Войти
A Колыбель Ньютона, названная в честь физика Исаака Ньютона Физика - это раздел науки, предметы объектами изучения которого являются материя и энергия. Открытия физики находят применение в естественных науках и в технологиях, поскольку материя и энергия являются составляющими мирами. Некоторые другие области изучения - более ограниченные по своему охвату - можно рассматривать как отрасли, которые отделились от физики и стали самостоятельными науками. Сегодняшнюю физику можно условно разделить на классическую физику и современную физику.
Элементы того, что стало физикой, были взяты в основном из астрономии, оптики и механики, которые методологически объединены изучением геометрии. Эти математические дисциплины начались в античности у вавилонян и эллинистических писателей, таких как Архимед и Птолемей. Древняя философия, тем временем, включая то, что называлось «физикой » - была сосредоточена на объяснении природы с помощью таких идей, как Аристотель четыре типа «причин» ".
Движение к рациональному пониманию природы началось по крайней мере с архаического периода в Греции (650–480 до н.э. ) с Философы-досократы. Философ Фалес Милетский (VII-VI вв. До н.э.), прозванный «Отцом науки» за отказ принять различные сверхъестественные, религиозные или мифологические объяснения природных явлений, провозгласил, что все событие имело естественную причину., Фалес также добился прогресса в 580 г. до н. Э., Предположив, что вода является основным элементом, экспериментируя с притяжением между магнитами и натертым янтарем и сформулировав первое записанное космологии. Анаксимандр, известный своей прото- эволюционной теорией, оспорил идеи Ф алеса и предположил, что строительным блоком всей материи является не вода, а вещество под названием апейрон.. Около 500 г. до н.э. Гераклит предположил, что единственным основным законом, регулирующим Вселенную, был принцип изменения и ничто не остается в одном и том же состоянии бесконечно. Это наблюдение сделало его одним из первых ученых области античной физики, рассмотрел роль времени во Вселенной, ключевую и иногда спорную концепцию в современной и современной физике. Ранний физик Левкипп (эт. первая половина V века нашей эры) категорически выступал против идей прямого божественного вмешательства во вселенную, предлагая вместо этого, что природные явления имел естественную причину. Левкипп и его ученик Демокрит были первыми, кто разработал теорию атомизма, идею о том, что все целиком состоит из различных, неделимых элементов, называемых атомами.
Аристотелем. (384–322 до н.э. )В классический период в Греции (VI, V и IV века до н.э.) и в эллинистические времена, Натурфилософия постепенно превратилась в захватывающую и спорную область исследований. Аристотель (греч : Ἀριστοτέλης, Аристотелес) (384 - 322 г. до н. э.), ученик Платон продвигал идею о том, что наблюдение физических явлений может в конечном итоге привести к открытию управляющих ими естественных законов. Труды Аристотеля охват физику, метафизику, поэз., театр, музыка, логика, риторика, лингвистика, политика, правительство, этика, биология и зоология. в котором указывается к такому направлению исследований как «Физика» - в 4 веке нашей эры Аристотель основал систему, известную как аристотелевская физика. Он попытался объяснить такие идеи, как движение (и гравитация ) с помощью теории четырех элементов. Аристотель считал, что вся состоит из эфира или некоторых комбинаций четырех элементов: земли, воды, воздуха и огня. Согласно Аристотелю, эти четыре земных элемента могут быть перемещены к своему естественному месту, поэтому камень падает вниз к центру космоса, а пламя поднимается вверх к окружности. В конце концов, аристотелевская физика стала популярной на протяжении многих веков в Европе, оказывая влияние на научные и схоластические разработки Средневековья. Она была основной научной парадигмой в Европе до времен Галилео Галилея и Исаака Ньютона.
В начале классической Греции знания о том, что Земля сферическая («круглая») было обычным явлением. Около 240 г. до н.э., в результате плодотворного эксперимента, Эратосфен (276–194 г. до н.э.) точно оценил его окружность. В отличие от геоцентрических взглядов Аристотеля, Аристарх Самосский (греч. : Ἀρίσταρχος; c.310 - c.230 до н.э.) представил явный аргумент в пользу гелиоцентрической модели Солнечной системы, то есть для размещения Солнца, а не Земли, в его центре. Селевк из Селевкии, последователь гелиоцентрической теории Аристарха, утверждал, что Земля вращалась вокруг своей оси, которая, в свою очередь, вращалась вокруг Солнца. Хотя аргументы, которые он использовал, были потеряны, Плутарх которые объявил, что Селевк был первым, кто доказал гелиоцентрическую систему рассуждениями.
Древнегреческий математик Архимед, известный своими идеями относительно механики жидкости и плавучести.. В III веке до н.э. греческий математик Архимед Сиракузский (греч. : Ἀρχιμήδης (287–212 г. до н.э.) - обычно считается величайшим математиком - заложил основы гидростатики, статики и рассчитал математику, лежащую в основе рычага. Ведущий ученый античности Архимед также разработал сложные системы. Винт Архимеда лежит в основе современной гидротехники, а его военные машины помогли сдержать армию в Первой Пунической войне. теории в практических изобретениях. плавучести, также известный как принцип Архимеда. использовать метод истощения для вычислений площади под дугой параболы с суммированием бесконечного ряда и дал удивительно точное приближение pi. Он также определил спираль , носящую его имя, формулу для систему вращения и изобретательную систему для выражения очень больших чисел. Он также разработал принципы состояния равновесия и тяжести, идеи, которые повлияли на ученых, Галилея и Ньютона.
Гиппарх (190–120 гг. До н.э.), уделял особое внимание астрономии и математике, использовал сложные геометрические методы для отображения движений звезд и планет, даже предсказывая время солнечных затмений случится. Кроме того, он добавил расчеты расстояния Солнца и Луны от Земли, основанные на его усовершенствованиях км наблюдения, используемым в то время. Еще одним из самых известных ранних физиков был Птолемей (90–168 гг. Н. Э.), Один из ведущих умов времен Римской империи. Птолемей был автором нескольких научных трактатов, по крайней мере три из которых были непреходящее значение более поздней исламской и европейской европейской науки. Первый - это астрономический трактат, ныне известный как Альмагест (по-гречески Ἡ Μεγάλη Σύνταξις, «Великий трактат», используемые Μαθηματικὴ Σύνταξις, «Математический трактат»). Второй - География, который представляет собой подробное описание географических знаний о греко-римском мире.
Большая часть накопленных знаний о древнем мире была утеряна. Даже от произведений самых известных мыслителей сохранилось несколько фрагментов. Хотя он написал по меньшей мере четырнадцать книг, прямых работ Гиппарха не сохранилось. Из 150 известных аристотелевских работ только 30, и некоторые из них представляют собой «не более чем конспекты лекций».
Индо-арабская система счисления. Надписи на указах Ашоки (3 век до н.э.) показывают, что эта система счисления использовалась имперскими Маурьями.. Важные физические и математические традиции также существовали в древнем Китае и индийские науки.
Звездные карты китайского полимата Су Сун 11 века являются старейшими известными ксилографическими картами звездного неба. дожить до наших дней. В этом примере, 1092 году, используется цилиндрическая проекция.В индийской философии Махариши Канада был первым, кто систематически развил теорию атомизма около 200 г. до н.э., хотя некоторые авторы отводил ему более раннюю эпоху в VI веке до эры. В дальнейшем он был разработан буддийскими атомистами Дхармакирти и Дигнагой в 1-м тысячелетии нашей эры. Пакудха Каччаяна, индиец 6-го века до нашей эры философии и современник Гаутамы Будды также выдвинул идеи об атомном строении материального мира. Эти философы считали, что другие элементы (кроме эфира), физически осязаемы и, следовательно, заменяют собой крошечные частицы материи. Последняя крохотная частица материи, которую невозможно было подразделить дальше, была названа Парману. Эти философы считали неразрушимым и, следовательно, вечным. Буддисты считали атомы крошечными объектами, невидимыми невооруженным глазом, которые исчезают в одно мгновение. Школа философов Вайшешика считала, что атом - это просто точка в простран. Он также был первым, кто изобразил отношения между движением и приложенной силой. Индийские теории об атоме очень абстрактны и связаны с философией, поскольку они основывались на логике, а не на личном опыте или экспериментах. В индийской астрономии, Арьябхата в Арьябхатия (499 г. н.э.) использует вращение Земли, а Нилаканта Сомаяджи (1444–1544) из школы астрономии и математики Керала полугелиоцентрическую модель, напоминающую систему Тихона.
