g u t x .com.tr İpek yolu - Çin'i anlamaya götürürüm

Feng Duan: Fiziğin geçmişi, bugünü ve geleceği hakkında konuşmak

"Fiziğin Geçmişi, Bugünü ve Geleceği" çok büyük ve önemli bir konudur ve ayrıca özellikle fiziğin geleceği söz konusu olduğunda konuşması çok zor bir konudur ve sonuç genellikle gülünçtür. Tarihsel perspektifi ana hat olarak alarak, bazı kişisel olgunlaşmamış fikirler öne sürüyorum ve herkesin eleştirisini ve düzeltmesini almayı umuyorum.

1 Tarihsel bakış açısı

Fiziğin gelişim tarihine bir bakış açısı, onun statükosunu anlamamıza ve geleceğini dört gözle beklememize yardımcı olacaktır. Tarih çok uzun, bu yüzden her şey hakkında konuşamam. Newton ile başlamak istiyorum Newton'un daha önce birçok öncü çalışması vardı, bu yüzden onu görmezden gelmek zorunda kaldım.

1.1 Klasik fiziğin gelişen çağı (17. yüzyıldan 19. yüzyılın sonuna kadar)

Tarihi ayrıntılı olarak tartışmak istemiyoruz, ancak esas olarak hala kullanımda olan fizik bilgisini ele alıyoruz.

İlk sentez (birleştirme), sistemi oluşturan 17. yüzyıl Newton mekaniğiydi. Bunun fiziğin ilk büyük sentezi olduğu söylenebilir. Newton mekaniği aslında gökteki gezegenlerin hareketini ve yere düşen elmaları tek bir yasada özetledi ve klasik mekaniği kurdu. Apple'ın düşüşünün Newton'un hikayesine ilham verip vermediği başka bir mesele, ancak insanların imgelerle düşünme tercihlerini gösteriyor. Newton aslında iki yasa oluşturdu, biri hareket yasası, diğeri yerçekimi yasası. Hareket yasası, nesnelerin kuvvet etkisi altında nasıl hareket ettiğinin yasasıdır; evrensel çekim, belirli nesneler arasında var olan temel bir etkileşim kuvvetidir. Newton uygulamak için iki yasayı birleştirdi, çünkü gezegenlerin hareketi veya bir merminin dünya üzerindeki hareketi yerçekiminin etkisinden ayrılamaz. Newton bu iki önemli mekanik yasasını fiziksel olarak özetlediğinde matematiği de geliştirdi. Aynı zamanda kalkülüsün de mucididir. Mekanik problemlerini çözmek için matematik kullandı. Hareket yasasından türetilen hareket denklemi, özellikle matematiksel yöntemlerle çözülebilir. Bu, belirli problemleri çözme yeteneğine sahip olan Newton mekaniğinin gücünü somutlaştırır. Gezegen hareketinin yörüngesini hesaplamak istiyorsanız, temel olarak Newton tarafından verilen fizik yasalarını takip edebilir, ayrıca hareket denklemini çözmek için matematiksel yöntemler kullanabilirsiniz. Gezegenlerin mevcut yörüngedeki konumuna göre, konumlarını binlerce yıl önce veya binlerce yıl sonra beklemek kolaydır, böylece gök mekaniği disiplinine öncülük eder. Neptün'ün keşfinin tarihi bunu tam olarak göstermektedir. İnsanlar Uranüs'ün yörüngesinin Newton yasalarının gerekliliklerinden saptığını buldular Sorun nedir? Newton yasasının doğru olduğu ortaya çıktı, ancak Uranüs'ün yörüngesinin dışında onu etkileyen ve bu gezegenin konumunu tahmin eden bir yıldız var. Yeterince kesin, yıldız beklenen konuma yakın bulundu ve ona Neptün adını verdi. Bu, Newton yasasının çok başarılı olduğu anlamına gelir. Hareket denklemini Newton yasasına göre yazın.Eğer ilk koşul konumu ve hızı biliniyorsa, prensip olarak parçacık konumu gelecekte herhangi bir zamanda hesaplanabilir.

19. yüzyılda, klasik mekaniğin yeni gelişimi, bazı bilim adamlarının Newton yasalarını yeniden formüle ettiğini gösterdi. Yeniden ifade, Lagrange denklemlerini ve Hamilton denklemlerini içerir. Bu reformülasyonların farklı biçimleri vardır ve özü değişmemiştir. Özü değiştirmeden, Newton yasasını yeni ve daha özlü bir biçimde ifade etmenin bir yönüdür.

