ФИ́ЗИКА

ФИ́ЗИКА (от греч. φύσις – при­ро­да), нау­ка, изу­чаю­щая про­стей­шие и вме­сте с тем наи­бо­лее об­щие свой­ст­ва и за­ко­ны дви­же­ния объ­ек­тов ма­те­ри­аль­но­го ми­ра. По­ня­тия Ф. и её за­ко­ны ле­жат в ос­но­ве все­го ес­те­ст­во­зна­ния.

Предмет и структура физики

Пер­во­на­чаль­но, в эпо­ху ран­ней греч. куль­ту­ры, нау­ка бы­ла еди­ной и ох­ва­тыва­ла всё, что бы­ло из­вест­но о зем­ных и не­бес­ных яв­ле­ни­ях. По ме­ре на­ко­п­ле­ния фак­тич. ма­те­риа­ла и его на­уч. обоб­ще­ния про­ис­хо­ди­ла диф­фе­рен­циа­ция зна­ний и ме­то­дов ис­сле­до­ва­ния, и Ф. вы­де­ли­лась из об­щей нау­ки о при­ро­де. Од­на­ко гра­ни­цы, от­де­ляю­щие Ф. от др. ес­теств. на­ук, в зна­чит. ме­ре ус­лов­ны и ме­ня­ют­ся с те­че­ни­ем вре­ме­ни.

За­ко­ны Ф. ба­зи­ру­ют­ся на фак­тах, ус­та­нов­лен­ных опыт­ным пу­тём. Эти за­коны пред­став­ля­ют со­бой стро­го оп­ре­де­лён­ные ко­ли­че­ст­вен­ные со­от­но­ше­ния и фор­му­ли­ру­ют­ся на ма­те­ма­тич. язы­ке. Раз­ли­ча­ют экс­пе­рим. Ф. (опы­ты, про­во­ди­мые для об­на­ру­же­ния но­вых фак­тов и для про­вер­ки от­кры­тых фи­зич. за­ко­нов) и тео­ре­тич. Ф., цель ко­то­рой со­сто­ит в фор­му­ли­ров­ке об­щих за­ко­нов при­ро­ды и в объ­яс­не­нии кон­крет­ных яв­ле­ний на ос­но­ве этих за­ко­нов, а так­же в пред­ска­за­нии но­вых яв­ле­ний. По це­лям ис­сле­до­ва­ния и воз­мож­ным при­ме­не­ни­ям вы­де­ля­ют при­клад­ную фи­зи­ку.

В со­от­вет­ст­вии с мно­го­об­ра­зи­ем ис­сле­дуе­мых форм дви­же­ния ма­те­рии Ф. под­раз­де­ля­ет­ся на ряд дис­ци­п­лин, или раз­де­лов, в той или иной ме­ре свя­зан­ных друг с дру­гом. Де­ле­ние Ф. на отд. дис­ци­п­ли­ны не­од­но­знач­но, его мож­но про­во­дить ру­ко­во­дству­ясь разл. кри­те­рия­ми. По изу­чае­мым объ­ек­там Ф. де­лит­ся на Ф. эле­мен­тар­ных час­тиц, ядер­ную фи­зи­ку, атом­ную фи­зи­ку, мо­ле­ку­ляр­ную фи­зи­ку, Ф. кон­ден­си­ров. со­стоя­ния ве­ще­ст­ва, Ф. плаз­мы. Др. кри­те­рий – изу­чае­мые про­цес­сы или фор­мы дви­же­ния ма­те­рии. Раз­ли­ча­ют ме­ха­нич. дви­же­ние, те­п­ло­вые про­цес­сы, элек­тро­маг­нит­ные, гра­ви­та­ци­он­ные, силь­ные, сла­бые взаи­мо­дей­ст­вия; со­от­вет­ст­вен­но в Ф. вы­де­ля­ют ме­ха­ни­ку ма­те­ри­аль­ных то­чек и твёр­дых тел, ме­ха­ни­ку сплош­ной сре­ды (вклю­чая аку­сти­ку), тер­мо­ди­на­ми­ку, ста­ти­сти­че­скую фи­зи­ку, элек­тро­ди­на­ми­ку (вклю­чая оп­ти­ку), тео­рию тя­го­те­ния, кван­то­вую ме­ха­ни­ку и кван­то­вую тео­рию по­ля.

Ука­зан­ные раз­де­лы Ф. час­тич­но пе­ре­кры­ва­ют­ся вслед­ст­вие глу­бо­кой внутр. взаи­мо­свя­зи ме­ж­ду объ­ек­та­ми ма­те­ри­аль­но­го ми­ра и про­цес­са­ми, в ко­то­рых они уча­ст­ву­ют. Так, напр., тео­рия ко­ле­ба­ний и волн ос­но­ва­на на общ­но­сти за­ко­но­мер­но­стей ко­ле­бат. про­цес­сов разл. фи­зич. при­ро­ды (ме­ха­нич., аку­стич., элек­трич., оп­тич.) и ме­то­дов их ис­сле­до­ва­ния.

Совр. Ф. име­ет де­ло с не­боль­шим чис­лом фун­дам. за­ко­нов, или фун­дам. фи­зич. тео­рий, ох­ва­ты­ваю­щих все раз­де­лы Ф. Эти тео­рии пред­став­ля­ют со­бой квинт­эс­сен­цию на­ших зна­ний о ха­рак­те­ре фи­зич. про­цес­сов и яв­ле­ний, при­бли­жён­ное, но наи­бо­лее пол­ное ото­бра­же­ние разл. форм дви­же­ния ма­те­рии в при­ро­де. При этом мн. про­цес­сы изу­ча­ют­ся на раз­ных уров­нях: на мак­ро­ско­пич. уров­не в фе­но­ме­но­ло­ги­чес­ких (опи­са­тель­ных) тео­ри­ях и на мик­ро­ско­пич. уров­не в ста­ти­стич. тео­ри­ях мно­гих час­тиц.

На нач. 21 в. при­ня­то так­же де­ле­ние всей со­во­куп­но­сти фи­зич. зна­ний в со­от­вет­ст­вии с про­стран­ст­вен­ны­ми мас­шта­ба­ми изу­чае­мых объ­ек­тов: мик­ро­фи­зи­ка (раз­ме­ры по­ряд­ка 10^–18–10^–8 м), изу­чаю­щая эле­мен­тар­ные час­ти­цы и атом­ные яд­ра, а так­же ато­мы и мо­ле­ку­лы; мак­ро­фи­зи­ка (10^–8–10²⁰ м), в об­ласть изу­че­ния ко­то­рой вхо­дят фи­зич. те­ла, со­став­ляю­щие жи­вую и не­жи­вую при­ро­ду; ме­га­фи­зи­ка (10²⁰–10²⁶ м), изу­чаю­щая кос­мич. объ­ек­ты от раз­ме­ра Сол­неч­ной сис­те­мы до диа­мет­ра ви­ди­мой час­ти Все­лен­ной (га­лак­ти­ки и их ско­п­ле­ния, ту­ман­но­сти, ква­за­ры и т. п.).

При изу­че­нии объ­ек­тов ка­ж­до­го из этих раз­де­лов Ф. опе­ри­ру­ет спе­ци­фич. за­ко­на­ми, ма­те­ма­тич. ап­па­ра­том и ме­то­да­ми ис­сле­до­ва­ния. Напр., при пе­ре­хо­де от мак­ро- к мик­ро­фи­зи­ке пол­но­стью де­тер­ми­ни­ро­ван­ные за­ко­ны сме­ня­ют­ся ве­ро­ят­но­ст­ны­ми. При пе­ре­хо­де от мак­ро­фи­зи­ки к ме­га­фи­зи­ке по­доб­ные из­ме­не­ния не столь оче­вид­ны, од­на­ко уже от­кры­ты (или име­ют­ся кос­вен­ные экс­пе­рим. под­твер­жде­ния) ас­т­ро­фи­зич. объ­ек­ты, фи­зич. свой­ст­ва ко­то­рых опи­сы­ва­ют за­ко­ны, спра­вед­ли­вые толь­ко для «ме­га­ми­ра».

Гра­ни­цы ме­ж­ду об­лас­тя­ми фи­зич. ис­сле­до­ва­ний под­виж­ны, ме­ж­ду разл. об­лас­тя­ми име­ют­ся мно­го­гран­ные свя­зи и ана­ло­гии. Плав­ные пе­ре­хо­ды от од­но­го раз­де­ла к дру­го­му, кор­ре­ля­ция ре­зуль­та­тов в пре­дель­ных слу­ча­ях (со­от­вет­ст­вия прин­цип) и на­ли­чие фун­дам. за­ко­нов (напр., со­хра­не­ния за­ко­нов) спра­вед­ли­вы для всех час­тей фи­зи­ки.

История развития физики

Становление физики (до 17 века)

По­яв­ле­нию Ф. в совр. смыс­ле сло­ва пред­шест­во­ва­ли мно­го­числ. по­пыт­ки объ­яс­не­ния разл. фи­зич. яв­ле­ний. В эпо­ху гре­ко-рим­ской куль­ту­ры (6 в. до н. э. – 2 в. н. э.) за­ро­ди­лось пред­став­ле­ние об атом­ном строе­нии ве­ще­ст­ва (Де­мок­рит, Эпи­кур, Лук­ре­ций), бы­ла соз­да­на гео­цен­трич. сис­те­ма ми­ра (Пто­ле­мей), ус­та­нов­ле­ны про­стей­шие за­ко­ны ста­ти­ки (пра­ви­ло ры­ча­га), от­кры­ты за­ко­ны пря­мо­ли­ней­но­го рас­про­стра­не­ния и от­ра­же­ния све­та, сфор­му­ли­ро­ва­ны на­ча­ла гид­ро­ста­ти­ки (за­кон Ар­хи­ме­да), на­блю­да­лись про­стей­шие про­яв­ле­ния элек­три­че­ст­ва и маг­не­тиз­ма.

Об­щий итог при­об­ре­тён­ных зна­ний был под­ве­дён Ари­сто­те­лем (4 в. до н. э.). Фи­зи­ка Ари­сто­те­ля вклю­ча­ла отд. вер­ные по­ло­же­ния, но в то же вре­мя от­вер­га­ла мн. про­грес­сив­ные идеи пред­ше­ст­вен­ни­ков, в ча­ст­но­сти атом­ную ги­по­те­зу. При­зна­вая зна­че­ние опы­та, Ари­сто­тель от­да­вал пред­поч­те­ние умо­зрит. пред­став­ле­ни­ям и не счи­тал опыт гл. кри­те­ри­ем дос­то­вер­но­сти зна­ния. Уче­ние Ари­сто­те­ля, ка­но­ни­зи­ро­ван­ное Цер­ко­вью, на­дол­го за­тор­мо­зи­ло раз­ви­тие нау­ки.

Ес­те­ст­во­зна­ние воз­ро­ди­лось лишь в 15–16 вв. в борь­бе с уче­ни­ем Ари­сто­те­ля. В сер. 16 в. Н. Ко­пер­ник раз­ра­бо­тал ге­лио­цен­трич. сис­те­му ми­ра и по­ло­жил на­ча­ло ос­во­бо­ж­де­нию ес­те­ст­во­зна­ния от тео­ло­гии. По­треб­но­сти про­из-ва, раз­ви­тие ре­мё­сел, су­до­ход­ст­ва и ар­тил­ле­рии сти­му­ли­ро­ва­ли на­уч. ис­сле­до­ва­ния, опи­раю­щие­ся на опыт. Од­на­ко в 15–16 вв. экс­пе­рим. ис­сле­до­ва­ния но­си­ли в осн. слу­чай­ный ха­рак­тер. Лишь в 17 в. на­ча­лось сис­те­ма­тич. при­ме­не­ние экс­пе­рим. ме­то­да в Ф.; это при­ве­ло к соз­да­нию пер­вой фун­дам. фи­зич. тео­рии – клас­сич. ме­ха­ни­ки И. Нью­то­на.

Формирование физики как науки (начало 17 – конец 18 вв.)

Раз­ви­тие Ф. как нау­ки бы­ло на­ча­то тру­да­ми Г. Га­ли­лея. Га­ли­лей по­нял, что для от­кры­тия за­ко­нов дви­же­ния нуж­но нау­чить­ся опи­сы­вать дви­же­ние ма­те­ма­ти­че­ски. Нель­зя ог­ра­ни­чи­вать­ся про­стым на­блю­де­ни­ем за дви­жу­щи­ми­ся те­ла­ми; нуж­но ста­вить опы­ты, что­бы вы­яс­нить, как ме­ня­ют­ся со вре­ме­нем ве­ли­чи­ны, ха­рак­те­ри­зую­щие дви­жу­щие­ся те­ла. Га­ли­лей по­ка­зал, что воз­дей­ст­вие на дан­ное те­ло ок­ру­жаю­щих тел оп­ре­де­ля­ет не ско­рость, как счи­та­лось в ме­ха­ни­ке Ари­сто­те­ля, а ус­ко­ре­ние те­ла. Это ут­вер­жде­ние пред­став­ля­ло со­бой пер­вую фор­му­ли­ров­ку за­ко­на инер­ции. Га­ли­лей от­крыл прин­цип от­но­си­тель­но­сти в ме­ха­ни­ке (Га­ли­лея прин­цип от­но­си­тель­но­сти), до­ка­зал не­за­ви­си­мость ус­ко­ре­ния сво­бод­но­го па­де­ния тел от их плот­но­сти и мас­сы, с по­мо­щью ме­ха­ни­ки обос­но­вал тео­рию Ко­пер­ни­ка. Зна­чит. ре­зуль­та­ты бы­ли по­лу­че­ны Га­ли­ле­ем и в др. об­лас­тях Ф. Он впер­вые при­ме­нил зри­тель­ную тру­бу для ас­тро­но­мич. на­блю­де­ний и сде­лал с её по­мо­щью ряд от­кры­тий. Ко­ли­че­ст­вен­ное изу­че­ние те­п­ло­вых яв­ле­ний на­ча­лось по­сле изо­бре­те­ния Га­ли­ле­ем пер­во­го тер­мо­мет­ра.

