Что такое физика и какие явления она изучает?
Физика – это наука, изучающая законы природы, причем на наиболее глубоком уровне. Не случайно большинство величин, которые вообще характеризуют окружающие нас предметы (их масса, длина, температура), называют именно физическими величинами.
Физика – это основа всего естествознания, она необходима для изучения химии, биологии, географии, геологии, астрономии. В свою очередь для понимания самой физики большие познания в других естественных дисциплинах не требуются, однако нужны знания и навыки из такой науки, как математика. Считается, что физика на сегодня является самой развитой и формализованной (то есть описываемой с помощью математических инструментов) естественной наукой. Вообще физика – это количественная наука, которая позволяет рассчитать, например, сколько времени нужно нагревать чайник, чтобы вода в нем закипела.
Физика рассказывает нам о том, что все вещества состоят из атомов, а наша Вселенная постоянно расширяется. Она объясняет, почему Земля вращается вокруг Солнца, почему уголь – черный, а снег – белый, и почему при нагревании он превращается в воду.
Физика делится на множество дисциплин. Пожалуй, важнейшей их них является механика, изучающая законы движения тел. Здесь рассматриваются такие понятия, как скорость, расстояние, ускорение. Причиной же любого движения является действие сил, которые изучаются динамикой. Она оперирует такими понятиями, как сила, масса, импульс, энергия, мощность и т. д.
Тепловые процессы рассматриваются термодинамикой и статистической физикой. Большое внимание в них уделяется поведению газов – они расширяются при нагревании и за счет этого могут совершать полезную работу. Для понимания тепловых процессов нужно знать многое о молекулярной структуре вещества.
Электродинамика изучает явления, связанные с магнетизмом и электричеством, а оптика – распространение света, который, кстати, как раз и является электромагнитной волной.
Квантовая физика исследует закономерности мира в микромасштабах, а космология – в масштабах Вселенной. Есть и узкоспециализированные дисциплины: материаловедение, кристаллография и т. п.
Список использованных источников
Физика
Из Википедии — свободной энциклопедии
Энциклопедичный YouTube
Субтитры
Содержание
Термин «физика» впервые фигурирует в сочинениях одного из величайших мыслителей древности — Аристотеля (IV век до нашей эры). Первоначально термины «физика» и «философия» были синонимами, так как в основе обеих дисциплин лежало стремление объяснить законы функционирования Вселенной. Однако в результате научной революции XVI века физика развилась в самостоятельную научную отрасль.
В современном мире значение физики чрезвычайно велико. Всё то, чем отличается современное общество от общества прошлых веков, появилось в результате применения на практике физических открытий. Так, исследования в области электромагнетизма привели к появлению телефонов и позже мобильных телефонов, открытия в термодинамике позволили создать автомобиль, развитие электроники привело к появлению компьютеров. Развитие фотоники способно дать возможность создать принципиально новые — фотонные — компьютеры и другую фотонную технику, которые сменят существующую электронную технику. Развитие газодинамики привело к появлению самолётов и вертолётов.
Знания физики процессов, происходящих в природе, постоянно расширяются и углубляются. Большинство новых открытий вскоре получают технико-экономическое применение (в частности в промышленности). Однако перед исследователями постоянно встают новые загадки, — обнаруживаются явления, для объяснения и понимания которых требуются новые физические теории. Несмотря на огромный объём накопленных знаний, современная физика ещё очень далека от того, чтобы объяснить все явления природы.
Общенаучные основы физических методов разрабатываются в теории познания и методологии науки.
ФИЗИКА.
1. Предмет и структура физики
Ф.- наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиб. общие свойства и законы движения окружающих нас объектов материального мира. Вследствие этой общности не существует явлений природы, не имеющих физ. свойств или сторон. Понятия Ф. и её законы лежат в основе всего естествознания.
В своей основе Ф.- эксперим. наука: её законы базируются на фактах, установленных опытным путём. Эти законы представляют собой строго определ. количеств. соотношения и формулируются на матем. языке. Различают эксперим. Ф. (опыты, проводимые для обнаружения новых фактов и для проверки открытых физ. законов) и теоретич. Ф., цель к-рой состоит в формулировке общих 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.
