Привет друзья! Вот и заканчиваем историю развития физики, которая компактно уместились в 7 статей. Надеюсь они вам понравились, потому как, - дальше будет куда интереснее.
В этой части расскажу про 20 век - революционный в физике. Теория относительности, квантовая теория, строение атома, обещаю, будет интересно (но это не точно).
Прошлая часть вот тут.
Немного о физике 20 века
В начале XX века физика столкнулась с серьёзными проблемами — начали возникать противоречия между старыми моделями и опытными данными. Так, например, наблюдались противоречия между классической механикой и электродинамикой при попытках измерить скорость света — выяснилось, что она не зависит от системы отсчёта. Физика того времени также была неспособна описать некоторые эффекты микромира, такие как атомные спектры излучений, фотоэффект, энергетическое равновесие электромагнитного излучения и вещества, спектр излучения абсолютно чёрного тела. Движение Меркурия не соответствовало ньютоновской теории тяготения; не было найдено решения и для «гравитационного парадокса». Наконец, новые явления, обнаруженные на рубеже веков — радиоактивность, электрон, рентгеновские лучи — не были теоретически объяснены. «Это целый мир, о существовании которого никто не подозревал», заявил Пуанкаре в 1900 году, и для понимания нового мира понадобился существенный пересмотр старой физики.
Теория относительности
Про Эйнштейна и его теорию относительности, думаю, знают все. Однако, в этой статье я не буду рассказывать о самой теории (об этом в скором будущем, а сейчас остановимся на чисто исторической стороне вопроса)
В 1728 году английский астроном Брэдли открыл аберрацию света: все звёзды описывают на небосводе малые круги с периодом в один год. С точки зрения эфирной теории света это означало, что эфир неподвижен, и его кажущееся смещение (при движении Земли вокруг Солнца) по принципу суперпозиции отклоняет изображения звёзд.
Френель допускал, что внутри вещества эфир частично увлекается движущейся материей. Эта точка зрения, казалось, нашла подтверждение в опытах Физо, который обнаружил, что скорость света в воде меньше, чем в пустоте. Максвелл в 1868 году предложил схему решающего опыта, который после изобретения интерферометра смог осуществить в 1881 году Майкельсон. Позже Майкельсон и Морли повторили опыт несколько раз с возрастающей точностью; другие физики провели десятки опытов, основанных на иных принципах (например, Троутон и Нобль измеряли поворот подвешенного конденсатора), но результат был неизменно отрицательным — «эфирного ветра» не существовало.
В 1892 году Гендрик Лоренц предположил, что эфир неподвижен, а длина любого тела сокращается в направлении его движения. Такое «лоренцево сокращение» неизбежно должно было привести к эффекту двойного лучепреломления во всех движущихся прозрачных телах; однако опыты опровергли существование подобного эффекта.
Другим серьёзным затруднением был тот факт, что уравнения Максвелла не соответствовали принципу относительности Галилея, несмотря на то, что электромагнитные эффекты зависят только от относительного движения. Был исследован вопрос, при каких преобразованиях координат уравнения Максвелла инвариантны. Правильные формулы впервые выписали Лармор (1900 год) и Пуанкаре (1905 год), который доказал их групповые свойства и предложил назвать преобразованиями Лоренца. В работе «О динамике электрона» (1905 год) Пуанкаре также дал обобщённую формулировку принципа относительности, охватывающего и электродинамику. В этой работе есть даже четырёхмерный интервал Минковского. Тем не менее Пуанкаре продолжал верить в реальность эфира, а разработанной им математической модели не придавал объективного физического содержания, рассматривая её, в соответствии со своей философией, как удобное соглашение («конвенцию»).
И тогда на арену вышел Эйнштейн.
Физическая, объективная сущность модели Пуанкаре раскрылась после работ Эйнштейна. В статье 1905 года Эйнштейн рассмотрел два постулата: всеобщий принцип относительности и постоянство скорости света. Из этих постулатов автоматически следовали формулы преобразования Лоренца, лоренцево сокращение, относительность одновременности(это один из ключевых моментов) и ненужность эфира. Были выведены также новый закон суммирования скоростей, возрастания инерции со скоростью и т. д. Эйнштейн указал, что все законы физики должны быть инвариантны относительно преобразований Лоренца. Позже эта теория получила название специальной теории относительности (СТО). После изгнания из физики эфира, электромагнитное поле приобрело новый статус самодостаточного физического объекта, не нуждающегося в дополнительном механическом носителе. В том же году появилась и формула:
Инерция определяется энергией.