Исследование магнетизма в Древнем мире. Китай восходит к IV веку до нашей эры. (в Книге Мастера Дьявольской долины). Основным участником этой области был Шен Куо (1031–1095), эрудит и государственный деятель, который первым описал магнитно-стрелочныйас, инструмент для навигации, а также комп. для концепции истинного севера. В области оптики Шен Куо независимо разработал камеру-обскура.
Ибн аль-Хайтам (ок. 965–1040). В 7-15 веках научный прогресс происходил в мусульманском мире. Многие классические произведения на индийском, ассирийском, сасанидском (персидском) и греческом, включая работы Аристотеля, были переведены на арабский. Важный вклад внес Ибн аль-Хайтам (965–1040), арабский ученый, который считается основоположником современной оптики. Птолемей и Аристотель предположили, что свет либо светит из глаз, чтобы освещать объекты, либо что «» исходят от самих объектов, тогда как аль-Хайтам (известный под латинским названием «Альхазен») предположил, что свет распространяется к глазу в лучах из разных точек. на объекте. Работы Ибн аль-Хайс и Абу Райхана Бируни (973–1050), персидского ученого, в конечном итоге перешли в Западную Европу, где их изучали такие ученые, как Роджер Бэкон и Витело.
Ибн аль-Хайтам и Бируни были ранними сторонними средствами научного метода. Ибн аль-Хайсам считается «отцом современного научного метода» из-за его акцента на экспериментальных данных и воспроизводимости их результатов. Самый ранний методический подход к экспериментам в современном понимании прослеживается в работах Ибн аль-Хайтама, который ввел индуктивно-экспериментальный метод достижения результатов. Бируни представил ранние научные методы для нескольких различных областей исследования в 1020-х и 1030-х годах, включая ранний экспериментальный метод для механики. Методология Бируни напоминает современный научный метод, особенно в том, что он делает упор на повторяющиеся эксперименты.
Ибн Сина (980–1037), известный как «Авиценна», был эрудитом из Бухар (в настоящее время Узбекистан ), внесший важный вклад в физику, оптику, философию и медицину. Он опубликовал свою теорию движения в Книге исцеления (1020), где утверждал, что метатель придает снаряду импульс, и считал, что это временное достоинство, что снизилось даже в вакууме. Он считал это постоянным, требующим внешних сил, таких как сопротивление воздуха, чтобы рассеять его. Ибн Сина проводил различие между «силой» и «наклоном» (называемым «милым») и утверждал, что приобретенный объект может быть использован, объект находится в оппозиции своему естественному движению. Он пришел к выводу, что продолжение связано с наклоном, передаваемым объектом, и этот объект будет находиться в движении до тех пор, пока сообщение не будет израсходован. Он также утверждал, что снаряд в вакууме не остановится, если на него не воздействовать. Эта концепция движения соответствует первому закону движения Ньютона, инерции, который гласит, что движущийся объект будет оставаться в движении, если на него не действует внешняя сила. Эта идея, расходящаяся с аристотелевской точкой зрения, была позже описана как «импульс » Джоном Буриданом, на которого повлияла Книга исцеления Ибн Сины.
Страница из Алгебра.ал-Хваризми Омар Хайям (1048–1131), персидский ученый, вычислил продолжительность солнечного года и уступил лишь долю секунды по сравнению с нашими современными расчеты. Он использовал это, чтобы составить календарь, который считается более точным, чем григорианский календарь, появившийся 500 лет спустя. Он одним из первых великих научных деятелей в мире, например, который убедил суфийского богослова в том, что мир вращается вокруг оси.
Хибат Аллах Абу'л-Баракат аль-Багдаади (ок. 1080-1165) принял и модифицировал теорию Ибн Сины о движении снаряда. В своем «Китаб аль-Мутабар» Абу'л-Баракат утвержден, что движущийся придает сильный наклон (миль касри) движущемуся, и что это уменьшается по мере того, как движущийся объект удаляется от движущегося. Он также использует объяснение ускорения падающих телом последовательных последовательных приращений мощности с последовательными приращениями . Согласно Шломо Пайнс, теория движения Аль-Багдаади была «старейшим отрицанием фундаментального закона Аристотеля [а именно, что постоянная сила производит равномерное движение], [и, таким образом, является] ожиданием в неопределенном виде основного закона классической механики [а именно, что приложенная сила непрерывно вызывает ускорение] ". Жан Буридан и Альберт Саксонский позже Сообщились на Абу'л-Бараката, объясняя, что ускорение падающего тела вызывает его возрастающим импульса.
Ибн Баджах (ок. 1085–1085). 1138), известный в Европе как «Avempace», предположил, что для каждой силы всегда есть сила реакции . силы равны, это было предшественником третьего закона движения Ньютона, который гласил, что для каждого действия существует равное и противоположное противодействие, Ибн Баджах был критиком Птолемея и работал над созданием новой теории скорости, которая заменила бы теорию, выдв инутую Аристотелем. Два будущих философа поддержали теории, созданные Avempacean Dynamics, известные как Avempacean Dynamics. Этими философами были Фома Аквинский, католический священник, и Джон Дунс Скот. Галилей продолжил принимать формулу Авемпаса, «что скорость данного объекта есть разница в движущей силе этого объекта и сопротивлении движущейся среды ».
Насир ад-Дин ат-Туси (1201–1274), персидский астроном и математик, умерший в Багдаде, написал Казначейство астрономии, удивительно точной таблицы движения планет, которая реформировала существующую планетную модель римского астронома Птолемея, описывая равномерное круговое движение всех планет по их орбитам. Эта работа привела к более позднему открытию одним из его учеников, что планеты на самом деле имеют эллиптическую орбиту. Позднее Коперник в значительной степени опирался на работы ад-Дина ат-Туси и его учеников, но без признания. Постепенное разрушение системы Птолемея подготовило почву для революционной идеи о том, что Земля действительно вращается вокруг Солнца (гелиоцентризм ).
Осведомленность о древних произведениях вернулась на Запад через переводы с арабского на латинский. Их повторное введение в сочетании с иудео-исламскими теологическими комментариями оказало большое влияние на средневековых философов, таких как Фома Аквинский. Европейские ученые-схоласты, стремившиеся примирить философию древних классических философов с христианским богословием, провозгласили Аристотеля величайшим мыслителем древнего мира. В тех случаях, когда они прямо не противоречили Библии, аристотелевская физика становилась основой физических объяснений европейских церквей. Количественная оценка стала ключевым элементом средневековой физики.
Основываясь на аристотелевской физике, схоластическая физика описывала вещи как движущиеся в соответствии с их сущностной природой. Небесные объекты описывались как движущиеся по кругу, потому что совершенное круговое движение считалось врожденным свойством объектов, которые существовали в неповрежденном царстве небесных сфер. теория импульса, предшественница концепций инерции и импульса, была разработана в аналогичных направлениях средневековыми философами, такими как Иоанн Филопон и Жан Буридан. Движения под лунной сферой рассматривались как несовершенные, и поэтому нельзя было ожидать, что они будут демонстрировать постоянное движение. Более идеализированное движение в «подлунном» царстве могло быть достигнуто только с помощью уловки, и до 17 века многие не считали искусственные эксперименты действенным средством познания мира природы. Физические объяснения в подлунной сфере вращались вокруг тенденций. Камни содержали элемент Земля, а земные объекты имели тенденцию двигаться по прямой линии к центру Земли (и Вселенной в аристотелевской геоцентрическойточка зрения).
В течение XVI и XVII веков в Европе произошел большой прогресс научного прогресса, известный как научная революция. Недовольство старыми философскими подходами началось раньше и вызвало другие изменения в обществе, такие как протестантская реформация, но революция в науке началась, когда натурфилософы начали настойчивую атаку на схоластической философской Программа и предполагал, что математические описательные схемы, заимствованные из таких областей, как механика и астрономия, могут фактически дать универсальные характеристики движения и другие концепции.
