Что такое современная физика
Современная физика: направления, направления и приложения
Содержание:
В современная физика Это тот, который развивается в современный период, от Французской революции до наших дней, то есть с 18 века до наших дней. Таким образом, современная физика и самые последние теории частиц и космологии считаются частью современной физики.
Известные законы механики и всемирного тяготения Исаака Ньютона, а также законы движения планет, сформулированные Иоганном Кеплером, считаются частью классическая физика, поскольку они датируются семнадцатым веком и не являются частью современной физики.
Область изучения
Формально изучение физики включает в себя природные явления, такие как изменение состояния движения тел, характерных свойств материи, ее основных компонентов и взаимодействий между ними.
Конечно, пока эти изменения не связаны с образованием новых веществ или биологических процессов. Это определение справедливо как для классической, так и для современной физики.
Теперь мы сосредоточимся на основных открытиях и физических теориях, разработанных от Французской революции до наших дней, кратко и в более или менее хронологическом порядке:
18 и 19 века
-Электричество было заново открыто, и были созданы электростатическая модель силы, магнетизма и электромагнитной теории.
-Появились понятия потенциальной энергии и кинетической энергии, а также поля.
-Установлены законы сохранения энергии, вещества и электрического заряда.
— Появилась волновая теория света, и впервые было проведено точное измерение скорости света. Также изучались взаимодействия света с электрическим и магнитным полями.
— С промышленной революцией произошел подъем термодинамики. Был провозглашен второй закон термодинамики, а затем концепция энтропии, а также кинетическая теория газов, статистическая механика и уравнение Больцмана.
— Был открыт закон излучения тел (закон Стефана) и закон смещения длины волны, излучаемой горячим телом, в зависимости от его температуры (закон Вина).
-Электромагнитные волны появляются, теоретически предсказанные, в дополнение к рентгеновским лучам, естественной радиоактивности и электронам, все это в конце 19 века.
Современная физика до первой половины ХХ века
В это время классические теории пережили период кризиса, поскольку многие явления, открытые в XIX веке, не могли быть объяснены с помощью этих теорий. Поэтому было необходимо разработать новую физику, известную как современная физика, который включает в себя квантовую механику и теорию относительности.
Основные направления развития современной физики
Современная физика началась в 1900 году с открытия закон излучения черного тела Макса Планка, в котором концепция сколько энергии при взаимодействии излучения с веществом.
Атомные модели
В этот период были разработаны атомные модели, в которых атом, по-видимому, состоит из частиц, меньших, чем сам атом. Это электроны, протоны и нейтроны.
В начале 20 века Эрнест Резерфорд открыл атомное ядро и разработал модель атома с положительным и массивным центральным ядром, окруженным легкими частицами с отрицательным зарядом. НО ТЕМ НЕМЕНЕЕ. Вскоре от этой модели отказались, уступив место моделям, более приспособленным к новым открытиям.
Фотон
Теории относительности и объединения
Специальная теория относительности, наиболее известное творение Эйнштейна, утверждает, что время и масса являются физическими величинами, которые зависят от системы отсчета.
Таким образом, необходимо было внести релятивистские поправки в классические законы движения.
Искривление света массивным телом, подобным Солнцу, было доказано вне всяких сомнений. Это явление создает гравитационные линзы.
Поэтому ученые начали думать о теориях объединения, в которых гравитация и электромагнетизм являются проявлениями искаженных пространств с более чем четырехмерностью, как теория Калуцы-Клейна.
Космология
Теоретическая возможность расширения Вселенной тогда возникла благодаря работам Александра Фридмана, основанным на общей теории относительности, факт, который был подтвержден позже.
Черные дыры появились как решения уравнений Эйнштейна. Индуистский физик Чандрасекар установил предел коллапса звезды, чтобы образовалась черная дыра.
Важным открытием был эффект Комптона, который устанавливает, что фотоны, несмотря на отсутствие массы, имеют импульс, пропорциональный обратной длине их волны. Константа пропорциональности равна Постоянная Планка.
Квантовая механика
С приходом квантовой механики также устанавливается дуализм волна-частица. Теория предсказывала существование антивещества, которое действительно было обнаружено. Также появился нейтрон, а вместе с ним и новая модель атома: квантово-механическая.
Важным вкладом является вклад вращение, свойство субатомных частиц, способное, помимо прочего, объяснять магнитные эффекты.
