История физики ХХ века

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Учебное пособие

ИЗ ИСТОРИИ ФИЗИКИ ХХ ВЕКА

Н.К.ДУШУТИН, С.Н.УШАКОВА, Ю.В.ЯСЮКЕВИЧ

Иркутск 2017

Печатается по решению редакционно-издательского совета ФГБОУ ВПО «ИГУ»

Рецензенты: Л.А.Щербаченко, доктор технических наук, профессор ИГУ

А.Е.Гафнер, кандидат педагогических наук, доцент ВС ГАО

Душутин Н.К., Ушакова С.Н., Ясюкевич Ю.В. Из истории физики ХХ века. Учеб.пособие / Н.К.Душутин, С.Н,Ушакова, Ю.В.Ясюкевич - Иркутск: Изд-во Иркутского государственного университета, 2017. - 287 с.

Содержание пособия (за исключением первой главы, в которой рассматриваются основные этапы развития физики) посвящено результатам, полученным в ХХ веке, т.е. физике современной. Наиболее выдающиеся достижения ученых-физиков, отмечались Нобелевской премией, о которой говорится во второй главе. Сведения о советских и российских нобелевских лауреатах приведены в третьей главе. Здесь же обсуждаются некоторые случаи, когда Нобелевские премии неправомерно не были присуждены нашим соотечественникам. Наиболее интенсивно развивавшимся областям - физике твердого тела, физике атомного ядра, физике лазеров и их применению посвящены главы четвертая пятая и шестая. В заключение приводится список основных проблем физики по классификации академика В.Л.Гинзбурга. В приложении содержится список основных вопросов к зачету и тем рефератов по курсу.

Предназначено для студентов старших курсов физических специальностей университетов.

©Душутин Н.К.

©Ушакова С. Н.

©Ясюкевич Ю.В.

© ФГБОУ ВПО «ИГУ»

нобелевский лауреат гинзбург физика

Оглавление

Введение

Глава 1. Основные этапы развития физики

Глава 2. Нобелевская премия

Глава 3. Советские и российские физики-лауреаты Нобелевской премии

Глава 4. История физики конденсированного состояния

Глава 5. История ядерной физики

Глава 6. Лазеры и их применение

Заключение

Литература

Введение

История физики исследует эволюцию физики -- науки, изучающей фундаментальные (наиболее общие) свойства и законы движения объектов материального мира. Предметом истории физики являются выявление и обобщённый анализ основных событий и тенденций в развитии физических знаний.

Существует: экспериментальная и теоретическая физика. Если рассматривать экспериментальную физику, то теории и законы опираются только на данные после исследований. Теоретическая физика обладает несколькими задачами. Любая теория обладает возможностью рассмотреть на экспериментах всю суть «адекватности» явлений. Любое изучение физики несет в себе возможность расшифровать формулировку разнообразных систем.

Области физики многогранны и тем самым интересны. При классической механике верным будет решение, если атомы меньше чем размеры исследуемых объектов. Важно также, чтобы гравитационные силы были малы и чтобы скорость объектов была меньше скорости света.

Физика - одна из древнейших наук о природе. Первыми физиками были греческие мыслители, которые предприняли попытку объяснить наблюдаемые явления природы. Величайшим из древних мыслителей был Аристотель (384-322 pp. До н. Н.э.), который ввел слово «фюзис», что в переводе с греческого означает природа. Но не подумайте, что "Физика" Аристотеля хоть как-то похожа на современные учебники по физике. Нет! В ней вы не найдете ни одного описания опыта или прибора, ни рисунка или чертежа, ни одной формулы. В ней - философские размышления о вещах, о времени, о движении вообще. Такими же были все труды ученых-мыслителей античного периода. От древнегреческого философа Фалеса (624-547 гг. до н. э.) берут начало наши знания по электричеству и магнетизму, Демокрит (460-370 гг. до н. э) является основоположником учения о строении вещества, именно он предположил, что все тела состоят из мельчайших частиц - атомов, Евклиду (III в. до н . н.э.) принадлежат важные исследования в области оптики - он впервые сформулировал основные законы геометрической оптики (закон прямолинейного распространения света и закон отражения), описал действие плоских и сферических зеркал. Среди выдающихся ученых и изобретателей этого периода первое место занимает Архимед (287-212 гг. до н.э.). Из его работ «О равновесии плоскостей», «О плавающих телах», «О рычаги» начинают свое развитие такие разделы физики, как механика, гидростатика. Яркий инженерный талант Архимеда проявился в сконструированных им механических устройствах. С середины XVI в. наступает качественно новый этап развития физики - в физике начинают применять эксперименты и опыты. Одним из первых является опыт Галилея с бросания ядра и пули с Пизанской башни. Этот опыт стал знаменитым, поскольку его считают «днем рождения» физики как экспериментальной науки. В русский язык эта наука зашла лишь после появления учебников физики. Автором является - М.В. Ломоносов. Вот, что касается, отечественной учебной книги, то автором стал - Страхов.

Мощным толчком к формированию физики как науки стали научные труды Исаака Ньютона. В работе «Математические начала натуральной философии» (1684 г.) он разрабатывает математический аппарат для объяснения и описания физических явлений. На сформулированных им законах было построена, так называемая, классическая Ньютоновская механика. Быстрый прогресс в изучении природы, открытие новых явлений и законов природы способствовали развитию общества. Начиная с конца XVIII века, развитие физики вызывает бурное развитие техники. В это время появляются и совершенствуются паровые машины. В связи с широким их использованием в производстве и на транспорте этот период времени называют «возрастом пара». Одновременно углубленно изучаются тепловые процессы, в физике выделяется новый раздел - термодинамика. Наибольший вклад в исследовании тепловых явлений принадлежит С. Карно, Р. Клаузиусу, Д. Джоулю, Д. Менделееву, Д. Кельвину и многим другим.

В начале XX века сразу в нескольких областях была обнаружена ограниченность сферы применения классической физики. Появились специальная и общая теория относительности, квантовая физика, теория микрочастиц, ставшие фундаментом современной физики.