В 1-й пол. 17 в. на­ча­лось ус­пеш­ное изу­че­ние га­зов. Уче­ник Га­ли­лея Э. Тор­ри­чел­ли от­крыл ат­мо­сфер­ное дав­ле­ние и соз­дал пер­вый ба­ро­метр. Р. Бойль и Э. Ма­ри­отт ис­сле­до­ва­ли уп­ру­гость га­зов и сфор­му­ли­ро­ва­ли пер­вый га­зо­вый за­кон, но­ся­щий их имя. Тог­да же В. Снел­ли­ус и Р. Де­карт не­за­ви­си­мо друг от дру­га от­кры­ли за­кон пре­лом­ления све­та. К это­му же вре­ме­ни от­но­сит­ся соз­да­ние мик­ро­ско­па. Зна­чит. шаг в изу­че­нии элек­тро­маг­нит­ных яв­ле­ний был сде­лан в нач. 17 в. У. Гиль­бер­том, ко­то­рый до­ка­зал, что Зем­ля яв­ля­ет­ся боль­шим маг­ни­том, и пер­вым стро­го раз­гра­ни­чил элек­трич. и маг­нит­ные яв­ле­ния.

Осн. дос­ти­же­ние Ф. 17 в. – соз­да­ние клас­сич. ме­ха­ни­ки. Раз­ви­вая идеи Г. Га­ли­лея, Х. Гюй­ген­са и др., И. Нью­тон сфор­му­ли­ро­вал осн. за­ко­ны клас­сич. ме­ха­ни­ки. При её по­строе­нии впер­вые был во­пло­щён иде­ал на­уч. тео­рии, су­ще­ст­вую­щий и по­ны­не: за­да­ча нау­ки со­сто­ит в по­ис­ках наи­бо­лее об­щих, ко­ли­че­ст­вен­но фор­му­ли­руе­мых за­ко­нов при­ро­ды.

Наи­боль­ших ус­пе­хов ме­ха­ни­ка Нью­то­на дос­тиг­ла при объ­яс­не­нии дви­же­ния не­бес­ных тел. Ис­хо­дя из за­ко­нов дви­же­ния пла­нет, ус­та­нов­лен­ных И. Ке­п­ле­ром на ос­но­ве на­блю­де­ний Т. Бра­ге и др., И. Нью­тон от­крыл все­мир­но­го тя­го­те­ния за­кон. С по­мо­щью это­го за­ко­на уда­лось с вы­со­кой точ­но­стью рас­счи­тать дви­же­ние Лу­ны, пла­нет и ко­мет Сол­неч­ной сис­те­мы, объ­яс­нить при­ли­вы и от­ли­вы в океа­не. Нью­тон при­дер­жи­вал­ся кон­цеп­ции даль­но­дей­ст­вия, со­глас­но ко­то­рой взаи­мо­дей­ст­вие тел (час­тиц) про­ис­хо­дит мгно­вен­но не­по­сред­ст­вен­но че­рез пус­то­ту; си­лы взаи­мо­дей­ст­вия долж­ны оп­ре­де­лять­ся экс­пе­ри­мен­таль­но.

В это же вре­мя Х. Гюй­генс и Г. Лейб­ниц сфор­му­ли­ро­ва­ли за­кон со­хра­не­ния ко­ли­че­ст­ва дви­же­ния; Гюй­генс соз­дал тео­рию фи­зич. ма­ят­ни­ка, по­стро­ил ча­сы с ма­ят­ни­ком; Р. Гук от­крыл осн. за­кон уп­ру­го­сти (Гу­ка за­кон). Бы­ли за­ло­же­ны ос­но­вы фи­зич. аку­сти­ки: М. Мер­сенн впер­вые из­ме­рил ско­рость зву­ка в воз­ду­хе, И. Нью­тон дал тео­ре­тич. вы­вод фор­му­лы для ско­ро­сти зву­ка.

Во 2-й пол. 17 в. бы­ст­ро раз­ви­ва­лась гео­мет­рич. оп­ти­ка при­ме­ни­тель­но к кон­ст­руи­ро­ва­нию те­ле­ско­пов и др. оп­тич. при­бо­ров и за­кла­ды­ва­лись ос­но­вы фи­зич. оп­ти­ки. Ф. Гри­маль­ди от­крыл ди­фрак­цию све­та, И. Нью­тон про­вёл фун­дам. ис­сле­до­ва­ния дис­пер­сии све­та. Эти ра­бо­ты Нью­то­на мож­но счи­тать на­ча­лом оп­ти­че­ской спек­тро­ско­пии. В 1675 О. К. Рё­мер впер­вые из­ме­рил ско­рость све­та. Поч­ти од­но­вре­мен­но воз­ник­ли и на­ча­ли раз­ви­вать­ся две разл. тео­рии о фи­зич. при­ро­де све­та – кор­пус­ку­ляр­ная и вол­но­вая. Со­глас­но кор­пус­ку­ляр­ной тео­рии Нью­то­на, свет – это по­ток час­тиц, дви­жу­щих­ся от ис­точ­ни­ка по всем на­прав­ле­ни­ям. Х. Гюй­генс за­ло­жил ос­но­вы вол­но­вой тео­рии све­та, со­глас­но ко­то­рой свет – это по­ток волн, рас­про­стра­няю­щих­ся в осо­бой ги­по­те­тич. сре­де – эфи­ре ми­ро­вом.

В 18 в. про­дол­жа­лось раз­ви­тие клас­сич. ме­ха­ни­ки, в ча­ст­но­сти не­бес­ной ме­ха­ни­ки. По не­боль­шой ано­ма­лии в дви­же­нии пла­не­ты Уран уда­лось пред­ска­зать су­ще­ст­во­ва­ние но­вой пла­не­ты – Неп­ту­на. Уве­рен­ность в спра­вед­ли­во­сти ме­ха­ни­ки Нью­то­на ста­ла все­об­щей. На её ос­но­ве бы­ла соз­да­на еди­ная ме­ха­нич. кар­ти­на ми­ра, со­глас­но ко­то­рой всё ка­че­ст­вен­ное мно­го­об­ра­зие ми­ра – ре­зуль­тат раз­ли­чий в дви­же­нии ато­мов, сла­гаю­щих те­ла, ко­то­рое под­чи­ня­ет­ся за­ко­нам Нью­то­на. Эта кар­ти­на мн. го­ды ока­зы­ва­ла силь­ней­шее влия­ние на раз­ви­тие Ф. Объ­яс­не­ние фи­зич. яв­ле­ния счи­та­лось на­уч­ным и пол­ным, ес­ли это яв­ле­ние мож­но бы­ло све­сти к дей­ст­вию за­ко­нов клас­сич. ме­ха­ни­ки.

В ра­бо­тах Л. Эй­ле­ра и др. бы­ла раз­ра­бо­та­на ди­на­ми­ка аб­со­лют­но твёр­до­го те­ла. Па­рал­лель­но с раз­ви­ти­ем ме­ха­ни­ки час­тиц и твёр­дых тел шло раз­ви­тие ме­ха­ни­ки жид­ко­стей, га­зов и де­фор­ми­руе­мых тел. Тру­да­ми Д. Бер­нул­ли, Эй­ле­ра, Ж. Ла­гран­жа и др. в 1-й пол. 18 в. бы­ли за­ло­же­ны ос­но­вы гид­ро­ди­на­ми­ки иде­аль­ной жид­ко­сти. В «Ана­ли­ти­че­ской ме­ха­ни­ке» Ла­гран­жа урав­не­ния ме­ха­ни­ки пред­став­ле­ны в столь обоб­щён­ной фор­ме, что в даль­ней­шем их уда­лось при­ме­нить и к не­ме­ха­ни­че­ским, в ча­ст­но­сти элек­тро­маг­нит­ным, про­цес­сам. У. Р. Га­миль­тон ус­та­но­вил об­щий ин­те­граль­ный прин­цип наи­мень­ше­го дей­ст­вия клас­сич. ме­ха­ни­ки, ко­то­рый ока­зал­ся при­ме­ни­мым во всей фи­зи­ке.

В др. об­лас­тях Ф. про­ис­хо­ди­ло даль­ней­шее на­ко­п­ле­ние опыт­ных дан­ных, фор­му­ли­ро­ва­лись про­стей­шие экс­пе­рим. за­ко­ны. Ш. Дю­фе от­крыл су­ще­ст­во­ва­ние двух ви­дов элек­три­че­ст­ва и оп­ре­де­лил, что од­но­имён­но за­ря­жен­ные те­ла от­тал­ки­ва­ют­ся, а раз­но­имён­но за­ря­жен­ные – при­тя­ги­ва­ют­ся. Б. Франк­лин ус­та­но­вил за­кон со­хра­не­ния элек­трич. за­ря­да. Г. Ка­вен­диш и Ш. Ку­лон не­за­ви­си­мо друг от дру­га от­кры­ли осн. за­кон элек­тро­ста­ти­ки, оп­ре­де­ляю­щий си­лу взаи­мо­дей­ст­вия не­под­виж­ных элек­трич. за­ря­дов (Ку­ло­на за­кон). Воз­ник­ло уче­ние об ат­мо­сфер­ном элек­три­че­ст­ве; Франк­лин, М. В. Ло­мо­но­сов и Г. В. Рих­ман до­ка­за­ли элек­трич. при­ро­ду мол­нии. В оп­ти­ке про­дол­жа­лось со­вер­шен­ст­во­ва­ние объ­ек­ти­ва те­ле­ско­па. Тру­да­ми П. Бу­ге­ра и И. Лам­бер­та на­ча­ла соз­да­вать­ся фо­то­мет­рия. Бы­ли от­кры­ты ин­фра­крас­ные (У. Гер­шель, У. Вол­ла­стон) и ульт­ра­фио­ле­то­вые (нем. учё­ный И. Рит­тер) лу­чи. За­мет­ный про­гресс на­блю­дал­ся в ис­сле­до­ва­нии те­п­ло­вых яв­ле­ний: ста­ли раз­ли­чать темп-ру и ко­ли­че­ст­во те­п­ло­ты. Это про­изош­ло по­сле от­кры­тия Дж. Блэ­ком скры­той те­п­ло­ты плав­ле­ния и экс­пе­рим. до­ка­за­тель­ст­ва со­хра­не­ния те­п­ло­ты в ка­ло­ри­мет­рич. опы­тах. Бы­ло сфор­му­ли­ро­ва­но по­ня­тие те­п­ло­ём­ко­сти, на­ча­то ис­сле­до­ва­ние те­п­ло­про­вод­но­сти и те­п­ло­во­го из­лу­че­ния. При этом од­новре­мен­но ут­вер­ди­лись не­пра­виль­ные взгля­ды на при­ро­ду те­п­ло­ты. Те­п­ло­ту рас­смат­ри­ва­ли как осо­бо­го ро­да не­унич­то­жи­мую не­ве­со­мую жид­кость – те­п­ло­род, спо­соб­ную пе­ре­те­кать от на­гре­тых тел к хо­лод­ным. Кор­пус­ку­ляр­ная тео­рия те­п­ло­ты, со­глас­но ко­то­рой те­п­ло­та свя­за­на с внутр. дви­же­ни­ем час­тиц, по­тер­пе­ла вре­мен­ное по­ра­же­ние, не­смот­ря на то, что её под­дер­жи­ва­ли и раз­ви­ва­ли та­кие вы­даю­щие­ся учё­ные, как Нью­тон, Гук, Бойль, Бер­нул­ли, Ло­мо­но­сов и др.

