Кіріспе

Физикадағы пәндер мен тармақтарының санаты. Эксперименталды физика – физикалық құбылыстарды және тәжірибелерді бақылаумен айналысатын физика саласындағы пәндер мен тармақтарының санаты. Әдістер пәннен пәнге өзгереді, Галилейдің тәжірибелері сияқты қарапайым тәжірибелер мен байқаулардан бастап, Үлкен адрондық коллайдер сияқты күрделілерге дейін.

Шолу

Эксперименталды физика – физиканың деректерді жинау, деректерді жинау әдістері, сондай-ақ толыққанды түсіндіру (қанағаттандырылмайтын ой эксперименттерінен асып түсетін) және зертханалық эксперименттерді іске асырумен айналысатын саласы. Ол көбінесе табиғаттың физикалық құбылыстарын болжау және түсіндіруге, эмпирикалық деректерді жинауға қарағанда көбірек ден қоятын теориялық физикадан өзгеше. Эксперименталды және теориялық физика табиғаттың әртүрлі жақтарымен айналысса да, екеуінің де бірдей мақсаты – оны түсіну және олардың арасында өзара байланыс бар. Біріншісі ғаламшар туралы деректерді ұсынады, оларды түсіну үшін талдау жасауға болады, ал екіншісі деректерге түсінік береді, соның арқасында деректерді қалай тиімді жинау және эксперименттерді қалай жүргізу туралы ақпарат аламыз. Теориялық физика ғаламды жақсырақ түсіну үшін қандай деректер қажет екендігі және оларды алу үшін қандай эксперименттер жасау керектігі туралы да түсінік береді.

Тарих

Эксперименталды физика жекелеген сала ретінде ғылыми революция деп аталатын кезеңде, Галилео Галилей, Кристиан Гюйгенс, Иоганн Кеплер, Блез Паскаль және сэр Исаак Ньютон сияқты физиктердің еңбектері арқасында Еуропаның алғашқы заманында қалыптасты. 17 ғасырдың басында Галилей физикалық теорияларды тексеру үшін эксперименттерді кеңінен пайдаланды, бұл – қазіргі ғылыми әдістің басты қағидасы. Галилей динамика саласындағы бірнеше маңызды нәтижелерді, әсіресе инерция заңын қалыптастырып, сәтті сынақтан өткізді, бұл заң кейін Ньютонның қозғалыс заңдарының бірінші заңы болды. Галилейдің «Екі жаңа ғылым» атты еңбегінде Симплицио мен Сальвиати кейіпкерлері кеме қозғалысы (қозғалатын жүйе ретінде) және кемедегі жүктердің осы қозғалысқа бейтараптығы туралы пікірталас жүргізеді. Гюйгенс голланд каналдарындағы қайықтың қозғалысын пайдаланып, импульстің сақталуының алғашқы түрін көрсетті. Эксперименталды физика 1687 жылы сэр Исаак Ньютонның (1643–1727) «Табиғат философиясының математикалық принциптері» атты еңбегі жарияланғанда өркендеген шағына жетті деп есептеледі. 1687 жылы Ньютон «Principia» еңбегін жариялап, екі толыққанды және табысты физикалық заңды түсіндірді: Ньютонның қозғалыс заңдары, олар классикалық механиканың негізін қалады; және Ньютонның әмбебап тартылыс заңы, ол гравитацияның негізгі күшін сипаттайды. Екі заң да тәжірибелік деректермен сәйкес келді. «Principia» сұйық динамикасының бірнеше теориясын да қамтиды. 17 ғасырдың соңынан бастап термодинамиканы физик және химик Роберт Бойль, Томас Янг және тағы да көптеген ғалымдар дамытты. 1733 жылы Даниэль Бернулли классикалық механикамен статистикалық аргументтерді қолданып, термодинамикалық нәтижелерге қол жеткізіп, статистикалық механика саласын құрды. 1798 жылы Бенджамин Томпсон (Рамфорд графы) механикалық жұмыстың жылуға айналуын көрсетті, ал 1847 жылы Джеймс Прескотт Джоуль энергияның сақталу заңын, оның жылу және механикалық түрлерін қамти отырып, тұжырымдады. 19 ғасырда Людвиг Больцман статистикалық механиканың қазіргі заманғы түрін жасады. Классикалық механика мен термодинамикадан басқа, физикадағы тағы бір маңызды эксперименталды зерттеу саласы – электрдің табиғаты болды. 17 және 18 ғасырларда Бойль, Стивен Грей және Бенджамин Франклин сияқты ғалымдардың жасаған бақылаулары кейінгі жұмыстардың негізін қалады. Бұл бақылаулар электр заряды және тогы туралы біздің негізгі түсінігімізді де қалыптастырды. 1808 жылы Джон Далтон әртүрлі элементтердің атомдарының салмағы әртүрлі екенін анықтап, атомның қазіргі заманғы теориясын ұсынды. Электр және магнетизм арасындағы байланысты алғаш рет Ханс Кристиан Эрстед ашты, ол жақын жердегі электр тогының әсерінен компастың инесінің бұрылуын байқады. 1830-жылдардың басында Майкл Фарадей магниттік өрістер мен электр энергиясы бір-бірін тудыра алатынын көрсетті. 1864 жылы Джеймс Клерк Максвелл Корольдік қоғамға электр және магнетизм арасындағы байланысты сипаттайтын теңдеулер жиынтығын ұсынды. Максвелл теңдеулері сонымен қатар жарықтың электромагниттік толқын екенін дұрыс болжады. Астрономиядан бастап, табиғат философиясының қағидалары физиканың негізгі заңдарына айналып, келесі ғасырларда жетілдірілді. 19 ғасырға қарай ғылымдар бірнеше салаға бөлініп, мамандануға ұмтылды, ал физика саласы, логикалық тұрғыдан басым болғанымен, ғылыми зерттеулердің барлық саласына толық иелік ету құқығын жоғалтты.

Әдіс

Эксперименталды физика эксперименталды зерттеудің екі негізгі әдісін пайдаланады: бақыланатын эксперименттер және табиғи эксперименттер. Бақыланатын эксперименттер көбінесе зертханаларда қолданылады, себебі зертханалар бақыланатын ортаны қамтамасыз ете алады. Табиғи эксперименттер, мысалы, астрофизикада аспан денелерін байқау кезінде қолданылады, онда әсер ететін факторларды бақылау мүмкін емес.