ФИЗИКА

ФИЗИКА

       

наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности явлений природы, св-ва и строение материи и законы её движения. Понятия Ф. и её законы лежат в основе всего естествознания. Ф. относится к точным наукам и изучает количеств. закономерности явлений.

Слово «Ф.» происходит от греч. physis — природа. В эпоху античной культуры наука охватывала всю совокупность знаний о природных явлениях. По мере дифференциации знаний и методов исследований из неё выделились отд. науки, в т. ч. и Ф. Границы, отделяющие Ф. от др. естеств. наук, в значит. мере условны и меняются с течением времени.

Ф.— эксперим. наука: её законы базируются на фактах, установленных опытным путём. Законы Ф. представляют собой количеств. соотношения и формулируются на матем. языке. Различают экспериментальную Ф.— опыты, проводимые для обнаружения новых фактов и проверки известных физ. законов, и теоретическую Ф., цель к-рой состоит в формулировке законов природы и 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 материи Ф. подразделяется на ряд дисциплин (разделов), в той или иной мере связанных друг с другом; это деление не однозначно, и его можно проводить, руководствуясь разл. критериями. По изучаемым объектам Ф. делится на Ф. элем. ч-ц, Ф. ядра, Ф. атомов и молекул, Ф. газов и жидкостей, Ф. тв. тела, Ф. плазмы. Др. критерий — изучаемые процессы или формы движения материи. Соответственно в Ф. выделяют: механику материальной точки и тв. тела, механику сплошных сред (включая акустику), термодинамику и статистич. механику, электродинамику (включая оптику), теорию тяготения, квант. механику и квант. теорию поля. Указанные разделы Ф. частично перекрываются вследствие глубокой внутр. взаимосвязи между объектами материального мира и процессами, в к-рых они участвуют. По целям исследования выделяют также прикладную Ф. (напр., прикладная оптика).

Особо выделяют в Ф. учение о колебаниях и волнах, что обусловлено общностью закономерностей колебат. процессов разл. физ. природы и методов их исследования. Здесь рассматриваются механич., акустич., электрич. и оптич колебания и волны с единой точки зрения.

Совр. Ф. содержит небольшое число фундам. физ. теорий, охватывающих все разделы Ф. Эти теории представляют собой квинтэссенцию знаний о характере физ. процессов и явлений, приближённое, но наиболее полное отображение разл. форм движения материи.

Основные этапы развития физики

Физ. явления издавна привлекали внимание людей. В 6 в. до н. э.— 2 в. н. э. впервые зародились идеи об ат. строении в-ва (Демокрит, Эпикур, Лукреций), была разработана геоцентрич. 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. Признавая значение опыта, Аристотель не считал его гл. критерием достоверности знания, отдавая предпочтение умозрит. представлениям. В средние века учение Аристотеля было канонизировано церковью, что надолго затормозило развитие науки.

Развитие Ф. как науки в совр. смысле этого слова началось в 17 в. и связано в первую очередь с именем итал. учёного Г. Галилея, к-рый понял необходимость матем. описания движения. Он показал, что воздействие на данное тело окружающих тел определяет не скорость, как считалось в учении Аристотеля, а ускорение тела. Это утверждение — первая формулировка закона инерции. Галилей открыл принцип относительности в механике, доказал независимость ускорения свободного падения тел от их плотности и массы, обосновывал теорию Коперника и получил значит. результаты в астрономии, в изучении оптич., тепловых и др. явлений. Ученик Галилея итал. учёный Э. Торричелли установил существование атм. давления и создал первый барометр. Англ. учёный Р. Бойль и франц. учёный Э. Мариотт исследовали упругость газов и сформулировали первый газовый закон, носящий их имя. Голл. учёный В. Снелль и франц. учёный Р. Декарт открыли закон преломления света, был создан микроскоп. В 1600 англ. учёный У. Гильберт разграничил электрич. и магн. явления и доказал, что Земля — гигантский магнит.

Осн. достижение Ф. 17 в.— создание классич. механики; И. Ньютон в труде «Математические начала натуральной философии» (1687) сформулировал все осн. законы этой науки (см. НЬЮТОНА ЗАКОНЫ МЕХАНИКИ). С появлением механики Ньютона было окончательно понято, что задача науки состоит в отыскании наиболее общих количественно формулируемых законов природы. Фундам. значение имело введение Ньютоном понятия состояния, к-рое стало одним из осн. для всех физ. теорий. Состояния систем тел в механике полностью определяются координатами и импульсами тел системы. Если известны силы вз-ствия тел, а также значения координат и импульсов в нач. момент времени, то из ур-ния движения (второй закон Ньютона) можно однозначно установить значения координат и импульсов в любой последующий момент.

