Физични науки

Физиката – основа на научно-техническия прогрес

XX в. е векът на разцвет на научно-техническия прогрес. Този разцвет е немислим обаче без успехите на физиката (от грц. physis – природа) – науката, науката която изучава най-простите и едновременно с това най-общите закономерности, които засягат природните явления, свойствата и строежа на материята, както и законите на нейното движение. Това предопределя основополагащо място на физиката в развитието на техническите науки. Присъствието на тази наука може да се открие и в медицината, биологията и други области на знанието.

Физиката има дълга история на развитие. Законите и са изградени както въз основа на факти, получени по опитен път, така и чрез теоретична обработка на получаваните резултати и откриване на дълбоките връзки и закономерности, скрити в тези резултати. От тази гледна точка физиката условно се дели на два големи раздела: експериментална и теоретична физика. Има и други възможни деления в тази наука, например в зависимост от многообразието на изследваните обекти или от формите на движение на материята. Съгласно първия признак може да се обособят следните по-значителни отдели на физиката: физика на елементарните частици, ядрена физика, атомна физика, молекулна физика, физика на течностите и газовете, физика на твърдото тяло, физика на плазмата и др. Съгласно втория признак може да се посочат следните по-големи отдели: механика на материалната точка и твърдо тяло, механика на непрекъснатите следи (включително акустика), термодинамика и статична механика, квантова механика и др. Но тези деления в известна степен са условни, тъй като областите на знанието, развивани в различните физични отдели, частично се препокриват – има дълбока вътрешна връзка между обектите в материалния свят и процесите, в които те участват.

Архимед
Архимед – известен с крилатата му фраза „Еврика“

Съвременната физика е свързана с постепенното откриване на природните тайни от човека. Първите идеи, за които може да се смята, че имат физичен смисъл, се оформили още в древна Гърция и древния Рим (VI в. пр. н. е. – IIв.). Представите за атомния строеж на веществата са обсъждани в произведенията на философите Демокрит, Епикур, Тит Лукреций Кар. По това време Клавдий Птолемей създава геоцентричната система на света, открити са най-простите закони на статиката (правилата на лостовете), както и на праволинейното движение и на отражението на светлината; в областта на хидростатиката прави своите известни открития Архимед. Голяма част от знанията по тези въпроси е систематизирана и обобщена от Аристотел; той обаче дава предпочитание на умозаключението, макар и да признава важността на опита. Силен удар не само върху развитието на физиката, но и на цялата наука е канонизирането на основните положения на учението на Аристотел от църквата.

Галилео Галилей
Галилео Галилей

Повратен момент след който физиката започва да се развива като наука (в съвременното тълкуване на това понятие), може да се смята XVII в. Един от учените, допринесъл най-много за това, е италианецът Галилео Галилей. Той въвежда математическото описание на движението, посочва, че влиянието на обкръжаващите дадено тяло материални обекти определя ускорението му, открива принципа на относителността в механиката, прави много открития и наблюдения в астрономията, оптиката, изучаването на топлината. Сериозен импулс получава и учението за магнетизма с трудовете на англичанина Уилям Гилберт.

За основно постижение на физиката в този период се смята създаването на класическата механика от английския учен Исак Нютон, издал през 1687 г. книгата „Математични принципи на натурофилософията”. Пръв Нютон въвежда изключително важното за всяка физична теория понятие за състоянието на системата, която се състои от много тела. Извънредно голямо значение има и откритият от него закон за всемирното притегляне. Този закон позволява с много голяма точност да се пресметне движението на Луната, на останалите планети и на кометите, както и да се обяснят някои земни явления (например приливите и отливите в океаните). Въведени са също и класически представи за абсолютното пространство и абсолютното равномерно движещо се време.

Исак Нютон
Исак Нютон

Определено развитие в този период получава и физичната акустика. През втората половина на XVII в. настъпват нови промени:започва бързо да се развива геометричната оптика (правят се телескопи и други оптични прибори), какво и физичната оптика (изследват се дифракцията и дисперсията на светлината, а през 1676 г. е измерена за първи път и скоростта и).Почти едновременно започват да се изграждат корпускулната и вълновата теория на светлината.