Поэтому основное содержание пособия (за исключением первой главы, в которой рассматриваются основные этапы развития физики) посвящено результатам, полученным в ХХ веке, т.е. физике современной. Традиционно, наиболее выдающиеся достижения ученых-физиков, отмечались Нобелевской премией, о которой говорится во второй главе. Сведения о советских и российских нобелевских лауреатах приведены в третьей главе. Здесь же обсуждаются некоторые случаи, когда Нобелевские премии неправомерно не были присуждены нашим соотечественникам. Наиболее интенсивно развивавшимся областям - физике твердого тела, физике атомного ядра, физике лазеров и их применению посвящены главы четвертая пятая и шестая. В заключение приводится список основных проблем физики по классификации академика В.Л.Гинзбурга. В приложении содержится список основных вопросов к зачету и тем рефератов по курсу.

Пособие основано на лекционном курсе, читающимся на протяжении ряда лет на физическом факультете по всем направлениям бакалавриата (ранее специалитета). Надеемся, что пособие окажется полезным студентам, аспирантам и преподавателям средних школ и вузов, всем, кто интересуется данной отраслью науки.

Глава 1. Основные этапы развития физики

Становление физики (до 17 в.). Физические явления окружающего мира издавна привлекали внимание людей. Попытки причинного объяснения этих явлений предшествовали созданию физики в современном смысле этого слова. В греко-римском мире (6 в. до н. э. - 2 в. н. э.) впервые зародились идеи об атомном строении вещества (Демокрит, Эпикур, Лукреций), была разработана геоцентрическая система мира (Птолемей), установлены простейшие законы статики (правило рычага), открыты закон прямолинейного распространения и закон отражения света, сформулированы начала гидростатики (закон Архимеда), наблюдались простейшие проявления электричества и магнетизма.

Итог приобретённых знаний в 4 в. до н. э. был подведён Аристотелем. Физика Аристотеля включала отдельные верные положения, но в то же время в ней отсутствовали многие прогрессивные идеи предшественников, в частности атомная гипотеза. Признавая значение опыта, Аристотель не считал его главным критерием достоверности знания, отдавая предпочтение умозрительным представлениям. В средние века учение Аристотеля, канонизированное церковью, надолго затормозило развитие науки.

Наука возродилась лишь в 15-16 вв. в борьбе со схоластизированным учением Аристотеля. В середине 16 в. Н. Коперник выдвинул гелиоцентрическую систему мира и положил начало освобождению естествознания от теологии. Потребности производства, развитие ремёсел, судоходства и артиллерии стимулировали научные исследования, опирающиеся на опыт. Однако в 15-16 вв. экспериментальные исследования носили в основном случайный характер. Лишь в 17 в. началось систематическое применение экспериментального метода в физике, и это привело к созданию первой фундаментальной физической теории - классической механики Ньютона.

Формирование физики как науки (начало 17 - конец 18 вв.).

Развитие физики как науки в современном смысле этого слова берёт начало с трудов Г. Галилея (1-я половина 17 в.), который понял необходимость математического описания движения. Он показал, что воздействие на данное тело окружающих тел определяет не скорость, как считалось в механике Аристотеля, а ускорение тела. Это утверждение представляло собой первую формулировку закона инерции. Галилей открыл принцип относительности в механике, доказал независимость ускорения свободного падения тел от их плотности и массы, обосновывал теорию Коперника. Значительные результаты были получены им и в др. областях физики. Он построил зрительную трубу с большим увеличением и сделал с её помощью ряд астрономических открытий (горы на Луне, спутники Юпитера и др.). Количественное изучение тепловых явлений началось после изобретения первого термометра (Ф.Бэкон, Г.Галилей,Ж.Рей).

В 1-й половине 17 в. началось успешное изучение газов. Ученик Галилея Э. Торричелли установил существование атмосферного давления и создал первый барометр. Р. Бойль и Э. Мариотт исследовали упругость газов и сформулировали первый газовый закон, носящий их имя. В. Снеллиус и Р. Декарт открыли закон преломления света. В это же время был создан микроскоп. Значительный шаг вперёд в изучении магнитных явлений был сделан в самом начале 17 в. У. Гильбертом. Он доказал, что Земля является большим магнитом, и первый строго разграничил электрические и магнитные явления.

Основным достижением физики 17 в. было создание классической механики. Развивая идеи Галилея, Х. Гюйгенса и др. предшественников, И. Ньютон в труде "Математические начала натуральной философии" (1687) сформулировал все основные законы этой науки. При построении классической механики впервые был воплощён идеал научной теории, существующий и поныне. С появлением механики Ньютона было окончательно понято, что задача науки состоит в отыскании наиболее общих количественно формулируемых законов природы.

Наибольших успехов механика Ньютона достигла при объяснении движения небесных тел. Исходя из законов движения планет, установленных И. Кеплером на основе наблюдений Т. Браге, Ньютон открыл закон всемирного тяготения. С помощью этого закона удалось с замечательной точностью рассчитать движение Луны, планет и комет Солнечной системы, объяснить приливы и отливы в океане. Ньютон придерживался концепции дальнодействия, согласно которой взаимодействие тел (частиц) происходит мгновенно непосредственно через пустоту; силы взаимодействия должны определяться экспериментально. Им были впервые четко сформулированы классические представления об абсолютном пространстве как вместилище материи, не зависящем от её свойств и движения, и абсолютном равномерно текущем времени. Вплоть до создания теории относительности эти представления не претерпели никаких изменений.

В это же время Гюйгенс и Г. Лейбниц сформулировали закон сохранения количества движения; Гюйгенс создал теорию физического маятника, построил часы с маятником.

Началось развитие физической акустики. М. Мерсенн измерил число собственных колебаний звучащей струны и впервые определил скорость звука в воздухе. Ньютон теоретически вывел формулу для скорости звука.

Во 2-й половине 17 в. начала быстро развиваться геометрическая оптика применительно к конструированию телескопов и др. оптических приборов, а также были заложены основы физической оптики. Ф. Гримальди открыл дифракцию света, а Ньютон провёл фундаментальные исследования дисперсии света. С этих работ Ньютона берёт начало оптическая спектроскопия. В 1676 О. К. Рёмер впервые измерил скорость света. Почти одновременно возникли и начали развиваться две различные теории о физической природе света - корпускулярная и волновая. Согласно корпускулярной теории Ньютона, свет - это поток частиц, движущихся от источника по всем направлениям. Гюйгенс заложил основы волновой теории света, согласно которой свет - это поток волн, распространяющихся в особой гипотетической среде - эфире, заполняющем всё пространство и проникающем внутрь всех тел.