Исходя из законов движения планет, установленных И. Кеплером, Ньютон открыл закон всемирного тяготения, с помощью к-рого удалось с замечат. точностью рассчитать движение Луны, планет и комет, объяснить приливы и отливы в океане. Им были впервые чётко сформулированы классич. представления об абсолютном пр-ве как вместилище материи, не зависящем от её св-в и движения, и абсолютном равномерно текущем времени. Вплоть до создания теории относительности эти представления не претерпели изменений. В это же время голл. учёный X. Гюйгенс и нем. учёный Г. Лейбниц сформулировали закон сохранения кол-ва движения; Гюйгенс создал теорию физ. маятника, построил часы с маятником. Началось развитие физ. акустики.

Со 2-й пол. 17 в. быстро развивается геом. оптика применительно к конструированию телескопов и др. оптич. приборов. Были заложены и основы физ. оптики: итал. физик Ф. Гримальди открыл дифракцию света, а Ньютон провёл фундам. исследования дисперсии света. В 1676 дат. астроном О. К. Рёмер впервые измерил скорость света. Почти одновременно возникли и начали развиваться корпускулярная и волновая теории света (см. ОПТИКА).

В работах Л. Эйлера и др. учёных была разработана динамика абсолютно тв. тела. Параллельно с развитием механики ч-ц и тв. тела шло развитие механики жидкости и газа. Трудами швейц. учёного Д. Бернулли, Эйлера, франц. учёного Ж. Лагранжа и др. в 1-й пол. 18 в. были заложены основы гидродинамики идеальной жидкости. В «Аналитической механике» (1788) Лагранжа ур-ния механики представлены в столь обобщённой форме, что в дальнейшем их удалось применить и к немеханическим, в частности эл.-магн., процессам. Была создана единая механич. картина мира, согласно к-рой всё богатство и многообразие мира — результат различия движения ч-ц (атомов), слагающих тела, движения, подчиняющегося законам Ньютона. Объяснение физ. явления считалось науч. и полным, если его удавалось свести к действию законов механики.

В др. областях Ф. происходило накопление опытных данных и формулировались простейшие эксперим. законы. Франц. физик Ш. Ф. Дюфе открыл существование двух родов электричества и установил характер их вз-ствия. Амер. учёный Б. Франклин установил закон сохранения электрич. заряда. Англ. учёный Г. Кавендиш и независимо франц. физик Ш. Кулон открыли осн. закон электростатики, определяющий силу вз-ствия неподвижных электрич. зарядов (Кулона закон). Трудами франц. учёного П. Бугера и нем. учёного И. Ламберта начала создаваться фотометрия. Было открыто инфракрасное (англ. учёные В. Гершель и У. Волластон) и ультрафиолетовое (нем. учёный И. Риттер, Волластон) излучения.

Заметный прогресс произошёл в исследовании тепловых явлений; было сформулировано понятие теплоёмкости, начато изучение теплопроводности и теплового излучения. Трудами М. В. Ломоносова, Бойля, англ. физика Р. Гука, Бернулли и др. были заложены основы мол .-кинетич. теории теплоты.

В нач. 19 в. борьба между корпускулярной и волн. теориями света завершилась победой волн. теории. Этому способствовало успешное объяснение англ. учёным Т. Юнгом и франц. учёным О. Ж. Френелем явления интерференции и дифракции света с помощью волн. теории. Было получено решающее доказательство поперечности световых волн (Френель, франц. учёный Д. Ф. Араго, Юнг). Рассматривая свет как поперечные волны в упругой среде (эфире), Френель установил количеств. закон, определяющий интенсивность преломлённых и отражённых световых волн.

Большое значение для развития Ф. имело открытие итал. учёными Л. Гальвани и А. Вольтой электрич. тока и создание гальванич. батарей. Было исследовано хим. действие тока (англ. учёные Г. Дэви, М. Фарадей), получена электрич. дуга (В. В. Петров). Открытие дат. физиком X. К. Эрстедом (1820) действия электрич. тока на магн. стрелку доказало связь между электрич. и магн. явлениями. В том же году франц. физик А. М. Ампер пришёл к выводу, что все магн. явления обусловлены движущимися заряж. ч-цами — электрич, током, и экспериментально установил закон, определяющий силу вз-ствия электрич. токов (Ампера закон). В 1831 Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. Ранее Фарадей высказал гипотезу, согласно к-рой эл.-магн. вз-ствия осуществляются посредством промежуточного агента — эл.-магн. поля. Это послужило началом формирования новой науки о св-вах и законах поведения особой формы материи — эл.-магн. поля.

К 1-й пол. 19 в. были накоплены фактич. данные о макроскопич. св-вах тв. тел и установлены эмпирич. законы поведения тв. тела под влиянием механич. сил, темп-ры, электрич. и магн. полей, света и др. Исследование упругих св-в привело к открытию Гука закона (1660), электропроводности металлов — к установлению Ома закона (1826), тепловых св-в — закона теплоёмкостей (Дюлонга и Пти закона). Были открыты осн. магн. св-ва тв. тел, построена общая теория упругих св-в тв. тел (франц. учёные Л. М. Навье, О. Л. Коши).