През следващия XVIII в. физиците успяват да създадат единна механична картина на света, според която богатството и многообразието на заобикалящия ни материален свят са свързани с различното движение на образуващите телата частици (атоми), което се подчинява на откритите от Нютон закони. Вече става задължително при научното описание на дадено явление то да се свързва с действието на законите на механиката.Според други направления на физиката от същия период трябва да се спомене изучаването на електричеството: определени са два типа електричество, открит е законът за съхранение на електрическия товар, а французинът Шарл Кулон и англичанинът Кавендиш откриват основния закон на електростатиката, определил силата на взаимодействието на неподвижни електрически товари. Определени успехи са постигнати и при изучаването на топлинните явления.

Александро Волта
Александро Волта

Началото на XIX в. носи нови завоевания за оптиката, а в борбата между вълновата и корпускулната теория на светлината се налага вълновата. Изследванията в областта на електричеството, започнали през XVII в., са насочени към изучаването на тока и създаването на галванични батерии (италианските учени Луиджи Галвани и Алесандро Волта). Открита е връзката между електричния ток и магнетизма, а французинът Андре Ампер стига до извода, че всички магнитни явления са обусловени от движещи се електронатоварени частици — електричния ток. Особено важно е откриването на явлението електромагнитна индукция от англичанина Майкъл Фарадей през 1831 г. С това започва обособяването на нов отдел от физиката, посветен на изучаването на свойствата и законите на поведението на особената форма на материята — електромагнитното поле.

Андре Ампер
Андре Ампер

През същия период започва оценяването на натрупалите се вече достатъчно данни, свързани с влиянието на механичните сили, температурата, електричните и магнитните полета върху макроскопичните свойства на твърдите тела. Открити са законът за електропроводимостта на металите (закон на Ом) и законът на топлопоглъщаемостта.

 

Джеймс Джаул
Джеймс Джаул

Едно от най-значителните открития, направени по това време, е законът за запазването на енергията, изнамерен от немските учени Юлиус Майер, Херман Хелмхолц и англичанина Джеймс Джаул. Този закон, основа на теорията на топлинните явления, скоро е наречен първо начало (първи принцип) на термодинамиката. През 1850 г. немският физик Рудолф Клаузиус формулира второто начало (втория принцип) на термодинамиката, което се отнася до възможните енергийни преобразувания в природата. Голям успех за физиката през XIX в. е появата на статистическите закони, в които се посочва вероятностният характер на връзките между физичните величини. През 1859 г. английският физик Джеймс Максуел, като въвежда за първи път понятието вероятност, открива закона за разпределението на молекулите в зависимост от скоростите им (разпределение на Максуел). Неговият съвременник – австрийският физик Лудвиг Болцман, създава кинетичната теория на газовете и дава статистическо тълкуване на термодинамичните закони. Всичко това ускорява формирането на статистическата механика.

Хайнрих Херц
Хайнрих Херц

През втората половина на XIX в. Максуел завършва създаването на класическата електродинамика. През 1873 г. излиза от печат книгата му „Трактат за електричеството и магнетизма“, в която той излага разбирането си за електромагнитната индукция  и публикува създадените от него уравнения на електромагнитното поле (уравнения  на Максуел). Важен резултат от теорията му е изводът за граничната скорост на разпространение на електромагнитната индукция, равна на скоростта на светлината — откриването на електромагнитните вълни от немския физик Хайнрих Херц потвърждава това. През 1895 г. руският учен Александър Степанович Попов използва за първи път електромагнитните вълни за безжична връзка. Друго важно следствие от теорията на Максуел е доказването на електромагнитната природа на светлината  — по този начин оптиката става един от отделите на електродинамиката. С това обаче не свършват успехите на физиката в този така плодотворен за нея XIX в. През 1897 г. английският физик Джозеф Джон Томсън открива електрона — направена е много важна крачка в света на микрочастиците. Холандският физик Хендрик Лоренц полага основите на електронната теория и формулира уравнения, които описват елементарните електромагнитни процеси, чрез които се свързва движението на отделните електронатоварени частици със създаденото от тях електромагнитно поле.

Началото на XX в. бележи истинска революция във физиката. Първият сигнал за нея е създадената от Алберт Айнщайн частна (специална) теория на относителността — ново учение за пространството и времето, чрез което Айнщайн показва, че електромагнитното поле (което представлява особена форма на материята) не се подчинява на законите на класическата механика. През 1916 г. той създава общата теория на относителността; тя свързва пространството, времето и гравитацията (притеглянето).

