ФИЗИКА

ФИЗИКА Содержание:

I. Предмет и структура физики

II. Основные этапы развития
физики

III. Фундаментальные теории
физики

IV. Современная экспериментальная
физика.

V. Некоторые нерешённые проблемы
физики

VI. Связь физики с другими
науками и техникой
I. Предмет и структура
физики

Ф.- наука, изучающая простейшие
и вместе с тем наиболее общие закономерности явлений природы, свойства
и строение материи и законы её движения. Поэтому 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. Первоначально, в эпоху античной культуры наука
не была расчленённой и охватывала всю совокупность знаний о природных явлениях.
По мере дифференциации знаний и методов исследования из общей науки о природе
выделились отд. науки, в т. ч. и Ф. Границы, отделяющие Ф. от др. естеств.
наук, в значит. мере условны и меняются с течением времени.

В своей основе Ф.- экспериментальная
наука: её законы базируются на фактах, установленных опытным путём. Эти
законы представляют собой количеств. соотношения и формулируются на мате-матич.
языке. Различают экспериментальную Ф.- опыты, проводимые для обнаружения
новых фактов и для проверки известных физ. законов, и теоретическую Ф.,
цель к-рой состоит в формулировке законов природы и в объяснении конкретных
явлений на основе этих законов, а также в предсказании новых явлений. При
изучении любого явления опыт и теория в равной мере необходимы и взаимосвязаны.

В соответствии с многообразием
исследуемых объектов и форм движения физ. материи Ф. подразделяется на
ряд дисциплин (разделов), в той или иной мере связанных друг с другом.
Деление Ф. на отд. дисциплины не однозначно, и его можно проводить, руководствуясь
различными критериями. По изучаемым объектам Ф. делится на Ф. элементарных
частиц, Ф. ядра, Ф. атомов и молекул, Ф. газов и жидкостей, Ф. твёрдого
тела, Ф. плазмы. Др. критерии - изучаемые процессы или формы движения материи.
Различают: механич. движение, тепловые процессы, электромагнитные явления,
гравитационные, сильные, слабые взаимодействия; соответственно в Ф. выделяют
механику материальных точек и твёрдых тел, механику сплошных сред (включая
акустику), термодинамику и статистич. механику, электродинамику (включая
оптику), теорию тяготения, квантовую механику и квантовую теорию поля.
Указанные подразделения Ф. частично перекрываются вследствие глубокой внутр.
взаимосвязи между объектами материального мира и процессами, в к-рых они
участвуют. По целям исследования выделяют иногда также прикладную Ф. (напр.,
прикладная оптика).

Особо выделяют в Ф. учение
о колебаниях и волнах, что обусловлено общностью закономерностей колебательных
процессов различной 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 фундаментальных физ. теорий, охватывающих все разделы Ф. Эти теории
представляют собой квинтэссенцию знаний о характере физ. процессов и явлений,
приближённое, но наиболее полное отображение различных форм движения материи
в природе.
II. Основные этапы развития
физики Становление физики (до 17 в.).

Физ. явления окружающего
мира издавна привлекали внимание людей. Попытки причинного объяснения этих
явлений предшествовали созданию Ф. в совр. 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 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. дон. 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 гл. критерием достоверности знания,
отдавая предпочтение умозрит. 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 сер. 16
в. Н. Коперник выдвинул гелиоцентрическую систему мира и
положил начало освобождению естествознания от теологии. Потребности произ-ва,
развитие ремёсел, судоходства и артиллерии стимулировали науч. исследования,
опирающиеся на опыт. Однако в 15-16 вв. экспериментальные исследования
носили в основном случайный характер. Лишь в 17 в. началось систематич.
применение экспериментального метода в Ф., и это привело к созданию первой
фундаментальной физ. теории - классич. механики Ньютона.

Формирование физики как науки
(нач. 17 - кон. 18 вв.). Развитие Ф. как науки в совр. смысле этого слова
берёт начало с трудов Г. Галилея (1-япол. 17 в.), к-рый понял необходимость
математич. 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 астрономич. открытий
(горы на Луне, спутники Юпитера и др.). Количеств. изучение тепловых явлений
началось после изобретения Галилеем первого термометра.
В 1-й пол. 17 в. началось
успешное изучение

газов. Ученик Галилея Э.
Торричелли
установил существование атм. давления и создал первый барометр. Р.
Бойль и Э. Mapuomm 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
нач. 17 в. У. Гильбертом. Он доказал, что Земля является большим
магнитом, и первый строго разграничил электрич. и магнитные явления.

Осн. достижением Ф. 17 в.
было создание классич. механики. Развивая идеи Галилея, X. Гюйгенса
и
др. предшественников, И. Ньютон в труде "Математические начала натуральной
философии" (1687) сформулировал все осн. законы этой науки (см. Ньютона
законы механики). При построении классич. механики впервые был воплощён
идеал науч. 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 замечат. точностью
рассчитать движение Луны, планет и комет Солнечной системы, объяснить приливы
и отливы в океане. Ньютон придерживался концепции дальнодействия, согласно
к-рой взаимодействие тел (частиц) происходит мгновенно непосредственно
через пустоту; силы взаимодействия должны определяться экспериментально.
Им были впервые чётко сформулированы классич. 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 физ. маятника, построил часы с маятником.

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

Во 2-й пол. 17 в. начала
быстро развиваться геометрич. оптика применительно к конструированию телескопов
и др. оптич. приборов, а также были заложены основы физич. оптики. Ф. Гримальди
открыл
дифракцию света, а Ньютон провёл фундаментальные исследования
дисперсии
света. С этих работ Ньютона берёт начало оптич. спектроскопия. В 1676
О. К. Рёмер впервые измерил скорость света. Почти одновременно возникли
и начали развиваться две различные теории о физ. 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 к-рой свет - это
поток волн, распространяющихся в особой гипотетич. среде - эфире, заполняющем
всё пространство и проникающем внутрь всех тел.

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

В 18 в. продолжалось развитие
классич. 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 механич. картина
мира, согласно к-рой всё богатство, всё качеств. 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 физ. явления считалось научным и полным, если его
можно было свести к действию законов механики.

Важным стимулом для развития
механики послужили запросы развивающегося произ-ва. 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 пол.
18в. были заложены основы гидродинамики идеальной жидкости - несжимаемой
жидкости, лишённой вязкости и теплопроводности. В "Аналитической механике"
(1788) Лаг-ранжа 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
электрич. заряда. Г. Кавендиш и независимо Ш. Кулон открыли
осн. закон электростатики, определяющий силу взаимодействия неподвижных
электрич. зарядов (Кулона закон). Возникло учение об атм. электричестве.
Франклин, М. В. Ломоносов и Г. В. Рихман доказали электрич.
природу молнии. В оптике продолжалось совершенствование объективов телескопов.
Трудами П. Бугера и И. Ламберта начала создаваться фотометрия.
Были открыты инфракрасные (В. Гершелъ, 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 калориметрич. опытах стали различать темп-ру 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 к-рой теплота - это вид внутр. 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 нач. 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 количеств. закон, определяющий интенсивность преломлённых 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. Галъвани и А. Вольта электрич. тока.
Создание мощных источников постоянного тока - гальванич. 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 X. К. Эрстедом (1820) действия электрич.
тока на магнитную стрелку доказало связь между электричеством и магнетизмом.
Основываясь на единстве электрич. и магнитных явлений, А. Ампер пришёл
к выводу, что все магнитные явления обусловлены движущимися заряженными
частицами - электрич. током. Вслед за этим Ампер экспериментально установил
закон, определяющий силу взаимодействия электрич. токов (Ампера закон).

В 1831 Фарадей открыл явление
электромагнитной индукции (см. Индукция электромагнитная). При попытках
объяснения этого явления с помощью концепции дальнодействия встретились
значит. затруднения. Фарадей высказал гипотезу (ещё до открытия электромагнитной
индукции), согласно к-рой 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 нач. 19 в. Дж. Дальтон
ввёл
в науку (1803) представление об атомах как мельчайших (неделимых) частицах
вещества- носителях хим. 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 макроскопич. свойствах твёрдых тел (металлов,
технич. материалов, минералов и т. п.) и установление эмпирич. законов
поведения твёрдого тела под влиянием внешних воздействий (механич. сил,
нагревания, электрич. и магнитных полей, света и т. д.). Исследование упругих
свойств привело к открытию Тука 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 осн. 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 значит. частью учёных было признано,
что твёрдые тела, являющиеся в большинстве своём кристаллами, обладают
внутр. микроскопич. структурой.

