електричного опору — надпровідники. Після відкриття заряджених мікроскопічних частинок — електронів, була сформульована мікроскопічна теорія електропровідності, яка пояснила залежності опору від температури розсіянням електронів на коливаннях кристалічної ґратки, домішках тощо.
Теоретична та експериментальна фізика
Принципи фізичних пошуків дещо відрізняються від досліджень в інших науках тому, що тут існує чітко визначений розподіл на теорію та експеримент, і з 20-го століття більшість фізиків спеціалізується або на теоретичній фізиці, або на експериментальній, і дуже мало таких, які б досягли успіхів в обох напрямах. Для порівняння, практично всі успішні теоретики біології та хімії також були і експериментаторами.
Теоретики займаються пошуком теорій, які могли б пояснити відомі експериментальні результати та передбачити нові, тоді як експериментатори організують свої практичні дослідження для перевірки результатів теорій. Тобто, незважаючи на існування двох чітких напрямів, вони тісно пов'язані один з одним. Тому прориви в фізиці часто відбуваються саме тоді, коли експериментатори виявляють, що наявні теорії не можуть пояснити їхніх результатів, і це потребує побудови нових фізичних теорій.
Поділ фізиків на теоретиків та експериментаторів пов'язаний із особливою складністю математичного апарату сучасної фізики з одного боку та складністю сучасного експериментального устаткування — з іншого. З появою потужної комп'ютерної техніки виділився новий клас фізиків, які займаються комп'ютерним моделюванням фізичних процесів та розробкою програмного забезпечення для складних фізичних розрахунків. Частково таке моделювання проводиться ab initio, тобто виходячи з основних принципів фізичної теорії, частково, ґрунтуючись на феноменологічних теоріях та використовуючи бази даних фізичних параметрів частинок, атомів чи речовин.
Кількісний характер фізики
Фізика — кількісна наука. Фізичний експеримент опирається на вимірювання, тобто порівняння значення величини з одиницею вимірювання з використанням спеціальних технічних засобів. З цією метою фізика розвинула сукупність фізичних одиниць та засобів вимірювальної техніки. Окремі фізичні одиниці об'єднуються в системи фізичних одиниць. Так, на сучасному етапі розвитку науки стандартом є Міжнародна система СІ.
Отримані експериментально кількісні залежності дозволяють використовувати для своєї обробки математичні методи і будувати теоретичні, тобто, математичні моделі досліджуваних явищ.
Із зміною уявлень про природу тих чи інших явищ змінюються також фізичні одиниці, в яких вимірюються фізичні величини. Наприклад, для вимірювання температури спочатку були запропоновані довільні температурні шкали, які ділили проміжок температур між характерними явищами (наприклад, замерзанням і кипінням води) на певну кількість менших проміжків, що отримали назву градусів температури. Для вимірювання кількості теплоти була запроваджена одиниця — калорія, яка визначала кількість теплоти, необхідної для нагрівання граму води на один градус. Проте з часом фізики встановили відповідність між механічною і тепловою формою енергії. Виявилося, що запропонована раніше одиниця кількості теплоти, калорія, є зайвою, як і одиниця вимірювання температури— градус. І кількість теплоти й температуру можна вимірювати в одиницях механічної енергії. В сучасну епоху калорія та градус не вийшли з практичного вжитку, але між цими одиницями і одиницею енергії Джоулем існує точне числове співвідношення. Коефіцієнт переходу від температурної до енергетичної величини (стала Больцмана) вважається фізичною сталою.
Базові фізичні теорії
Фізики мають справу з неймовірно широким спектром різних об'єктів та систем, але існує декілька теорій, які використовуються фізиками майже завжди та незалежно від конкретної галузі. Кожна з цих теорій вважається здебільшого вірною, хоча має певні межі застосування.
Основні галузі фізики
Сучасні фізичні дослідження можна розподілити на окремі галузі, які вивчають різні аспекти матеріального світу. Фізика конденсованих середовищ, напевно одна з найбільших окремих галузей досліджень, сконцентрована на вивченні властивостей звичних проявів матерії, таких як тверді тіла та рідини. Їхні властивості випливають з властивостей та особливостей взаємодії атомів цих речовин. Атомна, молекулярна фізика та оптика мають справу саме з індивідуальними атомами та молекулами. Галузь фізики елементарних частинок, також знана під назвою фізики високих енергій, вивчає властивості субмікроскопічних, набагато менших ніж атоми, частинок, із яких побудована вся матерія. Нарешті, астрофізика застосовує фізичні закони до пояснення астрономічних феноменів, починаючи від Сонця та інших об'єктів сонячної системі, і закінчуючи Всесвітом як таким.
