Становлення фізики : класичний, некласичний та постнекласичний етапи.

Виходячи з неї, Ейнштейн відкрив  фундаментальний закон – закон взаємозв’язку маси та енергії.

Виходячи з неї, Ейнштейн відкрив  фундаментальний закон - закон взаємозв'язку маси та енергії: Е = МС².У теорії відносності, як вже видно з перетворень Лоренца, просторові координати і час не можуть розглядатися незалежно, вимірювання простору і часу взаємопов'язані. Щоб відобразити математично цей внутрішній взаємозв'язок, в 1908 Г. Мінковський висловив ідею об'єднання трьох вимірів простору і часу в один чотиривимірний простір - час. Запропонувавши таке абстрактне середовище континуум - чотиривимірний світ, в якому справедлива псевдоевклідова геометрія, Мінковський надав спеціальній теорії відносності завершену логічну і математичну форму, розвинувши її сучасний чотиривимірний апарат. Опис якого-небудь процесу в рамках світу Мінковського має його опис в будь-якій можливій системі відліку. Однак спеціальна теорія відносності не відкинула закономірностей, установлених механікою Ньютона, а лише уточнила і доповнила їх на випадок руху зі швидкостями, порівнянними зі швидкістю світла у вакуумі. Створена на її основі релятивістська механіка в своєму граничному випадку (в випадку малих швидкостей) переходить в ньютонівську механіку. «Саме ... шляхом послідовних наближень, усуваючи внутрішні суперечності, - писав Луї де Бройль, - і може розвиватися наука. Створені в процесі її розвитку теорії не будуть повністю спростовані і знищені наступним розвитком науки, а увійдуть в якості складових частин у нові, більш загальні теорії ... Твердо встановлені принципи, надійно перевірені закони, хоча і зберігаються в подальшому розвитку науки, але вже розглядаються не як абсолютно точні, а лише як деяке наближення, межі застосовності яких визначаються новою, більш загальною теорією »[4, с. 14]. Спеціальна теорія відносності зробила величезний вплив на сам стиль мислення фізиків, революціонізували його. Вона показала, що наочні звичайні уявлення, які як би очевидні, в нових областях явищ непридатні. Тому хоча за своїм змістом спеціальна теорія відносності і належала до класичної фізики, завершуючи її, однак по духу це була нова велика теорія, що відкрила поряд з квантовою теорією новий період у розвитку фізики. Оцінюючи значення спеціальної теорії відносності, М. Борн писав: «народжену в 1905 р. спеціальну теорію відвойовано по справедливості можна вважати завершальним моментом класичного періоду або початком нової ери в науці. Бо, з одного боку, вона виходить з твердо встановлених класичних понять про матерії, розподіленої безперервно  в просторі та часі, и про казуальні,або, більш точно, детерміністичні закони природи.

Загальна теорія відносності обумовила  розвиток космології. У 1922 А. А. Фрідман отримав нестаціонарні рішення гравітаційного рівняння Ейнштейна, виходячи з яких допустив можливість існування нестаціонарного, розширеного Всесвіту, що було підтверджено в 1929 відкриттям явища розбігання галактик (Е. Хаббл).Оцінюючи значення теорії відносності, В. Вайскопф пише: «Серед колосальної кількості ідей, висунутих у той час (початок XX ст. ), особливе місце, відмінне від других, належить теорії відносності, спеціальної та загальної . Вона була народжена в XX столітті як дитя інтелекту однієї возвишеної над усіма особистостями. Це - абсолютно новий набір концепцій, в рамках яких знаходять об'єднання механіка, електродинаміка і гравітація. Вони принесли з собою нове сприйняття таких понять, як простір і час. Ця сукупність ідей в якомусь сенсі є вершиною фізики XIX в. Вони органічно пов'язані з класичними традиціями». Результати, отримані теорією відносності (спеціальної і загальної), мають не тільки загальнонаукове, але і загальнофілософське значення. Вони збагачують наше філософське уявлення про світ, завдають удару по метафізичним поглядам і разом з тим свідчать на користь діалектичного матеріалізму . На базі ідей, результатів і висновків теорії відносності виникла релятивістська картина світу, що замінила механічну і електродинамічну картини.

