Масштабы влияния хозяйственной деятельности человека на природу

10. Нейтрон (1935)  
Джеймс Чедвик обнаруживает нейтроны, которые, вместе с протонами и электроны являются составной атома. Этот результат резко меняет модель атома и дает толчок новым открытиям в атомной физике.

11. Сверхпроводники  (1911 – 1986)  
Неожиданное открытие показало, что некоторые материалы не имеют электрического сопротивления, что открыло новые революционные возможности в промышленности и технологиях. Сверхпроводимость возникает в самых разнообразных материалах, включая такие простые элементы, как олово и алюминий, различных металлических сплавах и некоторых керамических соединениях.

12. Кварки (1962)  
Мюррей Гелл-Манн выдвигает гипотезу существования фундаментальных частиц, которые не имеют своей внутренней структуры, и из которых состоят другие частицы, такие как протоны и нейтроны. Кварки обладают электрическим зарядом и не наблюдаются в свободном состоянии. В настоящее время известно 6 разных видов кварков.

13. Ядерные силы (1666 - 1957)  
Открытия основных сил при исследованиях на субатомном уровне приводят к осознанию тII. 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. в современном смысле этого слова. В греко-римском мире (6 в. до н. э. – 2 в. н. э.) впервые зародились идеи об атомном строении вещества (Демокрит, Эпикур, Лукреций), была разработана геоцентрическая система мира (Птолемей), установлены простейшие законы статики (правило рычага), открыты закон прямолинейного распространения и закон отражения света, сформулированы начала гидростатики (закон Архимеда), наблюдались простейшие проявления электричества и магнетизма.

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

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

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

Развитие Ф. как науки  в современном смысле этого слова  берёт начало с трудов Г. Галилея (1-я половина 17 в.), который понял  необходимость математического  описания движения. Он показал, что  воздействие на данное тело окружающих тел определяет не скорость, как  считалось в механике Аристотеля, а ускорение тела. Это утверждение  представляло собой первую формулировку закона инерции. Галилей открыл принцип  относительности в механике (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. Он построил зрительную трубу с большим увеличением  и сделал с её помощью ряд астрономических  открытий (горы на Луне, спутники Юпитера  и др.). Количественное изучение тепловых явлений началось после изобретения  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 вперёд в изучении магнитных явлений был сделан в самом начале 17 в. У. Гильбертом. Он доказал, что Земля является большим магнитом, и первый строго разграничил электрические и магнитные явления.

Основным достижением  Ф. 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 воплощён идеал  научной теории, существующий и поныне. С появлением механики Ньютона было окончательно понято, что задача науки  состоит в отыскании наиболее общих количественно формулируемых  законов природы.

Наибольших успехов механика Ньютона достигла при объяснении движения небесных тел. Исходя из законов  движения планет, установленных И. Кеплером на основе наблюдений Т. Браге, Ньютон открыл закон всемирного тяготения (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 её свойств и движения, и абсолютном равномерно текущем  времени. Вплоть до создания теории относительности  эти представления не претерпели никаких изменений. 
В это же время Гюйгенс и Г. Лейбниц сформулировали закон сохранения количества движения; Гюйгенс создал теорию физического маятника, построил часы с маятником.

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

Во 2-й половине 17 в. начала быстро развиваться геометрическая оптика применительно к конструированию  телескопов и др. оптических приборов, а также были заложены основы физической оптики. Ф. Гримальди открыл дифракцию света, а Ньютон провёл фундаментальные исследования дисперсии света. С этих работ Ньютона берёт начало оптическая спектроскопия. В 1676 О. К. Рёмер впервые измерил скорость света. Почти одновременно возникли и начали развиваться две различные теории о физической природе света – корпускулярная и волновая (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 всё пространство и проникающем внутрь всех тел.

