Akademik

1. Предмет и структура физики

Ф.- наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиб. общие свойства и законы движения окружающих нас объектов материального мира. Вследствие этой общности не существует явлений природы, не имеющих физ. свойств или сторон. Понятия Ф. и её законы лежат в основе всего естествознания.

Слово "Ф." происходит от греч. physis - природа. Первоначально, в эпоху ранней греч. культуры, наука была единой и охватывала всё, что было известно о земных и небесных явлениях. По мере накопления фактич. материала и его науч. обобщения происходила дифференциация знаний и методов исследования и Ф. выделилась из общей науки о природе. Однако границы, отделяющие Ф. от др. естеств. наук, в значит. мере условны и меняются с течением времени.

В своей основе Ф.- эксперим. наука: её законы базируются на фактах, установленных опытным путём. Эти законы представляют собой строго определ. количеств. соотношения и формулируются на матем. языке. Различают эксперим. Ф. (опыты, проводимые для обнаружения новых фактов и для проверки открытых физ. законов) и теоретич. Ф., цель к-рой состоит в формулировке общих законов природы и в объяснении конкретных явлений на основе этих законов, а также в предсказании новых явлений. При изучении любого явления опыт и теория в равной мере необходимы и взаимосвязаны.

В соответствии с многообразием исследуемых форм движения материи Ф. подразделяется на ряд дисциплин, или разделов, в той или иной мере связанных друг с другом. Деление Ф. на отд. дисциплины не однозначно, его можно проводить, руководствуясь разл. критериями. По изучаемым объектам Ф. делится на Ф. элементарных частиц и физ. полей, Ф. ядра, Ф. атомов и молекул, Ф. твёрдых, жидких и газообразных тел, Ф. плазмы. Др. критерий - изучаемые процессы или формы движения материи. Различают механич. движение, тепловые процессы, эл.-магн. явления, гравитационные, сильные, слабые взаимодействия; соответственно в Ф. выделяют механику материальных точек и твёрдых тел, механику сплошных сред (включая акустику), термодинамику, статистич. физику, электродинамику (включая оптику), теорию тяготения, квантовую механику и квантовую теорию поля. При этом мн. процессы изучаются на разных уровнях: на макроско-пич. уровне в феноменологических (описательных) теориях и на микроскопич. уровне в статистич. теориях мн. частиц. Указанные способы подразделения 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. Особо выделяется теория колебаний и волн, что основано на общности закономерностей колебат. процессов разл. физ. природы и методов их исследования. Здесь рассматриваются механич., акустич., электрич. и оп-тич. колебания и волны с единой точки зрения.

Совр. Ф. имеет дело с немногим числом фундам. законов, или фундам. физ. теорий, охватывающих все разделы Ф. Эти теории представляют собой квинтэссенцию наших знаний о характере физ. процессов и явлений; приближённое, но наиб. полное отображение разл. форм движения материи в природе.

2. Основные этапы развития физики

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 эпоху греко-римской культуры (6 в. до н. э.- 2 в. н. э.) впервые зародились идеи об атомном строении вещества (Демокрит, Эпикур, Лукреций), была создана геоцентрич. система мира (Птолемей), установлены простейшие законы статики (правило рычага), открыты законы прямолинейного распространения и отражения света, сформулированы начала гидростатики (закон Архимеда), наблюдались простейшие проявления электричества и магнетизма.

Общий итог приобретённых знаний был подведён Аристотелем (4 в. до н. э.). Физика Аристотеля включала отд. верные положения, но в то же время отвергала мн. прогрессивные идеи предшественников, в частности атомную гипотезу. Признавая значение опыта, Аристотель отдавал предпочтение умозрит. представлениям и не считал опыт гл. критерием достоверности знания. Учение Аристотеля, канонизированное церковью, надолго затормозило развитие науки.

Наука возродилась лишь в 15-16 вв. в борьбе с учением Аристотеля. В сер. 16 в. Н. Коперник (N. Kopernik) выдвинул гелиоцентрическую систему мира и положил начало освобождению естествознания от теологии. Потребности производства, развитие ремёсел, судоходства и артиллерии стимулировали науч. исследования, опирающиеся на опыт. Однако в 15-16 вв. эксперим. исследования носили в осн. случайный характер. Лишь в 17 в. началось сис-тематич. применение эксперим. метода в Ф., и это привело к созданию первой фундам. физ. теории - классич, механики Ньютона.

Формирование физики как науки (нач. 17-кон. 18 вв.). Развитие Ф. как науки в совр. смысле этого слова начато трудами Г. Галилея (G. Galilei; 1-я пол. 17 в.). Галилей понял, что для открытия законов движения нужно научиться описывать движение математически. Нельзя ограничиваться простым наблюдением за движущимися телами; нужно ставить опыты, чтобы выяснить, как меняются со временем величины, характеризующие движущиеся тела. Галилей 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 (принцип относительности Галилея), доказал независимость ускорения свободного падения тел от их плотности и массы, с помощью механики обосновал теорию Коперника. Значит. результаты были получены Галилеем и в др. областях Ф. Он изобрёл зрительную трубу и сделал с её помощью ряд астр. 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 (Е. Torricelli) открыл атм. давление и создал первый барометр. Р. Бойль (R. Boyle) и Э. Мариотт (Е. Mariotte) исследовали упругость газов и сформулировали первый газовый закон, носящий их имя. В это же время В. Снелль (W. Snell) и Р. Декарт (R. Descartes) независимо открыли закон преломления света. К этому же времени относится создание микроскопа. Значит. шаг вперёд в изучении эл.-магн. явлений был сделан в самом нач. 17 в. У. Гильбертом (W. Gilbert): он доказал, что Земля является большим магнитом, и первым строго разграничил электрич. и магн. явления.

Осн. достижением Ф. 17 в. было создание классич. механики. Развивая идеи Галилея, X. Гюйгенса (С. Huygens) и др. предшественников, И. Ньютон (Г. Newton) сформулировал все осн. законы классич. механики (опубл. в труде "Матем. начала натуральной философии", 1687). При построении её впервые был воплощён идеал науч. теории, существующий и поныне: задача науки состоит в поисках наиб. общих, количественно формулируемых законов природы.

Наиб. успехов механика Ньютона достигла при объяснении движения небесных тел. Исходя из законов движения планет, установленных И. Кеплером (J. Kepler) на основе наблюдений Т. Браге (Т. Brahe) и др., Ньютон открыл закон всемирного 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.

В это же время Гюйгенс и Г. Лейбниц (G. Leibniz) сформулировали закон сохранения кол-ва движения; Гюйгенс создал теорию физ. маятника, построил часы с маятником; Р. Гук (R. Hooke) открыл осн. закон упругости ( Тука закон). Были заложены основы физ. акустики. М. Мерсенн (М. Mersenne) измерил число колебаний звучащей струны и впервые измерил скорость звука в воздухе. Ньютон дал теоретич. вывод ф-лы для скорости звука.

Во 2-й пол. 17 в. быстро развивалась геом. оптика применительно к конструированию телескопов и др. оптич. приборов и закладывались основы физ. оптики. Ф. Гримальди (F. Grimaldi) открыл дифракцию света, а Ньютон провёл фундам. исследования дисперсии света. Эти работы Ньютона можно считать началом оптич. спектроскопии. В 1672 О. К. Рёмер (О. К. Roemer) впервые измерил скорость света. Почти одновременно возникли и начали развиваться две разл. теории о физ. природе света - корпускулярная и волновая. 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. в осн. была построена классич. механика и начаты исследования оптич., электрич., магн., тепловых и акустич. явлений.

В 18 в. продолжалось развитие классич. механики, в частности небесной механики. По небольшой аномалии в движении планеты Уран удалось предсказать существование новой планеты - Нептуна. Уверенность в справедливости механики Ньютона стала всеобщей. На её основе была создана единая механич. картина мира, согласно к-рой всё богатство, всё качеств. многообразие мира - результат различий в движении атомов, слагающих тела, движении, подчиняющемся законам Ньютона. Эта картина мн. годы оказывала сильнейшее влияние на развитие Ф. Объяснение физ. явления считалось научным и полным, если это явление можно было свести к действию законов классич. механики.

Важным стимулом для развития механики послужили запросы зарождавшейся промышленности. В работах Л. Эйлера (L. Euler) и др. была разработана динамика абсолютно твёрдого тела. Параллельно с развитием механики частиц и твёрдых тел шло развитие механики жидкостей, газов и деформируемых тел. Трудами Д. Бер-нулли (D. Bernoulli), Эйлера, Ж. Лагранжа (J. Lagrange) и др. в 1-й пол. 18 в. были заложены основы гидродинамики идеальной жидкости, т. е. несжимаемой жидкости, лишённой вязкости и теплопроводности. В "Аналитич. механике" Лагранжа ур-ния механики представлены в столь обобщённой форме, что в дальнейшем их удалось применить и к немеханическим, в частности эл.-магнитным, процессам. У. Р. Гамильтон (W. R. Hamilton) установил общий интегральный принцип наименьшего действия классич. механики, к-рый оказался применимым во всей Ф.