Важнейшее значение для Ф. и всего естествознания имело открытие (нем. учёные Ю. Р. Майер, Г. Гельмгольц, англ. физик Дж. Джоуль) закона сохранения энергии, связавшего воедино все явления природы. В сер. 19 в. опытным путём была доказана эквивалентность кол-ва теплоты и работы и т. о. установлено, что теплота представляет собой особую форму энергии. Закон сохранения энергии стал осн. законом теории тепловых явлений (термодинамики) и получил название первого начала термодинамики. Фундам. закон теории теплоты — второе начало термодинамики — был сформулирован нем. физиком Р. Клаузиусом в 1850 (на основе результатов, полученных франц. учёным С. Карно в 1824) и англ. физиком У. Томсоном в 1851. Он является обобщением опытных данных, свидетельствующих о необратимости процессов в природе, и определяет направление возможных энергетических превращений. Значит. роль в построении термодинамики сыграли исследования франц. учёного Ж. Л. Гей-Люссака, на основе к-рых франц. физиком Б. Клапейроном было установлено ур-ние состояния идеальных газов, обобщённое в дальнейшем Д. И. Менделеевым.

Одновременно с развитием термодинамики развивалась и мол.-кинетич, теория тепловых процессов; были открыты физ. законы нового типа — статистические, в к-рых все связи между физ. величинами носят вероятностный характер. В 1859 англ. физик Дж. Максвелл, впервые введя в Ф. понятие вероятности, нашёл закон распределения молекул по скоростям (Максвелла распределение). Возможности мол.-кинетич. теории необычайно расширились, что привело в дальнейшем к созданию статистич. механики. Австр. физик Л. Больцман построил кинетическую теорию газов и дал статистич. обоснование законов термодинамики. Осн. проблема, к-рую удалось в значит. степени решить Больцману, заключается в согласовании обратимого во времени движения молекул с очевидной необратимостью макроскопич. процессов. Большое значение имела доказанная им теорема о равномерном распределении ср. кинетич. энергии по степеням свободы. Классич. статистич. механика была завершена в работах амер. физика Дж. У. Гиббса (1902), создавшего метод расчёта ф-ции распределения для любых систем в состоянии термодинамич. равновесия. Всеобщее признание статистич. механика получила в 20 в. после создания А. Эйнштейном и польск. физиком М. Смолуховским (1905—06) на основе мол.-кинетической теории количеств. теории броуновского движения, подтверждённой опытами франц. физика Ж. Б. Перрена.

Во 2-й пол. 19 в. процесс изучения эл.-магн. явлений завершился созданием Максвеллом классич., электродинамики. В своей осн. работе «Трактат об электричестве и магнетизме» (1873) он установил ур-ния для эл.-магн. поля (носящие его имя), к-рые объясняли все известные в то время факты с единой точки зрения и позволяли предсказывать новые явления. Эл.-магн. индукцию Максвелл интерпретировал как процесс порождения перем. магн. полем вихревого электрич. поля. Затем он предсказал обратный эффект — порождение магн. поля перем. электрич. полем (ток смещения). Важнейшим результатом теории Максвелла был вывод о конечности скорости распространения эл.-магн. вз-ствий, равной скорости света. Эксперим. обнаружение эл.-магн. волн нем. физиком Г. Герцем (1886—89) подтвердило справедливость этого вывода. Из теории Максвелла вытекало, что свет имеет эл.-магн. природу. Тем самым оптика стала одним из разделов электродинамики. В 1899 П. Н. Лебедев экспериментально обнаружил и измерил давление света, предсказанное теорией Максвелла. В 1895 А. С. Попов впервые использовал эл.-магн. волны для беспроволочной связи.

В 1859 трудами нем. учёных Г. Кирхгофа и Р. Бунзена заложены основы спектрального анализа. Продолжалось развитие механики сплошных сред. В акустике была разработана теория упругих колебаний и волн (Гельмгольц, англ. физик Рэлей). Возникла техника получения низких темп-р. Были получены в жидком состоянии все газы, кроме гелия. В 1908 голл. физику X. Камерлинг-Оннесу удалось ожижить и гелий.

Новый этап в развитии Ф. связан с открытием англ. физиком Дж. Томсоном в 1897 эл-на. Выяснилось, что атомы не элементарны, а представляют собой сложные системы, в состав к-рых входят эл-ны. В кон. 19 — нач. 20 вв. голл. физик X. А. Лоренц заложил основы электронной теории. Им были сформулированы ур-ния, описывающие элем. эл.-магн. процессы (Лоренца — Максвелла уравнения), к-рые связывают движение отд. заряж. ч-ц с создаваемым ими эл.-магн. полем. Электронная теория Лоренца дала возможность рассчитывать значения эл.-магн. хар-к в-ва в зависимости от частоты, темп-ры и т. д.

