Область применения физики: Область применения. Воронежские физики предложили новый подход к изучению наноматериалов - Санкт-Петербургское государственное бюджетное учреждение социального обслуживания населения

Содержание

Область применения. Воронежские физики предложили новый подход к изучению наноматериалов

Ученые физфака ВГУ совместно с коллегами из других стран предложили доступный и эффективный способ исследования свойств твердотельных наноматериалов. Метод позволяет изучить развитую поверхность образца наноструктуры, от которой зависят ее свойства. Чем полезен предложенный подход и как ученые к нему пришли, – в материале РИА «Воронеж».

Научная группа

Новый подход считается совместной русско-немецкой разработкой. Вклад зарубежных коллег практический – они участвовали в экспериментах и получали наноструктуры, на которых ученые ВГУ продемонстрировали предложенный подход к их изучению. Сам же подход год назад разработала в стенах физического факультета группа физиков-энтузиастов: несколько научных сотрудников и одна студентка.

Руководитель научной группы, доктор физико-математических наук, доцент Сергей Турищев, увлекался наукой с детства, так как рос в семье физиков.

– Понимаете, физика – как детектив. Вокруг нас полно фактов и «улик». Главное – как вы соберете данные и как потом их проинтерпретируете, – считает Турищев.

Детство он провел в Тбилиси. В 1990-х семья переехала в Воронеж.

– Ехали в неизвестность, у нас тут не было родственников, были только близкие друзья, – вспомнил Сергей Турищев.

Он окончил школу уже в столице Черноземья и поступил на физфак.

Второй член группы – научный сотрудник, кандидат физико-математических наук ВГУ Елена Паринова – автор собственного научного проекта и участник международной научной группы. Сложно поверить, но в школе физика давалась Лене хуже других предметов.

– Я для себя сделала такой вывод: раз уж для меня это сложнее всего, то поступать буду только на физфак. Такой вот вызов самой себе, – смеется девушка.

Самая юная участница группы – Александра Пислярук, обучающаяся на первом курсе магистратуры. Девушка шутит, что пошла на физический факультет потому, что тут мало математики, а считать она с детства не любит, хотя ее родители и экономисты.

Поступив на физический факультет, девушка решила попробовать свои силы в «большой науке» и попросилась участвовать в экспериментах.

– К нам приходит много студентов, но не все хорошо справляются. Саша одна из немногих, кто все делает с первого раза и хорошо. Работу, на которую другие ребята могут потратить длительное время, она выполняет эффективно и скоро, – похвалила юную коллегу Елена Паринова.

Еще одним участником эксперимента стал младший научный сотрудник физического факультета ВГУ Дмитрий Коюда – тот самый молодой ученый, который организовал первый в Воронеже научный слэм и «Турнир трех наук».

Работа над проектом

Началась с того, что коллеги – физики из Германии прислали любопытный образец наноматериала из кремния. Научная группа собралась на кафедре и стала обсуждать, какой эксперимент можно с ним провести. Решено было изучить структуру, а также атомное и электронное строение – фундаментальные свойства материала.

Наноматериалы – вещества с необычными структурой и свойствами. Они состоят из наночастиц, малый размер которых, от 1 до 100 нанометров (нанометр – одна миллиардная метра), может приводить к полному изменению свойств материала, состоящего из них.

– У таких субстанций начинают проявляться свойства, которых не было в обычном состоянии. То, что обычно не светится, начинает светиться, то, что не излучало, начинает излучать, и наоборот, – пояснил Сергей Турищев.

Одна из причин необычных свойств наноматериалов в том, что у них очень «развитая» поверхность, по сравнению с которой вклад внутренней, «объемной» части частичек, может быть незначителен. Поверхность есть у самого материала в целом, и каждая наночастичка в нем тоже имеет поверхность. Физики понимали: весь материал – и в целом, и с точки зрения каждой составляющей его частички, на общей поверхности образца материала и в его глубине, – надо изучать детально и тщательно.

На разработку основ предложенного подхода у научной группы ушло несколько недель подготовки. Первая проблема, с которой столкнулись ученые: свойство кремния – вступать в реакцию с кислородом и окисляться.

– В природе мы никогда не увидим поверхность кремния в чистом виде – только «естественный» оксид. Это твердая «корочка», которая образуется на его поверхности при контакте с воздухом. Она очень тоненькая – несколько нанометров. Но для нас это много. Чтобы изучать собственно наноматериал, вклад поверхности нужно обязательно принимать во внимание. Мы решили модифицировать материал механически, скальпелем. На нашем жаргоне мы называем это действие «побрить», – сообщил Дмитрий Коюда.