В др. областях Ф. происходило дальнейшее накопление опытных данных, формулировались простейшие эксперим. законы. Ш. Дюфе (С. Dufay) открыл существование двух видов электричества и определил, что одноимённо заряженные тела отталкиваются, а разноимённо заряженные - притягиваются. Б. Франклин (В. Franklin) установил закон сохранения электрич. заряда. Г. Кавендиш (Н. Cavendish) и Ш. Кулон (С. Coulomb) независимо открыли осн. закон электростатики, определяющий силу взаимодействия неподвижных электрич. зарядов (закон Кулона). Возникло учение об атм. электричестве, Франклин, М. В. Ломоносов и Г. В. Рихман доказали электрич. природу молнии. В оптике продолжалось совершенствование объектива телескопа. Трудами П. Бугера (P. Bouguer) и И. Ламберта (J. Lambert) начала создаваться фотометрия. Были открыты инфракрасные [В. Гершель (W. Herschel), У. Волластон (W. Wollaston) ] и ультрафиолетовые [И. Риттер (J. Ritter) ] лучи. Заметный прогресс наблюдался в исследовании тепловых явлений: стали различать темп-ру и кол-во теплоты. Это произошло после открытия Дж. Блэком (J. Black) скрытой теплоты плавления и эксперим. доказательства сохранения теплоты в калориметрич. опытах. Было сформулировано понятие теплоёмкости, начато исследование теплопроводности и теплового излучения. При этом одновременно утвердились неправильные взгляды на природу теплоты. Теплоту рассматривали как особого рода неуничтожимую невесомую жидкость-теплород, способную перетекать от нагретых тел к холодным. Корпускулярная теория теплоты, согласно к-рой теплота - это вид внутр. движения частиц, потерпела врем. 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. длит. конкуренция между корпускулярной и волновой теориями света завершилась окончательной, казалось бы, победой волновой теории. Это произошло после того, как Т. Юнг (Т. Ybung) и одновременно О. Ж. Френель (О. J. Fresnel) с помощью волновых представлений успешно объяснили явления интерференции и дифракции света; объяснить эти явления с помощью корпускулярной теории представлялось невозможным. В то же время было получено решающее доказательство поперечности световых волн [Френель, Д. Ф. Араго (D. F. Arago), 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 (ф-лы Френеля), а также создал теорию двойного лучепреломления.

Большое значение для развития Ф. имели открытия Л. Гальвани (L. Galvani) и А. Вольта (A. Volta), позволившие создать достаточно мощные источники пост. тока - гальванич. батареи. Это дало возможность обнаружить и изучить многообразные действия тока. Прежде всего было исследовано хим. действие тока [Г. Дэви (Н. Davy), М. Фарадей (М. Faraday)], В. В. Петров получил электрич. дугу. Открытие X. К. Эрстедом (Н. С. Ersted) в 1820 действия электрич. тока на магн. стрелку доказало связь между электричеством и магнетизмом. Основываясь на единстве электрич. и магн. явлений, А. Ампер (A. Ampere) пришёл к выводу, что все магн. явления обусловлены движущимися заряж. частицами-электрич. током. Вслед за этим Ампер экспериментально установил закон, определяющий силу взаимодействия между электрич. токами (Ампера закон).

В 1831 Фарадей открыл явление эл.-магн. индукции. При попытках объяснения этого явления с помощью концепции дальнодействия выявились значит. затруднения. Фарадей высказал гипотезу (ещё до открытия эл.-магн. индукции), согласно к-рой эл.-магн. взаимодействия осуществляются посредством промежуточного агента - эл.-магн. поля (концепция близкодействия). Это послужило началом формирования новой науки о свойствах и законах поведения особой формы материи - эл.-магн. поля.

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 кол-ва теплоты и работы и, т. о., установлено, что теплота представляет собой не какую-то гипотетич. сохраняющуюся субстанцию - теплород, а особую форму энергии. В 40-х гг. 19 в. Р. Ю. Майер (R. J. Меуеr), Дж. Джоуль (J. Joule) и Г. Гельмгольц (Н. L. Helmholtz) независимо друг от друга открыли закон сохранения и превращения энергии. Закон сохранения энергии стал осн. законом термодинамики - теории тепловых явлений, в к-рой не учитывается молекулярное строение тел; этот закон получил название первого начала термодинамики.

Ещё до этого открытия С. Карно (S. Carnot) в труде "Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу" (1824) получил результаты, послужившие основой для др. фундам. закона теории теплоты- второго начала термодинамики. Этот закон, сформулированный в работах Р. Ю. Клаузиуса (R. J. Clausius) в 1850 и У. Томсона (W. Thomson, лорд Кельвин) в 1851, является обобщением опытных данных, указывающих на необратимость процессов в природе, и определяет направление возможных энергетич. процессов.

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

На первом этапе развития кинетич. теории наиб. простой среды-газа - Джоуль, Клаузиус и др. вычислили ср. значения разл. физ. величин: скорости молекул, числа столкновений молекул в секунду, длины свободного пробега и т. д. Была получена зависимость давления газа от числа молекул в единице объёма и ср. кинетич. энергии поступат. движения молекул. Это позволило вскрыть глубокий физ. смысл темп-ры как меры ср. кинетич. энергии молекул. В основе этих представлений лежало предположение о том, что молекулы участвуют в хаотич. тепловом движении.

Второй этап развития молекулярно-кинетич. теории начат Дж. К. Максвеллом (J. С. Maxwell). В 1859 он, введя впервые в Ф. понятие вероятности, нашёл закон распределения молекул по скоростям - вероятность того, что скорость молекулы лежит внутри определ. интервала значений ( Максвелла распределение). После этого возможности молекулярно-кинетич. теории необычайно расширились и привели к созданию статистич. механики. Л. Боль-цман (L. Boltzmann) построил кинетическую теорию газов и дал статистич. обоснование законов термодинамики. Осн. проблема, к-рую в значит. степени удалось решить Больцману, заключалась в согласовании обратимого по времени характера движения отд. молекул с очевидной необратимостью всех макроскопич. процессов. Термодина-мич. равновесию системы, по Больцману, соответствует максимум вероятности данного состояния. Необратимость процессов связана со стремлением систем к наиб. вероятному состоянию. Большое значение имела доказанная Больцманом теорема о равномерном распределении ср. кинетич. энергии по степеням свободы.

Статистич. механика получила завершение в 1902 в работах Дж. У. Гиббса (J. W. Gibbs), создавшего метод расчёта ф-ций распределения для любых систем (а не только газов) в состоянии термодинамич. равновесия. Всеобщее признание статистич. механика получила в 20 в. после создания в 1905-06 А. Эйнштейном (A. Einstein) и М. Смолуховским (M. Smoluchowski) на основе молекулярно-кинетич. теории количеств. теории броуновского движения, получившей эксперим. подтверждение в опытах Ж. Б. Перрена (J. В. Perrin).

Во 2-й пол. 19 в. длит. процесс изучения эл.-магн. явлений был завершён Максвеллом, написавшим ур-ния для эл.-магн. поля, 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. Вслед за этим он предсказал обратный эффект - порождение магн. поля перем. электрич. полем ("током смещения"). Важнейшим результатом теории Максвелла был вывод о конечности скорости распространения эл.-магн. взаимодействий (эл.-магн. волн) и равенстве её скорости света. Эксперим. обнаружение эл.-магн. волн Г. Р. Герцем (Н. R. Hertz; 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 кон. 19 в. П. Н. Лебедев обнаружил на опыте и измерил давление света, предсказанное эл.-магн. теорией Максвелла. В это же время А. С. Попов и Г. Маркони (G. Marconi) впервые использовали эл.-магн. волны для беспроволочной связи.

В 19 в. продолжалось также развитие механики сплошных сред. В 1859 Г. Р. Кирхгоф (G. R. Kirchhof) и Р. Бун-зен (R. Bunsen) заложили основы спектрального анализа. В акустике была разработана теория упругих колебаний и волн [Гельмгольц, Дж. У. Рэлей (J. W. Rayleigh) и др.]. Создана техника получения низких темп-р. Были получены в жидком состоянии все газы, кроме гелия, а в нач. 20 в. X. Каммерлинг-Оннес (Н. Kammerling-Onnes) ожижил и гелий; в 1911 им была открыта сверхпроводимость.

К кон. 19 в. Ф. считали 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 эл.-магн. явления. Лорд Кельвин обращал внимание лишь на два необъяснимых факта: отрицат. результат опыта Майкельсона 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. 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. Дж. Томсоном (J. J. Thomson) в кон. 19 в. Выяснилось, что атомы не элементарны, а представляют собой сложные системы, в состав к-рых входят электроны. Важнейшую роль в этом открытии сыграло исследование разрядов в газах.