Классическая физика (19 век)

В нач. 19 в. дли­тель­ная кон­ку­рен­ция ме­ж­ду кор­пус­ку­ляр­ной и вол­но­вой тео­рия­ми све­та за­вер­ши­лась окон­ча­тель­ной, ка­за­лось бы, по­бе­дой вол­но­вой тео­рии. Это про­изош­ло по­сле то­го, как Т. Юнг и од­но­вре­мен­но О. Ж. Фре­нель с по­мо­щью вол­но­вых пред­став­ле­ний ус­пеш­но объ­яс­ни­ли яв­ле­ния ин­тер­фе­рен­ции и ди­фрак­ции све­та; ин­тер­пре­ти­ро­вать эти яв­ле­ния с по­мо­щью кор­пус­ку­ляр­ной тео­рии пред­став­ля­лось не­воз­мож­ным. В то же вре­мя бы­ло по­лу­че­но ре­шаю­щее до­ка­за­тель­ст­во по­пе­реч­но­сти све­то­вых волн (Фре­нель, Д. Ф. Ара­го, Юнг), от­кры­той ещё в 18 в. Рас­смат­ри­вая свет как по­пе­реч­ные вол­ны в уп­ру­гой сре­де (эфи­ре), Фре­нель на­шёл ко­ли­че­ст­вен­ный за­кон, оп­ре­де­ляю­щий ин­тен­сив­ность пре­лом­лён­ных и от­ра­жён­ных све­то­вых волн при пе­ре­хо­де све­та из од­ной сре­ды в дру­гую (фор­му­лы Фре­не­ля), а так­же соз­дал тео­рию двой­но­го лу­че­пре­лом­ле­ния.

Боль­шое зна­че­ние для раз­ви­тия Ф. име­ли от­кры­тия Л. Галь­ва­ни и А. Воль­ты, по­зво­лив­шие соз­дать дос­та­точ­но мощ­ные ис­точ­ни­ки по­сто­ян­но­го то­ка – галь­ва­нич. ба­та­реи. Это да­ло воз­мож­ность об­на­ру­жить и изу­чить мно­го­об­раз­ные дей­ст­вия элек­трич. то­ка. Пре­ж­де все­го бы­ло ис­сле­до­ва­но хи­мич. дей­ст­вие то­ка (Г. Дэ­ви, М. Фа­ра­дей), В. В. Пет­ров по­лу­чил элек­трич. ду­гу. От­кры­тие Х. К. Эр­сте­дом в 1820 дей­ст­вия элек­трич. то­ка на маг­нит­ную стрел­ку до­ка­за­ло связь ме­ж­ду элек­три­че­ст­вом и маг­не­тиз­мом. Ос­но­вы­ва­ясь на един­ст­ве элек­трич. и маг­нит­ных яв­ле­ний, А. Ам­пер при­шёл к вы­во­ду, что все маг­нит­ные яв­ле­ния обу­слов­ле­ны дви­жу­щи­ми­ся за­ря­жен­ны­ми час­ти­ца­ми – элек­трич. то­ком. Вслед за этим Ам­пер экс­пе­ри­мен­таль­но ус­та­но­вил за­кон, оп­ре­де­ляю­щий си­лу взаи­мо­дей­ст­вия двух элек­трич. то­ков (Ам­пе­ра за­кон).

В 1831 М. Фа­ра­дей от­крыл яв­ле­ние элек­тро­маг­нит­ной ин­дук­ции. При по­пыт­ках объ­яс­не­ния это­го яв­ле­ния с по­мо­щью кон­цеп­ции даль­но­дей­ст­вия вы­яви­лись зна­чит. за­труд­не­ния. Фа­ра­дей вы­ска­зал ги­по­те­зу (ещё до от­кры­тия элек­тро­маг­нит­ной ин­дук­ции), со­глас­но ко­то­рой элек­тро­маг­нит­ные взаи­мо­дей­ст­вия осу­ще­ст­в­ля­ют­ся по­сред­ст­вом про­ме­жу­точ­но­го аген­та – элек­тро­маг­нит­но­го по­ля (кон­цеп­ция близ­ко­дей­ст­вия). Это по­слу­жи­ло на­ча­лом фор­ми­ро­ва­ния но­вой нау­ки о свой­ст­вах и за­ко­нах по­ве­де­ния осо­бой фор­мы ма­те­рии – элек­тро­маг­нит­но­го по­ля.

Важ­ней­шее зна­че­ние для Ф. и все­го ес­те­ст­во­зна­ния име­ло от­кры­тие за­ко­на со­хра­не­ния энер­гии, свя­зав­ше­го во­еди­но все яв­ле­ния при­ро­ды. В сер. 19 в. опыт­ным пу­тём бы­ла до­ка­за­на эк­ви­ва­лент­ность ко­ли­че­ст­ва те­п­ло­ты и ра­бо­ты и, т. о., ус­та­нов­ле­но, что те­п­ло­та пред­став­ля­ет со­бой не ка­кую-то ги­по­те­ти­чес­кую со­хра­няю­щую­ся суб­стан­цию – те­п­ло­род, а осо­бую фор­му энер­гии. В 1840-х гг. Ю. Р. Май­ер, Дж. Джо­уль и Г. Гельм­гольц не­за­ви­си­мо друг от дру­га от­кры­ли за­кон со­хра­не­ния и пре­вра­ще­ния энер­гии. За­кон со­хра­не­ния энер­гии стал осн. за­ко­ном тер­мо­ди­на­ми­ки – тео­рии те­п­ло­вых яв­ле­ний, в ко­то­рой не учи­ты­ва­ет­ся мо­ле­ку­ляр­ное строе­ние тел; этот за­кон по­лу­чил на­зва­ние пер­во­го на­ча­ла тер­мо­ди­на­ми­ки.

Ещё до это­го от­кры­тия Н. Л. С. Кар­но в 1824 по­лу­чил ре­зуль­та­ты, по­слу­жив­шие ос­но­вой для др. фун­дам. за­ко­на тео­рии те­п­ло­ты – вто­ро­го на­ча­ла тер­мо­ди­на­ми­ки. Этот за­кон, сфор­му­ли­ро­ван­ный в ра­бо­тах Р. Клау­зиу­са в 1850 и У. Том­со­на (лор­да Кель­ви­на) в 1851, яв­ля­ет­ся обоб­ще­ни­ем опыт­ных дан­ных, ука­зы­ваю­щих на не­об­ра­ти­мость про­цес­сов в при­ро­де, и оп­ре­де­ля­ет на­прав­ле­ние тер­мо­ди­на­мич. про­цес­сов.

Од­но­вре­мен­но с раз­ви­ти­ем тер­мо­ди­на­ми­ки раз­ви­ва­лась и мо­ле­ку­ляр­но-ки­не­тич. тео­рия те­п­ло­вых про­цес­сов. Это по­зво­ли­ло вклю­чить те­п­ло­вые про­цес­сы в рам­ки ме­ха­нич. кар­ти­ны ми­ра и од­но­вре­мен­но при­ве­ло к от­кры­тию но­во­го ти­па за­ко­нов – ста­ти­сти­че­ских, в ко­то­рых все свя­зи ме­ж­ду фи­зич. ве­ли­чи­на­ми но­сят не­од­но­знач­ный, ве­ро­ят­но­ст­ный ха­рак­тер.

На пер­вом эта­пе раз­ви­тия ки­не­тич. тео­рии наи­бо­лее про­стой сре­ды – га­за – Дж. Джо­уль, Р. Клау­зи­ус и др. вы­чис­ли­ли ср. зна­че­ния разл. фи­зич. ве­ли­чин: ско­ро­сти мо­ле­кул, чис­ла столк­но­ве­ний мо­ле­кул в се­кун­ду, дли­ны сво­бод­но­го про­бе­га и др. Бы­ла по­лу­че­на за­ви­си­мость дав­ле­ния га­за от чис­ла мо­ле­кул в еди­ни­це объ­ё­ма и ср. ки­не­тич. энер­гии по­сту­пат. дви­же­ния мо­ле­кул. Это по­зво­ли­ло вскрыть глу­бо­кий фи­зич. смысл темп-ры как ме­ры ср. ки­не­тич. энер­гии мо­ле­кул. В ос­но­ве этих пред­став­ле­ний ле­жа­ло пред­по­ло­же­ние о том, что мо­леку­лы уча­ст­ву­ют в хао­тич. те­п­ло­вом дви­же­нии.

Вто­рой этап раз­ви­тия мо­ле­ку­ляр­но-ки­не­тич. тео­рии на­чат Дж. К. Мак­свел­лом. В 1859 он, вве­дя впер­вые в Ф. по­ня­тие ве­ро­ят­но­сти, на­шёл за­кон рас­пре­де­ле­ния мо­ле­кул по ско­ро­стям (Мак­свел­ла рас­пре­де­ле­ние). По­сле это­го воз­мож­ности мо­ле­ку­ляр­но-ки­не­тич. тео­рии не­обы­чай­но рас­ши­ри­лись и при­ве­ли к соз­да­нию ста­ти­стич. ме­ха­ни­ки. Л. Больц­ман по­стро­ил ки­не­ти­че­скую тео­рию га­зов и дал ста­ти­стич. обос­но­ва­ние за­ко­нов тер­мо­ди­на­ми­ки. Осн. про­бле­ма, ко­то­рую в зна­чит. сте­пе­ни уда­лось ре­шить Больц­ма­ну, за­клю­ча­лась в со­гла­со­ва­нии об­ра­ти­мо­го по вре­ме­ни ха­рак­те­ра дви­же­ния отд. мо­ле­кул с оче­вид­ной не­об­ра­ти­мо­стью всех мак­ро­ско­пич. про­цес­сов. Тер­мо­ди­на­мич. рав­но­ве­сию сис­те­мы, по Больц­ма­ну, со­от­вет­ст­ву­ет мак­си­мум ве­ро­ят­но­сти дан­но­го со­стоя­ния. Не­об­ра­ти­мость про­цес­сов свя­за­на со стрем­ле­ни­ем сис­те­мы к наи­бо­лее ве­ро­ят­но­му со­стоя­нию. Боль­шое зна­че­ние име­ла до­ка­зан­ная Больц­ма­ном тео­ре­ма о рав­но­мер­ном рас­пре­де­ле­нии ср. ки­не­тич. энер­гии по сте­пе­ням сво­бо­ды.

Ста­ти­стич. ме­ха­ни­ка по­лу­чи­ла за­вер­ше­ние в 1902 в ра­бо­тах Дж. У. Гиб­бса, соз­дав­ше­го ме­тод рас­чё­та функ­ций рас­пре­де­ле­ния для лю­бых сис­тем в со­стоя­нии тер­мо­ди­на­мич. рав­но­ве­сия. Все­об­щее при­зна­ние ста­ти­стич. ме­ха­ни­ка по­лу­чи­ла по­сле соз­да­ния в 1905–06 А. Эйн­штей­ном и М. Смо­лу­хов­ским на ос­но­ве мо­ле­ку­ляр­но-ки­не­тич. тео­рии ко­ли­че­ст­вен­ной тео­рии бро­унов­ско­го дви­же­ния, которая бы­ла экс­пе­ри­мен­таль­но под­твер­жде­на в опы­тах Ж. Б. Пер­ре­на.

Во 2-й пол. 19 в. дли­тель­ный про­цесс изу­че­ния элек­тро­маг­нит­ных яв­ле­ний был за­вер­шён Дж. К. Мак­свел­лом, на­пи­сав­шим урав­не­ния для элек­тро­маг­нит­но­го по­ля, ко­то­рые объ­яс­ня­ли все из­вест­ные в то вре­мя фак­ты с еди­ной точ­ки зре­ния и по­зво­ля­ли пред­ска­зы­вать но­вые яв­ле­ния. Элек­тро­маг­нит­ную ин­дук­цию Мак­свелл ин­тер­пре­ти­ро­вал как про­цесс по­ро­ж­де­ния пе­ре­мен­ным маг­нит­ным по­лем вих­ре­во­го элек­трич. по­ля. Вслед за этим он пред­ска­зал об­рат­ный эф­фект – по­ро­ж­де­ние маг­нит­но­го по­ля пе­ре­мен­ным элек­трич. по­лем (то­ком сме­ще­ния). Важ­ней­шим ре­зуль­та­том тео­рии Мак­свел­ла был вы­вод о ко­неч­но­сти ско­ро­сти рас­про­стра­не­ния элек­тро­маг­нит­ных взаи­мо­дей­ст­вий (элек­тро­маг­нит­ных волн) и ра­вен­ст­ве её ско­ро­сти све­та. Экс­пе­рим. об­на­ру­же­ние элек­тро­маг­нит­ных волн Г. Р. Гер­цем (1886–89) под­твер­ди­ло спра­вед­ли­вость это­го вы­во­да. Из тео­рии Мак­свел­ла вы­те­ка­ло, что свет име­ет элек­тро­маг­нит­ную при­ро­ду. В кон. 19 в. П. Н. Ле­бе­дев об­на­ру­жил на опы­те и из­ме­рил дав­ле­ние све­та, пред­ска­зан­ное элек­тро­маг­нит­ной тео­ри­ей Мак­свел­ла. В это же вре­мя А. С. По­пов и Г. Мар­ко­ни впер­вые ис­поль­зо­ва­ли элек­тро­маг­нит­ные вол­ны для бес­про­вод­ной свя­зи. В 1859 Г. Р. Кирх­гоф и Р. Бун­зен за­ло­жи­ли ос­но­вы спек­траль­но­го ана­ли­за.

В 19 в. про­дол­жа­лось так­же раз­ви­тие ме­ха­ни­ки сплош­ных сред. В аку­сти­ке бы­ла раз­ра­бо­та­на тео­рия уп­ру­гих ко­ле­ба­ний и волн (Г. Гельм­гольц, Дж. У. Рэ­лей и др.). Соз­да­на тех­ни­ка по­лу­че­ния низ­ких темп-р; по­лу­че­ны в жид­ком со­сто­я­нии все га­зы, кро­ме ге­лия. В нач. 20 в. X. Ка­мер­линг-Он­нес ожи­жил и ге­лий.

