История физики
Содержание |
Введение 
--> В начале XX века физика столкнулась с серьёзными проблемами. Начали возникать противоречия между старыми моделями и эмпирическим опытом. Так, например, наблюдались противоречия между классической механикой и электродинамикой при попытках измерить скорость света. Выяснилось, что она не зависит от системы отсчета. Физика того времени также была неспособна описать некоторые микроэффекты, такие как атомные спектра излучений, фотоэффект, эффект Комптона, энергетическое равновесие электро-магнитного излучения и вещества. Таким образом, была необходима новая физика.
Основным ударом по старой парадигме стали две теории: это Теория относительности Эйнштейна и Квантовая физика.
Общая теория относительности была создана в 1916 году, и она позволила связать в одних уравнениях гравитационную и энертную массы. В начале в уравнениях общей теории относительности Эйнштейна содержалась космологическая постоянная, которую он позднее отверг, признав самой большой ошибкой своей жизни. Чуть позже Александр Фридман, русский математик, представит миру три модели нестационарной Вселенной, основной идеей которых было то, что существует определенный момент времени возникновения мира. Позже появилась гипотеза Большого взрыва, с радостью одобренная Ватиканом.
Необходимость во второй физике повилась в связи с открытием микромира элементарных частиц, а также многих явлений, происходящих с ними, как, например явление радиации.
Ко второй половине ХХ века в в физике сложилось представление, что все взаимодействия физической природы можно свести к всего лишь четырём типам взаимодействия:
См. также Элементарные частицы.
В последнюю декаду ХХ века накопились астрономические данные, подтверждающие существование космологической постоянной, тёмной материи и тёмной энергии. Установленное в конце XX века ускоренное расширение Вселенной свидетельствует о том, что космологическая постоянная отлична от нуля. См. также Последние достижения в физике.
Идут поиски общей теории поля — теории всего, которая описала бы все фундаментальные взаимодействия обобщённым физико-математическим образом. Одним из серьёзных кандидатов на эту роль является М-теория, которая, в свою очередь, - недавнее развитие теории суперструн.
| Эту статью следует викифицировать. Пожалуйста, оформите её согласно общим правилам и указаниям. |
Рост физики не только оказывал воздействие на идеи о материальном мире, математике и философии, но также и преобразовывал человеческое общество, путем совершенствования его технологий, в целом. Физика - это не только знания, но и, что даже скорее больше, практический опыт. Научная революция, начавшаяся примерно году этак в 1600, является удобной границей между древней мыслью и классической физикой. Год 1900 - начало более современной физики. Появились новые вопросы, которые и сегодня ещё очень далеки от своего завершения. Все больше пробле связано с эволющией Вселенной, с её ранними этапами, с природой вакуума, и, наконец, с окончательной природой свойств податомных частиц. Частичные теории являются в настоящее время лучшими, что физика может предложить в настоящее время. Список неразрешенных проблем в физике постоянно множится; однако,
"Мы больше атома, но, кажется, уже знаем о нём все." - Ричард Фейман
Ранняя физика
По природе своей, человек - существо любопытное. Ещё с древних пор его начали интересовать вещи, казавшиеся ранее обыденными, относящиеся к окрудающему миру. Тогда давно основной причиной этого любопытства, скорее всего, был страх. И лишь немногих это интересовало из-за чистого любопытства, любопытства ради любопытства. Действительно, почему, например происходит притяжение, почему разные материалы имеют разные свойства? Ну почему же солнце заходит с одной стороны, а восходит с другой?! Люди всегда интересовались миром. Многие свойства природы приписывались богам. Неправильные теории преобретали свойства религии. Их передавали из поколения в поколения. Многие теории того времени были в значительной степени изложены в форме философских срок. Мало было людей, готовых в них сомневаться. Тем более на том этапе развития наличие любой теории или отсутствие таковой большого влияния на жизнь не оказывало. Были люди, готовые дойти до края земли. Чтобы убедиться в нём! Кто эти люди? Сумасшедшие? Экспериментаторы! Это будущие физики!
Индийские вклады
В позднюю Vedic эру (c IX по VI в. до н.э), астроном Яджнаволкья (Yajnavalkya), в своей Shatapatha Brahmana, упомянуто раннее понятие гелиоцентр (heliocentrism), в котором Земля была круглой, и Солнце являлось "центром сфер". Он измерил растояния от Луны и Солнца до Земли в 108 диаметров самих объектов. Эти значения практически совпадают с современными: для Луны - 110.6, и для Солнца - 107.6.
