История физики как науки

В следствие чего, Нильс Бор написал несколько статей, в которых были заключены пять его постулатов:

1) испускание и поглощение энергии происходит не непрерывно, а только при переходах между состояниями;

2) динамическое развитие системы в стационарном состоянии описывается классическими законами, при переходах между квантовыми состояниями;

3) испускаемое при переходе излучение монохроматично и E = hv;

4) расстояние между энергетическими уровнями кратно h/2pi;

5) основное состояние любой квантовой системы определяется минимальным импульсом электронов h/2pi.

Развитие теории Бора и её трудности

Теория Бора имела серьезный недостаток, она позволяла вычислить энергию стационарных состояний только в случае кругового движения. Однако, на тот момент не существовало нужных методов квантования. Метод, который предложил Планк, рассматривался для одномерного движения. Далее требовалось установить методы квантования, которые бы распространялись на случаи многомерного движения.

В 1916 году, был создан метод квантования Вильсона - Зоммерфельда, который позволял решать задачи, порожденные теорией Бора.

Теория тонкой структуры линий Зоммерфельда получила успех среди физиков. Зоммерфельд исследовал спектр водорода, посредством спектрографов с высокой разрешающей способностью. Выяснилось, что некоторые спектральные линии имеют более тонкую структуру и они состоят из совокупности близко находящихся линий. Однако, Бор, не учитывал этой тонкой структуры линий. Зоммерфельд предположил, что тонкую структуру следует рассматривать в связи с релятивистскими эффектами и воспользоваться уравнениями релятивистской механики Эйнштейна. При учете этих уравнений некоторые энергетические уровни расщепляются. Это и объясняет явление тонкой структуры.

Более подробно прочитать о создании и развитии теории Бора в статье Милантьева В. П. «Создание теории Бора и ее развитие (к 90-летию боровской теории атома)» в журнале «Успехи физических наук».

Создание квантовой механики

Термин «квантовая механика» впервые был употреблен Максом Борном в заголовке статьи в 1924 г. Квантовая механика была основана за удивительно короткое период с 1925 по 1927 г. Это был период революционных изменений в становлении новых понятий. Немецкий физик Вернер Гейзенберг в 1925 году представил матричную квантовую механику, ее первый вариант.

Гейзенберг утверждал, что в этой теории должны входить лишь соотношения между наблюдаемыми величинами, к примеру испускаемые и поглощаемые кванты, частота, которая проявляющаяся в цвете спектральных линий и амплитуда - в интенсивности. Комбинационный принцип гласит, знание частот позволяет определить энергетический уровень в атоме. Знание амплитуд дает возможность вычислить вероятности квантовых переходов. Согласно Гейзенбергу, это должно было привнести последовательность в теорию Бора.

К октябрю 1925 года Гейзенберг, Борн и Иордан было окончательно завершено построение матричной механики. Ими было введено понятие канонических преобразований, иначе говоря тех преобразований, где сохранялись перестановочные соотношения.

Идею Гейзенберга матричной механики развил Дирак, однако представил ее в другой форме. В ноябре 1925 года вышла в свет статья Дирака «Основные уравнения квантовой механики». В дальнейшем применил свою теорию для расчета атома водорода, он повторно установил все основные выводы Гейзенберга, Борна и Иордана.

В 1927 году он заложил основы квантовой электродинамики, впервые проквантовал. В 1928 году он создал квантовую релятивистскую теорию движения электрона. Также, совместно с Шредингером он был удостоен Нобелевской премии в 1933 г.

Волновая функция

Дальнейшее развитие квантовая механика получилась с появлением работ Шредингера.

Шредингер, не поддерживал идею Гейзенберга и его матричную квантовую механику, раздумывал о построении новой, волновой механики. Он написал четыре статьи в 1926 году, где изложил свою идею «Квантование как проблема собственных значений».

Он писал:

«Моя теория была инспирирована работами Луи де Бройля и коротким, но бесконечно дальновидным замечанием Эйнштейна. Я не представляю себе какой бы то ни было генетической связи с Гейзенбергом. Мне, конечно, было известно о его теории, но я чувствовал испуг, если не сказать, отвращение, от методов трансцендентной алгебры, которые казались мне очень трудными, и недостатка наглядности».