Başka bir özellik, Newton yasasının süreklilik mekaniğine genişletilmesidir ve elastik mekanikler, akışkanlar mekaniği vb. Bu açıdan, 20. yüzyıl daha büyük bir gelişme göstermiştir, özellikle akışkanlar mekaniği, aerodinamik ve havacılık teknolojisinin gelişimi yakından ilişkilidir ve aerodinamiğin gelişimi jet teknolojisi ile yakından ilgilidir ve Newton mekaniği de havacılık teknolojisini oluşturmaktadır. Teorik temel. Bu nedenle Newton yasasının şimdiye kadar hala çok önemli olduğunu ve Newton yasasının üniversite müfredatımızın vazgeçilmez bir parçası olduğunu söylüyoruz. Elbette zamanın gelişmesiyle ifade yöntemi de farklı olmalıdır. Okuyucu ilgilenirse, o zamanlar Newton'un ifadelerini okumak isteyebilirsiniz. Newton'un mekanik üzerine araştırması, "Doğal Felsefenin Matematiksel İlkeleri" (kısaca "İlkeler") adlı bir şaheserde yazılmıştır. Bu kitaba biraz bakarsanız, anlamanın çok zor olduğunu göreceksiniz. Newton'un önemli katkılarından biri, gezegensel hareketin yörüngesini evrensel çekim yasası ve hareket yasasından uzaklaştırmaktır. Şimdi teorik mekaniği incelediğimizde, gezegen hareketinin eliptik yörüngesi sorunu çok zor değil ve diferansiyel denklem çözülerek çözülebilir. Ancak Newton, "Prensipler" de, değil diferansiyel denklemleri çözme yöntemini, eliptik yörüngeleri sadece geometrik yöntemlerle kullandı. Modern bilim adamları onun bir takım şeylerini anlayamayabilir. Örneğin, tanınmış bir teorik fizikçi olan R. Feyman bir kitap yazmış, modern matematikte Newton'dan çok daha iyi olduğunu, ancak Newton'un 17. yüzyılda aşina olduğu geometriye aşina olduğunu söylemiştir. Ondan öğrendikten sonra hepsinde ustalaşamayabilirdi.Newton'un fikirlerini kullanarak tüm eliptik yörüngeleri ispatlamak için çok zaman harcadı.Sonuç olarak, ortada hala kanıtlanamayan bazı bağlantılar vardı. Ancak problem temelde geometrik yöntemlerle kanıtlanmıştır. Bilimsel teorilerin ifadesi zamanla değişir. Şimdi ona baktığımızda, gezegen hareketinin eliptik bir yörünge olması gibi Newton'un hareket yasasının temel konuları şimdi genel fizikte tartışılmalıdır, çünkü basit diferansiyel denklemler zaten bilgisayarlar tarafından çözülebilir. Bilgisayarların gelişmesi nedeniyle, belki gelecekte Newton yasaları genel fizikte öğretildiğinde, gezegen hareketinin eliptik yörüngesinin bazı temel kavramları sınıfta açıklığa kavuşturulabilir. Burada ayrıca öğretim konularının modern teknolojinin gelişimi ile yakından ilgili olduğu söylenebilir.

İkinci sentez Maxwell'in elektromanyetiğidir. Herkes, Coulomb yasasının aslında elektrik yükleri ve manyetik kutuplar ile manyetik kutuplar arasındaki etkileşim kuvveti arasındaki etkileşim kuvvetini ifade etmek için kullanıldığını bilir. Sonra elektrik ve manyetizma arasındaki bağlantı keşfedildi: Oerstedin mevcut manyetik etkisi, Ampere tarafından keşfedilen akım ve akım arasındaki etkileşim yasası ve ardından Faradayın elektromanyetik indüksiyon yasası, böylece elektrik ve manyetizma bir bütün olarak birbirine bağlanır. Yukarı. Son olarak, 19. yüzyılın ortalarında Maxwell birleşik bir elektromanyetik alan teorisi önerdi. Elektromanyetik yasaları ile mekanik yasaları arasında büyük bir fark var. Mekanik tarafından ele alınan etkileşimler, özellikle evrensel yerçekiminin etkileşimi, kuvvet aktarımı sorunu olmaksızın (elbette modern bir bakış açısıyla yerçekiminin de aktarım sorunları olması gerekir) uzaklık üzerinden etkileşimler olan Newton'un görüşüne dayanmaktadır. Şimdi ise uzaktan parçacıkların etkileşiminden elektromanyetik alanların etkileşimine doğru değişti, bu görüş açısından çok değişti ve odak parçacıklardan alanlara kaydı. Maxwell, elektromanyetik dalgalara yol açan elektromanyetik alanların etkileşimini ve elektrik ve manyetik alanların sürekli etkileşiminin elektromanyetik dalgaların yayılmasına neden olduğunu düşündü.Ardından Hertz, laboratuvarda elektromanyetik dalgaların yayıldığını doğruladı. Ayrıca elektromanyetik dalgalar sadece radyo dalgalarını değil, aslında çok geniş bir frekans spektrumu içerir ve çok önemli bir kısmı ışık dalgalarıdır. Geçmişte optik, elektromanyetikten tamamen ayrı olarak geliştirildi.Maxwell'in elektromanyetik teorisi ortaya çıktıktan sonra, optik elektromanyetiklerin elektrik, manyetizma ve optiğin birleştiği bir dalı haline geldi. Bu teknik olarak önemlidir.Neredeyse tüm jeneratörler ve motorlar elektromanyetik indüksiyona dayanır.Elektromanyetik dalgaların yayılması modern radyo teknolojisine yol açar. Elektromanyetizma şu ana kadar teknolojide hala öncü bir rol oynamıştır, bu nedenle elektromanyetizma her zaman temel fizikteki önemli konumunu korumuştur.

Üçüncü sentez, iki düzeyde makro ve mikro içeren termalden başladı. Termal araştırmaya göre, termodinamiğin iki temel yasası özetlenmiştir: birinci yasa, enerjinin korunumu yasası; ikinci yasa, entropide sürekli artış yasası. Ancak bilim adamları bunu makro düzeyde anlatmakla yetinmiyorlar, dibe inmek istiyorlar, moleküller ve atomlar düzeyinde mikro düzeyde fizik yasalarını netleştirmeye çalışıyorlar. Gaz moleküler kinetiği, gaz hal denklemlerinin mikroskobik temelini, gazın termal iletkenliğini ve viskozitesini ve diğer fiziksel parametreleri açıklamak için ortaya çıktı. Bir sonraki adım, Boltzmann ve Gibbs tarafından geliştirilen klasik istatistiksel mekaniktir. Termodinamik ve istatistiksel fiziğin gelişimi, fizikçileri belirli fiziksel problemlerle karşılaşmaya teşvik etti, fizik ve kimya arasındaki bağlantıyı güçlendirdi ve disiplinler arası fiziksel kimya konusunu oluşturdu.

