Физика

Физика. (далее Ф)   . Предмет и структура физики   Ф/b> – наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи и законы ее движения. Поэтому понятия Ф/b> и се законы лежат в основе всего естествознания. Ф/b> относится к точным наукам и изучает количественные закономерности явлений.   Слово "Ф/b>" происходит от греч. phýsis – природа. Первоначально, в эпоху античной культуры наука не была расчлененной и охватывала всю совокупность знаний о природных явлениях. По мере дифференциации знаний и методов исследования из общей науки о природе выделились отдельные науки, в том числе и Ф/b> Границы, отделяющие Ф/b> от др. естественных наук, в значительной мере условны и меняются с течением времени.   В своей основе Ф/b> – экспериментальная наука: ее законы базируются на фактах, установленных опытным путем. Эти законы представляют собой количественные соотношения и формулируются на математическом языке. Различают экспериментальную Ф/b> – опыты, проводимые для обнаружения новых фактов и для проверки известных физических законов, и теоретическую Ф/b>, цель которой состоит в формулировке законов природы и в объяснении конкретных явлений на основе этих законов, а также в предсказании новых явлений. При изучении любого явления опыт и теория в равной мере необходимы и взаимосвязаны.   В соответствии с многообразием исследуемых объектов и форм движения физической материи Ф/b> подразделяется на ряд дисциплин (разделов), в той или иной мере связанных друг с другом. Деление Ф/b> на отдельные дисциплины не однозначно, и его можно проводить, руководствуясь различными критериями. По изучаемым объектам Ф/b> делится на Ф/b> элементарных частиц, Ф/b> ядра, Ф/b> и молекул, Ф/b> газов и жидкостей, Ф/b> твердого тела, Ф/b> плазмы. Др. критерий – изучаемые процессы или формы движения материи. Различают: механическое движение, тепловые процессы, электромагнитные явления, гравитационные, сильные, слабые взаимодействия; соответственно в Ф/b> выделяют механику материальных точек и твердых тел, механику сплошных сред (включая акустику), термодинамику и статистическую механику, электродинамику (включая оптику), теорию тяготения, квантовую механику и квантовую теорию поля. Указанные подразделения Ф/b> частично перекрываются вследствие глубокой внутренней взаимосвязи между объектами материального мира и процессами, в которых они участвуют. По целям исследования выделяют иногда также прикладную Ф/b> (например, прикладная оптика).   Особо выделяют в Ф/b> учение о колебаниях и волнах, что обусловлено общностью закономерностей колебательных процессов различной физической природы и методов их исследования. Здесь рассматриваются механические, акустические, электрические и оптические колебания и волны с единой точки зрения.   Современная Ф/b> содержит небольшое число фундаментальных физических теорий, охватывающих все разделы Ф/b> Эти теории представляют собой квинтэссенцию знаний о характере физических процессов и явлений, приближенное, но наиболее полное отображение различных форм движения материи в природе.   . Основные этапы развития физики   Становление физики (до 17 в.). Физические явления окружающего мира издавна привлекали внимание людей. Попытки причинного объяснения этих явлений предшествовали созданию Ф/b> в современном смысле этого слова. В греко-римском мире (6 в. до н. э. – 2 в. н. э.) впервые зародились идеи об 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 приобретенных знаний в 4 в. до н. э. был подведен Аристотелем. ФАристотеля включала отдельные верные положения, но в то же время в ней отсутствовали многие прогрессивные идеи предшественников, в частности 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 ремесел, 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 Ф/b>, и это привело к созданию первой фундаментальной физической теории – классической механики Ньютона.   Формирование физики как науки (начало 17 – конец 18 вв.).   Развитие Ф/b> как науки в современном смысле этого слова берет 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 (см. Галилея принцип относительности), доказал независимость ускорения свободного падения тел от их плотности и массы, обосновывал теорию Коперника. Значительные результаты были получены им и в др. областях Ф/b> Он построил зрительную трубу с большим увеличением и сделал с ее помощью ряд астрономических открытий (горы на Луне, спутники Юпитера и др.). Количественное изучение тепловых явлений началось после изобретения Галилсем первого термометра.   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 вперед в изучении явлений был сделан в самом начале 17 в. У. Гильбертом. Он доказал, что Земля является большим и первый строго разграничил электрические и явления.   