История развития физики

История физики: от научных революций XVII века до современной науки. Изучение материи, энергии и их применение в технологиях. Ключевые этапы развития.

51 мин чтения

100%

Источник: History of physics — Wikipedia

Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.

Содержание

Введение

Историческое развитие физики

Физика – это область науки, основными объектами изучения которой являются материя и энергия. Открытия в физике находят применение во всех естественных науках и в технике. Исторически физика возникла в ходе научной революции XVII века, быстро развивалась в XIX веке, а затем претерпела трансформацию благодаря ряду открытий в XX веке. Современная физика может быть условно разделена на классическую и современную физику. Многие подробные статьи по конкретным темам доступны в Обзоре истории физики.

Древняя история

Элементы того, что впоследствии стало физикой, происходили главным образом из областей астрономии, оптики и механики, которые были методологически объединены посредством изучения геометрии. Эти математические дисциплины зародились в древности у вавилонян и у эллинистических авторов, таких как Архимед и Птолемей. В то же время, древняя философия включала в себя то, что называлось "физикой".

Греческая концепция

Движение к рациональному пониманию природы началось, по крайней мере, с архаического периода в Греции (650–480 до н.э.) с досократическими философами. Философ Фалес Милетский (7-й и 6-й века до н.э.), прозванный «отцом науки» за отказ принимать различные сверхъестественные, религиозные или мифологические объяснения природных явлений, провозгласил, что каждое событие имеет естественную причину. Фалес также добился успехов в 580 г. до н.э., предположив, что вода является основным элементом, экспериментируя с притяжением между магнитами и натёртым янтарем и формулируя первые зафиксированные космологии. Анаксимандр, известный своей протоэволюционной теорией, оспорил идеи Фалеса и предложил, что вместо воды строительным блоком всей материи является вещество, называемое апейроном. Около 500 г. до н.э. Гераклит предположил, что единственным основным законом, управляющим Вселенной, является принцип изменения и что ничто не остаётся в одном и том же состоянии бесконечно. Вместе со своим современником Парменидом он был одним из первых учёных в древней физике, размышлявших о роли времени во Вселенной – ключевой концепции, которая остаётся актуальной и в современной физике. В классический период в Греции (6-й, 5-й и 4-й века до н.э.) и в эллинистическую эпоху естественная философия медленно развивалась в захватывающую и спорную область исследований. Аристотель (Ἀριστοτέλης, Aristotélēs) (384–322 до н.э.), ученик Платона, продвигал концепцию, согласно которой наблюдение физических явлений в конечном итоге может привести к открытию естественных законов, ими управляющих. Труды Аристотеля охватывают физику, метафизику, поэзию, театр, музыку, логику, риторику, лингвистику, политику, государственное устройство, этику, биологию и зоологию. Он написал первую работу, в которой эта область исследования упоминается как «Физика» – в 4-м веке до н.э. Аристотель основал систему, известную как аристотелевская физика. Он пытался объяснить такие понятия, как движение (и гравитацию), с помощью теории четырёх элементов. Аристотель считал, что вся материя состоит из эфира или какой-либо комбинации четырёх элементов: земли, воды, воздуха и огня. По мнению Аристотеля, эти четыре земных элемента способны к взаимным превращениям и стремятся к своему естественному месту, поэтому камень падает вниз к центру космоса, а пламя поднимается вверх к его окружности. В конечном итоге аристотелевская физика стала чрезвычайно популярной на протяжении многих веков в Европе, влияя на научные и схоластические разработки Средневековья. Она оставалась основной научной парадигмой в Европе до эпохи Галилео Галилея и Исаака Ньютона. В ранней классической Греции было общепринято знание о том, что Земля имеет сферическую форму («круглая»). Около 240 г. до н.э., в результате основополагающего эксперимента, Эратосфен (276–194 до н.э.) точно оценил её окружность. В отличие от геоцентрических взглядов Аристотеля, Аристарх Самосский (Ἀρίσταρχος; ок. 310 – ок. 230 до н.э.) представил чёткий аргумент в пользу гелиоцентрической модели Солнечной системы, то есть за размещение Солнца, а не Земли, в её центре. Селевк из Селевкии, последователь гелиоцентрической теории Аристарха, утверждал, что Земля вращается вокруг своей оси, которая, в свою очередь, вращается вокруг Солнца. Хотя аргументы, которые он использовал, были утеряны, Плутарх заявил, что Селевк первым доказал гелиоцентрическую систему посредством рассуждений. В 3-м веке до н.э. греческий математик Архимед из Сиракуз (287–212 до н.э.) – обычно считается величайшим математиком античности и одним из величайших математиков всех времён – заложил основы гидростатики, статики и вычислил базовую математику рычага. Архимед, ведущий учёный классической античности, также разработал сложные системы блоков для перемещения больших объектов с минимальными усилиями. Винт Архимеда лежит в основе современной гидротехники, а его военные машины помогли сдержать армии Рима в Первой Пунической войне. Архимед даже опроверг аргументы Аристотеля и его метафизику, указав на невозможность разделения математики и природы и доказав это, преобразуя математические теории в практические изобретения. Кроме того, в своей работе «О плавающих телах», около 250 г. до н.э., Архимед разработал закон плавучести, также известный как принцип Архимеда. В математике Архимед использовал метод исчерпания для вычисления площади под дугой параболы с помощью суммирования бесконечного ряда и дал удивительно точное приближение числа пи. Он также определил спираль, носящую его имя, формулы для объёмов поверхностей вращения и изобретательную систему для выражения очень больших чисел. Он также разработал принципы равновесия и центров тяжести – идеи, которые повлияли на будущих учёных, таких как Галилей и Ньютон. Гиппарх (190–120 до н.э.), сосредоточившийся на астрономии и математике, использовал сложные геометрические методы для картографирования движения звёзд и планет, даже предсказывая время солнечных затмений. Он добавил вычисления расстояния Солнца и Луны от Земли, основанные на его усовершенствованиях наблюдательных инструментов того времени. Ещё одним из самых известных ранних физиков был Птолемей (90–168 н.э.), один из ведущих умов эпохи Римской империи. Птолемей был автором нескольких научных трактатов, по крайней мере три из которых имели продолжительное значение для последующей исламской и европейской науки. Первый – это астрономический трактат, известный сегодня как «Альмагест» (на греческом Ἡ Μεγάλη Σύνταξις, «Великое построение», первоначально Μαθηματικὴ Σύνταξις, «Математическое построение»). Второй – «География», представляющая собой всестороннее обсуждение географических знаний греко-римского мира. Большая часть накопленных знаний древнего мира была утрачена. Даже из работ многих уважаемых мыслителей сохранились лишь немногие фрагменты. Хотя он написал по крайней мере четырнадцать книг, почти ничего из прямой работы Гиппарха не сохранилось. Из 150 приписываемых Аристотелю работ сохранилось только 30, и некоторые из них «не более чем конспекты лекций».

The move towards a rational understanding of nature began at least since the Archaic period in Greece (650–480 BCE) with the Pre Socratic philosophers. The philosopher Thales of Miletus (7th and 6th centuries BCE), dubbed "the Father of Science" for refusing to accept various supernatural, religious or mythological explanations for natural phenomena, proclaimed that every event had a natural cause. Thales also made advancements in 580 BCE by suggesting that water is the basic element, experimenting with the attraction between magnets and rubbed amber and formulating the first recorded cosmologies. Anaximander, famous for his proto evolutionary theory, disputed Thales' ideas and proposed that rather than water, a substance called apeiron was the building block of all matter. Around 500 BCE, Heraclitus proposed that the only basic law governing the Universe was the principle of change and that nothing remains in the same state indefinitely. Along with his contemporary Parmenides were among the first scholars in ancient physics to contemplate on the role of time in the universe, a key concept that is still an issue in modern physics. During the classical period in Greece (6th, 5th and 4th centuries BCE) and in Hellenistic times, natural philosophy slowly developed into an exciting and contentious field of study. Aristotle (Ἀριστοτέλης, Aristotélēs) (384–322 BCE), a student of Plato, promoted the concept that observation of physical phenomena could ultimately lead to the discovery of the natural laws governing them. Aristotle's writings cover physics, metaphysics, poetry, theater, music, logic, rhetoric, linguistics, politics, government, ethics, biology and zoology. He wrote the first work which refers to that line of study as "Physics" – in the 4th century BCE, Aristotle founded the system known as Aristotelian physics. He attempted to explain ideas such as motion (and gravity) with the theory of four elements. Aristotle believed that all matter was made up of aether, or some combination of four elements: earth, water, air, and fire. According to Aristotle, these four terrestrial elements are capable of inter transformation and move toward their natural place, so a stone falls downward toward the center of the cosmos, but flames rise upward toward the circumference. Eventually, Aristotelian physics became enormously popular for many centuries in Europe, informing the scientific and scholastic developments of the Middle Ages. It remained the mainstream scientific paradigm in Europe until the time of Galileo Galilei and Isaac Newton. Early in Classical Greece, knowledge that the Earth is spherical ("round") was common. Around 240 BCE, as the result of a seminal experiment, Eratosthenes (276–194 BCE) accurately estimated its circumference. In contrast to Aristotle's geocentric views, Aristarchus of Samos (Ἀρίσταρχος; c. 310 – c. 230 BCE) presented an explicit argument for a heliocentric model of the Solar System, i. e. for placing the Sun, not the Earth, at its centre. Seleucus of Seleucia, a follower of Aristarchus' heliocentric theory, stated that the Earth rotated around its own axis, which, in turn, revolved around the Sun. Though the arguments he used were lost, Plutarch stated that Seleucus was the first to prove the heliocentric system through reasoning. In the 3rd century BCE, the Greek mathematician Archimedes of Syracuse ([[wikt:Ἀρχιμήδης (287–212 BCE) – generally considered to be the greatest mathematician of antiquity and one of the greatest of all time – laid the foundations of hydrostatics, statics and calculated the underlying mathematics of the lever. A leading scientist of classical antiquity, Archimedes also developed elaborate systems of pulleys to move large objects with a minimum of effort. The Archimedes' screw underpins modern hydroengineering, and his machines of war helped to hold back the armies of Rome in the First Punic War. Archimedes even tore apart the arguments of Aristotle and his metaphysics, pointing out that it was impossible to separate mathematics and nature and proved it by converting mathematical theories into practical inventions. Furthermore, in his work On Floating Bodies, around 250 BCE, Archimedes developed the law of buoyancy, also known as Archimedes' principle. In mathematics, Archimedes used the method of exhaustion to calculate the area under the arc of a parabola with the summation of an infinite series, and gave a remarkably accurate approximation of pi. He also defined the spiral bearing his name, formulae for the volumes of surfaces of revolution and an ingenious system for expressing very large numbers. He also developed the principles of equilibrium states and centers of gravity, ideas that would influence future scholars like Galileo, and Newton. Hipparchus (190–120 BCE), focusing on astronomy and mathematics, used sophisticated geometrical techniques to map the motion of the stars and planets, even predicting the times that Solar eclipses would happen. He added calculations of the distance of the Sun and Moon from the Earth, based upon his improvements to the observational instruments used at that time. Another of the most famous of the early physicists was Ptolemy (90–168 CE), one of the leading minds during the time of the Roman Empire. Ptolemy was the author of several scientific treatises, at least three of which were of continuing importance to later Islamic and European science. The first is the astronomical treatise now known as the Almagest (in Greek, Ἡ Μεγάλη Σύνταξις, "The Great Treatise", originally Μαθηματικὴ Σύνταξις, "Mathematical Treatise"). The second is the Geography, which is a thorough discussion of the geographic knowledge of the Greco Roman world. Much of the accumulated knowledge of the ancient world was lost. Even of the works of the many respectable thinkers, few fragments survived. Although he wrote at least fourteen books, almost nothing of Hipparchus' direct work survived. Of the 150 reputed Aristotelian works, only 30 exist, and some of those are "little more than lecture notes".

Индия и Китай

Важные физические и математические традиции также существовали в древних китайских и индийских науках. В индийской философии Махариши Канада был первым, кто систематически разработал теорию атомизма около 200 года до н.э., хотя некоторые авторы относят его деятельность к более раннему периоду – VI веку до н.э. Эта теория была далее развита буддийскими атомистами Дхармакирти и Дигнагой в течение I тысячелетия нашей эры. Пакудха Каччаяна, индийский философ VI века до н.э. и современник Гаутамы Будды, также выдвинул идеи об атомном строении материального мира. Эти философы полагали, что другие элементы (за исключением эфира) были физически осязаемы и, следовательно, состояли из мельчайших частиц материи. Предельно малая частица материи, которую нельзя было разделить далее, получила название Парману. Эти философы считали атом неразрушимым и, следовательно, вечным. Буддисты полагали, что атомы – это крошечные объекты, невидимые невооруженным глазом, возникающие и исчезающие в мгновение ока. Школа Вайшешика считала атом лишь точкой в пространстве. Она также впервые изобразила взаимосвязь между движением и приложенной силой. Индийские теории об атоме носят весьма абстрактный характер и тесно переплетены с философией, поскольку основывались на логике, а не на личном опыте или экспериментах. В индийской астрономии Ариабхата в своей работе «Арьябхатия» (499 г. н.э.) предположил вращение Земли, а Нилаканта Сомаяджи (1444–1544) из школы астрономии и математики Кералы предложил полугелиоцентрическую модель, схожую с тихонической системой. Изучение магнетизма в Древнем Китае восходит к IV веку до н.э. (в «Книге мастера Долины Дьявола»). Значительный вклад в эту область внес Шэнь Куо (1031–1095), ученый-эрудит и государственный деятель, который первым описал магнитную стрелку компаса, используемого для навигации, а также сформулировал понятие истинного севера. В области оптики Шэнь Куо независимо разработал камеру-обскуру.