1.2 Dönüşler ve atılımlar (19. yüzyıldan 20. yüzyılın başlarına)

İnsanları çok derinden etkileyen klasik fiziğin olağanüstü başarılarından dolayı, bazı bilim adamları büyük keşifler çağının sona erdiği yanılsamasına sahipler. Bu karamsar argüman geçen yüzyılın sonunda oldukça popülerdi. Tipik anlamın ünlü fizikçi AA Michelson tarafından bir pasaj olduğu söylenir: Elbette fizik biliminin artık geçmişte olduğu gibi şaşırtıcı mucizelere sahip olmayacağı kesin değil, ancak büyük olasılıkla en muhteşem Temel ilkeleri oluşturulmuştur ve gelecekteki ilerleme sadece bu ilkeleri kesinlikle ilgilendiğimiz fenomenlere uygulamaktır Burada ölçüm biliminin önemi gösterilir - nicel sonuçlar nitel sonuçlardan daha değerlidir. Olağanüstü bir fizikçi bir keresinde fizik biliminin gelecekteki gerçeğinin altı ondalık basamakta aranacağını söylemişti. " (1898 Chicago Üniversitesi Kılavuz Kitabı). Bu tür bir kötümser argümanın, bilimin 20. yüzyılda büyük gelişmesinden sonra bu yüzyılın sonunda yeniden ortaya çıktığını belirtmek gerekir. Tipik bir örnek, birçok tanınmış akademisyeni ziyaret eden ve "Bilimin Sonu" kitabını yazan kıdemli bir Amerikalı bilim muhabiri J. Horgan, bağlam dışında birkaç bilim adamının konuşmalarından alıntı yaptıktan sonra saçma sonuçlara varmıştır. Sadece fiziğin sonu gelmedi, aynı zamanda tüm doğa bilimleri de sona erdi. Geçen yüzyılın sonundaki kötümser argümanın yeni bir versiyonu olarak adlandırılabilir ve kaderi birincisinin hatalarını tekrarlamak zorundadır.

Anlayışlı olan, ünlü İngiliz fizikçi L.Kelvin'in 1900'de yaptığı konuşmadır. 19. yüzyılda fiziğin başarılarından duyduğu memnuniyeti dile getirirken, "fiziğin berrak gökyüzü mesafesinde, iki rahatsız edici kara bulut var" dedi. Bu iki kara bulut şunlara atıfta bulunur: Birincisi, deney nesnenin ve eterin nispi hareketini tespit edemez; ikincisi, gaz çok atomlu moleküllerin düşük sıcaklığa özgü ısısının enerji eşitleme teoremine uymadığıdır. Bu iki kara bulut hızla sağanağa, yani görelilik ve kuantum teorisinde fizikte iki devrime neden oldu.

19. yüzyıldaki bilim adamları, elektromanyetik fenomeni açıklamak için Maxwell denklemlerini kullanmaktan memnun değildi ve problemleri açıklamak için mekanik modelleri kullanmaya hevesliydi, hatta usta Maxwell bile. Eter, vakumda elektromanyetik dalga yayılımı için bir ortam olarak tanıtıldı. Michelson ve Morley, nesnelerin ve eterin göreceli hareketini doğrulamak için ustaca deneyler tasarladılar ve olumsuz sonuçlar elde ettiler. Einstein, özel görelilik teorisini önerdi (1905). Fiziksel kavrayışı, gereksiz eter varsayımlarını terk etmekti ve ardından elektromanyetik yasalarının tüm eylemsiz referans sistemleri için geçerli olduğunu ve aynı biçime sahip olduğunu onayladı. Değişim, farklı eylemsizlik sistemleri arasındaki dönüşüm ilişkisi Lorentz dönüşümüdür. Newton mekaniğinin eylemsiz referans çerçevesi için de geçerli olduğunu ve farklı eylemsiz çerçeveler arasındaki dönüşüm ilişkisinin Galileo dönüşümü olduğunu biliyoruz. Bu nedenle klasik mekanik ile klasik elektromanyetik arasında bir çelişki vardır. Einstein, klasik elektromanyetizmayı onayladı ve klasik mekaniğe karşılık gelen değişiklikleri yaptı, Newton'un uzay-zaman hakkındaki mutlak görüşünü bir kenara attı, uzay ve zamanın hareketle ilişkili olduğuna inandı ve kütle ile enerji arasındaki karşılıklı ilişkiye öncülük etti. Newton mekaniğini düzelttikten sonra, yüksek hızlı hareket durumuna başarıyla uygulandı.

Newton mekaniğinin bir başka sınırlaması da kuvvetli bir çekim alanındaki nesnelerin hareketini tam olarak açıklayamamasıdır.Bu, günberi yörüngesindeki Merkür yörüngesinin devinimini nicel olarak açıklayamayacağının ilk göstergesidir. Diğer bir temel sorun, evrensel çekimin varlığına dair teorik bir açıklamanın olmamasıdır. Bu eksiklikler, başka teorilerin geliştirilmesiyle henüz düzeltilmemiştir. 1916'da Einstein'ın genel görelilik teorisi ortaya çıktı. Bu teorinin başlangıç noktası, eylemsizlik kütlesi ile yerçekimi kütlesinin eşdeğerliğinin denklik ilkesini doğrulamak (bu deneylerle doğrulanmıştır) ve eylemsiz olmayan bir referans çerçevesinde gözlemlenen eylemsizlik kuvvetini yerel yerçekimi ile eşitlemektir. Daha sonra, tüm referans sistemlerinin aynı fiziksel yasaya sahip olduğu genel görelilik ilkesini ortaya koyar. Genel görelilik, ışığın kuvvetli bir kütleçekim alanında bükülmesi, yerçekiminin yoğunluğu ile spektral çizgilerin frekans kayması arasındaki ilişki ve uzayın eğriliği gibi bazı etkileri başarıyla tahmin etti ve uzay eğriliği doğal olarak yerçekiminin varlığını açıkladı. Genel görelilik, güçlü yerçekimi alanları ve büyük nesneler için önerildiği için, astrofizikte yaygın olarak kullanılmaktadır ve modern kozmolojinin temelini oluşturmaktadır.