Индусы представляли мир состоящим из пяти основных элементов: земля, огонь, воздух, вода и эфир/пространство. Позже, с VII в. до н.э, они сформулировали теорию атома, начиная с Kanada и Pakudha Katyayana. Поклонники теории полагали, что атом состоит элементов, до 9 элементов в каждом атоме, каждый элемент имеет до 24 свойств. Они развивали следующие теории, о том как атомы могут объединяться, реагировать, вибрировать, перемещаться и выполнять другие действия. Так ж разрабатывались теории того, как атомы могут сформировать двойные молекулы, которые объединяются далее, чтобы сформировать ещё большие молекулы, и как частицы сначала объединяются в пары, и затем группа в трио пар, которые являются наименьшими видимыми единицами материи. Эти схождения с современными атомными теориями потрясают воображение. Ещё у индусов атомы были делимыми частицами, до чего мы догадались лишь дару сотен лет назад, и что положило начало всей ядерной энергетики.
Принцип относительности (чтобы не быть перепутать с теорией относительности Энштейна) был доступен в зачаточной форме с VI в. до н.э в древнем индийском философском понятии "sapekshavad", буквально "теория относительности" на Санскрите.
Две школы, Samkhya и Vaisheshika, развивали теории света с VI-V в. до н.э. Согласно школе Samkhya, свет - один из пяти фундаментальных элементов, из которых появляются более тяжелые элементы, появляются уже позже. Школа Vaisheshika определила движение в терминах немгновенного движения физических атомов. Лучи света были выбраны быть потоком высоких скоростных атомов огня, которые могут проявлять различные особенности в зависимости от скорости и мер этих частиц. [2] Буддисты Дигнга (V в.) и Dharmakirti (VII в.) развивали теорию света, состоящего из частиц энергии, подобных современному понятию фотонов.
Почетный австралийский специалист по индийской культуре (indologist) A. L. Basham заключил, что "они были блестящими образными объяснениями физической структуры мира, и в основном, согласились с открытиями современной физики."
В 499, астроном-математик Арьябхата (Aryabhata) представлял на обсуждение детальную модель гелиоцентрисской солнечной системы тяготения, где планеты вращаются вокруг своей оси (сменяя таким образом день и ночь) и имеют элиптическую орбиту (преобретая таким образом зиму и лето). Удивительно, что в такой системе луна не являлась источником света, а только отражала солнечный свет от своей поверхности. Арьябхата также правильно объяснил причины солнечных и лунных затмений и предсказал их времена, дал радиусы планетарных орбит вокруг Солнца, и точно измерил длины дня, звездного года, и диаметра Земли. Brahmagupta, в его Brahma Sputa Siddhanta в 628, представляет гравитацию как силу притяжения и показывает закон притяжения.
Особенно важный индийский вклад был индусскоарабскими цифрами. Современная позиционная система цифр (индусская-арабская система цифр) и ноль числа была сначала развита в Индии, наряду с тригонометрическими функциями синуса и косинуса. Эти математические события, наряду с индийскими событиями в физике, были приняты Исламским Калифатом, после чего и начали распространяться по Европе и другим частям света.
Китайский вклад
В 1115 году до н.э, в Китае был первым изобретен изобрел первый редукционный механизм, the South Pointing Chariot, это было также первым использованием дифференциальной передачи.
Китаец "Мо Чинг" в III веке до н.э стал автором ранней версии закона движения Ньютона.
