Физика простым языком: Квантовая физика простым языком в примерах

Квантовая физика простым языком в примерах

Законы квантовой механики весьма трудны для восприятия, похожи на мистические откровения, и эти слова Роберта Оппенгеймера о поведении электрона вполне могли быть сказаны Лао Цзы за две с половиной тысячи лет до появления современной физики: «Если спросят, постоянно ли его положение, нужно сказать «нет», если спросят, меняется ли оно со временем, нужно сказать «нет». Если спросят, неподвижен ли он, нужно сказать «нет», если спросят, движется ли он, нужно сказать “нет”».

Роман Фишман

Теги:

Физика

Квантовая физика мало похожа на классическую физику, потому что вопросов в ней больше, чем ответов.

Содержание статьи

Введение. Принципиальная сложность понимания квантовой теории

Сложно представить, как выглядела бы наша цивилизация без классической физики и математики. Понятия об абсолютной «объективной реальности, существующей независимо от нашего сознания», о трехмерном евклидовом пространстве и равномерно текущем времени настолько глубоко укоренились в сознании, что мы не замечаем их. А главное, отказываемся замечать, что применимы они лишь в некоторых рутинных ситуациях и для объяснения устройства Вселенной оказываются попросту неверны.

youtube

Нажми и смотри

Хотя нечто подобное уже столетия назад высказывалось восточными философами и мистиками, в западной науке впервые об этом заговорил Эйнштейн. Это была революция, которую наше сознание не приняло. Со снисходительностью мы повторяем: «все относительно», «время и пространство едины», — всегда держа в уме, что это допущение, научная абстракция, имеющая мало общего с нашей привычной устойчивой действительностью. На самом же деле как раз наши представления слабо соотносятся с действительностью — удивительной и невероятной.

После того как в общих чертах было открыто строение атома и предложена его «планетарная» модель, ученые столкнулись со множеством парадоксов, для объяснения которых появился целый раздел физики — квантовая механика. Она быстро развивалась и далеко продвинулась в объяснении Вселенной. Но объяснения эти настолько сложны для восприятия, что до сих пор мало кто может осознать их хотя бы в общих чертах.

Действительно, большинство достижений квантовой механики сопровождаются настолько сложным математическим аппаратом, что он попросту не переводится ни на один из человеческих языков. Математика, как и музыка, предмет крайне абстрактный, и над адекватным выражением смысла, к примеру, свертывания функций или многомерных рядов Фурье ученые бьются до сих пор. Язык математики строг, но мало соотносится с нашим непосредственным восприятием.

Кроме того, Эйнштейн математически показал, что наши понятия времени и пространства иллюзорны. В действительности пространство и время нераздельны и образуют единый четырехмерный континуум. Представить его вряд ли возможно, ведь мы привыкли иметь дело только с тремя измерениями.

Планетарная теория.

Волна или частица

До конца XIX века атомы считались неделимыми «элементами». Открытие радиации позволило Резерфорду проникнуть под «оболочку» атома и сформулировать планетарную теорию его строения: основная масса атома сосредоточена в ядре. Положительный заряд ядра компенсируется отрицательно заряженными электронами, размеры которых настолько малы, что их массой можно пренебречь. Электроны вращаются вокруг ядра по орбитам, подобно вращению планет вокруг Солнца. Теория весьма красивая, но возникает ряд противоречий.

Во-первых, почему отрицательно заряженные электроны не «падают» на положительное ядро? Во-вторых, в природе атомы сталкиваются миллионы раз в секунду, что ничуть не вредит им — чем объяснить удивительную прочность всей системы? Говоря словами одного из «отцов» квантовой механики Гейзенберга, «никакая планетная система, которая подчиняется законам механики Ньютона, никогда после столкновения с другой подобной системой не возвратится в свое исходное состояние». Кроме того, размеры ядра, в котором собрана практически вся масса, в сравнении с целым атомом чрезвычайно малы. Можно сказать, что атом — пустота, в которой с бешеной скоростью вращаются электроны. При этом такой «пустой» атом предстает как весьма твердая частица. Объяснение этому явлению выходит за рамки классического понимания. На самом деле на субатомном уровне скорость частицы возрастает тем больше, чем больше ограничивается пространство, в котором она движется. Так что чем ближе электрон притягивается к ядру, тем быстрее он движется и тем больше отталкивается от него. Скорость движения настолько велика, что «со стороны» атом «выглядит твердым», как выглядят диском лопасти вращающегося вентилятора.

Данные, плохо укладывающиеся в рамки классического подхода, появились задолго до Эйнштейна. Впервые подобная «дуэль» состоялась между Ньютоном и Гюйгенсом, которые пытались объяснить свойства света. Ньютон утверждал, что это поток частиц, Гюйгенс считал свет волной.

В рамках классической физики примирить их позиции невозможно. Ведь для нее волна — это передающееся возбуждение частиц среды, понятие, применимое лишь для множества объектов. Ни одна из свободных частиц не может перемещаться по волнообразной траектории. Но вот в глубоком вакууме движется электрон, и его перемещения описываются законами движения волн. Что здесь возбуждается, если нет никакой среды? Квантовая физика предлагает соломоново решение: свет является одновременно и частицей, и волной.

Вероятностные электронные облака. Строение ядра и ядерные частицы

Постепенно становилось все более ясно: вращение электронов по орбитам вокруг ядра атома совершенно не похоже на вращение планет вокруг звезды. Обладая волновой природой, электроны описываются в терминах вероятности. Мы не можем сказать об электроне, что он находится в такой-то точке пространства, мы можем только описать примерно, в каких областях он может находиться и с какой вероятностью.

Вокруг ядра электроны формируют «облака» таких вероятностей от простейшей шарообразной до весьма причудливых форм, похожих на фотографии привидений.

Но тот, кто хочет окончательно понять устройство атома, должен обратиться к его основе, к строению ядра. Составляющие его крупные элементарные частицы — положительно заряженные протоны и нейтральные нейтроны — также обладают квантовой природой, а значит, движутся тем быстрее, чем в меньший объем они заключены. Поскольку размеры ядра чрезвычайно малы даже в сравнении с атомом, эти элементарные частицы носятся со вполне приличными скоростями, близкими к скорости света. Для окончательного объяснения их строения и поведения нам понадобится «скрестить» квантовую теорию с теорией относительности. К сожалению, такая теория до сих пор не создана и нам придется ограничиться несколькими общепринятыми моделями.