Ядерная физика
Эта ветвь современной физики появляется, когда открываются ядерные процессы деления и синтеза. Первый привел к атомной бомбе и ядерной энергии, второй объясняет производство энергии звездами, но также привел к водородной бомбе.
В поисках управляемого ядерного синтеза было обнаружено, что протон и нейтрон имеют внутренние структуры: кварки, фундаментальные составляющие протонов и нейтронов.
С тех пор кварки и электроны считались фундаментальными частицами, но появились и новые фундаментальные частицы: мюон, пион, тау-лептон и нейтрино.
Важные открытия
Первая половина 20-го века знаменует собой важный вклад современной физики:
-Сверхпроводимость и сверхтекучесть
-Магнитно-резонансная томография атомных ядер, открытие, которое положило начало неинвазивным диагностическим системам сегодня.
-Большие теоретические разработки, такие как квантовая электродинамика и диаграммы Фейнмана, для объяснения фундаментальных взаимодействий.
Физика нашего времени (вторая половина ХХ века)
Теория BCS
Эта теория объясняет сверхпроводимость, согласно которой электроны, являющиеся частицами фермионика, взаимодействуют с кристаллической решеткой таким образом, что образуются электронные пары с бозонным поведением.
Теорема Белла
Это дает начало концепции квантовая запутанность и его возможные приложения в квантовых вычислениях. Кроме того, предлагаются квантовая телепортация и квантовая криптография, первые экспериментальные реализации которых уже выполнены.
Стандартная модель
За открытием кварков последовало создание стандартная модель частиц elementals, с еще двумя членами: W- и Z-бозонами.
Темная материя
Наблюдались аномалии в скорости вращения звезд вокруг центра галактик, поэтому Вера Рубин предлагает в качестве возможного объяснения существование темной материи.
Между прочим, есть важные доказательства существования темной материи из-за открытия гравитационных линз без видимой массы, которые объясняют кривизну света.
Другой важной областью исследований является энтропия черной дыры и излучение Хокинга.
Подтверждено также ускоренное расширение Вселенной, и считается, что за это отвечает темная энергия.
Физика сегодня
Тау-нейтрино
XXI век начался с экспериментального создания кварк-глюонной плазмы и открытия тау-нейтрино.
Космический микроволновый фон
Также были произведены точные наблюдения космического микроволнового фона, проливающие свет на теории раннего формирования Вселенной.
Бозон Хиггса
Гравитационные волны
Обнаруженные в 2015 году гравитационные волны были предсказаны в первой половине 20 века Альбертом Эйнштейном. Они являются результатом столкновения двух сверхмассивных черных дыр.
Первое изображение черной дыры
В 2019 году впервые было получено изображение черной дыры, еще одно из предсказаний теории относительности.
Разделы современной современной физики
Среди разделов современной современной физики можно выделить:
1.- Физика элементарных частиц
3.- Квантовые и фотонные вычисления
4.- Астрофизика и космология
5.- Геофизика и биофизика.
7.- Физика конденсированного состояния.
Проблемы и приложения современной физики
Предметы физики, которые в настоящее время считаются открытыми и находятся в полной разработке:
-Физика сложных систем, теории хаоса и фракталов.
-Теории объединения, такие как теории струн и теория М. Развитие квантовой гравитации.
-Физика жидкостей и плазмы в турбулентном режиме, которая может быть применена при разработке управляемого ядерного синтеза.
-Теории о происхождении темной материи и темной энергии. Если бы эти явления были поняты, возможно, космическую навигацию можно было бы развить за счет антигравитации и создания двигателей WARP.
-Сверхпроводимость при высоких температурах, применимая при создании более эффективных транспортных систем.
Ссылки
Страх одиночества: как его обнаружить и как с ним бороться
История и анализ одной из причин кризиса современной физики
1. Введение
Кризис фундаментальной физики. Современная фундаментальная физика, несмотря на свои многочисленные и впечатляющие экспериментальные успехи прошлых лет, в настоящее время находится в стадии глубокого и затяжного кризиса.
Пожалуй, наиболее четкий и последовательный философский анализ кризиса физики дал В. Ленин в работе [2]. Ленин не был физиком. Он не мог описать физические причины кризиса, т.е. показать из-за каких физических ошибок и заблуждений сложился кризис, приведший к философским заблуждениям в научном мировоззрении. Он ясно показал, что незнание диалектического материализма вредит развитию науки. Ленин оставил верные замечания, например, о том, что у позитивистов «материя исчезла, остались одни уравнения». Эта подмена объяснений явлений нагромождением математики сохранилась и преумножается в существующих физических теориях.