Т. о., в 17 в. была построена в основном классическая механика и начаты исследования в др. областях Ф.: в оптике, учении об электрических и магнитных явлениях, теплоте, акустике.

В 18 в. продолжалось развитие классической механики, в частности небесной механики. По небольшой аномалии в движении планеты Уран удалось предсказать существование новой планеты - Нептун (открыта в 1846). Уверенность в справедливости механики Ньютона стала всеобщей. На основе механики была создана единая механическая картина мира, согласно которой всё богатство, всё качественное многообразие мира - результат различия в движении частиц (атомов), слагающих тела, движении, подчиняющемся законам Ньютона. Эта картина многие годы оказывала сильнейшее влияние на развитие физики. Объяснение физического явления считалось научным и полным, если его можно было свести к действию законов механики.

Важным стимулом для развития механики послужили запросы развивающегося производства. В работах Л. Эйлера и др. была разработана динамика абсолютно твёрдого тела. Параллельно с развитием механики частиц и твёрдых тел шло развитие механики жидкостей и газов. Трудами Д. Бернулли, Эйлера, Ж. Лагранжа и др. в 1-й половине 18 в. были заложены основы гидродинамики идеальной жидкости - несжимаемой жидкости, лишённой вязкости и теплопроводности. В "Аналитической механике" (1788) Лагранжа уравнения механики представлены в столь обобщённой форме, что в дальнейшем их удалось применить и к немеханическим, в частности электромагнитным, процессам.

В других областях физики происходило накопление опытных данных и формулировались простейшие экспериментальные законы. Ш. Ф. Дюфе открыл существование двух видов электричества и определил, что одноимённо заряженные тела отталкиваются, а разноимённо заряженные - притягиваются. Б. Франклин установил закон сохранения электрического заряда. Г. Кавендиш и независимо Ш. Кулон открыли основной закон электростатики, определяющий силу взаимодействия неподвижных электрических зарядов (Кулона закон). Возникло учение об атмосферном электричестве. Франклин, М. В. Ломоносов и Г. В. Рихман доказали электрическую природу молнии. В оптике продолжалось совершенствование объективов телескопов. Трудами П. Бугера и И. Ламберта начала создаваться фотометрия. Были открыты инфракрасные (В. Гершель, англ. учёный У. Волластон) и ультрафиолетовые (нем. учёный Н. Риттер, Волластон) лучи.

Заметный прогресс произошёл в исследовании тепловых явлений; после открытия Дж. Блэком скрытой теплоты плавления и экспериментального доказательства сохранения теплоты в калориметрических опытах стали различать температуру и количество теплоты. Было сформулировано понятие теплоёмкости, начато исследование теплопроводности и теплового излучения. При этом одновременно утвердились неправильные взгляды на природу тепла: теплоту стали рассматривать как особого рода неуничтожимую невесомую жидкость - теплород, способную перетекать от нагретых тел к холодным. Теория теплоты, согласно которой теплота - это вид внутреннего движения частиц, потерпела временное поражение, несмотря на то что её поддерживали и развивали такие выдающиеся учёные, как Ньютон, Гук, Бойль, Бернулли, Ломоносов и др.

Классическая физика (19 в.).

В начале 19 в. длительная конкуренция между корпускулярной и волновой теориями света завершилась окончательной, казалось бы, победой волновой теории. Этому способствовало успешное объяснение Т. Юнгом и О. Ж. Френелем явления интерференции и дифракции света с помощью волновой теории. Эти явления присущи исключительно волновому движению, и объяснить их с помощью корпускулярной теории представлялось невозможным. В это же время было получено решающее доказательство поперечности световых волн (Френель, Д. Ф. Араго, Юнг), открытой ещё в 18 в -поляризация света. Рассматривая свет как поперечные волны в упругой среде (эфире), Френель нашёл количественный закон, определяющий интенсивность преломленных и отражённых световых волн при переходе света из одной среды в другую, а также создал теорию двойного лучепреломления.

Большое значение для развития физики имело открытие Л. Гальвани и А. Вольта электрического тока. Создание мощных источников постоянного тока - гальванических батарей - дало возможность обнаружить и изучить многообразные действия тока. Было исследовано химическое действие тока (Г. Дэви, М. Фарадей). В. В. Петров получил электрическую дугу. Открытие Х. К. Эрстедом (1820) действия электрического тока на магнитную стрелку доказало связь между электричеством и магнетизмом. Основываясь на единстве электрических и магнитных явлений, А. Ампер пришёл к выводу, что все магнитные явления обусловлены движущимися заряженными частицами - электрическим током. Вслед за этим Ампер экспериментально установил закон, определяющий силу взаимодействия электрических токов (Ампера закон).

В 1831 Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. При попытках объяснения этого явления с помощью концепции дальнодействия встретились значительные затруднения. Фарадей высказал гипотезу (ещё до открытия электромагнитной индукции), согласно которой электромагнитные взаимодействия осуществляются посредством промежуточного агента - электромагнитного поля (концепция близкодействия). Это послужило началом формирования новой науки о свойствах и законах поведения особой формы материи - электромагнитного поля.

В начале 19 в. Дж. Дальтон ввёл в науку (1803) представление об атомах как мельчайших (неделимых) частицах вещества - носителях химической индивидуальности элементов.

К 1-й четверти 19 в. был заложен фундамент физики твёрдого тела. На протяжении 17-18 и начала 19 вв. происходило накопление данных о макроскопических свойствах твёрдых тел (металлов, технических материалов, минералов и т.п.) и установление эмпирических законов поведения твёрдого тела под влиянием внешних воздействий (механических сил, нагревания, электрических и магнитных полей, света и т.д.). Исследование упругих свойств привело к открытию Гука закона (1660), исследование электропроводности металлов - к установлению Ома закона (1826), тепловых свойств - закона теплоёмкостей Дюлонга и Пти (1819). Были открыты основные магнитные свойства твёрдых тел. В это же время была построена общая теория упругих свойств твёрдых тел (Л. М. А. Навье, 1819-26, О. Л. Коши, 1830). Почти для всех этих результатов характерна трактовка твёрдого тела как сплошной среды, хотя уже значительной частью учёных было признано, что твёрдые тела, являющиеся в большинстве своём кристаллами, обладают внутренней микроскопической структурой.