Польский астроном Николай Коперник (1473–1543) запомнился разработкой гелиоцентрической модели Солнечной системы.Прорыв в астрономии был сделан польским астрономом Николаем Коперником (1473–1543), когда в 1543 году он привел убедительные аргументы в пользу гелиоцентрической модели Солнечная система, якобы как средство для более точной визуализации таблиц, отображающих движение планет, и для упрощения их создания. В гелиоцентрических моделях Солнечной системы Земля вращается вокруг Солнца вместе с другими телами в Земной галактике, противоречие согласно греко-египетскому астроному Птолемею (II век н.э.; см. Выше)), , чья система поместила Землю в центр Вселенной и принята на протяжении более 1400 лет. Греческий астроном Аристарх Самосский (c.310 - c.230 до н.э.) предположил, что Земля вращается вокруг Солнца, но рассуждения Коперника привели к прочному всеобщему сообществу этой «революционной» идеи. Книга Коперника, излагающая теорию (De Revolutionibus orbium coelestium, «О вращении небесных сфер»), была опубликована незадолго до его смерти в 1543 году и, как сейчас принято считать, знаменует собой начало современного астрономия. научной революции. Новая перспектива Коперника, наряду с точными наблюдениями, сделанными Тихо Браге, позволила немецкому астроному Иоганну Кеплеру (1571–1630) определить свои законы относительно движения планет, которые используются сегодня.
Галилео Галилей, ранний сторонник современного научного мировоззрения и метода. (1564–1642) Итальянский математик, астроном и физик Галилео Галилей ( 1564–1642) известен своей поддержкой коперниканизма, своими астрономическими открытиями, эмпирическими экспериментами и усовершенствованием телескопа. Как математик, роль Галилея в университетской культуре его эпохи была подчинена трем основным темам обучения: право, медицина и теология. (что было связано с философией). Галилей, однако, что описательный анализ технических дисциплин требует философского интереса, особенно потому, что математический анализ астрономических наблюдений - в частности, анализ Коперником относительных движений Солнца, Земли, Луны и планет. - указали на то, что утверждение философов о природе вселенной ошибочные. Галилей также проводил механические эксперименты, настаивая на том, что само движение - независимо от того, было ли оно создано «естественным» или «искусственным» (то есть преднамеренно) - имеет универсально согласованные характеристики, которые можно описать математически.
Первые исследования Галилея в Пизанском университете были связаны с медициной, но вскоре его привлекли математика и физика. В 19 лет он обнаружил (и подтвердил ) изохронную природу маятника, когда с помощью своего пульса он рассчитал время колебаний качающейся лампы. в соборе Пизы и обнаружил, что он оставался неизменным для каждого независимо от амплитуды качания. Вскоре он известен благодаря изобретению гидростатических весов и трактату о центре тяжести твердый тел. Во время преподавания в Пизанском университете (1589–1592 гг.) Он начал время инициировать свои эксперименты по изучению движения тел, которые привели к результатам, противоречащим общепринятым учениям Аристотеля, что сильный антагонизм. Он обнаружил, что тела не падают со скоростью , пропорциональной их весу. Знаменитая история, в которой Галилей, как говорится, сбросил грузы с Пизанской башни, является апокрифом, но он обнаружил, что путь снаряда - это парабола, и ему приписывают выводы, которые предвосхитили законы движения Ньютона (например, понятие инерции ). Среди них то, что сейчас называется относительной Галилея, первое точно сформулированное утверждение о свойствах и времени за пределами трехмерной геометрии.
Составной монтаж, сравнивающий Юпитер (левая сторона) и его четыре галилеевых спутника (сверху вниз: Io, Европа, Ганимед, Каллисто ).Галилей был назван «от современной наблюдательная астрономия "," отец современной физики "," отец "и" отец современной науки ". Согласно Стивен Хокинг,« Галилей, возможно, в большей Согласно религиозной ортодоксии, геоцентрическое или тихоническое понимание Солнечной системы, поддержка Галилеем гелиоцентризм вызвала споры, и его судила инквизиция. Обнаруженный «яростно подозреваемым в ереси», он был вынужден отречься и потратил остаток своей жизни unde г дома шний арест.
Вклад Галилея в наблюдательную астрономию включает телескопическое подтверждение фаз Венеры ; его открытие в 1609 году четырех спутников Юпитера (получивших название «галилеевыны »); и наблюдение и анализ солнечный пятен. Галилей также занимался прикладной наукой и техникой, изобретая, среди прочего, военный компас. Его открытие спутников Юпитера было опубликовано в 1610 году и помог ему получить положение математика и философа при Медичи дворе. Таким образом, он должен участвовать в философии аристотелевской традиции и получил широкую аудиторию для своих публикаций, таких как Рассуждения и математические демонстрации о двух новых науках (опубликованные за границей после его ареста за публикацию Диалог о двух главных мировых системах ) и Пробирный. Интерес Галилея к экспериментам и формулированию математических описаний сделал эксперименты неотъемлемой части натурфилософии. Эта традиция в сочетании с нематематическим акцентом на сбор "экспериментальных историй" философскими реформистами, такими как Уильям Гилберт и Фрэнсис Бэкон, за годы до этого привлекла значительное количество последователей. до и после смерти Галилея, включая Евангелиста Торричелли и участников Accademia del Cimento в Италии; Марин Мерсенн и Блез Паскаль во Франции; Христиан Гюйгенс в Нидерландах; и Роберт Гук и Роберт Бойл в Англии.
Рене Декарт. (1596–1650) Французский философ Рене Декарт (1596–1650) имел хорошие связи и влиятельные внутри экспериментальных философских сетей того времени. Однако у Декарта была более амбициозная программа, которая была направлена на полную замену схоластической философской традиции. Ставя под сомнение реальность, интерпретируемую через органы чувств, Декарт стремился восстановить философские объяснительные схемы, сводя все воспринимаемые явления к тому, что их можно отнести к движению невидимого моря «корпускул». (Примечательно, что он уберег человеческую мысль и Бога от своей схемы, считая их отделенными от физической вселенной). Предлагая эту философскую основу, Декарт предположил, что различные виды движения, такие как движение планет и движение земных объектов, не принципиально различны, а являются просто разные проявления бесконечной цепи корпускулярных движений, подчиняющихся универсальным принципам. Особенно влиятельными были его объяснения круговых астрономических движений в терминах вихревого движения корпускул в визу (Декарт утверждал, в соответствии с верованиями, если не методы, схоластов, что вакуум не может существовать.), И его объяснение гравитации в терминах корпускул, толкающих объекты вниз.
Декарт, как и Галилей, был убежден в важности математического объяснения, и он и его последователи были ключевыми фигурами в развитии математики и геометрии в 17 веке. В картезианских математических описаний движения утверждается, что все математические формулировки должны быть оправданы с точки зрения прямого воздействия, и эту позицию занимали Гюйгенс и немецкий философ Готфрид Лейбниц,, следуя за картузианская традиция разработала собственную философскую альтернативу схоластике, которую он изложил в своей работе 1714 года Монадология. Декарта называют «отцом современной философии», и последующая западная философия является ответом на его сочинения, которые внимательно изучаются по сей день. В частности, он продолжает оставаться стандартным текстом на философских факультетах различных университетов. Столь же очевидно влияние Декарта на математику; в его честь была названа декартова система координат, позволяющая выражать алгебраические уравнения в виде геометрических фигур в двумерной системе координат. Он считается отцом аналитической геометрии, моста между алгеброй и геометрией, важной для открытия исчисления и <392.>анализ.
Сэр Исаак Ньютон. (1642–1727) Конец 17 - начало 18 века ознаменовались достижениями физика Кембриджского университета и математик сэр Исаак Ньютон (1642-1727). Ньютон, член Королевского общества Англии, объединил свои собственные открытия в механике и астрономии с более ранними открытиями, чтобы создать единую систему для описания устройства Вселенной. Ньютон сформулировал три закона движения, которые сформулировали взаимосвязь между движением и объектами, а также закон всемирного тяготения, последний из которых может использоваться для объяснения поведения не только падающих тел. на Земле, а также на планетах и других небесных телах. Чтобы прийти к своим результатам, Ньютон изобрел одну из форм совершенно новой области математики: исчисление (также независимо изобретенное Готфридом Лейбницем ), которое должно было стать важным инструментом во многих областях. позднее развитие большинства разделов физики. Открытия Ньютона изложены в его Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica («Математические принципы естественной философии»), публикация которого в 1687 году положила начало современному периоду механики и астрономии.
Ньютон смог опровергнуть декартовскую механическую традицию, согласно которой все движения следует объяснять с учетом непосредственной силы, проявляемой корпускулами. Используя свои три закона движения и закон всемирного тяготения, Ньютон исключил идею о том, что объекты следовали путям, определяемым естественными формами, и вместо этого продемонстрировал, что не только регулярно наблюдаемые пути, но и все будущие движения любого тела могут быть вычислены математически на основе знания их существующее движение, их масса и силы, действующие на них. Однако наблюдаемые небесные движения не совсем соответствовали ньютоновской трактовке, и Ньютон, который также глубоко интересовался теологией, воображал, что Бог вмешался, чтобы обеспечить постоянную стабильность солнечной системы.