Исламский мир

В VII–XV веках научный прогресс происходил в мусульманском мире. Многие классические произведения на индийском, ассирийском, сасанидском (персидском) и греческом языках, включая труды Аристотеля, были переведены на арабский язык. Важный вклад внес Ибн аль-Хайсам (965–1040), арабский ученый, считающийся основателем современной оптики. Птолемей и Аристотель полагали, что свет либо исходит из глаза, чтобы освещать предметы, либо что "формы" исходят от самих предметов, тогда как аль-Хайсам (известный под латинским именем "Альхазен") предположил, что свет достигает глаза лучами из разных точек на предмете. Труды Ибн аль-Хайсама и аль-Бируни (973–1050), персидского ученого, в конечном итоге попали в Западную Европу, где их изучали такие ученые, как Роджер Бэкон и Вителло. Ибн аль-Хайсам использовал контролируемые эксперименты в своей работе по оптике, хотя степень его отличия от Птолемея остаётся предметом споров. Арабские механики, такие как Бируни и Аль-Хазини, разработали сложную "науку о весе", проводя измерения конкретных весов и объемов.

Ибн Сина (980–1037), известный как "Авиценна", был ученым-энциклопедистом из Бухары (современный Узбекистан), внесшим значительный вклад в физику, оптику, философию и медицину. Он опубликовал свою теорию движения в "Книге исцеления" (1020), где утверждал, что бросающий придает снаряду импульс. Он считал этот импульс сохраняющимся, рассеиваясь только под воздействием внешних сил, таких как сопротивление воздуха. Ибн Сина проводил различие между "силой" и "склонностью" (называемой "майл"), и утверждал, что объект приобретает майл, когда он противостоит своему естественному движению. Он заключил, что продолжение движения обусловлено склонностью, передаваемой объекту, и объект будет оставаться в движении, пока майл не исчерпается. Эта концепция движения согласуется с первым законом Ньютона об инерции, который гласит, что объект в движении будет оставаться в движении, если на него не воздействует внешняя сила. Хибат Аллах Абу'л Баракат аль-Багдади (ок. 1080 – ок. 1165) принял и модифицировал теорию движения снаряда Ибн Сины. В своем "Китаб аль-Мутабар" Абу'ль-Баракат утверждал, что движущий придает движущемуся насильственную склонность (майл касри), которая уменьшается по мере удаления движущегося объекта от движущего. Он также предложил объяснение ускорения падающих тел путем накопления последовательных приращений силы с последовательным увеличением скорости. По словам Шломо Пайнса, теория движения аль-Багдади была "самым ранним опровержением фундаментального динамического закона Аристотеля [а именно, что постоянная сила производит равномерное движение], [и, таким образом, является] неясным предвосхищением фундаментального закона классической механики [а именно, что непрерывно приложенная сила производит ускорение]". Жан Буридан и Альберт Саксонский позже ссылались на Абу'ль Бараката, объясняя, что ускорение падающего тела является результатом его возрастающего импульса. Насир ад-Дин ат-Туси (1201–1274), персидский астроном и математик, умерший в Багдаде, ввел пару Туси. Коперник позже в значительной степени опирался на работы ат-Туси и его учеников, но без указания авторства.

Ibn Sīnā (980–1037), known as "Avicenna", was a polymath from Bukhara (in present day Uzbekistan) responsible for important contributions to physics, optics, philosophy and medicine. He published his theory of motion in Book of Healing (1020), where he argued that an impetus is imparted to a projectile by the thrower. He viewed it as persistent, requiring external forces such as air resistance to dissipate it. Ibn Sina made a distinction between 'force' and 'inclination' (called "mayl"), and argued that an object gained mayl when the object is in opposition to its natural motion. He concluded that continuation of motion is attributed to the inclination that is transferred to the object, and that object will be in motion until the mayl is spent. This conception of motion is consistent with Newton's first law of motion, inertia, which states that an object in motion will stay in motion unless it is acted on by an external force. Hibat Allah Abu'l Barakat al Baghdaadi (c. 1080– c. 1165) adopted and modified Ibn Sina's theory on projectile motion. In his Kitab al Mu'tabar, Abu'l Barakat stated that the mover imparts a violent inclination (mayl qasri) on the moved and that this diminishes as the moving object distances itself from the mover. He also proposed an explanation of the acceleration of falling bodies by the accumulation of successive increments of power with successive increments of velocity. According to Shlomo Pines, al Baghdaadi's theory of motion was "the oldest negation of Aristotle's fundamental dynamic law [namely, that a constant force produces a uniform motion], [and is thus an] anticipation in a vague fashion of the fundamental law of classical mechanics [namely, that a force applied continuously produces acceleration]." Jean Buridan and Albert of Saxony later referred to Abu'l Barakat in explaining that the acceleration of a falling body is a result of its increasing impetus. Nasir al Din al Tusi (1201–1274), a Persian astronomer and mathematician who died in Baghdad introduced the Tusi couple. Copernicus later drew heavily on the work of al Din al Tusi and his students, but without acknowledgment.

Средневековая Европа

Осознание древних произведений вновь проникло на Запад через переводы с арабского на латынь. Их повторное введение, в сочетании с иудео-исламскими теологическими комментариями, оказало значительное влияние на средневековых философов, таких как Фома Аквинский. Европейские ученые-схоласты, стремившиеся согласовать философию античных классиков с христианским богословием, провозгласили Аристотеля величайшим мыслителем древности. В тех случаях, когда она не вступала в прямое противоречие с Библией, физика Аристотеля стала основой для физических объяснений, принятых европейскими церквями. Количественное определение стало ключевым элементом средневековой физики. Основываясь на физике Аристотеля, схоластическая физика описывала движение вещей как обусловленное их сущностной природой. Небесные тела описывались движущимися по окружности, поскольку совершенное круговое движение считалось неотъемлемым свойством объектов, существующих в незатронутой сфере небесных сфер. Теория импульса, предшественница понятий инерции и количества движения, была разработана в аналогичном ключе средневековыми философами, такими как Иоанн Филопон и Жан Буридан. Движения под лунной сферой считались несовершенными и, следовательно, не могли демонстрировать устойчивого движения. Более идеальное движение в "подлунном" мире можно было достичь лишь искусственно, и до XVII века многие не считали искусственные эксперименты надежным способом познания естественного мира. Физические объяснения в подлунном мире строились на основе тенденций. Камни содержали элемент земли, и земные объекты, как правило, двигались по прямой линии к центру земли (и Вселенной в геоцентрической системе Аристотеля), если этому ничто не препятствовало.

Научная революция

В XVI и XVII веках в Европе произошел значительный прорыв в научном прогрессе, известный как Научная революция. Недовольство устаревшими философскими подходами возникло ранее и привело к другим общественным изменениям, таким как протестантская Реформация, но научная революция началась, когда ученые-натуралисты начали последовательную критику схоластической философской программы и стали полагать, что математические описательные модели, заимствованные из таких областей, как механика и астрономия, способны давать универсально достоверные характеристики движения и других явлений.

Николай Коперник

Прорыв в астрономии был сделан польским астрономом Николаем Коперником (1473–1543), когда в 1543 году он представил убедительные аргументы в пользу гелиоцентрической модели Солнечной системы, формально – для повышения точности таблиц, составляемых для предсказания движения планет, и упрощения их создания. В гелиоцентрических моделях Солнечной системы Земля, наряду с другими телами нашей галактики, вращается вокруг Солнца, что противоречило системе греко-египетского астронома Птолемея (II век н.э.; см. выше), который помещал Землю в центр Вселенной и чья система оставалась общепринятой более 1400 лет. Греческий астроном Аристарх Самосский (ок. 310 – ок. 230 гг. до н.э.) ранее высказывал предположение о вращении Земли вокруг Солнца, однако именно рассуждения Коперника привели к прочному и повсеместному признанию этой "революционной" идеи. Книга Коперника, излагающая эту теорию (De revolutionibus orbium coelestium, "О вращениях небесных сфер"), была опубликована незадолго до его смерти в 1543 году и, поскольку её обычно считают отправной точкой современной астрономии, также рассматривается как начало научной революции. Новая точка зрения Коперника, в сочетании с точными наблюдениями Тихо Браге, позволила немецкому астроному Иоганну Кеплеру (1571–1630) сформулировать законы движения планет, которые используются до сих пор.

Галилео Галилей

Итальянский математик, астроном и физик Галилео Галилей (1564–1642) прославился своей поддержкой коперниканизма, астрономическими открытиями, эмпирическими экспериментами и усовершенствованием телескопа. Как математик, роль Галилея в университетской культуре его эпохи была подчинена трем основным областям изучения: праву, медицине и теологии (которая тесно связана с философией). Однако Галилей считал, что описательный характер технических дисциплин заслуживает философского интереса, особенно потому, что математический анализ астрономических наблюдений – в частности, анализ Коперника относительного движения Солнца, Земли, Луны и планет – указывал на то, что философские утверждения о природе Вселенной могут оказаться ошибочными. Галилей также проводил механические эксперименты, настаивая на том, что само движение – независимо от того, происходит оно «естественным» или «искусственным» путем (то есть намеренно) – обладает универсально согласованными характеристиками, которые можно описать математически. Начав обучение в университете Пизы с медицины, Галилей вскоре увлекся математикой и физикой. В 19 лет он открыл (и впоследствии подтвердил) изохронность маятника, отсчитывая с помощью пульса колебания лампы в соборе Пизы и обнаружив, что период колебаний оставался неизменным независимо от амплитуды. Вскоре он прославился изобретением гидростатических весов и трактатом о центре тяжести твердых тел. Преподавая в университете Пизы (1589–92), он начал эксперименты по законам движения тел, результаты которых настолько противоречили общепринятым учениям Аристотеля, что вызвали резкую оппозицию. Он обнаружил, что тела не падают со скоростью, пропорциональной их весу. Знаменитая история о том, как Галилей якобы сбрасывал грузы с Пизанской башни, является апокрифической, но он установил, что траектория снаряда представляет собой параболу и ему приписывают выводы, предвосхитившие законы движения Ньютона (например, понятие инерции). Среди них – так называемая галилеевская относительность, первое точное формулирование свойств пространства и времени, выходящих за рамки трехмерной геометрии. Галилея называют «отцом современной наблюдательной астрономии», «отцом современной физики», «отцом науки» и «отцом современной науки». По словам Стивена Хокинга, «Галилей, пожалуй, больше, чем кто-либо другой, был ответственен за рождение современной науки». Поддержка гелиоцентризма Галилеем, в то время как религиозная ортодоксия предписывала геоцентрическую или тихoническую модель Солнечной системы, вызвала споры, и он предстал перед инквизицией. Признанный «крайне подозрительным в ереси», он был вынужден отречься и провел остаток жизни под домашним арестом. Вклад Галилея в наблюдательную астрономию включает телескопическое подтверждение фаз Венеры; открытие в 1609 году четырех крупнейших спутников Юпитера (впоследствии получивших общее название «Галилеевы спутники»); а также наблюдение и анализ солнечных пятен. Галилей также занимался прикладной наукой и технологиями, изобретя, в частности, военный компас. Его открытие спутников Юпитера было опубликовано в 1610 году и позволило ему занять должность математика и философа при дворе Медичи. В этой роли он должен был участвовать в дебатах с философами аристотелевской традиции и получил широкую аудиторию для своих собственных публикаций, таких как «Разговоры и математические доказательства о двух новых науках» (опубликованные за границей после его ареста за публикацию «Диалога о двух главных мировых системах») и «Испытатель». Интерес Галилея к экспериментам и математическому описанию движения утвердил эксперимент как неотъемлемую часть естественной философии. Эта традиция, в сочетании с акцентом на сбор «экспериментальных историй», не основанным на математике, со стороны философских реформаторов, таких как Уильям Гильберт и Фрэнсис Бэкон, нашла значительное число последователей в годы, предшествовавшие и последовавшие за смертью Галилея, включая Эванджелисту Торричелли и участников Академии дель Чименто в Италии; Марена Мерсенна и Блеза Паскаля во Франции; Христиана Гюйгенса в Нидерландах; и Роберта Гука и Роберта Бойля в Англии.