Теория относительности показала (а проведенные эксперименты доказали), что масса является лишь одной из форм энергии. Энергия — величина динамическая, связанная с процессами или работой. Поэтому элементарную частицу следует воспринимать как вероятностную динамическую функцию, как взаимодействия, связанные с непрерывным превращением энергии. Это дает неожиданный ответ на вопрос, насколько элементарны элементарные частицы, можно ли разделить их на «еще более простые» блоки. Если разогнать две частицы в ускорителе, и затем столкнуть, мы получим не две, а три частицы, причем совершенно одинаковые. Третья просто возникнет из энергии их столкновения — таким образом, они и разделятся, и не разделятся одновременно!

Участник вместо наблюдателя

В мире, где понятия пустого пространства, изолированной материи теряют смысл, частица описывается только через ее взаимодействия. Для того чтобы сказать что-то о ней, нам придется «вырвать» ее из первоначальных взаимодействий и, подготовив, подвергнуть другому взаимодействию — измерению. Так что мы меряем в итоге? И насколько правомерны наши измерения вообще, если наше вмешательство меняет взаимодействия, в которых участвует частица, — а значит, меняет и ее саму?

В современной физике элементарных частиц все больше нареканий вызывает. .. сама фигура ученого-наблюдателя. Правомернее было бы называть его «участником».

Наблюдатель-участник необходим не только для измерения свойств субатомной частицы, но и для того, чтобы определить эти самые свойства, ведь и о них можно говорить лишь в контексте взаимодействия с наблюдателем. Стоит ему выбрать способ, каким он будет проводить измерения, и в зависимости от этого реализуются возможные свойства частицы. Стоит сменить наблюдающую систему, и свойства наблюдаемого объекта также изменятся.

Этот важный момент раскрывает глубинное единство всех вещей и явлений. Сами частицы, непрерывно переходя одна в другую и в иные формы энергии, не имеют постоянных или точных характеристик — эти характеристики зависят от способа, каким мы решили их видеть. Если понадобится измерить одно свойство частицы, другое непременно изменится. Такое ограничение не связано с несовершенством приборов или другими вполне исправимыми вещами. Это характеристика действительности. Попробуйте точно измерить положение частицы, и вы ничего не сможете сказать о направлении и скорости ее движения — просто потому, что у нее их не будет. Опишите точно движение частицы — вы не найдете ее в пространстве. Так современная физика ставит перед нами проблемы уже совершенно метафизического свойства.

Принцип неопределенности. Место или импульс, энергия или время

Мы уже говорили, что разговор о субатомных частицах нельзя вести в привычных нам точных терминах, в квантовом мире нам остается лишь вероятность. Это, конечно, не та вероятность, о которой говорят, делая ставки на скачках, а фундаментальное свойство элементарных частиц. Они не то чтобы существуют, но скорее — могут существовать. Они не то чтобы обладают характеристиками, а скорее — могут ими обладать. Научно выражаясь, частица является динамической вероятностной схемой, и все ее свойства находятся в постоянном подвижном равновесии, балансируют, как Инь и Ян на древнем китайском символе тайцзи. Недаром нобелевский лауреат Нильс Бор, возведенный в дворянское звание, для своего герба выбрал именно этот знак и девиз: «Противоположности дополняют друг друга». Математически распределение вероятности представляет собой неравномерные волновые колебания. Чем больше амплитуда волны в определенном месте, тем выше вероятность существования частицы в нем. При этом длина ее непостоянна — расстояния между соседними гребнями неодинаковы, и чем выше амплитуда волны, тем сильнее разница между ними. В то время как амплитуда соответствует положению частицы в пространстве, длина волны связана с импульсом частицы, то есть с направлением и скоростью ее движения. Чем больше амплитуда (чем точнее можно локализовать частицу в пространстве), тем более неопределенной становится длина волны (тем меньше можно сказать об импульсе частицы). Если мы сможем установить положение частицы с предельной точностью, у нее вообще не будет никакого определенного импульса.

Это фундаментальное свойство математически выводится из свойств волны и называется принципом неопределенности. Принцип касается и других характеристик элементарных частиц. Еще одна такая взаимосвязанная пара — это энергия и время протекания квантовых процессов. Чем быстрее проходит процесс, тем более неопределенно количество энергии, задействованной в нем, и наоборот — точно охарактеризовать энергию можно только для процесса достаточной продолжительности.

Итак, мы поняли: о частице нельзя сказать ничего определенного. Она движется туда, или не туда, а верней, ни туда и ни сюда. Ее характеристики такие или сякие, а точнее — и не такие, и не сякие. Она находится здесь, но может быть и там, а может и не быть нигде. Так существует ли она вообще?

youtube

Нажми и смотри

Еще по теме:

Может ли современная наука найти в космосе червоточину, и если да — то как?

Нейросеть и наука: может ли искусственный интеллект совершить открытие?

Семь книг, которые помогут лучше понять физику — журнал

01 Сен 2017

«Семь основных уроков по физике», Карло Ровелли

Автор объясняет основы физики в семи уроках. Они нужны тем, кто либо мало знает о физике, либо не знает ничего. Первый урок посвящен общей теории относительности Альберта Эйнштейна, которую сам автор называет «самой прекрасной из теорий». Второй  — квантовой механике, в частности наиболее таинственным аспектам современной физики, которые до сих пор остаются нераскрытыми. Тема третьего урока — космос как архитектура Вселенной, которую мы населяем. Четвертый  — элементарным частицам. На пятом уроке речь идет о квантовой гравитации. На шестом — о вероятности существования черных дыр и об их излучении. В заключительном разделе автор размышляет, можно ли понять наше существование, описав мир с точки зрения физики.

Эти уроки  — серия статей, опубликованных автором в воскресном приложении к итальянской газете «Sole 24 Ore».

«Атомы у нас дома», Крис Вудфорд

Автор научно объясняет то, с чем люди сталкиваются каждый день. Например, почему упасть с переносной лестницы также опасно, как и попасть в пасть крокодила. Сколько атомов нужно расщепить, чтобы зажечь электрическую лампочку. Какой вес у дома и почему он не проваливается под землю. Цель этой книги — помочь читателю правильно понять окружающий мир, объяснив научные явления в жизни интересным и доступным языком.

