Що таке фізика. Фізика – наука про природу

Фізика - фундаментальна наука, якій вже кілька тисячоліть. Пояснити природні явища з наукового погляду намагалися ще в давнину. Самий відомий фізикта математик Стародавньої Греції Архімед відкрив кілька механічних законів. Інший давньогрецький фізик Стратон у 3 столітті до зв. е. заклав основи експериментальної фізики

Багатовікова історія людства, погляди та гіпотези вчених, постійні дослідження призвели до того, що майже всі природні явища зараз можна пояснити з погляду фізики. У цій науці виділяють кілька основних розділів, кожен із яких описує певні процеси макро- і мікросвіту.

Основні розділи

Основні розділи фізики – це механіка, молекулярна фізика, електромагнетизм, оптика, квантова механіка та термодинаміка.

Механікою називають розділ фізики, який вивчає закони руху тел. Молекулярна фізика - одне із основних розділів, вивчає молекулярну структуру речовин. Електромагнетизм - масштабний розділ, що вивчає електричні та магнітні явища. Оптика вивчає природу світла та електромагнітних хвиль.

Термодинаміка вивчає теплові стани макросистем. Ключові поняття цього розділу: ентропія, енергія Гіббса, ентальпія, температура, вільна енергія.

Квантова механіка - фізика мікросвіту, що зобов'язана своєю появою дослідженням Макса Планка. Саме цей розділ – квантова механіка – по праву вважається найскладнішим розділом фізики.

Розділи механіки

Основні розділи фізики прийнято поділяти на власні розділи. Наприклад, у механіці виділяють класичну та релятивістську. Класична механіка завдячує своїм становленням Ісааку Ньютону, геніальному англійському вченому, автору трьох основних законів динаміки. Важливу роль відіграли дослідження Галілея. Класична механіка розглядає взаємодію тіл під час руху зі швидкостями, набагато меншими, ніж швидкість світла.

Кінематика та динаміка - розділи фізики, що вивчають рух ідеалізованих тіл. Загалом у класичній механіці виділяють кінематику, динаміку, акустику, механіку. суцільних середовищ.

Акустикою названо розділ фізики, що вивчає звукові хвилі, а також пружні коливання різних частот.

У фізиці суцільних середовищ прийнято виділяти гідродинаміку та аеростатику. Це розділи фізики, присвячені законам руху рідин та газів відповідно. А також виділяють фізику плазми та теорію пружності.

Релятивістська механіка розглядає рух тіл, що рухаються зі швидкостями, майже рівними швидкостісвітла. Народження релятивістської механіки нерозривно пов'язане з ім'ям Альберта Ейнштейна, творця СТО та ОТО.

Молекулярна фізика

Молекулярною фізикою називають розділ фізики, що займається дослідженням молекулярної структури речовини. В курсі молекулярної фізикививчаються закони ідеального газу. Тут вивчається рівняння Менделєєва-Клапейрона, молекулярно-кінетична теорія.

Електромагнетизм

Електромагнетизм - один із найбільш глобальних розділів, якими багата фізика. Розділи фізики електрики та магнетизму: магнетизм, електростатика, рівняння Максвелла, магнітостатика, електродинаміка. Важливий внесок у розвиток цього розділу зробили Кулон, Фарадей, Тесла, Ампер, Максвелл.

Оптика

Ще Середні віки люди зацікавилися пошуком наукового пояснення оптичних явищ. Розділи фізики, створені для цього: геометрична, хвильова, класична та рентгенівська оптика.

Істотний внесок у розвиток оптики зробив Ісаак Ньютон. Його праця "Оптика", видана в 1704 році, стала ключем до подальшого розвитку геометричної оптики.

Квантова механіка

Це наймолодший розділ, яким представлена ​​фізика. Розділ квантова механіка має чітку дату народження – 14 грудня 1900 року. Цього дня Макс Планк зробив доповідь про поширення енергії. Він першим припустив, що енергія елементарних частот випромінюється дискретними дозами. Для опису цих дискретних порцій Макс Планк ввів особливу константу - постійну Планку, яка пов'язує енергію з частотою випромінювання.

У квантовій механіці виділяється атомна та ядерна фізика. Розділи фізики цього напряму пояснюють структуру атома та атомних субодиниць.

Зміст статті

ФІЗИКА(Від давньогрецьк. physis - природа). Давні називали фізикою будь-яке дослідження навколишнього світу та явищ природи. Таке розуміння терміна «фізика» збереглося остаточно 17 в. Пізніше з'явився ряд спеціальних дисциплін: хімія, що досліджує властивості речовини, обумовлені особливостями його атомної структури, біологія, що вивчає живі організми і т.д. Крім традиційних предметів дослідження, про які піде мова нижче, фізика займається такими різними проблемами, як поведінка мастила в машинах, процеси освіти хімічних зв'язків, зберігання та передача генетичної інформації в живих системах і т.д. Об'єднуючий принцип фізики як науки криється не так у предметах дослідження, як у підході до їх вивчення, і цим фізика відрізняється від інших наук. Спираючись на певні аксіоми та гіпотези, проводячи експерименти та використовуючи математичні методи, вона прагне пояснити все різноманіття природних явищ, виходячи з небагатьох принципів, що взаємоузгоджуються. Фізик сподівається, що, коли про природні явища стане відомо досить багато і коли вони будуть досить добре зрозумілі, багато інших, на перший погляд розрізнених і не пов'язаних з ними фактів укладуть у просту, яка допускає математичний опис схему.

РАННЯ ІСТОРІЯ ФІЗИКИ

Звук

Вивчення звуку знову повертає нас до античності, де туманна традиція пов'язує початок таких досліджень з ім'ям Піфагора. Наскільки можна судити, філософи Стародавню Грецію за 500 років до н.е. експериментально досліджували різницю між милозвучними (консонантними) і неблагозвучними (диссонантними) музичними інтервалами. Вони зробили висновок, що якщо струну, що коливається, притискати в різних точкахі щипком змушувати вагатися кожну з двох частин струни, то чим «простіше» відношення довжин двох частин, на які розділилася струна, тим більш милозвучним виявиться консонантний інтервал звуків, що видаються. Під простими розуміються відносини 2:1, 3:2, 4:3 і т.д., що відповідають музичним інтервалам октаві, квінті, кварті тощо. Ці інтервали становили основу всієї західної музичної гармоніїдо 13 ст., і хоча кварта більше не вважається гармонійним інтервалом, продовжуючи Піфагоров ряд відносин до 5:4 і 6:5, ми отримуємо велику та малу терції – фундаментальні інтервали західної музики останніх 500 років.

Що стосується фізичної природизвуку, то багато тут було відомо вже Аристотелю. У трактаті, що дійшов до нас у вигляді фрагментів Звук та слух (див. Aristotelis opera. Ed. Academia regia borussica, v. 1-5, B, 1831-1870) він наводить докладне і точний описпоширення звукових хвиль у повітрі. Римський архітектор Вітрувій, знайомий з арістотелівською традицією, присвятив одну з книг свого твору Про архітектуру (De architectura) (бл. 10 до н.е.) акустиці театрів та інших будівель, заклавши цим основи науки, відомої сьогодні під назвою архітектурної акустики. Після Вітрувія у розвитку акустики настала пауза, яка тривала до 17 ст, коли акустичними проблемами зайнялися Галілей та Ньютон. Галілей досліджував різні джерелазвуку, зокрема струни, що коливаються, і показав, що частота коливань струни, а отже, і частота звуку, що видається, визначаються її фізичними властивостями – довжиною, натягом і масою.

Ньютон поставив собі важче завдання – описати мовою математики процес поширення звукової хвилі у повітрі. Проведений ним аналіз, що спирався на відомі тоді дані про пружність повітря, дав теоретичне значенняшвидкості звуку 298 м/с, тоді як із дослідів Флемстіда та Галлея було отримано значення 348 м/с. Настільки значне розбіжність вдалося пояснити лише 1816, коли Лаплас вказав те що, що величина пружності повітря, виходячи з якої обчислюється швидкість звуку, повинна відрізнятися від зазвичай вимірюваної, т.к. Зміни в звуковій хвилі відбуваються дуже швидко і в повітрі не встигає встановити теплову рівновагу. Внісши до обчислення Ньютона поправку в цьому єдиному пункті, Лаплас отримав формулу, яка чудово узгоджується з найточнішими експериментальними даними. Сьогодні часто ставлять обернену задачу: визначають пружність газу за виміряною швидкістю звуку в ньому.

Коли механізм виникнення звуку та його природа були пояснені на основі фундаментальних законів руху, акустика перестала бути суто умоглядною дисципліною, і після Лапласа її розвиток йшов за трьома напрямками: практичні потреби (проектування концертних залів, створення музичних інструментів та звуковідтворювальної апаратури), фізіологічні та психологічні аспекти сприйняття звуку та чиста теорія. Друге з названих напрямів породило нову область фізичного пізнання – область дуже цікаву і важку, оскільки у ній вивчається суб'єктивний процес, насправді той самий, з якого він сам і досліджується. Тут фізика працює пліч-о-пліч з кількома іншими науками. Основні праці з фізіології слуху та зору належать Г.Гельмгольцу (1821-1894). Його книги Вчення про слухових відчуттяхяк фізіологічна основа для теорії музики(СПб, 1875) та Про зір(СПб, 1896), за загальним визнанням, є наукової класикою.

Сутність звуку - лише одне із питань чистої фізики, і відповідь на нього давно отримана. І все ж таки існує мало інших розділів фізики, розгалужені додатки яких викликали б такий загальний інтерес і, судячи з публікацій, приносили б таке задоволення працюючим у них дослідникам.