К кон. 19 в. Ф. счи­та­ли поч­ти за­вер­шён­ной. Ка­за­лось, что все фи­зич. яв­ле­ния мож­но све­сти к ме­ха­ни­ке мо­ле­кул (или ато­мов) и эфи­ра. Эфир рас­смат­ри­вал­ся как ме­ха­нич. сре­да, в ко­то­рой про­ис­хо­дят элек­тро­маг­нит­ные яв­ле­ния. Лорд Кель­вин об­ра­щал вни­ма­ние лишь на два не­объ­яс­ни­мых фак­та: от­ри­цат. ре­зуль­тат опы­та А. А. Май­кель­со­на по об­на­ру­же­нию дви­же­ния Зем­ли от­но­си­тель­но эфи­ра и не­по­нят­ную с точ­ки зре­ния мо­ле­ку­ляр­но-ки­не­тич. тео­рии за­ви­си­мость те­п­ло­ём­ко­сти га­зов от темп-ры. Од­на­ко имен­но эти фак­ты яви­лись пер­вым ука­за­ни­ем на не­об­хо­ди­мость пе­ре­смот­ра осн. пред­став­ле­ний Ф. Для объ­яс­не­ния этих и мно­же­ст­ва др. фак­тов, от­кры­тых впо­след­ст­вии, по­на­до­би­лось соз­да­ние тео­рии от­но­си­тель­но­сти и кван­то­вой ме­ха­ни­ки.

Релятивистская и квантовая физика. Физика атомного ядра и элементарных частиц (конец 19 – 20 вв.)

На­сту­п­ле­ние но­вой эпо­хи в Ф. бы­ло под­го­тов­ле­но от­кры­ти­ем элек­тро­на Дж. Дж. Том­со­ном в кон. 19 в. Вы­яс­ни­лось, что ато­мы не эле­мен­тар­ны, а пред­став­ля­ют со­бой слож­ные сис­те­мы, в со­став ко­то­рых вхо­дят элек­тро­ны. Важ­ней­шую роль в этом от­кры­тии сыг­ра­ло ис­сле­до­ва­ние элек­трич. раз­ря­дов в га­зах.

В кон. 19 – нач. 20 вв. Х. А. Ло­ренц за­ло­жил ос­но­вы элек­трон­ной тео­рии, на­зы­вае­мой ча­ще мик­ро­ско­пич. элек­тро­ди­на­ми­кой. В этой тео­рии ме­то­ды ста­ти­стич. ме­ха­ни­ки бы­ли рас­про­стра­не­ны на элек­тро­маг­нит­ные про­цес­сы.

В нач. 20 в. вы­яс­ни­лось, что элек­тро­ди­на­ми­ка тре­бу­ет ко­рен­но­го пе­ре­смот­ра пред­став­ле­ний о про­стран­ст­ве и вре­ме­ни – пред­став­ле­ний, ле­жа­щих в ос­но­ве клас­сич. ме­ха­ни­ки Нью­то­на. Опыт по­ка­зы­вал, что сфор­му­ли­ро­ван­ный Г. Га­ли­ле­ем прин­цип от­но­си­тель­но­сти, со­глас­но ко­то­ро­му ме­ха­нич. яв­ле­ния про­те­ка­ют оди­на­ко­во во всех инер­ци­аль­ных сис­те­мах от­счё­та, спра­вед­лив и для элек­тро­маг­нит­ных яв­ле­ний. По­это­му урав­не­ния Мак­свел­ла не долж­ны из­ме­нять свою фор­му (долж­ны быть ин­ва­ри­ант­ны­ми) при пе­ре­хо­де от од­ной инер­ци­аль­ной сис­те­мы от­счё­та к дру­гой. Од­на­ко ока­за­лось, что это спра­вед­ли­во лишь в том слу­чае, ес­ли пре­об­ра­зо­ва­ния ко­ор­ди­нат и вре­ме­ни при та­ком пе­ре­хо­де от­лич­ны от пре­об­ра­зо­ва­ний Га­ли­лея, спра­вед­ли­вых в ме­ха­ни­ке Нью­то­на.

А. Пу­ан­ка­ре и Х. А. Ло­ренц на­шли эти пре­об­ра­зо­ва­ния (см. Ло­рен­ца пре­об­ра­зо­ва­ния), но не смог­ли дать им пра­виль­ную фи­зич. ин­тер­пре­та­цию. Это бы­ло сде­ла­но А. Эйн­штей­ном в 1905 в его спец. тео­рии от­но­си­тель­но­сти, пред­став­ляв­шей со­бой сле­дую­щий по­сле Г. Га­ли­лея и И. Нью­то­на шаг в раз­ви­тии пред­став­ле­ний о про­стран­ст­ве и вре­ме­ни – ре­ляти­ви­ст­скую фи­зи­ку. От­кры­тие спец. тео­рии от­но­си­тель­но­сти по­ка­за­ло ог­ра­ни­чен­ность ме­ха­нич. кар­ти­ны ми­ра. По­пыт­ки све­сти элек­тро­маг­нит­ные про­цес­сы к ме­ха­ни­че­ским в ги­по­те­тич. сре­де – эфи­ре – ока­за­лись не­со­стоя­тель­ны­ми.

В 1916 А. Эйн­штейн рас­про­стра­нил прин­цип от­но­си­тель­но­сти на не­инер­ци­аль­ные сис­те­мы от­счё­та и по­стро­ил об­щую тео­рию от­но­си­тель­но­сти – фи­зич. тео­рию про­стран­ст­ва, вре­ме­ни и тя­го­те­ния. В том же го­ду след­ст­вия этой тео­рии бы­ли под­твер­жде­ны ас­тро­но­мич. на­блю­де­ния­ми по сме­ще­нию пе­ри­ге­лия пла­не­ты Мер­ку­рий.

Ста­нов­ле­нию кван­то­вой фи­зи­ки спо­соб­ст­во­ва­ло изу­че­ние рав­но­вес­но­го те­п­ло­во­го из­лу­че­ния, ко­то­рым за­ни­ма­лись пре­ж­де все­го нем. фи­зи­ки во гла­ве с В. Ви­ном и М. План­ком. В кон. 19 в. вы­яс­ни­лось, что рас­пре­де­ле­ние энер­гии те­п­ло­во­го из­лу­че­ния по спек­тру, вы­ве­ден­ное из за­ко­на клас­сич. ста­ти­стич. фи­зи­ки о рав­но­мер­ном рас­пре­де­ле­нии энер­гии по сте­пе­ням сво­бо­ды, про­ти­во­ре­чит опы­ту.

Из тео­рии сле­до­ва­ло, что ве­ще­ст­во долж­но из­лу­чать элек­тро­маг­нит­ные вол­ны при лю­бой темп-ре, те­рять энер­гию и ох­ла­ж­дать­ся до аб­со­лют­но­го ну­ля, т. е. что те­п­ло­вое рав­но­ве­сие ме­ж­ду ве­ще­ст­вом и из­лу­че­ни­ем не­воз­мож­но. Од­на­ко по­все­днев­ный опыт про­ти­во­ре­чил это­му вы­во­ду. Вы­ход был най­ден в 1900 М. План­ком, по­ка­зав­шим, что ре­зуль­та­ты тео­рии со­гла­су­ют­ся с опы­том, ес­ли пред­по­ло­жить, в про­ти­во­ре­чии с клас­сич. элек­тро­ди­на­ми­кой, что ато­мы ис­пус­ка­ют и по­гло­ща­ют элек­тро­маг­нит­ную энер­гию отд. пор­ция­ми – кван­та­ми. Энер­гия ка­ж­до­го та­ко­го кван­та пря­мо про­пор­цио­наль­на час­то­те, а ко­эф. про­пор­цио­наль­но­сти яв­ля­ет­ся квант дей­ст­вия h; 6,6·10^–34 Дж·с, по­лу­чив­ший впо­след­ст­вии на­зва­ние План­ка по­сто­ян­ной.

В 1905 А. Эйн­штейн рас­ши­рил ги­по­те­зу План­ка, пред­по­ло­жив, что из­лу­чае­мая пор­ция элек­тро­маг­нит­ной энер­гии со­хра­ня­ет свою ин­ди­ви­ду­аль­ность – рас­про­стра­ня­ет­ся и по­гло­ща­ет­ся толь­ко це­ли­ком, т. е. ве­дёт се­бя по­доб­но час­ти­це (позд­нее она бы­ла на­зва­на фо­то­ном). На ос­но­ве этой ги­по­те­зы Эйн­штейн объ­яс­нил за­ко­но­мер­но­сти фо­то­эф­фек­та, об­на­ру­жен­ные (1888–90) А. Г. Сто­ле­то­вым, не ук­ла­ды­ваю­щие­ся в рам­ки клас­сич. элек­тро­ди­на­ми­ки.

Т. о., на но­вом ка­че­ст­вен­ном уров­не бы­ла воз­ро­ж­де­на кор­пус­ку­ляр­ная тео­рия све­та. Свет ве­дёт се­бя по­доб­но по­то­ку час­тиц (кор­пус­кул); од­на­ко од­но­вре­мен­но ему при­су­щи и вол­но­вые свой­ст­ва, ко­то­рые про­яв­ля­ют­ся, в ча­ст­но­сти, в яв­ле­ни­ях ди­фрак­ции и ин­тер­фе­рен­ции. Сле­до­ва­тель­но, не­со­вмес­ти­мые с точ­ки зре­ния клас­сич. Ф. вол­но­вые и кор­пус­ку­ляр­ные свой­ст­ва в рав­ной ме­ре при­су­щи све­ту (см. Кор­пус­ку­ляр­но-вол­но­вой дуа­лизм).

Кван­то­ва­ние из­лу­че­ния при­ве­ло к за­клю­че­нию, что энер­гия внут­ри­атом­ных дви­же­ний так­же мо­жет ме­нять­ся толь­ко скач­ко­об­раз­но. Та­кой вы­вод был сде­лан Н. Бо­ром в 1913. К это­му вре­ме­ни Э. Ре­зер­форд, ин­тер­пре­ти­руя ре­зуль­та­ты сво­их экс­пе­ри­мен­тов по рас­сея­нию α-час­тиц ве­ще­ст­вом, от­крыл (1911) атом­ное яд­ро и пред­ло­жил ядер­ную (пла­не­тар­ную) мо­дель ато­ма. Это­му пред­ше­ст­во­ва­ли от­кры­тия ра­дио­ак­тив­но­сти и ра­дио­ак­тив­ных пре­вра­ще­ний тя­жё­лых ато­мов (А. Бек­ке­рель, П. Кю­ри и М. Склодов­ская-Кю­ри), а так­же изо­то­пов (Ф. Сод­ди). Пер­вые по­пыт­ки не­по­средств. ис­сле­до­ва­ния стро­е­ния атом­но­го яд­ра от­но­сят­ся к 1919, ко­гда Ре­зер­форд, об­лу­чая ста­биль­ные яд­ра азо­та α-час­ти­ца­ми, ус­та­но­вил пре­вра­ще­ние их в яд­ра ки­сло­ро­да.

В мо­де­ли ато­ма Ре­зер­фор­да дви­же­ние элек­тро­нов во­круг яд­ра по­доб­но дви­же­нию пла­нет во­круг Солн­ца. Од­на­ко, со­глас­но элек­тро­ди­на­ми­ке Мак­свел­ла, та­кой атом не­ус­той­чив. Элек­тро­ны, дви­га­ясь по кру­го­вым (или эл­лип­тич.) ор­би­там, ис­пы­ты­ва­ют ус­ко­ре­ние, а сле­до­ва­тель­но, долж­ны не­пре­рыв­но из­лу­чать энер­гию и в кон­це кон­цов за вре­мя по­ряд­ка 10^–8 с упасть на яд­ро. Что­бы объ­яс­нить ус­той­чи­вость ато­ма и его ли­ней­ча­тый спектр, Бор по­сту­ли­ро­вал, что ато­мы мо­гут на­хо­дить­ся лишь в осо­бых ста­цио­нар­ных со­стоя­ни­ях, в ко­то­рых элек­тро­ны не из­лу­ча­ют, и толь­ко при пе­ре­хо­де из од­но­го ста­цио­нар­но­го со­стоя­ния в дру­гое атом ис­пус­ка­ет или по­гло­ща­ет энер­гию.

Дис­крет­ность энер­гии ато­ма бы­ла под­твер­жде­на в 1913–14 опы­та­ми Дж. Фра­н­ка и Г. Гер­ца по изу­че­нию столк­но­ве­ний с ато­ма­ми элек­тро­нов, ус­ко­рен­ных элек­трич. по­лем. Для про­стей­ше­го ато­ма – ато­ма во­до­ро­да – Бор по­стро­ил ко­ли­че­ст­вен­ную тео­рию спек­тра, со­гла­сую­щую­ся с опы­том. Од­на­ко тео­рия Бо­ра бы­ла внут­рен­не про­ти­во­ре­чи­ва: ис­поль­зуя для дви­же­ния элек­тро­нов за­ко­ны ме­ха­ни­ки Нью­то­на, она в то же вре­мя на­кла­ды­ва­ла на воз­мож­ные дви­же­ния элек­тро­нов кван­то­вые ог­ра­ни­че­ния.