Görelilik teorisi, klasik fiziğin içsel kalkanını ortadan kaldırırsa ve uygulama kapsamını geliştirirse, kuantum teorisi yeni bir mikrofizik dünyası açar. 19. yüzyılda kimyager Dalton atom teorisini önerdi ve fizikçiler ayrıca moleküler kinetik ve istatistiksel fizik oluşturmak için atom-molekül mikroskobik hareket kavramını da önerdiler. Özellikle ünlü fizikçi Boltzmann, atom-molekül hareketi teorisinin geliştirilmesinde ve istatistiksel fiziğin gelişiminin desteklenmesinde olağanüstü katkılarda bulunmuştur. Ancak bu çalışmalar, E. Mach ve W. F. Ostooald ve diğerleri tarafından pozitivist felsefi bakış açısıyla sorgulandı. Pozitivizme göre sadece insanların algıladığı şeyler vardır. O dönemde mikroskobik gözlem koşullarının kısıtlamaları nedeniyle atomlar ve moleküller doğrudan görülemediğinden ilgili teoriler pozitivistler tarafından reddedildi. Boltzmann, atom molekülü teorisini savunmak için şiddetle savaştı. Einstein, 1905'te, moleküler hareket imgesi için güçlü ikinci derece kanıtlar sağlayan Brown hareketi teorisini önerdi. Daha sonra, J.B. Perrin'in deneysel gözlemleri daha kesin kanıtlar sağladı.

Makro dünyanın dışında bir mikro dünya olduğunu açıkladıktan sonra, mikro dünyanın fiziksel yasalarını keşfetmede başka bir sorun daha var. 1990'ların ortalarından sonra, bu alandaki araştırmaları büyük ölçüde teşvik eden bir dizi önemli keşif vardı: 1895'te, Röntgen X ışınlarını keşfetti ve ardından X ışınları, maddenin mikro yapısını ortaya çıkarmak için önemli bir araç haline geldi; 1896'da Bekeler Er radyoaktiviteyi keşfetti ve ardından Curie güçlü radyoaktif element radyumunu keşfetti. Rutherford , ve ışınlarının doğasını doğruladı. Bu çalışmalar nükleer bilimin başlangıcını açtı. 1897'de Thomson, keşfedilecek ilk temel parçacık olan ve daha sonra maddenin mikro yapısını incelemek için önemli bir araç olarak kullanılan elektronları keşfetti ve elektronları manipüle eden cihazlar modern bilgi teknolojisinin temeli haline geldi. Bu büyük keşifleri yapan bilim adamları da yeni yüzyılın başında Nobel Ödülü'nü kazandı.

Atomların ve moleküllerin varlığını doğrulamak, maddenin yapısının mikro ölçekte süreksizliğini ortaya çıkarmak anlamına geliyorsa, o zaman erken kuantum teorisi mikro ölçekte enerjinin süreksizliğini ortaya çıkardı. 1900'de Planck, klasik fizik teorisi geçersiz olduktan sonra, kara cisim enerji dağılımının deneysel verilerine uyma riskini aldı ve kuantum h eylemini içeren kuantum teorisini ortaya attı. Daha sonra, 1905'te Einstein, fotoelektrik etkinin bir enerji eşiğine sahip olduğu yasasına dayanarak, hv enerjili daha spesifik bir temel foton parçacığı önerdi. 1911'de Rutherford, alfa parçacıklarının altın folyo ile saçılmasının deneysel sonuçlarına dayanan çekirdekli bir atom modeli önerdi: pozitif yük çekirdeğin küçük alanında yoğunlaştı ve çevre elektronlarla çevrilidir. Bohr, 1913'te atomdaki elektronların belirli bir yörüngede ve durağan durumda olduğuna ve durağan durumlar arasındaki kuantum geçişinin ışık yayılmasına neden olduğuna inanan kuantum teorisinin atomik modelini önerdi. Bohr, hidrojen atomlarının çizgi spektrumunu oldukça tatmin edici bir şekilde açıklamak için bu yarı klasik kuantum teorisini kullandı ve daha karmaşık atomik spektrum problemleriyle karşı karşıya kaldığında zorluklarla karşılaştı. Bilim adamlarının rotayı değiştirmeleri ve daha kapsamlı bir kuantum teorisi geliştirmeleri gerekiyor. 1924'te De Broglie, elektromanyetik dalgaların parçacık özelliklerine (fotonlar) sahip olması gibi, parçacık özelliklerine sahip elektronların da dalga özelliklerine sahip olacağını doğru bir şekilde belirtti. 1925'ten 1926'ya kadar Heisenberg ve Schrödinger, dalgaların ve parçacıkların ikiliğini vurgulayarak sırasıyla iki kuantum mekaniği, matris mekaniği ve dalga dinamiği formülasyonunu tamamladı. Elektron kırınımının deneysel sonuçları, elektronların uçucu olduğunu doğruladı ve kuantum mekaniği teorisi, karmaşık atomik spektroskopi deneylerinin sonuçlarını kapsamlı bir şekilde yorumlar ve atomik yapı sorununu bir çırpıda çözer. Ardından Dirac, görelilik dışı Schrödinger denklemini (özel anlamda) göreliliğe genişletti ve kuantum mekaniğine önemli bir ek yapan Dirac denklemini kurdu. Bu şekilde, mikrokozmosun fiziksel yasaları nihayet belirlenir.

2 Çağdaş senaryolar

Kuantum mekaniğinin kurulmasından sonra, fizik burada topluca çağdaş fizik olarak anılan yeni bir döneme girdi. Çağdaş sahnelerin karmaşıklığı ve karmaşıklığı nedeniyle, kısa bir alanda özetlemek zor. Aşağıdaki iki ana deney ve teori çizgisi, kaba bir giriş sağlayacaktır.