Например, в книге наглядно показывается, насколько мал атом. На Земле живет около 7 млрд человек. Если бы все они были атомами и встали друг на друга, то достигли бы высоты среднего человеческого роста.

«Как все работает. Законы физики в нашей жизни», Луис Блумфилд

Автор популярно рассказывает, почему лампочки горят, стиральный порошок отстирывает грязь, самолеты летают, айподы воспроизводят музыку, а кухонные ножи не ломаются. Прочитав книгу, вы ни за что не поставите металлическую миску в микроволновку и не будете краситься при искусственном свете, если у вас свидание на свежем воздухе.

Читатель будет познавать физику постепенно, на примере обыденных жизненных ситуаций и реальных предметов.

«Физика для всех» (серия из четырех книг: «Физические тела», «Молекулы, «Электроны», «Фотоны и ядра»), Лев Ландау, Александр Китайгородский

Нобелевский лауреат Ландау и профессор Китайгородский простым языком, в доступной форме, с юмором и иллюстрациями объясняют основы общего курса физики. Читатель узнает о строении атома, законах квантовой физики, проблемах теплового излучения, электрическом токе, магнетизме. Как ток проходит через жидкости, металлы и полупроводники, что такое волновая механика, что лежит в основе радиотехники и электротехники?

«На лужайке Эйнштейна. Что такое ничто, и где начинается все», Амандра Гефтер

Когда Аманде Гефтер, научному журналисту, было 15, отец спросил ее: «Можно ли представить ничто?». Этот вопрос изменил жизнь Аманды. Она начала более детально изучать современную физику и философию, научилась видеть смысл формул, почти не обращая внимания на сами формулы. Это принесло ей уважение ведущих физиков мира и возможность общаться с ними на равных.

В книге переплетаются путешествие отца с дочерью к далеким краям Вселенной, дневник подростка и размышления взрослого. Автор соединяет математическую точность с философскими размышлениями. Помимо этого, Аманда объясняет «на пальцах» сложные физические понятия, лучшие физики мира отвечают на ее вопросы, а в конце книги она приходит к выводу: физика описывает не то, как устроен мир, физика описывает, как устроена иллюзия, что мир существует.

«Джордж и тайный ключ к Вселенной», «Джордж и сокровища космоса», «Джордж и Большой взрыв», Стивен и Люси Хокинг

Серия книг одного из наиболее выдающихся физиков современности, написанная в соавторстве с дочерью. Книга преисполнена юмора и сногсшибательных приключений, где важные научные факты переплетены с веселыми и порою опасными выходками. Это не только увлекательная история о дружбе, космических странствиях и школьных перипетиях, но и невероятный рассказ о том, как устроенный мир, в котором мы живем.

В первой книге раскрываются интересные загадки Вселенной, во второй больше внимания уделено строению и тайнам космоса, а в третьей речь идет о Большом взрыве.

«Физика без приборов», Левемарк Лассе

Опыты Тома Тита (творческий псевдоним Артура Гуда, французского писателя и журналиста) более ста лет помогают детям все­го мира изучать окружающий мир через игру. Читатели узнают, как оживить тень, победить в силовом состязании четырех взрослых сразу, заставить скорлупу танцевать, вскипятить воду при помощи рук, сделать цветы из мыльных пузырей.  В книге собраны десятки подобных опытов.

Поділитися цією статтею

Автор: Освіторія


Простая английская Википедия, бесплатная энциклопедия

Различные примеры физических явлений

Физика — это отрасль науки. Это одна из самых фундаментальных научных дисциплин. Основная цель физики — объяснить, как вещи движутся в пространстве и времени, и понять, как ведет себя Вселенная. Он изучает материю, силы и их эффекты.

Слово физика происходит от греческого слова ἡ φύσις, что означает «природа». ^[1] Физика также может быть определена как «та область знаний, которая относится к порядку природы или, другими словами, к регулярной последовательности событий». ^[2]

Физика играет очень важную роль в разработке новых технологий, таких как самолеты, телевизоры, компьютеры и ядерное оружие. Механика, раздел физики, помогла развить математическую область исчисления.

Современная физика связывает представления о четырех законах симметрии и сохранения энергии, импульса, заряда и четности.

Астрономия, часть физики, является древнейшей естественной наукой. В прошлом это было частью «натурфилософии» наряду с другими областями науки, такими как химия и биология. В ходе научной революции эти области разделились, и физика стала отдельной областью знаний.

Древняя астрономия[изменить | изменить источник]

Астрономия — старейшая естественная наука. Шумеры и древние египтяне изучали звезды в основном с целью предсказания и религии. Первые вавилонские звездные карты датируются примерно 1200 годом до нашей эры. Периодичность астрономических событий также восходит к вавилонянам. ^[3] Их понимание не было научным, но их наблюдения повлияли на более позднюю астрономию. Большая часть астрономии пришла из Месопотамии, Вавилонии, Древнего Египта и Древней Греции. Астрономы из Египта построили монументы, показывающие, как движутся объекты на небе, а большинство названий созвездий в северном полушарии пришло от греческих астрономов.

Натурфилософия[изменить | изменить источник]

Натурфилософия зародилась в Греции около 650 г. до н.э., когда движение философов заменило суеверие натурализмом, опровергавшим духовное. Примерно в этот период Левкипп и его ученик Демокрит предложили идею атома.

Физика в средневековом исламском мире[изменить | изменить источник]

Исламские ученые продолжали изучать аристотелевскую физику во времена Золотого века ислама. Одним из основных вкладов была наблюдательная астрономия. Некоторые, такие как Ибн Сахл, Аль-Кинди, Ибн аль-Хайтам, Аль-Фариси и Авиценна, работали над оптикой и зрением. В Книга Оптики , Ибн аль-Хайтам отверг прежние греческие представления о зрении и предложил новую теорию. Он изучал, как свет попадает в глаз, и разработал камеру-обскуру. Позже европейские ученые построили по этой книге очки, увеличительные стекла, телескопы и фотоаппараты.