Основным достижением Ф/b> 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 (см. Ньютона законы механики). При построении классической механики впервые был воплощен 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 (см. Ньютона закон 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 ее 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/b> Гримальди открыл дифракцию света, а Ньютон провел фундаментальные исследования дисперсии света. С этих работ Ньютона берет начало оптическая спектроскопия. В 1676 О. К. Ремер впервые измерил скорость света. Почти одновременно возникли и начали развиваться две различные теории о физической природе света – корпускулярная и волновая (см. Оптика). 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 все пространство и проникающем внутрь всех тел.   Т. о., в 17 в. была построена в основном классическая механика и начаты исследования в др. областях Ф/b>: в оптике, учении об электрических и явлениях, теплоте, акустике.   В 18 в. продолжалось развитие классической механики, в частности небесной механики. По небольшой аномалии в движении планеты удалось предсказать существование новой планеты – (открыта в 1846). Уверенность в справедливости механики Ньютона стала всеобщей. На основе механики была создана единая механическая картина мира, согласно которой все богатство, все качественное многообразие мира – результат различия в движении частиц ( слагающих тела, движении, подчиняющемся законам Ньютона. Эта картина многие годы оказывала сильнейшее влияние на развитие Ф/b> 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 твердого тела. Параллельно с развитием механики частиц и твердых 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, лишенной вязкости и теплопроводности. В "Аналитической механике" (1788) Лагранжа уравнения механики представлены в столь обобщенной форме, что в дальнейшем их удалось применить и к немеханическим, в частности электромагнитным, процессам.   В других областях Ф/b> происходило накопление опытных данных и формулировались простейшие экспериментальные законы. Ш. Ф/b> Дюфе открыл существование двух видов электричества и определил, что одноименно заряженные тела отталкиваются, а разноименно 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. ученый У. Волластон) и ультрафиолетовые (нем. ученый Н. Риттер, Волластон) лучи.   Заметный прогресс произошел 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 теплоемкости, 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 ее поддерживали и развивали такие выдающиеся ученые, 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/b> Араго, Юнг), открытой еще в 18 в. (см. Поляризация света). Рассматривая свет как поперечные волны в упругой среде (эфире), Френель нашел количественный закон, определяющий интенсивность преломленных и отраженных световых волн при переходе света из одной среды в другую (см. Френеля формулы), а также создал теорию двойного лучепреломления.   Большое значение для развития Ф/b> 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 действие тока (Г. Дэви, М. Фарадей). В. В. Петров получил электрическую дугу. Открытие Х. К. Эрстедом (1820) действия электрического тока на стрелку доказало связь между электричеством и магнетизмом. Основываясь на единстве электрических и явлений, А. Ампер пришел к выводу, что все 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 (см. Индукция электромагнитная). При попытках объяснения этого явления с помощью концепции дальнодействия встретились значительные затруднения. Фарадей высказал гипотезу (еще 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 ввел в науку (1803) представление об как мельчайших (неделимых) частицах вещества – носителях индивидуальности элементов.   К 1-й четверти 19 в. был заложен фундамент Ф/b> твердого тела. На протяжении 17–18 и начала 19 вв. происходило накопление данных о макроскопических свойствах твердых тел (металлов, технических материалов, минералов и т.п.) и установление эмпирических законов поведения твердого тела под влиянием внешних воздействий (механических сил, нагревания, электрических и 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 теплоемкостей Дюлонга и Пти (1819) (см. Дюлонга и Пти закон). Были открыты основные свойства твердых тел. В это же время была построена общая теория упругих свойств твердых тел (Л. М. А. Навье, 1819–26, О. Л. Коши, 1830). Почти для всех этих результатов характерна трактовка твердого тела как сплошной среды, хотя уже значительной частью ученых было признано, что твердые тела, являющиеся в большинстве своем обладают внутренней микроскопической структурой.   Важнейшее значение для Ф/b> и всего естествознания имело открытие закона сохранения энергии, связавшего воедино все явления природы. В середине 19 в. опытным путем 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.   