Совр. Ф. имеет дело с немногим числом фундам. законов, или фундам. физ. теорий, охватывающих все разделы Ф. Эти теории представляют собой квинтэссенцию наших знаний о характере физ. процессов и явлений; приближённое, но наиб. полное отображение разл. форм движения материи в природе.
2. Основные этапы развития физики
Открытию Резерфордом атомного ядра предшествовали открытия радиоактивности, радиоакт. превращений тяжёлых атомов [А. Беккерель (Н. Becquerel), П. и М. Кюри (Р. и М. Curi)], а также изотопов [Ф. Содди (F. Soddy)]. Первые попытки непосредств. исследования строения атомного ядра относятся к 1919, когда Резерфорд, облучая стабильные ядра азота a-частицами, установил превращение их в ядра кислорода. Открытие Дж. Чедвиком (J. Chad-wick) нейтрона (1932) привело к созданию совр. протон-но-нейтронной модели ядра (Гейзенберг, Д. Д. Иваненко). В 1934 Ф. и И. Жолио-Кюри (F. и I. Joliot-Curi) открыли искусств. радиоактивность.
Создание ускорителей заряж. частиц позволило изучать разл. ядерные реакции. Важнейшим результатом этого этапа в Ф. явилось открытие деления ядра и возможности освобождения ядерной энергии.
3. Фундаментальные физические теории
Механика сплошных сред. Газы, жидкости и твёрдые тела в механике сплошных сред рассматриваются как непрерывные среды. Вместо координат и импульсов частиц состояние системы однозначно характеризуется ф-циями координат ( х, у,z) и времени (f): плотностью 
, давлением 
и скоростью 
. Ур-ния механики сплошных сред позволяют установить значения этих ф-ций в любой последующий момент времени, если известны их значения в нач. момент и граничные условия.
Ур-ние Эйлера, связывающее скорость течения жидкости с давлением, вместе с неразрывности уравнением, выражающим закон сохранения вещества, позволяют решать любые задачи динамики идеальной жидкости, то есть жидкости, лишённой вязкости и теплопроводности В гидродинамике вязкой жидкости учитываются действие сил трения и влияние теплопроводности, к-рые приводят к диссипации механич. энергии, и механика сплошных сред перестаёт быть «чистой механикой»: становятся существенными тепловые процессы. Лишь после создания термодинамики была сформулирована полная система ур-ний, описывающая механич. процессы в реальных газообразных, жидких и твёрдых телах. Движение электропроводящих жидкостей и газов исследуется в магнитной гидродинамике. Колебания упругой среды и распространение в ней волн изучаются в акустике.
Гиббс получил выражение для ф-ции распределения произвольной системы, находящейся в равновесии с термостатом (канонич. Гиббса распределение). Эта ф-ция распределения позволяет по известному выражению энергии как ф-ции координат и импульсов частиц (ф-ции Гамильтона) вычислить все термодинамич. потенциалы, что является предметом статистич. термодинамики.
В плазме осн. роль играют эл.-магн. взаимодействия заряж. частиц, и лишь статистич. теория, как правило, способна дать ответ на любые вопросы, связанные с поведением плазмы. В частности, она позволяет исследовать проблему устойчивости высокотемпературной плазмы во внеш. эл.-магн. поле. Эта задача чрезвычайно актуальна в связи с проблемой осуществления управляемых термоядерных реакций. Существенный вклад в феноменологич. теорию необратимых процессов и термодинамики нелинейных необратимых процессов внёс И. Р. Пригожий (I. Prigogine).
Законы механики Ньютона перестают быть справедливыми при больших скоростях движения (т. к. они инвариантны относительно преобразований Галилея, а не Лоренца). Сразу же после создания теории относительности были найдены релятивистские ур-ния движения, обобщающие ур-ния движения механики Ньютона. Эти ур-ния пригодны для описания движения частиц со скоростями, близкими к скорости света. Исключительно важное значение для Ф. получили два следствия релятивистской механики: введение релятивистского импульса 
и универсальной связи между энергией 
и массой т (см. Относительности теория).