В кон. 19 - нач. 20 вв. X. А. Лоренцем (Н. A. Lorentz) были заложены основы электронной теории, называемой чаще микроскопич. электродинамикой. В этой теории методы статистич. механики были распространены на эл.-магн. процессы.

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

Опыт показывал, что сформулированный Галилеем принцип относительности, согласно к-рому механич. явления протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчёта, справедлив и для эл.-магн. явлений. Поэтому ур-ния Максвелла не должны изменять свою форму (должны быть инвариантными) при переходе от одной инерци-альной 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 спец. теории относительности.

Открытие спец. теории относительности показало ограниченность механич. картины мира. Попытки свести эл.-магн. процессы к механическим в гипотетич. среде-эфире-оказались несостоятельными.

В 1916 Эйнштейн распространил принцип относительности на неинерциальные системы отсчёта и построил общую теорию относительности - физ. теорию пространства, времени и тяготения. Эта теория преобразовала ньютоновскую теорию тяготения.

Представление о существовании кванта действия h 6,6^.10^-27 эрг ^. с зародилось в рамках статистич. теории равновесного теплового излучения. 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 следовало, что вещество должно излучать эл.-магн. 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 (М. Planck), показавшим, что результаты теории согласуются с опытом, если предположить, в противоречии с классич. электродинамикой, что атомы испускают эл.-магн. энергию отд. порциями - квантами. Энергия каждого такого кванта прямо пропорц. частоте, а коэф. пропорциональности является квант действия h, получивший впоследствии название постоянной Планка.

В 1905 Эйнштейн расширил гипотезу Планка, предположив, что излучаемая порция эл.-магн. энергии сохраняет свою индивидуальность - распространяется и поглощается 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 явлениях дифракции и интерференции. Следовательно, несовместимые с точки зрения классич. Ф. волновые и корпускулярные свойства в равной мере присущи свету.

Квантование излучения приводило к заключению, что энергия внутриатомных движений также может меняться только скачкообразно. Такой вывод был сделан Н. Бором (N. Bhor) в 1913. К этому времени Э. Резерфорд (Е. Rutherford; 1911), интерпретируя результаты своих экспериментов по рассеянию a-частиц веществом, открыл атомное ядро и предложил ядерную (планетарную) модель атома. В атоме Резерфорда движение электронов вокруг ядра подобно движению планет вокруг Солнца. Однако, согласно электродинамике Максвелла, такой атом неустойчив. электроны, двигаясь по круговым (или эллиптич.) орбитам, испытывают ускорение, а следовательно, должны непрерывно излучать энергию и в конце концов за время ~10^-8 с упасть на ядро. Чтобы объяснить устойчивость атома и его линейчатый спектр, Бор постулировал, что атомы могут находиться лишь в особых стационарных состояниях, в к-рых электроны не излучают, и только при переходе из одного стационарного состояния в другое атом испускает или поглощает энергию. Дискретность энергии атома была подтверждена в 1913-14 опытами Дж. Франка (J. Franck) и Г. Герца (G. Gertz) по изучению столкновений с атомами электронов, ускоренных электрич. полем. Для простейшего атома - атома водорода - Бор построил количеств. теорию спектра, согласующуюся с опытом. Однако теория Бора была внутренне противоречива: используя для движения электронов законы механики Ньютона, она в то же время искусственно накладывала на возможные движения электронов чуждые классич. Ф. квантовые ограничения.

Дискретность действия - фундам. факт, требующий радикальной перестройки как законов механики, так и законов электродинамики. Постоянная Планка - универсальная мировая постоянная, играющая роль масштаба явлений природы. 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 1920-х гг. была построена последовательная, логически завершённая теория движения микрочастиц - квантовая, или волновая, механика-самая глубокое из совр. физ. теорий. В её основу легли идея квантования Планка - Бора и выдвинутая в 1924 Л. де Бройлем (L. de Broglie) гипотеза, что двойственная корпускулярно-волновая природа свойственна не только эл.-магн. излучению (фотонам), но и любым др. видам материи. Все микрочастицы (электроны, протоны, атомы и т. д.) обладают не только корпускулярными, но 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 к h. Волны де Бройля описывают свободные частицы. В 1927 впервые наблюдалась дифракция электронов, подтвердившая экспериментально наличие у них волновых свойств. Позднее дифракция наблюдалась и у др. микрочастиц, включая молекулы.

В 1926 Э. Шрёдингер (Е. Schrodinger), пытаясь получить дискретные значения энергии в атоме из ур-ния волнового типа, сформулировал осн. ур-ние нерелятивистской квантовой механики, названное его именем. В. Гейзенберг (W. Heisenberg) и др. построили квантовую механику в др. матем. форме - т. н. матричную механику.

В 1925 Дж. Ю. Уленбек (J. J. Uhlenbeck) и С. А. Гауд-смит (S. A. Goudsmit) на основании эксперим. (спектроско-пич.) данных открыли существование у электрона собств. момента кол-ва движения - спина (а следовательно, и связанного с ним собственного, спинового, магн. момента). В. Паули (W. Pauli) записал ур-ние движения нерелятивистского электрона во внеш. эл.-магн. поле, с учётом взаимодействия магн. момента электрона с магн. полем (Паули уравнение). В 1925 Паули сформулировал также 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 мн. частиц, в частности он позволил объяснить закономерности заполнения электронами оболочек и слоев в многоэлектронных атомах и т. о. дал теоретич. обоснование периодич. системы элементов Менделеева.

Открытию Резерфордом атомного ядра предшествовали открытия радиоактивности, радиоакт. превращений тяжёлых атомов [А. Беккерель (Н. Becquerel), П. и М. Кюри (Р. и М. Curi)], а также изотопов [Ф. Содди (F. Soddy)]. Первые попытки непосредств. исследования строения атомного ядра относятся к 1919, когда Резерфорд, облучая стабильные ядра азота a-частицами, установил превращение их в ядра кислорода. Открытие Дж. Чедвиком (J. Chad-wick) нейтрона (1932) привело к созданию совр. протон-но-нейтронной модели ядра (Гейзенберг, Д. Д. Иваненко). В 1934 Ф. и И. Жолио-Кюри (F. и I. Joliot-Curi) открыли искусств. радиоактивность.

Создание ускорителей заряж. частиц позволило изучать разл. ядерные реакции. Важнейшим результатом этого этапа в Ф. явилось открытие деления ядра и возможности освобождения ядерной энергии.

Одновременно с Ф. атомного ядра началось быстрое развитие Ф. элементарных частиц. Первые большие успехи в этой области связаны с исследованием космич. лучей. Были открыты мюоны, пи-мезоны. К-мезоны, первые гипе-роны. После создания ускорителей на высокие энергии началось планомерное изучение элементарных частиц, их свойств и взаимодействий; были экспериментально наблюдены (по их взаимодействию) 2 типа нейтрино и открыто большое число новых элементарных частиц, в том числе т. н. резонансов, ср. время жизни к-рых составляет всего 10^-22-10^-24 с. Обнаруженная универсальная взаимопрев-ращаемость элементарных частиц указывала на то, что не все эти частицы элементарны в абс. смысле этого слова, а имеют сложную внутр. структуру. Теория элементарных частиц и их взаимодействий (сильных, эл.-магн. и слабых) составляет предмет квантовой теории поля - совр. интенсивно развивающейся теории.

3. Фундаментальные физические теории

Классическая механика Ньютона. Фундам. 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 фундам. 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 нач. момент времени ур-ния 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 кол-ва 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 среды. Вместо координат и импульсов частиц состояние системы однозначно характеризуется ф-циями координат ( х, у,z) и времени (f): плотностью , давлением и скоростью . Ур-ния механики сплошных сред позволяют установить значения этих ф-ций в любой последующий момент времени, если известны их значения в нач. момент и граничные условия.

Ур-ние Эйлера, связывающее скорость течения жидкости с давлением, вместе с неразрывности уравнением, выражающим закон сохранения вещества, позволяют решать любые задачи динамики идеальной жидкости, то есть жидкости, лишённой вязкости и теплопроводности В гидродинамике вязкой жидкости учитываются действие сил трения и влияние теплопроводности, к-рые приводят к диссипации механич. энергии, и механика сплошных сред перестаёт быть "чистой механикой": становятся существенными тепловые процессы. Лишь после создания термодинамики была сформулирована полная система ур-ний, описывающая механич. процессы в реальных газообразных, жидких и твёрдых телах. Движение электропроводящих жидкостей и газов исследуется в магнитной гидродинамике. Колебания упругой среды и распространение в ней волн изучаются в акустике.