2.1 Deneysel teknoloji

20. yüzyıl, deneysel teknolojide hızlı bir ilerleme dönemiydi. Erken Rutherford'un alfa parçacık saçılma deneyi, nükleer fizik ve parçacık fiziği ile ilgili sonraki çalışmalar için bir model oluşturdu. Ancak teknik gelişmeler çok yönlüdür. Bombardıman edilen parçacık ışınları arasında protonlar, nötronlar, elektronlar ve çeşitli iyonlar bulunur. Nötronların 1930'ların başlarında keşfedilmesinden sonra, geniş saçılma kesitleri nedeniyle, akademik çevrelerin dikkatini çeken nükleer reaksiyonlara neden olmaya meyillidirler. Fermi ve arkadaşları, periyodik tablodaki farklı elementleri sistematik olarak nötronlarla bombardıman etti ve bir dizi nükleer reaksiyon ve yeni radyoaktif elementler keşfetti. 1938'de Hahn (O.Hahn) ve Meitner (L.Meitner) nihayet uranyumun bölünmesini keşfetti ve doğruladı. Nükleer fisyonun zincirleme reaksiyonunun müteakip gerçekleşmesi, fisyon reaktörlerinin ortaya çıkmasına yol açtı. Deneysel teknoloji için yeni araçlar sağlar ve ayrıca fisyon enerjisinin askeri ve barışçıl kullanımlarının önünü açar. Daha sonra, hafif elementlerin füzyonu başka bir nükleer enerji kaynağı sağladı. Füzyon enerjisinin patlayıcı askeri uygulaması 1950'lerin başlarında gerçekleştirildi, ancak kontrollü barışçıl kullanım uzun bir geliştirme sürecinden geçti. İki yöntem, manyetik hapsetme ve eylemsizlik hapsi birçok bilimsel sonuç elde etmiş olsa da, bunlar hala bir enerji kaynağı olarak başabaşın arifesindeler ve ateşlemek için daha fazla çabaya ihtiyaç var.

1930'larda bilim adamları, doğal radyoaktif elementler tarafından yayılan parçacıkların enerjisinin çok düşük olduğunu ve ışın akımının deneysel fiziğin gereksinimlerini karşılayacak kadar güçlü olmadığını anlamaya başladılar. Bu durumda hızlandırıcı teknolojisi ortaya çıktı. İlk günlerde, yüksek voltaj çarpanları ve elektrostatik hızlandırıcılar vardı ve ana akım siklotron ve Lawrence'ın öncülüğünü yaptığı varyantlarıydı. Gelecekte, hızlandırıcının enerjisi gittikçe yükseliyor ve teknoloji gittikçe daha iyi hale geliyor. Enerji, erken MeV seviyesinden günümüzün TeV seviyesine yükseldi. Hızlandırıcı nesilleri, yüzlerce parçacığı keşfederek nükleer fizik ve parçacık fiziği araştırmalarına büyük katkılarda bulundu. Paralel geliştirme, erken Geiger sayaçlarından, bulut odalarından fotografik latekse, kabarcık odalarına, kıvılcım odalarına ve sintilasyon kristal dizilerine kadar partikül algılama teknolojisidir. Teknolojinin ilerlemesi çok dikkat çekici olsa da, protonların bir kuark yapısına sahip olduğunu göstermek için protonların yüksek enerjili elektronların derin inelastik saçılması gibi birçok fiziksel deneyin temel fikirleri, Rutherford'un prototip deneylerine hala çok benziyor. Hızlandırıcıların ve reaktörlerin nükleer olmayan fizikte ve senkrotron radyasyonu ve yüksek akı nötron kaynakları gibi diğer bilimsel araştırmalarda da kullanıldığını belirtmek gerekir.

Hızla gelişen bir başka fizik bilim alanı da astrofiziktir. Optik teleskoplar gittikçe büyüyor; Radyo teleskopları İkinci Dünya Savaşı'nda radar teknolojisi ile geliştirildi ve devlere doğru da gelişiyor; radyo teleskoplara dayalı olarak geliştirilen sentetik açıklık teknolojisi de optik teleskop teknolojisine geri besleniyor. Yukarı. Kızılötesi, X-ışını ve gama-ışını telefoto teknolojileri gibi yeni dalga bantları geliştirilmiş ve CCD dizileri gibi yeni algılama teknolojileri geliştirilmiştir. Atmosferin absorpsiyonunu ve girişimini aşmak için Hubble, Einstein, Compton gibi teleskoplar da uzaya yerleştirilir. Çağdaşın aynı zamanda astrofiziğin altın çağı olduğu söylenebilir. Gök cisimlerinin çok sayıda kırmızıya kayma verisi, evrenin genişlemesi için kanıt sağlar. 3K mikrodalga arka plan, pulsarlar, kuasarlar ve gama ışını patlamaları gibi büyük keşifler, teorik astrofizik ve kozmoloji için büyük miktarda veri sağlayarak yıldızları ve evreni bir test fiziği haline getirir. Büyük bir teori laboratuvarı.

Modern yüksek enerji fiziği (bazı nükleer fizik dahil) ve astrofizik, büyük bilimin hakim olduğu alanlar haline geldi. Büyük ekipman, çok sayıda personel, büyük miktarda fon ve planın uygulanması için uzun bir süre ile karakterizedir.

1930'lara gelindiğinde, spektroskopi araştırması artık bir refah duygusuna sahip değildi. Bununla birlikte, II.Dünya Savaşı'nda radar teknolojisinin gelişimi, mikrodalga spektrumu ve manyetik rezonans çalışması için fırsatlar sağladı. 1950'lerin başlarında, uyarılmış emisyon ilk olarak mikrodalga frekans bandında gerçekleşti ve ardından optik frekans bandına geçerek lazerlerin ortaya çıkmasına neden oldu. Lazer teknolojisi, optik ve spektroskopide bir devrime neden olarak kuantum optiğin doğmasına yol açtı ve etki çok geniş kapsamlı. Şunu da belirtmek gerekir ki, Einstein 1917 gibi erken bir tarihte uyarılmış emisyon teorisini ortaya attı, ancak laboratuvarda gerçekleşmesi 40 yıl sonrasına ertelendi. Lazer teknolojisinin fizik laboratuvarına girişi, küçük ve mükemmel deneysel araştırmalar için fırsatlar sağlar.