«Брить» образец на открытом воздухе было нельзя: свежий срез снова бы вступил в реакцию с кислородом и окислился. Это пришлось сделать в перчаточном шкафу – специальном аппарате, который позволяет выполнять манипуляции в среде, отличной от естественной.

В случае предложенного физиками ВГУ подхода в шкаф закачивался инертный газ – аргон. Он не вступает в реакцию с кремнием. В атмосфере аргона и проводилось механическое скалывание – то самое «сбривание» части структуры.

Следующая фаза эксперимента заключалась в том, чтобы изучить образец при помощи рентгеновских лучей и специальных методов на их основе. Обычный рентгеновский аппарат, который стоит почти в каждой больнице, для этих целей не годился. Нужен был гораздо более мощный источник с широким диапазоном характеристик излучения. Ученые физфака ВГУ 17 лет проводят опыт на синхротроне в Германии. Это гигантская установка, которая занимает площадь в несколько тысяч квадратных метров. Прибор сильно разгоняет электроны, в результате чего с них буквально «срываются» потоки фотонов, образуя очень яркое излучение.

– По сути, синхротрон – источник очень интенсивного излучения, в том числе рентгеновского. Кроме того, в отличие от «лабораторных» установок, он позволяет легко менять длину волны, а для нашей работы это важно, – отметил Сергей Турищев. Такие установки принято называть установками класса «мегасайенс».

Работая на синхротроне, воронежские физики применяют методы и методики, которыми обычно изучают поверхность. При этом, используя одновременно исходную и механически «сбритую» части единой наноструктуры и специальный способ переноса в синхротронный прибор без воздействия на нее воздуха, они добились того, что не получалось еще ни у кого: прозондировать развитую поверхность наноматериала «в глубине», впоследствии получив ее изображение в электронном микроскопе. Они словно посмотрели на материал в разрезе, не нарушая его целостности.

Чем полезно открытие физиков?

Необычная структура наноматериалов позволяет придавать им необычайные свойства. К примеру, можно сделать вещество сверхпрочным или заставить его во много раз лучше проводить электричество. Простой метод, который придумали воронежские ученые, позволяет более полно и точно предсказать возможные свойства наноматериалов и понять, в каких областях их можно использовать.

– Наноматериалы сначала нужно получить, потом исследовать их фундаментальные характеристики, такие как состав и структура, атомное и электронное строение. И только после этого изучать их свойства в теории и эксперименте и внедрять их в производство. Однако так происходит в идеальном случае. В реальной жизни зачастую после получения исследуются сразу свойства этих материалов, без детального теоретического и экспериментального изучения фундаментальных характеристик. Иногда наноматериалы и структуры на их основе просто тестируются: «подойдет – не подойдет». Это похоже на поиски черной кошки в темной комнате, и часто оказывается, что ее там нет. Благодаря предложенному нами подходу понимание фундаментальных характеристик стало в прямом и переносном смысле глубже, можно более точно предсказать свойства наноматериалов и наноструктур, – пояснил Сергей Турищев.

Как коллеги оценили новый метод?

Результаты работы интернациональной группы опубликовали в 2019 году в престижном научном журнале Scientific Reports группы журналов Nature Research (ранее известной как Nature Publishing Group) издательства Springer Nature.

– В таких изданиях серьезные научные рецензенты и сложный отбор статей. Это известные ученые, которые оценивают вашу работу. У нас было не менее трех рецензентов. Они изучали нашу работу около полугода. В результате после нескольких этапов доработки все дали положительные рецензии. Для меня, как для ученого, это удивительно. Обычно процесс длится дольше, приходится отвечать на негативные отзывы, обсуждать, дорабатывать. Даже наши немецкие коллеги удивились такой оценке, – отметил Сергей Турищев.

Несмотря на то, что статья вышла в научном журнале совсем недавно, предложенным подходом уже начали пользоваться другие ученые.

– В научном мире так положено: когда ты используешь чужую работу в своем эксперименте, ты делаешь ссылку на ее авторов. Хотя наш проект совсем свежий, одну ссылку мы уже получили. Надеемся, что этот метод и дальше будет активно использоваться и приносить пользу, – рассказал Турищев.

Научный коллектив физфака ВГУ благодарен группе «Полупроводниковые наноструктуры» и ее руководителю доктору Владимиру Сивакову из Института фотонных технологий Ассоциации Лейбница (Йена, Германия) за долгое и плодотворное сотрудничество, а также коллективу Российско-Германской лаборатории синхротрона BESSY II Гельмогольц Центра Берлин (Германия). Выполненную работу поддержал Российский научный фонд в рамках проекта 17-72-10287.

Техническая физика магистратура | Высшая инженерно-физическая школа

«Техническая физика» (PDF)

52 бюджетных места на программы подготовки магистров:

16.