Готфрид Лейбниц. (1646–1716) Принципы Ньютона (но не его математические трактовки) вызвали споры у континентальных философов, которые обнаружили у него отсутствие метафизического объяснения движения и гравитация с философской точки зрения неприемлема. Примерно с 1700 года между континентальной и британской философскими традициями открылся ожесточенный разрыв, который разжигали горячие, продолжающиеся и злобно личные споры между последователями Ньютона и Лейбница относительно приоритета перед аналитическими методами исчисления ,. каждый из которых развивался независимо. Первоначально на континенте преобладали картезианские и лейбницевские традиции (что привело к преобладанию лейбницевской системы обозначений исчисления везде, кроме Великобритании). Сам Ньютон в частном порядке оставался обеспокоенным отсутствием философского понимания гравитации, в то же время настаивая в своих трудах на том, что нет необходимости делать выводы о ее реальности. По мере развития XVIII века континентальные натурфилософы все чаще соглашались с готовностью ньютоновцев отказаться от онтологических метафизических объяснений математически описанных движений.
Ньютон построил первый действующий телескоп-отражатель и разработал теорию цвета, опубликованную в Opticks, на основе наблюдения, что призма разлагает белый свет на множество цветов, образующих видимый спектр.. В то время как Ньютон объяснил, что свет состоит из крошечных частиц, конкурирующая теория света, объясняющая его поведение в терминах волн, была представлена в 1690 году Христианом Гюйгенсом. Однако вера в механистическую философию в сочетании с репутацией Ньютона означала, что волновая теория имела относительно небольшую поддержку до 19 века. Ньютон также сформулировал эмпирический закон охлаждения, изучил скорость звука, исследовал степенной ряд, продемонстрировал обобщенную биномиальную теорему и разработал метод аппроксимации корней функции. Его работа над бесконечными рядами была вдохновлена десятичными знаками Саймона Стевина. Что наиболее важно, Ньютон показал, что действия объектов на Земле и небесных тел регулируются одним и тем же набором естественных законов, которые не были ни капризными, ни злонамеренными. Демонстрируя соответствие между законами движения планет Кеплера и его теорией гравитации, Ньютон также устранил последние сомнения в гелиоцентризме. Объединив все идеи, выдвинутые во время научной революции, Ньютон фактически заложил фундамент современного общества в области математики и естественных наук.
Другие разделы физики также привлекли внимание в период научной революции. Уильям Гилберт, придворный врач королевы Елизаветы I, в 1600 г. опубликовал работу по магнетизму, описывая, как сама Земля ведет себя как гигантский магнит. Роберт Бойль (1627–91) изучил поведение газов, заключенных в камеру, и сформулировал газовый закон , названный в его честь ; он также внес вклад в физиологию и создание современной химии. Еще одним важным фактором научной революции был рост научных обществ и академий в разных странах. Самые ранние из них были в Италии и Германии и просуществовали недолго. Более влиятельными были Королевское общество Англии (1660) и Академия наук Франции (1666). Первый был учрежден частным учреждением в Лондоне и включал таких ученых, как Джон Уоллис, Уильям Браункер, Томас Сиденхэм, Джон Мэйоу и Кристофер Рен (внесший вклад не только в энергию, но также в астрономию и анатомию); последний в правительственном правительстве учреждение и включал в качестве иностранного члена голландца Гюйгенса. В 18 важных королевских академии были созданы в Берлине (1700 г.) и Санкт-Петербурге (1724 г.). Общество и академии предоставили возможности для публикации и обсуждения результатов во время и после научной революции. В 1690 году Джеймс Бернулли показал, что циклоида является решением проблемы таутохронов; в следующем году, в 1691 году, Иоганн Бернулли показал, что цепь, свободно подвешенная к двум точкам, образует контактную сеть, кривую с самым низким возможным центром тяжести Доступна любая цепь, подвешенная между двумя фиксированными точками. Затем в 1696 году он показал, что циклоида - это решение проблемы брахистохрона.
Предшественник двигателя был разработан немецким ученым Отто фон Герике, который в 1650 году спроектировал и построил первый в мире вакуумный насос и создал первый в мире вакуум, известный эксперимент Магдебургские полушария. Он был вынужден создать вакуум, чтобы опровергнуть высказывание Аристотеля о том, что «Природа не терпит пустоты». Вскоре после этого ирландский физик и химик Бойль узнал о конструкции Герике и в 1656 году в сотрудничестве с английским ученым Робертом Гуком построил воздушный насос. Используя этот насос, Бойл и Гук заметили корреляцию давление-объем для газа: PV = k, где P = давление, V = объем, а k является константой: это соотношение известный как Закон Бойля. В то время считалось, что воздух - это система неподвижных частиц, а не система движущихся молекул. Концепция теплового движения появилась двумя веками позже. Таким образом, публикация Бойля в 1660 году говорит о механической концепции: пневматической рессоре. Позже, после изобретения термометра, температура свойства определить можно количественно. Этот инструмент дал Гей-Люссаку возможность вывести свой, который вскоре привел к закону идеального газа. Но еще до закона об идеальном газе сотрудник Бойля по имени Денис Папен построил в 1679 году костный варочный котел, который представляет собой закрытый сосуд с плотно закрывающейся крышкой, удерживающей пар до тех пор, пока не появится высокое давление. генерируется.
В более поздних конструкциях был реализован выпускной паровой клапан для предотвращения взрыва машины. Наблюдая за тем, как клапан ритмично перемещается вверх и вниз, Папен придумал поршневой и цилиндровый двигатель. Однако он не довел до конца своего замысел. Тем не менее, в 1697 году по проекту Папена инженер Томас Савери построил первый двигатель. Хотя эти первые двигатели были грубыми и неэффективными, они привлекли ведущие ученые того времени. Таким образом, до 1698 года и до изобретения Savery Engine использовались лошадиные силы для привода шкивов, прикрепленных к ведрам, поднимающим воду из затопленных соляных шахт в Англии. В последующие годы было построено больше вариаций паровых двигателей, таких как Newcomen Engine, а позже Watt Engine. Со временем эти ранние двигатели в окончании присвоения должности вместо лошадей. Таким образом, каждый двигатель начал ассоциироваться с определенным «лошадиных сил» в зависимости от того, сколько лошадей он заменил. Основная проблема с этими первыми двигателями заключалась в том, что они были медленными и неуклюжими, преобразовывая менее 2% входящего топлива в том числе. Другими словами, нужно было сжигать большое количество угля (или древесины), чтобы получить лишь небольшую часть производимой работы. Отсюда и возникла потребность в новой науке о динамике двигателя .
Алессандро Вольта. (1745–1827) В течение 18-го века механика, основанная Ньютоном, была развита территория учеными по мере того, как все больше математиков изучали исчисление и выполняли его исходная формулировка. Применение математического анализа к проблемам движения было известно как рациональная механика или смешанная математика (позже она была названа классической механикой ).
Дэниел Бернулли. (1700–1782) В 1714 году Брук Тейлор вывел основную частоту растянутого вибрирующая струна с точки ее натяжения и массы на единицу длины пути решения дифференциального уравнения . Швейцарский математик Даниэль Бернулли (1700–1782) провел математические исследования поведения газов, предвосхитив кинетическую теорию газов, разработанную более века спустя, и был упомянут как первый физик-математик. В 1733 году Даниэль Бернулли вывел основную частоту и гармоники висячей цепи, решив дифференциальное уравнение. В 1734 году Бернулли решил дифференциальное уравнение для упругого стержня, зажатого на одном конце. Трактовка Бернулли гидродинамики и его исследование потока жидкости были представлены в его работе 1738 года Hydrodynamica.
Рациональная механика имела дело в первую очередь с разработкой математических математических трактовок наблюдаемых движений., используя принципы Ньютона в качестве основы, подчеркивает повышение управляемости сложных вычислений и условия законных средств аналитического приближения. Типичный современный учебник издал Иоганн Батист Хорватия. К концу столетия аналитические подходы были достаточно строгими, чтобы проверить стабильность солнечной системы исключительно на основе теории Ньютона без ссылок на божественное вмешательство - даже в таких детерминированных трактовках таких простых систем, как Проблема трех тел в гравитации оставалась неразрешимой. В 1705 году Эдмонд Галлей предсказалость периода кометы Галлея, Уильям Гершель открыл Уран в 1781 году и Генри Кавендиш измерил гравитационную постоянную и определил массу Земли в 1798 году. В 1783 году Джон Мичелл предположил, что некоторые объекты могут быть настолько массивными, что даже свет не может выйти из них.
