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 ri, и импульсов pi частиц системы задаётся функция распределения частиц по координатам и импульсам, f (ri, pi,..., rN, pN, 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 pi (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 В в 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.
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/c Физика 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.
Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия. 1969—1978.