X ışınları ve ortaya çıkan elektron kırınımı ve nötron kırınımı, kristal yapı analizinin geliştirilmesine yol açmıştır. Yoğun madde fiziği ve malzeme biliminin temelini attı ve kimya, biyoloji ve mineraloji araştırmalarını büyük ölçüde teşvik etti. Bu alandaki bilim adamları Nobel Ödülü'nü bir düzineden fazla kez kazandı. Elektron mikroskobu, optik mikroskopinin çözünürlük sınırını aştı ve atomik ölçekli görüntüleme elde etti. 1980'lerden sonra, taramalı tünelleme mikroskobu, yalnızca atomik ölçekli görüntülemeyi gerçekleştirmekle kalmayan, aynı zamanda küçük ölçekli, sofistike ve yenilikçi deneyleri tam olarak gösteren çeşitli atomik ölçekli ölçüm ve manipülasyon tekniklerini gerçekleştiren geniş bir mikroprob teknolojisi yelpazesine dönüşmüştür. Teknoloji hala canlılık dolu.

Katıdaki birçok fenomende termal hareketin girişimini ortadan kaldırmak için, numuneyi araştırma için düşük bir sıcaklığa soğutmak önemli bir araç haline geldi. Modern kriyojenik teknoloji, helyumun sıvılaştırılmasıyla (4.2 K) başlar ve ayrıca, mK'lik bir sıcaklığa ulaşmak için bir seyreltme buzdolabını kullanır ve daha sonra, K mertebesine ulaşabilen nükleer demanyetizasyon soğutması gerçekleştirir. Son yıllarda geliştirilen lazer soğutma, evaporatif soğutma ile birlikte atomik gazların K'nın altındaki sıcaklıklara ulaşmasını sağlayabilir. Düşük sıcaklıkta fiziksel özellikler üzerine yapılan araştırmalar birçok önemli sonuç elde etti: metallerin ve alaşımların süper iletkenliği, 4He sıvısının süper akışkanlığı, 3He sıvısının süper akışkanlığı ve çeşitli alışılmadık süperiletkenlik (organik bileşikler, ağır fermiyonlar, bakır gibi) Sonuncusu düşük sıcaklık aralığını aşan oksit süper iletkenliği). 1995'ten beri, alkali metal gazlarının Bose-Einstein yoğunlaşması K sıcaklığının altında gözlemlendi.Sonra, atomik lazer (atomik lazer) adı verilen faz uyumlu atomik ışın deneysel olarak gösterildi.

Kristallerin saflığı ve bütünlüğü, katı hazırlama teknolojisinin gelişimini destekleyen fiziksel özellikler üzerinde önemli bir etkiye sahiptir: tek kristal çekme, bölge eritme saflaştırma, kontrollü doping ve diğer teknolojiler, yarı iletkenlerin hazırlanmasında başarıyla uygulanmıştır. 1947'de, transistörün icadı, 20. yüzyılda fizikçiler tarafından en büyük ekonomik ve sosyal faydaları elde etmek için yapılan bir başarı olabilir. 1970'lerden sonra, ultra yüksek vakum teknolojisi laboratuvarda rutin bir yöntem haline geldi ve ultra yüksek vakum altında yapı ve enerji spektrumu test yöntemleri birbiri ardına ortaya çıktı ve yeni bir yüzey fiziği alanı açtı. Moleküler ışın epitaksisi ile temsil edilen çağdaş ince film ve heterojonksiyon hazırlama teknolojisinin gelişimi, kuantum nano yapılarda (kuantum kuyuları, kuantum telleri, kuantum noktaları vb.) Bir artışa neden oldu ve manyetik malzemeler (dev manyetorezistans etkisi) ve süperiletkenler için bir mıknatıs haline geldi. En boy uzantısı. Tam sayı ve kesirli kuantum Hall etkisi, mezoskopik kuantum taşınması vb. Gibi birçok yeni fiziksel etkinin keşfi, yoğunlaştırılmış madde fiziğinin hala potansiyele sahip olduğunu gösteriyor.

2.2 Teori ve hesaplama

Kuantum mekaniğinin kurulmasından sonra, teorilerin gelişimi ayrı yollara gitti, bunlardan biri mikroskobik dünyanın daha küçük ölçekte daha derinlerine nüfuz etmekti. İlk gelişme nükleer yapı ve dinamik teorisiydi. Çekirdekler arasında güçlü etkileşimler olmasına rağmen, ortalama potansiyel alanında etkili tek parçacık hareketine dayanan kabuk modeli de başarılı olmuştur. Ayrıca, çekirdeklerin toplu davranışını vurgulayan damlacık modelleri ve bileşik çekirdek modelleri, tek parçacık hareketini ve toplu hareketi birleştiren kapsamlı modeller ve atom çekirdeğinin belirli özelliklerini başarıyla gösteren nükleon eşleşmesinin etkileşim bozon modeli de vardır. .

Parçacık fiziğinin araştırma alanına ulaşmak için maddenin daha derin yapısına girin. 1950'lerde ve 1960'larda, nükleonlara ek olarak, çoğu kararsız olan çok sayıda hadron (güçlü etkileşimli parçacıklar) keşfedildi. 1964'te Gellman (M. GellMann) ve diğerleri, hadronların kuark modelini önerdiler ve hadronların temel parçacıklar olmadığına, kesirli yüklerden (1/3 veya 2/3 elektronik yük) ve renk yüklerinden ( Üç renkten birindeki kuarklardan oluşur: kırmızı, mavi ve yeşil. Protonların kuark yapısı deneylerle doğrulanmıştır. Teorinin öngördüğü üç renk ve altı çeşninin çeşitli kuarkları tek tek deneylerle ortaya çıkarıldı ve en son kuark 1995 yılına kadar keşfedilmedi. Hadron yapısında kuarklar bulunmasına rağmen, bağımsız serbest kuarklar gözlemlenmemiştir. Bilim adamları bu gerçeği açıklamak için kuark hapsi modelini ortaya attılar.