Термодинамика. Всё содержание термодинамики является в осн. следствием её двух начал: первого начала - закона сохранения энергии - и второго начала, констатирующего необратимость макроскопич. процессов. Они позволяют ввести однозначные ф-ции состояний: 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 наиб. полно отражает определ. направленность процессов в природе. В термодинамике осн. величинами, задающими состояние системы,- термодинамическими параметрами - являются в простейшем случае давление, объём и темп-ра. Связь между ними даётся термич. ур-нием состояния, а зависимости ср. энергии от объёма и темп-ры - калорич. ур-нием состояния. Простейшее термич. ур-ние состояния - ур-ние состояния идеального газа Клапейрона - Менделеева (см. Клапейрона уравнение).

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

Статистическая физика, с т а т и с т и ч е с к а я м е х а н ик а. В классич. статистич. механике вместо задания координат r_i и импульсов p_i частиц системы задается ф-ция распределения частиц по координатам и импульсам, f(r₁,p₁,..., r_N, p_N; t) имеющая смысл плотности вероятности обнаружения наблюдаемых значений координат и импульсов в определённых малых интервалах в данный момент времени t. Ф-ция распределения f удовлетворяет ур-нию движения (ур-нию Лиувилля), имеющему вид ур-ния непрерывности в пространстве всех r_i и p_i (в фазовом пространстве). Ур-ние Лиувилля однозначно определяет f в любой последующий момент времени по заданному её значению в нач. момент, если известна энергия взаимодействия между частицами системы. Ф-ция распределения позволяет вычислять ср. значения плотностей вещества, энергии, импульса и их потоков, а также отклонения их от ср. значений - флуктуации. Ур-ние, описывающее эволюцию ф-ции распределения для газа, было впервые получено Больцманом (1872) и наз. кинетическим ур-нием Больцмана.

Гиббс получил выражение для ф-ции распределения произвольной системы, находящейся в равновесии с термостатом (канонич. Гиббса распределение). Эта ф-ция распределения позволяет по известному выражению энергии как ф-ции координат и импульсов частиц (ф-ции Гамильтона) вычислить все термодинамич. потенциалы, что является предметом статистич. термодинамики.

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 ф-ция распределения известна, можно определить любые мак-роскопич. величины, характеризующие состояние системы в неравновесном состоянии, и проследить за их изменением в пространстве с течением времени.

Нахождение ф-ции распределения, зависящей от координат и импульсов всех частиц системы, является неразрешимой задачей, т. к. оно эквивалентно решению ур-ний движения для всех частиц. Однако для вычисления физ. величин, характеризующих систему (ср. плотности частиц, энергии и импульса), не требуется знания полной ф-ции распределения. Поэтому используется приближённое ста-тистич. описание с помощью более простых ф-ций распределения: одночастичных, дающих ср. число частиц с опре-дел. значениями координат и импульсов, и двухчастичных, определяющих взаимное влияние (корреляцию) двух частиц. Общий метод получения ур-ний для таких ф-ций был разработан в 40-х гг. 20 в. Н. Н. Боголюбовым, М. Борном (М. Born), Г. С. Грином (Н. Green) и др. Ур-ния для одночастичной ф-ции распределения, построение к-рых возможно для газов малой плотности, наз. кинетическими. К их числу относится кинетич. ур-ние Больцмана. Разновидности ур-ния Больцмана для ионизованного газа ( плазмы) - кинетич. ур-ния Л. Д. Ландау и А. А. Власова (30-40-е гг.).

В плазме осн. роль играют эл.-магн. взаимодействия заряж. частиц, и лишь статистич. теория, как правило, способна дать ответ на любые вопросы, связанные с поведением плазмы. В частности, она позволяет исследовать проблему устойчивости высокотемпературной плазмы во внеш. эл.-магн. поле. Эта задача чрезвычайно актуальна в связи с проблемой осуществления управляемых термоядерных реакций. Существенный вклад в феноменологич. теорию необратимых процессов и термодинамики нелинейных необратимых процессов внёс И. Р. Пригожий (I. Prigogine).

Электродинамика. Состояние эл.-магн. поля в теории Максвелла характеризуется двумя осн. векторами: напряжённостью электрич. поля Е и магн. индукцией В, являющимися ф-циями координат и времени. Эл.-магн. свойства вещества задаются тремя величинами: диэлектрич. проницаемостью e, магн. проницаемостью m и уд. электропроводностью а, к-рые должны быть определены экспериментально. Для векторов Е и В исвязанных с ними вспомогат. векторов электрич. индукции D и напряжённости магн. поля Н записывается система линейных диф-ференц. ур-ний с частными производными - Максвелла уравнения. Эти ур-ния описывают эволюцию эл.-магн. поля. По значениям характеристик поля в нач. момент времени внутри нек-рого объёма и по граничным условиям на поверхности этого объёма можно определить Е и В в любой последующий момент времени. Векторы Е и В определяют силу, действующую на заряж. частицу, движущуюся с определ. скоростью в эл.-магн. поле ( Лоренца силу).

Основатель электронной теории Лоренц сформулировал ур-ния, описывающие элементарные эл.-магн. процессы. Эти ур-ния, называемые Лоренца - Максвелла уравнениями, связывают движение отд. заряж. частиц с создаваемым ими эл.-магн. полем.

Специальная теория относительности. Релятивистская механика. В основе спец. 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 нач. 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 абс. пространства и времени - исходных представлений Ньютона о пространстве и времени). Согласно второму постулату, скорость света в вакууме во всех инерциальных системах отсчёта одинакова. Из этих двух постулатов вытекают ф-лы Лоренца-преобразования координат и времени при переходе от одной инерциальной системы к другой. Из преобразований Лоренца получаются осн. эффекты спец. теории относительности: существование предельной скорости, совпадающей со скоростью света с в вакууме ( с- макс. скорость передачи любых взаимодействий); относительность одновременности (события, одновременные в одной инерциальной системе отсчёта, в общем случае неодновременны в другой); замедление течения времени и сокращение продольных (в направлении движения) размеров в быстро движущемся теле: все физ. процессы в теле, движущемся со скоростью uотносительно нек-рой инерциальной системы отсчёта, протекают в раз медленнее, чем те же процессы в данной инерциальной системе, и в раз уменьшаются продольные размеры тела. Из равноправия всех инерциальных систем отсчёта следует, что эффекты замедления времени и сокращения размеров тел являются не абсолютными, как считал Лоренц, а относительными, зависящими от системы отсчёта.

Законы механики Ньютона перестают быть справедливыми при больших скоростях движения (т. к. они инвариантны относительно преобразований Галилея, а не Лоренца). Сразу же после создания теории относительности были найдены релятивистские ур-ния движения, обобщающие ур-ния движения механики Ньютона. Эти ур-ния пригодны для описания движения частиц со скоростями, близкими к скорости света. Исключительно важное значение для Ф. получили два следствия релятивистской механики: введение релятивистского импульса и универсальной связи между энергией и массой т (см. Относительности теория).

При больших скоростях движения любая физ. теория должна удовлетворять требованиям теории относительности, т. е. быть релятивистски-инвариантной. Законы теории относительности определяют преобразования при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой не только координат и времени, но и любой физ. величины. Эта теория относится к принципам инвариантности, или симметрии (см. Симметрия в физике), позволяющим обнаруживать новые корреляции между событиями на основе уже найденных корреляций.

Общая теория относительности (т е о р и я т я г о т е н и я). Из четырёх типов фундам. взаимодействий - гравитационных, эл.-магнитных, сильных и слабых- первыми были открыты гравитац. взаимодействия, или силы тяготения. На протяжении более 200 лет никаких изменений в основы теории гравитации, сформулированной Ньютоном, введено 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. Новая теория тяготения была создана путём логич. развития принципа относительности применительно к гравитац. взаимодействиям; она была названа общей теорией относительности. Эйнштейн по-новому интерпретировал установленный Галилеем факт равенства гравитац. и инертной масс ( см. Масса): это равенство означает, что тяготение одинаковым образом искривляет пути всех тел. Поэтому тяготение можно рассматривать как искривление самого пространства-времени. Теория Эйнштейна вскрыла глубокую связь между геометрией пространства-времени и распределением и движением масс. Компоненты т. н. метрич. тензора, характеризующие метрику пространства-времени, одновременно являются потенциалами гравитац. поля, т. е. определяют состояние гравитац. поля. Эволюция состояния описывается нелинейными ур-ниями Эйнштейна для гравитац. поля. В общем виде ур-ния тяготения Эйнштейна не решены. В приближении слабых полей из них вытекает существование гравитац. волн (прямые эксперименты по их обнаружению пока не увенчались успехом).

Гравитац. силы-самые слабые из четырёх фундам. сил в природе. Они примерно в 10³⁸ раз слабее эл.-магнитных. В совр. теории элементарных частиц гравитац. силы не учитываются, т. к. полагают, что они не играют заметной роли. Роль гравитац. сил становится решающей при взаимодействиях тел космич. размеров; они определяют также структуру и эволюцию Вселенной.