В 1739 году Леонард Эйлер решил обыкновенное дифференциальное уравнение для вынужденного гармонического осциллятора и заметил явление резонанса. В 1742 году Колин Маклорен открыл свои равномерно вращающиеся самогравитирующие сфероиды. В 1742 году Бенджамин Робинс опубликовал свои «Новые принципы артиллерийского дела», положившие начало аэродинамике. Британские работы, проводимые математиками, как Тейлор и Маклорен, в течение столетия отставали от континентального развития. Между тем, работа процветала в научных академиях на континенте, таких систем, как Бернулли, Эйлер, Лагранж, Лаплас и Лежандр. В 1743 году Жан ле Ронд д'Аламбер опубликовал свою Traite de Dynamique, в которой он представил концепцию обобщенных сил для ускорения систем и систем с ограничениями и применил новую идею предлагаемые работы для решения динамической задачи, известная теперь как принцип Даламбера, как соперник второго закона движения Ньютона. В 1747 году Пьер Луи Мопертюи применил минимальные принципы к механике. В 1759 году Эйлер решил дифференциальное уравнение в частных производных для вибрации прямоугольного барабана. В 1764 году Эйлер исследовал уравнение в частных производных для вибрации кругового барабана и нашел одно из решений функции Бесселя. В 1776 году Джон Смитон опубликовал статью об экспериментах, связанных с мощностью, работой, импульсом и кинетической энергией, а также в поддержке сохранение энергии. В 1788 году Жозеф Луи Лагранж представил уравнения движения Лагранжа которые в «Mécanique Analytique», в всякой механике была организована вокруг принципа предлагаемой работы. В 1789 году Антуан Лавуазье излагает закон сохранение массы. Рациональная механика, разработанная в 18 веке, получила блестящее отражение в работе Лагранжа 1788 года, так и в книге «Небесная механика (1799–1825)» Пьера-Симона Лапласа.
В 18 век термодинамика разработан на основе теорий невесомых "невесомых жидкостей", таких как тепло ("калорийность"), электричество и флогистон (который был быстро опровергнут как концепция, следующая за идентификацией Лавуазье газа кислорода в конце века). Предположим, что эти концепции реальными жидкостями, их течение можно было проследить с помощью механических устройств или химических факторов. Эта традиция экспериментов привела к разработке новых видов экспериментального оборудования, таких как лейденская банка ; и новые виды измерительных приборов, такие как калориметр, и улучшенные версии старых, такие как термометр. Эксперименты также привели к появлению новых концепций, таких как Университета Глазго экспериментатора Джозефа Блэка о скрытой теплоте и филадельфийский интеллектуал Бенджамин Франклин характеризует электрическую жидкость протекающую между местами как концепция переинтерпретируется в терминах положительных и отрицательных зарядов ). Франклин также показал, что молния - это электричество в 1752 году.
Общепринятая теория тепла 18 века рассматривала его как свою жидкость, называемую калорийной ; хотя позднее было показано, что эта теория ошибочна, ученые, занимающиеся тем не менее важным развитием теории, в том числе Джозеф Блэк (1728–1799) и Генри Кавендиш (1731–1810). Этой теории калорийности, разработанной в основном химиками, противостояла менее принятая теория временного Ньютона, согласно которой возникает из-за движения частиц вещества. Эта механическая теория получила поддержку в 1798 году в экспериментах графа Рамфорда (Бенджамин Томпсон ), которые представляют прямую связь между теплотой и механической энергией.
Хотя в начале 18 века было признано, что открытие абсолютных теорий электростатической и магнитной силы, родственных принципов движения Ньютона, будет важным достижение, так и не последовало. Как недавно созданный Королевский институт в Лондоне, стала более распространенной и усовершенствованной в первые годы XIX века в таких местах, как недавно созданный . Наиболее повлияло на аналитическое использование потока тепла французским математиком Жозефом Фурье, опубликованное в 1822 году. Джозеф Пристли электрический закон обратных квадратов в 1767 году, а Шарль-Огюстен де Кулон ввел закон обратных квадратов для электростатики в 1798 году.
К концу века члены Французской академии наук этой достигли явного господства в области. В то же время сохранилась экспериментальная традиция, заложенная Галилеем и его последователями. Королевское общество и Французская академия наук были главными центрами выполнения и отчетности об экспериментальной работе. Эксперименты в области механики, оптики, магнетизма, статического электричества, химии и физиологии не были четко различимы друг от друга в течение 18 века., но появлялись различия в пояснительных схемах и как следствие в дизайне экспериментов. Например, химические экспериментаторы отвергли попытки навязать схему абстрактных ньютоновских сил химической химии и вместо этого сосредоточились на выделении и классификации химических веществ и факторов.
В 1821 году Уильям Гамильтон начал свой анализ характерной функции Гамильтона. В 1835 г. он сформулировал канонические уравнения движения Гамильтона.
В 1813 г. Питер Эварт поддержал сохранение энергии в своей статье «О мере движущейся силы». В 1829 году Гаспар Кориолис ввел термины работа (сила, умноженная на расстояние) и кинетическая энергия со значениями, которые они имеют сегодня. В 1841 г. Юлиус Роберт фон Майер, ученый-любитель, написал статью о сохранении энергии, хотя его отсутствие академической подготовки привело к ее отклонению. В 1847 г. Герман фон Гельмгольц сформулировал закон сохранения энергии.
Майкл Фарадей. (1791–1867) В 1800 году Алессандро Вольта изобрел электрическую батарею (известную как гальваническая батарея ) и, таким образом, улучшил способ изучения электрических токов. Год спустя Томас Янг испытал волновую природу света, получив сильную экспериментальную поддержку в работе Огюстена-Жана Френеля, и принцип интерференции. В 1820 году Ганс Кристиан Эрстед обнаружил, что проводник с током порождает магнитную силу, его, и через неделю после открытия Эрстеда достигло Франция Андре-Мари Ампер обнаружил, что два параллельного электрического тока будут друг на друга силы. В 1821 году Майкл Фарадей построил двигатель с электрическим приводом, а Георг Ом сформулировал свой закон электрического сопротивления в 1826 году, выразивь взаимосвязь между напряжением, током и сопротивлением в электрической цепи..
В 1831 году Фарадей (и Джозеф Генри ) открыл обратный эффект, производство электрического тока или тока посредством магнетизма - известного как электромагнитная индукция ; эти два открытия лежат в основе электродвигателя и электрогенератора соответственно.
Уильям Томсон (лорд Кельвин). (1824–1907) В XIX веке количественно связь между теплотой и механической энергией была установлена Юлиус Роберт фон Майер и Джеймс Прескотт Джоуль, которые измерили механический эквивалент тепла в 1840-х годах. В 1849 году Джоуль опубликовал результаты своих экспериментов (включая эксперимент с гребным колесом), которые показывают, что это система энергии, и этот факт был принят в 1850-х годах. Связь между теплом и энергией важна для развития паровых машин, и в 1824 году была опубликована экспериментальная и теоретическая работа Сади Карно. Карно уловил некоторые идеи термодинамики в обсуждении эффективности идеализированного двигателя. Работа Сади Карно послужила для формулировки первого закона термодинамики - повторной формулировки сохранения энергии, который был сформулирован около 1850 года Уильямом Томсоном, позже известный как лорд Кельвин, и Рудольф Клаузиус. Лорд Кельвин, распространивший понятие абсолютного нуля для газов на все вещества в 1848 году, опирался на инженерную теорию Лазара Карно, Сади Карно и Эмиля Клапейрона - а также эксперименты Джеймса Прескотта Джоуля по взаимозаменяемости механических, химические, термические и электрические формальные работы - сформулировать первый закон.
Кельвин и Клаузиус также сформулировали формули второй термодинамики, который изначально был сформулирован в терминах факта, что тепло не перетекает самопроизвольно от более холодного тела к более горячему. Другие формулировки последовали быстро (например, закон второй был изложен в влиятельной работе Томсона и Питера Гатри Тейта «Трактат о естественной философии»), и Кельвин, в частности, понял некоторые общие значения закона. Второй Закон заключен в том, что идея о том, что газы состоят из движущихся молекул, подробно обсуждалась Даниэлем Бернулли в 1738 году, но потеряла популярность и была возрождена Клаузиусом в 1857 году. В 1850 году Ипполит Физо и Леон Фуко измерил скорость света в воде и обнаружил, что она медленнее, чем в воздухе, что подтверждает волновую модель света. В 1852 году Джоуль и Томсон продемонстрировали, что быстро расширяющийся газ охлаждается, что позже было названо эффектом Джоуля-Томсона или эффектом Джоуля-Кельвина. Герман фон Гельмгольц выдвигает идею тепловой смерти вселенной в 1854 году, в том же году, когда Клаузиус установил важность dQ / T (теорема Клаузиуса ) (правда, количество еще не назвал).