Еще 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, обобщенное 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 объема 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 Ф/b> понятие вероятности, он нашел закон распределения молекул по скоростям (см. Максвелла распределение). 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 расчета 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 полем вихревого электрического поля. Вслед за этим он предсказал обратный эффект – порождение поля переменным электрическим полем (см. 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 а в начале 20 в. Х. Камерлинг-Оннес (1998) ожижил   К концу 19 в. Ф/b> представлялась современникам почти завершенной. Казалось, что все физические явления можно свести к механике молекул (или 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 теплоемкости газов от температуры. Однако именно эти факты явились первым указанием на необходимость пересмотра основных представлений Ф/b> 19 в. Для объяснения этих и множества др. фактов, открытых впоследствии, понадобилось создание теории относительности и квантовой механики.   Релятивистская и квантовая физика. Ф ядра и элементарных частиц (конец 19 – 20 вв.).   Наступление новой эпохи в Ф/b> было подготовлено открытием электрона Дж. Томсоном в 1897. Выяснилось, что 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 отсчета, справедлив и для электромагнитных явлений. Поэтому уравнения Максвелла не должны изменять свою форму (должны быть инвариантными) при переходе от одной инерциальной системы отсчета 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 нашел 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., еще до создания специальной теории относительности, было положено начало величайшей революции в области Ф/b>, 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 испускают электромагнитную энергию не непрерывно, а отдельными порциями – квантами. Энергия каждого такого кванта прямо пропорциональна частоте, а коэффициент пропорциональности является квант действия h = 6,6×10-27 эрг×сек, 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. ведет 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 ведет 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 Ф/b> 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 ядро и построил планетарную модель В Резерфорда электроны движутся вокруг ядра подобно тому, как планеты движутся вокруг Солнца. Однако, согласно электродинамике Максвелла, такой 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 расчеты, за время порядка 10-8сек) упасть на него. Т. о., устойчивость и их линейчатые спектры оказались необъяснимыми в рамках законов классической Ф/b> Бор нашел выход из этой трудности. Он постулировал, что в имеются особые стационарные состояния, в которых электроны не излучают. Излучение происходит при переходе из одного стационарного состояния в другое. Дискретность энергии была подтверждена опытами Дж. Франка и Г. Герца (1913–14) по изучению столкновений с электронов, ускоренных электрическим полем. Для простейшего – – Бор построил количественную теорию спектра излучения, согласующуюся с опытом.   В тот же период (конец 19 – начало 20 вв.) начала формироваться Ф/b> твердого тела в ее современном понимании как Ф/b> конденсированных систем из огромного числа частиц (~ 1022 см--3). До 1925 ее развитие происходило по двум направлениям: Ф/b> решетки и Ф/b> электронов в прежде всего в металлах. В дальнейшем эти направления сомкнулись на базе квантовой теории.   Представление о как о совокупности 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 расчету скорости звука в цепочке упруго связанных частиц и продолжалась др. учеными: Д. и И. Бернулли (1727), Коши (1830), У. Томсоном (1881) и др.   В конце 19 в. Е. С. Федоров работами по структуре и симметрии заложил основы теоретической в 1890–91 он доказал возможность существования 230 пространственных групп симметрии кристаллов – видов упорядоченного расположения частиц в решетке (т. н. федоровских групп). В 1912 М. Лауэ с сотрудниками открыл дифракцию рентгеновских лучей на окончательно утвердив представление о как упорядоченной структуре. На основе этого открытия был разработан метод экспериментального определения расположения в 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 решеток, уже существенно учитывающая квантовые представления. В 1907 Эйнштейн на модели как совокупности квантовых гармонических осцилляторов одинаковой частоты объяснил наблюдаемое падение теплоемкости твердых тел при понижении температуры – факт, находящийся в резком противоречии с законом Дюлонга и Пти. Более совершенная динамическая теория решетки как совокупности связанных квантовых осцилляторов различных частот была построена П. Дебаем (1912), М. Борном и Т. Карманом (1913), Э. Шредингером (1914) в форме, близкой к современной. Новый важный ее этап начался после создания квантовой механики.   