Часть учёных сразу приняли СТО: Планк (1906 год) и сам Эйнштейн (1907 год) построили релятивистскую динамику и термодинамику, а Минковский в 1907 году представил математическую модель кинематики СТО в виде геометрии четырёхмерного неевклидова мира и разработал теорию инвариантов этого мира.
С 1911 года Эйнштейн разрабатывал общую теорию относительности (ОТО), заменившую теорию тяготения Ньютона, и завершил её в 1915 году. В теории тяготения Эйнштейна, в отличие от ньютоновской, нет дальнодействия и ясно указан физический носитель тяготения — модификация геометрии пространства-времени. Опытная проверка предсказанных этой теорией новых эффектов, предпринятая в десятках экспериментов, показала полное согласие ОТО с наблюдениями. Попытки Эйнштейна и других учёных расширить ОТО, объединив гравитацию, электромагнетизм и теорию микромира, успехом не увенчались.
Строение атома
В 1909—1910 годах эксперименты Резерфорда и Гейгера по рассеянию альфа-частиц в тонких пластинках обнаружили, что внутри атома существует небольшая компактная структура — атомное ядро. От «модели пудинга» пришлось отказаться. Резерфорд предложил уточнённую планетарную модель: положительное ядро, заряд которого (в единицах заряда электрона) точно соответствует номеру элемента в таблице Менделеева. Первым успехом новой теории было объяснение существования изотопов. Но были и другие модели. Дж. Дж. Томсон предположил, что взаимодействие электронов и ядра отличается от кулоновского; делались попытки привлечь теорию относительности и даже неевклидовы геометрии.
Первую успешную теорию, объяснившую спектр атома водорода, построил Нильс Бор в 1913 году. Бор дополнил модель Резерфорда постулатами неклассического характера:
- Существуют орбиты, на которых электрон будет стабилен (не будет терять энергию).
- При перескоке с одной дозволенной орбиты на другую электрон излучает или поглощает энергию, соответствующую разнице энергий орбит. Спектр атома водорода теория Бора предсказывала точно, но для других элементов согласия не было.
В 1915 году теория Бора была дополнена Зоммерфельдом и Вильсоном; были объяснены эффект Зеемана и тонкая структура спектра водорода. Бор добавил к своим постулатам принцип соответствия, который позволил определить интенсивность спектральных линий. В 1925 году Паули высказал гипотезу о наличии у электрона спина, а позже — принцип запрета, по которому никакие два электрона не могут иметь одинаковые квантовые числа (с учётом спина). После этого стало понятно, как и почему распределяются электроны по слоям (орбитам) в атоме. В 1920-е годы была в основном сформирована электронная теория металлов, объясняющая их хорошую электропроводность, в 1930-е годы было объяснено явление ферромагнетизма.
Нерешённой оставалась проблема — что, вопреки кулоновским силам отталкивания, удерживает протоны в ядре атома? Гамов предположил, что там существуют силы, аналогичные силам поверхностного натяжения в капле жидкости; так возникла «капельная модель ядра», оказавшаяся плодотворной. Японский физик Юкава разработал (1935 год) модель ядерных сил, квантами которых являются частицы особого рода; эти частицы были обнаружены в космических лучах (1947 год) и названы пи-мезонами.
В 1932 году Чадвик открыл нейтрон, предсказанный Резерфордом ещё в 1920-м. Структура ядра стала теперь ясна. Протон фактически был открыт в 1919 году, когда Резерфорд обнаружил расщепление атома азота при обстреле альфа-частицами; название «протон» Резерфорд придумал позднее. В том же 1932 году в космических лучах был открыт позитрон, подтверждающий идеи Дирака о существовании антивещества. В 1934 году Ферми опубликовал теорию бета-распада — нейтрон ядра превращается в протон, испуская электрон и (тогда ещё не обнаруженную) лёгкую частицу, названную им нейтрино. Чтобы теоретически обосновать распад нейтрона, понадобилось, кроме упомянутого выше «сильного», ввести дополнительное (четвёртое по счёту) фундаментальное взаимодействие, получившее название «слабого»
Квантовая теория
Ну и куда же без этой теории, как и с ТО, тут будет только история.