При больших скоростях движения любая физ. теория должна удовлетворять требованиям теории относительности, т. е. быть релятивистски-инвариантной. Законы теории относительности определяют преобразования при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой не только координат и времени, но и любой физ. величины. Эта теория относится к принципам инвариантности, или симметрии (см. Симметрия в физике), позволяющим обнаруживать новые корреляции между событиями на основе уже найденных корреляций.
Во 2-м десятилетии 20 в. классич. теория тяготения была революц. образом преобразована Эйнштейном. Новая теория тяготения была создана путём логич. развития принципа относительности применительно к гравитац. взаимодействиям; она была названа общей теорией относительности. Эйнштейн по-новому интерпретировал установленный Галилеем факт равенства гравитац. и инертной масс ( см. Масса): это равенство означает, что тяготение одинаковым образом искривляет пути всех тел. Поэтому тяготение можно рассматривать как искривление самого пространства-времени. Теория Эйнштейна вскрыла глубокую связь между геометрией пространства-времени и распределением и движением масс. Компоненты т. н. метрич. тензора, характеризующие метрику пространства-времени, одновременно являются потенциалами гравитац. поля, т. 38 раз слабее эл.-магнитных. В совр. теории элементарных частиц гравитац. силы не учитываются, т. к. полагают, что они не играют заметной роли. Роль гравитац. сил становится решающей при взаимодействиях тел космич. размеров; они определяют также структуру и эволюцию Вселенной.
Общая теория относительности, как и квантовая механика,- великая теория 20 в. Все предшествующие теории, включая спец. теорию относительности, обычно относят к классич. Ф. (иногда классической называют всю неквантовую Ф.).
Квантовая механика. Состояние микрообъекта в квантовой механике характеризуется волновой ф-цией y. Как показал М. Борн в 1926, волновая ф-ция имеет статистич. смысл: она представляет собой амплитуду вероятности, т. е. квадрат её модуля |y| 2 есть плотность вероятности нахождения частицы в данном состоянии. В координатном представлении 
, величина 
определяет вероятность того, что координаты частицы в момент времени t лежат внутри малого интервала Dx, Dy, Dz около точки с координатами х, у, z. Эволюция состояния с течением времени однозначно определяется с помощью Шрёдингера уравнения.
Волновая ф-ция даёт полную характеристику состояния. Зная y, можно вычислить вероятность обнаружения опре-дел. значения любой относящейся к частице (или системе частиц) физ. величины и ср. значения всех этих физ. величин. Статистич. распределения по координатам и импульсам не являются независимыми, из чего следует, что координата и импульс частицы не могут иметь одновременно точных значений (принцип неопределенности Гейзенберга; см. Неопределённостей соотношения). Аналогичное соотношение неопределённостей имеется для энергии и времени.
В квантовой механике момент импульса, его проекция, а также энергия при движении в огранич. области пространства могут принимать лишь ряд дискретных значений. Возможные значения физ. величин являются собственными значениями операторов, к-рые в квантовой механике ставятся в соответствие каждой физ. величине. Физ. величина принимает определ. значение с вероятностью, равной единице, лишь в том случае, если система находится в состоянии, описываемом собственной ф-цией соответствующего оператора.
С помощью квантовой механики была построена теория атомов, объясняющая их свойства и вскрывающая физ. смысл периодич. системы элементов Менделеева. Была объяснена хим. связь, в т. ч. понята природа ковалентной хим. связи; заложены основы теории твёрдого тела, построена квантовая теория рассеяния, применимая для столкновения частиц в тех случаях, когда законы классич. механики оказываются несостоятельными.
Несмотря на то что нелинейные ур-ния, описывающие сильные взаимодействия кварков, известны, их удаётся приближённо решать только при малых расстояниях между кварками, когда взаимодействие относительно мало. Вычисление же энергии взаимодействия нуклонов в рамках квантовой хромодинамики-пока далёкая от решения задача.
Принципы симметрии и законы сохранения. Фундам. физ. теории позволяют по нач. состоянию объекта определить его поведение в будущем. Принципы симметрии, или инвариантности, носят более общий характер, им подчинены все физ. теории. Симметрия законов Ф. относительно нек-рого преобразования означает, что эти законы не меняются при проведении данного преобразования. Поэтому принципы симметрии можно установить на основании известных физ. законов. С др. стороны, если теория к.-л. физ. явлений ещё не создана, открытые на опыте симметрии играют эвристич. роль при построении теории. Отсюда особая важность экспериментально установленных симметрии сильно взаимодействующих элементарных частиц- адронов. Существуют общие симметрии, справедливые для всех физ. законов, для всех видов взаимодействий, и приближённые симметрии, область выполнения к-рых ограничена определ. кругом взаимодействий или даже одним видом взаимодействий. Т. о., существует определ. иерархия принципов симметрии.