The Italian mathematician, astronomer, and physicist Galileo Galilei (1564–1642) was famous for his support for Copernicanism, his astronomical discoveries, empirical experiments and his improvement of the telescope. As a mathematician, Galileo's role in the university culture of his era was subordinated to the three major topics of study: law, medicine, and theology (which was closely allied to philosophy). Galileo, however, felt that the descriptive content of the technical disciplines warranted philosophical interest, particularly because mathematical analysis of astronomical observations – notably, Copernicus' analysis of the relative motions of the Sun, Earth, Moon, and planets – indicated that philosophers' statements about the nature of the universe could be shown to be in error. Galileo also performed mechanical experiments, insisting that motion itself – regardless of whether it was produced "naturally" or "artificially" (i. e. deliberately) – had universally consistent characteristics that could be described mathematically. Galileo's early studies at the University of Pisa were in medicine, but he was soon drawn to mathematics and physics. At 19, he discovered (and, subsequently, verified) the isochronal nature of the pendulum when, using his pulse, he timed the oscillations of a swinging lamp in Pisa's cathedral and found that it remained the same for each swing regardless of the swing's amplitude. He soon became known through his invention of a hydrostatic balance and for his treatise on the center of gravity of solid bodies. While teaching at the University of Pisa (1589–92), he initiated his experiments concerning the laws of bodies in motion that brought results so contradictory to the accepted teachings of Aristotle that strong antagonism was aroused. He found that bodies do not fall with velocities proportional to their weights. The famous story in which Galileo is said to have dropped weights from the Leaning Tower of Pisa is apocryphal, but he did find that the path of a projectile is a parabola and is credited with conclusions that anticipated Newton's laws of motion (e. g. the notion of inertia). Among these is what is now called Galilean relativity, the first precisely formulated statement about properties of space and time outside three dimensional geometry. Galileo has been called the "father of modern observational astronomy", the "father of modern physics", the "father of science", and "the father of modern science". According to Stephen Hawking, "Galileo, perhaps more than any other single person, was responsible for the birth of modern science." As religious orthodoxy decreed a geocentric or Tychonic understanding of the Solar system, Galileo's support for heliocentrism provoked controversy and he was tried by the Inquisition. Found "vehemently suspect of heresy", he was forced to recant and spent the rest of his life under house arrest. The contributions that Galileo made to observational astronomy include the telescopic confirmation of the phases of Venus; his discovery, in 1609, of Jupiter's four largest moons (subsequently given the collective name of the "Galilean moons"); and the observation and analysis of sunspots. Galileo also pursued applied science and technology, inventing, among other instruments, a military compass. His discovery of the Jovian moons was published in 1610 and enabled him to obtain the position of mathematician and philosopher to the Medici court. As such, he was expected to engage in debates with philosophers in the Aristotelian tradition and received a large audience for his own publications such as the Discourses and Mathematical Demonstrations Concerning Two New Sciences (published abroad following his arrest for the publication of Dialogue Concerning the Two Chief World Systems) and The Assayer. Galileo's interest in experimenting with and formulating mathematical descriptions of motion established experimentation as an integral part of natural philosophy. This tradition, combining with the non mathematical emphasis on the collection of "experimental histories" by philosophical reformists such as William Gilbert and Francis Bacon, drew a significant following in the years leading up to and following Galileo's death, including Evangelista Torricelli and the participants in the Accademia del Cimento in Italy; Marin Mersenne and Blaise Pascal in France; Christiaan Huygens in the Netherlands; and Robert Hooke and Robert Boyle in England.

Рене Декарт

Французский философ Рене Декарт (1596–1650) был тесно связан с и оказывал значительное влияние на сети экспериментальной философии того времени. Однако у Декарта была более масштабная задача – полностью заменить философскую традицию схоластики. Подвергая сомнению реальность, воспринимаемую через чувства, Декарт стремился восстановить философские объяснительные модели, сводя все наблюдаемые явления к движению невидимого моря "корпускул". (Примечательно, что он исключил человеческое мышление и Бога из своей схемы, считая их отдельными от физической вселенной). Предлагая эту философскую основу, Декарт полагал, что различные виды движения, такие как движение планет и движение земных объектов, не являются принципиально разными, а лишь различными проявлениями бесконечной цепи корпускулярных движений, подчиняющихся универсальным принципам. Особенно влиятельными были его объяснения круговых астрономических движений посредством вихревого движения корпускул в пространстве (Декарт утверждал, в соответствии с убеждениями, если не методами, схоластов, что вакуум не может существовать), и его объяснение гравитации как результата давления корпускул, толкающих объекты вниз. Декарт, как и Галилей, был убежден в важности математического объяснения, и он вместе со своими последователями сыграл ключевую роль в развитии математики и геометрии в XVII веке. Декартовские математические описания движения утверждали, что все математические формулы должны быть обоснованы прямым физическим действием, позицию, которую разделяли Гюйгенс и немецкий философ Готфрид Лейбниц, который, следуя декартовской традиции, разработал собственную философскую альтернативу схоластике, изложенную в его работе 1714 года "Монадология". Декарта называют "отцом современной философии", и значительная часть последующей западной философии является ответом на его труды, которые до сих пор тщательно изучаются. В частности, его "Размышления о первой философии" остается стандартным учебником на большинстве философских факультетов университетов. Влияние Декарта в математике столь же очевидно: картезианская система координат – позволяющая выражать алгебраические уравнения в виде геометрических фигур в двумерной системе координат – названа в его честь. Ему приписывают авторство аналитической геометрии, моста между алгеброй и геометрией, имеющего важное значение для открытия дифференциального и интегрального исчисления.

The French philosopher René Descartes (1596–1650) was well connected to, and influential within, the experimental philosophy networks of the day. Descartes had a more ambitious agenda, however, which was geared toward replacing the Scholastic philosophical tradition altogether. Questioning the reality interpreted through the senses, Descartes sought to re establish philosophical explanatory schemes by reducing all perceived phenomena to being attributable to the motion of an invisible sea of "corpuscles". (Notably, he reserved human thought and God from his scheme, holding these to be separate from the physical universe). In proposing this philosophical framework, Descartes supposed that different kinds of motion, such as that of planets versus that of terrestrial objects, were not fundamentally different, but were merely different manifestations of an endless chain of corpuscular motions obeying universal principles. Particularly influential were his explanations for circular astronomical motions in terms of the vortex motion of corpuscles in space (Descartes argued, in accord with the beliefs, if not the methods, of the Scholastics, that a vacuum could not exist), and his explanation of gravity in terms of corpuscles pushing objects downward. Descartes, like Galileo, was convinced of the importance of mathematical explanation, and he and his followers were key figures in the development of mathematics and geometry in the 17th century. Cartesian mathematical descriptions of motion held that all mathematical formulations had to be justifiable in terms of direct physical action, a position held by Huygens and the German philosopher Gottfried Leibniz, who, while following in the Cartesian tradition, developed his own philosophical alternative to Scholasticism, which he outlined in his 1714 work, the Monadology. Descartes has been dubbed the "Father of Modern Philosophy", and much subsequent Western philosophy is a response to his writings, which are studied closely to this day. In particular, his Meditations on First Philosophy continues to be a standard text at most university philosophy departments. Descartes' influence in mathematics is equally apparent; the Cartesian coordinate system— allowing algebraic equations to be expressed as geometric shapes in a two dimensional coordinate system— was named after him. He is credited as the father of analytical geometry, the bridge between algebra and geometry, important to the discovery of calculus and analysis.

Кристиан Хюйгенс

Голландский физик, математик, астроном и изобретатель Кристиан Гюйгенс (1629–1695) был ведущим ученым в Европе между Галилеем и Ньютоном. Гюйгенс происходил из дворянской семьи, занимавшей важное положение в голландском обществе XVII века – времени, когда Голландская Республика процветала в экономическом и культурном отношении. Этот период истории Нидерландов, примерно между 1588 и 1702 годами, также называют Голландским золотым веком, эпохой научной революции, когда голландская наука была одной из самых прославленных в Европе. В это время в Нидерландах жили такие интеллектуалы и ученые, как Рене Декарт, Барух Спиноза, Пьер Бейль, Антони ван Левенхук, Джон Локк и Гюго Гроций. Именно в этой интеллектуальной среде рос Кристиан Гюйгенс. Отец Кристиана, Константин Гюйгенс, был не только выдающимся поэтом, но и секретарем и дипломатом принцев Оранских. Благодаря своим контактам и интеллектуальным интересам он знал многих ученых своего времени, включая Рене Декарта и Марина Мерсенна, и именно благодаря этим контактам Кристиан Гюйгенс узнал об их работах. Особенно Декарт, чья механистическая философия оказала огромное влияние на собственные работы Гюйгенса. Позже Декарт был впечатлен навыками Гюйгенса в геометрии, как и Мерсенн, который назвал его «новым Архимедом» (что побудило Константина называть своего сына «моим маленьким Архимедом»). Будучи вундеркиндом, Гюйгенс начал переписку с Марином Мерсенном в возрасте 17 лет. Гюйгенс заинтересовался играми случая, познакомившись с работами Ферма, Блеза Паскаля и Жирара Десарга. Именно Блез Паскаль побудил его написать *Van Rekeningh in Spelen van Gluck*, который Франс ван Шутен перевел и опубликовал как *De Ratiociniis in Ludo Aleae* в 1657 году. Эта книга является самым ранним известным научным исследованием этой темы и в то время представляла собой наиболее последовательное изложение математического подхода к играм случая. Два года спустя Гюйгенс геометрически вывел ныне стандартные формулы классической механики для центростремительной и центробежной силы в своей работе *De vi Centrifuga* (1659). Примерно в то же время исследования Гюйгенса в области часового дела привели к изобретению маятниковых часов – прорыву в измерении времени и самому точному хронометру на протяжении почти 300 лет. Теоретические исследования принципа работы маятника в конечном итоге привели к публикации одного из его важнейших достижений: *Horologium Oscillatorium*. Эта работа была опубликована в 1673 году и стала одной из трех самых важных работ XVII века по механике (двумя другими являются «Рассуждения и математические доказательства Галилея, касающиеся двух новых наук» (1638) и «Математические начала натуральной философии» Ньютона (1687)). *Horologium Oscillatorium* – первый современный трактат, в котором физическая проблема (ускоренное движение падающего тела) идеализируется набором параметров, а затем анализируется математически, и является одной из основополагающих работ прикладной математики. Именно поэтому Гюйгенса называют первым теоретическим физиком и одним из основателей современной математической физики. *Horologium Oscillatorium* Гюйгенса оказал огромное влияние на историю физики, особенно на работы Исаака Ньютона, который высоко ценил эту работу. Например, законы, описанные Гюйгенсом в *Horologium Oscillatorium*, структурно идентичны первым двум законам движения Ньютона. Через пять лет после публикации *Horologium Oscillatorium* Гюйгенс описал свою волновую теорию света. Хотя она была предложена в 1678 году, она не была опубликована до 1690 года в его *Traité de la Lumière*. Его математическая теория света первоначально была отвергнута в пользу корпускулярной теории света Ньютона, пока Августин Жан Френель не принял принцип Гюйгенса, чтобы дать полное объяснение прямолинейному распространению и дифракции света в 1821 году. Сегодня этот принцип известен как принцип Гюйгенса-Френеля. Как астроном, Гюйгенс начал шлифовать линзы со своим братом Константином-младшим, чтобы строить телескопы для астрономических исследований. Он первым определил кольца Сатурна как «тонкое, плоское кольцо, нигде не касающееся и наклоненное к эклиптике», и открыл первый спутник Сатурна, Титан, используя рефракционный телескоп. Помимо многочисленных важных открытий, сделанных Гюйгенсом в физике и астрономии, и его изобретений гениальных устройств, он также был первым, кто привнес математическую строгость в описание физических явлений. Благодаря этому, а также благодаря тому, что он разработал институциональные рамки для научных исследований на континенте, его называют «ведущим действующим лицом в процессе становления науки в Европе».