Важнейшее значение для Ф.
и всего естествознания имело открытие закона сохранения энергии, связавшего
воедино все явления природы. В сер. 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. Гельм-гольц независимо открыли закон сохранения и превращения
энергии. Закон сохранения энергии стал осн. 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. Клау-зиуса (1850) и У.
Томсона
(1851). Он является обобщением опытных данных, свидетельствующих о
необратимости тепловых процессов в природе, и определяет направление возможных
энергетич. процессов. Значит. роль в построении термодинамики сыграли исследования
Ж. Л. Гей-Люссака, на основе к-рых Б. Клапейроном
было найдено
уравнение состояния идеального газа, обобщённое в дальнейшем Д. И. Менделеевым.

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

На первом этапе развития
кинетич. теории наиболее простой среды - газа- Джоуль, Клаузиус и др. вычислили
ср. значения различных физ. величин: скорости молекул, числа их столкновений
в секунду, длины свободного пробега и т. д. Была получена зависимость давления
газа от числа молекул в единице объёма и средней кинетич. энергии поступат.
движения молекул. Это позволило вскрыть физ. смысл темп-ры как меры средней
кинетич. энергии молекул.

Второй этап развития молекулярно-кинетич.
теории начался с работ Дж. К. Максвелла. В 1859, введя впервые в
Ф. понятие вероятности, он нашёл закон распределения молекул по скоростям
(см. Максвелла распределение). После этого возможности молекулярно-кинетич.
теории необычайно расширились и привели в дальнейшем к созданию статистич.
механики. Л. Болъцман построил кинетическую теорию газов и
дал статистич. обоснование законов термодинамики. Осн. проблема, к-рую
в значит. степени удалось решить Больцману, заключалась в согласовании
обратимого во времени характера движения отд. молекул с очевидной необратимостью
макроскопич. процессов. Термодинамич. равновесию системы, по Больцману,
соответствует максимум вероятности данного состояния. Необратимость процессов
связана со стремлением систем к наиболее вероятному состоянию. Большое
значение имела доказанная им теорема о равномерном распределении средней
кинетич. энергии по степеням свободы.

Классич. статистич. механика
была завершена в работах Дж. У. Гиббса (1902), создавшего метод
расчёта функций распределения для любых систем (а не только газов) в состоянии
термо-динамич. равновесия. Всеобщее признание статистич. механика получила
в 20 в. после создания А. Эйнштейном и М. Смолуховским (1905-06)
на основе молекулярно-кинетической теории количественной теории броуновского
движения,
подтверждённой в опытах Ж. Б. Перрена.

Во 2-й пол. 19 в. длит. процесс
изучения электромагнитных явлений был завершён Максвеллом. В своей осн.
работе "Трактат об электричестве и магнетизме" (1873) он установил уравнения
для электромагнитного поля (носящие его имя), к-рые объясняли все известные
в то время факты с единой точки зрения и позволяли предсказывать новые
явления. Электромагнитную индукцию Максвелл интерпретировал как процесс
порождения переменным магнитным полем вихревого элект-рич. поля. Вслед
за этим он предсказал обратный эффект - порождение магнитного поля переменным
электрич. полем (см. Ток смещения). Важнейшим результатом теории
Максвелла был вывод о конечности скорости распространения электромагнитных
взаимодействий, равной скорости света. Экспериментальное обнаружение электромагнитных
волн Г. Р. Герцем (1886-89) подтвердило справедливость этого вывода.
Из теории Максвелла вытекало, что свет имеет электромагнитную природу.
Тем самым оптика стала одним из разделов электродинамики. В самом конце
19 в. П. Н. Лебедев обнаружил на опыте и измерил давление света,
предсказанное теорией Максвелла, а А. С. Попов впервые использовал
электромагнитные волны для беспроволочной связи.

В 19 в. Г. Кирхгоф и
П. Бунзен заложили основы спектрального анализа (1859). Продолжалось
также развитие механики сплошных сред. В акустике была разработана теория
упругих колебаний и волн (Гельмгольц, Дж. У. Рэлей и др.). Возникла
техника получения низких темп-р. Были получены в жидком состоянии все газы,
кроме гелия, а в нач. 20 в. X. Камерлинг-Оннес (1908) ожижил гелий.

К кон. 19 в. Ф. представлялась
современникам почти завершённой. Казалось, что все физ. явления можно свести
к механике молекул (или атомов) и эфира. Эфир рассматривался как механич.
среда, в к-рой разыгрываются электромагнитные явления. Один из крупнейших
физиков 19 в.- У. Томсон обращал внимание лишь на два необъяснимых факта:
отрицат. результат Майкельсона опыта по обнаружению движения Земли
относительно эфира и непонятную с точки зрения молекулярно-кинетич. теории
зависимость теплоёмкости газов от темп-ры. Однако именно эти факты явились
первым указанием на необходимость пересмотра осн. представлений Ф. 19 в.
Для объяснения этих и множества др. фактов, открытых впоследствии, понадобилось
создание теории относительности и квантовой механики, Релятивистская и
квантовая физика. Физика атомного ядра и элементарных частиц (кон. 19-20
вв.). Наступление новой эпохи в Ф. было подготовлено открытием электрона
Дж. Томсоном в 1897. Выяснилось, что атомы не элементарны, а представляют
собой сложные системы, в состав к-рых входят электроны. Важную роль в этом
открытии сыграло исследование электрич. разрядов в газах.
В кон. 19 - нач. 20 вв.
X. Лоренц заложил основы электронной теории.

В нач. 20 в. стало ясно,
что электродинамика требует коренного пересмотра представлений о пространстве
и времени, лежащих в основе классич. механики Ньютона. В 1905 Эйнштейн
создал частную (специальную) теорию относительности - новое учение о пространстве
и времени. Эта теория исторически была подготовлена трудами Лоренца и А.
Пуанкаре.

Опыт показывал, что сформулированный
Галилеем принцип относительности, согласно к-рому механич. явления протекают
одинаково во всех инерциалъных системах отсчёта, справедлив и для
электромагнитных явлений. Поэтому уравнения Максвелла не должны изменять
свою форму (должны быть инвариантными) при переходе от одной инерциальной
системы отсчёта к другой. Однако оказалось, что это справедливо лишь в
том случае, если преобразования координат и времени при таком переходе
отличны от преобразований Галилея, справедливых в механике Ньютона. Лоренц
нашёл эти преобразования (Лоренца преобразования), но не смог дать
им правильную интерпретацию. Это было сделано Эйнштейном в его частной
теории относительности.

Открытие частной теории относительности
показало ограниченность механич. картины мира. Попытки свести электромагнитные
процессы к механич. процессам в гипотетич. среде - эфире оказались несостоятельными.
Стало ясно, что электромагнитное поле представляет собой особую форму материи,
поведение к-рой не подчиняется законам механики.

В 1916 Эйнштейн построил
общую, теорию относительности - физ. теорию пространства, времени и тяготения.
Эта теория ознаменовала новый этап в развитии теории тяготения.

На рубеже 19-20 вв., ещё
до создания спец. теории относительности, было положено начало величайшей
революции в области Ф., связанной с возникновением и развитием квантовой
теории.

В кон. 19 в. выяснилось,
что распределение энергии теплового излучения по спектру, выведенное из
закона классич. статистич. физики о равномерном распределении энергии по
степеням свободы, противоречит опыту. Из теории следова- , ло, что вещество
должно излучать электромагнитные волны при любой темп-ре, терять энергию
и охлаждаться до абс. нуля, т. е. что тепловое равновесие между веществом
и излучением невозможно. Однако повседневный опыт противоречил этому выводу.
Выход был найден в 1900 М. Планком, показавшим, что результаты теории
согласуются с опытом, если предположить, в противоречии с классич. электродинамикой,
что атомы испускают электромагнитную энергию не непрерывно, а отд. порциями
- квантами. Энергия каждого такого кванта прямо пропорциональна частоте,
а коэфф. пропорциональности является квант действия h = 6,6*10^-27эрг*сек,
получивший впоследствии название постоянной Планка.

В 1905 Эйнштейн расширил
гипотезу Планка, предположив, что излучаемая порция электромагнитной энергии
распространяется и поглощается также только целиком, т. е. ведёт себя подобно
частице (позднее она была названа 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 частиц (корпускул); однако одновременно ему присущи и волновые свойства,
к-рые проявляются, в частности, в дифракции и интерференции света. Следовательно,
несовместимые с точки зрения классич. Ф. волновые и корпускулярные свойства
присущи свету в равной мере (дуализм света). "Квантование" излучения приводило
к выводу, что энергия внутриатомных движений также может меняться только
скачкообразно. Такой вывод был сделан Н. Бором в 1913.