Симметрии делятся на пространственно-временные, или геометрические, и внутренние симметрии, описывающие специфич. свойства элементарных частиц.
С симметриями связаны законы сохранения. Для непрерывных преобразований эта связь была установлена на основе самых общих предположений о матем. аппарате теории (см. Нётер теорема).
Успехи в классификации адронов на основе принципов симметрии и иерархии этих принципов очень велики, хотя причины существования приближённых симметрии неизвестны.
4. Современная экспериментальная физика
Ещё в нач. 20 в. мн. фундам. открытия (атомного ядра, радиоактивности и др.) были сделаны с помощью сравнительно простой аппаратуры. В дальнейшем эксперимент стал быстро усложняться и эксперим. установки стали сравнимы по масштабу с промышл. предприятиями. Совр. эксперим. исследования в области ядра и элементарных частиц, радиоастрономии, квантовой электроники и Ф. твёрдого тела требуют небывалых масштабов и затрат средств, к-рые зачастую доступны лишь крупным государствам или даже группе государств с развитой экономикой.
Огромную роль в развитии ядерной Ф. и связанной с ней Ф. элементарных частиц сыграли два обстоятельства. Во- первых, разработка методов наблюдения и регистрации отд. актов превращений элементарных частиц, вызванных их столкновениями друг с другом и с атомными ядрами. Во-вторых, создание ускорителей заряженных частиц, положившее начало развитию Ф. высоких энергий. Особую роль играют ускорители на встречных пучках, к-рые позволили повысить эфф. энергию столкновения частиц.
Были созданы высокоэффективные счётчики заряж. частиц, основанные на разл. принципах: газоразрядные, сцин-тилляционные, черепковские и др. Фотоумножители позволяют регистрировать единичные фотоны. Наиб. полную и точную информацию о событиях микромира получают с помощью камеры Вильсона, пузырьковой и искровой камер, в к-рых можно непосредственно наблюдать следы (треки) пролетевших заряж. частиц. При исследовании частиц высоких энергий особенно эффективны два последних типа камер (наряду с регистрацией частиц в толстослойных фотоэмульсиях), г. к. из-за большой плотности среды в этих детекторах пробеги частиц невелики и удаётся проследить цепочку превращений частиц. Получаемая от регистрирующих устройств информация обрабатывается с помощью ЭВМ. В искровых камерах регистрация и анализ треков частиц осуществляются автоматически с использованием вычислит. машин непосредственно в экспе-рим. установке.
Исследованы самые разл. типы ядерных реакций. На ускорителе Объединённого ин-та ядерных исследований в Дубне впервые осуществлено столкновение релятивистских ядер. На ускорителе в Серпухове получены ядра антитрития и антигелия и открыт рост полного сечения взаимодействия адронов очень высоких энергий при их рассеянии друг на друге («серпуховский эффект»). Успешно идёт синтез трансурановых элементов.
Исследование радиоизлучения помогло установить источники первичных космич. лучей: протонов, более тяжёлых атомных ядер и электронов. Этими источниками оказались вспышки сверхновых звёзд. Было открыто реликтовое излучение, возникшее на ранней стадии эволюции Вселенной (см. Микроволновое фоновое излучение).
Большую роль в изучении околоземного космич. пространства и далёкого космоса сыграли космич. станции. Они позволили открыть радиац. пояса Земли, обнаружить космич. источники рентг. излучения и всплески g-излучения (эти виды излучения поглощаются атмосферой Земли и не доходят до её поверхности).