The Dutch physicist, mathematician, astronomer and inventor Christiaan Huygens (1629–1695) was the leading scientist in Europe between Galileo and Newton. Huygens came from a family of nobility that had an important position in the Dutch society of the 17th century; a time in which the Dutch Republic flourished economically and culturally. This period— roughly between 1588 and 1702— of the history of the Netherlands is also referred to as the Dutch Golden Age, an era during the Scientific Revolution when Dutch science was among the most acclaimed in Europe. At this time, intellectuals and scientists like René Descartes, Baruch Spinoza, Pierre Bayle, Antonie van Leeuwenhoek, John Locke and Hugo Grotius resided in the Netherlands. It was in this intellectual environment where Christiaan Huygens grew up. Christiaan's father, Constantijn Huygens, was, apart from an important poet, the secretary and diplomat for the Princes of Orange. He knew many scientists of his time because of his contacts and intellectual interests, including René Descartes and Marin Mersenne, and it was because of these contacts that Christiaan Huygens became aware of their work. Especially Descartes, whose mechanistic philosophy was going to have a huge influence on Huygens' own work. Descartes was later impressed by the skills Christiaan Huygens showed in geometry, as was Mersenne, who christened him "the new Archimedes" (which led Constantijn to refer to his son as "my little Archimedes"). A child prodigy, Huygens began his correspondence with Marin Mersenne when he was 17 years old. Huygens became interested in games of chance when he encountered the work of Fermat, Blaise Pascal and Girard Desargues. It was Blaise Pascal who encourages him to write Van Rekeningh in Spelen van Gluck, which Frans van Schooten translated and published as De Ratiociniis in Ludo Aleae in 1657. The book is the earliest known scientific treatment of the subject, and at the time the most coherent presentation of a mathematical approach to games of chance. Two years later Huygens derived geometrically the now standard formulae in classical mechanics for the centripetal and centrifugal force in his work De vi Centrifuga (1659). Around the same time Huygens' research in horology resulted in the invention of the pendulum clock; a breakthrough in timekeeping and the most accurate timekeeper for almost 300 years. The theoretical research of the way the pendulum works eventually led to the publication of one of his most important achievements: the Horologium Oscillatorium. This work was published in 1673 and became one of the three most important 17th century works on mechanics (the other two being Galileo’s Discourses and Mathematical Demonstrations Relating to Two New Sciences (1638) and Newton’s Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (1687)). The Horologium Oscillatorium is the first modern treatise in which a physical problem (the accelerated motion of a falling body) is idealized by a set of parameters then analyzed mathematically and constitutes one of the seminal works of applied mathematics. It is for this reason, Huygens has been called the first theoretical physicist and one of the founders of modern mathematical physics. Huygens' Horologium Oscillatorium had a tremendous influence on the history of physics, especially on the work of Isaac Newton, who greatly admired the work. For instance, the laws Huygens described in the Horologium Oscillatorium are structurally the same as Newton's first two laws of motion. Five years after the publication of his Horologium Oscillatorium, Huygens described his wave theory of light. Though proposed in 1678, it wasn't published until 1690 in his Traité de la Lumière. His mathematical theory of light was initially rejected in favour of Newton's corpuscular theory of light, until Augustin Jean Fresnel adopted Huygens' principle to give a complete explanation of the rectilinear propagation and diffraction effects of light in 1821. Today this principle is known as the Huygens–Fresnel principle. As an astronomer, Huygens began grinding lenses with his brother Constantijn jr. to build telescopes for astronomical research. He was the first to identify the rings of Saturn as "a thin, flat ring, nowhere touching, and inclined to the ecliptic," and discovered the first of Saturn's moons, Titan, using a refracting telescope. Apart from the many important discoveries Huygens made in physics and astronomy, and his inventions of ingenious devices, he was also the first who brought mathematical rigor to the description of physical phenomena. Because of this, and the fact that he developed institutional frameworks for scientific research on the continent, he has been referred to as "the leading actor in 'the making of science in Europe

Исаак Ньютон

В конце XVII и начале XVIII века были достигнуты выдающиеся результаты физиком и математиком Кембриджского университета сэром Исааком Ньютоном (1642–1727). Ньютон, член Королевского общества Англии, объединил свои собственные открытия в области механики и астрономии с более ранними, чтобы создать единую систему для описания функционирования Вселенной. Ньютон сформулировал три закона движения, определяющие взаимосвязь между движением и телами, а также закон всемирного тяготения, который можно было использовать для объяснения поведения не только падающих тел на Земле, но и планет и других небесных тел. Для достижения этих результатов Ньютон изобрел одну из форм совершенно новой ветви математики – математического анализа (также независимо изобретенного Готфридом Лейбницем), который стал важнейшим инструментом в дальнейшем развитии большинства областей физики. Выводы Ньютона были изложены в его «Математических началах натуральной философии» (Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica), публикация которой в 1687 году ознаменовала начало современной эпохи механики и астрономии. Ньютон смог опровергнуть картезианскую механическую традицию, согласно которой все движения должны объясняться непосредственной силой, оказываемой корпускулами. Используя свои три закона движения и закон всемирного тяготения, Ньютон отказался от представления о том, что объекты движутся по путям, определяемым естественными формами, и показал, что не только регулярно наблюдаемые траектории, но и все будущие движения любого тела могут быть математически выведены на основе знания его текущего движения, массы и действующих на него сил. Однако наблюдаемые движения небесных тел не совсем точно соответствовали ньютоновскому описанию, и Ньютон, глубоко интересовавшийся теологией, полагал, что Бог вмешивается, чтобы обеспечить стабильность Солнечной системы. Принципы Ньютона (но не его математические методы) вызвали споры среди континентальных философов, которые посчитали его отсутствие метафизического объяснения движения и гравитации философски неприемлемым. Начиная примерно с 1700 года, между континентальными и британскими философскими традициями возник глубокий раскол, усугублявшийся ожесточенными, продолжающимися и крайне личными спорами между последователями Ньютона и Лейбница относительно приоритета в разработке аналитических методов математического анализа, которые каждый из них разработал независимо. Первоначально на континенте преобладали картезианские и лейбницианские традиции (что привело к доминированию лейбницианской нотации математического анализа везде, кроме Великобритании). Сам Ньютон в частном порядке беспокоился об отсутствии философского понимания гравитации, но при этом настаивал в своих работах, что для подтверждения ее реальности такое понимание не требуется. По мере развития XVIII века континентальные естествоиспытатели все больше признавали готовность ньютоновцев отказаться от онтологических метафизических объяснений математически описанных движений. Ньютон построил первый действующий рефлекторный телескоп и разработал теорию цвета, опубликованную в «Оптике», основанную на наблюдении, что призма разлагает белый свет на множество цветов, составляющих видимый спектр. В то время как Ньютон объяснял свет как состоящий из мельчайших частиц, конкурирующая волновая теория света, объясняющая его поведение с точки зрения волн, была предложена в 1690 году Христианом Гюйгенсом. Однако вера в механистическую философию в сочетании с репутацией Ньютона привела к тому, что волновая теория получила относительно небольшую поддержку до XIX века. Ньютон также сформулировал эмпирический закон охлаждения, изучал скорость звука, исследовал степенные ряды, доказал обобщенную биномиальную теорему и разработал метод приближенного вычисления корней функции. Его работы с бесконечными рядами были вдохновлены десятичными дробями Саймона Стевина. Но самое главное, Ньютон показал, что движению объектов на Земле и небесных тел управляет один и тот же набор естественных законов, которые не являются произвольными или злонамеренными. Подтвердив соответствие законам Кеплера о движении планет своей теории гравитации, Ньютон окончательно развеял последние сомнения в гелиоцентрической системе мира. Объединив все идеи, выдвинутые во время научной революции, Ньютон фактически заложил основу для современного общества в математике и науке.

The late 17th and early 18th centuries saw the achievements of Cambridge University physicist and mathematician Sir Isaac Newton (1642 1727). Newton, a fellow of the Royal Society of England, combined his own discoveries in mechanics and astronomy to earlier ones to create a single system for describing the workings of the universe. Newton formulated three laws of motion which formulated the relationship between motion and objects and also the law of universal gravitation, the latter of which could be used to explain the behavior not only of falling bodies on the earth but also planets and other celestial bodies. To arrive at his results, Newton invented one form of an entirely new branch of mathematics: calculus (also invented independently by Gottfried Leibniz), which was to become an essential tool in much of the later development in most branches of physics. Newton's findings were set forth in his Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica ("Mathematical Principles of Natural Philosophy"), the publication of which in 1687 marked the beginning of the modern period of mechanics and astronomy. Newton was able to refute the Cartesian mechanical tradition that all motions should be explained with respect to the immediate force exerted by corpuscles. Using his three laws of motion and law of universal gravitation, Newton removed the idea that objects followed paths determined by natural shapes and instead demonstrated that not only regularly observed paths, but all the future motions of any body could be deduced mathematically based on knowledge of their existing motion, their mass, and the forces acting upon them. However, observed celestial motions did not precisely conform to a Newtonian treatment, and Newton, who was also deeply interested in theology, imagined that God intervened to ensure the continued stability of the solar system. Newton's principles (but not his mathematical treatments) proved controversial with Continental philosophers, who found his lack of metaphysical explanation for movement and gravitation philosophically unacceptable. Beginning around 1700, a bitter rift opened between the Continental and British philosophical traditions, which were stoked by heated, ongoing, and viciously personal disputes between the followers of Newton and Leibniz concerning priority over the analytical techniques of calculus, which each had developed independently. Initially, the Cartesian and Leibnizian traditions prevailed on the Continent (leading to the dominance of the Leibnizian calculus notation everywhere except Britain). Newton himself remained privately disturbed at the lack of a philosophical understanding of gravitation while insisting in his writings that none was necessary to infer its reality. As the 18th century progressed, Continental natural philosophers increasingly accepted the Newtonians' willingness to forgo ontological metaphysical explanations for mathematically described motions. Newton built the first functioning reflecting telescope and developed a theory of color, published in Opticks, based on the observation that a prism decomposes white light into the many colours forming the visible spectrum. While Newton explained light as being composed of tiny particles, a rival theory of light which explained its behavior in terms of waves was presented in 1690 by Christiaan Huygens. However, the belief in the mechanistic philosophy coupled with Newton's reputation meant that the wave theory saw relatively little support until the 19th century. Newton also formulated an empirical law of cooling, studied the speed of sound, investigated power series, demonstrated the generalised binomial theorem and developed a method for approximating the roots of a function. His work on infinite series was inspired by Simon Stevin's decimals. Most importantly, Newton showed that the motions of objects on Earth and of celestial bodies are governed by the same set of natural laws, which were neither capricious nor malevolent. By demonstrating the consistency between Kepler's laws of planetary motion and his own theory of gravitation, Newton also removed the last doubts about heliocentrism. By bringing together all the ideas set forth during the Scientific Revolution, Newton effectively established the foundation for modern society in mathematics and science.

Другие достижения

В период научной революции внимание уделялось и другим отраслям физики. Уильям Гилберт, придворный врач королевы Елизаветы I, в 1600 году опубликовал важную работу о магнетизме, в которой описывал, как сама Земля ведет себя как гигантский магнит. Роберт Бойл (1627–91) изучал поведение газов, заключенных в замкнутый объем, и сформулировал закон, названный его именем; он также внес вклад в физиологию и в создание современной химии. Еще одним важным фактором научной революции был рост научных обществ и академий в различных странах. Самые ранние из них возникли в Италии и Германии, но просуществовали недолго. Более влиятельными были Королевское общество Англии (1660) и Академия наук во Франции (1666). Первое было частным учреждением в Лондоне и включало таких ученых, как Джон Уоллис, Уильям Брункер, Томас Сиденхэм, Джон Мейо и Кристофер Рен (который внес вклад не только в архитектуру, но и в астрономию и анатомию); второе, в Париже, было государственным учреждением и включало в качестве иностранного члена голландца Гюйгенса. В XVIII веке важные королевские академии были основаны в Берлине (1700) и Санкт-Петербурге (1724). Научные общества и академии предоставили основные возможности для публикации и обсуждения научных результатов в период и после научной революции. В 1690 году Джеймс Бернулли показал, что циклоида является решением задачи о таутохроне; а в следующем году, в 1691 году, Иоганн Бернулли показал, что цепь, свободно подвешенная к двум точкам, образует цепную линию – кривую с наименьшим возможным центром тяжести для любой цепи, подвешенной между двумя фиксированными точками. Затем, в 1696 году, он доказал, что циклоида является решением задачи о брахистохроне.

Ранняя термодинамика

Предшественник двигателя был разработан немецким ученым Отто фон Геррике, который в 1650 году спроектировал и построил первый в мире вакуумный насос для создания вакуума, продемонстрированного в эксперименте с магдебургскими полушариями. Он стремился создать вакуум, чтобы опровергнуть давнее предположение Аристотеля о том, что «Природа не терпит пустоты». Вскоре после этого ирландский физик и химик Бойль узнал о разработках Геррика и в 1656 году, в сотрудничестве с английским ученым Робертом Гуком, построил воздушный насос. Используя этот насос, Бойль и Гук обнаружили зависимость между давлением и объемом газа: PV = k, где P – давление, V – объем, а k – константа; эта зависимость известна как закон Бойля. В то время воздух представляли как систему неподвижных частиц, а не как систему движущихся молекул. Концепция теплового движения возникла два столетия спустя. Поэтому в публикации Бойля 1660 года речь идет о механической концепции: воздушной пружине. Позже, после изобретения термометра, свойство температуры стало поддаваться количественному определению. Этот инструмент дал Гей-Люссаку возможность вывести свой закон, который вскоре после этого привел к закону идеального газа. Однако еще до установления закона идеального газа, в 1679 году сотрудник Бойля по имени Денис Папен построил «костеварку» – закрытый сосуд с плотно прилегающей крышкой, который удерживал пар до создания высокого давления. В более поздних конструкциях был предусмотрен выпускной клапан для предотвращения взрыва машины. Наблюдая за ритмичным движением клапана вверх и вниз, Папен пришел к идее двигателя с поршнем и цилиндром. Однако он не реализовал свой проект. Тем не менее, в 1697 году инженер Томас Сэвери, основываясь на разработках Папена, построил первый двигатель. Хотя эти ранние двигатели были примитивными и неэффективными, они привлекли внимание ведущих ученых того времени. Таким образом, до 1698 года и изобретения двигателя Сэвери лошади использовались для привода шкивов, прикрепленных к ведрам, которые выкачивали воду из затопленных соляных шахт в Англии. В последующие годы были построены различные модификации паровых двигателей, такие как двигатель Ньюкомена, а затем двигатель Уатта. Со временем эти ранние двигатели стали использоваться вместо лошадей. Таким образом, каждый двигатель стал ассоциироваться с определенным количеством «лошадиных сил», в зависимости от того, сколько лошадей он заменял. Основная проблема этих первых двигателей заключалась в том, что они были медленными и громоздкими, преобразуя менее 2% энергии топлива в полезную работу. Иными словами, для получения небольшого количества полезной работы требовалось сжигать большое количество угля (или дров). Отсюда возникла потребность в новой науке о динамике двигателей.