В нач. 20 в. стало ясно, что электродинамика требует коренного пересмотра представлений о пр-ве и времени, лежащих в основе классич. механики Ньютона. В 1905 Эйнштейн создал частную (специальную) относительности теорию — новое учение о пр-ве и времени. Эта теория исторически была подготовлена трудами Лоренца и франц. учёного А. Пуанкаре. Частная теория относительности показала, что свести эл.-магн. процессы к механич. процессам в гипотетической среде (эфире) невозможно. Стало ясно, что эл.-магн. поле представляет собой особую форму материи, поведение к-рой не подчиняется законам механики. В 1916 Эйнштейн построил общую теорию относительности — физ. теорию пр-ва, временя я тяготения. Эта теория ознаменовала новый этап в развитии теории тяготения.

На рубеже 19—20 вв. было положено начало величайшей революции в области Ф., связанной с возникновением и развитием квант. теории. В кон. 19 в. выяснилось, что распределение энергии теплового излучения по спектру, выведенное из закона классич. статистич. Ф. о равномерном распределении энергии по степеням свободы, противоречит опыту. Выход был найден в 1900 нем. физиком М. Планком, показавшим, что результаты теории согласуются с опытом, если предположить, что атом испускает эл.-магн. энергию не непрерывно, а отд. порциями — квантами. Энергия каждого такого кванта прямо пропорциональна частоте, а коэфф. пропорциональности явл. квант действия h=6,626•10-34 Дж•с, получивший впоследствии назв. постоянной Планка.

В 1905 Эйнштейн развил гипотезу Планка, предположив, что излучаемая порция эл.-магн. энергии поглощается также только целиком, т. е. ведёт себя подобно ч-це (позднее она была назв. фотоном). На основе этой гипотезы Эйнштейн объяснил закономерности фотоэффекта, не укладывающиеся в рамки классич. электродинамики. Т. о., на новом качеств. уровне была возрождена корпускулярная теория света. Свет ведёт себя подобно потоку ч-ц; но одновременно ему присущи и волн. св-ва (дифракция, интерференция). Следовательно, несовместимые с точки зрения классич. Ф. волн. и корпускулярные св-ва присущи свету в равной мере (дуализм света). «Квантование» излучения приводило к выводу, что энергия внутриатомных движений также изменяется только скачкообразно (дат. физик Н. Бор, 1913). К этому времени англ. физик Э. Резерфорд исследовал рассеяние альфа-частиц в-вом и на основе результатов эксперимента установил существование ат. ядра и построил планетарную модель атома. Однако, согласно электродинамике Максвелла, такой атом неустойчив: эл-ны, двигаясь по круговым (эллиптическим) орбитам, испытывают ускорение, а следовательно, должны непрерывно излучать эл.-магн. волны, терять энергию и, постепенно приближаясь к ядру, за время =10-8 с упасть на ядро. Планетарная модель атома в рамках классич. Ф. приводила к неустойчивости атомов, а их линейчатые спектры оставались необъяснимыми. Для решения этой проблемы Бор постулировал существование в атомах стационарных состояний, находясь в к-рых эл-н не излучает. При переходе из одного такого состояния в другое он может испускать или поглощать энергию. Дискретность энергии атома была подтверждена экспериментально (Франка — Герца опыт, 913—14). Бор построил для атома водорода количеств. теорию спектров, согласующуюся с опытом.

Представление о кристалле как о совокупности атомов, упорядоченно расположенных в пр-ве и удерживаемых в положении равновесия силами вз-ствия, окончательно сформировалось в нач. 20 в. В 1890—91 Е. С. Фёдоров заложил основы теор. кристаллографии. В 1912 нем. физик М. Лауэ с сотрудниками открыл дифракцию рентг. лучей на кристаллах. На основе этого открытия был разработан метод эксперим. определения расположения атомов в кристалле и измерения межатомных расстояний, что положило начало рентгеновскому структурному анализу (Г. В. Вульф и англ. физики У. Л. Брэгг и У. Г. Брэгг). В 1907—14 была разработана динамич. теория крист. решёток, уже существенно учитывающая квант. представления. В 1907 Эйнштейн на модели кристалла как совокупности квант. гармонич. осцилляторов одинаковой частоты объяснил наблюдаемое падение теплоёмкости тв. тел при понижении темп-ры. Динамич. теория крист. решётки как совокупности гармонич. осцилляторов разл. частот была построена голл. физиком П. Дебаем (1912), нем. физиком М. Борном и амер. учёным Т. Карманом (1913), австр. физиком Э. Шрёдингером (1914) в форме, близкой к современной. Новый этап развития Ф. тв. тела начался после создания квант. механики.

Созданный Бором первый вариант квант. теории атома был внутренне противоречивым: используя для описания движения эл-нов законы механики Ньютона, Бор в то же время накладывал на возможные движения эл-нов квант. ограничения, чуждые классич. механике. Достоверно установленная дискретность действия и её количеств. мера постоянная Планка h — универсальная мировая постоянная, играющая роль естеств. масштаба явлений природы, требовали радикальной перестройки механики и электродинамики. Классич. законы оказались справедливыми лишь при рассмотрении тел достаточно большой массы, для к-рых величина действия велика по сравнению с h и дискретностью действия можно пренебречь.