""Прекращение движения происходит из-за противодействующей силы... Если не будет никакой противостоящей силы ..., то движение никогда не закончится. Это верно настолько же, как и то, что бык не лошадь." "
Более поздние вклады китая включают изобретения бумаги, печатного дела, пороха, и компаса. Китайцы первыми "открыли" отрицательные числа, которые оказали сильное влияние на развитие физики и математики. Шаблон:Актуальность
Роль механики и математики в физике
При выводе логических дедукций из опытно найденных законов могущественным орудием физики является математика. Всякая закономерная связь между факторами, определяющими явление, может считаться только тогда точно известной, когда допускает математическую формулировку закона взаимозависимости факторов. Раз такой закон известен, Ф. пытается возможно использовать его, применяя закон к решению множества вопросов, возникающих при рассмотрении сложных явлений, в основе которых лежит явление более простое (часто даже просто схема явления), характеризуемое найденным законом. В этих применениях физик и принуждён прибегнуть к математике, дающей часто возможность чисто механическим путём прийти к результату, вывод которого путём одного размышления потребовал бы необыкновенной работы ума, а в большинстве случаев был бы даже немыслим. Математика не может дать ничего такого, что бы в скрытом виде не хранилось уже в положенном в основание математического анализа законе; но зато она даёт нам возможность 1) охватить сразу явление такой сложности, что сделать выводы из него путём одного размышления не под силу человеческому уму; 2) прийти к окончательному выводу, не останавливаясь на промежуточных ступенях и посылках, внимательное рассмотрение каждой из которых необходимо входило бы в решение того же вопроса чисто умозрительным путём. Математикой, как всяким орудием, можно пользоваться более или менее умело. История физики указывает нам на наиболее блестящих страницах своих на выдающихся физиков-математиков, которые, искусно пользуясь всем арсеналом современной им математики, из нескольких простых законов умели выводить наиболее далёкие, наиболее неожиданные заключения; назовём в качестве примера только Фурье — создателя всей теории теплопроводности.
Но «истинный дух Ф. должен неустанно направлять рациональное употребление этого могущественного орудия» (Ог. Конт), и в истории физики имеются удивительные примеры того, как бесплодны могут быть для физики остроумнейшие работы великих математиков, если этот «истинный дух Ф.» не руководил ими. Нельзя ставить математике в вину несогласие некоторых выводов её с результатами опыта; всегда в таких случаях основные опытные законы, положенные в основание выводов, оказываются либо лишь приближённо верными, либо неполными. Наоборот, несогласие это часто указывало на неточность выведенных из опыта законов, и тем самым заставляло пересматривать, переоценивать добытые результаты, проверять их при помощи новых опытов, и тем самым способствовало развитию науки. Другое, ещё более важное поле применения математики в Ф. - это применение её к исследованию гипотез. Мы видели выше, какую важную роль играет гипотеза в развитии Ф.; гипотеза о причине какого-либо комплекса явлений основывается почти всегда, как мы видели, на предположении об особом характере движения какого-либо реального или гипотетического вещества. Если, исходя из подобной гипотезы, мы пожелаем прийти к каким-либо частным выводам относительно характера явления при наличности каких-либо особых условий, то по необходимости должны будем исследовать частный случай той или другой формы движения вещества.
Наука, исследующая движение вещества, есть механика, и к ней мы должны будем прибегнуть, чтобы поставить нашу задачу и чтобы решить её. Механика, в свою очередь, представляет лишь свод математическим анализом найденных наиболее общих зависимостей между факторами, определяющими движение вещества, причём исходной основой для применения анализа послужило опять небольшое число чисто эмпирическим путём найденных законов. Таким образом, и исследование гипотезы путём вывода из неё следствий, допускающих опытную прямую или косвенную поверку, сводится в конце концов к применению математического анализа. В этой области применения математика ещё более плодотворна, чем в той, о которой мы упоминали выше; напомним только классические труды Френеля, Юнга по разработке эфирной теории света, и работы Масквелля и других последователей Фарадеевой теории электрических и магнитных явлений. Если мы будем рассматривать и излагать всю систему Ф. единственно как ряд математических дедукций из гипотез об основных причинах явлений, то Ф. сведётся в главных чертах лишь к решению ряда более или менее сложных математических задач; так, рассматриваемое учение о физических явлениях называют обыкновенно математической Ф. в отличие от Ф. экспериментальной (опытной, вернее, феноменологической), рассматривающей явления и взаимозависимость между ними сами по себе, не останавливаясь на вопросе о том, могут ли эти явления и связующие их законы быть выведены как необходимые следствия из какой-либо механической картины. Очевидно, что гармоничное и успешное совершенствование Ф. возможно лишь при параллельном движении её вперёд по обеим указанным дорогам.