Ще Кірхгоф в 1859 встановив один з основних законів теплового випромінювання, згідно якого відношення випускаючої дії тіл ( λ,Т) до їх поглинаючої дії А(λ,Т) не залежить від природи випромінюваного тіла і для всіх тіл однакове,рівне випускаючій властивості абсолютно чорного тіла       έ₀ ( λ,Т):

έ ( λ,Т)/ А(λ,Т)= έ₀ ( λ,Т)( закон випромінювання Кірхгофа)

Кірхгоф не визначив вид функції έ₀ ( λ,Т), тому в подальшій роботі фізиків всі сили були направлені на те, щоб , виходячи із закону термодинаміки і статистичної фізики, визначить вид функції Кірхгофа. Вихід із положення знайшов Планк. Він ввів в кінці 1900 в теорію нову ідею, зовсім чужу класичним уявленням, ідею квантової енергії, згідно якої речовина (матеріальні осцилятори) випромінюють енергію кінцевими порціями – квантами, пропорційними частоті: έ=hv, де έ – енергія кванта, h=6,55*10^-27єрг*с – фундаментальна константа, стала Планка,  v – частота.

Виходячи з гіпотези квантів, Планк  побудував теорію теплового випромінювання і вивів закон розподілення спектральної густини енергії абсолютно чорного  тіла:

Однак спочатку більшості вчених, та й самому Планку, гіпотеза квантів  представлялася лише вдалим прийомом, який дозволяв побудувати теорію цікавого, але окремого процесу. Вона не сприймалася як геніальна ідея, яка повинна привести до зміни основних концепцій класичної фізики. Перший, хто оцінив і зрозумів основоположне значення ідеї квантів і вдихнув «життя» в нову концепцію, був Ейнштейн. Він розглянув деякі відомі тоді труднощі класичної фізики в світлі нових квантових уявлень. У статті «Про одну евристичну точку зору, що відноситься до виникнення і перетворення світла» (1905), він поширив ідею квантів на сам процес випромінювання, увівши поняття про дискретну, квантову структуру самого світлового випромінювання, розглядаючи останнє як потік квантів світла, чи фотонів (фотонна теорія світла).Виходячи з квантової теорії світла, Ейнштейн пояснив фотоеффект, правило Стокса для флюоресценції, фотоіонізації та ін, чого не змогла зробити електромагнітна теорія. У цей рік квантова теорія народилася вдруге, продемонструвавши ще яскравіше відхід від класичних уявлень. Отже, є всі підстави вважати 1905, коли виникла спеціальна теорія відносності, що внесла глибокі зміни в наше представлення про простір і час, і стала «працювати» квантова фізика, початком нової епохи в фізиці, яка призвела до створення нової картини світу. Новий період у розвитку фізики проходить під знаком ідеї релятивізму і квантів і характеризується проникненням наукової думки в глибину матерії, до її мікроструктур. В 1911 Е. Резерфорд, виходячи з дослідів з розсіювання швидких альфа-частинок на атомах речовини, відкрив атомне ядро ​​і створив ядерно-планетарну модель атома: всередині атома знаходиться масивне позитивно заряджене ядро, навколо нього по орбітам за законами класичної механіки обертаються електрони, сумарний негативний заряд яких компенсується зарядом ядра, що робить атом електронейтральним. Однак така модель суперечила висновкам класичної електродинаміки, згідно яким атоми рухаються прискорено по орбітах ,в атомі електрони повинні випромінювати енергію і з часом «впасти» на ядро, іншими словами, атомна система не може бути стійкою. Цей парадоксальний висновок означав, що закони класичної фізики непридатні до руху електронів в атомах, так як останні існують і є досить стійкими системами.