Классическая физика[изменить | изменить источник]

Физика стала отдельной областью изучения после научной революции. ^[4] Эксперименты Галилея помогли создать классическую физику. Хотя он не изобретал телескоп, он использовал его, когда смотрел в ночное небо. Он поддерживал идею Коперника о том, что Земля движется вокруг Солнца (гелиоцентризм). Он также исследовал гравитацию. Исаак Ньютон использовал идеи Галилея, чтобы создать свои три закона движения и свой закон всемирного тяготения. Вместе эти законы объясняли движение падающих тел вблизи Земли и движение Земли и планет вокруг Солнца. ^[5]

Через пару столетий промышленная революция была в самом разгаре и было сделано еще много открытий во многих областях науки. Законов классической физики достаточно для изучения объектов, которые движутся намного медленнее скорости света и не являются микроскопическими. Когда ученые впервые изучали квантовую механику, им пришлось создать новый набор законов, что стало началом современной физики.

Современная физика[изменить | изменить источник]

Исследовав частицы, ученые обнаружили то, что не могла объяснить классическая механика. Классическая механика предсказывала, что скорость света может изменяться, но эксперименты показали, что скорость света остается неизменной. Это было предсказано специальной теорией относительности Альберта Эйнштейна. Эйнштейн предсказал, что скорость электромагнитного излучения в пустом пространстве всегда будет одинаковой. Его взгляд на пространство-время заменил древнюю идею о том, что пространство и время — совершенно разные вещи.

Макс Планк придумал квантовую механику, чтобы объяснить, почему металл высвобождает электроны, когда вы освещаете его светом, и почему материя испускает излучение. Квантовая механика применима к очень маленьким вещам, таким как электроны, протоны и нейтроны, из которых состоит атом. Такие люди, как Вернер Гейзенберг, Эрвин Шредингер и Поль Дирак, продолжали работать над квантовой механикой, и в конце концов мы получили Стандартную модель. ^{[6] [7]}

Физика изучает энергию и материю в пространстве и времени и то, как они связаны друг с другом. Физики предполагают существование массы, длины, времени и электрического тока, а затем определяют (придают значение) все другие физические величины в терминах этих основных единиц. Масса, длина, время и электрический ток никогда не определяются, но всегда определяются стандартные единицы, используемые для их измерения. В Международной системе единиц (сокращенно СИ от французского S ystème I международный), килограмм — основная единица массы, метр — основная единица длины, секунда — основная единица времени, а ампер — основная единица электрического тока. В дополнение к этим четырем единицам есть еще три: моль, являющийся единицей количества вещества, кандела, измеряющая силу света (мощность освещения), и кельвин, единица измерения температуры.

Физика изучает движение вещей и силы, заставляющие их двигаться. Например, скорость и ускорение используются в физике, чтобы показать, как движутся предметы. Кроме того, физики изучают силы гравитации, электричества, магнетизма и силы, удерживающие объекты вместе.

Физика изучает очень большие и очень маленькие объекты. Например, физики могут изучать звезды, планеты и галактики, но могут также изучать небольшие частицы материи, такие как атомы и электроны. Они также могут изучать звук, свет и другие волны. Кроме того, они могли исследовать энергию, тепло и радиоактивность и даже пространство и время. Физика не только помогает людям понять, как объекты движутся, но и как они меняют форму, как они издают шум, насколько они горячие или холодные и из чего они сделаны на самом маленьком уровне. Короче говоря, физика — это область науки, изучающая свойства материи и энергии, а также взаимодействие между ними.

Физика является количественной наукой, потому что она основана на измерении числами. Математика используется в физике для создания моделей, которые пытаются предсказать, что произойдет в природе. Эти прогнозы сравниваются с тем, как устроен реальный мир. Физики всегда работают над тем, чтобы сделать свои модели мира лучше.

Классическая механика содержит основные темы, такие как законы движения Ньютона, механика Лагранжа, механика Гамильтона, кинематика, статика, динамика, теория хаоса, акустика, гидродинамика, механика сплошной среды. Классическая механика — это все о силах, действующих на тело в природе, уравновешивающих силы, поддерживающих состояние равновесия и т. д.

Электромагнетизм изучает заряды на конкретном теле. Он содержит такие подразделы, как электростатика, электродинамика, электричество, магнетизм, магнитостатика, уравнения Максвелла, оптика.

Термодинамика и статистическая механика связаны с температурой. Он включает в себя основные темы, такие как тепловая машина, кинетическая теория. В нем используются такие термины, как теплота (Q), работа (Вт) и внутренняя энергия (U). Первый закон термодинамики дает нам связь между ними следующим уравнением (ΔU = Q − Вт )

Квантовая механика — это изучение частиц на атомном уровне с учетом атомной модели. Он включает в себя подтемы Формулировка интеграла по путям, теория рассеяния, уравнение Шредингера, квантовая теория поля, квантовая статистическая механика.

Относительность[изменить | изменить источник]

Общее описание[изменить | изменить источник]

Физика — это наука о материи и ее взаимодействии. Материя — это любой физический материал во Вселенной. Все сделано из материи. Физика используется для описания физической вселенной вокруг нас и для предсказания ее поведения. Физика — это наука, занимающаяся открытием и характеристикой универсальных законов, управляющих материей, движением и силами, пространством и временем, а также другими характеристиками мира природы.

Широта и цели физики[изменить | изменить источник]

Физика широка: от мельчайших компонентов материи и сил, удерживающих их вместе, до галактик и даже более крупных объектов. Есть только четыре силы, которые действуют во всем этом диапазоне. Однако считается, что даже эти четыре взаимодействия (гравитация, электромагнетизм, слабое взаимодействие, связанное с радиоактивностью, и сильное взаимодействие, удерживающее вместе протоны и нейтроны в атоме) являются разными частями единой силы.

Физика в основном сосредоточена на создании все более простых, более общих и более точных правил, определяющих характер и поведение самой материи и пространства. Одна из основных целей физики — создание теорий, применимых ко всему во Вселенной. Другими словами, физику можно рассматривать как изучение тех универсальных законов, которые определяют на самом базовом уровне поведение физической вселенной.