Теплота та термодинаміка

Ще якихось сто років тому панувало уявлення про теплоту як про якусь калорічну рідину. Вважалося, що ця рідина є у всіх тілах, і від того, скільки її міститься в тілі, залежить її температура. У тому, що температура тіл, що знаходяться в тепловому контакті, вирівнюється, вбачали аналогію із встановленням загального рівня рідини в судинах, що сполучаються. Теорія калорічної рідини у вигляді, як її сформулював Дж.Блек (1728–1799), могла пояснити широке коло явищ. Однак у деяких пунктах зустрічалися скрути. Наприклад, добре відомо, що якщо нагрівати лід, то його температура не підвищується доти, доки весь лід не розтане. Таке тепло Блек назвав «прихованим» (термін «прихована теплота плавлення» зберігся донині), маючи на увазі, що при таненні льоду теплота якось переходить у частинки води, не роблячи звичайного ефекту. Вода вміщує велика кількістьприхованої теплоти, і коли Б.Румфорд (1753-1814) показав, що вага льоду при таненні залишається незмінною, було вирішено, що калорічна рідина невагома. В іншому досвіді, проведеному в Мюнхенському арсеналі на верстаті, на якому розсвердлювали стволи гармат, Румфорду вдалося домогтися виділення величезної кількостітепла при невеликій кількості металевої стружки: для цього він протягом двох з половиною годин свердлив болванку тупим свердлом. Румфорд вважав, що його досвід переконливо довів неспроможність теорії калорічної рідини, але її прихильники заперечили, що в матерії дуже багато калорічної рідини і навіть при свердлінні тупим свердлом вивільняється лише мала її частина. Калорична теорія, підлатана таким чином, проіснувала приблизно до 1850 року. Проте ще Демокріт більш ніж за 2000 років до цього висував іншу гіпотезу. Якщо матерія складається з крихітних частинок, то відмінність твердого тіла від рідини визначається різною силоюїхнє зчеплення. Якщо прийняти, що спочатку при нагріванні частинки твердого тіла починають просто сильніше коливатися, залишаючись на своїх місцях, то розумно припустити, що при нагріванні вище за певну температуру частинки будуть зриватися зі своїх місць, утворюючи рідину, а при подальшому нагріванні відбудеться наступне перетворення - рідина стане газом. Галілей висловив аналогічну ідею у 1623, а Декарт писав у 1644, що «під теплом і холодом слід розуміти не що інше, як прискорення та уповільнення матеріальних частинок». Ньютон, що розходився з теорією Декарта майже з усіх питань, у цьому пункті був із нею згоден.

Добре відомо, що рух тіл за наявності тертя породжує тепло і, навпаки, тепло може породжувати рух, як це відбувається в паровій машині та двигуні внутрішнього згоряння. Виникає питання: скільки роботи може здійснити теплова машина, якщо підвести до неї задану кількість тепла? Відповісти на це питання дуже важко, і в його розгляді необхідно виділити два етапи.

Перше положення, яке маємо відзначити, – те, що здійснення тепловою машиною деякої роботи супроводжується зникненням певної кількості тепла. Говорячи про механічну роботу, що здійснюється машиною, піонер у цій галузі французький фізик Н.Карно (1796-1832) вживав термін "рушійна сила". У записнику, Виявленої після смерті Карно в 1878, говорилося: «Тепло може бути коливальним рухом частинок. Якщо це так, то кількість тепла є не що інше, як механічна енергія, витрачена на приведення частинок коливальний рух... Отже, можна сформулювати загальний принцип, згідно з яким кількість рушійної сили в природі незмінна; точніше, вона не створюється і не зникає». Цей принцип має фізики велике значення. Він називається законом збереження енергії, а контексті даного розділу- Першим початком термодинаміки. Слово «енергія», введене в науковий обіг Т.Юнгом у 1807, тут має сенс « повної кількостіенергії», яке залишається постійним і включає теплову, кінетичну та всі інші форми енергії, які зустрінуться нам надалі. Не прагнучи особливої ​​суворості, можна визначити енергію як здатність виконувати роботу, та її мірою, хоч би яку форму приймала енергія, вважатимуться кількість механічної роботи, якої енергія еквівалентна. Карно вдалося знайти чисельний вираз еквівалентності тепла та роботи. У сучасних одиницяхотриманий ним результат такий: 3,7 джоуля еквівалентно 1 калорії (більше точне значенняодно 4,19).

Те саме відкриття було зроблено лікарем Ю.Майєром (1814-1878), який помітив зміни в інтенсивності обміну речовин (як ми сказали б це зараз) у моряків, які здійснювали плавання в екваторіальних водах. У 1842 Майєр прийшов до висновку, що механічний еквівалент однієї калорії дорівнює 3,85 джоуля, але його головною заслугою було глибоке інтуїтивне з'ясування важливості та універсальності нового принципу, що дозволило йому застосовувати закон збереження енергії в таких різних областях, як фізіологія, небесна припливів.

Однак найістотніший внесок у розвиток принципу збереження енергії зробив Дж. Джоуль (1818–1889). У 1843–1848 він провів серію дослідів з вивчення взаємних перетворень електричної, теплової, механічної та внутрішньої енергії та на підставі отриманих даних уклав, що механічний еквівалент тепла становить від 4,25 до 4,60. Ретельні виміри Джоуля озброїли супротивників теорії калорічної рідини численними вагомими аргументами, і ця теорія виявилася остаточно спростованою: тепло як вид енергії може виникати і зникати, але при цьому Загальна кількістьенергії у світі залишається незмінним.

Для встановлення першого початку термодинаміки потрібно так багато часу тому, що існує ще один принцип, що обмежує величину роботи, яку можна здійснити при даній кількості тепла. Цей принцип теж був відкритий Карно і викладений ним у тоненькій брошурі Міркування про рушійну силу вогню (Reflexions sur la puissance motrice de feu, 1824). У ній Карно показав, що якщо тепло підводиться до машини за температури T 1 , а відводиться – за температури T 2 (це можуть бути температури, за яких водяна пара надходить у парову машину і відводиться від неї), то існує якийсь максимум роботи, яку може зробити машина при даній кількості тепла. Цей максимум завжди менше повної кількості тепла і визначається лише величинами T 1 та T 2 незалежно від того, яка речовина переносить тепло. З закону збереження енергії випливає, що частина тепла, що підводиться до машини, йде з теплоносієм, що відпрацював, залишаючись невикористаним. Чим нижча температура теплоносія, тим важче використовувати його енергію на виконання роботи. У кілограмі води при кімнатній температурі більше теплової енергії, ніж 10 г пари, але енергію останнього значно легше витягти. Таким чином, внаслідок будь-якого перетворення енергії на роботу з теплоносієм йде якась кількість менш «корисної» енергії, і ніякий компенсуючий процес не може збільшити її «корисність». У математичної формице становище висловив Р.Клаузіус (1822–1888), ввівши величину, що він назвав ентропією і яка є мірою «некорисності» (з погляду виконання роботи) енергії. Будь-який процес, внаслідок якого тепло перетворюється на роботу, супроводжується підвищенням ентропії навколишнього середовища. Було встановлено, що будь-яка спроба зменшити ентропію призводить до ще більшого збільшення де-небудь в іншому місці. Нині цей принцип називається другим початком термодинаміки. Зміст усієї своєї роботи Клаузіус сформулював у вигляді дворядчя, поміщеного наприкінці статті:

Енергія світу стала.

Ентропія світу прагне максимуму.

Цей максимум відповідає стану, в якому вся матерія матиме ту саму температуру і ніде не буде «корисної» енергії. Але вже задовго до того, як буде досягнуто такого стану, життя стане неможливим. Песимістичний інтелектуальний клімат кінця 19 ст. багато в чому пов'язаний із відкриттям цих двох абсолютних обмежень для майбутнього людства.

Молекулярно-кінетична теорія

Розвинена у працях Клаузіуса, Кельвіна (1824–1907) та його послідовників наука термодинаміка досягла успіху у встановленні зв'язків між безліччю різних фізичних і хімічних явищна основі першого і другого почав термодинаміки, проте існують межі, за якими такі загальні твердження вже не в змозі пояснити те, що відбувається. Необхідно було з'ясувати, які розміри частинок речовини та як вони рухаються. Не знаючи цього, неможливо, наприклад, передбачити, за якої температури буде плавитися дана тверда речовина, якими є її прихована теплота плавлення та електричні властивості. У загальну схемутермодинаміки необхідно було включити закони, яким підпорядковується рух окремих молекул. Проблема, з якою зіткнулися тут вчені, була незрівнянно важчою, ніж раніше. Молекули дуже малі, щоб їх можна було спостерігати безпосередньо, і висновки можна робити, спираючись лише на колективні властивості систем, що складаються з мільярдів частинок.