К этому времени Э. Резерфорд
(1911)
на основе экспериментов по рассеянию альфа-частиц веществом открыл атомное
ядро и построил планетарную модель атома. В атоме Резерфорда электроны
движутся вокруг ядра подобно тому, как планеты движутся вокруг Солнца.
Однако, согласно электродинамике Максвелла, такой атом неустойчив: электроны,
двигаясь по круговым (или эллиптическим) орбитам, испытывают ускорение,
а следовательно, должны непрерывно излучать электромагнитные волны, терять
энергию и, постепенно приближаясь к ядру, в конце концов (как показывали
расчёты, за время порядка 10^-8сек) упасть на него. Т. о., устойчивость
атомов и их линейчатые спектры оказались необъяснимыми в рамках законов
классич. Ф. Бор нашёл выход из этой трудности. Он постулировал, что в атомах
имеются особые стационарные состояния, в к-рых электроны не излучают. Излучение
происходит при переходе из одного стационарного состояния в другое. Дискретность
энергии атома была подтверждена опытами Дж. Франка
и Г. Герца
(1913-14) по изучению столкновений с атомами электронов, ускоренных
элек-трич. полем. Для простейшего атома - атома водорода - Бор построил
количеств. теорию спектра излучения, согласующуюся с опытом.

В тот же период (кон. 19
- нач. 20 вв.) начала формироваться Ф. твёрдого тела в её совр. понимании
как Ф. конденсированных систем из огромного числа частиц ( 10²²см^-3).
До 1925 её развитие происходило по двум направлениям: Ф. кри-сталлич.
решётки и Ф. электронов в кристаллах, прежде всего в металлах. В дальнейшем
эти направления сомкнулись на базе квантовой теории.

Представление о кристалле
как о совокупности атомов, упорядоченно расположенных в пространстве и
удерживаемых в положении равновесия силами взаимодействия, прошло длит.
путь развития и окончательно сформировалось в нач. 20 в. Разработка этой
модели началась с работы Ньютона (1686) по расчёту скорости звука в цепочке
упруго связанных частиц и продолжалась др. учёными: Д. и И. Бернулли
(1727),
Коши (1830), У. Томсоном (1881) и др.

В кон. 19 в. Е. С. Фёдоров
работами
по структуре и симметрии кристаллов заложил основы теоретич. кристаллографии;
в 1890-91 он доказал возможность существования 230 пространств. групп симметрии
кристаллов - видов упорядоченного расположения частиц в кри-сталлич.
решётке (т. н. фёдоровских групп). В 1912 М. Лауэ
с сотр.
открыл дифракцию рентгеновских лучей на кристаллах, окончательно утвердив
представление о кристалле как упорядоченной атомной структуре. На основе
этого открытия был разработан метод экспериментального определения расположения
атомов в кристаллах и измерения межатомных расстояний, что положило начало
рентгеновскому структурному анализу [У. Л. Брэгг и У. Г.
Брэгг (1913), Г. В. Вулъф (1913)]. В эти же годы (1907- 1914)
была разработана динамич. теория кристаллич. решёток, уже существенно учитывающая
квантовые представления. В 1907 Эйнштейн на модели кристалла как совокупности
квантовых гармонич. осцилляторов одинаковой частоты объяснил наблюдаемое
падение теплоёмкости твёрдых тел при понижении темп-ры - факт, находящийся
в резком противоречии с законом Дюлонга и Пти. Более совершенная динамич.
теория кристаллич. решётки как совокупности связанных квантовых осцилляторов
различных частот была построена П. Дебаем
(1912), М. Борном и
Т. Карманом (1913), Э. Шрё-дингером
(1914) в форме, близкой
к современной. Новый важный её этап начался после создания квантовой механики.

Второе направление (Ф. системы
электронов в кристалле) начало развиваться сразу после открытия электрона
как электронная теория металлов и др. твёрдых тел. В этой теории электроны
в металле рассматривались как заполняющий кристаллич. решётку газ свободных
электронов, подобный обычному разреженному молекулярному газу, подчиняющемуся
классич. статистике Больцмана. Электронная теория позволила дать объяснение
законов Ома и Видемана-Франца (П. Друде), заложила основы теории
дисперсии света в кристаллах и др. Однако не все факты укладывались в рамки
классич. электронной теории. Так, не получила объяснения зависимость уд.
сопротивления металлов от темп-ры, оставалось неясным, почему электронный
газ не вносит заметного вклада в теплоёмкость металлов и т. д. Выход из
создавшихся трудностей был найден лишь после построения квантовой механики.

Созданный Бором первый вариант
квантовой теории был внутренне противоречивым: используя для движения электронов
законы механики Ньютона, Бор в то же время искусственно накладывал на возможные
движения электронов квантовые ограничения, чуждые классич. Ф.

Достоверно установленная
дискретность действия и её количеств. мера - постоянная Планка h
- универсальная мировая постоянная, играющая роль ес-теств. масштаба
явлений природы, требовали радикальной перестройки как законов механики,
так и законов электродинамики. Классич. законы справедливы лишь при рассмотрении
движения объектов достаточно большой массы, когда величины размерности
действия велики по сравнению с h и дискретностью действия можно
пренебречь.

В 20-е гг. 20 в. была создана
самая глубокая и всеобъемлющая из современных физ. теорий - квантовая,
или волновая, механика - последовательная, логически завершённая нерелятивистская
теория движения микрочастиц, к-рая позволила также объяснить мн. свойства
ма-кроскопич. тел и происходящие в них явления. В основу квантовой механики
легли идея квантования Планка - Эйнштейна - Бора и выдвинутая Л. де Брой-лем
гипотеза
(1924), что двойственная корпускулярно-волновая природа свойственна не
только электромагнитному излучению (фотонам), но и любым др. видам материи.
Все микрочастицы (электроны, протоны, атомы и т. д.) обладают наряду с
корпускулярными и волновыми свойствами: каждой из них можно поставить в
соответствие волну (длина к-рой равна отношению постоянной Планка h
к
импульсу частицы, а частота -отношению энергии частицы к h). Волны де
Бройля описывают свободные частицы. В 1927 впервые наблюдалась дифракция
электронов, экспериментально подтвердившая наличие у них волновых свойств.
Позднее дифракция наблюдалась и у др. микрочастиц, включая молекулы (см.
Дифракция
частиц).

В 1926 Шрёдингер, пытаясь
получить дискретные значения энергии атома из уравнения волнового типа,
сформулировал осн. уравнение квантовой механики, названное его именем.
В. Гейзенберг и Борн (1925) построили квантовую механику в др. математич.
форме - т. н. матричную механику.

В 1925 Дж. К). Уленбек
и
С. А. Гауд-смит на основании экспериментальных (спектроскопических)
данных открыли существование у электрона собственного момента количества
движения - спина (а следовательно, и связанного с ним собственного,
спинового, магнитного момента), равного 1/2 h. (Величина спина обычно
выражается в единицах h = h /2п, к-рая, как и h, наз. постоянной
Планка; в этих единицах спин электрона равен 1/2.) В. Паули записал
уравнение движения нерелятивистского электрона во внешнем электромагнитном
поле с учётом взаимодействия спинового магнитного момента электрона с магнитным
полем. В 1925

он же сформулировал т. н.
принцип запрета, согласно к-рому в одном квантовом состоянии не может находиться
больше одного электрона (Паули принцип). Этот принцип сыграл важнейшую
роль в построении квантовой теории систем многих частиц, в частности объяснил
закономерности заполнения электронами оболочек и слоев в многоэлектронных
атомах и т. о. дал теоретич. обоснование периодической системе элементов
Менделеева.

В 1928 П. А. М. Дирак
получил
квантовое релятивистское уравнение движения электрона (см.
Дирака уравнение),
из к-рого естественно вытекало наличие у электрона спина. На основании
этого уравнения Дирак в 1931 предсказал существование позитрона (первой
античастицы), в 1932 открытого К. Д. Андерсоном
в космических
лучах. [Античастицы других структурных единиц вещества (протона и нейтрона)-
антипротон и антинейтрон были экспериментально открыты соответственно
в 1955 и 1956.]