В 20-е гг. 20 в. была создана квант., или волновая, механика — последовательная, логически завершённая нерелятивистская теория движения микрочастиц, к-рая позволила также объяснить мн. св-ва макроскопич. тел и происходящие в них явления. В основу её легли идея квантования Планка — Эйнштейна — Бора и выдвинутая в 1923 франц. физиком Л. де Бройлем гипотеза о двойственной корпускулярно-волновой природе любых видов материи. В 1927 впервые была обнаружена дифракция эл-нов (а позднее и др. микрочастиц, включая молекулы), экспериментально подтвердившая наличие у них волновых св-в. В 1926 Шрёдингер, пытаясь получить дискр. значения энергии атома из ур-ния волн. типа, сформулировал осн. ур-ние квант. механики, назв. его именем. В. Гейзенберг и Борн (Германия, 1925) построили квант. механику в др. матем. форме — т. н. матричную механику. Состояние микрообъекта в квант. механике характеризуется волновой ф-цией, эволюция к-рой определяется ур-нием Шрёдингера. Волновая ф-ция имеет статистич. смысл (Борн, 1926): квадрат её модуля есть плотность вероятности обнаружения ч-цы в данный момент времени в определ. точке пр-ва.

В 1925 амер. физики Дж. Ю. Уленбек и С. А. Гаудсмит на основании спектроскопич. данных открыли существование у эл-на собств. момента кол-ва движения — спина (а следовательно, и связанного с ним спинового магн. момента). Швейц. физик В. Паули записал ур-ние движения нерелятивистского эл-на во внеш. эл. магн. поле с учётом вз-ствия спинового магн. момента эл-на с магн. полем. В 1925 он же сформулировал т. н. принцип запрета (Паули принцип), согласно к-рому в одном квант. состоянии не может находиться более одного эл-на. Этот принцип сыграл важную роль в построении квант. теории систем мн. одинаковых ч-ц, в частности объяснил закономерности заполнения эл-нами оболочек и слоев в многоэлектронных атомах и т. о. дал теор. объяснение периодич. системе элементов Менделеева.

В 1928 англ. физик П. Дирак получил квант. релятив. ур-ние движения эл-на (Дирака уравнение), из к-рого естественно вытекало наличие у эл-на спина. На основании этого ур-ния Дирак в 1931 предсказал существование позитрона — первой античастицы, открытой в 1932 амер. физиком К. Д. Андерсоном в косм. лучах (антипротон и антинейтрон были экспериментально открыты соответственно в 1955 и 1956).

Параллельно с квант. механикой развивалась квант. статистика — квант. теория поведения физ. систем, состоящих из огромного числа микрочастиц. В 1924 инд. физик Ш. Бозе, применив принцип квант. статистики к фотонам (их спин равен 1), вывел ф-лу Планка для распределения энергии в спектре равновесного излучения, а Эйнштейн — ф-лу распределения энергии для идеального газа молекул (Бозе — Эйнштейна статистика). В 1926 Дирак и итал. физик Э. Ферми показали, что совокупность эл-нов (и др. одинаковых ч-ц со спином 1/2), для к-рых справедлив принцип Паули, подчиняется др. статистич. законам (Ферми — Дирака статистике). В 1940 Паули теоретически установил связь спина со статистикой. Квант. статистика сыграла важную роль в развитии Ф. конденсированных сред и в первую очередь Ф. тв. тела. В 1929 И. Е. Тамм предложил рассматривать тепловые колебания атомов кристалла как совокупность квазичастиц — фононов. Такой подход позволил объяснить, в частности, спад теплоёмкости металлов (= Т3) с понижением темп-ры Т в области низких темп-р, а также показал, что осн. причина электрич. сопротивления металлов — рассеяние эл-нов на фононах. Позднее были введены др. квазичастицы. Метод квазичастиц оказался весьма эффективным в Ф. конденсированных сред.

В 1928 нем. физик А. Зоммерфельд применил ф-цию распределения Ферми — Дирака для описания процессов переноса в металлах, что создало основу для дальнейшего развития квант. теории электро- и теплопроводности, термоэлектрич., гальваномагн. и др. кинетич. явлений в тв. телах. В работах Ф. Блоха и X. А. Бете в Германии и Л. Бриллюэна во Франции 1928—34) была разработана зонная теория энергетич. структуры кристаллов, к-рая дала естеств. объяснение различию в электрич. св-вах металлов и диэлектриков.

В 1928 Я. И. Френкель и Гейзенберг показали, что в основе ферромагнетизма лежит квант. обменное взаимодействие; в 1932—33 франц. физик Л. Неель и независимо Л. Д. Ландау предсказали антиферромагнетизм.

Открытия сверхпроводимости Камерлинг-Оннесом (1911) и сверхтекучести П. Л. Капицей (1938) стимулировали развитие новых методов в квант. статистике. Феноменологич. теория сверхтекучести была построена Ландау (1941); дальнейшим шагом явилась феноменологич. теория сверхпроводимости Ландау и В. Л. Гинзбурга (1950). В 50-х гг. были развиты новые методы расчёта в статистич. квант. теории многочастичных систем, одним из наиболее ярких достижений к-рых явилось создание Дж. Бардином, Л. Купером и Дж. Шриффером (США) и Н. Н. Боголюбовым микроскопич. теории сверхпроводимости.