Перший крок у створенні молекулярно- кінетичної теоріїзробив Д.Бернуллі у своїй книзі з гідродинаміки ( Hydrodynamica sive de viribus et motibus fluidorum commentarii, 1738). Бернуллі прийняв, що газ складається з надзвичайно малих частинок, які рухаються швидко і вільно, якщо не брати до уваги зіткнень. Ці частинки обсипають стінки судини ударами; кожен такий удар занадто слабкий, щоб його можна було відчути, але величезна кількість ударів проявляється як постійний тиск. Потім шляхом міркувань, що неявно спираються на закони Ньютона, Бернуллі дійшов висновку, що якщо повільно стиснути газ, не змінюючи швидкостей руху частинок, тиск підвищиться, так що тиск на обсяг залишиться постійним. Саме це співвідношення для газу, що стискається при постійній температурі, експериментально відкрив Р. Бойль у 1660. Бернуллі вказав також, що нагрівання газу має призводити до збільшення швидкості частинок, а тим самим – до підвищення тиску внаслідок збільшення числа та сили ударів частинок об стінки судини . Десятьма роками пізніше аналогічні ідеї були висловлені російським вченим М.В.Ломоносовим, який додатково вказав на те, що якщо верхньої межі для швидкостей молекул газу, а отже, і для температури в принципі не існує, то нижня межа – нульова швидкість – існує завжди Отже, повинна існувати нижня межа температури, нижче якої нічого не можна охолодити. Нині цю межу називають абсолютним банкрутом.

Примітно, що ці міркування звернули він увагу лише 120 років по тому, тому відчутного впливу становлення молекулярно-кинетичної теорії мало надали. Натомість фізики та математики протягом століття боролися з хибним уявленнямНьютона про взаємне відштовхування всіх атомів.

Тут слід згадати одну з найвідоміших в історії науки фігур – Дж.Уотерсона (1811–1883). Інженер і вчитель, Уотерсон опублікував в 1843 досить неясно написану книгу, прочитану лише небагатьма, в якій виклав деякі міркування про властивості газу, що складається з молекул, що швидко рухаються. У 1845 році він подав до Королівського товариства докладну статтю, яка, однак, була відкинута як непридатна для публікації. На думку одного з рецензентів, стаття Уотерсона - "нонсенс, неприйнятний навіть для публічного прочитання". Згодом Уотерсону вдалося все ж таки опублікувати деякі зі своїх робіт, але вони залишилися без уваги. Уотерсон прожив досить довго і став свідком того, як інші удостоєні похвал та визнання за відкриття, які набагато раніше зробив він сам. І все-таки він не дожив до того часу, коли до тих самих висновків дійшов Дж.Релей в 1891, який віддав належне його працям.

У 1856 р. до ідей Бернуллі вчені повернулися знову. А.Кроніг (1822–1879), роком пізніше Клаузіус і в 1860 Дж.Максвелл (1831–1879), який чудово володів математичним апаратом, на основі законів Ньютона зробили систематичний аналіз газу з часток, занадто малих, щоб їх можна було бачити, і взаємодіючих за участю сил, залежність яких від відстані могла бути задана лише у загальному вигляді. Так було закладено основу кінетичної теорії газів, чи молекулярно-кинетичної теорії (у питання природі молекул та його ставлення до структурі речовини вніс ясність на початку 19 в. А.Ампер). Ця теорія давала оцінки мас молекул, їх розмірів (близько двох-трьох стомільйонних сантиметрів), середньої відстані між молекулами в газі та в узагальненому вигляді охоплювала всі явища, що породжуються випадковою дією. величезної кількостічастинок. Пізніше, завдяки працям Л.Больцмана (1844–1906) та Дж.Гіббса (1839–1903), вона перетворилася на науку, відому під назвою статистичної механіки. Больцман показав, що друге початок термодинаміки – висновок лише статистичний. Поступове розпорядження у Всесвіті аналогічно до поступової втрати порядку в спочатку впорядкованій колоді гральних карт при багаторазовому її тасуванні, і подібно до того, як карти можуть розташуватися у вихідній послідовності, якщо колоду перетасувати жахливо велику кількість разів, так і весь Всесвіт одного прекрасного дня суто випадково повернеться. той стан, з якого вона колись вийшла. (Оптимізму в такій кінцівці сценарію Всесвіту, що вмирає, дещо зменшиться, якщо оцінити час, необхідний для випадкового мимовільного відродження.) Гіббсу належить також заслуга створення хімічної термодинаміки, на якій засновані сучасна теорія хімічних реакцій і вся хімічна промисловість.

У кінетичної теорії, так само як і в атомістичної гіпотези, є один серйозний недолік: доки поведінка молекул не можна буде спостерігати безпосередньо, неможливо бути впевненим у правильності цієї теорії. Ніякі підтвердження передбачень молекулярно-кінетичної теорії на макроскопічному рівні не можуть повністю виключити можливість того, що, подібно до теорії калорічної рідини або ньютонівської теорії газу, вона дає прийнятні з наукової точки зору результати, виходячи з невірних посилок. І справді, ще в 1900 такі видатні вчені, як фізик Е. Мах і хімік В. Оствальд, заявляли, що не бажають розглядати атоми інакше як гіпотезу, що дозволяє пояснювати деякі явища, що спостерігаються. Але незабаром ситуація різко змінилася.

Електрика та магнетизм

Довгий час більшість фізиків розглядали ці явища як несуттєві курйози. Першим, хто припустив, що вони згодом відіграватимуть важливу роль у розумінні природних явищ, був, мабуть, Ньютон.

початок наукових спостереженьелектричних та магнітних явищ пов'язують з ім'ям англійської фізики У.Гільберта (1540–1603). Він провів низку дослідів, намагаючись довести, що земний магнетизмможна пояснити, якщо уявити Землю як великого сферичного магніту. Перші досліди з електрикою (цей термін ввів Гільберт) були поставлені з метою дати відповідь на питання, чи існують два типи носіїв електрики або негативний заряд – це просто відсутність заряду позитивного. Розподіл зарядів на позитивні і негативні перегукується з Б.Франклину (1706–1790), одному з небагатьох людей Америці 18 в., які цікавилися загальнонауковими питаннями.

Перші кількісні вимірювання, вжиті для того щоб встановити закони електрики, були виконані в кінці 18 ст. Тоді цілій низці дослідників вдалося різними шляхами показати, що електричні сили схожі з гравітаційними в тому відношенні, що вони теж обернено пропорційні квадрату відстані, хоча два електричні заряди можуть і притягуватися, і відштовхуватися, а під дією гравітаційних сил тіла можуть тільки притягуватися один до одного . Невдовзі Ш.Кулон (1736–1806), одне із тих, хто досліджував взаємодію електричних зарядів і сформулював закон, якому це взаємодія підпорядковується, встановив аналогічну закономірність для магнітних сил. ЕЛЕКТРИЧНІСТЬ І МАГНЕТИЗМ.

Усі наступні події беруть початок з винаходу А.Вольта (1745–1827) у 1800 р. електричної батареї, за допомогою якої можна було отримувати постійний електричний струм. Цей винахід дозволило зробити безліч відкриттів. Чимало їх ми належать М.Фарадею (1791–1867), чиє ім'я в експериментальної науці стоїть майже так само високо, як ім'я Ньютона у науці теоретичної. Відкриття, про які йдеться, можна поділити на три групи: електрохімічні, оптичні та електромагнітні. До останніх відносяться спостереження Х. Ерстеда (1820), який виявив, що електричний струм створює магнітне поле, і Фарадея (1831), який продемонстрував, що змінне магнітне поле створює електричну силу. Ці відкриття у свою чергу показали, що електрика та магнетизм мають бути тісно пов'язані між собою. Було досить легко уявити електричний струм як якусь рідину, що тече по провіднику під дією електричних сил, але електромагнітні явища не піддавалися такому простому механістичному поясненню, і, як ми побачимо надалі, їхня фізична інтерпретація призвела до краху того, що називали механістичною картиною світу. Але перш ніж переходити до цього, розповімо про останній блискучий успіх механістичного підходу.

Будова атома

Звичайні природні явища не дають жодних свідчень внутрішній будовіатомів; майже всі «колективні» властивості газів і рідин і багато «колективних» властивостей твердих тіл можна пояснити, вважаючи атоми твердими кульками, між якими діють сили взаємного тяжіння. Однак наприкінці 19 ст. стало очевидно, що існують принаймні два класи явищ, для пояснення яких потрібно докладніше знати, що саме є атомом. Один з цих класів становлять явища, що свідчать про те, що атоми, лише трохи різняться за масою, можуть мати істотно різні хімічні властивості. Інший клас явищ пов'язаний із спектроскопією, яка займається аналізом світла, що випускається розпеченими газами та парами. Виявилося, що таке світло є набір хвиль з певними частотами, характерними для кожного сорту атомів.

У роки 20 в. було збудовано кілька моделей атома. До цього часу стало відомо, що одним із його складових елементів є електрон – частка з негативним електричним зарядом та масою, у кілька тисяч разів меншою за масу атома. З того, що в цілому атом електрично нейтральний, випливало, що поряд з електронами атом містить якісь позитивні заряди, що компенсують.