Параллельно с развитием квантовой
механики шло развитие квантовой статистики - квантовой теории поведения
физ. систем (в частности, макроскопич. тел), состоящих из огромного числа
микрочастиц. В 1924 Ш. Базе, применив принципы квантовой статистики
к фотонам - частицам со спином 1, вывел формулу Планка распределения энергии
в спектре равновесного излучения, а Эйнштейн получил формулу распределения
энергии для идеального газа молекул (Базе- Эйнштейна статистика). В
1926 П. А. М. Дирак и Э. Ферми показали, что совокупность электронов (и
др. одинаковых частиц со спином 1/2 ), для к-рых справедлив принцип Паули,
подчиняется др. статистике - Ферми - Дирака статистике. В 1940 Паули
установил связь спина со статистикой.

Квантовая статистика сыграла
важнейшую роль в развитии Ф. конденсированных сред и в первую очередь в
построении Ф. твёрдого тела. На квантовом языке тепловые колебания атомов
кристалла можно рассматривать как совокупность своего рода "частиц", точнее
квазичастиц,-
фонтов (введены И. Е. Там-мом в 1929). Такой подход объяснил,
в частности, спад теплоёмкости металлов (по закону Г³) с понижением
темп-ры Т в области низких темп-р, а также показал, что причина
электрич. сопротивления металлов - рассеяние электронов не на ионах, а
в основном на фононах. Позднее были введены др. квазичастицы. Метод квазичастиц
оказался весьма эффективным для исследования свойств сложных макроскопич.
систем в конденсированном состоянии.

В 1928 А. Зоммерфелъд
применил
функцию распределения Ферми-Дирака для описания процессов переноса в металлах.
Это разрешило ряд трудностей классич. теории и создало основу для дальнейшего
развития квантовой теории кинетич. явлений (электро- и теплопроводности,
термоэлектрических, гальваномагнитных и др. эффектов) в твёрдых телах,
особенно в металлах и полупроводниках.

Согласно принципу Паули,
энергия всей совокупности свободных электронов металла даже при абс. нуле
отлична от нуля. В невозбуждённом состоянии все уровни энергии, начиная
с нулевого и кончая нек-рым макс. уровнем (уровнем Ферми), оказываются
занятыми электронами. Эта картина позволила Зоммер-фельду объяснить малость
вклада электронов в теплоёмкость металлов: при нагревании возбуждаются
только электроны вблизи уровня Ферми.

В работах Ф. Блоха, X.
А. Бете и Л. Бриллюэна (1928-34) была разработана теория
зонной энергетич. структуры кристаллов, к-рая дала естеств. объяснение
различиям в электрич. свойствах диэлектриков и металлов. Описанный подход,
получивший назв. одноэлектрон-ного приближения, имел дальнейшее развитие
и широкое применение, особенно в Ф. полупроводников.

В 1928 Я. И. Френкель
и
Гейзенберг показали, что в основе ферромагнетизма лежит квантовое
обменное
взаимодействие (к-рое на примере атома гелия было в 1926 рассмотрено
Гейзенбергом); в 1932-33 Л. Неель и независимо Л. Д.
Ландау предсказали
антиферромагнетизм.

Открытия сверхпроводимости
Камер-линг-Оннесом
(1911) и сверхтекучести жидкого гелия П. Л. Капицей (1938)
стимулировали развитие новых методов в квантовой 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
мощные методы расчётов в статистич. квантовой теории многочастичных систем,
одним из наиболее ярких достижений которых явилось создание Дж. Бардином,
Л.
Купером, Дж. Шриффером (США) и Н. Н. Боголюбовым
(СССР)
микроскопич. теории сверхпроводимости.

Попытки построения последовательной
квантовой теории излучения света атомами привели к новому этапу развития
квантовой теории - созданию квантовой электродинамики (Дирак, 1929).

Во 2-й четв. 20 в. происходило
дальнейшее революц. преобразование Ф., связанное с познанием структуры
атомного ядра и совершающихся в нём процессов и с созданием Ф. элементарных
частиц. Упомянутое выше открытие Резерфордом атомного ядра было подготовлено
открытием радиоактивности и радиоактивных превращений тяжёлых атомов
ещё в кон.

19 в. (А. Беккерелъ, П.
и М. Кюри). В нач. 20 в. были открыты изотопы. Первые попытки
непосредств. исследования строения атомного ядра относятся к 1919, когда
Резерфорд путём обстрела стабильных ядер азота а-частицами добился их искусств.
превращения в ядра кислорода. Открытие нейтрона в 1932 Дж. Чедвиком
привело
к созданию современной протонно-нейтронной модели ядра (Д. Д. Иваненко,
Гейзенберг). В 1934 супруги И. и Ф. Жолио-Кюри открыли искусств.
радиоактивность.

Создание ускорителей заряженных
частиц позволило изучать различные ядерные реакции. Важнейшим результатом
этого этапа Ф. явилось открытие деления атомного ядра. В 1939-45 была впервые
освобождена ядерная энергия с помощью цепной реакции деления ²³⁵U
и создана атомная 5омба. Заслуга использования управляемой ядерной реакции
деления ²³⁵U в мирных, пром. целях принадлежит СССР. В 1954
в СССР была построена первая 1томная электростанция (г. Обнинск). Позже
рентабельные атомные электро-станции были созданы во мн. странах. В 1952
была осуществлена реакция термоядерного синтеза (взорвано ядерное устройство),
и в 1953 создана водородная бомба. Одновременно с Ф. атомного ядра в 20
в. начала быстро развиваться Ф. элементарных частиц. Первые большие успехи
в этой области связаны с исследованием космич. лучей. Были открыты мюоны,
пи-мезоны, К-мезоны, первые гипероны. После создания ускорителей
заряженных частиц на высокие энергии началось планомерное изучение элементарных
частиц, их свойств и взаимодействий; было экспериментально доказано существование
двух типов нейтрино и открыто много новых элементарных частиц, в
т. ч. крайне нестабильные частицы - резо-нансы, ср. время жизни
к-рых составляет всего 10^-22-10^-24сек. Обнаруженная
универсальная взаимопревращаемость элементарных частиц указывала на то,
что эти частицы не элементарны в абс. смысле этого слова, а имеют сложную
внутр. структуру, к-рую ещё предстоит открыть. Теория элементарных частиц
и их взаимодействий (сильных, электромагнитных и слабых) составляет предмет
квантовой теории поля-теории, ещё далёкой от завершения.
III. Фундаментальные теории
физики



Классическая механика
Ньютона. Фундаментальное значение для всей Ф. имело введение Ньютоном
понятия состояния. Первоначально оно было сформулировано для простейшей
механич. системы- системы материальных точек. Именно для материальных
точек непосредственно справедливы законы Ньютона. Во всех последующих физ.
теориях понятие состояния было одним из основных. Состояние механич. системы
полностью определяется координатами и импульсами всех образующих систему
тел. Если известны силы взаимодействия тел, определяющие их ускорения,
то по значениям координат и импульсов в начальный момент времени уравнения
движения механики Ньютона (второй закон Ньютона) позволяют однозначно установить
значения координат и импульсов в любой последующий момент времени. Координаты
и импульсы - осн. величины в классич. механике; зная их, можно вычислить
значение любой др. механич. величины: энергии, момента количества движения
и др. Хотя позднее выяснилось, что ньютоновская механика имеет огранич.
область применения, она была и остаётся тем фундаментом, без к-рого построение
всего здания совр. Ф. было бы невозможным.



Механика сплошных сред.
Газы,
жидкости и твёрдые тела в механике сплошных сред рассматриваются как непрерывные
однородные среды. Вместо координат и импульсов частиц состояние системы
однозначно характеризуется след. ф-циями координат (х, у, z) и времени
(t):
плотностью р (х, у, z, t), давлением Р (х, у, г, t) и
гидродинамич. скоростью v (х, у, z, t), с к-рой переносится масса.
Уравнения механики сплошных сред позволяют установить значения этих функций
в любой последующий момент времени, если известны их значения в начальный
момент и граничные условия.

Эйлера уравнение, связывающее
скорость течения жидкости с давлением, вместе с неразрывности уравнением,
выражающим
сохранение вещества, позволяют решать любые задачи динамики идеальной жидкости.
В гидродинамике вязкой жидкости учитывается действие сил трения и влияние
теплопроводности, 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 уравнений, 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.



Термодинамика. Всё
содержание термодинамики является в основном следствием двух начал: первого
начала - закона сохранения энергии, и второго начала, из к-рого следует
необратимость макроскопич. процессов. Эти начала позволяют ввести однозначные
функции состояния: внутреннюю энергию и энтропию. В замкнутых
системах внутр. энергия остаётся неизменной, а энтропия сохраняется только
при равновесных (обратимых) процессах. При необратимых процессах энтропия
возрастает, и её рост наиболее полно отражает определённую направленность
макроскопич. процессов в природе. В термодинамике осн. величинами, задающими
состояние системы,- термодинамическими параметрами - являются в
простейшем случае давление, объём и темп-pa. Связь между ними даётся термич.
уравнением состояния (а зависимость энергии от объёма и темп-ры - калорич.
уравнением состояния). Простейшее термич. уравнение состояния - уравнение
состояния идеального газа (Клапейрона уравнение).