Прикладна фізика
Від свого зародження фізика завжди мала велике прикладне значення й розвивалася разом із машинами й механізмами, які людство використовувало для своїх потреб. Фізика широко використовується в інженерних науках, чимало фізиків було водночас винахідниками і навпаки. Механіка, як частина фізики, тісно пов'язана з теоретичною механікою та опором матеріалів, як інженерними науками. Термодинаміка зв'язана з теплотехнікою та конструюванням теплових двигунів. Електрика пов'язана з електротехнікою та електронікою, для становлення і розвитку якої дуже важливі дослідження в області фізики твердого тіла. Досягнення ядерної фізики зумовили появу ядерної енергетики тощо.
Фізика також має широкі міждисциплінарні зв'язки. На межі фізики, хімії та інженерних наук виникла і швидко розвивається така галузь науки як матеріалознавство. Фізичні методи та інструменти використовуються хімією, що призвело до становлення двох напрямків досліджень: фізичної хімії та хімічної фізики. Дедалі потужнішою стає біофізика — область досліджень на межі між біологією та фізикою, в якій біологічні процеси вивчаються виходячи з атомарної структури органічних речовин. Геофізика вивчає фізичну природу геологічних явищ. Медицина використовує фізичні методи, такі як рентгенівські та ультразвукові дослідження, ядерний магнітний резонанс — для діагностики, лазери — для лікування хвороб очей, ядерне опромінювання — в онкології тощо.
Теоретична фізика
Люди намагалися зрозуміти властивості матерії з найдревніших часів: чому тіла падають на землю, чому різні речовини мають різні властивості тощо. Цікавили людей також питання про будову світу, про природу Сонця і Місяця. Спочатку відповіді на ці запитання намагалися шукати в філософії. Здебільшого філософські теорії, які намагалися дати відповіді на такі запитання не перевірялися на практиці. Однак, попри те, що нерідко філософські теорії неправильно описували спостереження, ще в древні часи людство добилося значних успіхів в астрономії, а грецький мудрець Архімед навіть зумів дати точні кількісні формулювання багатьох законів механіки й гідростатики.
Деякі теорії древніх мислителів, як, наприклад, ідеї про атом, які були сформульовані у стародавніх Греції та Індії, випереджали час.
Поступово від загальної філософії почало відокремлюватися природознавство, як та її частина, яка описує навколишній світ. Одна з основних книг Аристотеля називається «Фізика». Незважаючи на деякі неправильні твердження, фізика Аристотеля впродовж віків залишалася основою знань про природу.
Період до наукової революції
Властивість людства сумніватися й переглядати положення, які раніше вважалися єдино істинними, в пошуках відповідей на нові запитання зрештою привела до доби великих наукових відкриттів, яку сьогодні називають науковою революцією, що розпочалася приблизно з другої половини 16-го століття. Передумови до цієї докорінної зміни склалися завдяки надбанням, які можна прослідкувати до Індії і Персії. Сюди входять еліптичні моделі планетарних орбіт, що спиралися на геліоцентричну модель Сонячної системи, яку розробив індійський математик і астроном Аріабхата I, базові положення атомізму, запропоновані індуськими та джайністськими філософами, теорія про те, що світло еквівалентне енергетичним частинкам буддистських мислителів Дігнаги й Дхармакірті, оптична теорія арабського вченого Альхазена, винайдена персом Могаммадом аль Фазарі астролябія. Перський учений Насир аль Дін ат Тусі вказав на значні недоліки птолемеївської системи.
Середньовічна Європа на певний час втратила знання античних часів, але під впливом Арабського халіфату збережені арабами твори Аристотеля повернулися. В 12-13 століттях знайшли свій шлях у Європу також твори індійських і перських учених.