04.01_01 Физика и техника полупроводников (20 мест)

Список дисциплин, ключевые оссобенности, контакты и пр. можно найти по ссылке

Исследования в области физики и техники полупроводников и полупроводниковых наноструктур дают ключ к инновационному решению проблем современной фотоники, посвященных созданию новых оптоэлектронных полупроводниковых приборов XXI века. Спектроскопия, космические исследования, мониторинг атмосферы, системы безопасности, неинвазивная диагностика и терапия в биологии и медицине– в современном высокотехнологичном цифровом мире области применения полупроводниковых приборов не имеют границ. Наши выпускники занимаются исследованиями, моделированием, разработкой и производством полупроводниковых структур и приборов оптоэлектроники, микро- и наноэлектроники, владеют методами экспериментального и теоретического исследования физических процессов, протекающих в этих структурах и приборах.

Ключевые особенности:

Особое внимание в программе уделяется современным терагерцовым и инфракрасным лазерам, детекторам, модуляторам излучения на основе полупроводниковых наноструктур с квантовыми ямами и квантовыми точками. Излучение терагерцового диапазона расположено между “оптическими” и “радиочастотными” длинами волн и не оказывает вредного влияния на организм человека. Создание эффективных источников терагерцового излучения – это актуальная и важная задача, поскольку ни “оптический”, ни “радиочастотный” подходы к генерации излучения не могут быть здесь использованы в полной мере. Одна из целей программы – подготовка высокопрофессиональных специалистов мирового уровня, способных ответить на вызовы современного научно-технологического развития, готовых к созданию и работе с новыми приборами терагерцовой фотоники, которых сейчас не хватает в таких прорывных направлениях науки и техники, как физика, химия, биология, медицина и телекоммуникации.

Профильные дисциплины

Полупроводниковые лазеры
Квантовая теория твердого тела
Квантоворазмерные системы наноэлектроники
Оптико-электронные системы
Физика горячих носителей
Физика и техника приборов наноэлектроники
Широкозонные полупроводники

Профессии выпускников

инженер-физик
инженер-электроник
научный сотрудник (широкий профиль специальностей)
инженер-исследователь

Примеры тем выпускных работ

Электрофизические свойства гетеростуктур с квантовыми ямами, выращенных методом молекулярно-пучковой эпитаксии
Фотоэлектрический сенсор водорода на основе диода Шоттки
Оптические исследования двумерных электронов и плазмонов в структурах на основе нитрида галлия
Динамика заселенности состояний квантовых точек Ge/Si неравновесными дырками
Люминесценция и концентрация носителей заряда в узкозонных квантовых ямах InGaAsSb/AlGaAsSb при оптическом возбуждении
Создание упорядоченных массивов металлических наноструктур для исследования генерации второй гармоники
Исследование воздействия γ-облучения на оптические и электрические свойства нанокомпозитов на основе проводящего полимера MEH-PPV
Влияние продольного электрического поля на межподзонное поглощение

Наиболее значимые научно-исследовательские проекты

Оптические явления в III-N наноструктурах в терагерцовом спектральном диапазоне
Терагерцовая люминесценция в легированных квантовых ямах GaAs/AlGaAs при оптической межзонной накачке
Взаимодействие терагерцового излучения с поверхностными плазмон-поляритонами в микроструктурах на основе GaAs
Увлечение света током электронов в квантовых ямах
Взаимодействие излучения терагерцового диапазона с легированными нано- и микроструктурами
Оптические явления в квантовых ямах с локализованными и резонансными состояниями акцепторов

Научные лаборатории

Оптика неравновесных носителей
Физика неравновесных сверхпроводников
Туннельная спектроскопия и сканирующая туннельная микроскопия
Фоточувствительные пленки и структуры
Органические нанокомпозитные материалы на основе фуллеренов
Коллоидные нанокристаллы (квантовые точки)

Научно-исследовательскую практику студенты проходят в лабораториях научной группы «Физика полупроводников и наноэлектроника» и других научно-исследовательских организациях и производственных предприятиях Санкт-Петербурга.

Места трудоустройства выпускников:

ООО «Оптоган. Новые Технологии Света»
ЗАО «Светлана-Рост»
ОАО «РНИИ «Электронстандарт»
ЗАО «Светлана-оптоэлектроника»
ЗАО «Полупроводниковые Приборы»
ОАО «Завод «Реконд»
ООО «Эс эм Эс тензотерм»
Группа компаний SemiTEq
ЗАО «ЭлТех СПб»
«SmS tenzotherm GmbH»
ООО НПЦ «Гранат»
ООО «ЛЕД Микросенсор НТ»
ООО «ЭФО»
ООО “Оптосенс”
НПП “СИЛАР”
ОАО “НИИ Гириконд”
ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН

и многие другие научно-исследовательские организации и производственные предприятия Санкт-Петербурга, России, ближнего и дальнего зарубежья.