Фантастич. точности достигают измерения амплитуды колебаний микроскопич. тел. С помощью радиотехн. и оп-тич. датчиков можно регистрировать механич. колебания с амплитудой
5. Основные нерешённые проблемы физики
Физика элементарных частиц. Наиб. фундам. проблемой Ф. остаётся исследование материи на самом глубоком уровне. Накоплен огромный эксперим. материал по взаимодействиям и превращениям элементарных частиц. Произвести же теоретич. обобщение всего этого материала с единой точки зрения пока не удаётся. Остаётся нерешённой проблема определения спектра масс элементарных частиц. Возможно, для решения проблемы спектра масс и устранения бесконечностей в квантовой теории поля необходимо введение нек-рой фундаментальной длины, к-рая ограничивала бы применимость обычных представлений о пространстве-времени как о непрерывной сущности. До расстояний
Развиваются квантовые теории, объединяющие др. взаимодействия, кроме эл.-магнитного и слабого. Однако единая теория эл.-слабого и сильного взаимодействия (т. н. Великое объединение )пока не получила подтверждения.
Предсказанный ею распад протона за время
10 32 лет экспериментально не обнаружен.
В ещё более грандиозном обобщении, названном суперсимметрией, делается попытка объединить все 4 фундам. взаимодействия, т. е, включить гравитацию в рамки единой теории сил и построить обобщённую теорию гравитации- супергравитацию. Эта теория предсказывает существование множества новых элементарных частиц, но ни одна из них пока не обнаружена экспериментально.
Физика ядра. Открытие нейтрона в 1932 привело к созданию протонно-нейтронной модели ядра. К наст. времени достигнут большой прогресс в понимании структуры атомных ядер, построены разл. приближённые ядерные модели. Однако последоват. теории атомного ядра (подобной теории атома), позволяющей рассчитать, в частности, энергию связи нуклонов в ядре (её определяют по дефекту масс) и энергетич. уровни ядра, пока нет.
Почти строгая монохроматичность лазерного излучения позволила получить объёмное изображение объектов с помощью интерференции волн (см. Голография).
Лазерное излучение применяют для испарения и сварки металлов в вакууме, для разделения изотопов и т. д. Лазеры широко используются в микрохирургии глаза и др. областях медицины. Перспективно, по-видимому, применение лазеров для нагрева вещества до темп-р, при к-рых возможно осуществление термоядерных реакций (см. Лазерный термоядерный синтез). Созданы первые рентгеновские лазеры, и ставится задача создания гамма-лазеров.
Физика твёрдого тела. С нач. 30-х гг. стали закладываться основы квантовой теории твёрдого тела; квантовые свойства твёрдых тел в наст. время широко используются на практике.
Открытие возможности управления электрич. проводимостью полупроводников вызвало революцию в радиофизике: электронные лампы в осн. заменены полупроводниковыми приборами. Резко уменьшились в размерах и стали надёжнее радиотехн. устройства и вычислит. машины. В интегральных системах вместо обычных радиодеталей и соединений используются тонкие слои молекул определ. сорта, вводимые внутрь кристалла полупроводника или напыляемые на его поверхность.
Большое значение как для самой науки, так и для практич. применения имеет исследование вещества в экстремальных условиях: при очень низких или очень высоких темп-pax, сверхвысоком давлении, сверхсильных магн. полях и т. д. (см. Низкие температуры, Экстремальное состояние вещества).
В 1986 открыта высокотемпературная сверхпроводимость с темп-рой перехода в сверхпроводящее состояние ок. 100 К, т. е. выше темп-ры кипения жидкого азота при атм. давлении. Теория этого явления ещё не построена, однако появилась надежда получить сверхпроводимость при комнатной темп-ре, что, возможно, позволит решить проблему передачи электроэнергии на большие расстояния практически без потерь.
Высокий и сверхвысокий вакуум создаётся в электронных приборах и ускорителях, чтобы избежать нежелат. потерь при столкновениях ускоряемых частиц с частицами остаточного газа. Исследование свойств поверхностей в вакууме приобрело большое значение в связи с освоением космич. пространства, в к-ром реализуются условия глубокого вакуума.
Разумеется проблемы совр. Ф. не сводятся к перечисленным; свои проблемы имеются во всех разделах Ф., и общее число их столь велико, что они не могут быть здесь перечислены
5. Связь физики с другими науками и техникой
Физика и философия. Вследствие общности и широты своих законов Ф. всегда оказывала воздействие на развитие философии и сама находилась под её влиянием. Ф. лежит в основе научного мировоззрения, сущность к-рого в том, что существуют законы природы, никогда не нарушаемые в рамках своей применимости. Закон же, в самом общем смысле, есть необходимая связь между настоящим состоянием мира или любой его части и состоянием, непосредственно следующим за ним.
