Введение

Категория дисциплин и поддисциплин в физике. Экспериментальная физика — это категория дисциплин и поддисциплин в области физики, занимающихся наблюдением физических явлений и проведением экспериментов. Методы варьируются в зависимости от дисциплины, от простых экспериментов и наблюдений, таких как эксперименты Галилея, до более сложных, например, Большой адронный коллайдер.

Обзор

Экспериментальная физика – это раздел физики, занимающийся сбором данных, методами их получения, а также подробной концептуализацией (выходящей за рамки простых мысленных экспериментов) и реализацией лабораторных экспериментов. Она часто противопоставляется теоретической физике, которая в большей степени сосредоточена на предсказании и объяснении физического поведения природы, чем на получении эмпирических данных. Несмотря на то, что экспериментальная и теоретическая физика изучают разные аспекты природы, они преследуют одну и ту же цель – её понимание, и находятся в симбиотических отношениях. Экспериментальная физика предоставляет данные об Вселенной, которые затем анализируются для их осмысления, а теоретическая физика предлагает объяснения этих данных, тем самым давая представление о том, как лучше собирать данные и проводить эксперименты. Теоретическая физика также может указать, какие данные необходимы для более глубокого понимания Вселенной и какие эксперименты следует разработать для их получения.

История

В качестве отдельной области экспериментальная физика была сформирована в ранней Новой Европе во время так называемой научной революции, благодаря физикам, таким как Галилео Галилей, Кристиан Гюйгенс, Иоганн Кеплер, Блез Паскаль и сэр Исаак Ньютон. В начале 17 века Галилей широко использовал эксперименты для проверки физических теорий, что является ключевой идеей современного научного метода. Галилей сформулировал и успешно проверил ряд результатов в динамике, в частности, закон инерции, который впоследствии стал первым законом в законах движения Ньютона. В "Двух новых науках" Галилея диалог между персонажами Симплицио и Сальвиати посвящен движению корабля (как движущейся системы отсчета) и тому, как груз на этом корабле нечувствителен к его движению. Гюйгенс использовал движение лодки по голландскому каналу для иллюстрации ранней формы закона сохранения импульса. Экспериментальная физика достигла своего расцвета с публикацией "Математических начал натуральной философии" (Philosophiae Naturalis Principia Mathematica) в 1687 году сэра Исаака Ньютона (1643–1727). В 1687 году Ньютон опубликовал "Principia", подробно изложив два всеобъемлющих и успешных физических закона: законы движения Ньютона, из которых вытекает классическая механика, и закон всемирного тяготения Ньютона, описывающий фундаментальную силу гравитации. Оба закона хорошо соответствовали экспериментальным данным. В "Principia" также содержались несколько теорий в области гидродинамики. С конца 17 века термодинамика развивалась благодаря физику и химику Роберту Бойлю, Томасу Янгу и многим другим. В 1733 году Даниэль Бернулли использовал статистические аргументы в сочетании с классической механикой для получения термодинамических результатов, положив начало области статистической механики. В 1798 году Бенджамин Томпсон (граф Румфорд) продемонстрировал преобразование механической работы в тепло, а в 1847 году Джеймс Прескотт Джоуль сформулировал закон сохранения энергии, как в форме тепла, так и в форме механической энергии. Людвиг Больцман в девятнадцатом веке разработал современную форму статистической механики. Помимо классической механики и термодинамики, важной областью экспериментальных исследований в физике была природа электричества. Наблюдения, сделанные в 17 и 18 веках учеными, такими как Бойль, Стивен Грей и Бенджамин Франклин, заложили основу для дальнейших работ. Эти наблюдения также установили наше базовое понимание электрического заряда и тока. К 1808 году Джон Дальтон обнаружил, что атомы разных элементов имеют разный вес и предложил современную теорию атома. Ханс Кристиан Эрстед первым предположил связь между электричеством и магнетизмом, наблюдая отклонение магнитной стрелки компаса под воздействием близлежащего электрического тока. К началу 1830-х годов Майкл Фарадей продемонстрировал, что магнитные поля и электричество могут генерировать друг друга. В 1864 году Джеймс Клерк Максвелл представил Королевскому обществу набор уравнений, описывающих эту связь между электричеством и магнетизмом. Уравнения Максвелла также верно предсказали, что свет является электромагнитной волной. Начиная с астрономии, принципы естественной философии кристаллизовались в фундаментальные законы физики, которые были сформулированы и усовершенствованы в последующие столетия. К 19 веку науки разделились на множество областей со специализированными исследователями, и физика, хотя и логически доминирующая, больше не могла претендовать на исключительное владение всей областью научных исследований.

Метод

Экспериментальная физика использует два основных метода экспериментальных исследований: контролируемые эксперименты и естественные эксперименты. Контролируемые эксперименты часто проводятся в лабораториях, так как лаборатории обеспечивают контролируемую среду. Естественные эксперименты используются, например, в астрофизике при наблюдении за небесными объектами, где контроль над действующими переменными невозможен.