16.04.01_02 Физика структур пониженной размерности (17 мест)

Описание образовательной программы доступно по ссылке

На всех этапах развития электроники отчетливо виден тренд к миниатюризации размеров устройств. Каждый новый виток миниатюризации был ознаменован скачком в развитии технологий и материалов, например, переход от громоздких ламповых ЭВМ к более компактным ПК на отдельных полупроводниковых элементах, а позже к применению интегральных микросхем. Самые современные однокристальные системы уже изготавливаются по техпроцессу 5 нм и на этом останавливаться не собираются. Но есть ли предел для миниатюризации? Ответ очень неоднозначный – и да, и нет. Объемные, истинно трехмерные структуры уже в значительной степени выработали свои возможности. Перспективы углубить миниатюризацию и улучшить функциональность открываются при использовании структур пониженной размерности. Физические явления, протекающие в таких структурах, и возможности их практического применения изучает физика низкоразмерных структур. А что эти структуры из себя представляют? Низкоразмерные структуры – это конденсированные системы, размер которых вдоль хотя бы одного пространственного направления сравним с длиной волны де Бройля носителя заряда в этой системе. Например, квантовые точки – это нульмерные объекты, перспективные материалы в оптике и медицине, могут заменить собой традиционные люминофоры, служат биомаркерами при томографиях. Тонкопленочные гетероструктуры – двухмерные слоистые объекты, применяются в лазерах, солнечных панелях, элементах транзисторной логики. Использование этих структур открывает гигантские практические возможности, ограниченные исключительно воображением. Принципиальная задача сегодняшнего специалиста в этой области – это применяя фундаментальные законы физики квантового мира создавать новые устройства, разрабатывать новые подходы к их проектированию. Работа специалиста в этой области – найти и понять, почувствовать правильное направление, провести плодотворную научную идею до практического успеха. А успех в этом направлении – это радикальное влияние на жизнь человечества, как это сравнительно недавно произошло с гетероструктурами Алферова-Крёмера, на которых сейчас работают практически вся спутниковая и оптоэлектронная связь.

Ключевые особенности:

На момент поступления от студента ожидается уверенная подготовка по основам физики твердого тела, квантовой механики, математическим методам физики. В магистерском курсе из этих базовых навыков, зерен образования, будут выращены сильные растения – компетенции в области математического моделирования наноразмерных устройств, аналитических методиках атомного разрешения, методам использования поверхности как функционального объекта, физике зарождающийся применений новых электронных материалов. Параллельно с этими курсами, у обучающегося будет возможность специализироваться в соответствии со своим индивидуальным предпочтением и чувством будущего карьерного направления в рамках научно-исследовательской работы в лабораториях университета и других научных организаций. Это откроет выпускнику уверенные возможности в удачном трудоустройстве по специальности или продолжения академической траектории в профильной аспирантуре..

16.04.01_08 Физика медицинских технологий (17 мест)

Описание образовательной программы доступно по ссылке

Стремление жить дольше и счастливее подстегивают огромный спрос на методы направленного воздействия на здоровье – от сложнейших роботизированных операций с радикально уменьшенными негативными последствиями и укороченным временем восстановления до искусственных органов и компьютеризированных протезов, непосредственно связанных с нервной системой человека. Огромные шаги сделаны в новых видах лучевой терапии, позволяющей безоперационное удаление опухолей, приспособлении наноматериалов для таргетированного донесения лекарств до необходимых областей, не затрагивая здоровые ткани.

Медицинские технологии – один из самых привлекательных инвестиционных объектов. Стоимость современных медицинских услуг говорит сама за себя: это область, требующая самых высококлассных специалистов междисциплинарного профиля – от медицинских физиков до био-кибернетиков и организаторов бизнеса. Принципиальных задач специалиста в области медицинских технологий множество:

используя физические законы и принципы создавать новую технику для проведения медицинских процедур,
использовать существующую технику для совершенствования и создания новых диагностик,
зная принципы функционирования биологических объектов предлагать новые методы и подходы лечения.

Добиться успехов в этой области – значит встать в один ряд с людьми, навсегда изменившими медицину, например, как это произошло с Рентгеном, открывшим X – лучи. Сейчас они называются рентгеновскими, и без них невозможно представить современную медицину, в частности рентгенографию, рентгеноскопию, компьютерную томографию, рентгенотерапию. Как и невозможно представить медицину без ядерно – резонансных методов исследований, за разработку которых Лотербур и Мэнсфилд получили нобелевскую премию.