Шредингер описал поведение электрона или любой другой частицы, избежав использование матричной механики Гейзенберга, при этом учитывая волновые свойства частицы. Для описания этого поведения он использовал уравнения механики в форме Гамильтона-Якоби. Дальше он ввел новую функцию ш-функцию (пси-функцию) посредством равенства

S0 = Klgш,

где S0 - функция укороченного действия, К - постоянная с размерностью действия.

Обоснование Шредингера:

«Мы ищем такие реальные во всем пространстве, однозначные, конечные и дважды непрерывно дифференцируемые функции ш, которые делают интеграл по всему пространству экстремальным. Это вариационное требование заменяет квантовые условия».

Путем некоторых преобразований установилось уравнение Шредингера:



,

Где Е - энергия атома.

Символ ш в квантовой физике означает волновую комплекснозначную функцию, которая описывает чистое состояние объекта.

В последующей статье Шредингер доказал, что обе механики, и его, и Гейзенберга обе достигли одного результата. В последней статье 1926 года Шредингер дал обоснование волновому уравнению для нестационарных состояний и рассмотрел теорию дисперсии. В этой статье он попытался обобщить волновое уравнение и магнитное поле, однако ему это не удалось.

Гейзенберг и Шредингер кардинально расходились во мнениях. Первый считал, что частицы лишь физически существуют, а их волновой характер - нет. Шредингер же считал, наоборот.

Парадокс Эйнштейна, Подольского и Розена (ЭПР)

Эйнштейн не признавал теорию Бора, как окончательно оформленную, не смотря на все доказательства. В 1935 году была написана опубликована статья Эйнштейна, Подольского и Розена (ЭПР) под названием «Можно ли считать, что квантово-механическое описание физической реальности является полным?»

Проанализировав поведение системы, в которая включала в себя еще две подсистемы, взаимодействие которых происходило за некоторый промежуток времени, они сделали вывод, ответив на вопрос в названии своей статьи, что квантово-механическое описание реальности не является полным.

Эта статья была раскритикована Бором, и поддержана Шредингером. Даже в наше время продолжаются споры, который породил данный парадокс, посредством которого, появилось множество проблем, затрагивающих сами основы квантовой механики.

В квантовой механике часто выносится на обсуждение вопрос о роли наблюдателя. Наблюдение невозможно совершить без вмешательства в исследуемою квантовую систему, в следствие чего происходит изменение ее состояния.

Полагается, что наблюдения, а конкретно изменения, которые они вызывают приводят к замедлению квантовых процессов. Это утверждение называют квантовым эффектом Зенона.

Тяготение

Создав теорию относительности, Эйнштейн начал попытки ее обобщения на неинерциальные системы отсчёта. В период с 1908 по 1916 годы Эйнштейн созда ОТО. Её построение, однако, демонстрировало, что это просто релятивистская теория тяготения.

ОТО - это классическая теория. Возникает из вопросов, связанных с теорией гравитации Ньютона.

Где, -- гравитационная постоянная, равная примерно 6,67545Ч10-11 мі/(кг·сІ)[1].

1) Планк - масса инертная и масса гравитационная равны.

2) энергия должна обладать инертностью.

В 1911 придумал эксперимент с лифтом: если находимся внутри лифта, то для лифта неясно - движется ли пассажир или создаёт однородное гравитационное поле.

Движение с ускорением и создание гравитационного поля - расширенный принцип эквивалентности. Приводит к:

1) наличие гравитационного красного смещения.

2) эффект отклонения луча света в гравитационном поле.

3) ход часов замедляется в сильном гравитационном поле.

Позже Эйнштейн (14-15 гг.) в основу настоящей теории положил локальный принцип эквивалентности: если есть система с гравитационном полем или потоками энергии, то 4хмерное пространство можно интерпретировать как факт отличия кривизны от нуля - то есть пространство становится не евклидовым, а каким-то другим. Это приводит к тому, что метрика определяется не как в классической теории относительности, а неким метрическим тензором. Гравитация определяет метрику пространства. Всегда можно повернуть оси так, чтобы тензор стал соответствующим обычной теории относительности.