В классич. термодинамике
изучают состояния теплового равновесия и равновесные (протекающие бесконечно
медленно) процессы. Время не входит в осн. уравнения. Впоследствии (начиная
с 30-х гг. 20 в.) была создана термодинамика неравновесных процессов. В
этой теории состояние определяется через плотность, давление, темп-ру,
энтропию и др. величины, (локальные термодинамич. параметры), рассматриваемые
как функции координат и времени. Для них записываются уравнения переноса
массы, энергии, импульса, описывающие эволюцию состояния системы с течением
времени (уравнения диффузии и теплопроводности, Навье- Стокса
уравнения). Эти уравнения выражают локальные (т. е. справедливые для
данного бесконечно малого элемента объёма) законы сохранения указанных
физ. величин.



Статистическая физика
(статистическая
механика). В классич. статистич. механике вместо задания координат rи импульсов рчастиц по координатам и импульсам, f (rp,..., r, pимеющая смысл плотности
вероятности обнаружения наблюдаемых значений координат и импульсов в определённых
малых интервалах в данный момент времени
t (N - число частиц в системе).
Функция распределения f удовлетворяет уравнению движения (уравнению
Лиувилля), имеющему вид уравнения непрерывности в пространстве всех rи p(т. е. в фазовом пространстве). Уравнение
Лиувилля однозначно определяет
f в любой последующий момент времени
по заданному её значению в начальный момент, если известна энергия взаимодействия
между частицами системы. Функция распределения позволяет вычислить ср.
значения плотностей вещества, энергии, импульса и их потоков, а также отклонения
их от ср. значений - флуктуации. Уравнение, описывающее эволюцию
функции распределения для газа, было впервые получено Больцманом (1872)
и наз. кинетическим уравнением Больцмана.

Гиббс получил выражение для
функции распределения произвольной системы, находящейся в равновесии с
термостатом (каноническое Гиббса распределение). Эта функция распределения
позволяет по известному выражению энергии как функции координат и импульсов
частиц (функции Гамильтона) вычислить все потенциалы термодинамические,
что
является предметом статистич. термодинамики.

Процессы, возникающие в системах,
выведенных из состояния термодинамич. равновесия, необратимы и изучаются
в статистич. теории неравновесных процессов (эта теория вместе с термодинамикой
неравновесных процессов образует кинетику физическую). В принципе,
если функция распределения известна, можно определить любые макроскопич.
величины, характеризующие систему в неравновесном состоянии, и проследить
за их изменением в пространстве с течением времени.

Для вычисления физ. величин,
характеризующих систему (средние плотности числа частиц, энергии и импульса),
не требуется знания полной функции распределения. Достаточно более простых
функций распределения: одночастичных, дающих ср. число частиц с данными
значениями координат и импульсов, и двухчастичных, определяющих взаимное
влияние (корреляцию) двух частиц. Общий метод получения уравнений для таких
функций был разработан (в 40-х гг. 20 в.) Боголюбовым, Борном, Г. Грином
(англ. физик) и др. Уравнения для одночастичной функции распределения,
построение к-рых возможно для газов малой плотности, наз. кинетическими.
К их числу относится кинетич. уравнение Больцмана. Разновидности уравнения
Больцмана для ионизованного газа (плазмы) - кинетич. уравнения Ландау
и А. А. Власова (30-40-е гг. 20 в.).

В последние десятилетия всё
большее значение приобретает исследование плазмы. В этой среде осн. роль
играют электромагнитные взаимодействия заряженных частиц, и лишь
статистич. теория, как правило, способна дать ответ на различные вопросы,
связанные с поведением плазмы. В частности, она позволяет исследовать устойчивость
высокотемпературной плазмы во внешнем электромагнитном поле. Эта задача
чрезвычайно актуальна в связи с проблемой управляемого термоядерного
синтеза.



Электродинамика. Состояние
электромагнитного поля в теории Максвелла характеризуется двумя осн. векторами:
напряжённостью электрич. поля Е и магнитной индукцией В, являющимися
функциями координат и времени. Электромагнитные свойства вещества задаются
тремя величинами: диэлектрической проницаемостью Е, магнитной
проницаемостью р. и уд. электропроводностью а, к-рые должны
быть определены экспериментально. Для векторов Е и В и связанных с ними
вспомогат. векторов электрич. индукции D и напряжённости магнитного
поля Н записывается система линейных диф-ференц. уравнений с частными
производными - Максвелла уравнения. Эти уравнения описывают эволюцию
электромагнитного поля. По значениям характеристик поля в начальный момент
времени внутри нек-рого объёма и по граничным условиям на поверхности этого
объёма можно найти Е к В в любой последующий момент времени. Эти
векторы определяют силу, действующую на заряженную частицу, движущуюся
с определённой скоростью в электромагнитном поле (Лоренца силу ).

Основатель электронной теории
Лоренц сформулировал уравнения, описывающие элементарные электромагнитные
процессы. Эти уравнения, называемые Лоренца-Максвелла уравнениями, связывают
движение отд. заряженных частиц с создаваемым ими электромагнитным полем.

Опираясь на представления
о дискретности электрич. зарядов и уравнения для элементарных электромагнитных
процессов, можно распространить методы статистич. механики на электромагнитные
процессы в веществе. Электронная теория позволила вскрыть физ. смысл электромагнитных
характеристик вещества е, м,с и дала возможность рассчитывать значения
этих величин в зависимости от частоты, темп-ры, давления и т. д.



Частная (специальная)
теория относительности. Релятивистская механика. В основе частной теории
относительности-физ. теории о пространстве и времени при отсутствии полей
тяготения - лежат два постулата: принцип относительности и независимость
скорости света от движения источника. Согласно принципу относительности
Эйнштейна, любые физ. явления-механические, оптические, тепловые и т. д.-
во всех инерциальных системах отсчёта при одинаковых условиях протекают
одинаково. Это означает, что равномерное и прямолинейное движение системы
не влияет на ход процессов в ней. Все инерциальные системы отсчёта равноправны
(не существует выделенной, "абсолютно покоящейся" системы отсчёта, как
не существует абсолютных пространства и времени). Поэтому скорость света
в вакууме во всех инерциальных системах отсчёта одинакова. Из этих двух
постулатов вытекают преобразования координат и времени при переходе от
одной инерциальной системы к другой - Лоренца преобразования. Из преобразований
Лоренца получаются осн. эффекты частной теории относительности: существование
предельной скорости, совпадающей со скоростью света в вакууме с (любое
тело не может двигаться со скоростью, превышающей с, и с является макс.
скоростью передачи любых взаимодействий); относительность одновременности
(события, одновременные в одной инерциальной системе отсчёта, в общем случае
не одновременны в другой); замедление течения времени и сокращение продольных
-в направлении движения- размеров тела (все физ. процессы в теле, движущемся
со скоростью v относительно нек-рой инерциальной системы отсчёта,

чем те же процессы в данной
инерциальной системе, и во столько же раз уменьшаются продольные размеры
тела). Из равноправия всех инерциальных систем отсчёта следует, что эффекты
замедления времени и сокращения размеров тел являются не абсолютными, а
относительными, зависящими от системы отсчёта.

Законы механики Ньютона перестают
быть справедливыми при больших (сравнимых со скоростью света) скоростях
движения. Сразу же после создания теории относительности были найдены релятивистские
уравнения движения, обобщающие уравнения движения механики Ньютона. Эти
уравнения пригодны для описания движения частиц со скоростями, близкими
к скорости света. Исключительно важное значение для Ф. получили два следствия
релятивистской механики: зависимость массы частицы от скорости и универсальная
связь между энергией и массой (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 вытекает
из принципов инвариантности, или симметрии в Ф. (см. Симметрия в
физике).



Общая теория относительности
(т
е о-рия тяготения). Из четырёх типов фундаментальных взаимодействий - гравитационных,
электромагнитных, сильных и слабых - первыми были открыты гравитац. взаимодействия,
или силы тяготения. На протяжении более двухсот лет никаких изменений в
основы теории гравитации, сформулированной Ньютоном, внесено не было. Почти
все следствия теории находились в полном согласии с опытом.