В Середні віки почав складатися науковий метод, у якому основна роль відводилася експерименту й математичному опису. Ібн аль-Хайсам (Альхазен) вважається основоположником наукового методу. У своїй «Книзі про оптику», написаній у 1021 році, він описував експерименти, поставлені для того, щоб доказати справедливість своєї теорії зору, яка стверджувала, що око сприймає світло, випромінене іншими об'єктами, а не випромінює саме, як вважали раніше Евклід і Птолемей. В експериментах Альхазена використовувалася камера-обскура. За допомогою цього приладу він перевіряв свої гіпотези щодо властивостей світла: чи світло розповсюджується по прямій, чи змішуються в повітрі різні промені світла.
Наукова революція
Період наукової революції характеризується утвердженням наукового методу досліджень, вичленовуванням фізики із загалу натурфілософії в окрему область і розвитком окремих розділів фізики: механіки, оптики, термодинаміки тощо.
Більшість істориків притримуються думки про те, що наукова революція розпочалася в 1543 році, коли Копернику привезли з Нюрнберга вперше надрукований примірник його книги «Про обертання небесних сфер».
Впродовж століття відтоді знання людство збагатилося працями таких дослідників, як Галілео Галілей, Хрістіан Гюйгенс, Йоган Кеплер і Блез Паскаль. Галілей першим почав послідовно застосовувати науковий метод, проводячи експерименти, щоб підтвердити свої припущення і теорії. Він сформулював деякі закони динаміки і кінематики, зокрема закон інерції, і перевірив їх дослідним шляхом. В 1687 році Ньютон опублікував книгу «Principia», в якій в подробицях описав дві основоположні фізичні теорії: закони руху тіл, відомі під назвою закони Ньютона, і закони тяжіння. Обидві теорії чудово узгоджувалися з експериментом. Книга також наводила теорії руху рідин. Згодом класична механіка була переформульована і розширена Леонардом Ейлером, Жозефом-Луї Лагранжем, Вільямом Гамільтоном та іншими. Закони гравітації заклали основу тому, що пізніше стало астрофізикою, яка використовує фізичні теорії для опису й пояснення астрономічних спостережень.
Після встановлення законів механіки Ньютоном, наступним дослідним полем стала електрика. Основи створення теорії електрики заклали спостереження й досліди таких вчених 17-го століття, як Роберт Бойль, Стівен Ґрей, Бенджамін Франклін. Склалися основні поняття — електричний заряд та електричний струм.
У 1831 році англійський фізик Майкл Фарадей об'єднав електрику й магнетизм, продемонструвавши, що рухомий магніт індукує в електричному колі струм. Спираючись на цю концепцію, Джеймс Клерк Максвелл побудував теорію електромагнітного поля. Крім електромагнітних явищ рівняння Максвела описують світло. Підтвердження цьому знайшов Генріх Герц, відкривши радіохвилі.
Із побудовою теорії електромагнітного поля та електромагнітних хвиль перемогою хвильової теорії світла, започаткованої Гюйгенсом, над корпускулярною теорією Ньютона, завершилася побудова класичної оптики. На цьому шляху оптика збагатилася розумінням дифракції та інтерференції світла, досягнутим завдяки працям Френеля і Янга.
У 18-му і на початку 19-го століття були відкриті основні закони поведінки газів, а з добою теплових машин сформувалася наука термодинаміка. Всередині 19-го століття Джоуль встановив еквівалентність механічної та теплової енергій, що призвело до формулювання закону збереження енергії. Завдяки Клаузіусу був сформульований другий закон термодинаміки Гібс заклав основи статистичної фізики, Людвіг Больцман запропонував статистичну інтерпретацію поняття ентропії.
Під кінець дев'ятнадцятого століття фізики підійшли до значного відкриття — експериментального підтвердження існування атома.
Наприкінці дев'ятнадцятого століття змінилася роль фізики в суспільстві. Виникнення нової техніки: електрики, радіо, автомобіля тощо, вимагало великого обсягу прикладних досліджень. Заняття наукою стало професією. Фірма General Electric першою відкрила власні дослідницькі лабораторії. Такі ж лабораторії стали з'являтися в інших фірмах.