Второе направление (Ф/b> системы электронов в начало развиваться сразу после открытия электрона как электронная теория металлов и др. твердых тел. В этой теории электроны в металле рассматривались как заполняющий решетку 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 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 теплоемкость 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/b>   Достоверно установленная дискретность действия и ее 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, 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 (см. Дифракция частиц).   В 1926 Шредингер, пытаясь получить дискретные значения энергии 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, момента), равного 1/2. (Величина спина обычно выражается в единицах  = h/2p, 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 учетом взаимодействия спинового момента электрона с 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 и т. о. дал теоретическое обоснование периодической системе элементов   В 1928 П. А. М. Дирак получил квантовое релятивистское уравнение движения электрона (см. Дирака уравнение), 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, применив принципы квантовой статистики к фотонам – частицам со спином 1, вывел формулу Планка распределения энергии в спектре равновесного излучения, а Эйнштейн получил формулу распределения энергии для идеального газа молекул (Бозе – Эйнштейна статистика). В 1926 П. А. М. Дирак и Э. 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/b> конденсированных сред и в первую очередь в построении Ф/b> твердого тела. На квантовом языке тепловые колебания можно рассматривать как совокупность своего рода "частиц", точнее квазичастиц, – фононов (введены И. Е. Таммом в 1929). Такой подход объяснил, в частности, спад теплоемкости 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 – 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 твердых телах, особенно в металлах и полупроводниках.   Согласно принципу Паули, энергия всей совокупности свободных электронов металла даже при абсолютном нуле отлична от нуля. В невозбужденном состоянии все уровни энергии, начиная с нулевого и кончая некоторым максимальным уровнем (уровнем оказываются занятыми электронами. Эта картина позволила Зоммерфельду объяснить малость вклада электронов в теплоемкость металлов: при нагревании возбуждаются только электроны вблизи уровня   В работах Ф/b> Блоха, Х. А. Бете и Л. Бриллюэна (1928–34) была разработана теория зонной энергетической структуры 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 Ф/b> полупроводников.   В 1928 Я. И. Френкель и Гейзенберг показали, что в основе ферромагнетизма лежит квантовое обменное взаимодействие (которое на примере было в 1926 рассмотрено Гейзенбергом); в 1932–33 Л. Неель и независимо Л. Д. Ландау предсказали антиферромагнетизм.   Открытия сверхпроводимости Камерлинг-Оннесом (1911) и сверхтекучести жидкого П. Л. Капицей (1938) стимулировали развитие новых методов в квантовой статистике. Феноменология. теория сверхтекучести была построена Ландау (1941); дальнейшим шагом явилась феноменология, теория сверхпроводимости Ландау и В. Л. Гинзбурга (1950).   В 50-х гг. были развиты новые мощные методы расчетов 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.   Попытки построения последовательной квантовой теории излучения света привели к новому этапу развития квантовой теории – созданию квантовой электродинамики (Дирак, 1929).   Во 2-й четверти 20 в. происходило дальнейшее революционное преобразование Ф/b>, связанное с познанием структуры ядра и совершающихся в нем процессов и с созданием Ф/b> элементарных частиц. Упомянутое выше открытие Резерфордом ядра было подготовлено открытием радиоактивности и радиоактивных превращений тяжелых еще в конце 19 в. (А. Беккерель, П. и М. Кюри). В начале 20 в. были открыты изотопы. Первые попытки непосредственного исследования строения ядра относятся к 1919, когда Резерфорд путем обстрела стабильных ядер a-частицами добился их искусственного превращения в ядра Открытие нейтрона в 1932 Дж. Чедвиком привело к созданию современной протонно-нейтронной модели ядра (Д. Д. Иваненко, Гейзенберг). В 1934 супруги И. и Ф/b> Жолио-Кюри открыли искусственную радиоактивность.   Создание ускорителей заряженных частиц позволило изучать различные ядерные реакции. Важнейшим результатом этого этапа Ф/b> явилось открытие деления ядра.   В 1939–45 была впервые освобождена ядерная энергия с помощью цепной реакции деления 235 и создана бомба. Заслуга использования управляемой ядерной реакции деления 235 в мирных, промышленных целях принадлежит СССР. В 1954 в СССР была построена первая электростанция (г. Обнинск). Позже рентабельные электростанции были созданы во многих странах.   В 1952 была осуществлена реакция термоядерного синтеза (взорвано ядерное устройство), и в 1953 создана бомба.   