Профиль “Физика медицинских технологий” построен как постоянно эволюционирующая образовательная траектория, ориентированная на повышение имеющегося уровня магистров, но и освоение новых, современных междисциплинарных курсов по биоматериаловедению, медицинским диагностикам, медицинской электроники.

Современная медицина, подталкиваемая новейшими технологиями, не стоит на месте. Бурное развитие техники эксперимента, приборов, подходов обязательно приводит к совершенствованию смежных областей. Одна из таких областей – медицинские технологии.

Ключевые особенности

На момент поступления от студента ожидается уверенная физико-математическая подготовка, начальные знания в области биологии, цитологии и анатомии. В магистерском курсе вы получите знания в самых перспективных направлениях медицины и техники. В частности – создание сегодня современных высокотехнологичных онкологических и кардиологических центров в РФ и, в том числе в Санкт-Петербурге, находит прямое отражение во введении в программу подготовки опережающих разделов по физике гамма- и адронной терапии, биосовместимым наноматериалам и молекулярной электроники.

Выпускники профиля получают уверенный заряд подготовки, которую хорошо образованный человек всегда сможет адаптировать к меняющейся ситуации современной экономики, а также живое и динамичное представление о современных направлениях развития, исходя из которых он или она может грамотно сориентироваться в трудовом ландшафте, в том числе уже на старших курсах пройдя стажировки в ведущих Российских и международных предприятиях. Мы работаем адресно, стараясь помочь обучающимся взять сильный старт в карьере и уже через несколько лет после окончания ВУЗа установить контроль за собственным развитием, принять непосредственное участие в организации хозяйственной деятельности РФ и, в перспективе – в обеспечении ее опережающего развития на мировом рынке медицинских технологий.

Профильные дисциплины

Математическое моделирование в технической физике
Оптические приборы и методы диагностики в медицине
Материалы медицинского применения
Основы томографии
Радиационная физика и медицинские технологии

Профессии выпускников

Инженер-физик-исследовантель
Научный сотрудник (специалист) в организациях здравоохранения и медицинского приборостроения
Конструктор оборудования – руководитель проектов

Примеры тем выпускных работ

Исследование кровотока в сосудах малого диаметра с помощью ультразвуковых допплеровских систем
Расчет параметров диэлектрической структуры линейного ускорителя электронов медицинского назначения
Моделирование флуоресцентной спектроскопии и спектроскопии диффузного отражения биологических объектов с использованием параллельных вычислений
Модификация поверхности мишени для МАЛДИ-масс-спектрометрии оксидами металлов для целей биоорганического анализа
Исследование дозовых распределений при тотальном облучении человека на линейном ускорителе электронами высокой интенсивности
Определение состава газовых смесей методом поверхностного плазмонного резонанса
Микроскопия сверхвысокого разрешения для изучения роли белка FtsZ микоплазм

Научно-исследовательские проекты

Определение физических параметров кровотока для оперативного контроля физиологического состояния
Ультразвуковая термометрия для терапевтических приборов фокусированного ультразвука
Ионно-лучевая инженерия плазмонно-оксидных наноструктур для спектроскопии гигантского комбинационного
рассеяния
теория и синтез диспергирующих и фокусирующих электронно-оптических сред

Научные лаборатории

Лаборатория ультразвуковых технологий Центра перспективных исследований СПбПУ
Центр «Нанобиотехнологии»
Физика взаимодействия излучений с веществом
Лаборатория новых аналитических ситем

Партнеры

Физико-технический институт РАН им. А.Ф. Иоффе
Институт аналитического приборостроения РАН
Институт высокомолекулярный соединений РАН
НИИ цитологии РАН
Центр протонной терапии МИБС
ФГУ Российский научный центр радиологии и хирургических технологий Минздрава России

1.4: Область физики

Последнее обновление
Сохранить как PDF

Идентификатор страницы: 19361

Howard Martin пересмотрено Аланом Нг
University of Wisconsin-Madison

Физика описывает широкий спектр явлений в рамках физических наук, начиная от поведения микроскопических частиц, из которых состоит материя, и заканчивая эволюцией всей Вселенной. Мы часто различаем «классическую» и «современную» физику в зависимости от того, когда были разработаны теории, и мы можем далее подразделять эти области физики в зависимости от масштаба или типа явлений, которые они описывают.