Его утверждение о незнании «диалектики» физиками я считаю резким, хотя и верным. Физики, конечно, имели представление о диалектике, но они не умели применять свои философские знания на практике. Это равносильно незнанию. Ничего удивительного в этом заключении нет, если учесть, что громадное большинство философов-позитивистов проявляют некомпетентность в вопросах философии науки.
Приведу пример. Что такое «диалектическое противоречие» в теории? Цитирую, мнение философа академика Омельяновского, из работы [3]:
«Согласно идеям Бора противоречия между корпускулярными и волновыми свойствами атомных объектов как бы застывают в виде противоположности двух классов взаимоисключающих экспериментальных установок, с которыми связаны «дополнительные» явления. Между тем истинное разрешение «антиномии дополнительности» состоит в том, чтобы рассматривать корпускулярные и волновые свойства объекта, как единство противоположностей» [4].
Здесь возникает образное сравнение. Два барана уперлись рогами и стоят, не шелохнувшись (в ступоре). Это памятник «диалектике Омельяновского». А где же «живая душа» диалектики — развитие? Я не верующий, но у меня ощущение, что на том свете Гегель носится за Омельяновским и, отчаянно лупя его суковатой палкой по спине, приговаривает: «Это тебе, за диалектику, сукин сын! Это тебе за диалектику, извращенец!».
2. Начало развития кризиса
Начало конфликта. Корпускулярно-волновой дуализм является идеологической основой современной квантовой физики. По этой причине важно еще раз напомнить историю возникновения корпускулярно-волнового дуализма. Она начинается еще в 18 веке. Законы классической механики Ньютона опирались на мгновенное действие на расстоянии. Свет «не очень хотел» вписываться в его механику. Решающую роль тогда сыграл авторитет Ньютона. Его мнение о том, что свет есть поток корпускул, долгое время считалось главным аргументом в пользу корпускулярной теории.
Неудовлетворенный классической механикой в её стандартном изложении, Гамильтон предполагает, что она описывает движение тел лишь приближенно, подобно геометрической оптике.
Геометрическая оптика описывает прямолинейное движение световых лучей, тогда как свет на самом деле — волна. Исходя из своих представлений, Гамильтон строит полный аналог геометрической оптики тел (формализм Гамильтона — Якоби классической механики).
Это стремление «заставить» свет «подчиняться» законам механики казалось очевидным направлением развития механики.
Начало коренным изменениям в представлениях о природе света было положено Томасом Юнгом. Теория интерференции Юнга прекрасно объясняла ряд оптических явлений. Но позиции сторонников корпускулярной теории были еще сильны, поскольку ее математическая основа теории Юнга была слаба. Преодолеть трудности теории помогли работы Френеля. Большой вклад в развитие волновой теории света внесли также исследования Гюйгенса, Фраунгофера, Фуко и других ученых.
Борьба сторонников и противников волновой теории света была, по существу, борьбой между сторонниками мгновенного действия на расстоянии и сторонниками близкодействия. Из-за неумения использовать достижения философии борьба приняла бескомпромиссный характер. По сути дела, мы сталкиваемся с обычным диалектическим противоречием между двумя различными объективными точками зрения. Любая из этих двух точек зрения имеет строгое экспериментальное подтверждение и практическое применение. По этой причине ни одну из них нет веских оснований отбрасывать.
Это диалектическое противоречие разрешимо. Спорящие стороны должны были бы разграничить между собой области, описываемые мгновенным действием на расстоянии, и области, описываемые волновыми процессами. В этом случае каждая теория имела бы свою область применения, которая не пересекалась с областью применения другой теории. Таким образом, все противоречия были бы устранены! Увы! Физики негативно относились к применению диалектики. Этому шагу препятствовал контовский позитивизм, ставящий любую философию в разряд «спекуляций».
3. Позитивизм Конта
На XVIII век приходится особый период развитие западно-европейской философской мысли — так называемая эпоха Просвещения. В 18 веке в обществе происходил отказ от религиозного миропонимания, продиктованного христианскими догматами, и обращение к разуму как к единственному источнику познания человека, общества и окружающего мира.