Физика использует научный метод[изменить | изменить источник]

Физика использует научный метод. То есть собираются данные экспериментов и наблюдений. Создаются теории, пытающиеся объяснить эти данные. Физика использует эти теории не только для описания физических явлений, но и для моделирования физических систем и прогнозирования поведения этих физических систем. Затем физики сравнивают эти предсказания с наблюдениями или экспериментальными данными, чтобы показать, верна ли теория или нет.

Теории, хорошо подкрепленные данными, особенно простые и общие, иногда называют научными законами. Конечно, все теории, в том числе известные как законы, могут быть заменены более точными и общими законами, когда обнаруживается несоответствие данным. ^[8]

Физика количественная[изменить | изменить источник]

Физика более количественная, чем большинство других наук. То есть многие наблюдения в физике могут быть представлены в виде численных измерений. Большинство теорий в физике используют математику для выражения своих принципов. Большинство предсказаний этих теорий являются числовыми. Это связано с тем, что области, к которым обращается физика, лучше работают с количественными подходами, чем другие области. Науки также имеют тенденцию становиться более количественными со временем, поскольку они становятся более высокоразвитыми, и физика является одной из древнейших наук.

Области физики[изменить | изменить источник]

Классическая физика обычно включает области механики, оптики, электричества, магнетизма, акустики и термодинамики. Термин «современная физика» обычно используется для обозначения областей, основанных на квантовой теории, включая квантовую механику, атомную физику, ядерную физику, физику элементарных частиц и физику конденсированных сред, а также более современные области общей и специальной теории относительности, но последние две часто считаются областями классической физики, поскольку они не опираются на квантовую теорию. Хотя это различие можно найти в более старых работах, оно не представляет нового интереса, поскольку теперь считается, что квантовые эффекты важны даже в областях, которые раньше назывались классическими.

Подходы в физике[изменить | изменить источник]

Есть много способов изучать физику и много разных занятий в физике. Двумя основными видами деятельности являются сбор данных и разработка теорий.

Некоторые разделы физики можно изучать экспериментально. Например, Галилео Галилей изобрел кинематику, проводя эксперименты и изучая данные. Экспериментальная физика ориентирована в основном на эмпирический подход. Некоторые эксперименты проводятся для изучения природы, а другие — для получения данных, которые можно сравнить с предсказаниями теорий.

Некоторые другие области физики, такие как астрофизика и геофизика, в основном относятся к наблюдательным наукам, потому что большую часть их данных приходится собирать пассивно, а не путем экспериментов. Галилей, например, мог только посмотреть на Юпитер и обнаружить, что у него есть спутники. Однако наблюдательные программы в этих областях используют многие из тех же инструментов и технологий, которые используются в экспериментальных разделах физики.

Теоретическая физика часто использует количественные подходы для разработки теорий, пытающихся объяснить данные. Таким образом, физики-теоретики часто используют инструменты из математики. Теоретическая физика часто может включать в себя создание количественных прогнозов физических теорий и количественное сравнение этих прогнозов с данными. Теоретическая физика иногда создает модели физических систем до того, как будут доступны данные для проверки и поддержки этих моделей.

Эти два основных вида деятельности в физике: сбор данных, построение теории и тестирование, требуют множества различных навыков. Это привело к большой специализации в физике, а также к внедрению, развитию и использованию инструментов из других областей. Например, физики-теоретики используют в своей работе математику и числовой анализ, статистику, вероятность и компьютерное программное обеспечение. Физики-экспериментаторы разрабатывают приборы и методы сбора данных, используя технику, вычислительную технику и многие другие области техники. Часто инструменты из этих других областей не совсем подходят для нужд физики и нуждаются в изменении или создании более совершенных версий.

Часто бывает, что новая физика открывается, если физики-экспериментаторы проводят эксперимент, который не могут объяснить современные теории, или когда физики-теоретики создают теории, которые затем могут быть проверены физиками-экспериментаторами.

Экспериментальная физика, техника и технология связаны между собой. Для экспериментов часто требуются специализированные инструменты, такие как ускорители частиц, лазеры, а важные промышленные приложения, такие как транзисторы и магнитно-резонансная томография, появились в результате прикладных исследований.

Выдающиеся физики[изменить | изменить источник]