Основные гипотезы Физики. Вещество и его строение
Убеждение в том, что в основании всех явлений природы лежит та или иная форма движения вещества, установилась в науке очень давно. Уже Декарт говорит: «Omnis materiae variatio sive omnium ejus formarum diversitas pendet a motu» («все разновидности вещества и все разнообразие форм его проистекает от движения»). Гюйгенс решительно высказывается за необходимость такого представления о природе явлений: «истинная философия должна видеть в явлениях механических первопричину всех явлений; по моему мнению, иное представление и невозможно, если мы только не желаем потерять надежду что-либо понимать в Ф.» («Tractatus de Lumine»). Великие учёные нашего времени не менее настойчиво указывали на необходимость такого именно научного миросозерцания и видели «высшую цель, к которой должно стремиться естествознание... в сведении всех явлений природы на механику» (Кирхгоф, 1865). Почти в тех же словах выражается и Гельмгольц: «Конечной целью всех естественных наук является разыскание движений, лежащих в основе всех изменений, и причин, производящих эти движения, т. е. слияние этих наук с механикой». Свойство вещества, наиболее непосредственно бросающееся в глаза, есть его делимость; границ делимости мы ни одним механическим процессом деления достигнуть не можем. При наличности этого свойства вещества мы можем предположить либо 1) что вещество действительно делимо до бесконечности, если не на опыте, то мысленно, и, следовательно, представляет собой нечто непрерывное (continuum); либо 2) что при мысленном делении вещества мы наконец придём к частям его, которые представляются отдельными неразрушаемыми индивидуумами, из более или менее сложного агрегата которых и построено вещество. И то, и другое предположение не могут непосредственно подвергнуться опытной поверке. Первая гипотеза заманчива по своей простоте, но она должна была бы быть загромождена целым рядом новых дополнительных гипотез, чтобы объяснить явления химические — соединение нескольких тел в одно новое, разложения тел на ряд новых. Остаётся, таким образом, предположение о веществе, построенном из индивидуумов (атомов). На атомистической гипотезе о строении вещества выросла и окрепла современная химия. От химии атомистическую гипотезу унаследовала Ф.; в последней она тоже твёрдо установилась, несмотря на то, что в Ф. эта гипотеза казалась менее необходимой, чем в химии; истинную пользу от принятия атомистической гипотезы Ф. получила значительно позже, когда представление об атомах было уже общепризнанной основой науки и в Ф. В настоящее время атомистическая гипотеза составляет общее достояние всех естественных наук; признание всеми этой гипотезы объясняется (Менделеев), вероятно, естественным стремлением человека приписать то же самое строение микрокосму - веществу, какое он наблюдает в макрокосме - мире планет. В настоящее время никто не предполагает в атоме чего-либо действительно физически неделимого (каков был атом древних), и понимают под атомом наименьший вещественный индивидуум, который ещё обладает всеми свойствами, присущими данному веществу. Таков атом, из которого построены тела химически простые; тела химически сложные представляют агрегаты сложных атомных комплексов - химических молекул, причём в каждой молекуле содержатся атомы всех простых веществ, входящих в состав данного химически сложного вещества. В таком веществе «атомом» в том смысле, какой был придан этому слову выше, явится молекула, так как разрушение молекулы и разложение её на части влечёт за собой переход химически сложного вещества в ряд новых - в отдельные вещества, его составляющие. Целый ряд фактов химии и Ф. требует, затем, для объяснения своего, предположения о том, что 1) химически простые тела состоят из более или менее сложных комплексов отдельных одинаковых атомов, сплочённых вместе; в зависимости от сложности комплекса данное тело представляется в одном или другом из возможных ему видов. 2) В химически сложных веществах, состоящих из молекул, строение молекул, состоящих из одного и того же числа одинаково подобранных атомов простых тел, может быть неодинаково; неодинаковость эта может вызвать различия в физических (и даже химических) свойствах веществ, которые в смысле состава их молекул абсолютно одинаковы. Затем и молекулы химически сложных тел могут существовать в теле не только в отдельности, но и в виде комплексов из нескольких связанных вместе молекул; различная сложность комплексов может объяснить различные физические свойства веществ, молекулы которых во всех отношениях одинаково построены. Все эти предположения о возможной сложности первоначальных элементов, из которых построено вещество, не произвольны, но прямо необходимы в атомистической гипотезе для объяснения явлений аллотропии, изомерии и полимерии (см. Химия), т. е. различных