Після відкриття, зробленого Резерфордом, було природним спробувати скористатися ньютонівською механікою, щоб описати будову атома, зокрема, розміри атомів, їх хімічні властивості та спектри. Початок роботам у цьому напрямі було покладено М.Бором, практикантом, який приїхав до Манчестера до Резерфорда з Данії. Бор вирішив почати з найпростішого з атомів - водню, в якому, згідно планетарної моделіРезерфорда повинен бути один електрон, що обертається навколо однієї важкої частки, званої протоном. Крім того, частоти емісійного спектру водню становили простий набір, який точно описувався формулою, підібраною І. Балмером в 1885. Бор швидко виявив, що одних законів Ньютона недостатньо для того, щоб пояснити стабільність атома і випромінювання світла лише певних частот; ці закони необхідно доповнити новим законом, що не спирається на попередню фізику. Відповідно до цього закону, з усіх можливих орбіт, за якими електрон може звертатися навколо ядра відповідно до ньютонівської механіки, у природі реалізується лише невеликий набір орбіт, що задовольняють деяку математичну умову. «Постулати Бора» та ідея Ейнштейна про природу променистої енергії (що буде сказано нижче) дозволили Бору отримати формулу Бальмера. За цим успіхом, який відкрив шлях до пізнання будови атома, було якісне пояснення основних хімічних властивостей всіх атомів. Але темні місця все ж таки залишалися, і найбільш загадковим було те, що теорія Бора не могла пояснити спектр або хоча б стабільність будь-якого атома, складнішого, ніж атом водню. Не піддавався аналізу навіть атом гелію з лише двома електронами, що обертаються навколо ядра, позитивний зарядякого вдвічі більше заряду протону. Напрошувався висновок, що атом водню слід розглядати як певний виняток і що успіх Бора, можливо, був випадковим. Насправді ж механістична концепція досягла меж свого розвитку і в найближчому майбутньому вона мала поступитися місцем іншому погляду на фізичні явища, який підспудно формувався протягом багатьох років.

ПРИРОДА ЯК ВЗАЄМОДІЮЧІ ПОЛЯ

Для Ньютона та її сучасників було цілком природним запитувати себе, звідки береться сила гравітації як і вона діє. Він розумів, що даний предметдалеко не проста. Йому здавалося неймовірним, щоб два тіла могли взаємодіяти через розділяючий їх абсолютно порожній простір. У листі Р.Бентлі Ньютон писав:

«Те, що тяжіння має бути внутрішньо властивим, невід'ємним і необхідним для матерії, так, щоб одне тіло могло діяти на інше на відстані через порожнечу, без чогось ще, представляється мені настільки великою безглуздістю, що, на моє переконання, ні одна людина, здатна зі знанням справи судити про філософські матерії, не впаде в неї. Тяжіння має викликатися якимось агентом, який постійно діє за певними законами; а матеріал цей агент або нематеріальний, я надаю судити читачам».

У часи Ньютона такий агент називався ефіром, і це уявлення мало трансформуватися в більш витончене поняття поля. Теорія поля зайняла центральне місце у сучасній фізиці – як і матеріальний атомістичний механізм був центральної концепцією фізики попередніх століть. Теорій ефіру було багато, і кожна їх виникла у відповідь необхідність пояснення дії тієї чи іншої сили з відривом. Так, були ефіри гравітаційний, електричний, магнітний і світлоносний (останній ефір був гіпотетичним середовищем, що забезпечує поширення світла). Під впливом загальнофізичних уявлень свого часу теорії ефіру набували більш механістичного характеру - ефіри були рідинами, що підкорялися законам Ньютона або іншим аналогічним законам, а передані ними впливи мали характер механічної дії. У міру накопичення знань про світлі саме світло почали представляти як хвильовий рух у світлоносному ефірі, аналогічний поширенню звуку в повітрі. Вперше ця думка була висловлена ​​в 1746 видатним математиком Л. Ейлером (1707-1783). Спочатку погляди Ейлера не зустріли розуміння, оскільки суперечили ньютонівської корпускулярної теорії світла, але здобули визнання після двох вирішальних експериментальних підтверджень. Першим підтвердженням стала інтерференція двох накладених світлових пучків від одного і того ж джерела, при якій збіг горбів і западин однієї хвилі з горбами та западинами іншої створює картину, що складається зі світлих і темних плям. Такі явища були відомі з часів Ньютона, систематично їх досліджували з погляду хвильової теорії в 1801 Т.Юнг (1773–1829) і пізніше О.Френель (1788–1827). Пояснення інтерференції з позицій корпускулярної теорії виглядали незграбно, але їх було прийнято вважати вірними, і лише після того, як Юнг в 1817 р. запропонував своє пояснення поляризації світла, корпускулярна теорія була змушена поступитися місцем хвильової. Поляризоване світло має просторову спрямованість, не властиву звуку, і це обставина навело Юнга на думку, що світлові хвилі на відміну звукових є поперечними, тобто. в них, як і в хвилях на воді, коливання відбуваються поперек спрямування їх поширення (а не вздовж, як у звукових, поздовжніх хвилях). Хвильова теорія світла пояснює все відомі явищаінтерференції та поляризації, але пошуки механічної моделі, яка зробила б її зрозумілою, зіткнулися з непереборними труднощами. Проблема в тому, що ефір як фізична субстанція має бути досить щільним, щоб світло могло поширюватися по ньому з величезною швидкістю, але все ж таки не надто щільним, щоб заважати руху планет та інших об'єктів. До того ж ефір повинен мати деяку пружність - поперечні хвилі можуть поширюватися в желе, але не у воді. (Спостережувані нами хвилі на воді поширюються тільки по її поверхні.) Нині важко уявити, що ідея механічного ефіру могла сприйматися настільки серйозно, але така вже сильна була влада ньютоновського механіцизму, що знадобилися колосальні інтелектуальні зусилля, щоб остаточно його відкинути.

Тим часом, формувалася нова концепція. На М.Фарадея, який займався вивченням магнетизму, сильне враження справили картини, утворені залізною тирсою на аркуші паперу поблизу полюсів магніту. Тирса вишиковувалися в лінії, і Фарадей встановив, що їх напрям у кожній точці збігається з напрямом сили, створюваної в цій точці магнітом. Потрапляючи в області більш менш інтенсивного магнітного поля, лінії завжди сходилися в пучок або, навпаки, розходилися, і Фарадей здогадався, що вони дають видиму картину чогось, що і в їх відсутність реально існує в просторі поблизу полюсів магніту. Це «щось» отримало назву поля. Фарадей зробив висновок, що поле складається з «магнітних силових ліній»; Пізніше він виявив існування аналогічних електричних силових ліній і в 1846 р. висловив припущення, що світло - це поперечні коливання, що поширюються вздовж силових ліній. Гіпотеза Фарадея була першим передбаченням встановленого згодом тісного зв'язку між світлом, з одного боку, та електрикою та магнетизмом – з іншого.

Заслуга створення теорії електромагнітного поля, як його почали називати, в основному належить Дж. Максвеллу (1831-1879). У 1856, будучи науковим співробітником Трініті-коледжу в Кембриджі, Максвелл почав працювати над створенням механічної теорії електричного та магнітного полів, маючи намір висловити точним математичною мовоюідеї Фарадея. До 1861 Максвелл створив дуже складну, але перспективну картину ефіру як текучого середовища, що передає деякі напруження і допускає складні вихрові рухи. Виходячи з таких наочних уявлень, він вивів систему диференціальних рівнянь, які пов'язують різні компоненти електричного та магнітного полів. Рівняння описували як статичні явища, наприклад, кулонівські електричні та магнітні взаємодії, так і динамічні, наприклад, відкриті Фарадеєм. Крім того, рівняння Максвелла дозволили передбачити новий взаємозв'язок між електричним та магнітними полями – їхнє узгоджене поширення у вигляді поперечних хвиль зі швидкістю 306 000 км/с. На той час вже було відомо, що світло поширюється приблизно з такою самою швидкістю, а експерименти Фізо (1849) дали значення, дуже близьке до отриманого Максвеллом. Ця чудова згода говорила про те, що Максвеллу вдалося побудувати таку давно очікувану теорію світла і до того ж пояснити всі електричні та магнітні явища. Виправдалося пророче зауваження Фарадея (1851): «Якщо ефір існує, то, мабуть, передача випромінювань немає його єдине призначення». Теорія Максвелла поряд з теорією Бора стала найвищим досягненням механістичного підходу. Сьогодні ми бачимо у його теорії електромагнітного поля дві сторони. Витончені симетричні рівняння, які й досі вважаються коректними та повними, супроводжує незграбна концепція ефіру, покликана ці рівняння пояснити. У 1864 році Максвелл представив уточнений варіант своєї теорії Королівському суспільству. Ефір входив у цю теорію неявно, як тло для фізичних співвідношень електромагнітного поля, але був позбавлений всіх властивостей, крім тих, які випливали з самих польових рівнянь. Проте найбільших фізиків на той час, зокрема Кельвіна і Гельмгольца, теорія Максвелла не переконала, і Кельвін, котрий дожив до 1907, не визнав її. Багато ж фізики молодшого покоління прийняли теорію Максвелла, і основну роль тут зіграли експерименти Г.Герца (1857-1894), який вперше здійснив генерацію та прийом електромагнітних хвиль. Експерименти Герца як підтвердили теорію Максвелла, а й заклали основи радіотехніки.

Теорія Максвелла призвела до найбільших теоретичних поступів у фізиці з часів Ньютона. Максвелл прийшов у фізику, коли в ній панували ідеї рухомих центрів сили, а покинув її, заклавши основи уявлення про поле, яке проявляється в тому, що надає силовий вплив на речовину, а також переносить енергію. Остання обставина найбільше наповнює поле реальністю: легко можна уявити, що електричні заряди створюють сили, що діють інші заряди з відривом, але якщо один матеріальний об'єкт дає спалах випромінювання, яке згодом поглинає інший об'єкт, то закон збереження енергії буде порушено, а то й прийняти, що з час від випромінювання до поглинання випромінювання енергія поширюється у вигляді поля.

Сьогодні фізика переважно зайнята вивченням взаємодіючих полів, однією з є поле Максвелла. Всі ці поля розповсюджуються у вигляді хвиль, але не в якомусь середовищі, як звукові хвилі в повітрі, а просто як хвилі поля. Приклад старшого покоління вчених, яке довго ставилося до ідеї таких «безтілесних» хвиль із недовірою, як до якоїсь містифікації, вкотре нагадує нам про труднощі становлення справді нових наукових ідей.