Bu yüzyılın ortalarına gelindiğinde, doğada sadece dört temel etkileşim olduğu, yani yerçekimi, elektromanyetik kuvvet, zayıf kuvvet ve güçlü kuvvet olduğu açıktı. Bunlar arasında yerçekimi ve elektromanyetik kuvvetler uzun menzilli iken, zayıf ve güçlü kuvvetler kısa menzilli olup çekirdekle sınırlıdır. Daha sonraki yıllarında Einstein, yerçekimi ve elektromanyetik kuvveti başarılı olmadan birleştirmeye çalışarak alan teorisini birleştirmeye kararlıydı. Kuantum mekaniğinin kurulmasından sonra, kuantum sistemleri ve etkileşim alanları (kuantum alan teorisi) ile ilgilenme teorisi geliştirilmiştir.İlk gelişme, elektromanyetik etkileşimi, yani kuantum elektrodinamiğini ele alan kuantum alan teorisidir. 1940'ların sonunda, yeniden normalleştirme kullanımı sapmanın zorluğunu ortadan kaldırdı ve kuantum elektrodinamiğinin teorik tahmini, yüksek hassasiyetli deneylerle doğrulandı (etkili sayı bir düzine basamağa kadar). Daha sonra, güçlü etkileşimlerle ilgilenen kuantum alan teorisi ve kuantum kromodinamiği geliştirilmiştir. Zayıf etkileşim teorisi, Fermi'nin -bozunma teorisiyle başladı.1960'ların sonlarında, S. Weinbeng ve A. Salam, elektromanyetik etkileşimi ve zayıf etkileşimi başarıyla birleştirdi. Kuantum alan teorisinde, bazı parçacıklar alanın uyarılmış halleri olarak anlaşılırken, diğerleri etkileşimleri aktaran bozonlar haline gelir.

Çeşitli etkileşimlerin birleşik teorisinin daha fazla araştırılması hala devam etmektedir. Büyük birleşik teori, henüz deneylerle doğrulanması gereken birleşik kapsama güçlü etkileşimleri dahil etmeye çalışır. Dahası, yerçekimini içeren süper birleşik teori fikri de önerildi.

Kuarkların ve leptonların üç neslinin parçacık modelleri, birleşik kuantum kromodinamiği ve elektrik zayıflığı teorisi topluca parçacık fiziğinin standart modeli olarak adlandırılır ve deneysel gerçekleri genelleme ve tahmin etmede olağanüstü başarı elde etmiştir. 60'ı keşfedilmiş olan 62 çeşit temel parçacığı öngördü ve geriye sadece Higgs bozonu ve graviton keşfedildi.

Ancak standart model hala fenomenolojik özelliklere sahiptir, bir düzineden fazla parametre içerir ve parçacıkların kütlesi için teorik açıklamalar sağlamaz. Standart modelin nasıl aşılacağı ve parçacık fiziğinin daha temel bir mikroskobik modelden nasıl açıklanacağı teorik fizikçiler için büyük bir zorluk haline geldi. Bu alandaki en dikkate değer çabalar süper sicim teorisidir. Bu teori son derece karmaşıktır ve aynı zamanda ilgili matematik problemlerinin incelenmesini de teşvik etmiştir. Ancak sonunda bu teorinin nasıl değerlendirileceği pratikte henüz test edilmemiştir.

Çağdaş astronomi araştırmaları tarafından özetlenen Big Bang teorisine standart kozmoloji modeli denir. Bu teoriye göre, evren on milyar yıl önce büyük bir patlamadan doğdu: başlangıçta bir zaman-uzay tekilliğiydi (yoğunluk ve eğrilik sonsuzdur) ve çeşitli etkileşimler birleşiktir. 10-44'lerde, yerçekimi ayrımının simetri kırılması ve diğer etkileşimler meydana geldi. 10-36'larda, güçlü kuvvetlerin diğer etkileşimlerden ayrılması meydana geldi.10'lu yıllarda zayıf kuvvetler ile elektromanyetik kuvvetlerin ayrılması tekrar meydana geldi. Bir arada yaşama dünyası 10-6'larda hadronlar sentezlenir ve 3 dakika sonra çekirdekler oluşur ve ardından çeşitli atomlar ve çeşitli yıldızlar ve galaksiler yavaş yavaş oluşur. Big Bang kozmolojisi, bir dizi astronomik gözlemin sonuçlarına dayanmaktadır: Hubble yasası tarafından tanımlanan evrenin genişlemesi, 3 K kozmik arka plan radyasyonunun keşfi ve yıldızların bazı elementlerinin bolluk verileri.Bu etkili bir fiziksel teoridir. Elbette, henüz açıklığa kavuşturulması gereken birçok konu var. Erken evrenin (3 dakikadan önce) parçacık fiziği dünyası olduğunu belirtmekte fayda var. Ünlü fizikçi Weinberg'in ünlü popüler bilim kitabı "İlk Üç Dakika" adını buradan almıştır.

Kuantum mekaniğinin kurulmasından sonra, bir başka gelişme yolu daha büyük ölçekli bir malzeme sistemine girmektir. Kuantum mekaniğini moleküllere uygulamak, kuantum kimyası kurmak; katılara kuantum mekaniği ve istatistiksel fizik uygulamak, katı hal fiziği kurmak ve daha sonra yoğunlaştırılmış madde fiziğine dönüşmek. Bu konular söz konusu olduğunda, kuantum mekaniğinin ve klasik fiziğin ilgili uygulama kapsamını açıkça ayırt etmek gerekir. Genel formülasyon, kuantum mekaniğinin mikroskobik sistemlere uygulanabilir olduğu, klasik fiziğin ise makroskopik sistemlere uygulanabileceği şeklindedir.Bu yeterince doğru değildir, çünkü makroskopik kuantum sistemleri de vardır. Spesifik parçacıklardan oluşan bir sistem için kuantum dejenerasyon sıcaklığı kullanılabilir (yani, parçacığın de Broglie dalga boyu, parçacıklar arasındaki ortalama mesafeye karşılık gelen sıcaklığa eşittir)