физических свойств веществ, химический состав которых одинаков. Молекулы в химически сложных веществах и атомы в веществах химически простых не касаются друг друга. Только в этом предположении возможно объяснение перехода тел из одного состояния в другое, из газообразного в жидкое и из последнего в твёрдое, а также объяснение упругости тел. Атомистическая гипотеза предполагает, что молекулы газа находятся на расстояниях друг от друга, которые огромны сравнительно с размерами самих молекул; в жидких телах расстояния между молекулами значительно меньше; меньше всего они в твёрдых телах. Уменьшение объёма тела при увеличении давления, испытываемого телом, есть следствие сближения молекул: в газах изменение объёма при данном увеличении давления весьма значительно, в жидкостях много меньше, в твёрдых телах наименьшее. Подробнее о размерах молекул и расстояния между ними см. соотв. ст. Между молекулами действуют силы, подобные силам тяготения между телами. Представление об этих силах необходимо для объяснения связи (сцепление) между частицами в твёрдых и жидких телах и для объяснения явлений поверхностного натяжения жидкостей. Силы эти принадлежат к так называемым центральным силам, т. е. величина силы, действующей между двумя данными молекулами, зависит исключительно от расстояния между последними. Это - силы притяжения между молекулами, быстро убывающие по мере возрастания расстояния между ними. Вопрос о том, согласно какому закону происходит убывание сил взаимодействия между молекулами при изменении расстояния между ними, является до сих пор нерешённым. Некоторые толкователи атомистической гипотезы считали, кроме того, необходимым признать между молекулами существование двух систем сил - одной притягательной, другой отталкивательной, сил, закон убывания которых с увеличением расстояния неодинаков. По мере удаления молекул друг от друга величина сил, действующих между ними, быстро убывает. На некотором расстоянии между молекулами взаимное действие их будет столь незначительно, что какая-либо внешняя, ничтожная по величине причина (напр. сила тяжести) может нарушить связь между молекулами и разъединить их; это расстояние называют «радиусом сферы действия молекулярных сил». Понятно, что столь неопределённое представление, как сфера действия молекулярных сил, не может дать точки опоры для численного определения радиуса этой сферы. Все высказанные различными исследователями мнения по этому вопросу сводятся к тому, что в твёрдых телах радиус сферы действия в несколько раз больше расстояния между молекулами; в жидких телах радиус сферы действия каждой молекулы лишь немного меньше расстояния её от соседних молекул; в газах каждая молекула находится далеко вне сфер действия всех остальных молекул. Молекулы вещества твёрдого, жидкого и газообразного находятся в непрерывном движении. Движение молекул в твёрдых и жидких телах должно быть весьма сложным и непостоянным как по виду пути, так и по скорости частиц, так как каждая молекула, находясь в сфере действия соседних, должна изменять своё движение под влиянием сил, исходящих от соседних частиц. В газах движение должно быть по характеру проще; каждая молекула, вполне свободная, должна двигаться прямолинейно и с постоянной скоростью. Как в жидком, так и в твёрдом теле, и в газе молекулы должны испытывать столкновения с соседними; в твёрдых и жидких телах эти столкновения являются лишь моментом, усложняющим и без того в высшей степени сложное движение частиц; в газах столкновение молекул является единственной причиной, изменяющей прямолинейное и равномерное движение частиц и превращающее это движение в хаотическое движение с постоянно меняющимся направлением у каждой молекулы. Каждая молекула вещества, обладая определённой массой и некоторой скоростью, является носительницей некоторого запаса кинетической энергии; тело - совокупность молекул - обладает совокупностью этих запасов энергии. Мы не замечаем движения молекул в теле, и следовательно, для нас энергия тела, вызванная скрытым движением молекул в нём, должна представляться не энергией движения (кинетической) молекул, а каким-то видом потенциальной энергии самого тела. Ещё одно в высшей степени важное следствие тотчас вытекает из вышесказанного - а именно необходимость приписать молекуле и атому абсолютную упругость. Действительно, механика учит, что лишь при столкновении абсолютно упругих тел энергия движения их не превращается в другие виды энергии; при ударе тела неупругого или неабсолютно упругого часть движения его исчезает, и после большого ряда ударов скорость тела может сделаться равной нулю. Атомистическая гипотеза является одним из наиболее крепких устоев нашего научного здания. Несмотря на это, нельзя закрыть глаза на те внутренние противоречия, которые при современном представлении об атомах кроются в самых основах её и на