Важнейшее значение для физики и всего естествознания имело открытие закона сохранения энергии, связавшего воедино все явления природы. В середине 19 в. опытным путём была доказана эквивалентность количества теплоты и работы и т. о. установлено, что теплота представляет собой не какую-то гипотетическую невесомую субстанцию - теплород, а особую форму энергии. В 40-х гг. 19 в. Ю. Р. Майер, Дж. Джоуль и Г. Гельмгольц независимо открыли закон сохранения и превращения энергии. Закон сохранения энергии стал основным законом теории тепловых явлений (термодинамики), получив название первого начала термодинамики. Ещё до открытия этого закона С. Карно в труде "Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу" (1824) получил результаты, послужившие основой для др. фундаментального закона теории теплоты - второго начала термодинамики. Этот закон сформулирован в работах Р. Клаузиуса (1850) и У. Томсона (1851). Он является обобщением опытных данных, свидетельствующих о необратимости тепловых процессов в природе, и определяет направление возможных энергетических процессов. Значительную роль в построении термодинамики сыграли исследования Ж. Л. Гей-Люссака, на основе которых Б. Клапейроном было найдено уравнение состояния идеального газа, обобщённое в дальнейшем Д. И. Менделеевым.

Одновременно с развитием термодинамики развивалась молекулярно-кинетическая теория тепловых процессов. Это позволило включить тепловые процессы в рамки механической картины мира и привело к открытию нового типа законов - статистических, в которых все связи между физическими величинами носят вероятностный характер.

На первом этапе развития кинетической теории наиболее простой среды - газа - Джоуль, Клаузиус и др. вычислили средние значения различных физических величин: скорости молекул, числа их столкновений в секунду, длины свободного пробега и т.д. Была получена зависимость давления газа от числа молекул в единице объёма и средней кинетической энергии поступательного движения молекул. Это позволило вскрыть физический смысл температуры как меры средней кинетической энергии молекул.

Второй этап развития молекулярно-кинетической теории начался с работ Дж. К. Максвелла. В 1859, введя впервые в физике понятие вероятности, он нашёл закон распределения молекул по скоростям. После этого возможности молекулярно-кинетической теории необычайно расширились и привели в дальнейшем к созданию статистической механики. Л. Больцман построил кинетическую теорию газов и дал статистическое обоснование законов термодинамики. Основная проблема, которую в значительной степени удалось решить Больцману, заключалась в согласовании обратимого во времени характера движения отдельных молекул с очевидной необратимостью макроскопических процессов. Термодинамическому равновесию системы, по Больцману, соответствует максимум вероятности данного состояния. Необратимость процессов связана со стремлением систем к наиболее вероятному состоянию. Большое значение имела доказанная им теорема о равномерном распределении средней кинетической энергии по степеням свободы.

Классическая статистическая механика была завершена в работах Дж. У. Гиббса (1902), создавшего метод расчёта функций распределения для любых систем (а не только газов) в состоянии термодинамического равновесия. Всеобщее признание статистическая механика получила в 20 в. после создания А. Эйнштейном и М. Смолуховским (1905-06) на основе молекулярно-кинетической теории количественной теории броуновского движения, подтвержденной в опытах Ж. Б. Перрена.

Во 2-й половине 19 в. длительный процесс изучения электромагнитных явлений был завершен Максвеллом. В своей основной работе "Трактат об электричестве и магнетизме" (1873) он установил уравнения для электромагнитного поля (носящие его имя), которые объясняли все известные в то время факты с единой точки зрения и позволяли предсказывать новые явления. Электромагнитную индукцию Максвелл интерпретировал как процесс порождения переменным магнитным полем вихревого электрического поля. Вслед за этим он предсказал обратный эффект - порождение магнитного поля переменным электрическим полем - ток смещения. Важнейшим результатом теории Максвелла был вывод о конечности скорости распространения электромагнитных взаимодействий, равной скорости света. Экспериментальное обнаружение электромагнитных волн Г. Р. Герцем (1886-89) подтвердило справедливость этого вывода. Из теории Максвелла вытекало, что свет имеет электромагнитную природу. Тем самым оптика стала одним из разделов электродинамики. В самом конце 19 в. П. Н. Лебедев обнаружил на опыте и измерил давление света, предсказанное теорией Максвелла, а А. С. Попов впервые использовал электромагнитные волны для беспроволочной связи.

В 19 в. Г. Кирхгоф и Р. Бунзен заложили основы спектрального анализа (1859). Продолжалось также развитие механики сплошных сред. В акустике была разработана теория упругих колебаний и волн (Гельмгольц, Дж. У. Рэлей и др.). Возникла техника получения низких температур. Были получены в жидком состоянии все газы, кроме гелия, а в начале 20 в. Х. Камерлинг-Оннес (1998) получил жидкий гелий.

К концу 19 в. физика представлялась современникам почти завершенной. Казалось, что все физические явления можно свести к механике молекул (или атомов) и эфира. Эфир рассматривался как механическая среда, в которой разыгрываются электромагнитные явления. Один из крупнейших физиков 19 в. - У. Томсон обращал внимание лишь на два необъяснимых факта: отрицательный результат Майкельсона опыта по обнаружению движения Земли относительно эфира и непонятную с точки зрения молекулярно-кинетической теории зависимость теплоёмкости газов от температуры. Однако именно эти факты явились первым указанием на необходимость пересмотра основных представлений физики 19 в. Для объяснения этих и множества др. фактов, открытых впоследствии, понадобилось создание теории относительности и квантовой механики.

Релятивистская и квантовая физика. Физика атомного ядра и элементарных частиц (конец 19 - 20 вв.).