У 1926 був розроблений математичний формалізм матричної механіки (В. Гейзенберг, М. Бор, П. Йордан, П. Дірак) і доведена математична еквівалентність матричної і хвильової механіки (Е. Шредінгер).У ці ж роки був сформульований один з найважливіших принципів сучасної теоретичної фізики - принцип Паулі (1924-1925), висунута ідея спіна (С. Гаудсміт, Дж. Уленбек, 1925), побудовано (1926) хвильове рівняння для частинок зі спіном 0 (рівняння Клейна - Фока - Гордона), розроблено метод знаходження наближених власних значення і власних функцій одновимірного рівняння Шредінгера, що встановлює зв'язок зі старими правилами квантування Бора - Зоммерфельда (Л. Бріллюеп, Г. Вейтцель, X. Крамер, 1926) (метод БВК), а також теорія збурень (Е. Шредінгер, 1926) та теорія утворень (П. Дірак, П. Йордан, 1926), що представляють собою ефективні методи квантової механіки. У 1927 В. Гейзенберг сформулював важливий принцип сучасної фізики - принцип невизначеності, який пояснив фізичний зміст рівнянь квантової механіки, її зв'язок з класичною механікою і обмеженість застосування до мікрооб'єктів класичних понять і уявлень .Важливий також для розуміння квантової механіки принцип сформулював в 1927 Н. Бор - принцип додатковості, що відображає неможливість точно описувати мікрооб'єкти, використовуючи поняття класичної механіки.Таким чином, протягом 1923-1927 Н. Бором, Л. де Бройлем, В. Гейзенбергом, М. Борном, Е. Шредінгер і П. Діраком була розроблена закінчена, логічно несуперечлива система ідей, методів і принципів нерелятивістської квантової механіки - четверта велика фізична теорія.  У 1928 П. Дірак вивів рівняння, що описує рух релятивістського електрона, з якого природно випливало наявність у електрона спіна (рівняння Дірака). Це рівняння лягло в основу релятивістської квантової механіки. Виходячи з нього, Дірак передбачив в 1931 позитрон - першу античастинку. Неможливість одночасного визначення точного положення мікроскопічної системи та її динамічного стану випливає з існування кванта дії і обумовлюється проявом корпускулярно-хвильового дуалізму. Квантова механіка визначає тільки імовірнісні закони, що дають можливість за результатами вимірювань вказати ймовірність того, що при подальшому вимірі буде отриманий той або другий результат.

У перше 30-річчя XX в. були отримані видатні результати і в області експерименту: дослідами Ж. Перрена Броуніського руху (1908-1913) остаточно доведена реальність існування молекул, отриманий рідкий гелій (Г. Камерлінг-Оннес, 1908), виявлені надпровідність (Г. Камерлінг- Онпес, 1911), космічні промені (В. Гесс, 1912), дифракція рентгенівскіх променів (М. Лауе, В. Фрідріх, П. Кніппінг), ізотопи (Дж. Дж. Томсон), доведена дискретність електричного заряду і вперше з досить високою точністю виміряно заряд електрона (Р. Міллікен, 1910-1914), відкритий гелій II (В. Кеєзом, М. Вольфко), виникли потужні методи дослідження речовини - рентгенівська спектроскопія та рентгеноструктурний аналіз, здійснена штучна ядерна реакція і знайдений протон (Е. Резерфорд, 1919), відкриті дифракція електронів (К. Девіссо, Л. Джермер, Дж. П. Томсон), комбінаційне розсіяння світла (Л. І. Мандельштам, Г. С. Лаядсберг , Ч. Раман, К. Крішпан, 1928) та ін.. Розширилася й сама експериментальна база фізики: винайдений ряд вакуумних насосів (наприклад, молекулярний і дифузійні насоси Геде), камера Вільсона (1912), лічильник Гейгера - Мюллера, масспектрометр (А. Демпстер. 1918), мас-спектрограф високої роздільної здатності (Ф. Астон, 1919), побудовані перші прискорювачі - генератор Ван де Граафа (1931) і циклотрон Лоуренса (1931), винайдений електронний мікроскоп (1931 ) та ін..

