Основные направления исследований современной физики

Основные черты современной физики

Основные концепции современной физики

Тема 5

В буквальном переводе с греческого слово «physis» означает «природа», стало быть, физика – наука о природе, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие свойства материального мира. Физика – главная из естественных наук, поскольку она открывает истины, справедливые для всей Вселен­ной. За­коны физики являются основой знания о строении и функционировании Вселенной, лежат в основе научного постижения действительности.

Два обстоятельства мешают понять современную физику: применение сложнейшего ма­тематического аппарата и невозможность создать наглядную модель современных физичес­ких представлений (искривленное пространство; частицу, одновре­менно являющуюся волной и т.д.). Прогресс физики (и науки в целом) связан с постепенным отказом от непосредственной наглядности. Это связано с тем, что некоторые стороны реальности незаметны для поверхностного наблю­дения и наглядность может ввести в заблуждение. Механика Аристо­теля покоилась на принципе: «Движущееся тело останавливается, если, сила, его толкающая, прекращает свое действие». Он оказался соот­ветствующим реальности просто потому, что не замечалось, что при­чиной остановки тела является трение. Для того, чтобы сделать пра­вильный вывод, потребовался эксперимент, который был не реаль­ным экспериментом, невозможным в данном случае, а эксперимен­том идеальным. Такой эксперимент провел великий итальянский ученый Галилео Галилей. Для того, чтобы данный мысленный эксперимент стал возможным, потребовалось представление об идеально гладком теле и идеально гладкой поверхно­сти, исключающей трение. Эксперимент Галилея, позволил сделать вывод, что если ничто не будет влиять на движение тела, то оно сможет продолжаться бесконечно долго.

Современная физика выделяет три структурных уровня Вселенной: микромир, макромир и мегамир. Исследование микромира осуществляет микрофизика, макроми­ра – макрофизика и мегамира – астрофизика. Микромир – это мир непосредственно ненаблюдаемых объек­тов, имеющих пространственные размеры от 10^-10 до 10^{-18 м. Вре­мя жизни этих объектов может составлять всего 10-24}с. Движение объектов микромира подчиняется законам квантовой механики и электродинамики. Макромир – мир объектов, размеры которых сопоставимы с масштабами человеческого опыта, закономерности движения объектов в нем сформулированы классической механикой и электродинамикой. Мегамир – мир космических расстояний и скоростей, рас­стояние в котором измеряется световыми годами. Время существо­вания этих объектов достигает миллионов и миллиардов световых лет. Движение объектов мегамира описывается закономерностями специальной и общей теории относительности.

В современной физике возник ряд новых направлений, неведомых классической. Ограничимся перечислением лишь некоторых и очертим круг задач, стоящих перед ними.

Физика элементарных частиц. Ее основной проблемой было и остается исследование материи на уровне элементарных частиц. Не все теоретические положения этого раздела физики получили прямое подтверждение экспериментами. Существуют только попытки построения теории, объединяющей все виды взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное.

Физика ядра. В 30-х гг. ХХ в. была создана протонно-нейтронная модель ядра, был достигнут большой прогресс в понимании структуры ядер и достигнут большой успех в практическом применении ядерных реакций. Одна из важнейших задач в этой области – решение проблемы управляемого термоядерного синтеза. Работы в этом направлении ведутся объединенными усилиями исследователей из ряда стран. Относительно недавно с изобретением структурной нейтронографии удалось «увидеть», форму атомной решетки кристалла и даже проследить за поведением каждого атома.

Астрофизика. Развитие физики элементарных частиц и атомного ядра позволило приблизится к пониманию таких сложных проблем, как эволюция Вселенной на ранних стадиях ее развития, эволюция звезд, образование химических элементов. Однако, несмотря на впечатляющие достижения современной астрофизики, остается неясным, каково строение материи при огромных плотностях внутри нейтронных звезд и «черных дыр». Невыяснена природа квазаров и причина вспышек сверхновых звезд. В целом, можно считать, что положено только начало решению проблемы эволюции Вселенной.

Оптика и квантовая электроника. На фундаменте квантовой теории излучения, заложенной А.Эйнштейном, возникла новая наука – квантовая электроника. Успехи в этой области связаны, в первую очередь, с созданием сверхчувствительных приемных систем и принципиально новых источников света – лазеров или оптических квантовых генераторов. Практически строгая монохроматичность лазерного излучения позволяет получить объемное изображение объекта – голограмму. Ведутся работы по использованию лазеров в управляемых термоядерных реакциях. Развитие этой области связано с дальнейшим повышением мощности лазеров и с расширением диапазона рабочих частот.

Физика плазмы. Важность изучения плазмы связана с двумя обстоятельствами. Во-первых, в плазменном состоянии находится подавляющая часть вещества Вселенной. Во-вторых, именно в высокотемпературной плазме имеется возможность осуществить управляемую термоядерную реакцию. Получение таких реакций позволит дать человечеству практически вечный экологически чистый источник энергии. Эта проблема очень актуальна, поскольку уже в ближайшее время человечество столкнется с проблемой энергетического голода.

Физика твердого тела. Прогресс в компьютеростроении целиком базируется на достижениях физики твердого тела. Важное направление исследований – изучение явлений туннельного эффекта и сверхпроводимости. Туннельный эффект – явление из области квантовой физики, которое заключается в способности элементарных частиц проникать сквозь барьер, который классическая частица не может пройти в принципе. На основе туннельного эффекта созданы специальные приборы – туннельные микроскопы, которые позволяют наблюдать отдельные атомы. Сверхпроводимость – особое состояние некоторых веществ, открытое достаточно давно. Оно заключается в том, что при температурах порядка 5~200 К электрическое сопротивление совершенно исчезает. Ток может циркулировать в таком проводнике годами. В настоящее время синтезированы материалы, в которых сверхпроводимость возникает при температурах 100~1500 К. Такие материалы могут широко использоваться в науке и технике.

Дата добавления: 2014-01-07