Наступление новой эпохи в физике было подготовлено открытием электрона Дж. Томсоном в 1897. Выяснилось, что атомы не элементарны, а представляют собой сложные системы, в состав которых входят электроны. Важную роль в этом открытии сыграло исследование электрических разрядов в газах.

В конце 19 - начале 20 вв. Х. Лоренц заложил основы электронной теории.

В начале 20 в. стало ясно, что электродинамика требует коренного пересмотра представлений о пространстве и времени, лежащих в основе классической механики Ньютона. В 1905 Эйнштейн создал частную (специальную) теорию относительности - новое учение о пространстве и времени. Эта теория исторически была подготовлена трудами Лоренца и А. Пуанкаре. Опыт показывал, что сформулированный Галилеем принцип относительности, согласно которому механические явления протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчёта, справедлив и для электромагнитных явлений. Поэтому уравнения Максвелла не должны изменять свою форму (должны быть инвариантными) при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой. Однако оказалось, что это справедливо лишь в том случае, если преобразования координат и времени при таком переходе отличны от преобразований Галилея, справедливых в механике Ньютона. Лоренц нашёл эти преобразования (Лоренца преобразования), но не смог дать им правильную интерпретацию. Это было сделано Эйнштейном в его частной теории относительности.

Открытие частной теории относительности показало ограниченность механической картины мира. Попытки свести электромагнитные процессы к механическим процессам в гипотетической среде - эфире оказались несостоятельными. Стало ясно, что электромагнитное поле представляет собой особую форму материи, поведение которой не подчиняется законам механики.

В 1916 Эйнштейн построил общую теорию относительности - физическую теорию пространства, времени и тяготения. Эта теория ознаменовала новый этап в развитии теории тяготения.

На рубеже 19-20 вв., ещё до создания специальной теории относительности, было положено начало величайшей революции в области физики, связанной с возникновением и развитием квантовой теории.

В конце 19 в. выяснилось, что распределение энергии теплового излучения по спектру, выведенное из закона классической статистической физики о равномерном распределении энергии по степеням свободы, противоречит опыту. Из теории следовало, что вещество должно излучать электромагнитные волны при любой температуре, терять энергию и охлаждаться до абсолютного нуля, т. е. что тепловое равновесие между веществом и излучением невозможно. Однако повседневный опыт противоречил этому выводу. Выход был найден в 1900 М. Планком, показавшим, что результаты теории согласуются с опытом, если предположить, в противоречии с классической электродинамикой, что атомы испускают электромагнитную энергию не непрерывно, а отдельными порциями - квантами. Энергия каждого такого кванта прямо пропорциональна частоте, а коэффициент пропорциональности является квант действия h = 6,6Ч10-27 эргЧсек, получивший впоследствии название постоянной Планка. В 1905 Эйнштейн расширил гипотезу Планка, предположив, что излучаемая порция электромагнитной энергии распространяется и поглощается также только целиком, т. с. ведёт себя подобно частице (позднее она была названа фотоном). На основе этой гипотезы Эйнштейн объяснил закономерности фотоэффекта, не укладывающиеся в рамки классической электродинамики.

Т. о., на новом качественном уровне была возрождена корпускулярная теория света. Свет ведёт себя подобно потоку частиц (корпускул); однако одновременно ему присущи и волновые свойства, которые проявляются, в частности, в дифракции и интерференции света. Следовательно, несовместимые с точки зрения классической физики волновые и корпускулярные свойства присущи свету в равной мере (дуализм света). "Квантование" излучения приводило к выводу, что энергия внутриатомных движений также может меняться только скачкообразно. Такой вывод был сделан Н. Бором в 1913. К этому времени Э. Резерфорд (1911) на основе экспериментов по рассеянию альфа-частиц веществом открыл атомное ядро и построил планетарную модель атома. В атоме Резерфорда электроны движутся вокруг ядра подобно тому, как планеты движутся вокруг Солнца. Однако, согласно электродинамике Максвелла, такой атом неустойчив: электроны, двигаясь по круговым (или эллиптическим) орбитам, испытывают ускорение, а следовательно, должны непрерывно излучать электромагнитные волны, терять энергию и, постепенно приближаясь к ядру, в конце концов (как показывали расчёты, за время порядка 10-8сек) упасть на него. Т. о., устойчивость атомов и их линейчатые спектры оказались необъяснимыми в рамках законов классической физики Бор нашёл выход из этой трудности. Он постулировал, что в атомах имеются особые стационарные состояния, в которых электроны не излучают. Излучение происходит при переходе из одного стационарного состояния в другое. Дискретность энергии атома была подтверждена опытами Дж. Франка и Г. Герца (1913-14) по изучению столкновений с атомами электронов, ускоренных электрическим полем. Для простейшего атома - атома водорода - Бор построил количественную теорию спектра излучения, согласующуюся с опытом.

В тот же период (конец 19 - начало 20 вв.) начала формироваться физика твёрдого тела в её современном понимании как физика конденсированных систем из огромного числа частиц (~ 1022 см--3). До 1925 её развитие происходило по двум направлениям: физика кристаллической решётки и физика электронов в кристаллах, прежде всего в металлах. В дальнейшем эти направления сомкнулись на базе квантовой теории.

Представление о кристалле как о совокупности атомов, упорядоченно расположенных в пространстве и удерживаемых в положении равновесия силами взаимодействия, прошло длительный путь развития и окончательно сформировалось в начале 20 в. Разработка этой модели началась с работы Ньютона (1686) по расчёту скорости звука в цепочке упруго связанных частиц и продолжалась др. учёными: Д. и И. Бернулли (1727), Коши (1830), У. Томсоном (1881) и др.