Официальная наука освобождалась от обременительной необходимости привязки к библейским канонам. 18 век дал великих философов и ученых: д’Аламбер, Д. Беркли, Д. Юм, И.Кант, Г. Лейбниц, Д.Локк, Ж-Ж. Руссо и др.
Появление философии Конта закономерно. Наличие многочисленных философских направлений, опирающихся на умозрительные построения и развитие научных дисциплин, которые обрели самостоятельность (механика, оптика, астрономия, термодинамика и др.) требовало систематизации и приведения в порядок научных и философских знаний.
Сложившееся положение напоминает современный Интернет «засоренный» рекламой, ненужной и бесполезной информацией. О. Конт указывает на «разъедающее влияние» специализации научного труда и выводит отсюда необходимость «новой науки» (т.е. положительной философии), которая и призвана к тому, чтобы «предупредить разрозненность человеческих понятий».
Здесь Конт делает главный ошибочный шаг. Он «отделил» все без исключения философские направления от «положительного знания», т.е. от естественных наук. По мнению Конта, философский спор между материализмом и идеализмом не имеет серьезных оснований и бессмыслен. Философия должна отказаться как от материализма, так и от идеализма и основываться на позитивном (научном) знании. По его мнению:
Ученый получает «свободу творчества», не ограниченную ни каким мировоззрением (философией). Он может выдвигать любые идеи. Теории могут находиться в логическом противоречии друг с другом. Более того, в самих теориях могут быть логические противоречия, если они в теории постулированы. Это упрощенное (вульгарное) объяснение сути позитивизма.
Концепция Конта оказалась ядом для науки. Философы-позитивисты вынуждены были подгонять основы своей философии под новейшие теории, пренебрегая историческим человеческим опытом. Это позволяло ученым сравнивать работу философов-позитивистов с работой жриц древнейшей профессии.
Я приведу два мнения:
— «Один из создателей квантовой электродинамики Р.Фейнман… подчеркивает, что от философа требуется нечто большее, чем просто подумать и сказать физику: «Может быть, пространство в мире дискретно, не испробовать ли эту возможность?» О таких возможностях физик знает сам. Проблема состоит в том, как конкретно применить их к развитию физической теории. Философ же, как говорит Фейнман, стоит в сторонке и делает глупые замечания» [5];
— «Когда этот метод (метафизический — В.К.) потерпел неудачу, физик заодно отказался от философии. Сейчас он не ожидает от нее ничего хорошего. Уже одно слово «философия» способно вызвать у него ироническую или даже презрительную улыбку. Ему не доставляет удовольствие вращение в пустоте» [6].
4. Продолжение развития кризиса
Теперь сторонники близкодействия почувствовали себя увереннее. Их радость была велика. Они на основании поверхностного анализа уравнений Максвелла к калибровке Лоренца сделали заключение о том, что все поля имеют волновой характер и мгновенного действия на расстоянии в природе не существует принципиально.
Как следствие, появилось устойчивое мнение, что вся классическая механика, например механика Ньютона, строго говоря, не является «научной теорией». Критики утверждали, что классические теории «устарели» и их можно рассматривать, как приближенное описание физических явлений. Эти теории необходимо заменить «новейшими теориями».
5. Ошибка физиков
Физики не разрешили диалектическое противоречие. Им казалось, что внешняя форма 4-х уравнений Максвелла действительно подтверждает теорию близкодействия. Они не стали разграничивать области применения двух концепций. Максвелл и все другие физики не увидели, что в условии калибровки Лоренца «таится» сюрприз. «Дьявол прячется в деталях» [7].
Обратите внимание на хорошо известный факт. Ни один физик его не будет отрицать. Мгновенный скалярный потенциал полей зарядов при движении порождает векторный потенциал. Но именно в этом факте и в условии Лоренца для калибровки лежала «мина замедленного действия».
Из дивергенции векторного потенциала А (калибровка Лоренца) мы можем получить уравнение непрерывности для скалярного потенциала [8]. В свою очередь, этот шаг позволяет исключить производные по времени из уравнений Максвелла. Тем самым мы получаем вторую ветвь решений, содержащих мгновенные потенциалы. Первая ветвь описывает запаздывающие потенциалы.
Об этом не знали ни Максвелл, ни сторонники близкодействия и дальнодействия. Случайно ли Максвелл получил описание волновых процессов? Мы на этот вопрос не ответим. Однако именно благодаря второй ветви было найдено строгое решение проблемы электромагнитной массы и были устранены «магнитные парадоксы» в квазистатической электродинамике [9]. Это произойдет много позже.