Період з 1905 до 1932, коли фізика впритул  наблизилася до дослідження ще менших об'єктів, ніж атом, почавши штурм  його ядра, доцільно назвати квантово-релятивістським. Зі створенням квантової механіки на її основі виникла квантова картина  світу. Квантова механіка, по словам Дірака, призвела до такого значного перевороту в наших уявленнях про фізичну  картину світу, якого, ще не знала історія фізики. Аналіз історичного розвитку фізики виявляє одну характерну закономірність процесу фізичного пізнання - тенденцію досліджувати явища в усіх менших просторово-часових масштабах при всезростаючих енергетичних параметрах.

Розширення на початку 30-х років  експериментальної бази фізики, зокрема  створення перших прискорювачів  заряджених частинок (генератор Ван  де Граафа, циклотрон, прискорювач Кокрофта - Уолтона), вдосконалення техніки експерименту привів до виявлення позитрона (К. Андерсон, 1932), і електрона (Дж. Чедвік, 1932), здійсненню першої ядерної реакції штучно прискореними протонами (Дж. Кокрофт, Е. Уолт) , 1032) і перших ядерних перетворень під дією нейтрона (II. Фозер, Л. Мейтнер, У. Харкінс, 1932), встановленню протонно-нейтронової структури ядра (Д. Д. Іваненко, В. Гейзенберг, 1932) та ін.. Відкриття нейтрона як елементарної частинки і компоненти ядер вказало на існування нового типу сил в природі неелектромагнітного походження, що утримують їх і нейтрони тісно пов'язаними в ядрі. Це було проявом ефекту сильних взаємодій, що не мають аналога в мікроскопічній фізиці. Відкриття ж позитрона виявив у явному вигляді фундаментальну симетрію природи, проявляючу в існуванні двох типів матерії - речовини і антиречовини. Тому 1932 рік, коли фізики проникли на новий рівень матерії, в область ядра, встановивши його складний протонно-нейтронний склад, і був відкритий новий тип взаємодій - силових, доцільно вважати початком нового етапу в розвитку фізичної науки - етапи ядерної фізики.У наступні роки тривало бурхливий розвиток цієї галузі. Були відкриті космічні зливи (П. Влекетт, Дж. Оккналіні, 1933), штучна активність зарядів (Ф. та І. Жоліо-Кюрі, 1934), явище уповільнення нейтронів у речовині (Е. Фермі з співр., 1934), покладено початок нейтронної фізики, розроблена теорія бета-розпаду (Е. Фермі, 1933-1934), в якій передбачене існування слабких взаємодій, закладені основи теорії парних ядерних сил (І. Є. Тамм, Д. Д. Іваненко, 1934 ), відкритий ефект Вавилова - Черенкова (1934), передвіщені пі-мезони (X. Юкава, 1935), виявлені мю-мезони (К. Андерсон, С. Вандермейер, 1936-1937).У 1938 відкрито явище поділу ядра урану (О. Ган, Ф. Штрассман) і виміряна енергія ділення (О. Фріш, ф. Жоліо-Кюрі, Дж. Даннінг та ін), виявлені вторинні і запізнілі нейтрони, обгрунтована можливість протікання в урані ланцюгової ядерної реакції поділу (Л. Сцілард, Е. Фермі, Ф. Жоліо-Кюрі, Я. Б. Зельдович,Б. Харітоп та ін, 1939), відкрито спонтанне ділення ядер урану-235 (Г . Н. Флеров, К. А. Петрожак, 1940), синтезовані перші трансуранові елементи - нептуній (Е. Мак-Міллан, Ф. Абельсон, 1940)  розщеплені ізотопи - плутоній-239 і уран-233 (Г. Сиборг з співр.). На кінец, створення першого ядерного реактора і здійснення в ньому керованої ядерної реакції розподілу урану (Е. Фермі і Ю. Вігнер з співр., 1942), атомних (1945) і водневих (1953) бомб, пуск першої атомної електростанції (І. В. Курчатов. Д. І. Блохинцев, 1954) справили величезний вплив на всі сфери матеріального