На основе квант. теории вынужденного излучения, созданной Эйнштейном в 1917, в 50-х гг. возникла новая область радиофизики — квантовая электроника. Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым (и независимо Ч. Таунсом, США) осуществлены генерация и усиление эл.-магн. волн с помощью построенного ими мазера. В 60-х гг. был создан квант. генератор света — лазер.

Во 2-й четв. 20 в. происходило дальнейшее революц. преобразование Ф., связанное с познанием структуры ат. ядра и происходящих в нём процессов, а также с созданием Ф. элем. ч-ц. Открытию Резерфордом ат. ядра предшествовало открытие радиоактивности (А. Беккерель, П. и М. Кюри, Франция). В 1903 Резерфорд и Ф. Содди (Великобритания) объяснили радиоактивность как самопроизвольное превращение элементов, сопровождающееся излучением заряж. ч-ц. В 1919 Резерфорд, продолжая опыты по рассеянию альфа-частиц, добился превращения ядер азота в ядра кислорода. Открытие нейтрона в 1932 англ. физиком Дж. Чедвиком привели к созданию совр. протонно-нейтронной модели ядра (Д. Д. Иваненко, Гейзенберг). В 1934 франц. физики И. и Ф. Жолио-Кюри открыли искусств. радиоактивность.

Создание ускорителей заряженных ч-ц позволило изучать разл. яд. реакции. Важнейшим результатом этого этапа явилось открытие деления ат. ядра. В 1939—45 была впервые освобождена яд. энергия с помощью цепной реакции деления 235U. Впервые яд. энергия в мирных целях была использована в СССР. В 1954 в СССР была построена первая ат. электростанция (г. Обнинск). В 1952 была осуществлена реакция термоядерного синтеза (термоядерный взрыв). Одновременно с Ф. ат. ядра с 30-х гг. 20 в. начала быстро развиваться Ф. элем. ч-ц. Первые большие успехи в этой области были связаны с исследованием косм. лучей. Были открыты мюоны, p-мезоны, К-мезоны, первые гипероны. После создания ускорителей заряж. ч-ц на высокие энергии началось планомерное изучение элем. ч-ц, их св-в и вз-ствий. Было экспериментально доказано существование двух типов нейтрино и открыто много новых элем. ч-ц, в т. ч. крайне нестабильные ч-цы — резонансы. Обнаружена универсальная взаимопревращаемость элем. ч-ц.

Успехи теоретической и экспериментальной физики

Квантовая теория поля (КТП) — закономерный этап в развитии физ. теории — распространила квант. принципы на системы с бесконечным числом степеней свободы. Первоначально КТП была построена применительно к вз-ствию эл-нов, позитронов и фотонов (квантовая электродинамика, 1929). Вз-ствие между заряж. ч-цами, согласно этой теории, осуществляется путём обмена фотонами. Несмотря на то, что все выводы теории находятся в полном согласии с опытом, она встретила ряд трудностей. Так, теор. значения масс и зарядов ч-ц получаются бесконечно большими. Чтобы избежать противоречий, используют технику перенормировок, заключающуюся в том, что бесконечно большие в теории значения масс и зарядов ч-ц заменяются их наблюдаемыми значениями.

Идеи, положенные в основу квант. электродинамики, были использованы для описания процессов b-распада радиоактивных ат. ядер с помощью нового типа вз-ствия, назв. слабым взаимодействием.

Дальнейшим плодотворным применением идей КТП явилась гипотеза о том, что вз-ствие между нуклонами (протонами и нейтронами) возникает вследствие обмена мезонами. Короткодействующий хар-р яд. сил объясняется наличием у мезонов сравнительно большой массы покоя. Мезоны с предсказанными св-вами (пи-мезоны) были обнаружены в 1947. Вз-ствие их с нуклонами оказалось частным случаем сильных взаимодействий. Трудности сильных вз-ствий связаны с тем, что из-за большой константы связи приближённые методы теории возмущений оказываются здесь неприменимыми.

В кон. 60-х гг. была построена перенормируемая теория слабых вз-ствий. Успех был достигнут на основе т. н. калибровочных теорий. Создана объединённая модель слабых и эл.-магн. вз-ствий, согласно к-рой, наряду с фотоном — переносчиком эл.-магн. вз-ствий, должны существовать переносчики слабых вз-ствий — промежуточные векторные бозоны с массами в неск. десятков протонных масс. Наряду с заряженными (W+ и W-) бозонами должны существовать и нейтральные (Z°). В 1973 впервые экспериментально наблюдались процессы, к-рые можно объяснить существованием нейтральных бозонов (нейтральные токи), а в 1983 все эти бозоны были экспериментально обнаружены.

