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.
Experimental physics is the category of disciplines and sub disciplines in the field of physics that are concerned with the observation of physical phenomena and experiments. Methods vary from discipline to discipline, from simple experiments and observations, such as Galileo's experiments, to more complicated ones, such as the Large Hadron Collider.
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.