Дис­крет­ность дей­ст­вия – фун­дам. факт, тре­бую­щий ра­ди­каль­ной пе­ре­строй­ки как за­ко­нов ме­ха­ни­ки, так и за­ко­нов элек­тро­ди­на­ми­ки. По­сто­ян­ная План­ка – уни­вер­саль­ная ми­ро­вая по­сто­ян­ная, иг­раю­щая роль мас­шта­ба яв­ле­ний при­ро­ды. Клас­сич. за­ко­ны спра­вед­ли­вы лишь при рас­смот­ре­нии дви­же­ния объ­ек­тов дос­та­точ­но боль­шой мас­сы, ко­гда ве­ли­чи­ны раз­мер­но­сти дей­ст­вия ве­ли­ки по срав­не­нию с h и дис­крет­но­стью дей­ст­вия мож­но пре­неб­речь.

В 1920-х гг. бы­ла по­строе­на по­сле­до­ва­тель­ная, ло­ги­че­ски за­вер­шён­ная тео­рия дви­же­ния мик­ро­час­тиц – кван­то­вая ме­ха­ни­ка. В её ос­но­ву лег­ли идея кван­то­ва­ния План­ка – Бо­ра и вы­дви­ну­тая в 1923 Л. де Брой­лем ги­по­те­за, что двой­ст­вен­ная кор­пус­ку­ляр­но-вол­но­вая при­ро­да свой­ст­вен­на не толь­ко элек­тромаг­нит­но­му из­лу­че­нию (фо­то­нам), но и лю­бым др. ви­дам ма­те­рии. Все мик­ро­час­ти­цы (элек­тро­ны, про­то­ны, ато­мы и др.) об­ла­да­ют не толь­ко кор­пус­ку­ляр­ны­ми, но и вол­но­вы­ми свой­ст­ва­ми: ка­ж­дой из них мож­но по­ста­вить в со­от­вет­ст­вие вол­ну, дли­на ко­то­рой рав­на от­но­ше­нию по­сто­ян­ной План­ка h к им­пуль­су час­ти­цы, а час­то­та – от­но­ше­нию энер­гии к h. Вол­ны де Брой­ля опи­сы­ва­ют сво­бод­ные час­ти­цы. В 1927 впер­вые на­блю­да­лась ди­фрак­ция элек­тро­нов, под­твер­див­шая экс­пе­ри­мен­таль­но на­ли­чие у них вол­но­вых свойств. Позд­нее ди­фрак­ция на­блю­да­лась и у др. мик­ро­час­тиц, вклю­чая мо­ле­ку­лы.

В 1926 Э. Шрё­дин­гер, пы­та­ясь по­лу­чить дис­крет­ные зна­че­ния энер­гии в ато­ме из урав­не­ния вол­но­во­го ти­па, сфор­му­ли­ро­вал осн. урав­не­ние не­ре­ля­ти­ви­ст­ской кван­то­вой ме­ха­ни­ки, на­зван­ное его име­нем. В. Гей­зен­берг и др. по­строи­ли кван­то­вую ме­ха­ни­ку в др. ма­те­ма­тич. фор­ме – т. н. мат­рич­ную ме­ха­ни­ку.

В 1925 Дж. Ю. Улен­бек и С. А. Га­уд­смит на ос­но­ве экс­пе­ри­мен­таль­ных (спек­тро­ско­пич.) дан­ных от­кры­ли су­ще­ст­во­ва­ние у элек­тро­на собств. мо­мен­та ко­ли­че­ст­ва дви­же­ния – спи­на (а сле­до­ва­тель­но, и свя­зан­но­го с ним соб­ст­вен­но­го, спи­но­во­го, маг­нит­но­го мо­мен­та). В. Пау­ли вы­вел урав­не­ние дви­же­ния не­ре­ля­ти­ви­ст­ско­го элек­тро­на во внеш­нем элек­тро­маг­нит­ном по­ле с учё­том взаи­мо­дей­ст­вия маг­нит­но­го мо­мен­та элек­тро­на с маг­нит­ным по­лем (Пау­ли урав­не­ние). В 1925 Пау­ли сфор­му­ли­ро­вал т. н. прин­цип за­пре­та, со­глас­но ко­то­ро­му в од­ном кван­то­вом со­стоя­нии не мо­жет на­хо­дить­ся боль­ше од­но­го элек­тро­на (Пау­ли прин­цип). Этот прин­цип сыг­рал важ­ней­шую роль в по­строе­нии кван­то­вой тео­рии сис­тем мн. час­тиц; в ча­ст­но­сти, он по­зво­лил объ­яс­нить за­ко­но­мер­но­сти за­пол­не­ния элек­тро­на­ми обо­ло­чек и сло­ёв в мно­го­элек­трон­ных ато­мах и, т. о., дал тео­ретич. обос­но­ва­ние пе­рио­дич. сис­те­мы хи­мич. эле­мен­тов.

В 1928 П. А. М. Ди­рак по­лу­чил кван­то­вое ре­ля­ти­ви­ст­ское урав­не­ние дви­же­ния элек­тро­на (Ди­ра­ка урав­не­ние), из ко­то­ро­го ес­те­ст­вен­но вы­те­ка­ло на­ли­чие у элек­тро­на спи­на. На ос­но­ва­нии это­го урав­не­ния Ди­рак в 1932 пред­ска­зал су­ще­ст­во­ва­ние по­зи­тро­на (пер­вой ан­ти­час­ти­цы), в том же го­ду от­кры­то­го К. Д. Ан­дер­со­ном в кос­мич. лу­чах.

От­кры­тие Дж. Чед­ви­ком ней­тро­на (1932) при­ве­ло к соз­да­нию совр. про­тон­но-ней­трон­ной мо­де­ли яд­ра (В. Гей­зен­берг, Д. Д. Ива­нен­ко). В 1934 Ф. и И. Жо­лио-Кю­ри от­кры­ли ис­кусств. ра­дио­ак­тив­ность. Од­но­вре­мен­но с Ф. атом­но­го яд­ра на­ча­лось бы­строе раз­ви­тие Ф. эле­мен­тар­ных час­тиц. Пер­вые боль­шие ус­пе­хи в этой об­лас­ти свя­за­ны с ис­сле­до­ва­ни­ем кос­мич. лу­чей, в ко­то­рых бы­ли от­кры­ты но­вые ти­пы эле­мен­тар­ных час­тиц – мюо­ны, пи-ме­зо­ны, ги­пе­ро­ны.

В 1934 П. А. Че­рен­ков под рук. С. И. Ва­ви­ло­ва об­на­ру­жил све­че­ние жид­ко­стей под дейст­ви­ем γ-из­лу­че­ния. Тео­ре­тич. объ­яс­не­ние это­го яв­ле­ния (наз­ван­но­го впос­лед­ст­вии из­лу­че­ни­ем Ва­ви­ло­ва – Че­рен­ко­ва) да­но И. Е. Там­мом и И. М. Фран­ком в 1937.

Важ­ней­шим ре­зуль­та­том это­го эта­па Ф. ста­ло от­кры­тие де­ле­ния яд­ра (О. Ган, Ф. Штрасс­ман, Л. Майт­нер, 1939) и воз­мож­но­сти вы­сво­бо­ж­де­ния ядер­ной энер­гии. Во вре­мя 2-й ми­ро­вой вой­ны бы­ла впер­вые вы­сво­бо­ж­де­на ядер­ная энер­гия в ре­зуль­та­те цеп­ной ре­ак­ции де­ле­ния ядер ура­на (Э. Фер­ми, 1942) и соз­да­на атом­ная бом­ба (США, 1945, «Ман­хэт­тен­ский про­ект»; СССР, 1949, Сов. атом­ный про­ект). В 1952 осу­ще­ст­в­ле­на ре­ак­ция тер­мо­ядер­но­го син­те­за и со­зда­на во­до­род­ная бом­ба. В 1954 в СССР по­строе­на пер­вая атом­ная элек­тро­стан­ция (г. Об­нинск).

В 1960-х гг. С. Вайн­берг, Ш. Глэ­шоу и А. Са­лам по­строи­ли пе­ре­нор­ми­руе­мую тео­рию сла­бых взаи­мо­дей­ст­вий на ос­но­ве ка­либ­ро­воч­ных тео­рий, в ос­но­ве ко­то­рых ле­жит прин­цип ло­каль­ной ка­либ­ро­воч­ной сим­мет­рии. Ра­нее (1956) в опы­тах Цзянь­сунь Ву об­на­ру­жи­лось, что в про­цес­сах сла­бо­го взаи­мо­дей­ст­вия на­ру­ша­ет­ся чёт­ность по от­но­ше­нию к зер­каль­но­му от­ра­же­нию, что бы­ло тео­ре­ти­че­ски объ­яс­не­но Цзун­дао Ли и Чжэнь­ни­ном Ян­гом. При этом со­хра­ня­ет­ся сим­мет­рия по от­но­ше­нию к ком­би­ни­ро­ван­ной ин­вер­сии. Од­на­ко в 1964 при ис­сле­до­ва­ни­ях рас­па­да дол­го­жи­ву­ще­го ней­траль­но­го K⁰-ме­зо­на бы­ло об­на­ру­же­но на­ру­ше­ние сим­мет­рии так­же при ком­би­ни­ро­ван­ной ин­вер­сии, пред­ска­зан­ное ра­нее Л. Д. Лан­дау. Т. к. в совр. кван­то­вой тео­рии по­ля лю­бой про­цесс дол­жен быть ин­ва­ри­ан­тен по от­но­ше­нию к од­но­вре­мен­но­му про­ве­де­нию всех трёх пе­ре­чис­лен­ных пре­об­ра­зо­ва­ний (тео­ре­ма СРТ), то на­ру­ше­ние сим­мет­рии при ком­би­ни­ро­ван­ной ин­вер­сии в рас­па­де K⁰-ме­зо­на оз­на­ча­ет на­ру­ше­ние сим­мет­рии по от­но­ше­нию к об­ра­ще­нию вре­ме­ни. При­чи­на это­го на­ру­ше­ния по­ка не вы­яс­не­на.

В 1973 М. Ко­бая­ши и Т. Мас­ка­ва, а за­тем Й. Нам­бу по­строи­ли тео­рию на­ру­ше­ния СР-сим­мет­рии; А. Д. Са­ха­ров пред­по­ло­жил, что имен­но оно яви­лось при­чи­ной ба­ри­он­ной асим­мет­рии Все­лен­ной. На­ру­ше­ние СР-ин­ва­ри­ант­но­сти в про­цес­сах, иду­щих с уча­сти­ем сла­бо­го взаи­мо­дей­ст­вия, впер­вые на­блю­да­лось в рас­па­де B⁰-ме­зо­на (1999, США).

Силь­ные взаи­мо­дей­ст­вия об­ла­да­ют ещё ря­дом до­пол­нит. внутр. сим­мет­рий, в ча­ст­но­сти изо­то­пи­че­ской ин­ва­ри­ант­но­стью и бо­лее ши­ро­кой сим­мет­ри­ей – т. н. SU(3)-сим­мет­ри­ей. На ос­но­ве этих сим­мет­рий М. Гелл-Ман и К. Ни­шид­жи­ма в 1950-х гг. соз­да­ли сис­те­ма­ти­ку ад­ро­нов, по­зво­лив­шую пред­ска­зать су­ще­ст­во­ва­ние не­сколь­ких но­вых эле­мен­тар­ных час­тиц, от­кры­тых позд­нее экс­пе­ри­мен­таль­но, и вве­сти квар­ко­вую мо­дель строе­ния ад­ро­нов.

Боль­шим дос­ти­же­ни­ем ста­ло ус­та­нов­ле­ние квар­ко­во-леп­тон­ной сим­мет­рии, со­глас­но ко­то­рой в при­ро­де встре­ча­ет­ся 6 леп­то­нов (час­тиц, не уча­ст­вую­щих в силь­ных взаи­мо­дей­ст­ви­ях), а все силь­но­взаи­мо­дей­ст­вую­щие час­ти­цы со­сто­ят из 6 квар­ков. Эти час­ти­цы де­лят на 3 по­ко­ле­ния – по па­ре леп­то­нов и квар­ков в ка­ж­дом по­ко­ле­нии. Мас­сы час­тиц воз­рас­та­ют от по­ко­ле­ния к по­ко­ле­нию. Все обыч­ные ато­мы по­строе­ны из час­тиц пер­во­го по­ко­ле­ния: элек­тро­нов, и- и d-квар­ков. Со­от­вет­ст­вую­щую мо­дель при­ня­то на­зы­вать cтандартной мо­де­лью в фи­зи­ке эле­мен­тар­ных час­тиц.