которые неоднократно указывали мыслители. Раньше всего, атомы не могут быть качественно различны; являясь единственным субстратом движения в мире, в котором все видимое разнообразие есть лишь разнообразие движения вещества, атомы должны быть вполне лишены качеств (Вундт, Спенсер, Сталло). Отсюда необходимо прийти к заключению, что первообразный атом (Uratom) должен быть один, что те индивидуумы, которые химия называет атомами, представляют сложные комплексы первообразных атомов и что от большей или меньшей сложности этих комплексов зависят качественные различия атомов химии. Ещё не забыта гипотеза Прута (Prout), согласно которой первообразным атомом являлся атом водорода; гипотеза эта оставлена, и для оставления её имелись веские доводы. Вопрос о первообразном атоме после оставления гипотезы Прута временно сошёл со сцены, и лишь в самое последнее время интерес к «первообразному атому» снова возник, и поводом к этому послужили некоторые последние успехи физики. Исследуя явления прохождения электрического разряда через газы, Ленард, Дж. Томсон, Кёниг и др. пришли к ряду наблюдений, которые с точки зрения атомистической теории не могут быть объяснены иначе, как предположением о существовании частиц вещества в тысячи раз меньших, чем химический атом водорода; интересно, что некоторые исследования над излучением света привели Лоренца и Зеемана к необходимости совершенно тех же предположений. Эти частицы, несущие (как показало численное исследование опытов) огромные электрические заряды, может быть, явятся для науки будущего теми первичными атомами, из которых построены атомы химии. Другим слабым местом атомистической гипотезы является упругость атома. Упругость как свойство вещества, состоящего из атомов, должна сама объясняться атомистическим строением вещества. Понятно, что если мы примем, что атом химии и теории газов состоит из комплекса первичных атомов, то абсолютную неупругость следует приписать первичному атому, сложный же химический атом может быть и упругим.
Кинетическая теория вещества
Движением атомов и молекул с давних пор уже пытались объяснить тепловые явления. Параллельно с развитием этого несомненно существовавшего общего убеждения в механической природе тепла шло чисто опытным путём развитие вещественной теории тепла, видевшей причину тепловых явлений в особом веществе, «теплороде». Представления теории вещественного теплорода были столь просты и изящны, язык её столь удобен был для описания явлений, что не было пока никаких причин оставлять её и заменять заманчивой, но неопределённой механической теорией. Убеждение в механической природе тепла ещё более укоренилось, когда Майер, Джоуль и другие показали, что теплота может исчезнуть, превратившись в механическую работу, что, наоборот, исчезнувшая механическая работа может дать тепло и что между количествами исчезнувшей работы и возникшего тепла существует постоянное отношение. Но никто из них не решался точнее характеризовать движение молекул в теле и привести его в непосредственную числовую связь с тепловыми свойствами тел. Заслуга эта принадлежит Клаузиусу (1857), который для случая газообразного состояния вещества дал наглядную и полную картину движения молекул; Клаузиус исследовал это движение и вывел из него как необходимость характерные свойства газов; он предсказал на основании своей теории ряд числовых зависимостей между свойствами газов — зависимостей, которые впоследствии нашли блестящее подтверждение. Таким образом Клаузиус положил основание одному из замечательнейших отделов физики - кинетической теории газов (от греческого слова κίνησις - движение), а вместе с тем утвердил и кинетическую теорию вещества. Согласно кинетической теории, всякий объём газа состоит из множества абсолютно упругих молекул, несущихся в полном хаотическом беспорядке по различным направлениям и с различными скоростями. Расстояния между отдельными молекулами вообще на столько больше радиусов сфер действия их, что молекулы газа необходимо признать в механическом отношении совершенно свободными. Двигаясь под влиянием одной инерции, молекула несётся с равномерной скоростью по прямой линии, пока не встретится с соседней, тоже движущейся, молекулой или с каким-либо препятствием (стенкой сосуда, напр.). При встрече с соседней молекулой или препятствием данная молекула отражается от них, как отражается абсолютно упругий шар от другого шара или от стенки. Скорости различных молекул весьма различны, и скорость одной и той же молекулы должна непрерывно меняться вследствие столкновения с другими. Длины путей молекул от одного столкновения до другого весьма разнообразны, направления этих путей могут быть всевозможные и тоже вследствие столкновений непрерывно меняются. Такое движение есть движение вполне беспорядочное; все направления движения в нём равновозможны. Скорости движения молекул