• Галилео Галилей (1564–1642)
• Христиан Гюйгенс (1629–1695)
• Исаак Ньютон (1643–1727)
• Леонард Эйлер (1707–1783)
• Жозеф Луи Лагранж (1736–1813)
• Пьер-Симон Лаплас (1749–1827)
• Жозеф Фурье (1768–1830)
• Николя Леонар Сади Карно (1796–1842)
• Уильям Роуэн Гамильтон (1805–1865)
• Рудольф Клаузиус (1822–1888)
• Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879)
• Дж. Уиллард Гиббс (1839–1903)
• Людвиг Больцман (1844–1906)
• Хендрик А. Лоренц (1853–1928)
• Анри Пуанкаре (1854–1912)
• Никола Тесла (1856–1943)
• Макс Планк (1858–1947)
• Альберт Эйнштейн (1879–1955)
• Милутин Миланкович (1879–1958)
• Эмми Нётер (1882–1935)
• Макс Борн (1882–1970)
• Нильс Бор (1885–1962)
• Эрвин Шредингер (1887–1961)
• Луи де Бройль (1892–1987)
• Сатьендра Натх Бос (1894–1974)
• Вольфганг Паули (1900–1958)
• Энрико Ферми (1901–1954)
• Вернер Гейзенберг (1901–1976)
• Поль Дирак (1902–1984)
• Юджин Вигнер (1902–1995)
• Роберт Оппенгеймер (1904–1967)
• Син-Итиро Томонага (1906–1979)
• Хидэки Юкава (1907–1981)
• Джон Бардин (1908–1991)
• Лев Ландау (1908–1967)
• Анатолий Власов (1908–1975)
• Николай Боголюбов (1909–1992)
• Субрахманьян Чандрасекар (1910–1995)
• Джон Арчибальд Уиллер (1911–2008)
• Ричард Фейнман (1918–1988)
• Джулиан Швингер (1918–1994)
• Феза Гюрсей (1921–1992)
• Чен Нин Ян (1922–)
• Фриман Дайсон (1923–2020)
• Гуннар Келлен (1926–1968)
• Абдус Салам (1926–1996)
• Мюррей Гелл-Манн (1929–)
• Риазуддин (1930–)
• Роджер Пенроуз (1931–)
• Джордж Сударшан (1931–)
• Шелдон Глэшоу (1932–)
• Том У. Б. Киббл (1932–)
• Стивен Вайнберг (1933–)
• Джеральд Гуральник (1936–)
• Сидни Коулман (1937–2007)
• К. Р. Хаген (1937–)
• Ратко Янев (1939–)
• Леонард Сасскинд (1940–)
• Майкл Берри (1941–)
• Бертран Гальперин (1941–)
• Стивен Хокинг (1942–2018)
• Александр Поляков (1945–)
• Герардус т Хофт (1946–)
• Джейкоб Бекенштейн (1947–)
• Роберт Лафлин (1950–)
• Американское физическое общество
• Астрономия
• Энергия
• Материя
• Время
1. ↑ В начале Фейнмановских лекций по физике Ричард Фейнман предлагает атомную гипотезу как единственную наиболее важную научную концепцию, которая все вещи состоят из атомов — маленьких частиц, которые движутся в вечном движении, притягивая друг друга, когда они находятся на небольшом расстоянии друг от друга, но отталкиваются, когда их сдавливают друг в друга  . ..”
2. ↑ Максвелл Дж. К. 1878. Материя и движение . Ван Ностранд, стр. 9. ISBN 0-486-66895-9
3. ↑ Aaboe A. 1991. Месопотамская математика, астрономия и астрология . Кембриджская древняя история. Том III (2-е изд.). Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-22717-9
4. ↑ Дейкстерхуис Э.Дж. 1986. Механизация картины мира: от Пифагора до Ньютона . Принстон, Нью-Джерси: Издательство Принстонского университета. ISBN 978-0-691-08403-9
5. ↑ Бен-Хаим М. 2004. Экспериментальная философия и рождение эмпирической науки: Бойль, Локк и Ньютон . Олдершот: Ашгейт. ISBN 0-7546-4091-4
6. ↑ Эйнштейн, Альберт и Инфельд, Леопольд 1938. Эволюция физики: от ранней концепции к теории относительности и квантов . Издательство Кембриджского университета. Нематематический счет.
7. ↑ Фейнман Р.П.; Лейтон Р. Б. и Сэндс М. 1963. Фейнмановские лекции по физике . 1. ISBN 0-201-02116-1
8. ↑ Уравнение (например, f = m a) называется «законом», когда имеются четкие эмпирические результаты, подтверждающие его.
• Единицы и измерения Вопрос

Простая английская Википедия, бесплатная энциклопедия

Различные примеры физических явлений

Физика — это отрасль науки. Это одна из самых фундаментальных научных дисциплин. Основная цель физики — объяснить, как вещи движутся в пространстве и времени, и понять, как ведет себя Вселенная. Он изучает материю, силы и их эффекты.

Слово физика происходит от греческого слова ἡ φύσις, что означает «природа». ^[1] Физика также может быть определена как «та область знаний, которая относится к порядку природы или, другими словами, к регулярной последовательности событий». ^[2]

Физика играет очень важную роль в разработке новых технологий, таких как самолеты, телевизоры, компьютеры и ядерное оружие. Механика, раздел физики, помогла развить математическую область исчисления.

Современная физика связывает представления о четырех законах симметрии и сохранения энергии, импульса, заряда и четности.

Астрономия, часть физики, является древнейшей естественной наукой. В прошлом это было частью «натурфилософии» наряду с другими областями науки, такими как химия и биология. В ходе научной революции эти области разделились, и физика стала отдельной областью знаний.

Древняя астрономия[изменить | изменить источник]

Астрономия — старейшая естественная наука. Шумеры и древние египтяне изучали звезды в основном с целью предсказания и религии. Первые вавилонские звездные карты датируются примерно 1200 годом до нашей эры. Периодичность астрономических событий также восходит к вавилонянам. ^[3] Их понимание не было научным, но их наблюдения повлияли на более позднюю астрономию. Большая часть астрономии пришла из Месопотамии, Вавилонии, Древнего Египта и Древней Греции. Астрономы из Египта построили монументы, показывающие, как движутся объекты на небе, а большинство названий созвездий в северном полушарии пришло от греческих астрономов.

Натурфилософия[изменить | изменить источник]

Натурфилософия зародилась в Греции около 650 г. до н.э., когда движение философов заменило суеверие натурализмом, опровергавшим духовное. Примерно в этот период Левкипп и его ученик Демокрит предложили идею атома.

Физика в средневековом исламском мире[изменить | изменить источник]

Исламские ученые продолжали изучать аристотелевскую физику во времена Золотого века ислама. Одним из основных вкладов была наблюдательная астрономия. Некоторые, такие как Ибн Сахл, Аль-Кинди, Ибн аль-Хайтам, Аль-Фариси и Авиценна, работали над оптикой и зрением. В Книга Оптики , Ибн аль-Хайтам отверг прежние греческие представления о зрении и предложил новую теорию. Он изучал, как свет попадает в глаз, и разработал камеру-обскуру. Позже европейские ученые построили по этой книге очки, увеличительные стекла, телескопы и фотоаппараты.

Классическая физика[изменить | изменить источник]

Физика стала отдельной областью изучения после научной революции. ^[4] Эксперименты Галилея помогли создать классическую физику. Хотя он не изобретал телескоп, он использовал его, когда смотрел в ночное небо. Он поддерживал идею Коперника о том, что Земля движется вокруг Солнца (гелиоцентризм). Он также исследовал гравитацию. Исаак Ньютон использовал идеи Галилея, чтобы создать свои три закона движения и свой закон всемирного тяготения. Вместе эти законы объясняли движение падающих тел вблизи Земли и движение Земли и планет вокруг Солнца. ^[5]

Через пару столетий промышленная революция была в самом разгаре и было сделано еще много открытий во многих областях науки. Законов классической физики достаточно для изучения объектов, которые движутся намного медленнее скорости света и не являются микроскопическими. Когда ученые впервые изучали квантовую механику, им пришлось создать новый набор законов, что стало началом современной физики.