Большие успехи достигнуты в систематике сильно взаимодействующих ч-ц (адронов), позволившие предсказать существование неск. элем. ч-ц, открытых позднее экспериментально. Систематику адронов можно сделать наглядной, если предположить, что все адроны «построены» из небольшого числа (в первоначальном варианте из трёх) фундам. ч-ц — кварков с дробными электрич. зарядами и соответствующих антикварков. Открытие в 1975—76 нового класса ч-ц (J/y-мезонов) потребовало введения ещё одного кварка. Сделаны попытки построения теории сильных вз-ствий с учётом новых эксперим. данных (см. КВАНТОВАЯ ХРОМОДИНАМИКА).

Существ. черта совр. эксперим. Ф.— неизмеримо возросшая роль измерит. и вычислит. техники. Совр. эксперим. исследования в области ядра и элем. ч-ц, радиоастрономии, квант. электроники и Ф. тв. тела обычно ведутся на больших установках и требуют значительных материальных затрат. Огромную роль в развитии яд. Ф. и Ф. элем. ч-ц сыграли разработка методов наблюдения и регистрации отд. актов превращений элем. ч-ц и создание ускорителей элем. ч-ц, положившее начало развитию Ф. высоких энергий.

Подлинная революция в эксперим. исследовании вз-ствий элем. ч-ц связана с применением ЭВМ для обработки информации, получаемой от регистрирующих устройств. Это позволило фиксировать крайне редкие процессы и анализировать десятки тысяч фотографий треков элем. ч-ц.

Развитие радиофизики получило новое направление после создания в 1939—45 радиолокац. устройств. Были сооружены гигантские радиотелескопы, улавливающие излучение косм. тел с ничтожно малой спектральной плотностью потока энергии (до =10-2 эрг•см-2с-2 Гц-1), открыты с их помощью радиозвёзды и радиогалактики с мощным радиоизлучением, а в 1963 — наиболее удалённые от нас квазизвёздные объекты с большой светимостью — квазары. Исследование радиоизлучения небесных тел помогло установить источники первичных косм. лучей (протонов, более тяжёлых ядер и эл-нов). Ими оказались вспышки сверхновых звёзд. Было открыто реликтовое излучение, существование к-рого вытекало из модели горячей Вселенной. В 1967 открыты пульсары — быстро вращающиеся нейтронные звёзды. Пульсары создают направленное излучение в радио-, видимом и рентг. диапазонах. Интенсивность этого излучения периодически меняется за доли секунды из-за вращения звёзд.

Развитие традиц. направлений Ф. тв. тела привело к неожиданным открытиям новых физ. явлений и материалов с существенно новыми св-вами.

Успехи Ф. полупроводников совершили переворот в технике и радиотехнике. С заменой электровакуумных ламп полупроводниковыми приборами повысилась надёжность радиотехн. устройств и ЭВМ, существенно уменьшилась потребляемая ими мощность. Появились интегральные схемы, сочетающие на одном небольшом (площадью в десятки мм2) кристалле тысячи и более электронных элементов. Небольшие ЭВМ изготовляются на одном кристалле.

Большое значение как для самой науки, так и для практич. применений имеют результаты, полученные при исследовании в-ва в экстремальных условиях: при очень низких или очень высоких темп-рах, сверхвысоких давлениях или глубоком вакууме, сверхсильных магн. полях и т. д.

Основные нерешённые проблемы физики

Физика элементарных частиц. Наиболее фундам. проблемой Ф. было и остаётся исследование материи на уровне элем. ч-ц. Ещё далеко не все положения новых теорий получили прямое эксперим. подтверждение. Остаётся нерешённым вопрос о возможности существования кварков и мюонов (ч-ц, осуществляющих связь между кварками) в свободном состоянии.

Не удалось достигнуть б. или м. завершённого теоретич. обобщения обширного эксперим. материала с единой точки зрения. Не решена задача о теор. определении спектра масс элем. ч-ц. Неясно, существует ли верхняя граница для масс кварков и др. фундам. ч-ц. Не создана непротиворечивая теория вз-ствия элем. ч-ц, к-рая не приводила бы к бесконечным значениям масс и др. физ. величин. Наконец, не решена задача построения квант. теории тяготения. Лишь наметилось построение теории, объединяющей четыре фундам. вз-ствия (суперобъединение) .

Астрофизика. Развитие Ф. элем. ч-ц и ат. ядра позволило приблизиться к пониманию таких сложных проблем, как эволюция Вселенной на ранних стадиях её развития, эволюция звёзд и образования хим. элементов. Однако, несмотря на огромные достижения, перед совр. астрофизикой стоят нерешённые проблемы. Остаётся неясным, каково состояние материи при огромных плотностях и давлениях внутри нейтронных звёзд и «чёрных дыр». Не выяснены до конца природа квазаров и радиогалактик, причины вспышек сверхновых звёзд и появления всплесков g-излучения. Непонятно, почему число регистрируемых нейтрино, испускаемых Солнцем при термоядерных реакциях, меньше предсказываемого теорией. Не выявлен полностью механизм ускорения заряж. ч-ц (косм. лучей) при вспышках сверхновых звёзд и механизм эл.-магн. излучения пульсаров и т. д. Наконец, положено лишь начало решению проблемы эволюции Вселенной в целом.