весьма различны; можно поэтому говорить лишь о средней скорости их, причём средней скоростью называют ту скорость, которую должны были бы иметь все молекулы для того, чтобы полная энергия движения в данном объёме газа была та же самая, что и при данном неизвестном сложном распределении скоростей. Эта средняя скорость, как учит кинетическая теория газов, тем больше, чем выше температура газа и чем плотность газа меньше. Длины путей молекул между двумя столкновениями могут быть весьма различны; мы можем поэтому говорить только о средних длинах путей. Эта средняя длина пути тем меньше, чем больше упругость или плотность газа; действительно, в сжатом газе число столкновений должно быть больше, а, следов., средняя длина пути должна быть меньше. Кинетическая теория газов даёт даже возможность рассчитать как среднюю скорость движения молекул в газе, так и среднюю длину пути и число столкновений в секунду. Некоторый объём газа, представляя комплекс движущихся молекул, обладает известным запасом кинетической энергии. Так как средняя скорость молекул с понижением температуры уменьшается, то уменьшается и запас энергии газа. Кинетическая теория газов отождествляет её с запасом тепловой энергии газа; согласно этой теории, тепло есть не что иное, как движение молекул, температура - некоторая характеристика теплового состояния, пропорциональная квадрату средней скорости их. При понижении температуры средняя скорость молекул уменьшается; законным является вопрос: возможна ли температура, при которой скорость молекул сделается равной нулю? До настоящего времени такая температура не получена и нет никаких данных для предположения, что она когда-либо достигнута будет. При весьма сильном охлаждении все без исключения известные нам газы переходят в жидкое и затем твёрдое состояние; к этим состояниям пока ещё рискованно прилагать выводы кинетической теории газов. Однако такая температура мыслима; её называют абсолютным нулём температуры. Закон, связующий среднюю скорость газовых частиц с температурой, и закон расширения газов дают нам возможность приблизительно определить, при какой температуре по шкале Цельсия должен был бы лежать абсолютный нуль; если бы мы вправе были прилагать эти законы к столь значительным температурным интервалам, мы нашли бы таким путём температуру в -273°C Понятно, что никакого реального значения это число иметь не может: оно даёт нам только новую исходную точку для счета температур, а следовательно, и новую (абсолютную) температурную шкалу, градус которой равен градусу шкалы Цельсия, а нуль - лежит на 273°C ниже температуры таяния льда и которая является в высшей степени удобной при трактовании многих вопросов теории газов, жидкостей и твёрдых тел.
В начале 1870-х годов кинетическая теория двинулась на значительный шаг вперёд: Ван дер Ваальсу удалось распространить её и на газы, близкие к насыщению (пары), и на явления перехода паров в жидкость. Опытные факты, доказывавшие, что между жидким и газообразным состоянием нет резкой границы и что возможны переходные состояния, в которых мы вещество с одинаковым правом можем назвать и жидкостью, и паром, были известны и до Ван дер Ваальса; но лишь работы этого учёного дали нам более или менее ясную картину состояния вещества в переходных ступенях его от жидкости к газу и обратно. Несомненно, что и в жидкости существует молекулярное движение и что запас тепловой энергии жидкости есть запас кинетической энергии движущихся молекул её. Кинетическая картина жидкостей настолько сложна, что не поддалась ещё аналитическому исследованию, и в науке нет ещё кинетической теории жидкости. Но в самом движении молекул жидкости сомнения быть не может; явления диффузии — медленного проникновения одной жидкости в другую, соприкасающуюся с ней, явление испарения с поверхности жидкости не могут быть объяснены иначе, как с точки зрения кинетической теории. Ещё сложнее должны быть формы движения молекул в твёрдом теле. Связанные прочными молекулярными связями частицы твёрдого тела, вероятно, лишь колеблются по сложным кривым вокруг некоторых положений равновесия и, вероятно, лишь в высшей степени медленно перемещаются от одного места твёрдого тела к другому. Мы должны признать возможность такого, хотя и медленного, перемещения молекул и у твёрдого тела, так как опыты Спринга несомненно доказали существование диффузии одного твёрдого тела в другое, с ним соприкасающееся.
Современная физика
Конец XVI века послужил началом современной науки. Он может рассматриваться и как расцвет Ренессанса и как путь к современной цивилизации. Частично это было вызвано повторным открытием достижений древней греческой, индийской, китайской и исламской культуры, сохраненной, а в дальнейшем дополненной Исламским миром от VIII до XV столетия, и перевело христианскими монахами на латинский, типа "Альмагеста" (Almagest).