Во 2-м десятилетии 20 в.
классич. теория тяготения была революц. образом преобразована Эйнштейном.
Теория тяготения Эйнштейна, в отличие от всех прочих теорий, была создана
без стимулирующей роли новых экспериментов, путём логич. развития принципа
относительности применительно к гравитац. взаимодействиям, и получила название
общей теории относительности. Эйнштейн по-новому интерпретировал установленный
ещё Галилеем факт равенства гравитационной 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. е. определяют состояние гравитац. поля. Гравитац. поле
описывается нелинейными ур-ниями Эйнштейна. В приближении слабых полей
из них вытекает существование гравитац. волн, пока не обнаруженных экспериментально
(см. Гравитационное излучение).

Гравитац. силы - самые слабые
из фундамент. сил в природе. Для протонов они примерно в 10³⁶
раз слабее электромагнитных. 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.

Теория тяготения Эйнштейна
привела к новым представлениям об эволюции Вселенной. В сер. 20-х гг. А.
А. Фридман нашёл нестационарное решение уравнений гравитац. поля,
соответствующее расширяющейся Вселенной. Этот вывод был подтверждён наблюдениями
Э. Хаббла, открывшего закон красного смещения для галактик
(означающий, что расстояния между любыми галактиками увеличиваются с течением
времени). Др. пример предсказания теории - возможность не-огранич. сжатия
звёзд достаточно большой массы (больше 2-3 солнечных масс) с образованием
т. н. "чёрных дыр". Имеются определённые указания (наблюдения за
двойными звёздами - дискретными источниками рентгеновских лучей) на существование
подобных объектов.

Общая теория относительности,
как и квантовая механика, - великие теории 20 в. Все предшествующие теории,
включая спец. теорию относительности, обычно относят к классич. Ф. (иногда
классич. Ф. называют всю неквантовую Ф.).



Квантовая механика. Состояние
микрообъекта в квантовой механике характеризуется волновой функцией
ф.
Волновая функция имеет статистич. смысл (Борн, 1926): она представляет
собой амплитуду вероятности, т. е. квадрат её модуля, |ф|²,
есть плотность вероятности нахождения частицы в данном состоянии. В координатном
представлении ф = ф (х, у, z, t) и величина |ф|² dxdydz
определяет вероятность того, что координаты частицы в момент времени t
лежат
внутри малого объёма dxdydz около точки с координатами х, у, z. Эволюция
состояния квантовой системы однозначно определяется с помощью Шрёдингера
уравнения.

Волновая функция даёт полную
характеристику состояния. Зная ф, можно вычислить вероятность определённого
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 неопределённости
Гейзенберга); их разбросы связаны неопределённостей соотношением. Соотношение
неопределённостей имеет место также 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 определённое значение с вероятностью, равной единице,
лишь в том случае, если система находится в состоянии, изображаемом собственной
функцией соответств. оператора.

Квантовая механика Шрёдингера-Гейзенберга
не удовлетворяет требованиям теории относительности, т. е. является нерелятивистской.
Она применима для описания движения элементарных частиц и слагающих их
систем со скоростями, много меньшими скорости света.

С помощью квантовой механики
была построена теория атомов, объяснена химическая связь, в т. ч.
понята природа ковалентной хим. связи; при этом было открыто существование
специфического обменного взаимодействия - чисто квантового эффекта, не
имеющего аналога в классич. Ф. Обменная энергия играет гл. роль в образовании
ковалентной связи как в молекулах, так и в кристаллах, а также в явлениях
ферромагнетизма и антиферромагнетизма. Эта энергия имеет важное значение
во внутриядерных взаимодействиях.

Такие ядерные процессы, как
а-распад, удалось объяснить только с помощью квантового эффекта прохождения
частиц сквозь потенциальный барьер (см. Туннельный эффект).

Была построена квантовая
теория рассеяния (см. Рассеяние микрочастиц), приводящая к существенно
другим результатам, чем классич. теория рассеяния. В частности, оказалось,
что при столкновениях медленных нейтронов с ядрами поперечное сечение взаимодействия
в сотни раз превышает поперечные размеры сталкивающихся частиц. Это имеет
исключительно важное значение для ядерной энергетики.

На основе квантовой механики
была построена зонная теория твёрдого тела.

Из квантовой теории вынужденного
излучения, созданной Эйнштейном ещё в 1917, в 50-х гг. возник новый
раздел радиофизики: были осуществлены генерация и усиление электромагнитных
волн с помощью квантовых систем. Н. Г. Басов, А. М. Прохоров
и
независимо Ч. Таунс создали микроволновой квантовый генератор (мазер),
в котором использовалось вынужденное излучение возбуждённых молекул. В
60-х гг. был создан лазер-квантовый генератор электромагнитных волн
в видимом диапазоне длин волн (см. Квантовая электроника).



Квантовая статистика.
Подобно
тому, как на основе классич. законов движения отд. частиц была построена
теория поведения большой их совокупности - классич. статистика, на основе
квантовых законов движения частиц была построена квантовая статистика.
Последняя описывает поведение макроскопич. объектов в том случае, когда
классич. механика неприменима для описания движения слагающих их частиц.
В этом случае квантовые свойства микрообъектов отчётливо проявляются в
свойствах макроскопич. тел.

Математич. аппарат квантовой
статистики существенно отличается от аппарата классич. статистики, т. к.,
как говорилось выше, нек-рые физ. величины в квантовой механике могут принимать
дискретные значения. Но содержание самой статистич. теории равновесных
состояний не претерпело глубоких изменений. В квантовой статистике, как
и вообще в квантовой теории систем многих частиц, важную роль играет принцип
тождественности одинаковых частиц (см. Тождественности принцип). В
классич. статистике принимается, что перестановка двух одинаковых (тождественных)
частиц меняет состояние. В квантовой статистике состояние системы не меняется
при такой перестановке. Если частицы (или квазичастицы) имеют целый спин
(они наз. бозонами), то в одном и том же квантовом состоянии может
находиться любое число частиц. Системы таких частиц описываются Бозе-Эйнштейна
статистикой. Для любых частиц (квазичастиц) с полуцелым спином (фермионов)
справедлив
принцип Паули, и системы этих частиц описываются Ферми-Дирака статистикой.

Квантовая статистика позволила
обосновать теорему Нернста (третье начало термодинамики) - стремление
энтропии к нулю при абс. темп-ре Т -> 0.

Квантовая статистич. теория
равновесных процессов построена в столь же законченной форме, как и классическая.
Заложены также основы квантовой статистич. теории неравновесных процессов.
Уравнение, описывающее неравновесные процессы в квантовой системе и называемое
основным кинетич. уравнением, позволяет в принципе проследить за изменением
во времени вероятности распределения по квантовым состояниям системы.



Квантовая теория поля
(КТП). Следующий этап в развитии квантовой теории - распространение
квантовых принципов на системы с бесконечным числом степеней свободы (поля
физические) и описание процессов рождения и превращения частиц - привёл
к КТП, наиболее полно отражающей фундаментальное свойство природы - корпускулярно-волновой
дуализм.

В КТП частицы описываются
с помощью квантованных полей, представляющих собой совокупность операторов
рождения и поглощения частиц в различных квантовых состояниях. Взаимодействие
квантованных полей приводит к различным процессам испускания, поглощения
и превращения частиц. Любой процесс в КТП рассматривается как уничтожение
одних частиц в определённых состояниях и появление других в новых состояниях.

Первоначально КТП была построена
применительно к взаимодействию электронов, позитронов и фотонов (квантовая
электродинамика). Взаимодействие между заряженными частицами, согласно
квантовой электродинамике, осуществляется путём обмена фотонами, причём
электрич. заряд е частицы представляет константу, характеризующую
связь поля заряженных частиц с электромагнитным полем (полем фотонов).

Идеи, положенные в основу
квантовой электродинамики, были в 1934 использованы Э. Ферми для
описания процессов бета-распада радиоактивных атомных ядер с помощью
нового типа взаимодействия (к-рый, как выяснилось впоследствии, представляет
собой частный случай т.н. слабых взаимодействий). В процессах электронного
бета-распада один из нейтронов ядра превращается в протон и одновременно
происходит испускание электрона и электронного антинейтрино. Согласно КТП,
такой процесс можно представить как результат контактного взаимодействия
(взаимодействия в одной точке) квантованных полей, соответствующих четырём
частицам со спином 1/2: протону, нейтрону, электрону и антинейтрино (т.
е. четырёхфермионным взаимодействием).

Дальнейшим плодотворным применением
идей КТП явилась гипотеза X.