Принципи відносності

Одна з найбільш характерних рис будь-якого фізичного поля- те, в якому вигляді воно постає перед спостерігачем. Наприклад, електричний заряд, що покоїться, створює суто електричне поле. Але якщо заряд рухається щодо спостерігача чи, що еквівалентно, якщо спостерігач рухається щодо заряду, поле виявляється частково і магнітним. Те саме можна сказати про поле, створюване магнітом, і ми приходимо до висновку, що розмежування електричного і магнітного полів існує тільки в певній системі відліку. Якщо ж ми виберемо нову системувідліку так, щоб вона рухалася щодо старої, то межа згладиться – чисто електричне поле придбає магнітну компоненту, а чисто магнітне – електричну.

З цього приводу до 1900 були відомі два положення. По-перше, рівняння Максвелла описують ситуацію загалом правильно. По-друге, якщо мова йделише про явище, то істотно лише відносний рух спостерігача і об'єкта спостереження. Ця істина, так званий принцип відносності, втілена в законі інерції Галілея та пронизує всю схему механіки Ньютона.

Наприкінці 19 ст. Фізики, на свій подив, виявили, що ці два положення математично не узгоджуються між собою і що можна стверджувати або одне, або інше, але не те й інше одночасно. Теорія ефіру пропонувала такий вихід: електричний заряд, що спочиває в ефірі і виміряний спостерігачем, що рухається, не еквівалентний заряду, що рухається, для нерухомого спостерігача. А.Пуанкаре (1854-1912), дослідивши таке припущення, зрозумів, що воно привносить до законів електрики асиметрію, яка не відповідає нічому, що спостерігається в природі.

Вихід вказав у 1905 році А.Ейнштейн чудовою теорією, названою ним пізніше приватною (спеціальною) теорією відносності. Взявши за основу правильність рівнянь Максвелла, Ейнштейн показав, що принцип відносності може бути збережений, якщо радикально переглянути фундаментальні поняття простору і часу, що не піддавалися протягом століть сумнівам. Робота Ейнштейна стала частиною системи освіти нового блискучого покоління фізиків, що виросло у 1920-х роках. Наступні роки не виявили в приватної теоріївідносності якихось слабких місць.

Однак Ейнштейну не давало спокою та обставина, раніше зазначена Ньютоном, що вся ідея відносності руху руйнується, якщо ввести прискорення; в цьому випадку в гру вступають сили інерції, відсутні при рівномірному та прямолінійному русі. Через десять років після створення приватної теорії відносності Ейнштейн запропонував нову, надзвичайно оригінальну теорію, в якій головну роль відіграє гіпотеза викривленого просторуі яка дає єдину картину явищ інерції та гравітації. У цій теорії принцип відносності збережений, але представлений набагато більше загальної форми, і Ейнштейну вдалося показати, що його загальна теорія відносності з невеликими змінамивключає більшу частину ньютонівської теорії тяжіння, причому одна з цих змін пояснює відому аномалію в русі Меркурія.

Кванти

Читачеві вже відомо, що для опису дуже і дуже багатьох матеріальних системпридатна механіка Ньютона, а правильного описи всіх електромагнітних полів необхідна теорія Максвелла. Тепер ми хочемо показати, що насправді ці два підходи просто два крайніх випадківєдиної картини, яка називається квантовою теорією. Як і теорії Ньютона і Максвелла, це якась математична схема, але набагато складніша для пояснення нематематичною мовою, оскільки квантова теорія не ґрунтується на інтуїтивних уявленнях, які лише уточнювалися б математикою. Для більшої ясності надалі викладі ми відмовимося від історичного підходу, т.к. ряд важливих відкриттівбув зроблений у «невідповідний час» і в такій послідовності, яка ускладнює їхнє розуміння.

У 1887 Герц, вивчаючи електромагнітне випромінювання, принагідно зробив відкриття, встановивши, що світло, що падає на металеву поверхню, якимось чином робить її електрично зарядженою. У наступні роки вдалося з'ясувати, що світло вибиває з металу негативні електричні заряди. Нині це явище називається фотоелектричним ефектом. У 1898 Дж. Дж. Томсон (1856-1940) встановив, що негативні заряди переносяться мікроскопічними частинками з масою, в тисячі разів меншою за масу будь-якого атома. Томсон назвав ці частки електронами. Далі, переважно завдяки зусиллям Ейнштейна (1905), з'ясувалося, що світло має двоїсту природу: це частки, звані нині фотонами, і хвилі. У різних експериментах він поводиться по-різному. Не маючи пояснення цього дивного явища, фізики взялися за пошук нових ідей. Найпростішу і, як виявилося надалі, найпліднішу ідею висловив Л. де Бройль (1892–1987). У 1924 він запропонував поширити загадкову двоїстість світла і на матерію і висловив припущення, що електрон повинен виявити свої хвильові властивості, якщо поставити експеримент з інтерференції електронів, аналогічний до експериментів з інтерференції світла, які свого часу були проведені Т. Юнгом. Такі експерименти невдовзі були виконані і дали пророки де Бройлем результати. Крім того, де Бройль припустив, що орбітальний електрон в теорії Бора описує навколо ядра замкнуту хвилю, і постулати Бора, що виглядали до цього довільними, для визначення енергетичних рівнів атома водню отримали просте і природне пояснення.

Нагадаємо у зв'язку з цим, що з моменту своєї появи в 1913 р. теорія Бора виявилася майже безплідною в поясненні кількісних властивостей атомів, відмінних від атома водню. Тепер настав час вирішити проблему будови атома, що було зроблено майже одночасно двома фізиками. У 1925 В.Гейзенберг (1901-1976) розвинув дещо громіздкий математичний апарат з важко збагнутим фізичним змістом, що дозволяв тим не менш швидко отримувати правильні відповіді деякі питання, пов'язані з будовою атома. У наступному році Е. Шредінгер (1887-1961), виходячи з гіпотези де Бройля про хвилі матерії, зробив практично те ж, що свого часу зробив Максвелл у зв'язку з гіпотезою Юнга про хвильової природисвітла: вивів польові рівняння, що дозволяли пояснити більшість атомних властивостей. У 1927 Шредінгер показав, що його теорія, що сильно відрізнялася своїми фізичними припущеннями від теорії Гейзенберга, за своїм математичним змістом еквівалентна їй. Єдність фізичних явищ з хвильової погляду зумовлено тим, що світло та всі інші форми матерії можна у вигляді полів у порожньому (в інших відносинах) просторі, що описуються деякими рівняннями, що показують, як поля змінюються у просторі та часі і як вони взаємодіють самі з собою та один з одним. Відмінності між світлом і речовиною з цього погляду пов'язані з особливостями математичного уявленнярізних полів та структурою польових рівнянь.

Тепер потрібно пояснити корпускулярність полів. Найважче зрозуміти, яким чином поле, за своєю сутністю однорідне і безперервне, може проявляти себе як щось дискретне і розривне. У такій постановці проблема перегукується з 1900, коли М.Планк (1858–1947) намагався пояснити інтенсивність і колір випромінювання, що випускається розпеченим твердим тілом. Він був змушений припустити, що матеріальний об'єкт, що випромінює випромінювання з частотою n, робить це не безперервно, як можна було б очікувати, а малими порціями – квантами, кожен з яких несе енергію Е, пропорційну частоті. Якщо співвідношення пропорційності записати у вигляді E = hn, то виявляється, що коефіцієнт пропорційності hмає те саме значення для всіх форм матерії (нині він називається постійною Планкою). У 1905 Ейнштейн скористався ідеєю Планка, пояснивши фотоелектричний ефект як результат зіткнень фотонів з електронами, а в 1913 Бор у пошуках пояснення дискретності частот випромінювання, що випускається атомами, створив свою чисто механічну теорію, включивши в неї гіпотезу Плану про дискретність постійну Планка h. Рівняння, виведені де Бройлем, Гейзенбергом та Шредінгером, містили hТому постійна Планка стала свого роду символом дискретності природи. Виражена у звичайних одиницях, величина hявляє собою дуже мале число, і отже, дискретність лежить набагато нижче рівня сприйняття наших рецепторів, проте вона бере участь у всіх процесах, що супроводжуються випромінюванням або поглинанням енергії - у виникненні і поширенні світла і звуку, у взаємодії частинок і багато іншого. Дискретні порції енергії будь-якого виду називаються квантами, а вся теорія, що має з ними справу, – квантовою теорією. Теорія Гейзенберга і Шредінгера називалася по-різному - квантовою або хвильовою механікою - в залежності від того, яка точка зору була прийнята. Кванти різних полів отримали назви із закінченням - він: фотон для світла, фонон для звуку, електрон, протон, нейтрон і т.д.

Квантова теорія змусила фізиків переглянути погляди все, що відбувається в атомних масштабах, і навіть багато звичайні явища. Але її найглибшою новою ідеєю стало поняття невизначеності, яке ми не обговорюватимемо тут докладно. Скажімо лише, що вона стверджує існування деяких меж, у яких ні пізнання, ні пояснення фізичних явищ неможливі навіть у принципі. У цих межах все, що відбувається, носить випадковий характер у тому сенсі, що причинність у її належному розумінні не діє. Однозначні причинні формулювання механістичної картини світу в таких ситуаціях поступаються місцем статистичним твердженням, що дає лише ймовірності, але не дозволяє абсолютно точно передбачити результати конкретного експерименту. Здається точність законів динаміки у вигляді, у якому їх виклав Ньютон і дотримувалися його послідовники, в квантової теорії постає як прямий наслідок статистичного «закону» великих чисел», згідно з яким статистичні твердження тим точніше, чим більша вибірка, на підставі якої вони зроблені.