Джеймс Клерк Максвелл. (1831–1879) В 1859 году Джеймс Клерк Максвелл открыл закон распределения молекулярных скоростей. Максвелл показал, что электрические и магнитные поля распространяются наружу от своего источника со скоростью, равной скорости света, и что свет является одним из нескольких видов электромагнитного излучения, отличающимся от других только частотой и длиной волны. В 1859 году Максвелл разработал математику распределения скоростей молекул газа. Волновая теория света была широко принята ко времени работы Максвелла по электромагнитному полю, и впоследствии изучение света, электричества и магнетизма было тесно связано. В 1864 году Джеймс Максвелл опубликовал свои статьи по динамической теории электромагнитного поля и заявил, что свет является электромагнитным явлением, в 1873 году в публикации Максвелла «Трактат об электричестве и магнетизме». Эта работа опиралась на теоретические работы немецких теоретиков, таких как Карл Фридрих Гаусс и Вильгельм Вебер. Инкапсуляция тепла в движении частиц и добавление электромагнитных сил к ньютоновской динамике создали чрезвычайно прочную теоретическую основу для физических наблюдений.
Предсказание о том, что свет представляет собой передачу энергии в форме волны через «светоносный эфир », и кажущееся подтверждение этого предсказания студентом Гельмгольца Генрихом Герцем ' Обнаружение в 1888 году электромагнитного излучения было большим триумфом физической теории и повысило вероятность того, что вскоре могут быть разработаны еще более фундаментальные теории, основанные на поле. Экспериментальное подтверждение теории Максвелла было предоставлено Герцем, который в 1886 году создал и обнаружил электрические волны и подтвердил их свойства, в то же время предвосхитив их применение в радио, телевидении и других устройствах. В 1887 году Генрих Герц открыл фотоэлектрический эффект . Вскоре после этого начались исследования электромагнитных волн, и многие ученые и изобретатели проводили эксперименты над их свойствами. В середине и конце 1890-х годов Гульельмо Маркони разработал радиоволновую систему беспроводной телеграфии (см. изобретение радио ).
Атомная теория вещества была снова предложена в начале 19 века химиком Джоном Далтоном и стала одной из гипотез кинетико-молекулярной теории газов, разработанной Клаузиусом и Джеймсом. Клерк Максвелл объяснил законы термодинамики.
Людвиг Больцман. (1844-1906) Кинетическая теория, в свою очередь, привела к революционному подходу к науке, статистической механике Людвига Больцмана (1844–1906) и Джозайя Уиллард Гиббс (1839–1903), который изучает статистику микросостояний системы и использует статистику для определения состояния физической системы. Связав статистическую вероятность определенных состояний организации этих частиц с энергией этих состояний, Клаузиус переосмыслил диссипацию энергии как статистическую тенденцию перехода молекулярных конфигураций во все более вероятные и все более дезорганизованные состояния (придумав термин ""). энтропия "для описания дезорганизации состояния). Статистическая и абсолютная интерпретации второго закона термодинамики создают спор, который продлится несколько десятилетий (приводя аргументы, такие как «демон Максвелла »), и который не будет считаться окончательно разрешенным до тех пор, пока поведение атомов было твердо установлено в начале 20 века. В 1902 году Джеймс Джинс обнаружил масштаб длины, необходимый для роста гравитационных возмущений в статической почти однородной среде.
В 1822 году ботаник Роберт Браун обнаружил броуновское движение : частицы пыльцы в воде, претерпевающие движение в результате их бомбардировки быстрыми потоками. движущиеся атомы или молекулы в жидкости.
В 1834 году Карл Якоби открыл свои равномерно вращающиеся самогравитирующие эллипсоиды (эллипсоид Якоби ).
В 1834 году Джон Рассел наблюдал нераспадающуюся уединенную водную волну (солитон ) в Union Canal около Эдинбурга и использовал резервуар для воды для изучения зависимости скорости одиночных волн на воде от амплитуды волны и глубины воды. В 1835 г. Гаспар Кориолис теоретически исследовал механическую эффективность водяных колес и вывел эффект Кориолиса. В 1842 году Кристиан Доплер предложил эффект Доплера.
. В 1851 году Леон Фуко показал вращение Земли с помощью огромного маятника (Маятник Фуко ).
В первой половине века в механике сплошных сред были достигнуты важные успехи, а именно: формулировка законов упругости для твердых тел и открытие Навье – Стокса. уравнения для жидкостей.
Мария Склодовская-Кюри. (1867–1934) В конце XIX века физика достигла такой точки, когда классическая механика могла справляться с очень сложными задачами, включающими макроскопические ситуации; термодинамика и кинетическая теория были хорошо установлены; геометрическую и физическую оптику можно понять в терминах электромагнитных волн; и законы сохранения энергии и импульса (и массы) были широко приняты. Эти и другие достижения были настолько глубокими, что было общепризнано, что все важные законы физики были открыты и что отныне исследования будут направлены на выяснение мелких проблем и, в частности, на улучшение методов и измерений. Однако примерно в 1900 г. возникли серьезные сомнения в полноте классических теорий - например, триумф теорий Максвелла был подорван из-за уже начавших проявляться неадекватностей - и их неспособности объяснить определенные физические явления, такие как распределение энергии в излучение черного тела и фотоэлектрический эффект, в то время как некоторые теоретические формулировки приводили к парадоксам, когда доводились до предела. Выдающиеся физики, такие как Хендрик Лоренц, Эмиль Кон, Эрнст Вихерт и Вильгельм Вин, считали, что некоторая модификация уравнений Максвелла может стать основой всех физических законов. Эти недостатки классической физики никогда не могли быть устранены, и требовались новые идеи. В начале 20 века в мире физики произошла крупная революция, которая привела к новой эре, которую обычно называют современной физикой.
Дж. Дж. Томсон (1856–1940) открыл электрон и изотопию, а также изобрел масс-спектрометр. Он был удостоен Нобелевской премии по физике в 1906 году. В 19 веке экспериментаторы начали обнаруживать неожиданные формы излучения: Вильгельм Рентген произвел сенсацию своим открытием Рентген в 1895 г.; в 1896 г. Анри Беккерель обнаружил, что определенные виды материи сами по себе испускают излучение. В 1897 г. Дж. Дж. Томсон открыл электрон, а новые радиоактивные элементы, обнаруженные Мари и Пьером Кюри, подняли вопросы о предположительно неразрушаемом атоме и природе материи.. Мари и Пьер придумали термин «радиоактивность » для описания этого свойства вещества и выделили радиоактивные элементы радий и полоний. Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди идентифицировали две формы излучения Беккереля с электронами и элементом гелием. Резерфорд идентифицировал и назвал два типа радиоактивности и в 1911 году интерпретировал экспериментальные данные как показывающие, что атом состоит из плотного, положительно заряженного ядра, окруженного отрицательно заряженными электронами. Однако классическая теория предсказывала, что эта структура должна быть нестабильной. Классическая теория также не смогла успешно объяснить два других экспериментальных результата, появившихся в конце 19 века. Одним из них была демонстрация Альберта А. Майкельсона и Эдварда В. Морли, известная как Майкельсона-Морли, которая показала, что, похоже, не является предпочтительной системой отсчета в состоянии покоя по сравнению с гипотетическим светоносным эфирным явлением для описания электромагнитных явлений. Исследования радиации и радиоактивного распада продолжали оставаться в центре внимания физических и химических исследований в течение 1930-х годов, когда открытие ядерного деления Лизой Мейтнер и Отто Фриш открыло путь к практическому использованию того, что стало называться «атомной» энергией.