Локальный принцип: существует в любой точке своя система координат такая, что в ней действуест СТО в локальном смысле.

То есть гравитации нет - есть метрика.

К 16 году Эйнштейн построил ОТО. Объяснил:

1) отклонение луча света в гравитационном поле.

2) замедление хода часов.

3) гравитационное красное смещение.

4) объяснение движения перигелия Меркурия.

Развитие теории Эйнштейна.

Ему не нравилось уравнение гравитационного поля - хотел получить стационарное решение, добавив альфа-член. Фридман получил нестационарное решение. В 1929 году Хаббл открыл нестационарность вселенной. Решение Фридмана стало востребованным.

Квантовая теория гравитация - очень трудна в проверке.

После долгих обсуждений теория Эйнштейна проявила множество проблем - например, чёрные дыры. Там должны существовать квантовые эффекты. Гравитационные волны ищут до сих пор.

В настоящий момент теория Эйнштейна владеет умами 97% людей, занимающихся гравитацией.

Есть ещё релятивистская теория гравитации. В 1908 году Эйнштейн хотел перейти к неинерциальной системе отсчёта. Предложен подход, основаный не на кривизне пространства, а на релятивистской механике с ньютоновским потенциалом. Объясняются в основном те же эффекты с такой же точностью, но есть отличия, которые до сих пор пытаются подтвердить.

Трудности подхода Эйнштейна:

1) Силы инерции и гравитации различны по природе.

2) Нельзя просто так переходить к геометрии. Нужно выбирать ту систему координат, которая соответствует данному эксперименту.

Космология.

Период - после построения теории относительности.

Появляется теория нестационарной вселенной. В 40х годах Гамов предложил теорию горячей вселенной и предсказал наличие реликтового излучения. В конце 60х, после открытия этого излучения, эта теория стала общепризнанной. В 2000м году попытались измерить кривизну вселенной - оказалась равной нулю в глобальном масштабе.

Лекция 3. Физика 20 века

Физика микромира в 20 веке.

1. Что такое элементарная частица, начиная с древних греков.

У греков - то, что не делится. И так 2000 лет. В 1897 открыт электрон.

Третье - это то, что есть на данный момент мельчайшая частица. Четвёртое - то, о функционировании чего мы ничего не знаем.

Периодизация.

1897-1926 гг. Электроны и атомные ядра. Лично Резерфорд открыл ядро водорода - протон - в 1918. Формируется представление о фотоне как об элементарной частице.

1926-1935 гг. Лептоны и нуклоны. Предсказание позитрона. Открытие его и нейтрона в 1832. Установлена протон-нейтронная структура ядра - Иваненко. Возникает мезонная теория внутриядерных сил (Тамм, Иваненко, Юкава). Открыты и описаны сильное и слабое взаимодействия.

1935-1964 гг. Лептоны и адроны. Пытались найти пи-мезон. Нашли омега-минус-гиперон. Теория гиперона возникла в начале 40х годов.

1964-... (до сих пор). Лептоны и кварки. Гипотеза о кварках вошла в реальную жизнь. Возникла квантовая хромодинамика. В 1969 году появляется объединённая теория двух взаимодействий. Позже 74 г - появляется Великая теория трёх взаимодействий (без гравитационного). В 83 году были открыты частицы, предсказанные этой теорией. Но ни гравитон, ни гравитационные волны не открыты.

Есть лептоны и кварки, плюс появились фундаментальные бозоны - фотон в их числе.

Существование кварков до сих пор толком не доказано и, возможно, они являются подобием фононов.

Новые тенденции в науке на рубеже тысячелетий.

1) компьютерная технология. Прогресс с 40х по 90е был настолько колоссальным, что эпоху можно сравнить с ньютоновской. Интернет и электронные журналы тоже неплохи - несмотря на проблемы с правами собственности. Математическое моделирование. Непосредственно связано с прогрессом компьютерной техники.

2) появление новых областей и новое содержание старых. Биофизика. Астрофизика - физика в мире в целом. В 2000 году доказано, что вселенная плоская. Геофизика - переделаны многие теории. Физика космоса.