Физика ядра. После создания протонно-нейтронной модели ядра был достигнут большой прогресс в понимании структуры ат. ядер, построены разл. приближённые модели ядра. Однако последоват. теории ат. ядра, позволяющей, в частности, рассчитать энергию связи нуклонов в ядре и уровни энергии ядра, пока нет. Успех в этом направлении может быть достигнут лишь после построения теории сильных вз-ствий. Эксперим. исследование вз-ствий нуклонов в ядре — ядерных сил — сопряжено с очень большими трудностями из-за предельно сложного хар-ра этих сил. Они зависят от расстояния между нуклонами, от скоростей нуклонов и ориентации их спинов.

Значит. интерес представляет возможность эксперим. обнаружения долгоживущих элементов с ат. номерами ок. 114 и 126 (т. н. островов стабильности), к-рые предсказываются теорией.

Одна из важнейших задач, к-рую предстоит решить,— проблема управляемого термоядерною синтеза (УТС), широко ведутся эксперим. и теор. исследования по созданию горячей дейтерий-тритиевой плазмы, необходимой для термоядерной реакции. Установки типа «токамак», впервые разработанные в СССР, являются, по-видимому, самыми перспективными в этом отношении. Разрабатываются и др. возможности решения проблемы УТС; в частности, для нагрева крупинок из смеси дейтерия с тритием можно использовать лазерное излучение, электронные и ионные пучки, получаемые в мощных импульсных ускорителях.

Квантовая электроника. Излучение квант. генераторов уникально по своим св-вам. Оно когерентно и может достигать в узком спектр. интервале огромной мощности: 1012—1013 Вт, причём расходимость светового пучка составляет всего ок. 10-4 рад. Напряжённость электрич. поля излучения лазера может превышать напряжённость внутриатомного поля. Создание лазеров вызвало появление и быстрое развитие нового раздела — нелинейной оптики. В сильном лазерном излучении становятся существенными нелинейные эффекты вз-ствия эл.-магн. волны со средой. Эти эффекты: перестройка частоты излучения, самофокусировка пучка и др.— представляют большой теор. и практич. интерес.

Почти строгая монохроматичность лазерного излучения позволила получать с помощью интерференции волн объёмное изображение объектов (голограммы). Лазерное излучение применяют для разделения изотопов, для испарения и сварки металлов в вакууме, в медицине и т. д. Ведётся поиск возможностей применения лазеров для нагрева в-ва до термоядерных темп-р, осуществления связи в космосе и т. д.

Гл. проблемы, к-рые предстоит решить,— это дальнейшее повышение мощности и расширение диапазона длин волн лазерного луча с плавной перестройкой по частоте. Ведутся поисковые работы по созданию рентг. и гамма-лазеров.

Физика твёрдого тела. Ф. тв. тела принадлежит ведущая роль в исследовании возможностей получения материалов с экстремальными св-вами в отношении механич. прочности, теплостойкости, электрич., магн. и оптич. хар-к.

С 70-х гг. 20 в. ведутся активные поиски нефононных механизмов сверхпроводимости. Решение этой задачи, возможно, позволило бы создать высокотемпературные сверхпроводники, что, в частности, решило бы проблему передачи электроэнергии на большие расстояния практически без потерь. Разрабатываются принципиально новые физ. методы получения более надёжных и миниатюрных полупроводниковых устройств. методы получения более высоких давлений, сверхнизких темп-р и т. п. Большое значение имеет изучение Ф. полимеров с их необычными механич. и термодинамич. св-вами, в частности биополимеров.

Физика плазмы. Важность изучения плазмы связана с двумя обстоятельствами. Во-первых, в плазменном состоянии находится подавляющая часть в-ва Вселенной. Во-вторых, именно в высокотемпературной плазме имеется возможность осуществления управляемого термоядерного синтеза.

Осн. ур-ния, описывающие плазму, известны, однако процессы в плазме столь сложны, что предсказать её поведение в разл. условиях весьма трудно. Гл. проблема, стоящая перед Ф. плазмы,— разработка эффективных методов её разогрева до темп-ры =109 К и удержание её в этом состоянии в течение времени, достаточного для протекания термоядерной реакции в большей части рабочего объёма. Решение проблемы устойчивости плазмы играет важную роль также в обеспечении работы ускорителей на встречных пучках и в разработке т. н. коллективных методов ускорения ч-ц. Исследование эл.-магн. и корпускулярного излучения плазмы имеет решающее значение для объяснения ускорения заряж. ч-ц при вспышках сверхновых звёзд, излучения пульсаров и др.

Разумеется, проблемы совр. Ф. не сводятся только к перечисленным; свои задачи имеются во всех разделах Ф., и общее число их столь велико, что они не могут быть здесь приведены.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.