Слово «физика» происходит от древнегреческого и переводится как «природа» или «знание природы». Цель физики — разработать теории, из которых можно вывести математические модели для описания наших наблюдений. Одна из амбициозных целей физиков — разработать единую теорию, описывающую всю природу, вместо множества теорий, описывающих разные категории явлений. Это резко контрастирует с другими областями науки, как однажды заметил Резерфорд: «Вся наука — это либо физика, либо коллекционирование марок». То есть физики надеются, что существует одна-единственная математическая теория (подобная теории Хлои о падающих предметах), описывающая весь физический мир. В биологии, например, это не было бы разумной целью, поскольку нужно описать каждое живое существо в отдельности, а всеобъемлющей «теории о том, как выглядят все живые существа», не существует.

В настоящее время физики смогли сузить число теорий, необходимых для описания всего физического мира, до трех, что впечатляет (теория гравитации, теория сильного ядерного взаимодействия, а физики еще больше объединили теории слабого взаимодействия). ядерное взаимодействие с электромагнетизмом, чтобы получить «электрослабое взаимодействие»).

Классическая физика

Этот учебник посвящен классической физике, которая соответствует теориям, разработанным до 1905 года. тяжести. Исаак Ньютон был первым, кто официально разработал теорию механики, используя свои «Три закона» для описания поведения объектов в нашем повседневном опыте. Его знаменитая работа «Philosophiae Naturalis Principia Mathematica» («Начала»), опубликованная в 1687 году, также включала теорию гравитации, описывающую движение небесных тел.

После открытия в 1781 году планеты Уран Уильямом Гершелем астрономы заметили, что орбита планеты плохо описывается теорией Ньютона. Это побудило Урбена Леверье (в Париже) и Джона Кауча Адамса (в Кембридже) предсказать местонахождение новой планеты, которая нарушает орбиту Урана, а не утверждать, что теория Ньютона неверна.

Планета Нептун была впоследствии открыта Леверье в 1846 году, через год после предсказания, и рассматривалась как убедительное подтверждение теории Ньютона.

В 1859 году Урбен Леверье также отметил, что орбита Меркурия вокруг Солнца отличается от предсказанной теорией Ньютона. Снова была предложена новая планета, «Вулкан», но эта планета так и не была открыта, а отклонение орбиты Меркурия от предсказания Ньютона оставалось необъяснимым до 1915 года, когда Альберт Эйнштейн представил новую, более полную теорию гравитации, названную «Общая теория относительности». ». Это хороший пример научного метода; хотя открытие Нептуна согласовывалось с теорией Ньютона, оно не доказывало, что теория верна, а только то, что она правильно описывала движение Урана. Несоответствие, возникшее при взгляде на Меркурий, в конечном итоге показало, что ньютоновская теория гравитации не может дать должного описания планетарных орбит вблизи очень массивных объектов (Меркурий — ближайшая планета к Солнцу).

Упражнение \(\PageIndex{1}\)

Что показала невозможность найти планету Вулкан:

Это показало, что модель Меркурия Ньютона верна.
Это показало, что теория Ньютона неправильно описывает орбиты всех планет.

Это показало, что технология в то время была неадекватной.
Это показало, что общая теория относительности Эйнштейна верна.

Ответить

Электромагнетизм

Электромагнетизм описывает электрические заряды и магнетизм. Сначала не понимали, что электричество и магнетизм связаны. Шарль Огюстен де Кулон опубликовал в 1784 году первое описание того, как электрические заряды притягиваются и отталкиваются друг от друга. Магнетизм был открыт в древнем мире, когда люди заметили, что магнетит (горная порода, состоящая из намагниченного минерала магнетита) может притягивать железные инструменты. В 1819 году Эрстед обнаружил, что движущиеся электрические заряды могут влиять на стрелку компаса, и было проведено несколько последующих экспериментов, чтобы выяснить, как взаимодействуют магниты и движущиеся электрические заряды.

В 1865 году Джеймс Клерк Максвелл опубликовал «Динамическую теорию электромагнитного поля», в которой впервые предложил теорию, объединяющую электричество и магнетизм как две грани одного и того же явления. Одна важная концепция из теории Максвелла состоит в том, что свет — это электромагнитная волна с четко определенной скоростью. Это выявило некоторые потенциальные проблемы с теорией, поскольку для описания распространения света требовалась абсолютная система отсчета. Эксперименты конца 1800-х годов не смогли обнаружить существование этой системы отсчета.

Современная физика

В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал три основные статьи, заложившие основу того, что мы сейчас называем «Современной физикой». Эти работы охватывают следующие области, которые не были хорошо описаны классической физикой:

Описание броуновского движения, подразумевающее, что вся материя состоит из атомов.
Описание фотоэффекта, предполагающее, что свет состоит из частиц.
Описание движения очень быстрых объектов, подразумевающее, что масса эквивалентна энергии, а время и расстояние являются относительными понятиями.