Теория тяготения Эйнштейна привела к новым представлениям об эволюции Вселенной. В сер. 20-х гг. А. А. Фридман нашёл нестационарное решение ур-ний гравитац. поля, соответствующее расширяющейся Вселенной. Этот вывод был подтверждён наблюдениями Э. Хаббла (Е. Hubble), открывшего закон красного смещения для галактик (означающий, что расстояния между любыми галактиками увеличивается с течением времени). Др. пример предсказания теории - возможность неогранич. сжатия звёзд достаточно большой массы (больше 2-3 солнечных масс) с образованием т. н. чёрных дыр. Гравитац. поле чёрной дыры настолько велико, что ни свет, ни частицы не могут покинуть её и дойти до далёкого наблюдателя. Получены эксперим. указания на существование подобных объектов.

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

Квантовая механика. Состояние микрообъекта в квантовой механике характеризуется волновой ф-цией y. Как показал М. Борн в 1926, волновая ф-ция имеет статистич. смысл: она представляет собой амплитуду вероятности, т. е. квадрат её модуля |y|² есть плотность вероятности нахождения частицы в данном состоянии. В координатном представлении , величина определяет вероятность того, что координаты частицы в момент времени t лежат внутри малого интервала Dx, Dy, Dz около точки с координатами х, у, z. Эволюция состояния с течением времени однозначно определяется с помощью Шрёдингера уравнения.

Волновая ф-ция даёт полную характеристику состояния. Зная y, можно вычислить вероятность обнаружения опре-дел. значения любой относящейся к частице (или системе частиц) физ. величины и ср. значения всех этих физ. величин. Статистич. распределения по координатам и импульсам не являются независимыми, из чего следует, что координата и импульс частицы не могут иметь одновременно точных значений (принцип неопределенности Гейзенберга; см. Неопределённостей соотношения). Аналогичное соотношение неопределённостей имеется для энергии и времени.

В квантовой механике момент импульса, его проекция, а также энергия при движении в огранич. области пространства могут принимать лишь ряд дискретных значений. Возможные значения физ. величин являются собственными значениями операторов, к-рые в квантовой механике ставятся в соответствие каждой физ. величине. Физ. величина принимает определ. значение с вероятностью, равной единице, лишь в том случае, если система находится в состоянии, описываемом собственной ф-цией соответствующего оператора.

С помощью квантовой механики была построена теория атомов, объясняющая их свойства и вскрывающая физ. смысл периодич. системы элементов Менделеева. Была объяснена хим. связь, в т. ч. понята природа ковалентной хим. связи; заложены основы теории твёрдого тела, построена квантовая теория рассеяния, применимая для столкновения частиц в тех случаях, когда законы классич. механики оказываются несостоятельными.

Квантовая механика Шрёдингера - Гейзенберга является нерелятивистской. Она применима для описания движения элементарных частиц и их систем со скоростями, много меньшими скорости света, в тех случаях, когда число частиц в системе остаётся неизменным. В 1928 П. А. М. Дирак (P. A. M. Dirac) получил квантовое релятивистское ур-ние движения электрона ( Дирака уравнение), из к-рого естественно вытекало наличие у электрона спина. На основании этого ур-ния Дирак в 1932 предсказал существование позитрона (первой античастицы), в том же году открытого К. Д. Андерсоном (С. D. Anderson) в космич. Лучах. 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 обычных макроскопич. тел.

Матем. аппарат квантовой статистики существенно отличается от аппарата классич. статистики, т. к. нек-рые параметры микрообъектов могут принимать дискретные значения. Однако содержание самой статистич. теории равновесных состояний не претерпело глубоких изменений. Был выдвинут лишь один новый фундам. квантово-меха-нич. принцип - принцип тождественности одинаковых частиц. В классич. статистике перестановка двух одинаковых частиц меняет состояние системы; в квантовой статистике при перестановке одинаковых, т. е. имеющих одинаковые физ. свойства, частиц состояние системы не меняется. Если частицы имеют целый спин (кратный постоянной Планка , то в одном и том же квантовом состоянии может находиться любое число частиц. Системы таких частиц описываются Бозе-Эйнштейна статистикой. Для любых частиц с полуцелым спином выполняется принцип Паули (согласно к-рому в данном квантовом состоянии не может находиться более одной частицы), и системы этих частиц описываются Ферми-Дирака статистикой.

Особенно большую роль сыграла квантовая статистика в построении Ф. твёрдого тела. Зонная теория твёрдого тела позволила объяснить деление твёрдых тел на проводники, полупроводники и диэлектрики, а также их осн. свойства (электропроводность, теплоёмкость и т. д.). Получило объяснение явление ферромагнетизма и антиферромагнетизма, а в 1957 создана теория сверхпроводимости, обнаруженной ещё в 1911. Открытое в 1938 П. Л. Капицей явление сверхтекучести жидкого гелия также получило объяснение в рамках квантовой статистики.

Квантовая статистич. теория равновесных процессов построена в столь же законченной форме, как и классическая. Заложены также основы квантовой статистич. теории неравновесных процессов. Ур-ние, описывающее неравновесные процессы в квантовой системе и называемое осн. кинетич. ур-нием, позволяет в принципе проследить за эволюцией 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 с рождением и превращением частиц- привёл к КТП, наиб. полно отражающей фундам. свойство природы - корпус-кулярно-волновой дуализм.

В КТП частицы описываются с помощью квантованных полей, представляющих собой совокупность операторов рождения и уничтожения частиц в разл. квантовых состояниях. Взаимодействие квантованных полей приводит к разл. процессам испускания, поглощения и превращения частиц. Любой процесс в КТП рассматривается как уничтожение одних частиц в определ. состояниях и появление других в новых состояниях. Напр., испускание фотона атомом при переходе электрона из нек-рого нач. состояния в нек-рое конечное на языке КТП представляет процесс исчезновения электрона в нач. состоянии и рождение электрона в конечном состоянии с одноврем. рождением фотона, происходящий в результате взаимодействия квантованных полей электронов и фотонов.

Первоначально была построена КТП применительно к взаимодействию электронов, позитронов и фотонов - квантовая электродинамика (Дирак, 1929). Взаимодействие между заряж. частицами, согласно квантовой электродинамике, осуществляется путём обмена фотонами, причём электрич. заряд частицы представляет константу, характеризующую связь поля заряж. частиц с эл.-магн. полем (полем фотонов).

Идеи, положенные в основу квантовой электродинамики, были в 1934 использованы Э. Ферми (Е. Fermi) для описания процессов бета-распада атомных ядер с помощью нового типа взаимодействия (к-рый, как выяснилось впоследствии, представляет частный случай т. н. слабых взаимодействий). В процессах бета-распада один из нейтронов ядра превращается в протон и одноврем. происходит испускание электрона и электронного антинейтрино.

Дальнейшим плодотворным применением идей КТП явилась работа X. Юкавы (1935), к-рый, развивая идеи И. Е. Тамма и Д. Д. Иваненко, предположил существование взаимодействия между полем нуклонов (протонов и нейтронов) и полем новых частиц-мезонов. 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 (пионы) были обнаружены в 1947, а взаимодействие их с нуклонами оказалось частным проявлением т. н. сильных взаимодействий.

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

Очень важную роль играет состояние поля с наименьшей энергией, к-рое наз. вакуумным (см. Вакуум). Число частиц, напр. фотонов, в вакуумном состоянии поля равно нулю. Однако существуют нулевые колебания поля флук-туац. характера, энергия к-рых бесконечна, т. к. число степеней свободы поля бесконечно велико. Взаимодействие заряж. частиц с флуктуациями вакуумного поля приводит к эффектам, наблюдаемым экспериментально: лэмбовско-му сдвигу уровней, аномальному значению собственного (спинового) магн. момента электрона и др.

Из-за бесконечного числа степеней свободы у поля взаимодействие частиц - квантов поля - приводит к ур-ни-ям, неразрешимым точно. Однако в теории эл.-магн. взаимодействий любую задачу можно решить приближённо, т. к. взаимодействие можно рассматривать как малое возмущение свободного состояния частиц (вследствие малости безразмерной константы , характеризующей интенсивность эл.-магн. взаимодействий).

Осн. процесс в квантовой электродинамике - испускание свободным электроном (или позитроном) фотона с последующим его поглощением другим или тем же электроном. Время этого процесса-характерное время эл.-магн. процессов-~10^-21 с. Этот процесс наз. виртуальным. В классич. Ф. такой процесс невозможен, т. к. противоречит закону сохранения энергии. Согласно квантовой теории, этот процесс протекать может, т. к., согласно соотношению неопределённостей для энергии и времени, неопределённость в энергии пропорц. постоянной Планка, делённой на длительность процесса. Фотоны, испускаемые при виртуальном процессе, также наз. виртуальными.

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 технику т. н. перенормировок, позволяющую выделять из бесконечно больших величин конечные составляющие, учёт к-рых приводит к количеств. согласию с экспериментом.