У дуже спрощеному вигляді ситуація з дуалізмом речовина – поле на сьогодні виглядає так: поле – основний спосіб опису матерії, але він має аспекти дискретності, що нагадують про ньютонівську концепцію речовини (і світла) як субстанції, що складається з малих частинок, що взаємодіють між собою. В атомному масштабі ситуація дійсно дуже відрізняється від тієї, яка представлялася Ньютону, оскільки виявляються невизначеності та порушення причинності, але на макрорівні ці ефекти зникають, що дає можливість передбачати події з точністю нехай і не абсолютною, але цілком достатньою для будь-яких практичних цілей. Таким чином, механістична картина світу постає перед ними як практичний наслідок фундаментальної теорії полів, хоча якщо перейти на мікрорівень, ми не можемо тепер слідом за Левкіппом сказати, що «все має причину і є результатом необхідності». Ми не знаємо, як виглядатиме сучасна квантова теорія через сто років, і хоча деяким вона здається дивною і незрозумілою, проте вона жодного разу не прийшла в суперечність з експериментом, а область її застосування постійно розширюється.

СУЧАСНА ФІЗИКА

До 1940-х років основні види відомої тоді матерії виглядали досить просто: атом складався з електронів, що рухаються навколо масивного ядра; за деяких умов він випромінював світло у формі квантів, які називалися фотонами; ядра складалися з нейтронів і протонів (нуклонів), кожен з яких мав масу, що приблизно в 1840 разів перевищує масу електрона; частка третього типу з масою, проміжною між масою електрона і протона, названа «мезоном», відповідала за взаємодію частинок ядра (нуклонів), а фотон, квант електромагнітного поля, утримував разом електрон і ядро. У той час було природно розглядати всі перераховані вище частки як елементарні форми матерії, аналогічні елементам традиційної хімії, з яких складається все, що оточує нас. Однак з відкриттям у Останнім часомвеликої кількості нових частинок зародився сумнів у тому, що вони дійсно елементарні. Основні роботи в цій дуже важкій області фізики ведуться в науково-дослідних центрах, що мають надзвичайно дорогі експериментальні установки. У Сполучених Штатах це Брукхейвенська та Аргонський національні лабораторії, Національна лабораторія прискорювачів поблизу Чикаго, Станфордський лінійний прискорювач, у Західній Європі – ЦЕРН, Європейська рада з ядерних досліджень (European Council for Nuclear Research) у Женеві, що об'єднує . Декілька науково-дослідних центрів, що виникли при великих прискорювачах, є в Росії.

Головне завдання фундаментального вивчення матерії у тому, щоб якнайбільше дізнатися про всі можливі її форми, тобто. встановити, які бувають елементарні частинки та які їх властивості, пояснити, чому наш Всесвіт містить саме ці, а не інші різновиди частинок. У 1970-х роках виникла теорія, в якій елементарні частинки вважалися складовими ще фундаментальних «цеглинок» матерії – кварків. Спочатку кварків було всього три, потім їх стало 12, а трохи пізніше - 15. Як це часто бувало в минулому з іншими теоріями матерії, з кожним таким розширенням списку частинок посилювалася підозра, що теорія кварків при всій її привабливості все ж таки не є справді фундаментальною .

Друге загальне напрям, якому слід у своєму розвитку фундаментальна фізика сьогодні, – вивчення форм матерії, які з великої кількості пов'язаних частинок. Один із напрямів такого роду досліджень займається вивченням газів, частки яких слабо пов'язані і основний час проводять у вільному польоті. Якщо не рахувати поведінки газів за екстремальних умов (таких питань цікавлять тих, хто, наприклад, займається вивченням ракетних двигунів), у цій галузі знань зараз немає жодного принципового питання, на яке не можна було б дати відповідь.

Що стосується рідин і твердих тіл, то тут доведеться з'ясувати ще багато. Зокрема, тверді тіла мають різноманітні механічні, електричні та магнітні властивості, для пояснення яких недостатньо знати, з яких частинок ці тіла складаються, оскільки згадані властивості залежать також від їх агрегатного стану. Фізика твердого тіла - область науки, що швидко розвивається, і частково це пов'язано з її великим прикладним значенням: так, транзистори та інші напівпровідникові пристрої, створені як результат досліджень та розробок у галузі фізики твердого тіла, справили справжню революцію в електроніці. ТРАНЗИСТОР.

Ще один стан агрегації ми бачимо в атомному ядрі. Оскільки ядро ​​дуже мало і його складові міцно пов'язані ядерними силами, воно є дуже важким об'єктом для вивчення, так що відомості про його структуру і типи внутрішньоядерного руху дуже мізерні. Дослідження у цій галузі широко підтримуються урядами, оскільки ядерної енергії доведеться задовольняти значну частинуенергетичних потреб людства, коли вичерпаються джерела нафти та вугілля.

Зрештою, згадаємо про фізику плазми, одну з нових галузей науки. Плазма - це розпечений газ, що складається з іонів і електронів, що проводять електрику, але його поведінка помітно відрізняється від поведінки газу при звичайних умовах. Якщо врахувати, що всі зірки та значна частина міжзоряної речовини – плазма, то виходить, що у Всесвіті у такому стані перебуває понад 99% матерії. Отже, для проникнення в таємниці космосу необхідно якнайповніше досліджувати властивості самої плазми. Крім того, для створення найбільш перспективних – термоядерних джерел енергії, мабуть, потрібно буде відтворити умови, що панують у надрах зірок.

До Другої світової війни майже всі значні дослідження в галузі фізики виконувались в університетських лабораторіях, які підтримували університетські фонди. Після війни ситуація змінилася із трьох причин. По-перше, створення нових експериментальних установок стало для університетських бюджетів надто дорогою справою, що призвело до необхідності широкомасштабної участі держави у субсидуванні наукових програм. По-друге, уряди усвідомили необхідність підтримки наукових дослідженьу власних військових, економічних та політичних цілях. Це особливо стосується космічних програм та досліджень у галузі фізики. елементарних частинок, і навіть різних видів діяльності, що з вирішенням енергетичних проблем. По-третє, докорінно змінилося ставлення ділових людей до науки: тепер великий бізнес у всьому світі бере участь у створенні лабораторій, де проводяться серйозні дослідження.

Усі спроби передбачити майбутнє науки закінчувалися провалом, проте очевидно, що ми можемо очікувати великого прогресу в зазначених вище напрямках. Ясно також, що в майбутньому з'являться нові напрями досліджень, які зараз неможливо передбачити, як неможливо було передбачити сто років тому появу ядерної фізики. Справді всеосяжна фізична теорія дозволить розглядати з єдиної точки зору процеси, що протікають у всіх масштабах - від космічного до субатомного. Нині ж, хоча нам відомо багато, ми бачимо лише фрагменти повної картини світу, що інтригують.

Література:

Льоцці М. Історія фізики. М., 1970
Роджерс Е.М. Фізика для допитливих, ТТ. 1–3. М., 1972, 1973
Джеммер М. Еволюція понять квантової механіки. М., 1985

Фізика (грец. від physis - природа) - наука про природу, що вивчає найпростіші і водночас найзагальніші властивості матеріального світу.

Фізика - одна з основних областей природознавства - наука про властивості та будову світу, про форми її руху та зміни, про загальні закономірності явищ природи.

Основоположниками фізики є такі великі вчені як: Галіо Галілей – італійський фізик, астроном, філософ, математик, Блез Паскаль – французький математик, фізик, релігійний філософ, Ісаак Ньютон – англійський математик, астроном, фізик. Ньютона прийнято вважати основоположником фізики.

Від ранніх цивілізацій, що виникли на берегах Тигра, Євфрату та Нілу, не залишилося жодних свідчень в області фізичних знань, на той момент не було системи фізичних знань, а існували лише певні описи та факти, не підтверджені теоретичними узагальненнями та висновками. Давні називали фізикою будь-яке дослідження навколишнього світу та явищ природи. Таке розуміння фізики зберігалося остаточно 17 століття.

Аристотель IV столітті до нашої ери вперше вжив слово «фюзис», що означає природа. Він також ужив слова «матерія» та «форма».

Так, з якого періоду історії виникла фізика, яку ще не можна було назвати наукою?

На наш погляд спостереження над природою почалося в давнину, коли в людини з'явилася необхідність прогодувати себе і своїх близьких, але людина ще не перейшла до землеробства і до скотарства, а користувався плодами лісу і полюванням на диких тварин.

Спробуємо уявити абстрактну картину. Випадково в буреломі, де хаотично повалені дерева, одне з них виявилося на іншому так, що коренева система, «видраного» дерева лежала на землі, його ствол, спираючись на інше дерево, вільно звисав. Стародавня людина випадково вступила на стовбур досить далеко від точки опори, своєю вагою підняла всю кореневу систему дерева вагою, набагато більшою, ніж вага самої людини.

Людина нічого не зрозуміла, але помітила цю особливість, яку і стала застосовувати за потреби. Так, з'явився важіль. Сталося це задовго до досліджень Архімеда (287 до нашої ери). Людина, як ми вважаємо, помітив і дещо розрахувала співвідношення плечей важеля і сил, що діють на нього.

Архімед же навів у систему весь накопичений досвід. Згідно з переказом, Архімед виголосив відому всім фразу: «Дайте мені точку опори, і я підніму Землю»!