Чтобы соответствовать описаниям Эйнштейна, физикам пришлось резко переформулировать новые теории.

Квантовая механика и физика элементарных частиц

Квантовая механика — это теория, которая была разработана в 1920-х годах с учетом вывода Эйнштейна о том, что свет состоит из частиц (точнее, квантованных сгустков энергии, называемых квантами), и описывает природу в мельчайших масштабах. Это могло быть сделано только за счет детерминизма, идеи о том, что мы можем предсказать, как конкретные ситуации будут развиваться во времени. Это привело к теории, которая могла дать только вероятности того, что определенные результаты будут реализованы. В двадцатом веке квантовая механика была усовершенствована до квантовой теории поля, которая привела к Стандартной модели физики элементарных частиц, описывающей наше современное понимание материи посредством теорий электрослабых и сильных взаимодействий.

Специальная и общая теории относительности

В 1905 году Эйнштейн опубликовал свою «Специальную теорию относительности», в которой описывается, как свет распространяется с постоянной скоростью без необходимости в абсолютной системе отсчета, тем самым решая проблему, введенную Максвеллом. . Это потребовало от физиков рассматривать пространство и время на равных основаниях («пространство-время»), а не два независимых аспекта мира природы, и привело к шквалу странных, но проверенных экспериментальных предсказаний. Одно из таких предсказаний состоит в том, что время течет медленнее для быстро движущихся объектов, что было подтверждено экспериментально с помощью точных атомных часов на самолетах и спутниках. В 1915, Эйнштейн усовершенствовал свою теорию до общей теории относительности, которая является нашим лучшим текущим описанием гравитации и включает описание орбиты Меркурия, которое не было описано теорией Ньютона.

Упражнение \(\PageIndex{2}\)

К какому из этих научно-фантастических сюжетов можно применить специальную теорию относительности?

Эксцентричный дуэт путешествует во времени, чтобы изменить прошлое.
Астронавт, много лет путешествующий со скоростью света, возвращается домой и обнаруживает, что он постарел меньше, чем его семья на Земле.
Супергерой использует молнию в качестве оружия.

Ответить

Космология и астрофизика

Космология описывает процессы в самых больших масштабах и в основном основана на применении Общей теории относительности к масштабам Вселенной. Например, космология описывает, как наша Вселенная началась с Большого взрыва и как крупномасштабные структуры, такие как галактики и скопления галактик, сформировались и превратились в нашу современную Вселенную.

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Галактика в скоплении галактик Кома (фото: НАСА).

Астрофизика сосредоточена на описании образования и эволюции звезд, галактик и других «астрофизических объектов», таких как нейтронные звезды и черные дыры.

Астрофизика элементарных частиц

Астрофизика элементарных частиц — это относительно новая область, в которой используются субатомные частицы, создаваемые астрофизическими объектами, для изучения объектов и о частицах. Например, Нобелевская премия по физике 2015 года была присуждена Арту Макдональду (канадскому физику из Королевского университета) за использование нейтрино 9.0130 1 , созданный Солнцем, чтобы узнать как о природе нейтрино, так и о том, как работает Солнце.

Сноски

1. Нейтрино — самые легкие субатомные частицы, о которых мы знаем

Эта страница под названием 1.4: The Scope of Physics распространяется в соответствии с лицензией CC BY-SA и была создана, изменена и/или курирована Говардом Мартином и пересмотрена Аланом Нг.

Наверх

Была ли эта статья полезной?

Тип изделия
Раздел или Страница
Автор
Райан Мартин и др.

Лицензия
CC BY-SA
Показать оглавление
нет
Теги

Что такое физика? Определение, история, важность, область применения

Самый любопытный разум из всех видов — это разум гомосапиенса. Люди всегда интересуются окружающей их природой и магическими законами, по которым она действует. Солнце всегда восходит на востоке и заходит на западе, луна появляется ночью, а солнце — днем и так далее. Все эти вопросы не вызывают у людей любопытства, но заставляют их думать и открывать для себя различные теории природы, и, таким образом, люди вскоре начали открывать физику, чтобы открывать мир и его тайну. Давайте узнаем, что такое физика более подробно,

Что такое физика?

Слово «наука» произошло от латинского слова «Scientia», означающего «знать». Следовательно, с одной стороны, можно сказать, что наука есть не что иное, как знание работы всего, от природы до машин. В науке широко известна категория естествознания, изучающая физический мир вокруг людей. Физика, химия, биология, геология — все эти области относятся к естествознанию.

Базовая дисциплина естественных наук физика . Физика — это также слово из латинского словаря, означающее «природа». На санскрите это известно как «Бхаутики», что означает физический мир вокруг. Точного определения физики нет, но можно сказать, что физика – это изучение всех основных законов природы и их проявления в различных явлениях.