Современная физика[изменить | изменить источник]

Исследовав частицы, ученые обнаружили то, что не могла объяснить классическая механика. Классическая механика предсказывала, что скорость света может изменяться, но эксперименты показали, что скорость света остается неизменной. Это было предсказано специальной теорией относительности Альберта Эйнштейна. Эйнштейн предсказал, что скорость электромагнитного излучения в пустом пространстве всегда будет одинаковой. Его взгляд на пространство-время заменил древнюю идею о том, что пространство и время — совершенно разные вещи.

Макс Планк придумал квантовую механику, чтобы объяснить, почему металл высвобождает электроны, когда вы освещаете его светом, и почему материя испускает излучение. Квантовая механика применима к очень маленьким вещам, таким как электроны, протоны и нейтроны, из которых состоит атом. Такие люди, как Вернер Гейзенберг, Эрвин Шредингер и Поль Дирак, продолжали работать над квантовой механикой, и в конце концов мы получили Стандартную модель. ^{[6] [7]}

Физика изучает энергию и материю в пространстве и времени и то, как они связаны друг с другом. Физики предполагают существование массы, длины, времени и электрического тока, а затем определяют (придают значение) все другие физические величины в терминах этих основных единиц. Масса, длина, время и электрический ток никогда не определяются, но всегда определяются стандартные единицы, используемые для их измерения. В Международной системе единиц (сокращенно СИ от французского S ystème I международный), килограмм — основная единица массы, метр — основная единица длины, секунда — основная единица времени, а ампер — основная единица электрического тока. В дополнение к этим четырем единицам есть еще три: моль, являющийся единицей количества вещества, кандела, измеряющая силу света (мощность освещения), и кельвин, единица измерения температуры.

Физика изучает движение вещей и силы, заставляющие их двигаться. Например, скорость и ускорение используются в физике, чтобы показать, как движутся предметы. Кроме того, физики изучают силы гравитации, электричества, магнетизма и силы, удерживающие объекты вместе.

Физика изучает очень большие и очень маленькие объекты. Например, физики могут изучать звезды, планеты и галактики, но могут также изучать небольшие частицы материи, такие как атомы и электроны. Они также могут изучать звук, свет и другие волны. Кроме того, они могли исследовать энергию, тепло и радиоактивность и даже пространство и время. Физика не только помогает людям понять, как объекты движутся, но и как они меняют форму, как они издают шум, насколько они горячие или холодные и из чего они сделаны на самом маленьком уровне. Короче говоря, физика — это область науки, изучающая свойства материи и энергии, а также взаимодействие между ними.

Физика является количественной наукой, потому что она основана на измерении числами. Математика используется в физике для создания моделей, которые пытаются предсказать, что произойдет в природе. Эти прогнозы сравниваются с тем, как устроен реальный мир. Физики всегда работают над тем, чтобы сделать свои модели мира лучше.

Классическая механика содержит основные темы, такие как законы движения Ньютона, механика Лагранжа, механика Гамильтона, кинематика, статика, динамика, теория хаоса, акустика, гидродинамика, механика сплошной среды. Классическая механика — это все о силах, действующих на тело в природе, уравновешивающих силы, поддерживающих состояние равновесия и т. д.

Электромагнетизм изучает заряды на конкретном теле. Он содержит такие подразделы, как электростатика, электродинамика, электричество, магнетизм, магнитостатика, уравнения Максвелла, оптика.

Термодинамика и статистическая механика связаны с температурой. Он включает в себя основные темы, такие как тепловая машина, кинетическая теория. В нем используются такие термины, как теплота (Q), работа (Вт) и внутренняя энергия (U). Первый закон термодинамики дает нам связь между ними следующим уравнением (ΔU = Q − Вт )

Квантовая механика — это изучение частиц на атомном уровне с учетом атомной модели. Он включает в себя подтемы Формулировка интеграла по путям, теория рассеяния, уравнение Шредингера, квантовая теория поля, квантовая статистическая механика.

Относительность[изменить | изменить источник]

Общее описание[изменить | изменить источник]

Физика — это наука о материи и ее взаимодействии. Материя — это любой физический материал во Вселенной. Все сделано из материи. Физика используется для описания физической вселенной вокруг нас и для предсказания ее поведения. Физика — это наука, занимающаяся открытием и характеристикой универсальных законов, управляющих материей, движением и силами, пространством и временем, а также другими характеристиками мира природы.

Широта и цели физики[изменить | изменить источник]

Физика широка: от мельчайших компонентов материи и сил, удерживающих их вместе, до галактик и даже более крупных объектов. Есть только четыре силы, которые действуют во всем этом диапазоне. Однако считается, что даже эти четыре взаимодействия (гравитация, электромагнетизм, слабое взаимодействие, связанное с радиоактивностью, и сильное взаимодействие, удерживающее вместе протоны и нейтроны в атоме) являются разными частями единой силы.

Физика в основном сосредоточена на создании все более простых, более общих и более точных правил, определяющих характер и поведение самой материи и пространства. Одна из основных целей физики — создание теорий, применимых ко всему во Вселенной. Другими словами, физику можно рассматривать как изучение тех универсальных законов, которые определяют на самом базовом уровне поведение физической вселенной.

Физика использует научный метод[изменить | изменить источник]

Физика использует научный метод. То есть собираются данные экспериментов и наблюдений. Создаются теории, пытающиеся объяснить эти данные. Физика использует эти теории не только для описания физических явлений, но и для моделирования физических систем и прогнозирования поведения этих физических систем. Затем физики сравнивают эти предсказания с наблюдениями или экспериментальными данными, чтобы показать, верна ли теория или нет.

Теории, хорошо подкрепленные данными, особенно простые и общие, иногда называют научными законами. Конечно, все теории, в том числе известные как законы, могут быть заменены более точными и общими законами, когда обнаруживается несоответствие данным. ^[8]

Физика количественная[изменить | изменить источник]

Физика более количественная, чем большинство других наук. То есть многие наблюдения в физике могут быть представлены в виде численных измерений. Большинство теорий в физике используют математику для выражения своих принципов. Большинство предсказаний этих теорий являются числовыми. Это связано с тем, что области, к которым обращается физика, лучше работают с количественными подходами, чем другие области. Науки также имеют тенденцию становиться более количественными со временем, поскольку они становятся более высокоразвитыми, и физика является одной из древнейших наук.