A precursor of the engine was designed by the German scientist Otto von Guericke who, in 1650, designed and built the world's first vacuum pump to create a vacuum as demonstrated in the Magdeburg hemispheres experiment. He was driven to make a vacuum to disprove Aristotle's long held supposition that 'Nature abhors a vacuum'. Shortly thereafter, Irish physicist and chemist Boyle had learned of Guericke's designs and in 1656, in coordination with English scientist Robert Hooke, built an air pump. Using this pump, Boyle and Hooke noticed the pressure volume correlation for a gas: PV = k, where P is pressure, V is volume and k is a constant: this relationship is known as Boyle's Law. In that time, air was assumed to be a system of motionless particles, and not interpreted as a system of moving molecules. The concept of thermal motion came two centuries later. Therefore, Boyle's publication in 1660 speaks about a mechanical concept: the air spring. Later, after the invention of the thermometer, the property temperature could be quantified. This tool gave Gay Lussac the opportunity to derive his law, which led shortly later to the ideal gas law. But, already before the establishment of the ideal gas law, an associate of Boyle's named Denis Papin built in 1679 a bone digester, which is a closed vessel with a tightly fitting lid that confines steam until a high pressure is generated. Later designs implemented a steam release valve to keep the machine from exploding. By watching the valve rhythmically move up and down, Papin conceived of the idea of a piston and cylinder engine. He did not however follow through with his design. Nevertheless, in 1697, based on Papin's designs, engineer Thomas Savery built the first engine. Although these early engines were crude and inefficient, they attracted the attention of the leading scientists of the time. Hence, prior to 1698 and the invention of the Savery Engine, horses were used to power pulleys, attached to buckets, which lifted water out of flooded salt mines in England. In the years to follow, more variations of steam engines were built, such as the Newcomen Engine, and later the Watt Engine. In time, these early engines would eventually be used in place of horses. Thus, each engine began to be associated with a certain amount of "horse power" depending upon how many horses it had replaced. The main problem with these first engines was that they were slow and clumsy, converting less than 2% of the input fuel into useful work. In other words, large quantities of coal (or wood) had to be burned to yield only a small fraction of work output. Hence the need for a new science of engine dynamics was born.

Развитие в 18 веке

В течение 18-го века механика, заложенная Ньютоном, была развита рядом ученых, поскольку все больше математиков осваивали математический анализ и углубляли его первоначальные положения. Применение математического анализа к задачам движения получило название рациональной механики, или смешанной математики (а впоследствии — классической механики).

Механика

В 1714 году Брук Тейлор вывел формулу для основной частоты растянутой вибрирующей струны, выразив её через натяжение и массу на единицу длины, решив дифференциальное уравнение. Швейцарский математик Даниэль Бернулли (1700–1782) провел важные математические исследования поведения газов, предвосхитив кинетическую теорию газов, разработанную более чем через столетие, и был назван первым математическим физиком. В 1733 году Даниэль Бернулли вывел формулу для основной частоты и гармоник висячей цепи, решив дифференциальное уравнение. В 1734 году Бернулли решил дифференциальное уравнение для колебаний упругого стержня, закрепленного на одном конце. Труды Бернулли по гидродинамике и его исследование течения жидкости были представлены в его работе 1738 года «Гидродинамика». Рациональная механика занималась прежде всего разработкой сложных математических методов описания наблюдаемых движений, используя принципы Ньютона в качестве основы, и была направлена на повышение вычислимости сложных задач и разработку обоснованных методов аналитического приближения. Типичным учебником того времени была работа Иоганна Батиста Хорвата. К концу века аналитические методы стали достаточно строгими, чтобы подтвердить стабильность Солнечной системы исключительно на основе законов Ньютона, без обращения к божественному вмешательству, хотя детерминированное решение даже таких простых систем, как задача трех тел в гравитации, оставалось неразрешимым. В 1705 году Эдмонд Галлей предсказал периодичность кометы Галлея, Уильям Гершель открыл Уран в 1781 году, а Генри Кавендиш измерил гравитационную постоянную и определил массу Земли в 1798 году. В 1783 году Джон Мичелл предположил, что некоторые объекты могут быть настолько массивными, что даже свет не сможет покинуть их. В 1739 году Леонард Эйлер решил обыкновенное дифференциальное уравнение для вынужденного гармонического осциллятора и обнаружил явление резонанса. В 1742 году Колин Маклорин открыл свои равномерно вращающиеся самогравитирующие сфероиды. В 1742 году Бенджамин Робинс опубликовал «Новые принципы артиллерии», заложив основы науки аэродинамики. Исследования британских ученых, таких как Тейлор и Маклорин, отставали от континентальных разработок по мере продвижения века. Тем временем на континенте активно развивалась наука в научных академиях, возглавляемых такими математиками, как Бернулли и Эйлер, а также Жозефом Луи Лагранжем, Пьером Симоном Лапласом и Адриеном Мари Лежандром. В 1743 году Жан Лерон Даламбер опубликовал «Трактат по динамике», в котором он ввел понятие обобщенных сил для систем с ускорением и ограничениями, и применил новую идею виртуальной работы для решения динамических задач, теперь известную как принцип Даламбера, как альтернативу второму закону движения Ньютона. В 1747 году Пьер Луи Мопертюи применил принципы минимума к механике. В 1759 году Эйлер решил частное дифференциальное уравнение для колебаний прямоугольной мембраны. В 1764 году Эйлер исследовал частное дифференциальное уравнение для колебаний круглой мембраны и нашел одно из решений функции Бесселя. В 1776 году Джон Смитон опубликовал статью об экспериментах, связанных с мощностью, работой, импульсом и кинетической энергией, подтверждающих закон сохранения энергии. В 1788 году Лагранж представил свои уравнения движения в «Аналитической механике», в которой вся механика была организована вокруг принципа виртуальной работы. В 1789 году Антуан Лавуазье сформулировал закон сохранения массы. Рациональная механика, разработанная в XVIII веке, получила изложение в «Аналитической механике» Лагранжа и «Трактате по небесной механике» Лапласа (1799–1825).

In 1714, Brook Taylor derived the fundamental frequency of a stretched vibrating string in terms of its tension and mass per unit length by solving a differential equation. The Swiss mathematician Daniel Bernoulli (1700–1782) made important mathematical studies of the behavior of gases, anticipating the kinetic theory of gases developed more than a century later, and has been referred to as the first mathematical physicist. In 1733, Daniel Bernoulli derived the fundamental frequency and harmonics of a hanging chain by solving a differential equation. In 1734, Bernoulli solved the differential equation for the vibrations of an elastic bar clamped at one end. Bernoulli's treatment of fluid dynamics and his examination of fluid flow was introduced in his 1738 work Hydrodynamica. Rational mechanics dealt primarily with the development of elaborate mathematical treatments of observed motions, using Newtonian principles as a basis, and emphasized improving the tractability of complex calculations and developing of legitimate means of analytical approximation. A representative contemporary textbook was published by Johann Baptiste Horvath. By the end of the century analytical treatments were rigorous enough to verify the stability of the Solar System solely on the basis of Newton's laws without reference to divine intervention—even as deterministic treatments of systems as simple as the three body problem in gravitation remained intractable. In 1705, Edmond Halley predicted the periodicity of Halley's Comet, William Herschel discovered Uranus in 1781, and Henry Cavendish measured the gravitational constant and determined the mass of the Earth in 1798. In 1783, John Michell suggested that some objects might be so massive that not even light could escape from them. In 1739, Leonhard Euler solved the ordinary differential equation for a forced harmonic oscillator and noticed the resonance phenomenon. In 1742, Colin Maclaurin discovered his uniformly rotating self gravitating spheroids. In 1742, Benjamin Robins published his New Principles in Gunnery, establishing the science of aerodynamics. British work, carried on by mathematicians such as Taylor and Maclaurin, fell behind Continental developments as the century progressed. Meanwhile, work flourished at scientific academies on the Continent, led by such mathematicians as Bernoulli and Euler, as well as Joseph Louis Lagrange, Pierre Simon Laplace, and Adrien Marie Legendre. In 1743, Jean le Rond d'Alembert published his Traité de dynamique, in which he introduced the concept of generalized forces for accelerating systems and systems with constraints, and applied the new idea of virtual work to solve dynamical problem, now known as D'Alembert's principle, as a rival to Newton's second law of motion. In 1747, Pierre Louis Maupertuis applied minimum principles to mechanics. In 1759, Euler solved the partial differential equation for the vibration of a rectangular drum. In 1764, Euler examined the partial differential equation for the vibration of a circular drum and found one of the Bessel function solutions. In 1776, John Smeaton published a paper on experiments relating power, work, momentum and kinetic energy, and supporting the conservation of energy. In 1788, Lagrange presented his equations of motion in Mécanique analytique, in which the whole of mechanics was organized around the principle of virtual work. In 1789, Antoine Lavoisier stated the law of conservation of mass. The rational mechanics developed in the 18th century received expositions in both Lagrange's Mécanique analytique and Laplace's Traité de mécanique céleste (1799–1825).

Термодинамика

В течение 18-го века термодинамика развивалась на основе теорий невесомых «неосязаемых жидкостей», таких как тепло («калорическое»), электричество и флогистон (который был быстро отвергнут как концепция после того, как Лавуазье идентифицировал кислородный газ в конце века). Исходя из предположения, что эти понятия представляли собой реальные жидкости, их течение можно было отследить с помощью механических аппаратов или химических реакций. Эта экспериментальная традиция привела к разработке новых типов экспериментального оборудования, таких как лейденская банка, и новых измерительных приборов, таких как калориметр, а также к усовершенствованию старых, например, термометра. Эксперименты также породили новые концепции, такие как представление о скрытой теплоте, выдвинутое Джозефом Блэком из Университета Глазго, и характеристика электрической жидкости, данная Бенджамином Франклином из Филадельфии, как потока между местами избытка и недостатка (концепция, позже переосмысленная в терминах положительных и отрицательных зарядов). Франклин также показал, что молния — это электричество в 1752 году. Принятая в 18-м веке теория тепла рассматривала тепло как разновидность жидкости, называемую калорией; хотя впоследствии эта теория была признана ошибочной, ряд ученых, придерживавшихся ее, тем не менее, сделали важные открытия, полезные для развития современной теории, включая Джозефа Блэка (1728–99) и Генри Кавендиша (1731–1810). Противоположностью этой калорической теории, разработанной в основном химиками, была менее распространенная теория, восходящая ко времени Ньютона, согласно которой тепло обусловлено движением частиц вещества. Эта механическая теория получила поддержку в 1798 году в результате экспериментов по развертыванию пушек, проведенных графом Рамфордом (Бенджамином Томпсоном), который обнаружил прямую связь между теплом и механической энергией. Хотя в начале 18-го века было признано, что нахождение абсолютных теорий электростатической и магнитной силы, подобных принципам движения Ньютона, стало бы важным достижением, ни одна из них не была предложена. Эта невозможность постепенно исчезала по мере того, как экспериментальная практика становилась все более распространенной и усовершенствованной в первые годы 19-го века в таких местах, как недавно основанный Королевский институт в Лондоне. Тем временем аналитические методы рациональной механики начали применяться к экспериментальным явлениям, наиболее влиятельно — аналитическое рассмотрение теплопроводности французским математиком Жозефом Фурье, опубликованное в 1822 году. Жозеф Пристли предложил закон обратных квадратов для электричества в 1767 году, а Шарль Огюстен де Кулон представил закон обратных квадратов для электростатики в 1798 году. К концу века члены Французской академии наук достигли явного доминирования в этой области. В то же время сохранялась экспериментальная традиция, заложенная Галилеем и его последователями. Королевское общество и Французская академия наук были основными центрами проведения и публикации результатов экспериментов. Эксперименты в области механики, оптики, магнетизма, статического электричества, химии и физиологии в течение 18-го века не были четко разграничены друг от друга, но возникали значительные различия в объяснительных схемах и, следовательно, в конструкции экспериментов. Например, химики-экспериментаторы отвергали попытки навязать схему абстрактных ньютоновских сил химическим взаимодействиям и вместо этого сосредотачивались на выделении и классификации химических веществ и реакций.