Посмотрите сравнение свойства полей зарядов и полей волн.
Квазистатическая ветвь [7]Поля заряда имеют мгновенное действие на расстоянии. Поля Е и Н заряда всегда «привязаны» к заряду и не могут существовать без заряда. Магнитное поле заряда зависит от скорости перемещения заряда v. Если заряд покоится, магнитное поле равно нулю. Электрическое поле заряда обладает инерциальными свойствами, т.е. имеется электромагнитная масса (масса покоя), импульс и кинетическая энергия. Скорость перемещения полей заряда всегда равна скорости движения заряда и может быть равна нулю. Связь между электромагнитной массой, электромагнитным импульсом описывается законом Умова.
Волновая ветвь [7]. Поля электромагнитных волн запаздывающие. После излучения волна распространяется и ее поля Е и Н уже не зависит от источника излучения. Магнитное поле волны всегда жестко связано с электрическим полем. Эти поля не могут существовать раздельно. Плотности энергии электромагнитной волны нельзя поставить в соответствие плотность инерциальной массы. Плотность массы покоя электромагнитной волны всегда равна нулю. Скорость перемещения электромагнитной волны в свободном пространстве постоянна и всегда равна скорости света с. Связь между плотностью энергии и плотностью импульса электромагнитной волны определяется законом сохранения Пойнтинга.
Некорректный анализ решений уравнений Максвелла создал и даже сейчас поддерживает устойчивую иллюзию, что любые поля имеют волновой характер. Тем самым было установлено одно из нескольких ошибочных направлений, давшее жизнь логически противоречивому корпускулярно-волновому дуализму и квантовым теориям.
Свойства принципиально различны. О каком отождествлении полей (дуализме) может идти речь?
6. «Разгром» классических теорий
Продолжим исследовать развитие науки. Полную уверенность в победе своей точки зрения сторонники близкодействия получили после исследований Генриха Герца по экспериментальному обнаружению электромагнитных волн. Г. Герц подтвердил экспериментов существование электромагнитных волн.
Они на основании поверхностного анализа уравнений Максвелла к калибровке Лоренца ученые сделали заключение о том, что все без исключения поля имеют волновой характер и мгновенного действия на расстоянии в природе не существует. Как следствие, появилось устойчивое мнение, что вся классическая механика, например механика Ньютона, строго говоря, не является «научной теорией». Критики утверждали, что классические теории «устарели» и их можно рассматривать, как приближенное описание физических явлений. Эти теории необходимо заменить «новейшими теориями».
Здесь следует принять во внимание следующие обстоятельства.
В конце 19 века (уже в то время!), например, проф. О.Д. Хвольсон в своем «Курсе физики» [10] писал: «…В настоящее время успело сделаться общим достоянием убеждение, что actio in distans не должна быть допускаема ни в одну область физических явлений. Но как ее изгнать из учения о всемирном тяготении?».
Хвольсон пишет о мгновенном действии на расстоянии, как о какой-то «заразе» или «инфекции», которую следует изгнать из физики. Итак, к началу 20 столетия из-за отказа от мгновенного действия на расстоянии созрела почва для отождествления материальных тел и волн, т.е. «открылась» дорога для корпускулярно-волнового дуализма.
Электродинамика в тот период имела две проблемы; проблему электромагнитной массы и проблему излучения. Критики классических теорий полагали, что новые теории решат проблемы. Но они ошиблись. Вызывает насмешку факт, что физики не только не смогли решить проблемы классических теорий. Они сами в дальнейшем столкнулись с трудностями, корни которых имеют классическую основу. «Новейшие теории» не смогли решить проблемы.
7. Заключение
Мы видим, что никаких физических оснований для введения гипотезы о корпускулярно-волновом дуализме не существует. Дуализм есть ложное направление в физике, обусловленное математическими ошибками и философским невежеством физиков. Для нас этот результат не является неожиданным. Учебники физики являются примером тиражирования ошибок в науке. Какую бы область ни взяли, везде вы обнаружите нарушение логики, математически некорректные результаты, ошибочные доказательства. В книге [11], [12], мы дали анализ ошибок, которые провоцировали кризис в физике.
Перечислим некоторые ошибки:
Без хорошей теории познания кризисы в науке неизбежны.