Звичайно, він мав на увазі застосування важеля.

Внесок Архімеда в математику та фізику, безумовно, великий. Архімед є основоположником теоретичної механіки та гідростатики. Він розробив методи знаходження площ, поверхонь та обсягів різних фігур та тіл.

В основоположних працях зі статики та гідростатики (закон Архімеда) Архімед дав зразки застосування математики в природознавстві та техніці. Йому належить безліч технічних винаходів: гвинт архімедів, визначення складу сплавів зважуванням у воді, системи для підняття великих тягарів, військові метальні машини.

У фізиці Архімед запровадив поняття «центр тяжкості». Він встановив наукові засадистатики та гідростатики, дав зразки застосування математичних методів у фізичних дослідженнях. Основні положення статики сформульовані у творі «Про рівновагу плоских постатей». Архімед робить висновок про закон важеля. Знаменитий законгідростатики, який увійшов у науку з ім'ям Архімеда (Архімеда закон), сформульований у трактаті «Про плаваючі тіла».

Поява вітрила, як ми вважаємо, також трапилася випадково. Стародавні люди знову за допомогою спостережень набули досвіду. Як ми думаємо, людина зауважила, що якщо встати і плисти на колоди за допомогою примітивного весла, і при цьому дме попутний вітер, то колода починає рухатися досить швидко. Можливо, людина помітив, що стовбур дерева, що пливе по воді, з гілками, що стирчать, рухається швидше, ніж без гілок. Пізніше людина свідомо спорудила з гілок із листям чи зі звірячої шкіри подібність вітрила. Так, з'явилося перше примітивне вітрило.

Через багато століть, в результаті накопиченого людством досвіду, з'явилися вітрильні кораблі, які вже були здатні плисти і проти вітру. І серед них барк, найсучасніший вітрильник. У основі цього явища лежить складання діючих сил.

Іншим найбільшим винаходомстаровини є колесо. Ми вважаємо, що це, швидше за все, колективний винахід, оскільки одна людина не могла придумати колесо, потім посадити його на вісь, закріпити на ній платформу і отримати, таким чином, віз. Як ми вважаємо, давні люди помітили, що якщо взяти товсту колоду, то її легше переміщати землею, якщо під колоду підкладати круглі обрубки дерева. Внаслідок роздумів людини, навіть не групи людей, а цілих поколінь, вийшло колесо.

Винахід колеса дав колосальний поштовх у розвитку сучасної цивілізації.

Тут хотілося б згадати про цивілізацію давніх інків. Інки - це індіанське плем'я, яке мешкало на землях таких сучасних країн, як Перу, Еквадор, Болівія та інші. Стародавні інки не знали і не застосовували колесо через рельєф земель, які вони займали. Перу - країна гірська, і інками не був помічений той факт, що горезвісна колода, можна переміщати качками.

Так, ми вважаємо, що фізика зародилася з урахуванням збору спостережень, досвіду, інформації. Коли ж такої інформації накопичилося чимало, найбільші вчені давнини систематизували накопичені знання, створивши фундаментальну теоріюмеханіки.

Наш невеликий роздум про те, коли зародилася фізика, хотілося б закінчити віршем:

Читай, слухай і розумій,

Частіше думай, думки, пізнавай,

Ти в жанри різні «влітай»

І книги повністю «ковтай»,

Але нічого не упускай!

Врахуй, що кожен розумна людина

Читає книги різних років.

Він у них живе, співає та танцює,

Він знання все там бере

І все дослівно дізнається,

Уважає, мислить, пізнає,

Повернувшись у світ,

Він усім розповість,

Що дарують чудові краєвиди,

Картин з тих чудових долин,

Де життя він подумки прожив

І світ із інших боків відкрив.

За що все життя дякував

Літературне чудове світло,

Пролитий з давніх літ на світ.

Література:

1. Великий енциклопедичний словник, гол. ред. Прохоров А. М. - М: Велика Російська енциклопедія, 2002. – 1456 с.

2. Житомирський С. В. Вчений із Сіракуз: Архімед. Історична повість. - М: Молода гвардія, 1982. - 191 с.

3. Ожегов С. І., Шведова Н. Ю. Тлумачний словник російської мови: 72500 слів та виразів / Російська АН. інститут російської.; Російський фондкультури. - М: Азъ Ltd., 1992. - 960 с.

4. Царьова М. В. Вірш, «Великий чтива книг», 2015.

Розвиток фотоніки здатне дати можливість створити принципово нові – фотонні – комп'ютери та іншу фотонну техніку, які змінять існуючу електронну техніку. Розвиток газодинаміки призвів до появи літаків та гелікоптерів.

Знання фізики процесів, які у природі, постійно розширюються і поглиблюються. Більшість нових відкриттів незабаром отримують техніко-економічне застосування (зокрема у промисловості). Однак перед дослідниками постійно постають нові загадки, - виявляються явища, для пояснення та розуміння яких потрібні нові фізичні теорії. Незважаючи на величезний обсяг накопичених знань, сучасна фізика дуже далека від того, щоб пояснити всі явища природи.

Загальнонаукові основи фізичних методів розробляються в теорії пізнання та методології науки.

Предмет фізики

Кількісний характер фізики

Фізика - кількісна наука. Фізичний експеримент спирається на виміри, тобто порівняння характеристик досліджуваних явищ із певними еталонами. З цією метою фізика розвинула сукупність фізичних одиниць та вимірювальних приладів. Окремі фізичні одиниціоб'єднуються у системи фізичних одиниць. Так, на сучасному етапі розвитку науки стандартом є Міжнародна система одиниць (СІ), але більшість теоретиків, як і раніше, воліє користуватися Гаусової системою одиниць (СГС).

Отримані експериментально кількісні залежності дозволяють використовуватиме своєї обробки математичні методи і будувати теоретичні, тобто математичні моделі досліджуваних явищ.

Зі зміною поглядів на природу тих чи інших явищ змінюються також фізичні одиниці, у яких вимірюються фізичні величини. Так, наприклад, для вимірювання температури спочатку були запропоновані довільні температурні шкали, які ділили проміжок температур між характерними явищами (наприклад, замерзанням та кипінням води) на певну кількість менших проміжків, які отримали назву градусів температури. Для вимірювання кількості теплоти була введена одиниця – калорія, яка визначала кількість теплоти, необхідної для нагріву грама води на один градус. Однак згодом фізики встановили відповідність між механічною та тепловою формою енергії. Таким чином, виявилося, що запропонована раніше одиниця кількості теплоти, калорія є зайвою, як і одиниця вимірювання температури. І кількість теплоти і температуру можна вимірювати в одиницях механічної енергії. У сучасну епоху калорія і градус не вийшли із практичного вживання, але між цими величинами та одиницею енергії Джоулем існує точне числове співвідношення. Градус як одиниця виміру температури входить до системи СІ, а коефіцієнт переходу від температурної до енергетичних величин - постійна Больцмана - вважається фізичною постійною.

Історія фізики

Хоча історія фізики як самостійної науки почалася тільки в XVII столітті, її витоки відносяться до найглибшої давнини, коли люди почали систематизувати перші свої знання про навколишній світ. До Нового часу вони належали до натуральної філософіїі включали в себе відомості про механіку, астрономію та фізіологію. Справжня ж історія фізики почалася завдяки дослідам Галілея та його учнів. Також фундамент цієї дисципліни було закладено Ньютоном.

У XVIII і XIX століттіз'явились ключові поняття: енергія, маса, атоми, імпульс і т. д. У XX столітті стала ясною обмеженість класичної фізики (крім неї, зародилася квантова фізика, теорія відносності, теорія мікрочастинок тощо). Природничі знаннядоповнюються і сьогодні, тому що перед дослідниками залишається безліч невирішених проблемта питань про природу нашого світу та всього всесвіту.

Стародавність

Багато язичницьких релігій Стародавнього світуґрунтувалися на астрології та знаннях звіздарів. Завдяки їхнім дослідженням нічного піднебіння відбулося становлення оптики. Накопичення астрономічних знань не могло не вплинути на розвиток математики. Проте теоретично пояснити причини природних явищ древні було неможливо. Жерці приписували блискавки та сонячні затемнення божественному гніву, що не мало нічого спільного з наукою.

У той же час у Стародавньому Єгиптінавчилися вимірювати довжину, вагу та кут. Ці знання були необхідні архітекторам для будівництва монументальних пірамід і храмів. Розвивалася прикладна механіка. Сильні в ній були й вавилоняни. Вони ж, ґрунтуючись на своїх астрономічних знаннях, почали використовувати добу для виміру часу.

Давньокитайська історія фізики почалася у VII столітті до н. е. Накопичений досвід у ремеслах та будівництві був підданий науковому аналізу, Результати якого були викладені у філософських творах. Найвідомішим їх автором вважається Мо-цзи, який жив у IV столітті до зв. е. Він зробив першу спробу сформулювати основний закон інерції. Вже тоді китайці першими винайшли компас. Вони відкрили закони геометричної оптики та знали про існування камери-обскури. У Піднебесній з'явилися зародки теорії музики та акустики, про які ще довгий час не підозрювали на Заході.

Античність

Антична історія фізики найбільше відома завдяки грецьким філософам. Їх дослідження ґрунтувалися на геометричних та алгебраїчних знаннях. Наприклад, піфагорійці першими оголосили, що природа підпорядковується універсальним законам математики. Цю закономірність греки бачили в оптиці, астрономії, музиці, механіці та інших дисциплінах.