During the 18th century, thermodynamics was developed through the theories of weightless "imponderable fluids", such as heat ("caloric"), electricity, and phlogiston (which was rapidly overthrown as a concept following Lavoisier's identification of oxygen gas late in the century). Assuming that these concepts were real fluids, their flow could be traced through a mechanical apparatus or chemical reactions. This tradition of experimentation led to the development of new kinds of experimental apparatus, such as the Leyden Jar; and new kinds of measuring instruments, such as the calorimeter, and improved versions of old ones, such as the thermometer. Experiments also produced new concepts, such as the University of Glasgow experimenter Joseph Black's notion of latent heat and Philadelphia intellectual Benjamin Franklin's characterization of electrical fluid as flowing between places of excess and deficit (a concept later reinterpreted in terms of positive and negative charges). Franklin also showed that lightning is electricity in 1752. The accepted theory of heat in the 18th century viewed it as a kind of fluid, called caloric; although this theory was later shown to be erroneous, a number of scientists adhering to it nevertheless made important discoveries useful in developing the modern theory, including Joseph Black (1728–99) and Henry Cavendish (1731–1810). Opposed to this caloric theory, which had been developed mainly by the chemists, was the less accepted theory dating from Newton's time that heat is due to the motions of the particles of a substance. This mechanical theory gained support in 1798 from the cannon boring experiments of Count Rumford (Benjamin Thompson), who found a direct relationship between heat and mechanical energy. While it was recognized early in the 18th century that finding absolute theories of electrostatic and magnetic force akin to Newton's principles of motion would be an important achievement, none were forthcoming. This impossibility only slowly disappeared as experimental practice became more widespread and more refined in the early years of the 19th century in places such as the newly established Royal Institution in London. Meanwhile, the analytical methods of rational mechanics began to be applied to experimental phenomena, most influentially with the French mathematician Joseph Fourier's analytical treatment of the flow of heat, as published in 1822. Joseph Priestley proposed an electrical inverse square law in 1767, and Charles Augustin de Coulomb introduced the inverse square law of electrostatics in 1798. At the end of the century, the members of the French Academy of Sciences had attained clear dominance in the field. At the same time, the experimental tradition established by Galileo and his followers persisted. The Royal Society and the French Academy of Sciences were major centers for the performance and reporting of experimental work. Experiments in mechanics, optics, magnetism, static electricity, chemistry, and physiology were not clearly distinguished from each other during the 18th century, but significant differences in explanatory schemes and, thus, experiment design were emerging. Chemical experimenters, for instance, defied attempts to enforce a scheme of abstract Newtonian forces onto chemical affiliations, and instead focused on the isolation and classification of chemical substances and reactions.

Механика

В 1821 году Уильям Гамильтон начал анализ характеристической функции Гамильтона. В 1835 году он сформулировал канонические уравнения движения Гамильтона. В 1813 году Питер Эварт поддержал идею сохранения энергии в своей работе «О мерах движущей силы». В 1829 году Гаспар Кориолис ввёл термины работы (сила, умноженная на расстояние) и кинетической энергии в значениях, которые они имеют сегодня. В 1841 году Юлиус Роберт фон Майер, ученый-любитель, написал статью о сохранении энергии, однако отсутствие у него академической подготовки привело к её отклонению. В 1847 году Герман фон Гельмгольц сформулировал закон сохранения энергии.

Электромагнетизм

В 1800 году Алессандро Вольта изобрел электрическую батарею (известную как вольтов столб) и тем самым усовершенствовал методы изучения электрических токов. Год спустя Томас Янг продемонстрировал волновую природу света, которая получила сильную экспериментальную поддержку в работах Огюстена Жана Френеля, и принцип интерференции. В 1820 году Ханс Кристиан Эрстед обнаружил, что проводник с током создает магнитное поле вокруг себя, и в течение недели после того, как известие об открытии Эрстеда достигло Франции, Андре-Мари Ампер установил, что два параллельных электрических тока оказывают друг на друга силы. В 1821 году Майкл Фарадей построил электромотор, а в 1826 году Георг Ом сформулировал закон электрического сопротивления, выражающий взаимосвязь между напряжением, током и сопротивлением в электрической цепи. В 1831 году Фарадей (и независимо от него Джозеф Генри) открыли обратный эффект – возникновение электрического потенциала или тока под действием магнетизма, известный как электромагнитная индукция; эти два открытия легли в основу электромотора и электрического генератора соответственно.

Законы термодинамики

В XIX веке связь между теплом и механической энергией была количественно установлена Джулиусом Робертом фон Майером и Джеймсом Прескоттом Джоулем, которые измерили механический эквивалент тепла в 1840-х годах. В 1849 году Джоуль опубликовал результаты своей серии экспериментов (включая эксперимент с колесом с лопастями), которые показали, что тепло является формой энергии, факт, который был принят в 1850-х годах. Взаимосвязь между теплом и энергией была важна для развития паровых двигателей, и в 1824 году была опубликована экспериментальная и теоретическая работа Сади Карно. Карно отразил некоторые идеи термодинамики в своем обсуждении эффективности идеализированного двигателя. Работа Сади Карно послужила основой для формулирования первого закона термодинамики — переформулировки закона сохранения энергии, который был сформулирован около 1850 года Уильямом Томсоном, позже известным как лорд Кельвин, и Рудольфом Клаузиусом. Лорд Кельвин, который в 1848 году распространил концепцию абсолютного нуля от газов на все вещества, опирался на инженерную теорию Лазара Карно, Сади Карно и Эмиля Клэперона, а также на эксперименты Джеймса Прескотта Джоуля о взаимозаменяемости механических, химических, тепловых и электрических форм энергии, чтобы сформулировать первый закон. Кельвин и Клаузиус также сформулировали второй закон термодинамики, который первоначально был сформулирован в терминах того факта, что тепло не течет самопроизвольно от более холодного тела к более горячему. Другие формулировки последовали быстро (например, второй закон был изложен в влиятельной работе Томсона и Питера Гетри Тейта «Трактат о естественной философии»), и Кельвин, в частности, понял некоторые общие последствия этого закона. Второй закон — идея о том, что газы состоят из молекул в движении — была подробно обсуждена Даниэлем Бернулли в 1738 году, но потеряла популярность и была возрождена Клаузиусом в 1857 году. В 1850 году Гипполит Физо и Леон Фуко измерили скорость света в воде и обнаружили, что она медленнее, чем в воздухе, что подтверждает волновую модель света. В 1852 году Джоуль и Томсон продемонстрировали, что быстро расширяющийся газ охлаждается, что впоследствии получило название эффекта Джоуля — Томсона или эффекта Джоуля — Кельвина. Герман фон Гельмгольц выдвинул идею тепловой смерти Вселенной в 1854 году, в том же году, когда Клаузиус установил важность dQ/T (теоремы Клаузиуса) (хотя он еще не дал название этой величине).

In the 19th century, the connection between heat and mechanical energy was established quantitatively by Julius Robert von Mayer and James Prescott Joule, who measured the mechanical equivalent of heat in the 1840s. In 1849, Joule published results from his series of experiments (including the paddlewheel experiment) which show that heat is a form of energy, a fact that was accepted in the 1850s. The relation between heat and energy was important for the development of steam engines, and in 1824 the experimental and theoretical work of Sadi Carnot was published. Carnot captured some of the ideas of thermodynamics in his discussion of the efficiency of an idealized engine. Sadi Carnot's work provided a basis for the formulation of the first law of thermodynamics—a restatement of the law of conservation of energy—which was stated around 1850 by William Thomson, later known as Lord Kelvin, and Rudolf Clausius. Lord Kelvin, who had extended the concept of absolute zero from gases to all substances in 1848, drew upon the engineering theory of Lazare Carnot, Sadi Carnot, and Émile Clapeyron–as well as the experimentation of James Prescott Joule on the interchangeability of mechanical, chemical, thermal, and electrical forms of work—to formulate the first law. Kelvin and Clausius also stated the second law of thermodynamics, which was originally formulated in terms of the fact that heat does not spontaneously flow from a colder body to a hotter. Other formulations followed quickly (for example, the second law was expounded in Thomson and Peter Guthrie Tait's influential work Treatise on Natural Philosophy) and Kelvin in particular understood some of the law's general implications. The second Law–the idea that gases consist of molecules in motion–had been discussed in some detail by Daniel Bernoulli in 1738, but had fallen out of favor, and was revived by Clausius in 1857. In 1850, Hippolyte Fizeau and Léon Foucault measured the speed of light in water and find that it is slower than in air, in support of the wave model of light. In 1852, Joule and Thomson demonstrated that a rapidly expanding gas cools, later named the Joule–Thomson effect or Joule–Kelvin effect. Hermann von Helmholtz puts forward the idea of the heat death of the universe in 1854, the same year that Clausius established the importance of dQ/T (Clausius's theorem) (though he did not yet name the quantity).

Статистическая механика (фундаментально новый подход к науке)

В 1859 году Джеймс Клерк Максвелл открыл закон распределения молекулярных скоростей. Максвелл показал, что электрические и магнитные поля распространяются от источника со скоростью, равной скорости света, и что свет является одним из видов электромагнитного излучения, отличающимся от других лишь частотой и длиной волны. В 1859 году Максвелл разработал математический аппарат для описания распределения скоростей молекул газа. К моменту работы Максвелла над электромагнитным полем волновая теория света была общепринятой, и впоследствии изучение света и электричества с магнетизмом тесно переплелись. В 1864 году Джеймс Максвелл опубликовал свои работы по динамической теории электромагнитного поля, а в 1873 году, в "Трактате Максвелла об электричестве и магнетизме", заявил, что свет – это электромагнитное явление. Эта работа опиралась на теоретические труды немецких ученых, таких как Карл Фридрих Гаус и Вильгельм Вебер. Объединение представления о тепле как о движении частиц и добавление электромагнитных сил к ньютоновской динамике заложили чрезвычайно прочный теоретический фундамент для физических наблюдений. Предсказание о том, что свет представляет собой передачу энергии в виде волн через "светоносный эфир", и, казалось бы, подтверждение этого предсказания благодаря обнаружению электромагнитного излучения в 1888 году студентом Гельмгольца Генрихом Герцем, стало крупным триумфом физической теории и открыло возможность разработки еще более фундаментальных теорий, основанных на поле. Экспериментальное подтверждение теории Максвелла было получено Герцем, который в 1886 году генерировал и обнаружил электрические волны, проверив их свойства и предвосхитив их применение в радио, телевидении и других устройствах. В 1887 году Генрих Герц открыл фотоэлектрический эффект. Исследования электромагнитных волн начались вскоре после этого, и многие ученые и изобретатели проводили эксперименты с их свойствами. В середине и конце 1890-х годов Гульельмо Маркони разработал беспроводную телеграфную систему на основе радиоволн (см. изобретение радио). Атомная теория материи была вновь предложена в начале XIX века химиком Джоном Дальтоном и стала одной из гипотез кинетической молекулярной теории газов, разработанной Клаузиусом и Джеймсом Клерком Максвеллом для объяснения законов термодинамики. Кинетическая теория, в свою очередь, привела к революционному подходу в науке – статистической механике Людвига Больцмана (1844–1906) и Джосии Вилларда Гиббса (1839–1903), которая изучает статистику микросостояний системы и использует статистические методы для определения состояния физической системы. Устанавливая связь между статистической вероятностью определенных состояний организации частиц и энергией этих состояний, Клаузиус переосмыслил рассеяние энергии как статистическую тенденцию молекулярных конфигураций к переходу в более вероятные, более неупорядоченные состояния (введя термин "энтропия" для описания неупорядоченности состояния). Статистическая и абсолютная интерпретации второго закона термодинамики вызвали спор, который продолжался несколько десятилетий (породив такие аргументы, как "демон Максвелла"), и который не был окончательно разрешен до тех пор, пока поведение атомов не было окончательно установлено в начале XX века. В 1902 году Джеймс Джинс определил масштаб длины, необходимый для роста гравитационных возмущений в статической почти однородной среде.

In 1859, James Clerk Maxwell discovered the distribution law of molecular velocities. Maxwell showed that electric and magnetic fields are propagated outward from their source at a speed equal to that of light and that light is one of several kinds of electromagnetic radiation, differing only in frequency and wavelength from the others. In 1859, Maxwell worked out the mathematics of the distribution of velocities of the molecules of a gas. The wave theory of light was widely accepted by the time of Maxwell's work on the electromagnetic field, and afterward the study of light and that of electricity and magnetism were closely related. In 1864 James Maxwell published his papers on a dynamical theory of the electromagnetic field, and stated that light is an electromagnetic phenomenon in the 1873 publication of Maxwell's Treatise on Electricity and Magnetism. This work drew upon theoretical work by German theoreticians such as Carl Friedrich Gauss and Wilhelm Weber. The encapsulation of heat in particulate motion, and the addition of electromagnetic forces to Newtonian dynamics established an enormously robust theoretical underpinning to physical observations. The prediction that light represented a transmission of energy in wave form through a "luminiferous ether", and the seeming confirmation of that prediction with Helmholtz student Heinrich Hertz's 1888 detection of electromagnetic radiation, was a major triumph for physical theory and raised the possibility that even more fundamental theories based on the field could soon be developed. Experimental confirmation of Maxwell's theory was provided by Hertz, who generated and detected electric waves in 1886 and verified their properties, at the same time foreshadowing their application in radio, television, and other devices. In 1887, Heinrich Hertz discovered the photoelectric effect. Research on the electromagnetic waves began soon after, with many scientists and inventors conducting experiments on their properties. In the mid to late 1890s Guglielmo Marconi developed a radio wave based wireless telegraphy system
(see invention of radio). The atomic theory of matter had been proposed again in the early 19th century by the chemist John Dalton and became one of the hypotheses of the kinetic molecular theory of gases developed by Clausius and James Clerk Maxwell to explain the laws of thermodynamics. The kinetic theory in turn led to a revolutionary approach to science, the statistical mechanics of Ludwig Boltzmann (1844–1906) and Josiah Willard Gibbs (1839–1903), which studies the statistics of microstates of a system and uses statistics to determine the state of a physical system. Interrelating the statistical likelihood of certain states of organization of these particles with the energy of those states, Clausius reinterpreted the dissipation of energy to be the statistical tendency of molecular configurations to pass toward increasingly likely, increasingly disorganized states (coining the term "entropy" to describe the disorganization of a state). The statistical versus absolute interpretations of the second law of thermodynamics set up a dispute that would last for several decades (producing arguments such as "Maxwell's demon"), and that would not be held to be definitively resolved until the behavior of atoms was firmly established in the early 20th century. In 1902, James Jeans found the length scale required for gravitational perturbations to grow in a static nearly homogeneous medium.