Альберт Эйнштейн (1879–1955), сфотографированный здесь примерно в 1905 году В 1905 году 26- летний немецкий физик по имени Альберт Эйнштейн (тогда патентный служащий в Берне, Швейцария) показал, как измерения времени и пространства на них влияет на движение наблюдателем и тем, что отсутствует. Радикальная теория относительности Эйнштейна произвела революцию в науке. Хотя Эйнштейн представляет много других важных вкладов в науку, сама по себе теория относительности собой одно из величайших интеллектуальных достижений всех времен. Хотя концепция относительности не введена Эйнштейном, его главным вкладом было признание того, что скорость света в вакууме постоянна, то есть одинакова для всех наблюдателей, и абсолютной физической границей движения. Это не на повседневную жизнь человека, поскольку большинство движутся со скоростью, намного меньше, чем скорость света. Однако для объектов, движущихся со скоростью, близкой к скорости света, теория относительности показывает, что часы, связанные с этими объектами, будут идти медленнее, а длина объектов укорачивается в соответствии с измерениями наблюдателя на Земле. Эйнштейн также вывел знаменитое уравнение E = mc, которое выражает эквивалентность массы и энергии.
Эйнштейн предположил, что гравитация является результатом масс (или их эквивалентными энергиями ) искривлением ("изгибом") пространства-времени, в котором они существуют, изменяя пути, по которым они следуют в нем. Эйнштейн утверждал, что скорость света постоянна во всех законы электромагнетизма должны оставаться в силе независимо от системы отсчета - утверждение, которые делали эфир «излишним» для физической теории и утверждения, что наблюдения как наблюдатель двигался по отношению к измеряемому объекту (что стало называться «специальной теорией относительности »). Из этого также следовало, что масса и энергия были взаимозаменяемыми величинами в соответствии с уравнением E = mc. В другой статье, опубликованной в том же году, Эйнштейн утверждал, что электромагнитное излучение передается в дискретных количествах («квантов ») в соответствии с константой, которую физик-теоретик Макс Планк установил в. 1900 году. Формулировка теории распределения геометрическое положение тела - предположение, объясняющее странные свойства фотоэлектрического эффекта.
Специальная теория относительности - это формулировка взаимосвязи между физическими наблюдениями и концепции пространства и времени. Теория возникла из противоречий между электромагнетизмом и механикой Ньютона и оказала большое влияние на обе эти области. Первоначальный исторический вопрос заключен в том, имеет смысл обсуждать «эфир», переносящий электромагнитные волны, и против него, как это было безуспешно предпринято в эксперименте в эксперименте Морли. Эйнштейн опроверг эти и концепцию эфира в своей специальной теории относительности. Однако его основная формулировка не включает детальную электромагнитную теорию. Возникает вне вопроса: «Что такое время?» Ньютон в «Началах» (1686) дал однозначный ответ: «Абсолютное, истинное и математическое время, само по себе и исходя из собственной природы, равномерно без к чему-либо внешнему и другим путем.
Эйнштейн имел гений, чтобы подвергнуть ее сомнению, и обнаружил, что она была неполной, вместо этого каждый «наблюдатель» обязательно использует свою собственную шкалу времени, а Пространство и время наблюдения взаимосвязанными понятиями, фундаментально зависимыми от наблюдателя. Абсолютным остается постулат относительности Эйнштейна: «Основные факторы физики идентичности для двух наблюдателей, имеющие постоянную относительную скорость по отношению друг к другу».
Специальная теория относительности оказала г лубокое влияние на физику: начавшись как переосмысление теории электромагнетизма, она обнаружила новый закон симметрии природы, который теперь называется симметрией Пуанкаре, который заменил старую галилееву симметрию.
Специальная теория относительности оказала еще один длительный эффект на динамику. Хотя первоначально ему приписывали «объединение массы и энергии», стало очевидно, что релятивистская динамика установила четкое различие между массой покоя, что является инвариантным (независимым от наблюдателя) свойством. частицы или системы частиц, а также энергия и импульс системы. Последние два по отдельности сохраняются во всех ситуациях, но не инвариантны по отношению к разным наблюдателям. Термин масса в физике элементарных частиц претерпел семантическое изменение, и с конца 20 века он почти исключительно означает массу покоя (или инвариантную).
К 1916 году Эйнштейн смог еще больше обобщить это, имея дело со всеми состояниями движения, включая неравномерное ускорение, что стало общей теорией относительности. В этой теории Эйнштейн также определил новую концепцию кривизны пространства-времени, которая описывает гравитационный эффект в каждой точке пространства. Фактически, искривление пространства-времени полностью заменило универсальный закон всемирного тяготения Ньютона. Согласно Эйнштейну, гравитационная сила в обычном смысле слова - это своего рода иллюзия, вызванная геометрией пространства. Наличие массы вызывает искривление пространства-времени в непосредственной близости от массы, и эта кривизна диктует путь пространства-времени, по которому должны следовать все свободно движущиеся объекты. На основе этой теории также было предсказано, что свет должен быть подвержен гравитации - все это было подтверждено экспериментально. Этот аспект теории относительности объяснил феномен огибания света вокруг Солнца, предсказал черные дыры, а также свойства космического микроволнового фонового излучения - открытие, сделавшее фундаментальные аномалии в классической гипотезе устойчивого состояния. За свои работы по теории относительности, фотоэлектрическому эффекту и излучению черного тела Эйнштейн получил Нобелевскую премию в 1921 году.
Постепенное принятие теорий относительности Эйнштейна и квантованной природы передачи света, а также теории Нильса Бора. Модель атома создала столько же проблем, сколько и решила, что привело к полномасштабным усилиям по восстановлению физики на новых фундаментальных принципах. Распространяя теорию относительности на случаи ускоряющихся систем отсчета («общая теория относительности ») в 1910-х годах, Эйнштейн постулировал эквивалентность инерционной силы ускорения и силы тяжести, что привело к выводу, что пространство искривленные и конечные по размеру, а также предсказание таких явлений, как гравитационное линзирование и искажение времени в гравитационных полях.
Макс Планк. (1858–1947) Хотя теория относительности разрешила конфликт электромагнитных явлений, продемонстрированный Майкельсоном и Морли, второй теоретической проблемой было объяснение распределения электромагнитного излучения, испускаемого черным телом ; Эксперимент показал, что на более коротких волнах, ближе к ультрафиолетовому краю спектра, энергия приближалась к нулю, но классическая теория предсказывала, что она должна стать бесконечной. Это вопиющее несоответствие, известное как ультрафиолетовая катастрофа, было разрешено новой теорией квантовой механики. Квантовая механика - это теория элементов и субатомных систем. Приблизительно первые 30 лет 20 века укажите время зарождения и развития теории. Основные идеи квантовой теории были введены в 1900 году Максом Планком (1858–1947), который был удостоен Нобелевской премии по физике в 1918 году за открытие количественной энергии.. Квантовая теория (которая ранее полагалась на «соответствие» в больших масштабах между квантованным миром атома и непрерывностью «классического » мира) принята, когда Эффект Комптона установили, что свет несет импульс и может рассеиваться части, и когда Луи де Бройль утвержден, что материю можно рассматривать как волну во многом так же, как электромагнитные волны ведут себя как частицы (волна–цами двойственности частиц ).
Вернер Гейзенберг. (1901–1976) В 1905 году Эйнштейн использовал квантовую теорию для объяснения фотоэлектрического эффекта, а в 1913 году датский физик Нильс Бор использовал ту же самую константа для объяснения стабильности атома Резерфорда, а также частот света, излучаемого газообразным водородом. Квантованная теория атома уступила место полномасштабной квантовой механике в 1920-х годах. Новые принципы «квантовой», а не «классической» механики, матрицы сформулированные в форме Вернером Гейзенбергом, Максом Борном и Паскуалем Иордания в 1925 г., были основаны на вероятностной взаимосвязи между дискретными «состояниями» и отрицательной возможностью причинной связи. Квантовая механика была широко развита Гейзенбергом, Вольфгангом Паули, Полем Дираком и Эрвином Шредингером, которые в 1926 году создали эквивалентную теорию, основанную на волнах; но «принцип неопределенности » Гейзенберга 1927 г. (указывающий на невозможность точного и одновременного измерения положения и импульса ) и «Копенгагенская интерпретация » квантовой механики (названная в честь Родной город Бора) продолжал отрицать возможность фундаментальной причины, хотя противники, такие как Эйнштейн, метафори утверждали, что «Бог не играет в кости со вселенной». Новая квантовая механика стала незаменимым инструментом в исследовании и объяснении явлений на атомном уровне. Также в 1920-х годах работа индийского ученого Сатиендра Нат Бозе по фотонам и квантовой механике использовила использовала для статистики Бозе - Эйнштейна, теории конденсат Бозе- Эйнштейна.
Теорема спин-статистика установила, что любая часть в квантовой механике может быть либо бозоном (статистически Бозе-Эйнштейн), либо фермион (статистически Ферми - Дирака ). Позже было обнаружено, что все фундаментальные бозоны передают силы, такие как фотон, передающий электромагнетизм.