Історія розвитку фізики важко представляється без праць Аристотеля, Платона, Архімеда, Лукреція Кара і Герона. Їхні твори збереглися до наших часів у досить цілісному вигляді. Грецькі філософи відрізнялися від сучасників з інших країн тим, що вони пояснювали фізичні закони не міфічними поняттями, а з наукової точки зору. У той самий час еллінів траплялися й великі помилки. До них можна зарахувати механіку Аристотеля. Історія розвитку фізики як науки багатьом завдячує мислителям Еллади вже хоча б тим, що їхня натурфілософія залишалася основою міжнародної науки до XVII століття.

Внесок олександрійських греків

Демокріт сформулював теорію атомів, згідно з якою всі тіла складаються з неподільних і крихітних частинок. Емпедокл запропонував закон збереження матерії. Архімед заклав основи гідростатики та механіки, виклавши теорію важеля і підрахувавши величину сили, що виштовхує рідини. Він став автором терміна «центр тяжкості».

Олександрійський грек Герон вважається одним із найбільших інженерів у людській історії. Він створив парову турбіну, узагальнив знання про пружність повітря та стисливість газів. Історія розвитку фізики та оптики продовжилася завдяки Евкліду, який досліджував теорію дзеркал та закони перспективи.

Середньовіччя

Після падіння Римської імперії настав крах античної цивілізації. Багато знань були забуті. Європа майже на тисячу років зупинилася у своєму науковому розвитку. Храмами знань стали християнські монастирі, яким вдалося зберегти деякі твори минулого. Проте прогрес гальмувала сама церква. Вона підкорила філософію богословській доктрині. Мислителі, які намагалися вийти за її межі, оголошувалися єретиками і жорстоко каралися інквізицією.

На цьому тлі першість у природничих науках перейшла до мусульман. Історія виникнення фізики в арабів пов'язані з перекладом з їхньої мову праць античних грецьких учених. На їх основі мислителі Сходу зробили кілька своїх важливих відкриттів. Наприклад, винахідник Аль-Джазірі описав перший колінчастий вал.

Європейський застій продовжився до Ренесансу. За Середні віки у Старому Світі винайшли окуляри та пояснили виникнення веселки. Німецький філософ XV століття Микола Кузанський першим припустив, що Всесвіт нескінченний, і тим самим далеко випередив свій час. Через кілька десятиліть Леонардо да Вінчі став першовідкривачем явища капілярності та закону тертя. Також він намагався створити вічний двигун, але не впоравшись із цим завданням, почав теоретично доводити нездійсненність такого проекту.

Ренесанс

1543 року польський астроном Микола Коперник опублікував головна працявсього свого життя «Про обертання небесних тіл». У цій книзі вперше у християнському Старому Світі була зроблена спроба захистити геліоцентричну модель світу, згідно з якою Земля крутиться навколо Сонця, а не навпаки, як передбачала прийнята церквою геоцентрична модель Птолемея. Багато вчені фізикита їх відкриття претендують на звання великих, однак саме поява книги «Про обертання небесних тіл» вважається початком наукової революції, за якою виникло не тільки сучасної фізики, а й сучасної науки загалом.

Інший знаменитий вчений Нового часу Галілео Галілей найбільше прославився винаходом телескопа (також йому належить винахід термометра). Крім того, він сформулював закон інерції та принцип відносності. Завдяки відкриттям Галілея зародилася нова механіка. Без нього історія вивчення фізики зупинилася б ще довгий час. Галілею, як і багатьом його смислам, що широко мислили, довелося чинити опір тиску церкви, яка з останніх сил намагалася захистити старий порядок.

XVII сторіччя

Зростання інтересу до науки, що набрало хід, продовжилося і в XVII столітті. Німецький механік і математик став першовідкривачем Сонячної системиСвої погляди він виклав у книзі "Нова астрономія", виданої 1609 року. Кеплер опонував Птолемею, зробивши висновок, що планети рухаються еліпсами, а не колами, як вважалося ще в античності. Цей же вчений зробив значний внесок у розвиток оптики. Він досліджував далекозорість та короткозорість, з'ясувавши фізіологічні функції кришталика ока. Кеплер ввів поняття оптичної осі та фокусу, сформулював теорію лінз.

Француз Рене Декарт створив нову наукову дисципліну - аналітичну геометрію. Також він запропонував Головною працею Декарта стала книга «Початки філософії», видана 1644 року.

Деякі вчені-фізики та їх відкриття відомі так, як англієць Ісаак Ньютон. У 1687 році він написав революційну книгу «Математичні засади натуральної філософії». У ній дослідник виклав закон всесвітнього тяжіння та три закони механіки (також стали відомими як Цей учений працював над теорією кольору, оптикою, інтегральними та диференціальними обчисленнями. Історія фізики, історія законів механіки - це тісно пов'язані з відкриттями Ньютона.

Нові рубежі

XVIII століття подарувало науці безліч видатних імен. Особливо вирізняється серед них Леонард Ейлер. Цей швейцарський механік та математик написав понад 800 робіт з фізики та таких розділів, як математичний аналіз, небесна механіка, оптика, теорія музики, балістика тощо. Петербурзька академія наук визнала його своїм академіком, через що Ейлер значну частину життя провів в Росії. Саме цей дослідник започаткував аналітичну механіку.

Цікаво, що історія предмета фізика склалася такою, якою ми її знаємо, завдяки не тільки професійним вченим, а й дослідникам-аматорам, набагато більше відомим у зовсім іншій якості. Найяскравішим прикладом такого самоучка став американський політик Бенджамін Франклін. Він винайшов громовідвід, зробив великий внесок у вивчення електрики і зробив припущення про його зв'язок з явищем магнетизму.

У кінці XVIIIстоліття італієць Алессандро Вольта створив «вольтовий стовп». Його винахід став першою електричною батареєю в історії людства. Це століття також ознаменувалося появою ртутного термометра, творцем якого був Габріель Фаренгейт. Іншим важливою подієювинахідництва виявився винахід парової машини, що стався в 1784 році. Воно породило нові засоби виробництва та розбудову промисловості.

Прикладні відкриття

Якщо історія початку фізики розвивалася виходячи з того, що наука мала пояснити причину природних явищ, то в XIX столітті ситуація значно змінилася. Тепер у неї з'явилося нове покликання. Від фізики почали вимагати управління природними силами. У зв'язку з цим почала прискорено розвиватися як експериментальна, а й прикладна фізика. "Ньютон електрики" Андре-Марі Ампер ввів нове поняття електричного струму. У цій же галузі працював Майкл Фарадей. Він відкрив явище електромагнітної індукції, закони електролізу, діамагнетизм і став автором таких термінів як анод, катод, діелектрик, електроліт, парамагнетизм, діамагнетизм і т.д.

Склалися нові розділи науки. Термодинаміка, теорія пружності, статистична механіка, статистична фізика, радіофізика, теорія пружності, сейсмологія, метеорологія - вони формували єдину сучасну картину світу.

У ХІХ столітті виникли нові наукові моделіта поняття. обґрунтував закон збереження енергії, Джеймс Клерк Максвелл запропонував власну електромагнітну теорію. Дмитро Менделєєв став автором значно вплинув на всю фізику періодичної системиелементів. У другій половині століття з'явилася електротехніка та двигун внутрішнього згоряння. Вони стали плодами прикладної фізики, орієнтованої вирішення певних технологічних завдань.

Переосмислення науки

У XX столітті історія фізики, коротко кажучи, перейшла до того етапу, коли настала криза вже усталених класичних теоретичних моделей. Старі наукові формулипочали суперечити новим даним. Наприклад, дослідники з'ясували, що швидкість світла залежить від, начебто, непорушної системи отсчета. На рубежі століть було відкрито тих, хто вимагав докладного поясненняявища: електрони, радіоактивність, рентгенівське проміння.

Внаслідок загадок, що накопичилися, стався перегляд старої класичної фізики. Ключовою подією цієї чергової наукової революції стало обгрунтування теорії відносності. Її автором був Альберт Ейнштейн, який вперше розповідав світові про глибинний зв'язок простору та часу. Виник новий розділ теоретичної фізики- квантова фізика. У її становленні взяли участь одразу кілька вчених зі світовим ім'ям: Макс Планк, Макс Бон, Пауль Еренфест та інші.

Сучасні виклики

У другій половині XX століття історія розвитку фізики, хронологія якої продовжується і сьогодні, перейшла на принципово новий етап. Цей період ознаменувався розквітом дослідження космосу. Небувалий стрибок зробила астрофізика. З'явилися космічні телескопи, міжпланетні зонди, детектори позаземних випромінювань Почалося детальне вивчення фізичних даних різних тіл Сонячної планети. За допомогою сучасної техніки вчені виявили екзопланети та нові світила, у тому числі радіогалактики, пульсари та квазари.

Космос продовжує таїти у собі безліч нерозгаданих загадок. Вивчаються гравітаційні хвилі, темна енергія, темна матерія, прискорення розширення Всесвіту та його структура. Доповнюється теорія Великого вибуху. Дані, які можна отримати в земних умовах, незрівнянно малі в порівнянні з тим, скільки роботи вчених є в космосі.

Ключові проблеми, що стоять перед фізиками сьогодні, включають кілька фундаментальних викликів: розробку квантового варіанта гравітаційної теорії, узагальнення квантової механіки, об'єднання в одну теорію всіх відомих сил взаємодії, пошук «тонкого налаштування Всесвіту», а також точне визначення явища темної енергіїта темної матерії.