Айнщайн
Алберт Айнщайн и една от най-известните формули – тази на теорията на относителността.

Особено голяма роля в този процес на бурно обновление изиграва квантовата теория. Създаването и се налага от това, че още в края на XIX в. е забелязано несъответствие между експерименталните данни за разпределение на енергията на топлинното излъчване и законите на класическата статистическа физика. През 1900 г. немският физик Макс Планк посочва изход от това положение, като изказва предположението, че атомът излъчва енергия не непрекъснато, а на отделни порции — кванти. Айнщайн доразвива неговото предположение със съображението, че излъчваната електромагнитна енергия се поглъща също на отделни порции, т. е. тя се „държи“ подобно на частици (по-късно те са наречени фотони). Новите идеи възраждат корпускулната теория на качествено нов етап: светлината има „поведението“ на поток от частици, но едновременно с това са и присъщи и вълнови свойства (т. нар. дуализъм на светлината). Почти по същото време датският физик Нилс Бор стига до извода, че енергията на атома се изменя скокообразно, а англичанинът Ърнест Ръдърфорд изследва разсейването на α-частици от веществото и въз основа на получените данни открива съществуването на атомното ядро и построява т. нар. планетен атомен модел. Но в рамките на класическата физика този модел би довел до неустойчивост на атомите и не би могъл да обясни особеностите на техния спектър на излъчване. За да се избегне това противоречие, Бор въвежда хипотезата за съществуването на стационарни състояния в атома, така че електроните, които се намират в тях, не излъчват и не поглъщат енергия — това става само при преминаването им от едно състояние в друго. На ново, качествено по-високо равнище се издигат изследванията на кристалната структура на веществото. Голям е приносът на руския учен Ефграф Степанович Фьодоров,  както и опитите на немския физик Макс Лауе. През 20-те години на XX в. вече се разработва и динамична теория на кристалната решетка, в която се отчитат квантовите представи. В тази област плодотворно работят Айнщайн, Макс Борн, Петер Дебай, Ервин Шрьодингер и др.

През същия период е създадена квантовата механика — последователна, логично завършена теория за движението на микрочастиците, позволила да се обяснят много от свойствата на телата в природата и явленията, които настъпват в тях. Основа на тази теория са идеите на Планк, Айнщайн, Бор и хипотезата на френския физик Луи дьо Бройл относно двойнствената корпускулно-вълнова природа на материята. През 1927 г. за първи път е открита дифракцията на електроните, а по-късно — и на останалите частици, вкл. на молекулите, което свидетелства за наличността на вълнови свойства и при тях. През 1928 г. английският физик Пол Дирак съставя квантово релативистично (т. е. скоростта на частиците е сравнима със скоростта на светлината) уравнение на движението на електрона, известно като уравнение на Дирак. Въз основа на това през 1931 г. той предсказва съществуването на антиелектрона (открит през 1932 г. в космичните лъчи). Антипротонът и антинеутронът са регистрирани при опити през 1955 – 1956 г.

Георги Стефанов Наджаков
Георги Стефанов Наджаков

Едновременно с квантовата механика се развива и квантовата статистика. Тя представлява квантова теория за поведението на физични системи, които се състоят от огромен брой микрочастици. Тази наука изиграва голяма роля в развитието на физиката на твърдото тяло. През 1928 – 1934 г. в трудовете на Феликс Блох, Ханс Бете и Леон Брилуен е разработена зонната теория на енергийната структура на кристалите, която помага да се изяснят някои важни въпроси, напр. различието между електричните свойства на металите и диелектриците. Българският физик акад. Георги Наджаков открива някои нови свойства, присъщи на диелектричните материали. Откриването на свръхпроводимостта (1911) и на свръхфлуидността (1938) дава нов импулс в развитието на квантовата статистика.

През 50-те години на XX в. въз основа на квантовата теория за стимулираното (принудителното) излъчване, разработена още през 1917 г., става възможно развитието на квантовата електроника, чиито резултати добиват голяма популярност с появата на лазерите и мазерите.