Другие события

В 1822 году ботаник Роберт Браун открыл броуновское движение: пыльцевые зерна в воде, находящиеся в непрерывном движении под воздействием бомбардировки быстродвижущимися атомами или молекулами жидкости. В 1834 году Карл Якоби открыл равномерно вращающиеся самогравитирующие эллипсоиды (эллипсоид Якоби). В 1834 году Джон Рассел наблюдал нерассеивающуюся одиночную волну (солитон) в канале Юнион близ Эдинбурга и использовал резервуар с водой для изучения зависимости скорости одиночных волн от амплитуды и глубины воды. В 1835 году Гаспар Кориолис теоретически исследовал механическую эффективность водяных колес и вывел эффект Кориолиса. В 1842 году Кристиан Доплер предложил эффект Доплера. В 1851 году Леон Фуко продемонстрировал вращение Земли с помощью большого маятника (маятник Фуко). В первой половине века были достигнуты важные успехи в механике сплошных сред, в частности, сформулированы законы упругости для твердых тел и открыты уравнения Навье-Стокса для жидкостей.

XX век: зарождение современной физики

В конце XIX века физика достигла такого уровня развития, что классическая механика могла успешно решать весьма сложные задачи, связанные с макроскопическими явлениями; термодинамика и кинетическая теория были хорошо разработаны; геометрическая и физическая оптика могла быть объяснена с точки зрения электромагнитных волн; и законы сохранения энергии и импульса (и массы) получили широкое признание. Эти и другие достижения были настолько значительными, что общепринятым стало мнение, будто все фундаментальные законы физики открыты, и дальнейшие исследования будут сосредоточены на уточнении незначительных деталей, а также на совершенствовании методов и измерений. Однако, примерно в 1900 году возникли серьезные сомнения в полноте классических теорий – например, триумф теории Максвелла был поставлен под вопрос из-за уже проявлявшихся недостатков – и их неспособности объяснить некоторые физические явления, такие как распределение энергии в излучении абсолютно черного тела и фотоэффект, при этом некоторые теоретические построения приводили к парадоксам при доведении до предела. Выдающиеся физики, такие как Хендрик Лоренц, Эмиль Кон, Эрнст Вихерт и Вильгельм Вин, полагали, что некоторые модификации уравнений Максвелла могут послужить основой для всех физических законов. Эти недостатки классической физики так и не были устранены, и потребовались новые идеи. В начале XX века в мире физики произошла масштабная революция, положившая начало новой эпохе, обычно называемой современной физикой.

Испытания с излучением

В XIX веке экспериментаторы начали обнаруживать неожиданные формы излучения: открытие рентгеновских лучей Вильгельмом Рентгеном в 1895 году произвело сенсацию; в 1896 году Анри Беккерель обнаружил, что некоторые виды материи самопроизвольно излучают. В 1897 году Дж. Дж. Томсон открыл электрон, а новые радиоактивные элементы, обнаруженные Марией и Пьером Кюри, поставили под вопрос представление о неразрушимости атома и природе материи. Мария и Пьер ввели термин "радиоактивность" для описания этого свойства материи и выделили радиоактивные элементы радий и полоний. Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди отождествили две формы излучения, обнаруженные Беккерелем, с электронами и элементом гелием. Резерфорд определил и классифицировал два типа радиоактивности, а в 1911 году интерпретировал экспериментальные данные, показавшие, что атом состоит из плотного, положительно заряженного ядра, окруженного отрицательно заряженными электронами. Однако классическая теория предсказывала нестабильность этой структуры. Классическая теория также не смогла успешно объяснить два других экспериментальных результата, полученных в конце XIX века. Одним из них была демонстрация Альберта А. Микельсона и Эдварда В. Морли, известная как эксперимент Микельсона-Морли, которая показала отсутствие предпочтительной системы отсчета, покоящейся относительно гипотетического светоносного эфира, для описания электромагнитных явлений. Исследования радиации и радиоактивного распада оставались приоритетным направлением физических и химических исследований вплоть до 1930-х годов, когда открытие ядерного деления Лизой Майтнер и Отто Фришем открыло путь к практическому использованию так называемой "атомной" энергии.

Теория относительности Альберта Эйнштейна

В 1905 году 26-летний немецкий физик по имени Альберт Эйнштейн (в то время работавший патентным клерком в Берне, Швейцария) показал, как измерения времени и пространства подвержены влиянию движения между наблюдателем и наблюдаемым объектом. Радикальная теория относительности Эйнштейна произвела революцию в науке. Хотя Эйнштейн внес множество других важных вкладов в науку, одна лишь теория относительности представляет собой одно из величайших интеллектуальных достижений всех времен. Хотя концепция относительности была сформулирована не Эйнштейном, он установил, что скорость света в вакууме постоянна, то есть одинакова для всех наблюдателей, и является абсолютным пределом скорости. Это не оказывает влияния на повседневную жизнь, поскольку большинство объектов движутся со скоростями, значительно меньшими скорости света. Однако для объектов, движущихся со скоростями, близкими к скорости света, теория относительности показывает, что связанные с ними часы будут идти медленнее, а сами объекты будут сокращаться в длине при измерении наблюдателем на Земле. Эйнштейн также вывел знаменитое уравнение E=mc², выражающее эквивалентность массы и энергии.

Специальная теория относительности

Эйнштейн утверждал, что скорость света является постоянной во всех инерциальных системах отсчета и что электромагнитные законы должны оставаться справедливыми независимо от системы отсчета — утверждения, которые сделали эфир "излишним" для физической теории и постулировали, что наблюдения времени и длины изменяются в зависимости от движения наблюдателя относительно измеряемого объекта (что впоследствии получило название "специальной теории относительности"). Из этого также следовало, что масса и энергия являются взаимозаменяемыми величинами, согласно уравнению E=mc². В другой статье, опубликованной в том же году, Эйнштейн утверждал, что электромагнитное излучение передается в дискретных количествах ("квантах") в соответствии с константой, предложенной теоретическим физиком Максом Планком в 1900 году для создания точной теории распределения излучения абсолютно черного тела — предположение, которое объясняло странные свойства фотоэффекта. Специальная теория относительности представляет собой формулировку взаимосвязи между физическими наблюдениями и понятиями пространства и времени. Теория возникла из противоречий между электромагнетизмом и ньютоновской механикой и оказала значительное влияние на обе эти области. Изначальной исторической проблемой был вопрос о том, имеет ли смысл говорить об электромагнитной волне, переносящей "эфир", и о движении относительно него, а также о возможности обнаружить такое движение, как безуспешно пытались сделать в эксперименте Майкельсона — Морли. Эйнштейн разрешил эти вопросы и отверг концепцию эфира в своей специальной теории относительности. Однако его базовая формулировка не включает в себя детальную электромагнитную теорию. Она исходит из вопроса: "Что такое время?". Ньютон в "Математических началах натуральной философии" (1686) дал однозначный ответ: "Абсолютное, истинное и математическое время само по себе и по своей природе течет равномерно без всякого отношения к чему-либо внешнему и другим именем называется длительностью". Это определение является основополагающим для всей классической физики. Эйнштейн проявил гений, поставив это под сомнение, и обнаружил, что оно неполно. Вместо этого каждый "наблюдатель" неизбежно использует свою собственную шкалу времени, и для двух наблюдателей, находящихся в относительном движении, их шкалы времени будут различаться. Это вызывает соответствующий эффект на измерения положения. Пространство и время становятся взаимосвязанными понятиями, принципиально зависящими от наблюдателя. Каждый наблюдатель оперирует своей собственной пространственно-временной структурой или системой координат. Поскольку нет абсолютной системы отсчета, все наблюдатели, регистрирующие данные события, получают различные, но равноправные (и согласованные) измерения. То, что остается абсолютным, сформулировано в постулате относительности Эйнштейна: "Основные законы физики одинаковы для двух наблюдателей, находящихся в состоянии постоянной относительной скорости друг относительно друга". Специальная теория относительности оказала глубокое влияние на физику: начавшись как переосмысление теории электромагнетизма, она открыла новый закон симметрии природы, ныне известный как симметрия Пуанкаре, который заменил старую галилеевскую симметрию. Специальная теория относительности оказала также долгосрочное влияние на динамику. Хотя изначально ей приписывали "объединение массы и энергии", стало очевидно, что релятивистская динамика установила четкое различие между массой покоя, которая является инвариантным (не зависящим от наблюдателя) свойством частицы или системы частиц, и энергией и импульсом системы. Последние два сохраняются отдельно во всех ситуациях, но не являются инвариантными относительно разных наблюдателей. Термин "масса" в физике частиц претерпел семантическое изменение, и с конца XX века он почти исключительно обозначает массу покоя (или инвариантную массу).

Einstein argued that the speed of light was a constant in all inertial reference frames and that electromagnetic laws should remain valid independent of reference frame—assertions which rendered the ether "superfluous" to physical theory, and that held that observations of time and length varied relative to how the observer was moving with respect to the object being measured (what came to be called the "special theory of relativity"). It also followed that mass and energy were interchangeable quantities according to the equation E=mc2. In another paper published the same year, Einstein asserted that electromagnetic radiation was transmitted in discrete quantities ("quanta"), according to a constant that the theoretical physicist Max Planck had posited in 1900 to arrive at an accurate theory for the distribution of blackbody radiation—an assumption that explained the strange properties of the photoelectric effect. The special theory of relativity is a formulation of the relationship between physical observations and the concepts of space and time. The theory arose out of contradictions between electromagnetism and Newtonian mechanics and had great impact on both those areas. The original historical issue was whether it was meaningful to discuss the electromagnetic wave carrying "ether" and motion relative to it and also whether one could detect such motion, as was unsuccessfully attempted in the Michelson–Morley experiment. Einstein demolished these questions and the ether concept in his special theory of relativity. However, his basic formulation does not involve detailed electromagnetic theory. It arises out of the question: "What is time?" Newton, in the Principia (1686), had given an unambiguous answer: "Absolute, true, and mathematical time, of itself, and from its own nature, flows equably without relation to anything external, and by another name is called duration." This definition is basic to all classical physics. Einstein had the genius to question it, and found that it was incomplete. Instead, each "observer" necessarily makes use of his or her own scale of time, and for two observers in relative motion, their time scales will differ. This induces a related effect on position measurements. Space and time become intertwined concepts, fundamentally dependent on the observer. Each observer presides over his or her own space time framework or coordinate system. There being no absolute frame of reference, all observers of given events make different but equally valid (and reconcilable) measurements. What remains absolute is stated in Einstein's relativity postulate: "The basic laws of physics are identical for two observers who have a constant relative velocity with respect to each other." Special relativity had a profound effect on physics: started as a rethinking of the theory of electromagnetism, it found a new symmetry law of nature, now called Poincaré symmetry, that replaced the old Galilean symmetry. Special relativity exerted another long lasting effect on dynamics. Although initially it was credited with the "unification of mass and energy", it became evident that relativistic dynamics established a firm distinction between rest mass, which is an invariant (observer independent) property of a particle or system of particles, and the energy and momentum of a system. The latter two are separately conserved in all situations but not invariant with respect to different observers. The term mass in particle physics underwent a semantic change, and since the late 20th century it almost exclusively denotes the rest (or invariant) mass.

Общая теория относительности

К 1916 году Эйнштейн смог обобщить это еще дальше, чтобы охватить все состояния движения, включая неравномерное ускорение, что и привело к созданию общей теории относительности. В этой теории Эйнштейн также сформулировал новое понятие – искривление пространства-времени, описывающее гравитационное воздействие в каждой точке пространства. Фактически, искривление пространства-времени полностью заменило всеобщий закон тяготения Ньютона. По мнению Эйнштейна, гравитационная сила в привычном понимании – это своего рода иллюзия, вызванная геометрией пространства. Присутствие массы вызывает искривление пространства-времени вблизи этой массы, и именно это искривление определяет пространственно-временную траекторию, которой должны следовать все свободно движущиеся объекты. Теория также предсказала, что свет должен испытывать влияние гравитации, что впоследствии было подтверждено экспериментально. Этот аспект теории относительности объяснил явление отклонения света вблизи Солнца, предсказал существование черных дыр, а также свойства космического микроволнового фонового излучения – открытие, выявившее фундаментальные аномалии в классической стационарной модели Вселенной. За работы в области теории относительности, фотоэлектрического эффекта и излучения абсолютно черного тела Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии в 1921 году. Постепенное признание теорий относительности Эйнштейна, квантовой природы передачи света и модели атома Нильса Бора породило не меньше проблем, чем решило, что привело к масштабным усилиям по переосмыслению физики на новых фундаментальных принципах. Расширяя теорию относительности на случаи ускоряющихся систем отсчета ("общая теория относительности") в 1910-х годах, Эйнштейн постулировал эквивалентность между инерциальной силой ускорения и силой гравитации, что привело к выводу о том, что пространство искривлено и конечно, а также к предсказанию таких явлений, как гравитационное линзирование и замедление времени в гравитационных полях.