Области физики[изменить | изменить источник]

Классическая физика обычно включает области механики, оптики, электричества, магнетизма, акустики и термодинамики. Термин «современная физика» обычно используется для обозначения областей, основанных на квантовой теории, включая квантовую механику, атомную физику, ядерную физику, физику элементарных частиц и физику конденсированных сред, а также более современные области общей и специальной теории относительности, но последние две часто считаются областями классической физики, поскольку они не опираются на квантовую теорию. Хотя это различие можно найти в более старых работах, оно не представляет нового интереса, поскольку теперь считается, что квантовые эффекты важны даже в областях, которые раньше назывались классическими.

Подходы в физике[изменить | изменить источник]

Есть много способов изучать физику и много разных занятий в физике. Двумя основными видами деятельности являются сбор данных и разработка теорий.

Некоторые разделы физики можно изучать экспериментально. Например, Галилео Галилей изобрел кинематику, проводя эксперименты и изучая данные. Экспериментальная физика ориентирована в основном на эмпирический подход. Некоторые эксперименты проводятся для изучения природы, а другие — для получения данных, которые можно сравнить с предсказаниями теорий.

Некоторые другие области физики, такие как астрофизика и геофизика, в основном относятся к наблюдательным наукам, потому что большую часть их данных приходится собирать пассивно, а не путем экспериментов. Галилей, например, мог только посмотреть на Юпитер и обнаружить, что у него есть спутники. Однако наблюдательные программы в этих областях используют многие из тех же инструментов и технологий, которые используются в экспериментальных разделах физики.

Теоретическая физика часто использует количественные подходы для разработки теорий, пытающихся объяснить данные. Таким образом, физики-теоретики часто используют инструменты из математики. Теоретическая физика часто может включать в себя создание количественных прогнозов физических теорий и количественное сравнение этих прогнозов с данными. Теоретическая физика иногда создает модели физических систем до того, как будут доступны данные для проверки и поддержки этих моделей.

Эти два основных вида деятельности в физике: сбор данных, построение теории и тестирование, требуют множества различных навыков. Это привело к большой специализации в физике, а также к внедрению, развитию и использованию инструментов из других областей. Например, физики-теоретики используют в своей работе математику и числовой анализ, статистику, вероятность и компьютерное программное обеспечение. Физики-экспериментаторы разрабатывают приборы и методы сбора данных, используя технику, вычислительную технику и многие другие области техники. Часто инструменты из этих других областей не совсем подходят для нужд физики и нуждаются в изменении или создании более совершенных версий.

Часто бывает, что новая физика открывается, если физики-экспериментаторы проводят эксперимент, который не могут объяснить современные теории, или когда физики-теоретики создают теории, которые затем могут быть проверены физиками-экспериментаторами.

Экспериментальная физика, техника и технология связаны между собой. Для экспериментов часто требуются специализированные инструменты, такие как ускорители частиц, лазеры, а важные промышленные приложения, такие как транзисторы и магнитно-резонансная томография, появились в результате прикладных исследований.

Выдающиеся физики[изменить | изменить источник]

• Галилео Галилей (1564–1642)
• Христиан Гюйгенс (1629–1695)
• Исаак Ньютон (1643–1727)
• Леонард Эйлер (1707–1783)
• Жозеф Луи Лагранж (1736–1813)
• Пьер-Симон Лаплас (1749–1827)
• Жозеф Фурье (1768–1830)
• Николя Леонар Сади Карно (1796–1842)
• Уильям Роуэн Гамильтон (1805–1865)
• Рудольф Клаузиус (1822–1888)
• Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879)
• Дж. Уиллард Гиббс (1839–1903)
• Людвиг Больцман (1844–1906)
• Хендрик А. Лоренц (1853–1928)
• Анри Пуанкаре (1854–1912)
• Никола Тесла (1856–1943)
• Макс Планк (1858–1947)
• Альберт Эйнштейн (1879–1955)
• Милутин Миланкович (1879–1958)
• Эмми Нётер (1882–1935)
• Макс Борн (1882–1970)
• Нильс Бор (1885–1962)
• Эрвин Шредингер (1887–1961)
• Луи де Бройль (1892–1987)
• Сатьендра Натх Бос (1894–1974)
• Вольфганг Паули (1900–1958)
• Энрико Ферми (1901–1954)
• Вернер Гейзенберг (1901–1976)
• Поль Дирак (1902–1984)
• Юджин Вигнер (1902–1995)
• Роберт Оппенгеймер (1904–1967)
• Син-Итиро Томонага (1906–1979)
• Хидэки Юкава (1907–1981)
• Джон Бардин (1908–1991)
• Лев Ландау (1908–1967)
• Анатолий Власов (1908–1975)
• Николай Боголюбов (1909–1992)
• Субрахманьян Чандрасекар (1910–1995)
• Джон Арчибальд Уиллер (1911–2008)
• Ричард Фейнман (1918–1988)
• Джулиан Швингер (1918–1994)
• Феза Гюрсей (1921–1992)
• Чен Нин Ян (1922–)
• Фриман Дайсон (1923–2020)
• Гуннар Келлен (1926–1968)
• Абдус Салам (1926–1996)
• Мюррей Гелл-Манн (1929–)
• Риазуддин (1930–)
• Роджер Пенроуз (1931–)
• Джордж Сударшан (1931–)
• Шелдон Глэшоу (1932–)
• Том У. Б. Киббл (1932–)
• Стивен Вайнберг (1933–)
• Джеральд Гуральник (1936–)
• Сидни Коулман (1937–2007)
• К. Р. Хаген (1937–)
• Ратко Янев (1939–)
• Леонард Сасскинд (1940–)
• Майкл Берри (1941–)
• Бертран Гальперин (1941–)
• Стивен Хокинг (1942–2018)
• Александр Поляков (1945–)
• Герардус т Хофт (1946–)
• Джейкоб Бекенштейн (1947–)
• Роберт Лафлин (1950–)
• Американское физическое общество
• Астрономия
• Энергия
• Материя
• Время
1. ↑ В начале Фейнмановских лекций по физике Ричард Фейнман предлагает атомную гипотезу как единственную наиболее важную научную концепцию, которая все вещи состоят из атомов — маленьких частиц, которые движутся в вечном движении, притягивая друг друга, когда они находятся на небольшом расстоянии друг от друга, но отталкиваются, когда их сдавливают друг в друга  .