і духовного життя суспільства. До успіхів фізики цього періоду слід віднести також відкриття плутонія (С. Пауелл з співр., 1947), каонів і гіперонів (Дж. Рочестер, К. Батлер, 1947), ряду нових трансуранових елементів (Г. Сиборг з співр.) , створення ядерних моделей: складові ядра (Н. Бор, 1936), краплинної (Я. І. Френкель, Н. Бор, 1936), оболонкової (М. Гепперт-Майєр, X. Йенсеп, 1948-1950), колективної (О. Бор, Б. Моттельсон, 1950-1952), створення ню-експериментального ядерного реактора на швидких нейтронах (П. Зіпн, 1951), початок термоядерних досліджень на основі термоізоляції високотемпературної плазми магнітним іоном (І. Є. Тамм та ін, 1950), виникнення концепції струму-мпкп (1950) і стелараторів (1951 ), подальший розвиток квантової теорії поля, зокрема побудова квантової мезодинаміки . Введення поняття матриці розсіювання, або 5-матриці (В. Гейзенберг, 1943), завершення створення сучасної електродинаміки (С. Томанага, Р. Фейнман, Ю. Швінгор, Ф. Дайсон, 1946-1949).Встановлено нові закони збереження, діючі тільки в мікросвіті,ізотопічний спін, з'ясовані роль і значення симетрії і сучасній фізиці , що визначають кінематику і динаміку фундаментальних процесів, а також формування структури . Саме симетрії, закладені в природі, знаходять своє відображення в існуванні законів збереження. Листопад 1954 була сформулювала  перша неабелева калібровочна теорія поля (теорія Янга - Міллса) та розроблено метод пі-церемонних співвідношень (М. Гелл-Манн, М. Гольдбергер, І Тіррівг). Запропоновано нові сучасні методи прискорення (В. І. Векслер, 1944) і сильна Фокусна відстань(П. Крістофілос, 1950).В галузі фізики твердого тіла відкриті антіферромагнетизм (Л. В. Шубніков з співр., 1935), надтекучість гелію ( Капіца, Дж. Аллен, 1938), ряд резонансів – електронний та парамагнітний (Є. К. Завойський, 1944), феромагнітний(Дж. Гріффіт, 1946), ядерний магнітний (Ф. Блох, Е. Парселл І,, 1946), антиферомагнітний (К. Гортер, 1951), циклотронний (Ч. Киттель та ін, 1953), екситони ( А. Ф. Прихотько, Давидов, 1946-1948), ефект Оверхаузера (1953), створений транзистор (Дж. Бардін, У. Браттейн, 1948), синтезований алмаз (П. Платон, 1953) і т. д. Побудовані теорії надплинності гелію II (Л. Д. Ландау, 1940 -1941, П. М. Боголюбов, 1947), фазових перетворень(Л. Онсагер, 1944), кінетичних явищ (І. Н. Боголюбов, 1940), ферромагнетизм (Л. Неєлов, 1948), поглинання світла молекулярними кристалами (А. С. Давидов, 1948), пі-переходу (У. Шоклі, 1949), феромагнітного і антйферромагнітного резонансу (Ч. Киттель, 1947-1951) та ін.. Численні успіхи фізики сприяли процес науково-технічної революції, що почалася на початку 50-х років. Її природничонауковими основами стали математика, фізика (насамперед фізика атомного ядра, твердого тіла, елементарних частинок), кібернетика, хімія, біологія. У 1944-1949 побудовані перші електронні обчислювальні машини, в 1948 покладено початок кібернетиці та сучасної напівпровідникової техніці, в 1953 - молекулярної біології, в 1954 - ядерній енергетиці (І. В. Курчатов, Д. І. Блохинцев) і квантової електроніки (Н. Г. Басов, А. М. Прохоров, Ч. Таунс) . Інтенсивний розвиток отримали радіоастрономія, космонавтика і ракетна техніка, матеріалознавство, фізика твердого тіла, космічна фізика. Новий рівень продуктивних сил, нові умови розвитку суспільства дали початок новому етапу в розвитку самої фізики - етапу суб'ядерних фізики і астрофізики.