Квантовая механика

Хотя теория относительности разрешила конфликт электромагнитных явлений, продемонстрированный Майкельсоном и Морли, второй теоретической проблемой было объяснение распределения электромагнитного излучения, испускаемого черным телом; эксперимент показал, что на более коротких длинах волн, в сторону ультрафиолетового конца спектра, энергия приближалась к нулю, но классическая теория предсказывала, что она должна стать бесконечной. Это вопиющее несоответствие, известное как ультрафиолетовая катастрофа, было разрешено новой теорией квантовой механики. Квантовая механика – это теория атомов и субатомных систем. Примерно первые 30 лет XX века представляют собой период зарождения и развития теории. Основные идеи квантовой теории были введены в 1900 году Максом Планком (1858–1947), который был удостоен Нобелевской премии по физике в 1918 году за открытие квантованной природы энергии. Квантовая теория (которая ранее опиралась на "соответствие" в больших масштабах между квантованным миром атома и непрерывностью "классического" мира) получила признание, когда эффект Комптона установил, что свет переносит импульс и может рассеиваться на частицах, а также когда Луи де Бройль предположил, что материю можно рассматривать как волну, подобно тому, как электромагнитные волны проявляют свойства частиц (волново-частичный дуализм). В 1905 году Эйнштейн использовал квантовую теорию для объяснения фотоэффекта, а в 1913 году датский физик Нильс Бор использовал ту же постоянную для объяснения стабильности атома Резерфорда, а также частот света, излучаемого водородом. Квантовая теория атома уступила место полномасштабной квантовой механике в 1920-х годах. Новые принципы "квантовой", а не "классической" механики, сформулированные в матричной форме Вернером Гейзенбергом, Максом Борном и Паскуалем Иорданом в 1925 году, основывались на вероятностной связи между дискретными "состояниями" и отрицали возможность детерминизма. Квантовая механика была широко развита Хайзенбергом, Вольфгангом Паули, Полом Дираком и Эрвином Шрёдингером, которые в 1926 году создали эквивалентную теорию, основанную на волнах; однако "принцип неопределенности" Гейзенберга 1927 года (указывающий на невозможность точного и одновременного измерения положения и импульса) и "копенгагенская интерпретация" квантовой механики (названная по имени родного города Бора) продолжали отрицать возможность фундаментального детерминизма, хотя противники, такие как Эйнштейн, метафорически утверждали, что "Бог не играет в кости с Вселенной". Новая квантовая механика стала незаменимым инструментом в исследовании и объяснении явлений на атомном уровне. Также в 1920-х годах работы индийского ученого Сатьендры Натаха Бозе по фотонам и квантовой механике заложили основу статистики Бозе–Эйнштейна, теории конденсата Бозе–Эйнштейна. Теорема спин-статистики установила, что любая частица в квантовой механике может быть либо бозоном (подчиняющимся статистике Бозе–Эйнштейна), либо фермионом (подчиняющимся статистике Ферми–Дирака). Позже было обнаружено, что все фундаментальные бозоны передают силы, такие как фотон, передающий электромагнитное взаимодействие. Фермионы – это частицы, "подобные электронам и нуклонам", и являются обычными составляющими материи. Статистика Ферми–Дирака впоследствии нашла множество других применений, от астрофизики (см. Вырожденное вещество) до разработки полупроводников.

Although relativity resolved the electromagnetic phenomena conflict demonstrated by Michelson and Morley, a second theoretical problem was the explanation of the distribution of electromagnetic radiation emitted by a black body; experiment showed that at shorter wavelengths, toward the ultraviolet end of the spectrum, the energy approached zero, but classical theory predicted it should become infinite. This glaring discrepancy, known as the ultraviolet catastrophe, was solved by the new theory of quantum mechanics. Quantum mechanics is the theory of atoms and subatomic systems. Approximately the first 30 years of the 20th century represent the time of the conception and evolution of the theory. The basic ideas of quantum theory were introduced in 1900 by Max Planck (1858–1947), who was awarded the Nobel Prize for Physics in 1918 for his discovery of the quantified nature of energy. The quantum theory (which previously relied in the "correspondence" at large scales between the quantized world of the atom and the continuities of the "classical" world) was accepted when the Compton Effect established that light carries momentum and can scatter off particles, and when Louis de Broglie asserted that matter can be seen as behaving as a wave in much the same way as electromagnetic waves behave like particles (wave–particle duality). In 1905, Einstein used the quantum theory to explain the photoelectric effect, and in 1913 the Danish physicist Niels Bohr used the same constant to explain the stability of Rutherford's atom as well as the frequencies of light emitted by hydrogen gas. The quantized theory of the atom gave way to a full scale quantum mechanics in the 1920s. New principles of a "quantum" rather than a "classical" mechanics, formulated in matrix form by Werner Heisenberg, Max Born, and Pascual Jordan in 1925, were based on the probabilistic relationship between discrete "states" and denied the possibility of causality. Quantum mechanics was extensively developed by Heisenberg, Wolfgang Pauli, Paul Dirac, and Erwin Schrödinger, who established an equivalent theory based on waves in 1926; but Heisenberg's 1927 "uncertainty principle" (indicating the impossibility of precisely and simultaneously measuring position and momentum) and the "Copenhagen interpretation" of quantum mechanics (named after Bohr's home city) continued to deny the possibility of fundamental causality, though opponents such as Einstein would metaphorically assert that "God does not play dice with the universe". The new quantum mechanics became an indispensable tool in the investigation and explanation of phenomena at the atomic level. Also in the 1920s, the Indian scientist Satyendra Nath Bose's work on photons and quantum mechanics provided the foundation for Bose–Einstein statistics, the theory of the Bose–Einstein condensate. The spin–statistics theorem established that any particle in quantum mechanics may be either a boson (statistically Bose–Einstein) or a fermion (statistically Fermi–Dirac). It was later found that all fundamental bosons transmit forces, such as the photon that transmits electromagnetism. Fermions are particles "like electrons and nucleons" and are the usual constituents of matter. Fermi–Dirac statistics later found numerous other uses, from astrophysics (see Degenerate matter) to semiconductor design.

Единые теории поля

Эйнштейн полагал, что все фундаментальные взаимодействия в природе можно объяснить в рамках единой теории. Единые теории поля представляли собой многочисленные попытки «объединить» несколько взаимодействий. Одной из многих формулировок таких теорий (а также теорий поля в целом) является калибровочная теория, обобщение идеи симметрии. В конечном итоге Стандартная модель (см. ниже) добилась успеха в объединении сильных, слабых и электромагнитных взаимодействий. Все попытки объединить гравитацию с чем-либо другим оказались безуспешными.

Физика частиц и Стандартная модель

Когда паритет был нарушен в слабых взаимодействиях в эксперименте Чен Шиунг Ву, после этого последовала серия открытий. Взаимодействие этих частиц посредством рассеяния и распада дало ключ к новым фундаментальным квантовым теориям. Мюррей Гелл-Манн и Юваль Неэман внесли определенный порядок в эти новые частицы, классифицируя их по определенным свойствам, начиная с того, что Гелл-Манн назвал «Восьмикратным путем». Хотя его дальнейшее развитие, кварковая модель, поначалу казалось недостаточным для описания сильных ядерных сил, что позволило временно получить признание конкурирующим теориям, таким как S-матрица, установление квантовой хромодинамики в 1970-х годах завершило формирование набора фундаментальных и обменных частиц, что позволило создать «Стандартную модель», основанную на математике калибровочной инвариантности, которая успешно описывала все силы, кроме гравитации, и которая остается общепринятой в пределах своей области применения. Стандартная модель объединяет теорию электрослабого взаимодействия и квантовую хромодинамику в структуру, определяемую группой калибровок SU(3) × SU(2) × U(1). Формулировка объединения электромагнитного и слабого взаимодействий в Стандартной модели принадлежит Абдусу Саламу, Стивену Вайнбергу и, впоследствии, Шелдону Глашоу. Электрослабая теория была позднее экспериментально подтверждена (путем наблюдения нейтральных слабых токов) и отмечена Нобелевской премией по физике в 1979 году. С 1970-х годов фундаментальная физика частиц предоставила понимание ранней космологии Вселенной, в частности, теории Большого взрыва, предложенной как следствие общей теории относительности Эйнштейна. Однако, начиная с 1990-х годов, астрономические наблюдения также выдвинули новые вызовы, такие как необходимость новых объяснений галактической стабильности («темная материя») и наблюдаемое ускорение расширения Вселенной («темная энергия»). Хотя ускорители подтвердили большинство аспектов Стандартной модели, обнаружив ожидаемые взаимодействия частиц при различных энергиях столкновения, теория, согласующая общую теорию относительности со Стандартной моделью, до сих пор не найдена, хотя многие теоретики считали, что суперсимметрия и теория струн являются перспективным направлением. Однако Большой адронный коллайдер, который начал работу в 2008 году, не обнаружил никаких свидетельств, подтверждающих суперсимметрию и теорию струн.

When parity was broken in weak interactions by Chien Shiung Wu in her experiment, a series of discoveries were created thereafter. The interaction of these particles by scattering and decay provided a key to new fundamental quantum theories. Murray Gell Mann and Yuval Ne'eman brought some order to these new particles by classifying them according to certain qualities, beginning with what Gell Mann referred to as the "Eightfold Way". While its further development, the quark model, at first seemed inadequate to describe strong nuclear forces, allowing the temporary rise of competing theories such as the S Matrix, the establishment of quantum chromodynamics in the 1970s finalized a set of fundamental and exchange particles, which allowed for the establishment of a "standard model" based on the mathematics of gauge invariance, which successfully described all forces except for gravitation, and which remains generally accepted within its domain of application. groups the electroweak interaction theory and quantum chromodynamics into a structure denoted by the gauge group SU(3)×SU(2)×U(1). The formulation of the unification of the electromagnetic and weak interactions in the standard model is due to Abdus Salam, Steven Weinberg and, subsequently, Sheldon Glashow. Electroweak theory was later confirmed experimentally (by observation of neutral weak currents), and distinguished by the 1979 Nobel Prize in Physics. Since the 1970s, fundamental particle physics has provided insights into early universe cosmology, particularly the Big Bang theory proposed as a consequence of Einstein's general theory of relativity. However, starting in the 1990s, astronomical observations have also provided new challenges, such as the need for new explanations of galactic stability ("dark matter") and the apparent acceleration in the expansion of the universe ("dark energy"). While accelerators have confirmed most aspects of the Standard Model by detecting expected particle interactions at various collision energies, no theory reconciling general relativity with the Standard Model has yet been found, although supersymmetry and string theory were believed by many theorists to be a promising avenue forward. The Large Hadron Collider, however, which began operating in 2008, has failed to find any evidence that is supportive of supersymmetry and string theory.

Космология

Можно сказать, что космология стала серьезным предметом научных исследований с публикацией общей теории относительности Эйнштейна в 1915 году, хотя она и не вошла в научный мейнстрим до периода, известного как «золотой век общей теории относительности». Примерно через десять лет, в разгар так называемых «Великих дебатов», Хаббл и Слайфер обнаружили расширение Вселенной в 1920-х годах, измеряя красное смещение доплеровских спектров галактических туманностей. Используя общую теорию относительности Эйнштейна, Леметр и Гамов сформулировали то, что впоследствии стало известно как теория Большого взрыва. Конкурирующая теория, названная теорией стационарной Вселенной, была предложена Хойлом, Голдом, Нарликаром и Бонди. Космическое микроволновое фоновое излучение было подтверждено в 1960-х годах Пензиасом и Уилсоном, и это открытие склонило чашу весов в пользу теории Большого взрыва в ущерб сценарию стационарной Вселенной. Более поздние работы, выполненные Smoot et al. (1989) и другими исследователями, с использованием данных со спутников Cosmic Background Explorer (CoBE) и Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), позволили уточнить эти наблюдения. В 1980-х годах (в то же десятилетие, что и измерения COBE) Аланом Гутом была предложена теория инфляции. В последнее время проблемы темной материи и темной энергии вышли на передний план космологических исследований.

Физические науки

С увеличением доступности и усовершенствования передовых аналитических методов в XIX веке, физика определялась этими методами в не меньшей, а зачастую и в большей степени, чем поиском универсальных принципов движения и энергии и фундаментальной природы материи. Такие области, как акустика, геофизика, астрофизика, аэродинамика, физика плазмы, физика низких температур и физика твердого тела, присоединились к оптике, гидродинамике, электромагнетизму и механике как области физических исследований. В XX веке физика также тесно связана с такими областями, как электротехника, аэрокосмическая и материаловедение, и физики стали работать в государственных и промышленных лабораториях в той же мере, как и в академической среде. После Второй мировой войны количество физиков резко возросло и стало концентрироваться в Соединенных Штатах, а в последние десятилетия физика стала более международным направлением, чем когда-либо прежде в своей истории.