3) новые технологии. Новые виды связи. Нанопромышленность - почти демон Максвелла; убийство второго закона термодинамики.

Физика в Московском Университете за 250 лет.

1) От начала до Столетова. В 1754 году в июле утверждено "доношение" Шувалова о создании университета. Сенат отказать не мог. Университету пытались найти помещение. Но деньги разворовали и ничего не произошло. 12 января по старому стилю Елизавета Петровна подписала указ о создании Университета. Здание уже нашлось, видимо. Но открытие произошло позже - 7 мая по новому стилю. До этого шёл процесс подготовки. В марте 55 года Аргамаков стал директором университета и написал прошение о помощи в комплектации физкабинета у Петербургской Академии - так началась физика. Первые упоминание о лекциях по физике - 1756 год; неизвестно кем. 1757 год - первая фамилия - аббат Франкози. Иностранцы читали до 1791 года - до появления Страхова, первого отечественного академика. Кафедра физики называлась весьма экстравагантно. Страхов руководил до 1813 года - умер в эвакуации. В основном наука представляла собой геофизику. Он же написал "Краткое начертание физики", 1810, первый отечественный учебник по физике. После Страхова - Пригубский до 1827 года. Стал позже ректором. 1826 год - первая программа по физике - по указке сверху. С 28 по 36 гг - Павлов. Фактически излагал философию Шеллинга. Его учебник по физике был разгромлен Ленцем. 36 - 38 гг - Веселовский. 1839 - 1859 гг - Спасский М.Ф. Принципиально изменил чтение курса лекций. До него её читали всю сразу - и одним человеком. Поделил чтение физики на общую (профессора) и теоретическую (доценты). Опыт с маятником Фуко был повторён тут же - таков был уровень преподавателей. Любимов Н.А. - 1859 - 1882 гг. Физика стала подобной западным университетам. Ввёл реальные эксперименты, при нём появились опытные образцы, созданные тут же. Он написал множество учебников.

2) От Столетова до факультетов.

С 1882 года по 1893 - выходит за штат. В 1872 году создана первая физическая лаборатория в Московском Университете. До этого опыты ставились за границей.

В 88 году исследовал фотоэффект. Столетов считал, что надо готовить экспериментаторов - узких специалистов высокого уровня. До 30 года число студентов в области физики было около двух сотен.

После Столетова пришёл Умов - до 1911 года. На кафедре стало больше одного профессора.

Главное сделано Лебедевым - короткие длины волн и давление света.

В 1911 году разрешено допускать жандармов внутрь университетов - ректор ушёл в отставку. С 11 по 17 - Станкевич. Молекулярная физика. Имел скандальный характер. Соколов был немногим лучше. В 1903 году открыт Физический Институт. По плану должен был быть оштукатурен. Наука почти стояла на месте - кроме затмения 14 года не исследовали ничего.

17 год - Манилов стал министром образования и разрешил всем вернуться. Пропало множество кафедр и институтов. Но число студентов увеличилось - учились-то пока не надоест. Университет хотели закрыть в 31 году введена отделенческая система - факультеты были упразднены. Появилось отделение физики. Просуществовало недолго.

3) От факультетов до наших дней.

В 1933 году образован физический факультет (и другие) на базе НИИФ и физического отделения.



Заключение

Согласно поставленной цели и задачам работы мы изучили ряд литературных источников по истории физики, а также по физике. Развитие физики как науки рассматривалось с периода античности (VI в. до н. э.- V в. н. э.) до наших дней. Отобранный после изучения научной литературы материал был систематизирован в соответствии с хронологией, предложенной в периодизации Храмова Ю. А. [2]. Далее был разработан и оформлен курс лекций по истории физики. Каждая лекция рассматривает процесс возникновения, развития физических идей и открытий «по лицам» и по времени возникновения. Прослеживая события на каждом периоде, мы сделали попытку проследить логику развития, что нашло отражение в названии лекций и выводах по каждой. Курс разработан таким образом, что каждая его часть может быть использована изолированно, в качестве отдельных модулей. Электронная версия сопровождается навигацией, что делает работу с ними удобной и быстрой. Разработанный курс лекций может быть использован в курсах по выбору, в дистанционных программах обучения как в высшем,так и в среднем образовании. Такое содержание позволить предложить студентам высшего образования возможность углублённого и расширенного изучения физики через ее историю. Формами освоения таких модулей могут быть курсы по выбору, факультативы, курсы для дополнительной самостоятельной учебной работы.