Ayırt etmek. Burada h Planck sabiti, m kütle, kB Boltzmann sabiti ve a ortalama uzaklıktır. Sıcaklık T0'dan çok daha yüksekse, bu sistemle başa çıkmak için klasik fizikte kullanılan teorik yöntemleri benimsediğinizden emin olabilirsiniz, aksi takdirde kuantum mekaniği yöntemlerini kullanmanız gerekir. T0 seviyesine gelince, bu, m parçacık kütlesine ve sistemin ortalama uzaklığına (veya yoğunluğuna) bağlıdır. Katılar ve sıvılar için a yaklaşık 0,3 nm'dir ve elektronik sistemler için, T0 105K, kuantum mekaniğinin elektronik sistemlerin problemleriyle başa çıkmak için ayrılmaz olduğunu gösterir. Çekirdek veya iyonlar için, T0 (50 / A) K, A atomik kütle numarasıdır.Hafif elementler için (helyum ve hidrojen gibi), kuantum mekaniksel etkiler düşük sıcaklıklarda dikkate alınmalıdır. Bu nedenle, normal şartlar altında çok sayıda karma çekirdek (veya iyon) ve elektron sistemi ile uğraşmak için, elektronik alt sistem için kuantum mekaniğinin teorik yöntemleri kullanılmalıdır ve çekirdek alt sistemi için, klasik fiziğin teorik yöntemleri kullanılabilir. . Yoğun madde fiziği ve kuantum kimyası, bu karma arıtma şemasının yaygın kullanımı sayesinde sonuçlar elde etti. Bununla birlikte, bu tür bir elektronik teorinin, etkileşen parçacıkların birçok cisim problemini içerdiği belirtilmelidir. Etkili alan tek elektron yaklaşımına dayanan katı enerji bandı teorisi açıkça çok etkilidir; Fermi sıvı teorisi, gezici elektron ferromanyetizma teorisi ve orta derecede etkileşimler getirilerek geliştirilen BCS süperiletkenlik teorisi de dikkate değer sonuçlar elde etti; ancak güçlü bir şekilde ilişkili elektronik sistem ( Yüksek sıcaklık süperiletkenleri dahil) hala sert bir kemiktir ve teorik fizikçiler için güçlü bir meydan okumadır.

Yalnızca atomların (veya iyonların) ve moleküllerin oda sıcaklığında konfigürasyonuna ve dinamiklerine odaklanırsak, o zaman klasik fiziğin yöntemi, tıpkı çağdaş sıvı fiziğinin ve yumuşak yoğun madde fiziğinin yaptığı gibi, suçlamanın ötesindedir. Elbette, bağın ayrıntıları ve elektronların geçişi söz konusuysa, kuantum mekaniğine hala ihtiyaç vardır. Düşük sıcaklıklardaki kuantum akışkanları (4He ve 3He) belirgin bir şekilde kuantum mekaniği etkilerini somutlaştırır. Bu etkinin gaza yansıtılması için, atomlar arasındaki mesafeden dolayı dejenerasyon sıcaklığının düşük tutulması gerekir. 1990'lara girdikten sonra, bu tür teorik olarak beklenen etkiler yalnızca gözlemlendi.Atomik ışın optiği ve Bose-Einstein yoğunlaşması örneklerdir. Nötron yıldızları gibi aşırı yüksek yoğunluktaki madde, 1010K kadar yüksek yozlaşma sıcaklıklarına neden olur ve bu, bu yıldızların içinde süper akışkanlık gibi kuantum mekaniksel etkilere neden olabilir.

Şunu da belirtmek gerekir ki, çağdaş dönem aynı zamanda klasik fiziğin canlanma çağıdır. Faz geçişleri ve kritik fenomenler alanında, evrensellik ve ölçekleme yasalarını gösteren uzun menzilli dalgalanmalara sahip klasik istatistiksel sistem çalışılmış ve yeniden normalleştirme grupları teorisi geliştirilmiştir. Hem klasik dinamik sistem teorisi hem de doğrusal olmayan fizik büyük ilerleme kaydetmiştir.Kaos, fraktal ve soliton gibi kavramlar disiplinler arası bilimde yaygın olarak kullanılmıştır, karmaşıklığı anlamanın anahtarı haline gelmiştir ve aynı zamanda uzun vadeli çözülmemiş türbülans problemini çözmektedir. Bulmaca anlamlı ipuçları sağlar.

Elektronik bilgisayarların hızlı gelişimi, çağdaş fizik üzerinde olağanüstü bir etki yarattı. Kuantum kimyası ve yoğun madde elektron teorisinin ab initio hesaplama şeması, hesaplamalı malzeme biliminin yeni bir disiplinlerarası konusunun geliştirilmesini teşvik eden uygulanabilir hale geldi. Moleküler dinamikler, Monte Carlo yöntemleri ve hatta hücresel otomatlar, fiziğin çeşitli dalları için canlı fiziksel görüntüler ve bilgiler sağlar. Sonuç olarak, bazı bilim adamları, hesaplamaların ve bilgisayar simülasyonlarının, deneyler ve teorilerle paralel olabilecek bilimsel araştırmanın üçüncü ayağı haline geldiğine inanıyor.

Maddenin hiyerarşik yapısı nedeniyle günümüz fizikçilerinin fiziğin tüm dallarında yetkin olması zor ve gereksizdir. Ancak maddenin yapısının kavram olarak birliği vardır. Aynı kavram farklı seviyelerde ortaya çıkacaktır. Ünlü fizikçi J. Bardeen'den bir pasaj çok aydınlatıcıdır: "Uzmanlaşmanın arttığı bu çağda, temel fiziksel kavramların çok sayıda görünüşte farklı soruna uygulanabileceğini fark etmek, Bu sevindirici. Bir alanın anlaşılmasında elde edilen ilerleme çoğu zaman diğer alanlara da uygulanabilir.Bu sadece malzeme biliminin birçok alanı için değil, aynı zamanda geniş anlamda maddenin yapısı için de geçerlidir. Bir açıklama örneği olarak, anlayıştır. Manyetizma, süperakışkanlık ve süperiletkenlik tarafından geliştirilen kavramlar, nükleer madde, zayıf ve elektromanyetik etkileşimler, yüksek enerji fiziğinin kuark yapısı ve çok sayıda sıvı kristal fazları gibi birçok alana da uygulanmıştır. " Bu düşünmeye değer.

3 Konunun sınırları ve beklentileri

3.1