Особенно важна правильная философская ориентация в кризисные моменты развития Ф., когда старые представления подвергаются коренному пересмотру. Лишь понимание соотношения между абс. и относит. истинами позволяет в рамках принципа соответствия правильно оценить сущность революц. преобразований в Ф. и принимать лишь те из них, к-рые не приводят к крушению физ. теорий, а обогащают и углубляют представления о материи.
Физика и математика. Ф.- количеств. наука. Осн. её законы формулируются на матем. языке, гл. обр. с помощью дифференц. ур-ний. Следовательно, Ф. немыслима без математики. С др. стороны, новые идеи и методы в математике возникают в первую очередь под влиянием Ф. Анализ бесконечно малых был создан Ньютоном (одновременно с Лейбницем) при формулировке им осн. законов механики. Создание теории эл.-магн. поля привело к развитию векторного анализа. Развитие таких разделов математики, как тензорное исчисление, теория поверхностей Римана, теория групп и др., стимулировалось новыми физ. теориями: общей теорией относительности и квантовой механикой. Развитие квантовой теории поля ставит новые проблемы функционального анализа.
Физика и другие естественные науки. Тесная связь Ф. с др. отраслями естествознания привела к тому, что Ф. глубочайшими корнями вросла в астрономию, геологию, химию, биологию и др. естеств. науки. Образовался ряд пограничных дисциплин: астрофизика, геофизика, хим. физика, биофизика, молекулярная биология и др.
Физ. методы исследования получили решающее значение для всех естеств. наук. Электронный и туннельный микроскопы на неск. порядков превысили границы оптич. методов исследований и дали возможность наблюдать отд. атомы и молекулы. С помощью рентг. структурного анализа изучена и продолжает изучаться структура сложнейших биол. молекул и живых тканей. Революция в биологии, связанная с возникновением молекулярной биоло-^ши и генетики, была бы невозможна без Ф.
Развитие физ. электроники позволило наблюдать процессы, протекающие в миллиардные доли секунды, привело к революции в астрономии-созданию радиоастрономии.
Идеи ядерной Ф. становятся неотъемлемой частью геол. концепций. С их помощью, в частности, измеряют возраст минералов Земли.
Физика и техника. Ф. образует фундамент осн. направлений техники. Строит, техника, гидротехника, электротехника и энергетика, радиотехника, светотехника, значит, часть военной техники, электроника выросли на основе Ф. Благодаря сознат. использованию законов Ф. техника из области случайных находок стала на путь целенаправленного развития. Совр. Ф. вносит решающий вклад в развитие научно-техн. революции, начавшейся ок. 40 лет назад. Научно-техн. революция коренным образом изменила роль науки в жизни общества. Наука стала его непо-средств. производит, силой. Возникновение сети АЭС произвело революцию в энергетике.
В свою очередь развитие техники оказывает существ, влияние на совершенствование эксперим. Ф. Без развития электротехники, радиотехники, технологии произ-ва очень прочных и лишённых примесей материалов было бы невозможно создание таких устройств, как ускорители элементарных частиц, огромные пузырьковые и искровые камеры, полупроводниковые приборы и т. д.
Лит.: История науки. Кудрявцев П. С., История физики, т. 1-3, M., 1956-71; Лауэ M., История физики, пер. с нем., M., 1956; Льоцци M., История физики, пер. с итал., M., 1970. Курсы физики. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс M., Фейнмановские лекции по физике, пер. с англ., в. 1-9, M., 1965-67; Ландау Л. Д., Лифшиц E. M., Механика, 4 изд., M., 1988; их же, Теория поля, 7 изд., M., 1988; их же, Квантовая механика, 4 изд., M., 1989; их же. Статистическая физика, ч. 1, 3 изд., M., 1976; Берестецкий В. В., Лифшиц E. М., Питаевский Л. П., Квантовая электродинамика, 3 изд., M., 1989; их же, Гидродинамика,
