2. Основные этапы развития физики

Еще в 6-ом веке до н.э.- 2-ом веке н.э. зародились идеи об атомном строении вещества еще (Демокрит, Эпикур, Лукреций), создана геоцентрическая система мира (Плолемей), открыты простейшие законы статики (правило рычага), прямолинейного распространения и отражения света, сформулированы начала гидростатики (Архимед). Накопленные знания подытожил Аристотель, отдававший предпочтение умозрительным представлением, отвергнувший атомную гипотезу и опыт как критерий достоверности знаний. Канонизированное церковью учение Аристотеля надолго затормозило развитие науки.

Развитие физики как науки начато в 17-м веке Г. Галилеем, понявшем что «законы природы написаны на языке математики». Он обосновал теорию Коперника, установил независимость ускорения свободного падения тел от их плотности и массы; изобрел термометр, зрительную трубу.

Началось изучение газов (Бойль, Мариотт), открыли атмосферное давление, изобрели барометр (Торричелли), микроскоп. Доказали, что Земля – большой магнит, разграничили электрические и магнитные явления (Гильберт), началось изучение тепловых, акустических и оптических явлений: дифракция (Гримальди) и дисперсия (Ньютон) света; измерена скорость света (Рёмер); корпускулярная (Ньютон) и волновая (Гюйгенс) теории света. Отрыт закон всемирного тяготения (Ньютон).

В 18-м веке интенсивно изучаются электрические явления: открыты два вида электрических зарядов, притяжения разноименных и отталкивания одноименных зарядов (Дюфе), , закон сохранения электрического заряда (Франклин), силы взаимодействия неподвижных электрических зарядов (Кулон, Кавендиш), и др. Открыты инфракрасные (Гершель, Волластон) и ультрафиолетовые (Риттер, Волластон) лучи, природа молнии. Стали различать температуру и количества тепла, сформулировано понятие теплоемкости. Однако теплоту рассматривали как особого рода жидкость – теплород, отвергнув взгляд Ломоносова, Гука, Бойля, Бернулли и др. на нее как на вид внутреннего движения частиц тел (несмотря на поддержку Ньютона).

В 19-м веке с помощью волновой теории объяснена дифракция и интерференция света (Френель, Юнг), что привело к господству волновой и поражению корпускулярной теории света. Открыты гальванические явления и созданы гальванические батареи (Гальвани, Вольта), связь электричества и магнетизма (Эрстед), электрическая природа магнитных явлений и закон взаимодействия электрических токов (Ампер), электромагнитная индукция (Фарадей), электрическая дуга (Петров), закон сохранения энергии и невозможность построения вечного двигателя 1-го рода (1-е начало термодинамики: Майер, Джоуль, Гельмгольц), закон теплоемкостей (Дюлонг, Пти), эквивалентность количества теплоты и работы, закон Ома, две формы передачи энергии (теплота и работа) и невозможность построения вечного двигателя 2-го рода (2-е начало термодинамики: Клаузис, Карно, Томсон).

Открыт закон идеальных газов (Клапейрона-Менделеева), вероятностные (статистические) законы (Максвелл, Больцман, Гиббс). Статистически обоснованы законы термодинамики. Создана кинетическая теория газов (Больцман), классическая электродинамика (Максвелл), открыты (Герц) и использованы для беспроволчной связи (Попов) электромагнитные волны, давление света (Лебедев). Заложены основы спектрального анализа (Кирхгоф, Бунзен), сжижен гелий (Камерлинг-Оннес), открыт электрон (Томсон) – свидетельство неэлементарности атома, заложены основы электронной теории (Лоренц).

К концу 19-го века физика считалась практически завершенной. Оставалось 2 необъяснимых явления: опыт Майкельсона (движение Земли относительно эфира) и зависимость теплоемкости от температуры, противоречащая молекулярно-кинетической теории.

Планк высказал гипотезу, что атомы испускают излучение порциями – квантами, энергия которых прямо пропорциональна частоте излучения. Коэффициент пропорциональности получил наименование кванта действия (постоянной Планка).

Эйнштейн расширил эту Планка (электромагнитная энергия излучается, распространяется и поглощается порцией, как частица: возрождалась корпускулярная теория света) и объяснил явление фотоэффекта. Эта порция-частица названа фотоном. Стало ясным, что свет имеет двойственную (корпускулярно-волновую) природу.

Резерфорд открыл ядро атома и создал планетарную модель атома, которую усовершенствовал Бор (строго разрешенные орбиты и перескоки электронов между ними с выделением или поглощением энергии квантами).

Луи де Бройль выдвинул гипотезу о двойственной природе любых частиц материи, включая макроскопические, а не только фотонов. Открыта дифракция электронов, а впоследствии и других частиц, включая молекулы. Шрёдингером сформулировано нерелятивисткое уравнение, определяющее вид функции для различных случаев движения и взаимодействия микрочастиц, получившее впоследствии название основного уравнения квантовой механики. В итоге была создана квантовая (волновая) механика, а Гейзенберг построил ее математической форме (матричную механику). Сформулирован принцип Паули, позволивший объяснить заполнение электронами оболочек в атоме. Открыт спин (момент количества движения) у электронов (Уленбек, Гаудсмит), явление радиоактивности (Беккерель, П. и М. Кюри), изотопов (Содди), нейтрона (Чедвик), искусственной радиоактивности.

Начато строительство ускорителей частиц. Открыты мюоны, мю-мезоны, К-мезоны, 2 типа нейтрино и большое число новых элементарных частиц, включая резонансы. Дираком получено релятивистское уравнение движения электрона. Сформулированы статистические законы Бозе-Эйнштейна, Ферми-Дирака. Открыта сверхпроводимость (Камерлинг-Оннес) и сверхтекучесть (Капица) и построена феноменологическая (Ландау, Гинзбург) и микроскопическая (Боголюбов, Купер, Шриффер) теории сверхпроводимости. Возникла квантовая электроника (Басов, Прохоров, Таунс), созданы мазеры и лазеры. Осуществлена цепная реакция деления ядер, создана атомная бомба и и атомная электростанция. Осуществлена реакция термоядерного синтеза (создана водородная бомба), начались работы по управляемому термоядерному синтезу.