В рам­ках кван­то­вой тео­рии по­ля бы­ла соз­да­на объ­е­ди­нён­ная мо­дель сла­бых и элек­тро­маг­нит­ных взаи­мо­дей­ст­вий (мо­дель элек­тро­сла­бых взаи­мо­дей­ст­вий), со­глас­но ко­то­рой, на­ря­ду с фо­то­ном – пе­ре­нос­чи­ком элек­тро­маг­нит­ных взаи­мо­дей­ст­вий, долж­ны су­ще­ст­во­вать пе­ре­нос­чи­ки сла­бых взаи­мо­дей­ст­вий – про­ме­жу­точ­ные век­тор­ные бо­зо­ны с мас­са­ми в неск. де­сят­ков масс про­то­на.

На­ря­ду с за­ря­жен­ны­ми (W⁺ и W^–) бо­зо­на­ми долж­ны су­ще­ст­во­вать и ней­траль­ные (Z⁰). В 1973 впер­вые экс­пе­ри­мен­таль­но на­блю­да­лись про­цес­сы, ко­то­рые мож­но объ­яс­нить су­ще­ст­во­ва­ни­ем ней­траль­ных бо­зо­нов (ней­траль­ные то­ки), а в 1983 все про­ме­жу­точ­ные бо­зо­ны бы­ли от­кры­ты экс­пе­ри­мен­таль­но.

В 1970-х гг. по­строе­на ка­либ­ро­воч­ная тео­рия силь­ных взаи­мо­дей­ст­вий квар­ков – кван­то­вая хро­мо­ди­на­ми­ка. Эти взаи­мо­дей­ст­вия осу­ще­ст­в­ля­ют­ся по­сред­ст­вом без­мас­со­вых час­тиц – глюо­нов. Глюо­ны взаи­мо­дей­ст­ву­ют ме­ж­ду со­бой, и по­это­му по­ле силь­ных взаи­мо­дей­ст­вий не­ли­ней­но. По­строе­ние кван­то­вой хро­мо­ди­на­ми­ки ока­за­лось воз­мож­ным по­сле вве­де­ния но­во­го кван­то­во­го чис­ла – цве­та. Ана­ло­гич­но в 1970-х гг. на ос­но­ве изу­че­ния по­то­ка сол­неч­ных ней­три­но бы­ли от­кры­ты ней­трин­ные ос­цил­ля­ции, что при­ве­ло к ус­та­нов­ле­нию не­ну­ле­вых (хо­тя и весь­ма ма­лых) масс ней­три­но по­ряд­ка до­лей эВ.

В 1950-х гг. бы­ли осу­ще­ст­в­ле­ны ге­нера­ция и уси­ле­ние элек­тро­маг­нит­ных волн с по­мо­щью кван­то­вых сис­тем. А. М. Про­хо­ро­вым и Н. Г. Ба­со­вым и не­зави­си­мо от них Ч. Та­ун­сом был со­здан мик­ро­вол­но­вый кван­то­вый ге­не­ра­тор (ма­зер), в ко­то­ром ис­поль­зо­ва­лось яв­ле­ние вы­ну­ж­ден­но­го из­лу­че­ния, от­кры­тое ещё в 1917 А. Эйн­штей­ном. В нач. 1960-х гг. был соз­дан ла­зер – кван­то­вый ге­не­ра­тор элек­тро­маг­нит­ных волн ви­ди­мо­го диа­па­зо­на.

С соз­да­ни­ем ла­зе­ров поя­вил­ся и на­чал бы­ст­ро раз­ви­вать­ся но­вый раз­дел оп­ти­ки – не­ли­ней­ная оп­ти­ка. В ла­зер­ном из­лу­че­нии боль­шой мощ­но­сти ста­но­вят­ся су­ще­ст­вен­ны­ми не­ли­ней­ные эф­фек­ты взаи­мо­дей­ст­вия элек­тро­маг­нит­ной вол­ны со сре­дой. Эти эф­фек­ты – пе­ре­строй­ка час­то­ты из­лу­че­ния, са­мо­фо­ку­си­ров­ка и др. – пред­став­ля­ют боль­шой тео­ре­тич. и прак­тич. ин­те­рес. Поч­ти стро­гая мо­но­хро­ма­тич­ность ла­зер­но­го из­лу­че­ния по­зво­ли­ла по­лу­чить объ­ём­ное изо­бра­же­ние объ­ек­тов с по­мо­щью ин­тер­фе­рен­ции волн (см. Го­ло­гра­фия).

В даль­ней­шем не­ли­ней­ный под­ход стал ши­ро­ко при­ме­нять­ся прак­ти­чес­ки во всех об­ла­стях фи­зи­ки.

Развитие средств физического эксперимента

Ещё в нач. 20 в. мно­гие фун­дам. от­кры­тия бы­ли сде­ла­ны с по­мо­щью срав­ни­тель­но про­стой фи­зич. ап­па­ра­ту­ры. В даль­ней­шем экс­пе­ри­мент стал бы­ст­ро ус­лож­нять­ся и экс­пе­рим. ус­та­нов­ки ста­ли срав­ни­мы по мас­шта­бу с пром. пред­при­ятия­ми. Совр. экс­пе­рим. ис­сле­до­ва­ния в об­лас­ти атом­но­го яд­ра и эле­мен­тар­ных час­тиц, ра­дио­ас­тро­но­мии, кван­то­вой элек­тро­ни­ки и Ф. кон­ден­си­ров. со­стоя­ния но­сят мас­штаб­ный ха­рак­тер и тре­бу­ют зна­чит. за­трат средств, ко­то­рые за­час­тую дос­туп­ны лишь круп­ным го­су­дар­ст­вам или да­же груп­пе го­су­дарств с раз­ви­той эко­но­ми­кой.

Ог­ром­ную роль в раз­ви­тии ядер­ной Ф. и свя­зан­ной с ней Ф. эле­мен­тар­ных час­тиц сыг­ра­ли два об­стоя­тель­ст­ва: раз­ра­бот­ка ме­то­дов на­блю­де­ния и ре­ги­ст­ра­ции отд. ак­тов пре­вра­ще­ний эле­мен­тар­ных час­тиц, вы­зван­ных их столк­но­ве­ния­ми друг с дру­гом и с атом­ны­ми яд­ра­ми; соз­да­ние ус­ко­ри­те­лей за­ря­жен­ных час­тиц, по­зво­лив­ших изу­чать разл. ядер­ные ре­ак­ции (Э. О. Ло­уренс, 1931; Дж. Д. Кок­рофт, Э. Уол­тон, 1932). По­сле вой­ны бы­ли соз­да­ны ус­ко­ри­те­ли на вы­со­кие энер­гии, в 1960–70-х гг. на­ча­лось пла­но­мер­ное изу­че­ние эле­мен­тар­ных час­тиц, их свойств и взаи­мо­дей­ст­вий. Осо­бую роль иг­ра­ют ус­ко­ри­те­ли на встреч­ных пуч­ках, ко­то­рые по­зво­ли­ли по­вы­сить эф­фек­тив­ную энер­гию столк­но­ве­ния час­тиц. Так, на ус­ко­ри­те­ле Объ­еди­нён­но­го ин-та ядер­ных ис­сле­до­ва­ний в Дуб­не впер­вые осу­ще­ст­в­ле­но столк­но­ве­ние ре­ля­ти­ви­ст­ских ядер. На ус­ко­ри­те­ле в Сер­пу­хо­ве по­лу­че­ны яд­ра ан­ти­три­тия и ан­ти­ге­лия и от­крыт рост пол­но­го се­че­ния взаи­мо­дей­ст­вия ад­ро­нов вы­со­ких энер­гий при их рас­сея­нии друг на дру­ге (Сер­пу­хов­ский эф­фект).

От­кры­то боль­шое чис­ло но­вых эле­мен­тар­ных час­тиц, в т. ч. ре­зо­нан­сов, ср. вре­мя жиз­ни ко­то­рых со­став­ля­ет 10^–20–10^–24 с. Так­же бы­ли экс­пе­ри­мен­таль­но на­блю­де­ны (по их взаи­мо­дей­ст­вию) 3 ти­па ней­три­но.

Изу­чая рас­сея­ние элек­тро­нов вы­со­кой энер­гии на про­то­нах и ней­тро­нах, уда­лось об­на­ру­жить эле­мен­ты внутр. струк­ту­ры ну­кло­нов – рас­пре­де­ле­ние элек­трич. за­ря­да и маг­нит­но­го мо­мен­та внут­ри этих час­тиц (форм­фак­то­ры). Рас­сея­ние элек­тро­нов сверх­вы­со­ких энер­гий на ну­кло­нах ука­зы­ва­ет на су­ще­ст­во­ва­ние внут­ри ну­кло­нов отд. об­ра­зо­ва­ний сверх­ма­лых раз­ме­ров, на­зван­ных пар­то­на­ми. Впо­след­ст­вии эти об­ра­зо­ва­ния бы­ли ото­жде­ст­в­ле­ны с квар­ка­ми.

На­ря­ду с ус­ко­ри­те­ля­ми, бы­ли соз­да­ны вы­со­ко­эф­фек­тив­ные счёт­чи­ки за­ря­жен­ных час­тиц, ос­но­ван­ные на разл. прин­ци­пах: га­зо­раз­ряд­ные, сцин­тил­ля­ци­он­ные, че­рен­ков­ские и др. С по­мо­щью пу­зырь­ко­вых и ис­кро­вых ка­мер мож­но не­по­сред­ст­вен­но на­блю­дать тре­ки за­ря­жен­ных час­тиц.

Раз­ви­тие ра­дио­фи­зи­ки по­лу­чи­ло но­вое на­прав­ле­ние по­сле соз­да­ния ра­дио­ло­ка­то­ров во вре­мя 2-й ми­ро­вой вой­ны. Ра­дио­ло­ка­то­ры на­шли ши­ро­кое при­ме­не­ние в авиа­ции, мор. транс­пор­те, кос­мо­нав­ти­ке. Бы­ла осу­ще­ст­в­ле­на ло­ка­ция не­бес­ных тел: Лу­ны, Ве­не­ры и др. пла­нет, а так­же Солн­ца. Со­вер­шен­ст­во­ва­ние ра­дио­ло­ка­ци­он­ных при­бо­ров при­ве­ло к ре­во­лю­ции в ас­тро­но­мии. Бы­ли со­ору­же­ны ги­гант­ские ра­дио­те­ле­ско­пы, улав­ли­ваю­щие из­лу­че­ния кос­мич. тел со спек­траль­ной плот­но­стью по­то­ка энер­гии по­ряд­ка 10^–26 эрг/(см²·с·Гц), и ин­фор­ма­ция о кос­мич. объ­ек­тах не­из­ме­ри­мо воз­рос­ла.

От­кры­тие воз­мож­но­сти управ­ле­ния элек­трич. про­во­ди­мо­стью по­лу­про­вод­ни­ков вы­зва­ло ре­во­лю­цию в ра­дио­фи­зи­ке: элек­трон­ные лам­пы бы­ли за­ме­не­ны по­лу­про­вод­ни­ко­вы­ми при­бо­ра­ми. Рез­ко умень­ши­лись в раз­ме­рах и ста­ли на­дёж­нее ра­дио­тех­нич. уст­рой­ст­ва и вы­чис­лит. ма­ши­ны. В ин­те­граль­ных сис­те­мах вме­сто обыч­ных ра­дио­де­та­лей и со­еди­не­ний ис­поль­зу­ют­ся тон­кие слои мо­ле­кул оп­ре­де­лён­но­го сор­та, вво­ди­мые внутрь кри­стал­ла по­лу­про­вод­ни­ка или на­пы­ляе­мые на его по­верх­ность. Фан­та­стич. точ­но­сти дос­ти­га­ют из­ме­ре­ния ам­пли­ту­ды ко­ле­ба­ний мик­ро­ско­пич. тел. С по­мо­щью ра­дио­тех­нич. и оп­тич. дат­чи­ков мож­но ре­ги­ст­ри­ро­вать ме­ха­нич. ко­ле­ба­ния с ам­пли­ту­дой 10^–17 м. Пла­ни­ру­ет­ся соз­да­ние дат­чи­ков для ре­ги­ст­ра­ции ко­ле­ба­ний с ам­пли­ту­дой 10^–19–10^–22 м.

Всё боль­шее зна­че­ние при­об­ре­та­ют ис­сле­до­ва­ния струк­ту­ры твёр­дых и жид­ких тел, по­ли­ме­ров, струк­ту­ры их по­верх­но­сти. Со­вер­шен­ст­ву­ют­ся ди­фрак­ци­он­ные ме­то­ды изу­че­ния строе­ния ве­ще­ст­ва – рент­ге­нов­ский струк­тур­ный ана­лиз, с по­мо­щью ко­то­ро­го в нач. 20 в. бы­ла впер­вые до­ка­за­на стро­гая упо­ря­до­чен­ность рас­по­ло­же­ния ато­мов (ио­нов) в кри­стал­лах, ней­тро­но­гра­фия и элек­тро­но­гра­фия. Вы­яс­не­но влия­ние дис­ло­ка­ций и др. де­фек­тов кри­стал­лич. ре­шёт­ки на проч­ность и пла­стич­ность ма­те­риа­лов. Важ­ную роль в этих ис­сле­до­ва­ни­ях сыг­ра­ло при­ме­не­ние элек­трон­ных мик­ро­ско­пов боль­шой раз­ре­шаю­щей си­лы.