Фермионы - это частицы, «электронные электронам и нуклонам», и обычные составляющие материи. Позже статистика Ферми-Дирака нашла множество других применений, от астрофизики (см. Вырожденное вещество ) до дизайна полупроводников.
A Диаграмма Фейнмана, представляющая (слева направо) образование фотона (синяя синусоида ) из аннигиляция электрона и его дополнительная античастицы, позитрона. Фотон становится парой кварк - антикварк и высвобождается глюон (зеленая спираль). 
Значок Ричарда Фейнмана в Лос-Аламосе По мере того как философски настроенные люди продолжали спорить о фундаментальной природе Вселенной, квантовые теории продолжали создаваться, начиная с формулировки релятивистской квантовой теории Полом Дираком в 1928 году. Однако условные квантовать Теория электромагнетизма заблокирована на протяжении 1930-х годов техническими формулировками, имеющими бесконечные энергии. Эта ситуация не считалась разрешенной до тех пор, пока Вторая мировая война не закончилась, когда Джулиан Швингер, Ричард Фейнман и Син-Итиро Томонага независимо друг от друга. использует метод перенормировки, который позволил создать надежную квантовую электродинамику (QED).
Между тем, новые теории элементарных частиц распространилось с появлением идей квантования полей посредством «обменных сил », регулируемых обменом короткоживущих « Теория виртуальных частиц, которые существуют в соответствии с законами, управляющими неопределенностями, присущими квантовому миру. Примечательно, что Хидеки Юкава предположил, что положительные заряды ядра ядра удерживаются вместе мощной, но ближней силы, опосредованной частицы с массой между массой электрон и протон. Эта частица, «пион », была идентифицирована в 1947 году как часть того, что стало много частиц, обнаруженных после Второй мировой войны. Первоначально такие частицы были обнаружены как ионизирующее излучение, оставленное космическими лучами, но их все чаще стали требовать в более новых и более мощных ускорителях частиц.
За пределами физики элементарных частиц Основы Достижениями того времени были:
Эйнштейн считал, что все фундаментальные взаимодействия в природе могут быть объяснены в единую теорию. Были многочисленными попытками «слить» несколько попытий. на из формулировок таких теорий (как и теорий поля в общем al) является калибровочной теорией, обобщением идеи симметрии. В конце концов, в Стандартной модели (см. Ниже) удалось объединить сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия. Все попытки объединить гравитацию с чем-то еще потерпели неудачу.
Стандартная модель .Взаимодействие этих частиц посредством рассеяния и распада дало к новому фундаментальным квантовым теориям. Мюррей Гелл-Манн и Ювал Нееман привели в порядок эти новые частицы, классифицируя их по определенным качествам, начиная с того, что Гелл-Манн называл «Восьмеричный путь ". В то время как его дальнейшее развитие, кварковая модель , сначала кажется неадекватным для описания сильных ядерных взаимодействий, что привело к временному росту конкурирующих теорий таких как S-матрица, создание квантовой хромодинамики в 1970-х годах завершило набор фундаментальных и обменных частиц, который создал «стандартную модель », основанную на математике калибровочного инвариантность, которая успешно использует все силы, кроме гравитации, и которая остается общепринятой в своей области применения.
модель Стандартная группирует электрослабое взаимодействие теории и квантовой хромодинамики в структуре, обозначенную калибровочной группой SU (3) × SU (2) × U (1). объединение электромагнитных и слабых взаимодействий в стандартной модели принадлежит Абдусу Саламу, Стивену Вайнбергу и, рав, Шелдону Глэшоу.. Позже теория электрослабых частиц была подтверждена экспериментально (наблюдением нейтральных слабых токов ) и отмечена Нобелевской премией по физике 1979 года .
С 1970-х годов физика фундаментальных частиц дала представление о ранней Вселенной космология, особенно теория Большого взрыва, предложенная как следствие общей теории относительности Эйнштейна. Однако, начиная с 1990-х годов, астрономические наблюдения также поставили новые задачи, такие как необходимость новых объяснений галактической стабильности («темная материя ») и видимого ускорения расширения Вселенной. ("темная энергия ").
Хотя суперсимметрия и найдены ожидаемые взаимодействия частиц при различных энергиях взаимодействия, никакой теории согласования общей теории относительности со Стандартной моделью, хотя суперсимметрия и Теория струн рассматривалась теоретиками как многообещающий путь вперед. Однако Большой адронный коллайдер, который начал работать в 2008 году, не смог найти никаких доказательств в поддержку суперсимметрии и теории струн.
Космология может сказать, что это стало серьезным вопросом исследования после публикации общей теории теории Эйнштейна в 1915 году, хотя она не вошла в научный мейнстрим до периода, известного как «золотой век общей теории относительности ».
Примерно десять лет спустя, в разгар того, что было названо «Великими дебатами », Хаббл и Слайфер представили расширение вселенной в 1920-е годы, измерения красных смещений доплеровских спектров галактических туманностей. Используя общую теорию относительности Эйнштейна, Лемэтр и Гамов сформулировали то, что стало как теория большого взрыва. Конкурент, названный теорией устойчивого состояния, был разработан Хойлом, Голдом, Нарликаром и Бонди.
Космический фоновое излучение было подтверждено в 1960-х годах Пензиасом и Уилсоном, и это открытие способствовало большому взрыву в ущерб устойчивости состояния. Более поздние работы были выполнены Smoot et al. (1989), среди других авторов, используя данные спутников Cosmic Background explorer (CoBE) и Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), которые уточнили эти наблюдения. 1980-е годы (то же самое десятилетие измерений COBE) также ознаменовались предложением теории инфляции Гутом.
. В последнее время проблемы темной материи и темной энергии поднялись на вершину повестки дня космологии..
Одна из возможных сигнатур бозона Хиггса от смоделированного столкновения протона и протона. Он почти сразу распадается на две струи из адронов и двух электронов, видимых линиями. 4 июля 2012 г. физики, работающие на Большом адронном коллайдере <90 в ЦЕРНе.>объявили, что они открыли новую субатомную частицу, очень похожую на бозон Хиггса, что является потенциальным ключом к пониманию того, почему элементарные частицы имеют массу, а также к существованию разнообразия и жизни во Вселенной. На данный момент некоторые физики называют это частицей, похожей на Хиггса. Джо Инкандела из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре сказал: «Это то, что может, в конце концов, быть одним из крупнейших наблюдений любых новых явлений в нашей области за последние 30 или 40 лет, начиная, например, с открытия кварков ". Майкл Тернер, a космолог из Чикагского университета и председатель совета физического центра, сказал:
«Это важный момент для физики элементарных частиц и перекресток - будет ли это высшая точка или первое из многих открытий, которые указывают нам на решение действительно серьезных вопросов, которые мы поставили? "
— Майкл Тернер, Чикагский университетПитер Хиггс был одним из шести физиков, работающих в трех независимых группах, которые в 1964 году, изобрел понятие поля Хиггса («космическая патока»). Другими были Том Киббл из Имперского колледжа в Лондоне ; Карл Хаген из Рочестерского университета ; Джеральд Гуральник из Университета Брауна ; и Франсуа Энглер и Роберт Браут, оба из Université libre de Bruxelles.
Хотя их никогда не видели, поля, подобные Хиггсу, играют важную роль в теориях Вселенной и в теории струн. При определенных условиях, согласно странному объяснению эйнштейновской физики, они могут наполняться энергией, создающей антигравитационную силу. Такие поля были предложены в качестве источника огромного всплеска расширения, известного как инфляция, на раннем этапе развития Вселенной и, возможно, в качестве секрета темной энергии, которая теперь, похоже, ускоряет расширение Вселенной.
С ростом доступности и развития передовых аналитических методов в XIX веке, физика определялась в большей степени, если не больше, этими методами, чем поиском универсальных принципов движения и энергии, а также фундаментальная природа материи. Такие области, как акустика, геофизика, астрофизика, аэродинамика, физика плазмы, низкотемпературные физика и физика твердого тела объединили оптику, гидродинамику, электромагнетизм и механику как области физических исследований. В 20 веке физика также стала тесно связана с такими областями, как электрика, аэрокосмическая промышленность и материаловедение инженерия, и физики начали работать в государственных и промышленных лабораториях, как как в академической среде. После Второй мировой войны численность физиков резко увеличилась и сосредоточилась в Соединенных Штатах, тогда как в последние десятилетия физика стала более международным занятием, чем когда-либо в ее предыдущей истории.
Физический портал 
Научный портал 