Зміна парадигм
Кінець 19-го — початок 20-го століття був часом, коли під тиском нових експериментальних даних фізикам довелося переглянути старі теорії й замінити їх новими, заглядаючи дедалі глибше в будову матерії. Експеримент Майкельсона-Морлі вибив основу з під ніг електромагнетизму, поставивши під сумнів існування ефіру. Були відкриті нові явища, такі як рентгенівські промені та радіоактивність. Не встигли фізики довести існування атома, як з'явилися докази існування електрона, експерименти з фотоефекту та вимірювання спектру теплового випромінювання давали результати, які неможливо було пояснити, виходячи із засад класичної фізики. У пресі цей період називався кризою фізики, але водночас він став періодом тріумфу фізики, яка зуміла виробити нові революційні теорії, які не тільки пояснили незрозумілі явища, а й передбачили інші, відкривши шлях до нового розуміння природи.
В 1905 році Альберт Ейнштейн побудував спеціальну теорію відносності, яка продемонструвала, що поняття ефіру зайве при поясненні електромагнітних явищ. При цьому довелося змінити класичну механіку Ньютона, давши їй нове формулювання, справедливе при великих швидкостях. Докорінно змінилися також уявлення про природу простору й часу. Ейнштейн розвинув свою теорію у загальну теорію відносності, опубліковану в 1916 році. Нова теорія включала в себе опис гравітаційних явищ і відкрила шлях до становлення космології — науки про еволюцію Всесвіту.
Розглядаючи задачу про теплове випромінювання абсолютно чорного тіла Макс Планк у 1900 році запропонував неймовірну ідею, що електромагнітні хвилі випромінюються порціями, енергія яких пропорційна частоті. Ці порції отримали назву квантів, а сама ідея розпочала побудову нової фізичної теорії — квантової механіки, яка ще більше змінила класичну Ньютонівську механіку, цього разу при дуже малих розмірах фізичної системи. В тому ж 1905-му році Альберт Ейнштейн застосував ідею Планка для успішного пояснення експериментів із фотоефекту, припустивши, що електромагнітні хвилі не тільки випромінюються, а й поглинаються квантами. Корпускулярна теорія світла, яка, здавалося, зазнала нищівної поразки в боротьбі з хвильовою теорією, знову отримала підтримку.
Суперечка між корпускулярною і хвильовою теорією знайшла своє вирішення в корпускулярно-хвильовому дуалізмі, гіпотезі, сформульованій Луї де Бройлем. За цією гіпотезою не тільки квант світла, а будь-яка інша частинка проявляє водночас властивості, притаманні як корпускулі, так і хвилі. Гіпотеза Луї де Бройля підтвердилася в експериментах з дифракції електронів.
У 1911 році Ернест Резерфорд запропонував планетарну теорію атома, а в 1913 році Нільс Бор побудував модель атома, в якій постулював квантовий характер руху електронів. Завдяки роботам Вернера Гайзенберга, Ервіна Шредінгера, Вольфганга Паулі, Поля Дірака та багатьох інших квантова механіка знайшла своє точне математичне формулювання, підтверджуючись численними експериментами. В 1927 році була розроблена копенгагенська інтерпретація, яка відкривала шлях для розуміння законів квантового руху на якісному рівні.
Фізика сучасності
Із відкриттям радіоактивності Анрі Бекерелем почався розвиток ядерної фізики, яка привела до появи нових джерел енергії — атомної енергії та енергії ядерного синтезу. Відкриті при дослідженнях ядерних реакціїй нові частинки — нейтрон, протон, нейтрино — започаткували фізику елементарних частинок. Ці нові відкриття на субатомному рівні виявилися дуже важливими для фізики на рівні Всесвіту і дозволили сформулювати теорію його еволюції — теорію Великого Вибуху.
Склався остаточний розподіл праці між фізиками-теоретиками й фізиками-експериментаторами, Енріко Фермі був, мабуть, останнім визначним фізиком, успішним як у теорії, так і в експериментальній роботі.
Передній край фізики перемістився в область дослідження найфундаментальніших законів, ставлячи перед собою мету створити теорію, яка пояснювала б Всесвіт, об'єднавши теорії фундаментальних взаємодій. На цьому шляху фізика здобула часткові успіхи у вигляді теорії електрослабкої взаємодії та теорії кварків узагальненій у так званій стандартній моделі. Однак, квантова теорія гравітації досі не побудована. Певні надії пов'язуються з теорією струн.