Список литературы

физика фундаментальный наука закон

Николаев П.Н. (Павел Николаевич) История и методология физики. Том 1. Основы истории и методологии физики. М., 2014. - 127 с.

Храмов Ю.А. Биография физики: Хронологический справочник. К.: Техніка, 1983. - 342 с.

Naddaf G. The Greek Concept Of Nature. -- Albany: State University of New York Press, 2005.

Платон, соб.сочинений в четыpех томах, т.3, М., "Мысль", 1994г.

Спиркин А.Г. Философия: Учебник. -- М.: Гардарика, 1998. -- 816с

Лурье С. Я. Демокрит. Тексты. Перевод. Исследования. Л., 1970

С .И. ВАВИЛОВ. ФИЗИКА ЛУКРЕЦИЯ. Т.2, М.: АН СССР, 1947, стр. 9

Годыцкий-Цвирко A. M. Научные идеи Р. И. Бошковича. М., 1959

Легенда приведена у Витрувия, «Об архитектуре», книга IX, глава 3

Веселовский И. Н. Очерки по истории теоретической механики. -- М.: Высшая школа, 1974. -- 287 с.

Коперник. О вращениях небесных сфер, 1964, с. 553, 562.

Белый Ю. А. Иоганн Кеплер. -- М.: Наука, 1971.

Галилей Г. Послание к Франческо Инголи. Указ. соч.

Кузнецов Б. Г. Галилео Галилей. -- М.: Наука, 1964. -- 328 с

Галилей. Пробирных дел мастер. Указ. соч.

Шмутцер Э., Шютц В. Галилео Галилей. -- М.: Мир, 1987. -- 140 с.

Кузнецов В. И., Идлис Т. М., Гутина В. И. Естествознание. -- М.: Агар, 1996. -- С. 14. -- ISBN 5-89218-006-9.

Галилео Галилей. День четвёртый. // Математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки, относящихся к механике и местному движению. -- М.-Л.: ГИТТЛ, 1934.

Галилей Г. Диалог о двух системах мира. Указ. соч. (День второй).

Шмутцер Э., Шютц В. Галилео Галилей. -- М.: Мир, 1987. -- 140 с.

Кузнецов Б. Г. Эволюция картины мира. Указ. соч., стр. 146, 151--152.

Тарасов Б. Н. Паскаль. -- М.: Молодая гвардия, 1979. -- 330 с.

Карцев В. П. Ньютон. -- М.: Молодая гвардия, 1987. -- (Жизнь замечательных людей).

Ньютон И. Математические начала натуральной философии. -- С. 662

Вавилов С. И. Исаак Ньютон. Глава 8.

Мандельштам Л. И. Оптические работы Ньютона.

Кудрявцев П. С. Курс истории физики. -- Т. 1. -- С. 199.

Nauenberg M. Robert Hooke's Seminal Contributions to Orbital Dynamics // Physics in Perspective. -- 2005. -- Vol. 7. -- P. 4-34..

Кирсанов В. С. Переписка Исаака Ньютона с Робертом Гуком: 1679--80 гг. // Вопросы истории естествознания и техники. -- 1996. -- № 4. -- С. 3-39..

Кирсанов В. С. Ранние представления И. Ньютона о тяготении // Вопросы истории естествознания и техники. -- 1993. -- № 2. -- С. 52..

Вавилов С. И. Исаак Ньютон. Глава 7.

Д. Антисери, Дж. Реале. Западная философия от истоков до наших дней. -- СПб: Пневма, 2002. -- Т. II. От Возрождения до Канта. -- С. 150. -- ISBN 5-9014151-05-4.

Математика XVIII столетия // История математики / Под редакцией А. П. Юшкевича, в трёх томах. -- М.: Наука, 1972. -- Т. III.

Kronig A. Ann. Phys. B. 99, S. 318

В. П. Карцев. Максвелл. -- С. 213--219.

Размещено на Allbest.ru

...