Одновременно с Ф/b> ядра в 20 в. начала быстро развиваться Ф/b> 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 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 еще предстоит открыть. Теория элементарных частиц и их взаимодействий (сильных, электромагнитных и слабых) составляет предмет квантовой теории поля – теории, еще далекой от завершения.   . Фундаментальные теории физики   Классическая механика Ньютона. Фундаментальное значение для всей Ф/b> имело введение Ньютоном понятия состояния. Первоначально оно было сформулировано для простейшей механической системы – системы материальных точек. Именно для материальных точек непосредственно справедливы законы Ньютона. Во всех последующих физических теориях понятие состояния было одним из основных. Состояние механической системы полностью определяется координатами и импульсами всех образующих систему тел. Если известны силы взаимодействия тел, определяющие их ускорения, то по значениям координат и импульсов в начальный момент времени уравнения движения механики Ньютона (второй закон Ньютона) позволяют однозначно установить значения координат и импульсов в любой последующий момент времени. Координаты и импульсы – основные величины в классической механике; зная их, можно вычислить значение любой др. механической величины: энергии, момента количества движения и др. Хотя позднее выяснилось, что ньютоновская механика имеет ограниченную область применения, она была и остается тем фундаментом, без которого построение всего здания современной Ф/b> было бы невозможным.   Механика сплошных сред.   Газы, жидкости и твердые тела в механике сплошных сред рассматриваются как непрерывные однородные среды. Вместо координат и импульсов частиц состояние системы однозначно характеризуется следующими функцияциями координат (х, у, z) и времени (t): плотностью р (х, у, z, t), давлением Р (х, у, z, t) и гидродинамической скоростью v (х, у, z, t), с которой переносится масса. Уравнения механики сплошных сред позволяют установить значения этих функций в любой последующий момент времени, если известны их значения в начальный момент и граничные условия.   Эйлера уравнение, связывающее скорость течения жидкости с давлением, вместе с неразрывности уравнением, выражающим сохранение вещества, позволяют решать любые задачи динамики идеальной жидкости. В гидродинамике вязкой жидкости учитывается действие сил трения и влияние теплопроводности, которые приводят к диссипации механической энергии, и механика сплошных сред перестает быть "чистой механикой": становятся существенными тепловые процессы. Лишь после создания термодинамики была сформулирована полная система уравнений, описывающая механические процессы в реальных газообразных, жидких и твердых телах. Движение электропроводящих жидкостей и газов исследуется в магнитной гидродинамике. Колебания упругой среды и распространение в ней волн изучаются в акустике.   Термодинамика.   Все содержание термодинамики является в основном следствием двух начал: первого начала – закона сохранения энергии, и второго начала, из которого следует необратимость макроскопических процессов. Эти начала позволяют ввести однозначные функции состояния: внутреннюю энергию и энтропию. В замкнутых системах внутренняя энергия остается неизменной, а энтропия сохраняется только при равновесных (обратимых) процессах. При необратимых процессах энтропия возрастает, и ее рост наиболее полно отражает определенную направленность макроскопических процессов в природе. В термодинамике основными величинами, задающими состояние системы, – термодинамическими параметрами – являются в простейшем случае давление, объем и температура. Связь между ними дается термическим уравнением состояния (а зависимость энергии от объема и температуры – калорическим уравнением состояния). Простейшее термическое уравнение состояния – уравнение состояния идеального газа (Клапейрона уравнение).   В классической термодинамике изучают состояния теплового равновесия и равновесные (протекающие бесконечно медленно) процессы. Время не входит в основные уравнения. Впоследствии (начиная с 30-х гг. 20 в.) была создана термодинамика неравновесных процессов. В этой теории состояние определяется через плотность, давление, температуру, энтропию и др. величины (локальные термодинамические параметры), рассматриваемые как функции координат и времени. Для них записываются уравнения переноса массы, энергии, импульса, описывающие эволюцию состояния системы с течением времени (уравнения диффузии и теплопроводности, Навье – Стокса уравнения). Эти уравнения выражают локальные (т. е. справедливые для данного бесконечно малого элемента объема) законы сохранения указанных физ. величин.   Статистическая физика (статистическая механика).   В классической статистической механике вместо задания координат ri, и импульсов pi частиц системы задается функция распред