В конце 19 в. Е. С. Федоров работами по структуре и симметрии кристаллов заложил основы теоретической кристаллографии; в 1890-91 он доказал возможность существования 230 пространственных групп симметрии кристаллов - видов упорядоченного расположения частиц в кристаллической решётке (т. н. федоровских групп). В 1985 году В.К.Рентген открыл излучение, названое его именем. В 1912 М. Лауэ с сотрудниками открыл дифракцию рентгеновских лучей на кристаллах, окончательно утвердив представление о кристалле как упорядоченной атомной структуре. На основе этого открытия был разработан метод экспериментального определения расположения атомов в кристаллах и измерения межатомных расстояний, что положило начало рентгеновскому структурному анализу [У. Л. Брэгг н У. Г. Брэгг (1913), Г. В. Вульф (1913)]. В эти же годы (1907-1914) была разработана динамическая теория кристаллических решёток, уже существенно учитывающая квантовые представления. В 1907 Эйнштейн на модели кристалла как совокупности квантовых гармонических осцилляторов одинаковой частоты объяснил наблюдаемое падение теплоёмкости твёрдых тел при понижении температуры - факт, находящийся в резком противоречии с законом Дюлонга и Пти. Более совершенная динамическая теория кристаллической решётки как совокупности связанных квантовых осцилляторов различных частот была построена П. Дебаем (1912), М. Борном и Т. Карманом (1913), Э. Шрёдингером (1914) в форме, близкой к современной. Новый важный её этап начался после создания квантовой механики.

Второе направление (физика системы электронов в кристалле) начало развиваться сразу после открытия электрона как электронная теория металлов и др. твёрдых тел. В этой теории электроны в металле рассматривались как заполняющий кристаллическую решётку газ свободных электронов, подобный обычному разреженному молекулярному газу, подчиняющемуся классической. статистике Больцмана. Электронная теория позволила дать объяснение законов Ома и Видемана - Франца (П. Друде), заложила основы теории дисперсии света в кристаллах и др. Однако не все факты укладывались в рамки классической электронной теории. Так, не получила объяснения зависимость удельного сопротивления металлов от температуры, оставалось неясным, почему электронный газ не вносит заметного вклада в теплоёмкость металлов и т.д. Выход из создавшихся трудностей был найден лишь после построения квантовой механики.

Созданный Бором первый вариант квантовой теории был внутренне противоречивым: используя для движения электронов законы механики Ньютона, Бор в то же время искусственно накладывал на возможные движения электронов квантовые ограничения, чуждые классической Ф. Достоверно установленная дискретность действия и её количественная мера - постоянная Планка h - универсальная мировая постоянная, играющая роль естественного масштаба явлений природы, требовали радикальной перестройки как законов механики, так и законов электродинамики. Классические законы справедливы лишь при рассмотрении движения объектов достаточно большой массы, когда величины размерности действия велики по сравнению с h и дискретностью действия можно пренебречь.

В 20-е гг. 20 в. была создана самая глубокая и всеобъемлющая из современных физических теорий - квантовая, или волновая, механика - последовательная, логически завершенная нерелятивистская теория движения микрочастиц, которая позволила также объяснить многие свойства макроскопических тел и происходящие в них явления. В основу квантовой механики легли идея квантования Планка - Эйнштейна - Бора и выдвинутая Л. де Бройлем гипотеза (1924), что двойственная корпускулярно-волновая природа свойственна не только электромагнитному излучению (фотонам), но и любым др. видам материи. Все микрочастицы (электроны, протоны, атомы и т.д.) обладают наряду с корпускулярными и волновыми свойствами: каждой из них можно поставить в соответствие волну (длина которой равна отношению постоянной Планка h к импульсу частицы, а частота - отношению энергии частицы к h). Волны де Бройля описывают свободные частицы. В 1927 впервые наблюдалась дифракция электронов, экспериментально подтвердившая наличие у них волновых свойств. Позднее дифракция наблюдалась и у др. микрочастиц, включая молекулы.

В 1926 Шрёдингер, пытаясь получить дискретные значения энергии атома из уравнения волнового типа, сформулировал основное уравнение квантовой механики, названное его именем. В. Гейзенберг и Борн (1925) построили квантовую механику в др. математической форме - т. н. матричную механику.

В 1925 Дж. Ю. Уленбек и С. А. Гаудсмит на основании экспериментальных (спектроскопических) данных открыли существование у электрона собственного момента количества движения - спина (а следовательно, и связанного с ним собственного, спинового, магнитного момента), равного 1/2 . (Величина спина обычно выражается в единицах = h/2р, которая, как и h, называется постоянной Планка; в этих единицах спин электрона равен 1/2.) В. Паули записал уравнение движения нерелятивистского электрона во внешнем электромагнитном поле с учётом взаимодействия спинового магнитного момента электрона с магнитным полем. В 1925 он же сформулировал т. н. принцип запрета, согласно которому в одном квантовом состоянии не может находиться больше одного электрона (Паули принцип). Этот принцип сыграл важнейшую роль в построении квантовой теории систем многих частиц, в частности объяснил закономерности заполнения электронами оболочек и слоев в многоэлектронных атомах и т. о. дал теоретическое обоснование периодической системе элементов Менделеева.

В 1928 П. А. М. Дирак получил квантовое релятивистское уравнение движения электрона, из которого естественно вытекало наличие у электрона спина. На основании этого уравнения Дирак в 1931 предсказал существование позитрона (первой античастицы), в 1932 открытого К. Д. Андерсоном в космических лучах. [Античастицы других структурных единиц вещества (протона и нейтрона) - антипротон и антинейтрон были экспериментально открыты соответственно в 1955 и 1956.]

Параллельно с развитием квантовой механики шло развитие квантовой статистики - квантовой теории поведения физических систем (в частности, макроскопических тел), состоящих из огромного числа микрочастиц. В 1924 Ш. Бозе применил принципы квантовой статистики к фотонам - частицам со спином 1, а Эйнштейн их обобщил (Бозе - Эйнштейна статистика). В 1926 П. А. М. Дирак и Э. Ферми показали, что совокупность электронов (и др. одинаковых частиц со спином 1/2), для которых справедлив принцип Паули, подчиняется др. статистике - Ферми - Дирака статистике. В 1940 Паули установил связь спина со статистикой.

Квантовая статистика сыграла важнейшую роль в развитии Ф. конденсированных сред и в первую очередь в построении Ф. твёрдого тела. На квантовом языке тепловые колебания атомов кристалла можно рассматривать как совокупность своего рода "частиц", точнее квазичастиц, - фононов (введены И. Е. Таммом в 1929). Такой подход объяснил, в частности, спад теплоёмкости металлов (по закону T3) c понижением температуры Т в области низких температур, а также показал, что причина электрического сопротивления металлов - рассеяние электронов не на ионах, а в основном на фононах. Позднее были введены др. квазичастицы. Метод квазичастиц оказался весьма эффективным для исследования свойств сложных макроскопических систем в конденсированном состоянии.