В кон. 60-х гг. С. Вайноерг (S. Weinberg), Ш. Глэшоу (S. Glashow) и А. Салам (A. Salam) построили перенормируемую теорию слабых взаимодействий на основе т. н. калибровочных теорий, в основе к-рых лежит принцип локальной калибровочной симметрии. Они создали объединённую модель слабых и эл.-магн. взаимодействий (модель эл.-слабых взаимодействий), согласно к-рой, наряду с фотоном-переносчиком эл.-магн. взаимодействий - должны существовать переносчики слабых взаимодействий-промежуточные векторные бозоны с массами в неск. десятков протонных масс. Наряду с заряж.(W⁺ и W^-) бозонами должны существовать и нейтральные (Z⁰). В 1973 впервые экспериментально наблюдались процессы, к-рые можно объяснить существованием нейтральных бозонов ( нейтральные токи), а в 1983 все промежуточные бозоны были открыты экспериментально. Эти открытия были сделаны на ускорителях со встречными протон-антипротонными пучками, а также на ускорителях со встречными электрон-позитронными пучками.

Теория сильных взаимодействий получила интенсивное развитие после успехов, достигнутых в систематике сильно взаимодействующих частиц ( адронов). Эта систематика позволила предсказать существование неск. элементарных частиц, впоследствии открытых экспериментально. Систематику адронов оказалось возможным сделать наглядной, если предположить, что все адроны "построены" из небольшого числа (в первонач. варианте-из трёх) фундам. частиц-кварков и соответствующих антикварков-с дробными электрич. зарядами. Открытие в 1975-76 нового класса частиц (J/y-мезонов) потребовало введения ещё одного кварка (c -кварка).

В 70-х гг. построена калибровочная теория межквар-ковых сильных взаимодействий - квантовая хромодина-мика. Эти взаимодействия осуществляются посредством 8 безмассовых частиц-глюонов. Глюоны взаимодействуют между собой, и поэтому поле сильных взаимодействий нелинейно. Построение квантовой хромодинамики оказалось возможным после введения нового квантового числа-т. н. цвета. Кварки и глюоны в свободном виде не существуют, но их реальность косвенно доказана в экспериментах по рассеянию электронов и нейтрино высоких энергий на нуклонах.

Несмотря на то что нелинейные ур-ния, описывающие сильные взаимодействия кварков, известны, их удаётся приближённо решать только при малых расстояниях между кварками, когда взаимодействие относительно мало. Вычисление же энергии взаимодействия нуклонов в рамках квантовой хромодинамики-пока далёкая от решения задача.

Принципы симметрии и законы сохранения. Фундам. физ. теории позволяют по нач. состоянию объекта определить его поведение в будущем. Принципы симметрии, или инвариантности, носят более общий характер, им подчинены все физ. теории. Симметрия законов Ф. относительно нек-рого преобразования означает, что эти законы не меняются при проведении данного преобразования. Поэтому принципы симметрии можно установить на основании известных физ. законов. С др. стороны, если теория к.-л. физ. явлений ещё не создана, открытые на опыте симметрии играют эвристич. роль при построении теории. Отсюда особая важность экспериментально установленных симметрии сильно взаимодействующих элементарных частиц- адронов. Существуют общие симметрии, справедливые для всех физ. законов, для всех видов взаимодействий, и приближённые симметрии, область выполнения к-рых ограничена определ. кругом взаимодействий или даже одним видом взаимодействий. Т. о., существует определ. иерархия принципов симметрии.

Симметрии делятся на пространственно-временные, или геометрические, и внутренние симметрии, описывающие специфич. свойства элементарных частиц.

С симметриями связаны законы сохранения. Для непрерывных преобразований эта связь была установлена на основе самых общих предположений о матем. аппарате теории (см. Нётер теорема).

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 (изменение начала отсчёта времени). Инвариантность (неизменность) всех физ. законов относительно этих преобразований означает соответственно однородность и изотропию пространства и однородность времени. С этими симметриями связаны соответственно законы сохранения импульса, момента импульса и энергии. К общим симметриям относятся также инвариантность по отношению к преобразованиям Лоренца и к т. н. калибровочным преобразованиям (1-го рода) - умножению волновой ф-ции на пост. фазовый множитель, не меняющий квадрата её модуля (последняя симметрия связана с законами сохранения электрич., барионного и леп-тонного зарядов), и принцип локальной калибровочной симметрии.

Существуют также симметрии, отвечающие дискретным преобразованиям: изменению знака времени ( обращению времени), пространственной инверсии (т. н. зеркальная симметрия природы), зарядовому сопряжению (замене всех участвующих в к.-л. процессе частиц на соответствующие античастицы). Фундам. законы природы, описывающие микропроцессы, обратимы во времени (о единств. исключении см. ниже); необратимость в макромире имеет ста-тистич. происхождение и связана с неравновесным состоянием Вселенной. Зеркальной симметрии в квантовой теории соответствует сохранение квантового числа - пространственной чётности.

Симметрии относительно пространственной инверсии и зарядового сопряжения не носят абс. характера: в процессах слабого взаимодействия они нарушаются (экспери-ментально подтверждено в 1956 опытами By Цзянсун с сотрудниками). При этом сохраняется симметрия по отношению к комбинированной инверсии - одноврем. проведении зеркального отражения и замены всех частиц на античастицы. Однако в 1964 при исследованиях распада т. н. долгоживущего нейтрального К-мезона было обнаружено нарушение симметрии и при комбинированной инверсии. Т. к. в совр. квантовой теории поля любой процесс должен быть инвариантен по отношению к одноврем. проведению всех трёх перечисленных дискретных преобразований ( теорема СРТ), то нарушение симметрии при комбинированной инверсии в распаде K_L⁰ означает, что в этом распаде нарушается также симметрия по отношению к обращению времени. Причина этого нарушения не выяснена.

Сильные взаимодействия обладают ещё рядом дополнит. внутр. симметрии, в частности изотопической инвариантностью и более широкой симметрией - т. н. SU(3)- симметрисй (см. Сильное взаимодействие). На основе этих симметрии М. Гелл-Ман (М. Gell-Mann)) и К. Нишиджима (К. Nishijima) создали систематику адронов, позволившую предсказать существование неск. элементарных частиц, открытых позднее экспериментально, и ввести кварковую модель строения адронов (см. выше).

Большим достижением явл. установление кварк-леп-тонной симметрии, согласно к-рой в природе встречается 6 лептонов (частиц, не участвующих в сильных взаимодействиях), а все сильно взаимодействующие частицы состоят из 6 кварков. Эти частицы делят на 3 поколения по паре лептонов и кварков в каждом поколении. Массы частиц возрастают от поколения к поколению. Стабильное вещество Вселенной, все атомы построены из частиц первого поколения: электронов, и- и d -кварков.

Успехи в классификации адронов на основе принципов симметрии и иерархии этих принципов очень велики, хотя причины существования приближённых симметрии неизвестны.

4. Современная экспериментальная физика

Ещё в нач. 20 в. мн. фундам. открытия (атомного ядра, радиоактивности и др.) были сделаны с помощью сравнительно простой аппаратуры. В дальнейшем эксперимент стал быстро усложняться и эксперим. установки стали сравнимы по масштабу с промышл. предприятиями. Совр. эксперим. исследования в области ядра и элементарных частиц, радиоастрономии, квантовой электроники и Ф. твёрдого тела требуют небывалых масштабов и затрат средств, к-рые зачастую доступны лишь крупным государствам или даже группе государств с развитой экономикой.

Огромную роль в развитии ядерной Ф. и связанной с ней Ф. элементарных частиц сыграли два обстоятельства. Во- первых, разработка методов наблюдения и регистрации отд. актов превращений элементарных частиц, вызванных их столкновениями друг с другом и с атомными ядрами. Во-вторых, создание ускорителей заряженных частиц, положившее начало развитию Ф. высоких энергий. Особую роль играют ускорители на встречных пучках, к-рые позволили повысить эфф. энергию столкновения частиц.

Были созданы высокоэффективные счётчики заряж. частиц, основанные на разл. принципах: газоразрядные, сцин-тилляционные, черепковские и др. Фотоумножители позволяют регистрировать единичные фотоны. Наиб. полную и точную информацию о событиях микромира получают с помощью камеры Вильсона, пузырьковой и искровой камер, в к-рых можно непосредственно наблюдать следы (треки) пролетевших заряж. частиц. При исследовании частиц высоких энергий особенно эффективны два последних типа камер (наряду с регистрацией частиц в толстослойных фотоэмульсиях), г. к. из-за большой плотности среды в этих детекторах пробеги частиц невелики и удаётся проследить цепочку превращений частиц. Получаемая от регистрирующих устройств информация обрабатывается с помощью ЭВМ. В искровых камерах регистрация и анализ треков частиц осуществляются автоматически с использованием вычислит. машин непосредственно в экспе-рим. установке.