В 1982 соз­да­ны тун­нель­ные мик­ро­ско­пы, по­зво­ляю­щие «уви­деть» отд. ато­мы и ис­поль­зую­щие­ся для изу­че­ния струк­ту­ры по­верх­но­сти, про­ис­хо­дя­щих на ней хи­мич. про­цес­сов, а так­же для об­ра­бот­ки по­верх­но­сти (см. Атом­но-си­ло­вая мик­ро­ско­пия, Тун­нель­ный мик­ро­скоп). Для ис­сле­до­ва­ния струк­ту­ры ве­ще­ст­ва и ус­та­нов­ле­ния рас­пре­де­ле­ния элек­трон­ной плот­но­сти в ве­ще­ст­ве при­ме­ня­ют­ся элек­трон­ный па­ра­маг­нит­ный ре­зо­нанс, ядер­ный маг­нит­ный ре­зо­нанс, Мёс­сбау­эра эф­фект и др. ре­зо­нанс­ные ме­то­ды. Со­вер­шен­ст­ву­ет­ся ис­сле­до­ва­ние струк­ту­ры ато­мов и мо­ле­кул ор­га­нич. и не­ор­га­нич. ве­ществ по их спек­трам в ши­ро­ком диа­па­зо­не час­тот, в т. ч. не­раз­ру­шаю­щий ана­лиз жи­вых тка­ней в био­ло­гии и ме­ди­ци­не.

Физика на современном этапе (конец 20 – начало 21 вв.)

Развитие микрофизики

Эле­мен­тар­ны­ми или фун­да­мен­таль­ны­ми при­ня­то на­зы­вать час­ти­цы, ко­то­рые на совр. уров­не зна­ний не со­сто­ят из бо­лее про­стых час­тиц. Мно­го­числ. экс­пе­ри­мен­ты при­ве­ли к об­на­ру­же­нию 12 эле­мен­тар­ных фер­мио­нов (леп­то­нов) и 4 мас­сив­ных век­тор­ных бо­зо­нов, не счи­тая со­от­вет­ст­вую­щих ан­ти­час­тиц.

Эле­мен­тар­ные фер­мио­ны – это 6 сор­тов, или аро­ма­тов, квар­ков, объ­е­ди­нён­ных в 3 по­ко­ле­ния и пред­став­ляю­щих со­бой «кир­пи­чи­ки» ми­ро­зда­ния. Бла­го­да­ря т. н. кон­файн­мен­ту квар­ки не су­ще­ст­ву­ют в ви­де сво­бод­ных изо­ли­ро­ван­ных час­тиц, а скре­п­ля­ют­ся в ад­ро­ны (ну­кло­ны и ме­зо­ны) по­сред­ст­вом глюо­нов. Т. о., век­тор­ные бо­зо­ны пред­став­ля­ют со­бой «клей», скре­п­ляю­щий «кир­пи­чи­ки», т. е. бо­зо­ны пе­ре­но­сят фун­дам. взаи­мо­дей­ст­вия. Су­ще­ст­ву­ет ги­по­те­за о на­ли­чии в при­ро­де «про­то­к­вар­ков», или пре­онов, но она по­ка не под­твер­жде­на. Для квар­ков обыч­но при­ни­ма­ет­ся мо­дель од­но­мер­ной стру­ны (см. Струн тео­рия). При боль­ших энер­ги­ях воз­ника­ет но­вое со­стоя­ние ве­ще­ст­ва – кварк-глю­он­ная плаз­ма.

Од­ной из гл. за­дач мик­ро­фи­зи­ки, ре­шить ко­то­рую меч­тал ещё А. Эйн­штейн, яв­ля­ет­ся соз­да­ние еди­ной тео­рии по­ля, объ­е­ди­няю­щей все че­ты­ре из­вест­ных во Все­лен­ной фун­дам. взаи­мо­дей­ст­вия: гра­ви­та­ци­он­ное, элек­тро­маг­нит­ное, силь­ное и сла­бое. Соз­да­ние та­кой тео­рии оз­на­ча­ло бы фун­дам. про­рыв во всех об­лас­тях нау­ки.

Ны­не по­строе­на на­дёж­но про­ве­рен­ная тео­рия элек­тро­сла­бо­го взаи­мо­дей­ст­вия, а так­же кван­то­вая хро­мо­ди­на­ми­ка, опи­сы­ваю­щая силь­ное взаи­мо­дей­ст­вие на ос­но­ве кварк-глю­он­ной ги­по­те­зы.

Объ­е­ди­не­ние кварк-глю­он­ной ги­по­те­зы и тео­рии элек­тро­сла­бо­го взаи­мо­дей­ст­вия при­ня­то на­зы­вать стан­дарт­ной мо­де­лью. Не­об­хо­ди­мой со­став­ной ча­стью этой мо­де­ли яв­ля­ет­ся Хигг­са бо­зон c мас­сой ок. 125 ГэВ, пред­ска­зан­ный П. Хигг­сом в 1964. Бо­зон Хигг­са экс­пе­ри­мен­таль­но об­на­ру­жен на Боль­шом ад­рон­ном кол­лай­де­ре (Large Hadron Collider; ЦЕРН) в ию­ле 2012; ре­зуль­тат окон­ча­тель­но под­твер­ждён в мар­те 2013. Фун­дам. роль это­го бо­зо­на со­сто­ит в том, что ме­ха­низм об­ра­зо­ва­ния масс эле­мен­тар­ных час­тиц, со­глас­но совр. пред­став­ле­ни­ям, свя­зан со спон­тан­ным на­ру­ше­ни­ем сим­мет­рии вслед­ст­вие взаи­мо­дей­ст­вия с бо­зо­ном Хигг­са.

Наи­бо­лее ак­ту­аль­ная за­да­ча мик­ро­фи­зи­ки – даль­ней­шая уни­фи­ка­ция всех фун­дам. взаи­мо­дей­ст­вий и пе­ре­ход от стан­дарт­ной мо­де­ли к Ве­ли­ко­му объ­еди­не­нию, еди­ным об­ра­зом опи­сы­ваю­ще­му все су­ще­ст­вую­щие час­ти­цы – фер­мио­ны и бо­зо­ны. В рам­ках это­го обоб­ще­ния мо­гут быть объ­яс­не­ны ба­ри­он­ная асим­мет­рия Все­лен­ной, ма­лая мас­са по­коя ней­три­но, кван­то­ва­ние элек­трич. за­ря­да, а так­же су­ще­ст­во­ва­ние маг­нит­но­го мо­но­по­ля, пред­ска­зан­но­го П. Ди­ра­ком в 1931. Наи­бо­лее убе­ди­тель­ным сви­де­тель­ст­вом в поль­зу Ве­ли­ко­го объ­е­ди­не­ния ста­ло бы об­на­ру­же­ние очень ред­ко­го со­бы­тия – рас­па­да про­то­на на по­зи­трон и π⁰-ме­зон (вре­мя жиз­ни про­то­на оце­ни­ва­ет­ся в 1,6·10³³ лет).

В мик­ро­фи­зи­ке ак­тив­но раз­ра­ба­ты­ва­ют­ся идеи, свя­зан­ные с кван­то­ва­ни­ем про­стран­ст­ва-вре­ме­ни, т. е. су­ще­ст­во­ва­ни­ем фун­да­мен­таль­ных план­ков­ской дли­ны ≈ 1,6·10^–35 м и план­ков­ско­го вре­ме­ни ≈ 5,4·10^–44 с. По-ви­ди­мо­му, это обоб­ще­ние не­об­хо­ди­мо для то­го, что­бы объ­е­ди­нить все 4 фун­дам. взаи­мо­дей­ст­вия, т. е. вклю­чить гра­ви­та­цию в рам­ки еди­ной тео­рии и по­стро­ить обоб­щён­ную тео­рию гра­ви­та­ции – су­пер­гра­ви­та­цию (или, как ино­гда её на­зы­ва­ют, «тео­рию все­го»).

Кан­ди­да­та­ми на «тео­рию все­го» в ка­че­ст­ве обоб­ще­ния об­щей тео­рии от­но­си­тель­но­сти яв­ля­ют­ся «струн­ная» и «пет­ле­вая» вер­сии кван­то­ван­но­го про­стран­ст­ва-вре­ме­ни, где час­ти­цы не яв­ля­ют­ся то­чеч­ны­ми, но име­ют раз­мер­ность 10 или 11, из ко­то­рых 6 или 7 яв­ля­ют­ся ком­пак­ти­фи­ци­ро­ван­ны­ми. Это обоб­ще­ние вле­чёт за со­бой мно­го­мер­ное обоб­ще­ние тео­рии гра­ви­та­ции, в ко­то­ром су­пер­стру­ны при­сое­ди­не­ны к т. н. су­пер­мем­бра­нам, или N-бра­нам.

Ещё од­но важ­ное на­прав­ле­ние в мик­ро­фи­зи­ке – су­пер­сим­мет­рич­ное рас­ши­ре­ние стан­дарт­ной мо­де­ли, ко­то­рое ка­ж­до­му фер­мио­ну ста­вит в со­от­вет­ст­вие су­пер­сим­мет­рич­ный ему бо­зон (см. Су­пер­сим­мет­рия). Но­вые час­ти­цы долж­ны иметь очень боль­шие мас­сы, что за­труд­ня­ет их об­на­ру­же­ние, од­на­ко в дек. 2015 на Боль­шом ад­рон­ном кол­лай­де­ре был за­фик­си­ро­ван рас­пад но­вой час­ти­цы мас­сой 700 ГэВ на 2 фо­то­на, что мо­жет ука­зы­вать на на­ли­чие су­пер­сим­мет­рич­но­го парт­нё­ра бо­зо­на Хигг­са.

Развитие макрофизики

Наи­бо­лее ин­тен­сив­ное раз­ви­тие ны­не ис­пы­ты­ва­ет мак­ро­фи­зи­ка вви­ду наи­боль­ше­го ох­ва­та фи­зич. объ­ек­тов и макс. чис­ла воз­мож­ных прак­тич. при­ло­же­ний.

К мак­ро­фи­зи­ке мо­жет быть от­не­се­на фи­зи­ка атом­но­го яд­ра, по­сколь­ку по мн. свой­ст­вам яд­ро, осо­бен­но у тя­жё­лых и сверх­тя­жё­лых хи­мич. эле­мен­тов, ана­ло­гич­но ка­п­ле жид­ко­сти. Ис­кусств. син­тез тя­жё­лых ядер – од­на из за­дач совр. мак­ро­фи­зи­ки; на 2016 син­те­зи­ро­ва­ны эле­мен­ты с атом­ным но­ме­ром вплоть до 118. Изу­ча­ют­ся так­же эк­зо­тич. яд­ра с не­обыч­ной (не­сфе­рич.) фор­мой, ад­рон­ные ато­мы (напр., атом, со­стоя­щий из про­то­на и ан­ти­про­то­на), яд­ра с плот­но­стью, пре­вы­шаю­щей обыч­ную ядер­ную плот­ность (≈3·10¹⁷ кг/м³), и др.

Наи­боль­ший прак­тич. ин­те­рес пред­став­ля­ет про­бле­ма управ­ляе­мо­го тер­мо­ядер­но­го син­те­за (УТС), ре­ше­ние ко­то­рой в прин­ци­пе спо­соб­но обес­пе­чить энер­ге­тич. по­треб­но­сти че­ло­ве­че­ст­ва. На 2016 на то­ка­ма­ке (пред­ло­жен­ном в 1950-х гг. И. Е. Там­мом и А. Д. Са­ха­ро­вым) дос­тиг­ну­та темп-ра плаз­мы ок. 1,5·10⁷ К и про­дол­жа­ют­ся ра­бо­ты в рам­ках про­ек­та Ме­ж­ду­нар. экс­пе­рим. тер­мо­ядер­но­го ре­ак­то­ра ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor, Ка­да­раш, Фран­ция; пла­ни­руе­мый срок пром. пус­ка – 2025).

Др. дос­та­точ­но тра­ди­ци­он­ное на­прав­ле­ние раз­ви­тия мак­ро­фи­зи­ки – фи­зи­ка низ­ких тем­пе­ра­тур. Изу­че­ны та­кие мак­ро­ско­пич. кван­то­вые яв­ле­ния, как сверх­те­ку­честь в жид­ком ⁴Не (П. Л. Ка­пи­ца, 1938) и сверх­про­во­ди­мость в Нg (Х. Ка­мер­линг-Он­нес, 1911). В 1986 от­кры­та вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ная сверх­про­во­ди­мость (Й. Г. Бед­норц, К. А. Мюл­лер) с темп-рой пе­ре­хо­да в сверх­про­во­дя­щее со­стоя­ние Т_кр; 100 К, т. е. вы­ше темп-ры ки­пе­ния жид­ко­го азо­та при ат­мо­сфер­ном дав­ле­нии. Ны­не ре­аль­но сто­ит во­прос о сверх­про­вод­ни­ках с ком­нат­ной кри­тич. темп-рой Т_кр≈300 К; его ре­ше­ние мо­жет про­из­ве­сти пе­ре­во­рот в энер­ге­ти­ке (тео­ре­тич. пред­ска­за­ние та­кой воз­мож­но­сти бы­ло да­но А. А. Аб­ри­ко­со­вым и В. Л. Гинз­бур­гом). В 1970-х гг. был от­крыт сверх­те­ку­чий ³Не, су­ще­ст­вую­щий при темп-рах ок. 300 мкК и об­ла­даю­щий уни­каль­ным на­бо­ром свойств – ани­зо­троп­ной маг­нит­ной сверх­те­ку­чей жид­ко­сти и жид­ко­го кри­стал­ла. Ре­корд­но низ­ким диа­па­зо­ном тем­пе­ра­тур, до­стиг­ну­тым на 2016, яв­ля­ет­ся пи­ко­кель­вин (10^–12 К).