В 1928 А. Зоммерфельд применил функцию распределения Ферми - Дирака для описания процессов переноса в металлах. Это разрешило ряд трудностей классической теории и создало основу для дальнейшего развития квантовой теории кинетических явлений (электро- и теплопроводности, термоэлектрических, гальваномагнитных и др. эффектов) в твёрдых телах, особенно в металлах и полупроводниках. Согласно принципу Паули, энергия всей совокупности свободных электронов металла даже при абсолютном нуле отлична от нуля. В невозбуждённом состоянии все уровни энергии, начиная с нулевого и кончая некоторым максимальным уровнем (уровнем Ферми), оказываются занятыми электронами. Эта картина позволила Зоммерфельду объяснить малость вклада электронов в теплоёмкость металлов: при нагревании возбуждаются только электроны вблизи уровня Ферми.

В работах Ф. Блоха, Х. А. Бете и Л. Бриллюэна (1928-34) была разработана теория зонной энергетической структуры кристаллов, которая дала естественное объяснение различиям в электрических свойствах диэлектриков и металлов. Описанный подход, получивший название одноэлектронного приближения, имел дальнейшее развитие и широкое применение, особенно в физике полупроводников. Резонансное поглощение электромагнитного излучения твердыми телами, которое доказал В.К.Аркадьев для ферромагнетиков 1911-13 гг., привело к созданию ряда высокоэффективных методов исследования их структуры: электронный парамагнитный резонанс (Е.К.Завойский 1944 г.), ядерный магнитный резонанс (Ф.Блох, Э.Парселл 1946 г.), диамагнитный (циклотронный) резонанс (теория Я.Г.Дорфман 1951 г., Р.Дингл 1952 г., экспериментальное исследование Ч.Киттель с сотрудниками 1953 г.), антиферромагнитный резонанс (К.Гортер с сотрудниками 1951 г.), а также Оже-спектроскопии ( эффект открыт П.В.Оже в 1925 г).

В 1948 году Дж.Бардиным, У.Браттейном и У.Шокли был построен первый транзистор, что привело к революции в электронике. Следующим важнейшим этапом в этой области стали исследования гетероструктур Ж.И.Алферов (теория Г.Кремер) и создание на их основе сверхбольших интегральных схем (Дж.Килби). Экологически чистые источники света (синие светодиоды) были разработаны И.Акасаки, Х.Амано, С.Накамура (НП 2014). Фундаментальное значение для развития физики твердого тела и физики в целом имели открытие эффекта Мессбауэра (1958), квантового эффекта Холла -целочисленного (К. фон Клитцинг -1980) и дробного (Х. Штермер, Д.Цуи, А.Госсарт - 1982, теория - Р.Лафлин), гигантского магнетосопротивления (А.Фер, П.Грюнберг-1986), важное значение для создания и развития оптоэлектроники и систем оптической передач информации имели работы Ч.К.Као, а также разработка У.Бойлом и Дж.Смитом полупроводниковых оптических сенсоров ПЗС-матриц (НП 2011).

В 1928 Я. И. Френкель и Гейзенберг показали, что в основе ферромагнетизма лежит квантовое обменное взаимодействие (которое на примере атома гелия было в 1926 рассмотрено Гейзенбергом); в 1932-33 Л. Неель и независимо Л. Д. Ландау предсказали антиферромагнетизм. Фундаментальные результаты в теории электронной структуры магнитных и неупорядоченных систем получены Ф.Андерсоном, Н.Моттом и Дж.Ван-Флеком

Открытия сверхпроводимости Камерлинг-Оннесом (1911) и сверхтекучести жидкого гелия П. Л. Капицей (1938) стимулировали развитие новых методов в квантовой статистике. Феноменологическая теория сверхтекучести была построена Ландау (1941) и обобщена Р.Фейнманом. Дальнейшим шагом получение жидкого Не-3 при температурах 0,01 К (Д.Ли., Д.Ошерофф, Р.Ричардсон) и теория вихрей в нем А.Легетта. Классическая теория сверхпроводимости была построена Ф. и Г.Лондонами (1937), феноменологическая теория сверхпроводимости -Л.Д.Ландау и В. Л. Гинзбургом (1950). Теория сверхпроводников 2-го рода развита А.А.Абрикосовым В 50-х гг. были развиты новые мощные методы расчётов в статистической квантовой теории многочастичных систем, одним из наиболее ярких достижений которых явилось создание Дж. Бардином, Л. Купером, Дж. Шриффером (США) и Н. Н. Боголюбовым (СССР) микроскопической теории сверхпроводимости. В1962 г. Б.Джозефсоном внесен значительный вклад в теорию сверхпроводящего состояния связанный с туннелированием и квантованием магнитного потока (эксперименты А.Живера). В 1987 году Г.Беднорцем и К.Мюллером открыта высокотемпературная сверхпроводимость

Попытки построения последовательной квантовой теории излучения света атомами привели к новому этапу развития квантовой теории - созданию квантовой электродинамики (Дирак, 1929), а также оптических квантовых генераторов (Н.Г.Басов, А.М.Прохоров, Ч.Таунс), лазерной спектроскопии (А.Шавлов, Н.Бломберген), квантовой электроники и оптики (Р.Глаубер).

Физика плазмы. Плазма (от греч. plasma, буквально - вылепленное, оформленное) - частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. При сильном нагревании любое вещество испаряется, превращаясь в газ. Если увеличивать температуру и дальше, резко усилится процесс термической ионизации, т. е. молекулы газа начнут распадаться на составляющие их атомы, которые затем превращаются в ионы. Ионизация газа, кроме того, может быть вызвана его взаимодействием с электромагнитным излучением (фотоионизация) или бомбардировкой газа заряженными частицами.

Термин "плазма" в физике был введён в 1929 И. Ленгмюром (I. Langmuir) и Л. Тонксом (L. Tonks), проводившими зондовые измерения параметров низкотемпературной газоразрядной плазмы. Кинетика плазмы рассматривалась в работах Л. Д. Ландау (1936 и 1946), А. А. Власова (1938) и др.