3. Постнекласична ( сучасна ) фізика.

        З початку 50-х років завдяки появі сучасних прискорювачів було відкрито чимало нових елементарних частинок - Антипротон (1955), антинейтрон і Антинейтрино (1956), ряд гіперонів, явище взаємоперетворення частин, з'явилися докази внутрішньої структури нуклона, зокрема встановлено, що нуклон змінює свій стан при взаємодії з частинками високих енергій. Пряме підтверження отримала геніальна ленінська думка, що «електрон невичерпний, як і атом» .

       Фізики проникли на новий рівень матерії - суб'ядерний, в області близько 10^-14 см. Все це дає підстави говорити про новий етап у розвитку фізики, що почався в 50-х роках (умовно візьмемо 1955, коли вчені вперше проникли в світ нуклона - досліди Хофштадтера по бомбардуванню нуклонів електронами високих енергій, що продовжується і зараз.У 1960 експериментально був відкритий новий великий клас елементарних частинок - короткоживучих сильновзаємодіючих частинок з часом життя10^-22-10^-23, так званих резонансів (Л. Альварес). З цього часу кількість відкритих частинок знову почало зростати і незабаром перевищило 200. Вони ускладнили картину, хоча і знайшли певне місце в різних класифікаційних схемах симетрії часток і їх взаємодії, зокрема в систематиці Гелл-Манна - Неемана та ін..Виникла принципово нова концепція структури матеріальних частинок, згідно з якою частки менших мас будуються з частинок великих мас, наприклад модель кварків Гелл-Манна - Цвейга (1964), партонна модель Фейнмана (1969).

        До 1956 Т. Лі і Ч. Янгом було передбачена дивовижна властивість слабких взаємодій - супутнє їм порушення парності. Виявилося, що деякі принципи симетрії, бувши  до того універсальними, не виконуються для всього класу слабких взаємодій. Іншими словами, процеси, протікаючі з їх участю, в лівій і правій системі координат нееквівалентні, тобто природа «здатна відрізняти» праве від лівого в слабких процесах. Незабаром експериментально було виявлено порушення симетрії в слабких взаємодіях - Р-Інваріантності (1957) і СР-інваріантності (1964). Відкриті векторові мезони ω,ρ,η (1961), два типи нейтрино - електронне і мюонне (1962), важкий омега-мінус-гіперонів (1964).

Настало потім десятирічне  відносне затишшя в експериментальній фізики високих енергій компенсувалося деякими успіхами в теорії: розвивалася кваркова модель, були введені нові квантові числа кварків, наприклад зачаровані(1964), колір (1964-1965), аромат, передбачені глюони - носії взаємодії між кварками, розвинена копцепція спонтанного порушення симетрії і запропонований (1964) механізм «появи» мас у векторних бозонів в результаті цього нарушення (механізм Хіггса), створені: об'єднана теорія елекгромагнітних і слабких взаємодій ( С. Вайнберг, А. Салам, Ш-Глешоу, 1967-1970), відкрито явище асимптотичної свободи (1973), покладено початок квантової хромодинаміки як теорії сильних взаємодій (1973) та ін | 33].У 1974 були виявлені принципово нові тяжкі | елементарні частинки - так звані пси-частинки, які представляли (не комбінації нових типів кварків (зачарованих)(Б. Ріхтер), в 1977 - іпсилон-частинки (Л. Ледерман), і важкий лептон (М. Перл), нейтральні струми (1973),вчені експериментальні підтвердження існування кварків (1975) і глюонів (1979). Це стало можливим завдяки створенню прискорювачів на надвисокі енергії (400 - 500 ГеВ) та прискорювачів на зустрічних е⁺ е^- і рр-пучках, а також відповідної реєструючої апаратури.