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

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

Важным стимулом для развития механики послужили запросы развивающегося производства. В работах Л. Эйлера и др. была разработана динамика абсолютно твёрдого тела. Параллельно  с развитием механики частиц и  твёрдых тел шло развитие механики жидкостей и газов. Трудами Д. Бернулли, Эйлера, Ж. Лагранжа и др. в 1-й половине 18 в. были заложены основы гидродинамики идеальной жидкости – несжимаемой жидкости, лишённой вязкости и теплопроводности. В «Аналитической механике» (1788) Лагранжа уравнения механики представлены в столь обобщённой форме, что в дальнейшем их удалось  применить и к немеханическим, в частности электромагнитным, процессам. 
В других областях Ф. происходило накопление опытных данных и формулировались простейшие экспериментальные законы. Ш. Ф. Дюфе открыл существование двух видов электричества и определил, что одноимённо заряженные тела отталкиваются, а разноимённо заряженные – притягиваются. Б. Франклин установил закон сохранения электрического заряда. Г. Кавендиш и независимо Ш. Кулон открыли основной закон электростатики, определяющий силу взаимодействия неподвижных электрических зарядов (Кулона закон). Возникло учение об атмосферном электричестве. Франклин, М. В. Ломоносов и Г. В. Рихман доказали электрическую природу молнии. В оптике продолжалось совершенствование объективов телескопов. Трудами П. Бугера и И. Ламберта начала создаваться фотометрия. Были открыты инфракрасные (В. Гершель, англ. учёный У. Волластон) и ультрафиолетовые (нем. учёный Н. Риттер, Волластон) лучи.

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

Классическая  физика (19 в.)

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

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

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

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

К 1-й четверти 19 в. был  заложен фундамент Ф. твёрдого тела. На протяжении 17–18 и начала 19 вв. происходило  накопление данных о макроскопических свойствах твёрдых тел (металлов, технических материалов, минералов  и т.п.) и установление эмпирических законов поведения твёрдого тела под влиянием внешних воздействий (механических сил, нагревания, электрических  и магнитных полей, света и  т.д.). Исследование упругих свойств привело к открытию Гука закона (1660), исследование электропроводности металлов – к установлению Ома закона (1826), тепловых свойств – закона теплоёмкостей Дюлонга и Пти (1819) (см. Дюлонга и Пти закон). Были открыты основные магнитные свойства твёрдых тел. В это же время была построена общая теория упругих свойств твёрдых тел (Л. М. А. Навье, 1819–26, О. Л. Коши, 1830). Почти для всех этих результатов характерна трактовка твёрдого тела как сплошной среды, хотя уже значительной частью учёных было признано, что твёрдые тела, являющиеся в большинстве своём кристаллами, обладают внутренней микроскопической структурой. 
Важнейшее значение для Ф. и всего естествознания имело открытие закона сохранения энергии, связавшего воедино все явления природы. В середине 19 в. опытным путём была доказана эквивалентность количества теплоты и работы и т. о. установлено, что теплота представляет собой не какую-то гипотетическую невесомую субстанцию – теплород, а особую форму энергии. В 40-х гг. 19 в. Ю. Р. Майер, Дж. Джоуль и Г. Гельмгольц независимо открыли закон сохранения и превращения энергии. Закон сохранения энергии стал основным законом теории тепловых явлений (термодинамики), получив название первого начала термодинамики.

Ещё до открытия этого закона С. Карно в труде «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824) получил результаты, послужившие  основой для др. фундаментального закона теории теплоты – второго  начала термодинамики. Этот закон сформулирован  в работах Р. Клаузиуса (1850) и У. Томсона (1851). Он является обобщением опытных данных, свидетельствующих о необратимости тепловых процессов в природе, и определяет направление возможных энергетических процессов. Значительную роль в построении термодинамики сыграли исследования Ж. Л. Гей-Люссака, на основе которых Б. Клапейроном было найдено уравнение состояния идеального газа, обобщённое в дальнейшем Д. И. Менделеевым.

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