Юкавы (1935) о существовании
взаимодействия между полем нуклонов (протонов и нейтронов) и полем мезонов
(в
то время ещё не обнаруженных экспериментально). Ядерные силы между нуклонами,
согласно этой гипотезе, возникают в результате обмена нуклонов мезонами,
а короткодействующий характер ядерных сил объясняется наличием у мезонов
сравнительно большой массы покоя. Мезоны с предсказанными свойствами (пимезоны)
были обнаружены в 1947, а взаимодействие их с нуклонами оказалось частным
проявлением сильных взаимодействий.

КТП является, т. о., основой
для описания элементарных взаимодействий, существующих в природе: электромагнитных,
сильных и слабых. Наряду с этим методы КТП нашли широкое применение и в
теории твёрдого тела, плазмы, атомного ядра, поскольку мн. процессы в этих
средах связаны с испусканием и поглощением различного рода элементарных
возбуждений - квазичастиц (фононов, спиновых волн и др.).

Из-за бесконечного числа
степеней свободы у поля взаимодействие частиц - квантов поля - приводит
к математич. трудностям, к-рые до сих пор не удалось полностью преодолеть.
Однако в теории электромагнитных взаимодействий любую задачу можно решить
приближённо, т. к. взаимодействие можно рассматривать как малое возмущение
свободного состояния частиц (вследствие малости безразмерной константы
а = e²/hc=1/137, характеризующей интенсивность электромагнитных
взаимодействий). Теория всех эффектов в квантовой электродинамике находится
в полном согласии с опытом. Тем не менее положение в этой теории нельзя
считать благополучным, т. к. для нек-рых физ. величин (массы, электрич.
заряда) при вычислениях по теории возмущений получаются бесконечные выражения
(расходимости). Их исключают, используя т. н. технику перенормировок, заключающуюся
в том, что бесконечно большие величины для массы и заряда частицы заменяются
их наблюдаемыми значениями. Большой вклад в разработку квантовой электродинамики
внесли (в кон. 40-х гг.) С. Томонага, Р.

Фейнман, Ю. Швингер.

Разработанные в квантовой
электродинамике методы в дальнейшем пытались применить для расчёта процессов
слабого и сильного (ядерного) взаимодействий, однако здесь встретился ряд
проблем.

Слабые взаимодействия присущи
всем элементарным частицам, кроме фотона. Они проявляются в распадах большинства
элементарных частиц и в нек-рых других их превращениях. Константа слабых
взаимодействий, определяющая интенсивность протекания вызванных ими процессов,
растет с увеличением энергии частиц.

После экспериментально установленного
факта несохранения пространств. чётности в процессах слабого взаимодействия
(1956) была предложена т. н. универсальная теория слабых взаимодействий,
близкая к фермиевской теории в-распада. Однако, в отличие от квантовой
электродинамики, эта теория не позволяла вычислять поправки в высших порядках
теории возмущений, т. с. теория оказалась неперенормируемой. В кон.
60-х гг. сделаны попытки построения перенормируемой теории слабых взаимодействий.
Успех был достигнут на основе т.н. калибровочных теорий. Была создана объединённая
модель слабых и электромагнитных взаимодействий. В этой модели наряду с
фотоном - переносчиком электромагнитных взаимодействий между заряженными
частицами, должны существовать переносчики слабых взаимодействий - т. н.
промежуточные векторные бозоны. Предполагается, что интенсивность взаимодействий
промежуточных бозонов с др. частицами такая же, как и у фотонов. Т. к.
радиус слабых взаимодействий очень мал (меньше 10^-15 см),
то,
согласно законам квантовой теории, масса промежуточных бозонов должна быть
очень велика: неск. десятков протонных масс. На опыте эти частицы пока
не обнаружены. Должны существовать как заряженные(W^- и
W⁺),
так и нейтральный (Z°) векторные бозоны. В 1973 экспериментально наблюдались
процессы, к-рые, по-видимому, можно объяснить существованием нейтральных
промежуточных бозонов. Однако справедливость новой единой теории электромагнитных
и слабых взаимодействий нельзя считать доказанной.

Трудности создания теории
сильных взаимодействий связаны с тем, что из-за большой константы связи
методы теории возмущений оказываются здесь неприменимыми. Вследствие этого,
а также в связи с наличием огромного экспериментального материала, нуждающегося
в теоретич. обобщении, в теории сильных взаимодействий развиваются методы,
основанные на общих принципах квантовой теории поля- релятивистской
инвариантности, локальности взаимодействия (означающей выполнение условия
причинности; см. Причинности принцип) и др. К ним относятся метод
дисперсионных соотношений и аксиоматич. метод (см. Квантовая теория
поля). Аксиоматич. подход является наиболее фундаментальным, но пока
не обеспечивает достаточного количества конкретных результатов, допускающих
экспериментальную проверку. Наибольшие практич. успехи в теории сильных
взаимодействий получены благодаря применению принципов симметрии.

Делаются попытки построить
единую теорию слабых, электромагнитных и сильных взаимодействий (по типу
калибровочных теорий).



Принципы симметрии и законы
сохранения. Физ. теории позволяют по начальному состоянию объекта определить
его поведение в будущем. Принципы симметрии (или инвариантности) носят
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, теория
к-рых, как уже говорилось, не построена.

Существуют общие симметрии,
справедливые для всех физ. законов, для всех видов взаимодействий, и приближённые
симметрии, справедливые лишь для определённого круга взаимодействий или
даже одного вида взаимодействия. Т. о., наблюдается 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 преобразонаний
эта связь была установлена в 1918 Э. Нётер на основе самых общих
предположений о математич. аппарате теории (см. Нётер теорема, Сохранения
законы).

Справедливыми для всех типов
взаимодействий являются симметрии законов Ф.

относительно следующих непрерывных
пространственно-временных преобразований: сдвига и поворота физ. системы
как целого в пространстве, сдвига во времени (изменения начала отсчёта
времени). Инвариантность (неизменность) всех физ. законов относительно
этих преобразований отражает соответственно однородность и изотропию пространства
и однородность времени. С этими симметриями связаны (соответственно) законы
сохранения импульса, момента количества движения и энергии. К общим симметриям
относятся также инвариантность по отношению к преобразованиям Лоренца и
калибровочным преобразованиям (1-го рода)- умножению волновой функции на
т. н. фазовый множитель, не меняющий квадрата её модуля (последняя симметрия
связана с законами сохранения электрического, барионного и лептонного зарядов),
и нек-рые другие.

Существуют также симметрии,
отвечающие дискретным преобразованиям: изменению знака времени (см. Обращение
времени), пространственной инверсии (т. н. зеркальная симметрия природы),
зарядовому
сопряжению. На основе приближённой SU (З)-симметрии (см. Сильные
взаимодействия) М. Гелл-Ман (1962) создал систематику адронов,
позволившую предсказать существование неск. элементарных частиц, открытых
позднее экспериментально.

Систематику адронов можно
объяснить, если предположить, что все адроны "построены" из небольшого
числа (в наиболее распространённом варианте - из трёх) фундаментальных
частиц - кварков и соответствующих античастиц - антикварков. Существуют
различные кварковые модели адронов, однако экспериментально обнаружить
свободные кварки пока не удалось. В 1975-76 были открыты две новые сильно
взаимодействующие частицы (футроенную массу протона, и временами жизни 10^-20 - 10^-21сек.
Объяснение особенностей рождения и распада этих частиц, по-видимому,
требует введения дополнительного, четвёртого, кварка, к-рому приписывается
квантовое число "очарование". Помимо этого, по совр. представлениям, каждый
кварк существует в трёх разновидностях, отличающихся особой характеристикой
- "цветом".

Успехи в классификации адронов
на основе принципов симметрии очень велики, хотя причины возникновения
этих симметрии до конца не ясны; возможно, они действительно обусловлены
существованием и свойствами кварков.
IV. Современная экспериментальная
физика

Ещё в нач. 20 в. такие эпохальные
открытия, как открытие Резерфордом атомного ядра, можно было делать с помощью
сравнительно простой аппаратуры. Но в дальнейшем эксперимент стал очень
быстро усложняться и экспериментальные установки начали приобретать промышленный
характер. Неизмеримо возросла роль измерительной и вычислительной техники.
Современные экспериментальные 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 гос-вам или даже группам гос-в с развитой экономикой.