Значение ускорителей заряж. частиц определяется следующими обстоятельствами. Чем больше энергия (импульс) частицы, тем меньше, согласно принципу неопределенности, размеры объектов или их деталей, к-рые можно различить при столкновениях частицы с объектом. К 1995 эти мин. размеры составляют 10^-16 см. Изучая рассеяние электронов высокой энергии на протонах и нейтронах, удалось обнаружить элементы внутр. структуры нуклонов - распределение электрич. заряда и магн. момента внутри этих частиц (т. н. формфакторы). Рассеяние электронов сверхвысоких энергий на нуклонах указывает на существование внутри нуклонов неск. отд. образований сверхмалых размеров, названных партонами. Впоследствии эти образования были отождествлены с кварками.

Др. причина интереса к частицам высоких энергий - рождение при их столкновениях с мишенью новых частиц всё большей массы. Открыто неск. десятков стабильных и ядерно-стабильных частиц и более двухсот резонансов, причём подавляющее число частиц и их античастиц было открыто на ускорителях. Кроме того, исследование рассеяния частиц сверхвысоких энергий способствует выяснению природы сильных и слабых взаимодействий.

Исследованы самые разл. типы ядерных реакций. На ускорителе Объединённого ин-та ядерных исследований в Дубне впервые осуществлено столкновение релятивистских ядер. На ускорителе в Серпухове получены ядра антитрития и антигелия и открыт рост полного сечения взаимодействия адронов очень высоких энергий при их рассеянии друг на друге ("серпуховский эффект"). Успешно идёт синтез трансурановых элементов.

Развитие радиофизики получило новое направление после создания радиолокаторов во время 2-й мировой войны. Радиолокаторы нашли широкое применение в авиации, морском транспорте, в космонавтике. Была осуществлена локация небесных тел: Луны, Венеры и др. планет, а также Солнца. Совершенствование радиолокац. приборов привело к революции в старейшей из наук - астрономии. Были сооружены гигантские радиотелескопы, улавливающие излучения космич. тел со спектральной плотностью потока энергии . Информация о космич. объектах неизмеримо возросла. Удалось открыть радиозвёзды и радиогалактики с мощным излучением в радиодиапазоне. В 1963 были открыты наиб. удалённые от нас квазизвёздные объекты - квазары. Их светимость в сотни раз превышает светимость ярчайших галактик. Разрешающая способность совр. радиотелескопов, использующих передвижные антенны, управляемые ЭВМ, достигает угл. секунды (для излучения с длиной волны в неск. см).

Исследование радиоизлучения помогло установить источники первичных космич. лучей: протонов, более тяжёлых атомных ядер и электронов. Этими источниками оказались вспышки сверхновых звёзд. Было открыто реликтовое излучение, возникшее на ранней стадии эволюции Вселенной (см. Микроволновое фоновое излучение).

В 1967 были открыты пульсары - быстро вращающиеся нейтронные звёзды. Эти звёзды создают направленное излучение в радио- и видимом диапазонах, интенсивность к-рого периодически меняется из-за вращения звёзд.

Большую роль в изучении околоземного космич. пространства и далёкого космоса сыграли космич. станции. Они позволили открыть радиац. пояса Земли, обнаружить космич. источники рентг. излучения и всплески g-излучения (эти виды излучения поглощаются атмосферой Земли и не доходят до её поверхности).

Всё большее значение приобретают исследования структуры твёрдых и жидких тел, полимеров, структуры их поверхности. Совершенствуются дифракц. методы исследования строения вещества- рентгеновский структурный анализ, с помощью к-рого в нач. 20 в. была впервые доказана строгая упорядоченность расположения атомов (ионов) в кристаллах, нейтронография и электронография. Выяснено влияние дислокаций и др. дефектов кристаллич. решётки на прочность и пластичность материалов. Важную роль в этих исследованиях сыграло применение электронных микроскопов большой разрешающей силы. В 1982 созданы туннельные микроскопы, позволяющие "увидеть" отд. атомы и использующиеся для изучения структуры поверхности, происходящих на ней хим. процессов, а также для обработки поверхности (см. Сканирующий туннельный микроскоп). Для исследования структуры вещества и установления распределения электронной плотности в веществе применяется электронный парамагнитный резонанс, ядерный магнитный резонанс, Мёссбауэра Эффект и др. резонансные методы. Совершенствуется наследование структуры атомов, молекул, органич. и неорганич. веществ по их спектрам в широком диапазоне частот.

Фантастич. точности достигают измерения амплитуды колебаний микроскопич. тел. С помощью радиотехн. и оп-тич. датчиков можно регистрировать механич. колебания с амплитудой ~ 10^-14 см. Планируется создание датчиков для регистрации колебаний с амплитудой 10 ^-16 - 10^-19 см.

5. Основные нерешённые проблемы физики

Физика элементарных частиц. Наиб. фундам. проблемой Ф. остаётся исследование материи на самом глубоком уровне. Накоплен огромный эксперим. материал по взаимодействиям и превращениям элементарных частиц. Произвести же теоретич. обобщение всего этого материала с единой точки зрения пока не удаётся. Остаётся нерешённой проблема определения спектра масс элементарных частиц. Возможно, для решения проблемы спектра масс и устранения бесконечностей в квантовой теории поля необходимо введение нек-рой фундаментальной длины, к-рая ограничивала бы применимость обычных представлений о пространстве-времени как о непрерывной сущности. До расстояний ~10^-5 см и соответственно времён ~ 10^-25 с обычные пространственно-временные соотношения, по-видимому, справедливы. Но на меньших расстояниях, возможно, это и не так. Делаются попытки введения фундам. длины в разл. вариантах квантования пространства-времени. Эти попытки пока не привели к ощутимым результатам.

Развиваются квантовые теории, объединяющие др. взаимодействия, кроме эл.-магнитного и слабого. Однако единая теория эл.-слабого и сильного взаимодействия (т. н. Великое объединение )пока не получила подтверждения.

Предсказанный ею распад протона за время ~10³² лет экспериментально не обнаружен.

В ещё более грандиозном обобщении, названном суперсимметрией, делается попытка объединить все 4 фундам. взаимодействия, т. е, включить гравитацию в рамки единой теории сил и построить обобщённую теорию гравитации- супергравитацию. Эта теория предсказывает существование множества новых элементарных частиц, но ни одна из них пока не обнаружена экспериментально.

Интенсивно развивается струн теория, в к-рой точечные объекты квантовой теории поля заменяются линейными протяжёнными объектами - струнами.

Физика ядра. Открытие нейтрона в 1932 привело к созданию протонно-нейтронной модели ядра. К наст. времени достигнут большой прогресс в понимании структуры атомных ядер, построены разл. приближённые ядерные модели. Однако последоват. теории атомного ядра (подобной теории атома), позволяющей рассчитать, в частности, энергию связи нуклонов в ядре (её определяют по дефекту масс) и энергетич. уровни ядра, пока нет.

В 1939-45 была впервые освобождена ядерная энергия с помощью цепной реакции деления ядер урана и создана атомная бомба. В 1955 в СССР была построена первая атомная электростанция (г. Обнинск). В 1952 была осуществлена реакция термоядерного синтеза и создана водородная бомба. Одна из важнейших задач, к-рая стоит перед человечеством,-создание управляемого термоядерного синтеза, к-рое позволило бы во многом решить энергетич. проблемы. 6 большом масштабе ведутся эксперим. и тео-ретич. работы по созданию горячей дейтерий-тритиевой плазмы, необходимой для термоядерной реакции; отечеств. установки типа токамак являются, по-видимому, самыми перспективными в этом направлении.

Квантовая элетроника. В 50-х гг. возник новый раздел радиофизики; были осуществлены генерация и усиление эл.-магн. вcё c помощью квантовых систем. А. М. Прохоровым и Г. Басовым и независимо Ч. Таунсом (С. Townes) был создан микроволновый квантовый генератор (мазер), в к-ром использовалось явление вынужденного излучения, открытое ещё в 1917 Эйнштейном. В нач. 60-х гг. был создан лазер - квантовый генератор эл.-магн. волн в видимом диапазоне.

Квантовые генераторы дают эл.-магн. излучение, уникальное по своим свойствам. Излучение лазера когерентно и может достигать в узком спектральном интервале огромной мощности-до 10¹⁷ Вт/см ² , причём расходимость светового пучка очень мала. Напряжённость электрич. поля излучения лазера может превышать напряжённость внутриатомного поля.

С созданием лазеров появился и начал быстро развиваться новый раздел оптики - нелинейная оптика. В сильном лазерном излучении становятся существенными нелинейные эффекты взаимодействия эл.-магн. волны со средой. Эти эффекты - перестройка частоты излучения, самофокусировка и др.-представляют большой теоретич. и практич. интерес.

Почти строгая монохроматичность лазерного излучения позволила получить объёмное изображение объектов с помощью интерференции волн (см. Голография).