В 1880-е годы был экспериментально получен спектр излучения абсолютно чёрного тела; распределение энергии по частотам оказалось несогласованным со всеми имевшимися теориями, особенно для длинных (инфракрасных) волн. Правильную формулу подобрал в 1900 году Макс Планк. Несколькими неделями позже он выяснил, что эта формула может быть строго доказана, если сделать допущение, что излучение и поглощение энергии происходит порциями не меньше некоторого порога (кванта), пропорционального частоте волны. Сам Планк вначале рассматривал такую модель как чисто математический трюк; даже много позже, в 1914 году, он пытался опровергнуть собственное открытие, но безуспешно.
Эйнштейн сразу принял гипотезу квантов света, причём считал, что квантование относится не только ко взаимодействию света с веществом, но является свойством самого света. В 1905 году он построил на этой основе теорию фотоэффекта, в 1907 году — теорию теплоёмкости, которая до Эйнштейна при низких температурах расходилась с экспериментом.
Электромагнитному полю, таким образом, оказался присущ «корпускулярно-волновой дуализм». Французский физик Луи де Бройль предположил (1923), что подобный дуализм свойственен не только свету, но и веществу. Каждой материальной частице он сопоставил волну определённой частоты. Это объясняет, почему принцип Ферма в оптике похож на принцип Мопертюи, а также — почему устойчивые орбиты Бора именно таковы: только у них длина волны де Бройля укладывается на орбите целое число раз.
Синтез идей де Бройля и Гейзенберга осуществил Эрвин Шрёдингер, который в 1926 году создал «волновую механику» на базе выведенного им уравнения Шрёдингера для нового объекта — волновой функции. Новая механика, как показал сам Шрёдингер, эквивалентна матричной: элементы матрицы Гейзенберга, с точностью до множителя — собственные функции оператора Гамильтона, а собственными значениями оказалась квантованная энергия. В таком виде волновая механика была удобнее матричной, и вскоре стала общепризнанной. Первоначально Шрёдингер считал, что амплитуда волновой функции описывает плотность заряда, но этот подход был быстро отвергнут, и было принято предложение Борна (1926 год) истолковывать её как плотность вероятности обнаружения частицы («копенгагенская интерпретация»).
В 1927 году Гейзенберг сформулировал принцип неопределённости: координаты и импульс микрообъекта невозможно точно определить одновременно — уточняя координаты, мы неизбежно «размываем» точность определения скорости. Бор обобщил этот тезис до «принципа дополнительности»: корпускулярное и волновое описание явлений дополняют друг друга; если нас интересует причинная связь, удобно корпускулярное описание, а если пространственно-временная картина, то волновое.
Поль Дирак разработал релятивистский вариант квантовой механики (уравнение Дирака, 1928 год) и предсказал существование позитрона, положив начало квантовой электродинамике. В 1920-е годы был заложен фундамент ещё одной науки — квантовой химии, разъяснившей сущность валентности и химической связи. В 1931 году был построен первый исследовательский ускоритель заряженных частиц (циклотрон).
В 1960 году Теодор Майман создал первый лазер (оптический квантовый генератор) на основе кристалла рубина, генерирующий импульсы монохроматического излучения на длине волны 694 нм. К настоящему времени создано большое количество лазеров с различными характеристиками — газовых, твердотельных, полупроводниковых, излучающих свет в различных частях оптического диапазона спектра.
Разработана и проверена в экспериментах квантовая теория поля. Идут поиски общей теории поля, которая охватила бы все фундаментальные взаимодействия, включая гравитацию. В течение всего XX века продолжались попытки построить квантовую теорию гравитации; основные из них — это теории суперструн и петлевая квантовая гравитация. Ещё одним кандидатом на эту роль является М-теория, которая, в свою очередь, — недавнее развитие теории суперструн.
На этом всё, друзья. Конечно в 20 веке были еще значимые открытия в астрофизике, космологии, аэродинамике и т.д. но об этом поговорим в статьях посвященных именно этим отраслям.
Если вдруг понравилась статья, то ставьте лайки и подписывайтесь на канал, дабы не пропустить новые публикации.
#образование #наука #наука и образование
#физик #физика #физика и механика
#история физики #история
#научпоп #интересный научпоп