Современная наука началась всего с нескольких исследователей, а позже развилась в целое движение, не остановившееся и до наших дней. Начинаясь с Астрономии, принципы натуральной философии формируются в фундаментальный законы физики, которые были изложены и развиты в последующих столетиях. К XIX столетию, в физике начинается сегментация, появляются новые ответвления. Исследования приобретают более узкий характер, хотя результаты их по-прежнему переплетены логической общностью физики.
XX век
--> -->
-->
Начало XX века ознаменовалось триумфом в физике.
В 1904, Томсон предложил первую модель атома, известный как модель «пудинга с изюминками», где атом представлял собой положительно заряженное тело, с равномерно перемешанными в нём электронами (т.к. электрон открыли, а протон и нейтрон ещё нет). Существование атомов различных масс было предложено в 1808 Джоном Дальтоном, чтобы объяснить закон многократных пропорций (the law of multiple proportions). Конвергенция различных оценок числа Авогадро предоставила решающее доказательство для атомистической теории. В 1911, Эрнест Резерфорд, проводя эксперименты по рассеянию альфа-частиц атомами, обнаружил отклонения от модели сливового пудинга. Так появилась более современная теория теория компактного ядра атома. Позже, в 1913 Нильсом Бором была опубликована первая квантово механическая модель атома, Боровская модель. Сэр W. H. Bragg и его сын сэр W. L. Bragg, в том же 1913 году, начал изучения атомной структуры кристаллического вещества при помощи дифракции рентгеновских лучей. Нейтрон, входивший в состав атомного ядра, был обнаружен в 1932 Джеймсом Чедвиком.
Преобразования Лоренса, фундаментальные уравнения специальной теории относительности, были изданы в 1897 и 1900 и также Джозеф Лармор и Хенриком Лоренцем в 1899 и 1904. Они оба показали, что уравнения Максвелла были инвариантными при переходе от одной системы отсчета к другой. В 1905, Эйнштейн сформулировал специальную теорию относительности, объединяя пространство и время в неразрывное целое, пространственно-временной континуум. В 1915, Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности, которая провозглашала эквивалентность гравитационной и инертной массы. Как результат Общей теории относительности - гравитационный коллапс в чёрных дырах, который был предсказан ещё двумя столетиями ранее, но объяснен только Робертом Оппенгеймером. Важные частные решения полевого уравнения Эйнштейна были найдены Карлом Шварцшильдом в 1915 и Ройем Керром только в 1963.
В 1900 такие учёные, как Макс Планк, Альберт Эйнштейн, Нильс Бор, и другие начали развивать квантовую теорию. В 1925 Вольфганг Паули вводит принцип запрета Паули, а также такие понятия как спин элементарной частицы и фермион. В том же году Эрвин Шредингер формулирует волновую механику (wave mechanics), который содержит последовательные математические метод для описания большого разнообразия физических моделей, типа частицы в коробке (particle in a box) и квантовый гармонический маятник (quantum harmonic oscillator), которые до него небыли решены. Гейзенберг, в том же 1925 году, описывает альтернативный математический метод, названный матричная механика, который, как оказалось, был эквивалентном волновой механике. В 1928 Поль Дирак дает релятивистскую формулировку, основанную на матричной механике Гейзенберга, и предсказал существование позитрона, таким образом основывая квантую электродинамику.
Теория суперструн, появившаяся в последней четверти XX века, является одним из подходов примирить между собой эти пока ещё несовместимые теории. Два основных направления, пытающихся построить квантовую гравитацию, — это теории суперструн и петлевая квантовая гравитация.
Начало XXI века
Хотя в последние тридцать лет в физике наблюдается некоторое затишье, уже намечаются некоторые открытия. Так, например, проводятся попытки сравнить скорости распространия гравитационного и электро-магнитного взаимодействия, которые, по предсказаниям теории относительности, совпадают. В ЦЕРНе сторится Большой адронный коллайдер высоких энергий, котрый должен помочь проверить две фундаментальные теории: Суперсимметрия и бозон Хиггса.
В январе 2003 года исследователь Университета штата Миссури Сергей Копейкин и астрофизик Эд Фомалонт (Ed Fomalont) предоставили информацию о том, что им удалось измерить скорость распространения гравитации. Она оказалась 0.95 скорости света с погрешностью в 20%. Позже выводы были объявлены преждевременными, а результат ошибочным. Про "мировую сенсацию" быстро забыли.