Огромную роль в развитии
ядерной Ф. и Ф. элементарных частиц сыграли разработка методов наблюдения
и регистрации отд. актов превращений элементарных частиц (вызванных их
столкновениями друг с другом и с атомными ядрами) и создание ускорителей
заряженных частиц, положившее начало развитию Ф. высоких энергий. Открытие
В. И. Векслером

(1944) и независимо Э. М.
Макмилланом
(1945) принципа автофазировки повысило предел достижимых энергий
частиц в тысячи раз. Ускорители со встречными пучками значительно увеличили
эффективную энергию столкновения частиц. Были созданы высокоэффективные
счётчики заряженных частиц, действие к-рых основано на различных принципах:
газоразрядные, сцинтилляционные, черенковские и др. Фотоумножители позволяют
регистрировать единичные фотоны. Наиболее полную и точную информацию о
событиях микромира получают с помощью пузырьковой и искровой камер и толстослойных
фотоэмульсий, в к-рых можно непосредственно наблюдать следы (треки) пролетевших
заряженных частиц. Построены детекторы, позволяющие регистрировать редчайшие
события - столкновения нейтрино с атомными ядрами.

Подлинная революция в экспериментальном
исследовании взаимодействий элементарных частиц связана с применением ЭВМ
для обработки информации, получаемой от регистрирующих устройств. Для фиксации
маловероятных процессов приходится анализировать десятки тысяч фотографий
треков. Вручную это заняло бы столь много времени, что получение нужной
информации стало бы практически невозможным. Поэтому изображения треков
с помощью спец. устройств преобразуются в серию электрич. импульсов и дальнейший
анализ треков производится с помощью ЭВМ. Это чрезвычайно сокращает время
между экспериментом и получением обработанной информации. В искровых камерах
регистрация и анализ треков частиц осуществляются автоматически с использованием
ЭВМ непосредственно в экспериментальной установке.

Значение ускорителей заряженных
частиц определяется след. обстоятельствами. Чем больше энергия (импульс)
частицы, тем меньше (согласно принципу неопределённости) размеры объектов
или их деталей, к-рые можно различить при столкновениях частицы с объектом.
К 1977 эти минимальные размеры составляют 10^-15 см. Изучая
рассеяние электронов высокой энергии на нуклонах, удалось обнаружить элементы
внутр. структуры нуклонов - распределение электрич. заряда и магнитного
момента внутри этих частиц (т. н. формфакторы). Рассеяние электронов
сверхвысоких энергий на нуклонах указывает на существование внутри нуклонов
нескольких отдельных образований сверхмалых размеров, названных партонами.
Возможно, пар-тоны представляют собой гипотетические кварки.

Другая причина интереса к
частицам высоких энергий - рождение при их столкновениях с мишенью новых
частиц всё большей массы. Всего известно 34 стабильных и квазистабильных
(т. е. не распадающихся за счёт сильных взаимодействий) частиц (с античастицами)
и более двухсот резонансов, причём подавляющее их число открыто на ускорителях.
Исследование рассеяния частиц сверхвысоких энергий должно способствовать
выяснению природы сильных и слабых взаимодействий.

Изучены самые различные типы
ядерных реакций. На ускорителе Объединённого ин-та ядерных исследований
в г. Дубне впервые осуществлено столкновение релятивистских ядер. Успешно
идёт синтез трансурановых элементов. Получены ядра антидейтерия, антитрития
и антигелия. На ускорителе в Серпухове открыта новая закономерность сильных
взаимодействий - рост полного сечения взаимодействия адронов очень высоких
энергий при их столкновении с увеличением энергии столкновения (т. н. серпуховский
эффект).

Развитие радиофизики получило
новое направление после создания радиолокационных станций во время
2-й мировой войны 1939-45. Радиолокаторы нашли широкое применение в авиации
и мор. транспорте, в космонавтике. Была осуществлена локация небесных тел:
Луны, Венеры и др. планет, а также Солнца. Сооружены гигантские радиотелескопы,
улавливающие излучения космич. тел со спектральной плотностью потока энергии
10^-26 эрг/см²*сек*гц. Информация о космич.
объектах неизмеримо возросла. Были открыты радиозвёзды и радиогалактики
с мощным излучением в диапазоне радиоволн, а в 1963 - наиболее удалённые
от нас квазизвёздные объекты- квазары. Светимость квазаров в сотни
раз превышает светимость ярчайших галактик. Разрешающая способность совр.
радиотелескопов, использующих передвижные антенны, управляемые ЭВМ, достигает
угловой секунды (для излучения с длиной волны в неск. см). При разносе
антенн на большие расстояния (порядка 10 тыс. км) получается ещё
более высокое разрешение (в сотые доли угловой секунды).

Исследование радиоизлучения
небесных тел помогло установить источники первичных космич. лучей (протонов,
более тяжёлых атомных ядер, электронов). Этими источниками оказались вспышки
сверхновых
звёзд. Было открыто реликтовое излучение - тепловое излучение,
соответствующее температуре 2,7 К. В 1967 открыты пульсары - быстро
вращающиеся нейтронные звёзды. Пульсары создают направленное излучение
в радиодиапазоне, видимом и рентгеновском диапазонах, интенсивность к-рого
периодически меняется из-за вращения звёзд.

Большую роль в изучении околоземного
космич. пространства и далёкого космоса сыграли запуски космич. станций:
были открыты радиационные пояса Земли, обнаружены космич. источники
рентгеновского излучения и всплески у-излучения (эти виды излучения поглощаются
атмосферой Земли и не доходят до её поверхности).

Совр. радиофизич. методы
позволяют осуществлять космич. связь на расстояния в десятки и сотни млн.
км.
Необходимость передачи большого объёма информации стимулировала разработку
принципиально новых, оптич. линий связи с применением волоконных светопроводов.

Высочайшей точности достигли
измерения амплитуды колебаний макроскопич. тел. С помощью радиотехнич.
и оптич. датчиков можно регистрировать механич. колебания с амплитудой
порядка 10^-15 см (имеется возможность повысить этот предел
до 10^-16 -10^-19 см).

Для исследования структуры
кристаллов и органич. молекул применяются высокоточные автоматические рентгеновские
и нейтронные дифрактометры, в сотни тыс. раз сократившие время расшифровки
структур. В структурных исследованиях применяются также электронные
микроскопы большой разрешающей силы. Нейтронография позволяет
изучать и магнитную структуру твёрдых тел.

Для исследования структуры
и распределения электронной плотности в веществе успешно применяются электронный
парамагнитный резонанс (открыт Е. К. Завойским в 1944), ядерный
магнитный резонанс (открыт Э. Пёрселлом и Ф. Б лохом в
1946), Мёссбауэра эффект (открыт Р. Л. Мёссбауэром в 1958).
Совершенствуется исследование структуры атомов и молекул органич. и неорганич.
веществ по их спектрам излучения и поглощения в широком диапазоне частот
(в т. ч. с применением лазерного излучения; см. Спектроскопия лазерная).

В гидроакустике открыто
и исследовано явление сверхдальнего распространения звука в морях
и океанах - на расстояния в тысячи км (амер. учёные М. Ивинг, Дж.
Ворцель, 1944, и независимо сов. физики Л. М. Бреховских, Л. Д.
Розенберг и др., 1946).

В последнее десятилетие развиваются
акустич. методы исследования твёрдых тел, основанные на применении ультразвуковых
и гиперзвуковых волн (см. Ультразвук, Гиперзвук), а также поверхностных
акустич. волн.

Быстрое развитие Ф. полупроводников
совершило переворот в радиотехнике и электронике. Полупроводниковые приборы
вытеснили электровакуумные лампы. Резко уменьшились и стали надёжнее радиотехнич.
устройства и вычислит. машины, существенно уменьшилась потребляемая ими
мощность. Появились интегральные схемы, сочетающие на одном небольшом (в
десятки мм²) кристалле тысячи и более электронных элементов.
Процесс последовательной микроминиатюризации радиоэлектронных приборов
и устройств привёл к созданию на неск. кристаллах т. н. микропроцессеров,

выполняющих операционные
функции ЭВМ. Небольшие вычислительные машины изготавливаются на одном кристалле.

ЭВМ стали неотъемлемой частью
физ. исследований и применяются как для обработки экспериментальных данных,
так и в теоретич. расчётах, особенно тех, к-рые ранее были неосуществимыми
из-за огромной трудоёмкости.

Большое значение как для
самой науки, так и для практических применений имеет исследование вещества
при экстремальных условиях: при очень низких или очень высоких температурах,
сверхвысоком давлении или глубоком вакууме, сверхсильных магнитных полях
и т. д.

Высокий и сверхвысокий вакуум
создаётся в электронных приборах и ускорителях для того, чтобы избежать
столкновений ускоряемых частиц с молекулами газа. Исследование свойств
поверхностей и тонких слоев вещества в сверхвысоком вакууме открыло новый
раздел Ф. твёрдого тела. Эти исследования очень важны, в частности, в связи
с освоением космич. пространства.