09. Единая физическая картина мира. Физика и научно-технический прогресс

Введение

Начало XIX века прошло под девизом «Создание электромагнитной картины мира». К этому времени стало ясно, что причиной всех, даже механических взаимодействий является электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами, входящими в состав атомов и молекул.

Основу этому положил М. Фарадей. Он объединил все известные интеллектуальные теории и создал теорию электрических и магнитных полей, высказав предположение о том, что это единое электромагнитное поле.

Дж. Максвелл придал математическую аккуратность этому выводу М. Фарадея. Он создал уравнения электромагнитного поля в интегральной и дифференциальной формах. Он открыл существование, как считалось тогда, нового вида волн — электромагнитных. Но позже оказалось, что электромагнитные волны — это вид материи, который распространяется со скоростью света в пространстве, а свет, который изучался намного раньше, является узкой частью этого диапазона.

В середине XIX века физика была очень тесно связана с техникой. Фарадей создал первый электродвигатель. Якоби создал электромотор, превращающий электрическую энергию в механическую. Были созданы тепловые двигатели, электроаккумуляторы, электрические лампочки и генераторы электрической энергии.

В 1881 году была создана Международная система единиц физических величин (СИ).

В 1887 году Г. Герцем было открыто явление фотоэффекта, позже А. Г. Столетов исследовал данное явление.

Последний выяснил, что некоторые закономерности фотоэффекта невозможно объяснить в рамках существующей теории. В то время не поддавались объяснению законы теплового излучения (пусть уже изученного), а также линейчатый характер спектра излучения атомов.

Современная физическая картина мира

В XX веке усилия физиков сосредоточились на строении атомов, спектрах излучения и строении атомного ядра. За счёт этих знаний появилась возможность получить новые виды энергии — внутриядерной. На АЭС (атомных электростанциях) научились превращать энергию ядра атома в электрическую.

Также развилась квантовая электродинамика, что привело к созданию лазеров, которые нашли широкое применение в жизни. Теория электропроводности на основе квантовой механики привела к открытию закономерностей электропроводности твёрдых тел и полупроводников. Были созданы нанотехнологии, благодаря которым в наших домах сейчас есть ноутбуки, телефоны, интернет и многое другое.

Одновременно с этим физика элементарных частиц дала достаточно понятное объяснение рождения Вселенной. Было выяснено, что при небольших энергиях существует 4 вида взаимодействия: сильное, слабое, гравитационное и электромагнитное.

Если повысить энергию взаимодействующих частиц, то электромагнитное и слабое взаимодействия можно объединить одной теорией электрослабого взаимодействия. Считается, что если ещё повысить энергию взаимодействующих частиц, то можно все взаимодействия объединить в одну теорию — теорию всего. Предполагают, что именно это одно взаимодействие и было в начале рождения нашей Вселенной, когда:

Тогда различия между 4 видами взаимодействия полностью исчезают. Существовал конгломерат нейтронов, которые двигались с большой скоростью. Нейтрино и электроны не могли образовать какого-либо целостного вида материи. При понижении температуры сначала выделяется гравитационное взаимодействие, при энергиях частиц . При  отделяется от других сильное взаимодействие, образуются ядра элементов. Когда температура падает еще ниже, а энергия взаимодействия , образуются атомы и материя в привычном для нас виде, и существуют все виды взаимодействия.

Проблемы физики XXI века

1. Завершение классификации элементарных частиц, уменьшение числа фундаментальных частиц и установление законов их взаимодействия. Нынешние теории почти всегда приводят к росту сил в бесконечность, а такого быть не может.

2. Создание лазеров с большей мощностью и расширение диапазонов этих лазеров так, чтобы они затрагивали частоты, соответствующие диапазонам рентгеновского и гамма-излучения.

3. Получение элементов с порядковым номером 114 и 126 — это теоретически открытые острова стабильности атомов, так как все тяжелые элементы, в которых можно изучать взаимодействие частиц, очень нестабильны.

4. Развитие нанотехнологий.

5. Проблема получения энергии. Её решением является получение высокотемпературной плазмы в определенном объеме () и освоение термоядерного синтеза.

Домашнее задание

1. Какие изобретенные физиками приборы, применяемые и в других областях человеческой деятельности, вы знаете?

2. Как разнообразие взаимодействий связано с единством природы?

3. Как можно определить понятие физической картины мира?