Физика в целом объясняет разнообразные физические явления в отношении понятий и законов. Например, от падения яблока на землю и закона, связанного с этим, до вращения планет вокруг Солнца, до электромагнетизма и его эффектов — все это определяет физика. Основной концепцией физики является использование основных подходов к более крупным и сложным проблемам. Процесс решения сложной проблемы путем разбиения ее на более мелкие части называется 9.0063 редукционизм . Тогда акт объединения различных законов называется объединением .

История физики

Слово «наука» произошло от латинского слова «Scientia», что означает «знать». Слово «физика» произошло от греческого слова «Phusike», что означает «природа». На санскрите физика называется «видьяан», что означает «знание», все эти слова просто говорят о том, что физика так же стара, как род человеческий. Ранние цивилизации, такие как Египет, Индия, Греция и т. д., внесли значительный вклад в области физики. С 16 века Европа активно участвовала и вносила свой вклад. К середине двадцатого века наука стала международным предприятием, и в самой области наблюдается быстрый рост. Два основных подхода в физике уже описаны выше, это унификация и редукционизм.

Важность и применение физики

Сложные тождества больших величин объясняются с помощью более простых теорий.
Новые устройства изобретаются с использованием основных законов физики.
Наблюдения и эксперименты могут быть использованы для создания новых законов или изменения существующих законов.
Конечная цель состоит в том, чтобы найти единый набор законов, управляющих материей, энергией и движением как на микроскопическом, так и на макроскопическом уровнях.

Объем и волнение физики

Объем физики можно в основном понять, рассмотрев ее подразделения. Есть в основном два типа исследований в физике, макроскопическая физика и микроскопическая физика. Макроскопическая физика имеет дело с явлениями в земном, астрономическом масштабе, в то время как микроскопическая физика имеет дело с явлениями в атомном, молекулярном или ядерном масштабе. Макроскопические исследования проводятся в основном в классической физике, которая включает такие предметы, как механика, термодинамика и т. д. Микроскопические исследования — это изучение структуры атома и т. д. Классическая физика не может внести свой вклад в эту область, и в настоящее время квантовая теория упоминается для исследований на микроскопическом уровне.

Таким образом, можно сказать, что возможности физики действительно очень обширны. Исследование охватывает множество физических величин, таких как длина, масса, время, энергия и т. д. От изучения наименьших величин (в пределах до 10 ^-30 или меньше) до изучения величин на астрономическом уровне (в пределах до 10 ²⁰ и выше).

Фундаментальные силы в природе

Силу можно увидеть и испытать ежедневно, и она доступна как на макроскопическом, так и на микроскопическом уровнях. На макроскопическом уровне, помимо гравитационной силы, действуют несколько видов сил, например, мышечная сила, контактные силы, удлинение или сжатие эластических материалов и т. д. На микроскопическом уровне существуют электрические и магнитные силы, ядерные силы, и т. д. Хотя далее было замечено, что большинство сил, определенных или объясненных, происходят от четырех фундаментальных сил. Четыре фундаментальные силы в природе:

Гравитационная сила: Это взаимная сила, возникающая между двумя объектами благодаря их массам. Гравитационная сила является универсальной силой. Формула для гравитационной силы –

F _G = (G M ₁ M ₂)/R ²
F _G = = GRAIT
F _G = = GRAIT
F _G = = GRAIT
F _G = = GRAIT
F _G = = GARVITAIT ₂ = Массы 1 и 2.
r = расстояние между центрами масс.

Электромагнитная сила: Это сила, возникающая между заряженными частицами. Если заряды покоятся, возникает явление электрического поля, а если заряды движутся, возникают явления как электрического, так и магнитного поля. Поэтому она называется электромагнитной силой.
Сильное ядерное взаимодействие : Это самое сильное взаимодействие среди всех четырех фундаментальных взаимодействий. Эта сила связывает протоны и нейтроны в ядре. Эта сила не зависит от заряда, т. е. действует на протон-протон, протон-нейтрон и т. д.
Слабое ядерное взаимодействие: Слабое ядерное взаимодействие — не самое слабое среди фундаментальных взаимодействий. Оно не такое слабое, как гравитационное, но слабее, чем электромагнитное. Эта сила наблюдается только в некоторых ядерных процессах, например в β-распаде ядра.

Концептуальные вопросы

Вопрос 1: Какая из четырех фундаментальных сил самая слабая и самая сильная?

Ответ:

Самая слабая сила в природе — это гравитационная сила, а самая сильная сила в природе — сильное ядерное взаимодействие.

Вопрос 2: Каковы законы сохранения в природе?