Водночас, починаючи зі створення квантової механіки швидкими темпами розвивається фізика твердого тіла, відкриття якої привели до виникнення та розвитку електроніки, а з нею й інформатики, які внесли докорінні зміни в культуру людського суспільства.
Фізичні інструменти й фізичні теорії поширилися в інші області науки — хімію, біологію, медицину, в сторону яких, загалом, змістився інтерес суспільства.
Історія фізики в Україні
Природознавство, і фізика, як його складова частина, почало складатися в Україні з виникненням перших університетів, серед яких провідне місце займала Могилянська академія. Із середини 19-го століття почали закладатися університетські фізичні факультети, як в межах царської Росії, так і на теренах Австро-Угорської імперії. Початок двадцятого століття став свідком розвитку значного числа науково-дослідних інститутів, серед яких слід особливо відзначити Харківський фізико-технічний інститут, Інститут фізики, Інститут теоретичної фізики. В Україні працювали такі визначні фізики, як Микола Миколайович Боголюбов, Олександр Сергійович Давидов та багато інших.
Творцi фiзичної науки.
Внесок українських учених у розвиток фiзики.
| |||||||
Демокріт (біля 460-370рр.до н.е.) - Давньогрецький вчений. Головний представник давніх атомістів. Вважав, що всі тіла складаються з найдрібніших частинок – атомів.
Арістотель (384-322рр. до н.е.) - Видатний давньогрецький філософ. Узагальнив відомі на той час фізичні знання у праці “Фізика”, що складався з восьми книг. Предметом цієї науки він вважав виявлення першопричин явищ.
Архімед (287-212рр. до н.е.) - Давньогрецький учений, інженер, винахідник. Сформулював умови плавання тіл, “золоте” правило механіки. Його відкриття є основою для багатьох сучасних механізмів.
Галіле́о Галіле́й (15 лютого 1564 — 8 січня 1642) — італійський мислитель епохи Відродження, засновник класичної механіки, фізик, астроном, математик, поет і літературний критик, один із засновників сучасного експериментально-теоретичного природознавства.
Рене Декарт (1596 – 1650 рр) - Французький фізик і математик. Його фізичні дослідження відносяться до механіки, оптики та будови Всесвіту. Намагався пояснити фізичні явища як результат руху частин, створених єдиною матерією.
Ісаа́к Н'ю́то́н (4 січня 1643, Вулсторп — 31 березня 1727) — англійський учений, який заклав основи сучасного природознавства, творець класичної фізики та один із засновників числення нескінченно малих.
П’єр Сімон Лаплас (1749 - 1827) - Французький астроном, математик і фізик. Фізичні дослідження відносяться до молекулярної фізики, теплоти, електрики та оптики. Встановив закон зміни густини повітря з висотою, вивів формулу швидкості звуку в газах.
Шарль Огюстен Кулон (1736 - 1806) - Французький фізик та військовий інженер. Роботи відносяться до електрики, магнетизму, прикладної механіки. Сформулював закони тертя, встановив основний закон електростатики.
Альбе́рт Ейнште́йн (1879, Ульм, Німеччина — 1955, Прінстон, США) — Лауреат Нобелівської премії 1921 року. Створив спеціальну і загальну теорії відносності; відкрив закон взаємозв'язку маси і енергії . Автор основоположних праць з квантової теорії: ввів поняття фотона, встановив закони фотоефекту, основний закон фотохімії (закон Ейнштейна), передбачив (1916) вимушене випромінювання.
| |||||||
|
Галілео Галілей був основоположником експериментально-математичного методу вивчення природи. Він залишив розгорнутий виклад цього методу і сформулював найважливіші принципи механічного світу. Його дослідження кардинально вплинули на розвиток наукової думки. Саме від нього бере початок фізика як наука. Найважливішим вкладом Галілео Галілея в науку була свідома й послідовна заміна пасивного спостереження активним експериментом. Результатами цих експериментів стали зроблені ученим наукові відкриття.
На початку ХХ століття Альберт Ейнштейн створив теорію відносності, що змінила уявлення вчених про простір і час, про природу тяжіння. Теорія відносності дозволила правильно пояснити події у світі частинок, що рухаються з величезними швидкостями (лише трохи поступаючись швидкості світла у вакуумі, тобто 300000 км/с).
Немає коментарів:
Дописати коментар