Лазерное излучение применяют для испарения и сварки металлов в вакууме, для разделения изотопов и т. д. Лазеры широко используются в микрохирургии глаза и др. областях медицины. Перспективно, по-видимому, применение лазеров для нагрева вещества до темп-р, при к-рых возможно осуществление термоядерных реакций (см. Лазерный термоядерный синтез). Созданы первые рентгеновские лазеры, и ставится задача создания гамма-лазеров.

Физика твёрдого тела. С нач. 30-х гг. стали закладываться основы квантовой теории твёрдого тела; квантовые свойства твёрдых тел в наст. время широко используются на практике.

Открытие возможности управления электрич. проводимостью полупроводников вызвало революцию в радиофизике: электронные лампы в осн. заменены полупроводниковыми приборами. Резко уменьшились в размерах и стали надёжнее радиотехн. устройства и вычислит. машины. В интегральных системах вместо обычных радиодеталей и соединений используются тонкие слои молекул определ. сорта, вводимые внутрь кристалла полупроводника или напыляемые на его поверхность.

Крупные успехи достигнуты в исследовании магнетизма, В частности, открыты ферриты - вещества, обладающие одновременно свойствами ферромагнетиков и полупроводников, развиваются исследования сегнетоэлектриков, фазовых переходов вещества и др.

Большое значение как для самой науки, так и для практич. применения имеет исследование вещества в экстремальных условиях: при очень низких или очень высоких темп-pax, сверхвысоком давлении, сверхсильных магн. полях и т. д. (см. Низкие температуры, Экстремальное состояние вещества).

Получены указания на то, что твёрдый водород при низких темп-pax и сверхвысоких давлениях приобретает электропроводность, т. е. металлич. свойства. Исследование водорода и др. веществ в таких условиях - одна из важных задач Ф. Всё большее применение находят сверх-проводящие магниты, такие магниты уже используются для создания мощного магн. поля в ускорителях заряж. частиц.

В 1986 открыта высокотемпературная сверхпроводимость с темп-рой перехода в сверхпроводящее состояние ок. 100 К, т. е. выше темп-ры кипения жидкого азота при атм. давлении. Теория этого явления ещё не построена, однако появилась надежда получить сверхпроводимость при комнатной темп-ре, что, возможно, позволит решить проблему передачи электроэнергии на большие расстояния практически без потерь.

Высокий и сверхвысокий вакуум создаётся в электронных приборах и ускорителях, чтобы избежать нежелат. потерь при столкновениях ускоряемых частиц с частицами остаточного газа. Исследование свойств поверхностей в вакууме приобрело большое значение в связи с освоением космич. пространства, в к-ром реализуются условия глубокого вакуума.

Важная проблема Ф.- изучение структуры и свойств полимеров, в частности биополимеров, к к-рым относятся белки. Основополагающим для биофизики явилось открытие в 1953 Дж. Уотсоном (J. Watson) и Ф. Криком (F. Crick) структуры ДНК - носителей наследств. кода. Применение физ. методов для исследования жизнедеятельности организмов позволило разрешить мн. проблемы биофизики, поставить и рассмотреть молекулярные и ин-формац. вопросы эволюции биологической.

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

5. Связь физики с другими науками и техникой

Физика и философия. Вследствие общности и широты своих законов Ф. всегда оказывала воздействие на развитие философии и сама находилась под её влиянием. Ф. лежит в основе научного мировоззрения, сущность к-рого в том, что существуют законы природы, никогда не нарушаемые в рамках своей применимости. Закон же, в самом общем смысле, есть необходимая связь между настоящим состоянием мира или любой его части и состоянием, непосредственно следующим за ним.

Особенно важна правильная философская ориентация в кризисные моменты развития Ф., когда старые представления подвергаются коренному пересмотру. Лишь понимание соотношения между абс. и относит. истинами позволяет в рамках принципа соответствия правильно оценить сущность революц. преобразований в Ф. и принимать лишь те из них, к-рые не приводят к крушению физ. теорий, а обогащают и углубляют представления о материи.

Физика и математика. Ф.- количеств. наука. Осн. её законы формулируются на матем. языке, гл. обр. с помощью дифференц. ур-ний. Следовательно, Ф. немыслима без математики. С др. стороны, новые идеи и методы в математике возникают в первую очередь под влиянием Ф. Анализ бесконечно малых был создан Ньютоном (одновременно с Лейбницем) при формулировке им осн. законов механики. Создание теории эл.-магн. поля привело к развитию векторного анализа. Развитие таких разделов математики, как тензорное исчисление, теория поверхностей Римана, теория групп и др., стимулировалось новыми физ. теориями: общей теорией относительности и квантовой механикой. Развитие квантовой теории поля ставит новые проблемы функционального анализа.

Физика и другие естественные науки. Тесная связь Ф. с др. отраслями естествознания привела к тому, что Ф. глубочайшими корнями вросла в астрономию, геологию, химию, биологию и др. естеств. науки. Образовался ряд пограничных дисциплин: астрофизика, геофизика, хим. физика, биофизика, молекулярная биология и др.

Физ. методы исследования получили решающее значение для всех естеств. наук. Электронный и туннельный микроскопы на неск. порядков превысили границы оптич. методов исследований и дали возможность наблюдать отд. атомы и молекулы. С помощью рентг. структурного анализа изучена и продолжает изучаться структура сложнейших биол. молекул и живых тканей. Революция в биологии, связанная с возникновением молекулярной биоло-^ши и генетики, была бы невозможна без Ф.

Искусств, радиоакт. изотопы («меченые атомы») сыграли неоценимую роль для исследования обмена веществ в живых организмах. Mн. проблемы биологии, физиологии и медицины были решены с их помощью. Законы квантовой механики лежат в основе теории хим. связи. С помощью физ. методов удаётся осуществить хим. реакции, не идущие в обычных условиях. «Меченые атомы» позволяют проследить кинетику хим. реакций. Создана методика измерения скорости протекания быстрых хим. реакций с помощью пучков мюонов, полученных на ускорителях. Для решения нек-рых физ.-хим. вопросов используют структурные аналоги атома водорода - позитроний и мю- онмй, свойства к-рых были установлены физиками.

Развитие физ. электроники позволило наблюдать процессы, протекающие в миллиардные доли секунды, привело к революции в астрономии-созданию радиоастрономии.

Идеи ядерной Ф. становятся неотъемлемой частью геол. концепций. С их помощью, в частности, измеряют возраст минералов Земли.

Физика и техника. Ф. образует фундамент осн. направлений техники. Строит, техника, гидротехника, электротехника и энергетика, радиотехника, светотехника, значит, часть военной техники, электроника выросли на основе Ф. Благодаря сознат. использованию законов Ф. техника из области случайных находок стала на путь целенаправленного развития. Совр. Ф. вносит решающий вклад в развитие научно-техн. революции, начавшейся ок. 40 лет назад. Научно-техн. революция коренным образом изменила роль науки в жизни общества. Наука стала его непо-средств. производит, силой. Возникновение сети АЭС произвело революцию в энергетике.

В свою очередь развитие техники оказывает существ, влияние на совершенствование эксперим. Ф. Без развития электротехники, радиотехники, технологии произ-ва очень прочных и лишённых примесей материалов было бы невозможно создание таких устройств, как ускорители элементарных частиц, огромные пузырьковые и искровые камеры, полупроводниковые приборы и т. д.

Лит.: История науки. Кудрявцев П. С., История физики, т. 1-3, M., 1956-71; Лауэ M., История физики, пер. с нем., M., 1956; Льоцци M., История физики, пер. с итал., M., 1970. Курсы физики. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс M., Фейнмановские лекции по физике, пер. с англ., в. 1-9, M., 1965-67; Ландау Л. Д., Лифшиц E. M., Механика, 4 изд., M., 1988; их же, Теория поля, 7 изд., M., 1988; их же, Квантовая механика, 4 изд., M., 1989; их же. Статистическая физика, ч. 1, 3 изд., M., 1976; Берестецкий В. В., Лифшиц E. М., Питаевский Л. П., Квантовая электродинамика, 3 изд., M., 1989; их же, Гидродинамика,

4изд., M., 1988; их же, Теория упругости, 4 изд., M., 1987: их же, Электродинамика сплошных сред, 2 изд., M., 1982; Лифшиц E. M., Питаевский Л. П., Статистическая физика, ч. 2, M., 1978; Сивухин Д. В., Общий курс физики, 2 изд., [т. 1-5], M., 1979-86; Берклеевский курс физики, пер. с англ., т. 1-5, M., 1971-74; Хайкин С. Э., Физические основы механики, 2 изд., M., 1971; Ландсберг Г. С., Оптика, 5 изд., M., 1976; Кикоин А. К., Кикоин И. К., Молекулярная физика, 2 изд., M., 1976; Калашников С. Г., Электричество, 5 изд., M., 1985; Широков Ю. M., Юдин H. П., Ядерная физика, 2 изд., M., 1980. A. M. Прохоров,