В состоянии плазмы находится большая часть вещества Вселенной - звёзды, звёздные атмосферы, галактические туманности и межзвёздная среда. Около Земли плазма существует в космосе в виде солнечного ветра, заполняет магнитосферу Земли (образуя радиационные пояса Земли) и ионосферу. Процессами в околоземной плазме обусловлены магнитные бури и полярные сияния. Отражение радиоволн от ионосферной плазмы обеспечивает возможность дальней радиосвязи на Земле. В лабораторных условиях и промышленных применениях плазма образуется в электрических разрядах в газах (дуговом разряде, искровом разряде, тлеющем разряде и пр.), в процессах горения и взрыва, используется в плазменных ускорителях, магнитогидродинамических генераторах, в установках для исследования УТС. Многими характерными для плазмы свойствами обладают совокупности электронов и дырок в полупроводниках и электронов проводимости, нейтрализуемых неподвижными положительными ионами в металлах, которые называются плазмой твёрдых тел. Её отличительная особенность - возможность существования при сверхнизких для "газовой" плазмы температуpax - комнатной и ниже, вплоть до абсолютного нуля температуры. Газовая плазма при температуpax, близких к абсолютному нулю, наз. криогенной плазмой. Возможные значения плотности плазмы п охватывают очень широкий диапазон: от п ~ 10 -6 см-3 в межгалактическом пространстве и п ~ 10 в солнечном ветре до п ~ 1022 для твёрдых тел и ещё больших значений в центральных областях звёзд.

Создание туннельного (Г.Ререр, Г.Бинниг-1981) и атомно-силового-микроскопа (Г.Бинниг, К.Джербер-1986), наряду с развитием технологии эпитаксии и термолитографии заложили основы нанотехнологий (идея Р.Фейнман). Фундаментальное значение имело также освоение манипулирования отдельными атомами (Г.Демельт, В.Пауль, М.Удо), лазерного охлаждения вещества (В.С.Летохов, С.Чу, В.Филлипс) и получения конденсата Бозе-Эйнштейна (Э.Корнелл, В.Кеттерле, К.Виман) - ставшего пятым состоянием вещества.

Вещество в состоянии с высокой плотностью энергии в природе может встречаться в различных ситуациях. При этом, несмотря на некоторую общность рассматриваемых вопросов, каждое направление исследований имеет свою специфику. Исторически первым возникла задачауправляемого термоядерного синтеза, и в частности проблема инерциального синтеза, при решении которой и приходится проводить изучение вещества в сверхплотном состоянии. Другим направлением, появившимся чуть позже, стала экспериментальная астрофизика, в рамках которой в земных условиях моделируются процессы, идущие в астрофизических объектах, например,звёздах. Отдельно стоят задачи взаимодействия сверхмощного лазерного излучения с веществом, не направленные на получение термоядерной реакции, в частности, к таким задачам относятсялазерное ускорение электронов и ионов, генерация рентгеновского излучения и получение аттосекундных импульсов.

Физика атомного ядра и элементарных частиц. Во 2-й четверти 20 в. происходило дальнейшее революционное преобразование физики, связанное с познанием структуры атомного ядра и совершающихся в нём процессов и с созданием физики элементарных частиц. Упомянутое выше открытие Резерфордом атомного ядра было подготовлено открытием радиоактивности и радиоактивных превращений тяжёлых атомов ещё в конце 19 в. (А. Беккерель, П. и М. Кюри). В начале 20 в. были открыты изотопы. Первые попытки непосредственного исследования строения атомного ядра относятся к 1919, когда Резерфорд путём обстрела стабильных ядер азота б-частицами добился их искусственного превращения в ядра кислорода. Открытие нейтрона в 1932 Дж. Чедвиком привело к созданию современной протонно-нейтронной модели ядра (Д. Д. Иваненко, В.Гейзенберг). В 1934 супруги И. и Ф. Жолио-Кюри и независимо Э.Ферми открыли искусственную радиоактивность. Создание ускорителей заряженных частиц позволило изучать различные ядерные реакции. Важнейшим результатом этого этапа Ф. явилось открытие деления атомного ядра (О.Ган). В 1939-45 была впервые освобождена ядерная энергия с помощью цепной реакции деления 235U (ядерный реактор Э.Ферми -1942) и создана атомная бомба. Заслуги в использовании управляемой ядерной реакции деления 235U в мирных, промышленных целях принадлежит СССР (И.В.Курчатов). В 1954 в СССР была построена первая атомная электростанция (г. Обнинск). Позже рентабельные атомные электростанции были созданы во многих странах. В настоящее время на 473 ядерных энергоблоках вырабатывается около 14% мирового производства электроэнергии (в России 30 энергоблоков, вырабатывающих 15% общероссийской электроэнергии). В 1953 создана водородная бомба (Я.Б.Зельдович, А.Д.Сахаров, Ю.Б.Харитон) и широко развернулись работы по различным направлениям УТС.

Одновременно с физикой атомного ядра в 20 в. начала быстро развиваться физика элементарных частиц. Первые большие успехи в этой области связаны с исследованием космических лучей. Были открыты мюоны, пи-мезоны, К-мезоны, первые гипероны. После создания ускорителей заряженных частиц на высокие энергии началось планомерное изучение элементарных частиц, их свойств и взаимодействий; было экспериментально доказано существование двух, а затем трех типов нейтрино и открыто много новых элементарных частиц, в том числе крайне нестабильные частицы - резонансы, среднее время жизни которых составляет всего 10-22-10-24 сек. Обнаруженная универсальная взаимопревращаемость элементарных частиц указывала на то, что эти частицы не элементарны в абсолютном смысле этого слова, а имеют сложную внутреннюю структуру, которую ещё предстоит открыть. Установлено существование трех поколений лептонов, а также трех поколений цветных кварков. Создана теория электрослабых взаимодействий (А.Салам, С.Вайнберг,Ш.Глэшоу), важнейшим подтверждением которой стало экспериментальное обнаружение промежуточных бозонов, а также теория сильного взаимодействия - квантовая хромодинамика.