Мария Кюри
Мария Кюри

Големи са успехите на ядрената физика: в тази област освен Ръдърфорд работят плодотворно много изтъкнати физици. През 1896 г. френският физик Анри Бекерел при опити с уран открива естествената радиоактивност, открита по-късно и у тория, а през 1898 г. известното „физично“ семейство Мария и Пиер Кюри окончателно потвърждава това откритие, като прибавя към елементите с естествена радиоактивност още два (полония и радия). В трудовете на Ръдърфорд и Пиер Кюри са установени три вида радиоактивно лъчение — алфа (α), бета (β) и гама (γ). Ръдърфорд е и един от учените, посочили, че излъчването на алфа-частици се съпровожда с химично трансформиране на елементите — често за пример се посочва радият, който в резултат на подобен процес се превръща в друг елемент — радон. Фактически в течение на период, по-малък от 100 години, освен естествената радиоактивност са открити електронът и неутронът, създаден е протонно-неутронният модел на ядрото от съветския физик Дмитрий Дмитриевич Иваненко и немския физик Вернер Хайзенберг, а през 1934 г. Ирен и Фредерик Жолио-Кюри откриват изкуствената радиоактивност. Тази солидна основа дава възможност за бързо развитие на ядрената физика, появяват се ускорители на заредени частици, открито е деленето на атомното ядро, а през 1939 г. за първи път е освободена ядрена енергия при верижната реакция на деленето на урановия изотоп (уран-235). За съжаление първото мащабно използване на тази енергия е за военни цели — създадени са атомните бомби. Пръв СССР започва мирното използване на атомната енергия в построената край Обнинск атомна електроцентрала. Днес в света работят стотици електроцентрали от този тип, вкл. и в България, която полага големи грижи за развитието на ядрената енергетика и изследванията, свързани с нея. През 1952 г. е намерен източник, който осигурява отделянето на още по-голямо количество енергия — термоядреният синтез, осъществен във военно начинание (термоядрен взрив).

АЕЦ Обинкс
Първата атомна електроцентрала в света построена в Обинск – Русия

Започва да се развива физиката на елементарните частици. Първите резултати в тази област са получени при изучаване на космичните лъчи. След създаването на ускорители на частици с висока енергия започва планомерното изследване на елементарните частици, на свойствата и взаимодействията им. Открити са нови елементарни частици, както и универсалното им взаимно превръщане.

Както пред всяка област на знанието, така и пред физиката днес стоят определени задачи, които все още не са решени или пък са получени незадоволителни резултати. На едно от челните места сред тях трябва да се посочи управляемият термоядрен синтез, за реализирането на който работят специалисти по ядрена физика, физика на плазмата, магнетизма и някои други отдели на физиката. Успешното решаване на този въпрос ще позволи на човечеството да се справи с призрака на енергийния глад, очертаващ се в наше време, и ще повлияе благотворно във всички области на живота. За решаването на енергийния проблем има още една алтернатива тя е свързана с все по-широкото използване на слънчевата енергия, като за изследванията в тази област се отделят значителни средства.

Развитието на съвременната електроника, особено на най-перспективния и отрасъл— микроелектрониката, поставя пред физиката на твърдото тяло, магнетизма и физиката на ниските температури задачата за изучаването на различни нови ефекти и явления (напр. свръхпроводимост, повърхностни акустични вълни, магнитни домени и т. н.) с цел да бъдат произведени микроелектронни изделия с висока надеждност и стабилни параметри. Що се отнася до квантовата електроника, пред нея на дневен ред стои създаването на още помощни лазери с възможност за пренастройване на честотата им, както и реализирането на идеите за рентгенови и γ-лазери. Проблемите, решавани от съвременната астрофизика, може би са по-отдалечени от грижите на ежедневието, но имат важно значение за задълбочаване на познанията за заобикалящия ни свят. Сред тях трябва да се посочат въпросите относно еволюцията на Вселената, избухването на свръхнови звезди, състоянието на материята в неутронните звезди, ускоряването на космичните лъчи и др.

Физиката дава в ръцете на човечеството могъщи средства, които при разумно и хуманно използване може да станат непресъхващ извор на блага за хората.

Няма коментари - Остави коментар

Вашият коментар

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван. Задължителните полета са отбелязани с *

*

Можете да използвате тези HTML тагове и атрибути: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>