Боль­шое зна­че­ние как для са­мой нау­ки, так и для прак­тич. при­ме­не­ния име­ет ис­сле­до­ва­ние ве­ще­ст­ва в экс­тре­маль­ных ус­ло­ви­ях: при очень низ­ких или очень вы­со­ких темп-pax, сверх­вы­со­ком дав­ле­нии, сверх­силь­ных маг­нит­ных по­лях и т. п.

Раз­ви­ти­ем кван­то­вой элек­тро­ни­ки стал пе­ре­ход ко всё бо­лее ко­рот­ким дли­нам волн ге­не­ри­руе­мо­го из­лу­че­ния – от ма­зе­ров и ла­зе­ров в сер. 20 в. до т. н. ра­зе­ров (кван­то­вых ге­не­ра­то­ров рент­ге­нов­ско­го диа­па­зо­на), а так­же гра­зе­ров (гам­ма-ла­зе­ров). В тра­диц. ла­зе­рах изу­ча­ют­ся воз­мож­но­сти рез­ко­го уве­ли­че­ния мощ­но­сти, со­кра­ще­ния дли­тель­но­сти и уве­ли­че­ния ко­ге­рент­но­сти ла­зер­но­го им­пуль­са; до­стиг­ну­та ин­тен­сив­ность из­лу­че­ния по­ряд­ка 10²⁰–10²¹ Вт·см^–2 с на­пря­жён­но­стью элек­трич. по­ля по­ряд­ка 10¹² В·см^–1, что в 100 раз силь­нее по­ля про­то­на на осн. уров­не ато­ма во­до­ро­да. Ин­дук­ция маг­нит­но­го по­ля при этом дос­ти­га­ет 10⁵–10⁶ Тл. В экс­пе­ри­мен­те ис­поль­зу­ют фем­то­се­кунд­ные им­пуль­сы (дли­тель­но­стью до 10^–15 с), что от­кры­ва­ет ряд воз­мож­но­стей, в ча­ст­но­сти для по­лу­че­ния гар­мо­ник из­лу­че­ния рент­ге­нов­ско­го диа­па­зо­на и рент­ге­нов­ских им­пуль­сов дли­тель­но­стью по­ряд­ка 10^–18 с. При по­вы­ше­нии плот­но­сти мощ­но­сти до 10²⁶–10²⁷ Вт·см^–2 мож­но бу­дет на­блю­дать ро­ж­де­ние элек­трон-по­зи­трон­ных пар из кван­тов ла­зер­но­го из­лу­че­ния, что важ­но для экс­пе­рим. под­твер­жде­ния кван­то­вой элек­тро­ди­на­ми­ки.

Наи­бо­лее ак­ту­аль­ные с на­уч­ной и при­клад­ной то­чек зре­ния совр. ас­пек­ты мак­ро­фи­зи­ки весь­ма су­ще­ст­вен­но от­ли­ча­ют­ся от при­ня­тых ра­нее, напр. во 2-й пол. 20 в. Осн. ин­те­рес сме­стил­ся от упо­ря­до­чен­ных и не­упо­ря­до­чен­ных (как од­но­род­ных, так и при­мес­ных) твёр­дых тел (hard matter) к зна­чи­тель­но бо­лее ши­ро­ко­му (прак­ти­че­ски не­обо­зри­мо­му) раз­но­об­ра­зию др. форм ве­ще­ст­ва (soft matter). В их чис­ло вхо­дят жид­кие кри­стал­лы, по­ли­ме­ры (в т. ч. био­по­ли­ме­ры), кол­лои­ды и др. дис­перс­ные сис­те­мы, ме­тал­лич. во­до­род, гра­фен и гра­фан, фул­ле­ре­ны, разл. ге­те­ро­ст­рук­ту­ры (Ж. И. Ал­фё­ров, Г. Крё­мер; Но­бе­лев­ская пр., 2000). Важ­ная роль этих фи­зич. объ­ек­тов обу­слов­ле­на воз­мож­но­стью их эф­фек­тив­но­го ис­поль­зо­ва­ния в сис­те­мах об­ра­бот­ки и ото­бра­же­ния ин­фор­ма­ции (дис­плеи, дат­чи­ки, ин­ди­ка­то­ры) и эле­мен­тов ин­те­граль­ных элек­трон­ных схем.

Ме­тал­лич. во­до­род по­ка не по­лу­чен, хо­тя ус­ло­вия его об­ра­зо­ва­ния дос­тиг­нуты (дав­ле­ние ок. 2 Мбар с кри­тич. темп-рой сверх­про­во­дя­ще­го пе­ре­хо­да ок. 100 К). Од­на­ко при та­ких дав­ле­ни­ях на­чи­на­ет «течь» ал­маз, из ко­то­ро­го сде­ла­ны стен­ки ка­ме­ры вы­со­ко­го дав­ле­ния, так что в даль­ней­шем пла­ни­ру­ет­ся ис­поль­зо­вать удар­ные вол­ны.

Ак­тив­но изу­ча­ют­ся но­вые ал­ло­троп­ные мо­ди­фи­ка­ции уг­ле­ро­да, напр. фул­ле­ре­ны, про­яв­ляю­щие по­лу­про­вод­ни­ко­вые, а при ле­ги­ро­ва­нии и сверх­про­во­дя­щие свой­ст­ва, а так­же на­нот­руб­ки, вы­со­кие элек­тро­про­во­дя­щие и ме­ха­нич. свой­ст­ва ко­то­рых по­зво­ля­ют ис­поль­зо­вать их в ка­че­ст­ве эле­мен­тов на­но­элек­тро­ни­ки.

Осо­бый ин­те­рес пред­став­ля­ет гра­фен (А. Гейм, К. С. Но­во­сё­лов; Но­бе­лев­ская пр., 2010) – дву­мер­ная мо­ди­фи­ка­ция уг­ле­ро­да, об­ра­зо­ван­ная сло­ем ато­мов тол­щи­ной в один атом, со­еди­нён­ных в гек­са­го­наль­ную дву­мер­ную кри­стал­лич. ре­шёт­ку. Гра­фен об­ла­да­ет зна­чит. ме­ха­нич. жё­ст­ко­стью, ре­корд­но боль­шой те­п­ло­про­вод­но­стью и мак­си­маль­но вы­со­кой под­виж­но­стью элек­тро­нов, что по­зво­ля­ет рас­смат­ри­вать его как бу­ду­щую ос­но­ву на­но­элек­тро­ни­ки.

Важ­ное ме­сто в совр. раз­ви­тии мак­ро­фи­зи­ки за­ни­ма­ет соз­да­ние, удер­жа­ние в маг­нит­ных ло­вуш­ках (Х. Де­мелт, В. Па­уль; Но­бе­лев­ская пр., 1989) и изу­че­ние разл. фи­зич. свойств Бо­зе – Эйн­штей­на кон­ден­са­ции (БЭК), по­лу­чен­ной из ато­мов ще­лоч­ных ме­тал­лов (К. Уай­ман, В. Кет­тер­ле; Но­бе­лев­ская пр., 2001); в 2010 уда­лось по­лу­чить БЭК фо­то­нов в ог­ра­ни­чен­ном оп­тич. ре­зо­на­то­ре. Этим ис­сле­до­ва­ни­ям пред­ше­ст­во­ва­ла раз­ра­бот­ка ме­то­дов ох­ла­ж­де­ния и улав­ли­ва­ния ато­мов ла­зер­ным лу­чом (К. Ко­эн-Тан­нуд­жи; Но­бе­лев­ская пр., 1997); тео­ре­тич. ос­но­ва ис­сле­до­ва­ний БЭК бы­ла за­ло­же­на Н. Н. Бо­го­лю­бо­вым в 1946.

Совр. пе­ри­од ха­рак­те­ри­зу­ет­ся по­вы­шен­ным ин­те­ре­сом к фи­зи­ке по­верх­но­стей, а так­же к объ­ек­там по­ни­жен­ной раз­мер­но­сти – напр., 0-мер­ные кван­то­вые точ­ки, 1-мер­ные кван­то­вые про­во­ло­ки (ни­ти), 2-мер­ные кван­то­вые «слой­ки» и т. п. В этих объ­ек­тах, по­лу­чае­мых обыч­но ме­то­да­ми т. н. зон­ной ин­же­не­рии, име­ет ме­сто со­че­та­ние клас­сич. свойств в на­прав­ле­нии «боль­ших» раз­ме­ров и кван­то­вых раз­мер­ных эф­фек­тов в на­прав­ле­нии «ма­лых» раз­ме­ров (по­ряд­ка 10^–8 м).

Со­че­та­ние разл. фи­зич. свойств сло­ёв в мно­го­слой­ных струк­ту­рах по­зво­ля­ет по­лу­чать но­вый тип элек­трон­ных уст­ройств – напр., ос­но­ван­ный на прин­ци­пах спин­тро­ни­ки (че­ре­до­ва­ние маг­нит­ных и не­маг­нит­ных сло­ёв), джо­зеф­со­нов­ской элек­тро­ни­ки (че­ре­до­ва­ние нор­маль­ных и сверх­про­во­дя­щих сло­ёв, см. Джо­зеф­со­на эф­фект), мо­ле­ку­ляр­ной элек­тро­ни­ки (т. н. мо­ле­тро­ни­ка), в т. ч. с ис­поль­зо­ва­ни­ем фраг­мен­тов ДНК. На ос­но­ве дву­мер­ных се­ток джо­зеф­со­нов­ских кон­так­тов мо­жет быть соз­дан но­вый тип па­мя­ти (ас­со­циа­тив­ной), осо­бен­но важ­ный для кван­то­вых ком­пь­ю­те­ров.

Во всех уст­рой­ст­вах на­но­ст­рук­ту­ри­ро­ван­ной функ­цио­наль­ной элек­тро­ни­ки име­ет ме­сто про­яв­ле­ние мак­ро­ско­пич. кван­то­вых эф­фек­тов (см. так­же Кван­то­вая ко­ге­рент­ность). В пер­спек­ти­ве мо­гут быть дос­тиг­ну­ты т. н. кван­то­вые пре­де­лы, ко­гда «ра­бо­та­ет» один элек­трон, один спин од­ной час­ти­цы, один квант маг­нит­но­го по­то­ка, энер­гии и т. д. Это да­ло бы бы­ст­ро­дей­ст­вие по­ряд­ка 1 ТГц, плот­ность за­пи­си ин­фор­ма­ции по­ряд­ка 10³ Тбит·см^–2, что на мно­го по­ряд­ков вы­ше, чем дос­тиг­ну­тая ны­не, а энер­го­по­треб­ле­ние – на неск. по­ряд­ков ни­же.

Один из наи­бо­лее упот­ре­бит. тер­ми­нов в совр. мак­ро­фи­зи­ке – на­но­тех­ноло­гии, под ко­то­ры­ми по­ни­ма­ют опе­ра­ции с объ­ек­та­ми раз­ме­ром по­ряд­ка 1 нм=10^–9 м. Ре­аль­но диа­па­зон по­доб­ных объ­ек­тов го­раз­до ши­ре – от отд. ато­мов (<0,1 нм) до их конг­ло­ме­ра­тов (кла­сте­ров) и ор­га­нич. мо­ле­кул, имею­щих раз­ме­ры боль­ше 1 мкм в од­ном или двух из­ме­ре­ни­ях. Свой­ст­ва на­но­ча­стиц (кла­сте­ров) зна­чи­тель­но от­ли­ча­ют­ся как от свойств мик­ро­час­тиц то­го же ве­ще­ст­ва, так и от мак­ро­ско­пич. об­раз­цов – напр., кла­сте­ры об­ла­да­ют не­ад­ди­тив­но­стью, не­мо­но­тон­ной за­ви­си­мо­стью свойств от раз­ме­ров, до­пус­ка­ют ди­на­мич. со­су­ще­ст­во­ва­ние разл. фаз, об­на­ру­жи­ва­ют но­вые ти­пы фа­зо­вых пе­ре­хо­дов и т. п.

Развитие мегафизики

Про­бле­мы ме­га­фи­зи­ки, как это ни па­ра­док­саль­но на пер­вый взгляд, тес­ней­шим об­ра­зом свя­за­ны с про­бле­ма­ми мик­ро­фи­зи­ки, преж­де все­го в свя­зи с кос­мо­ло­гич. пробле­мой – сце­на­ри­ем воз­ник­но­ве­ния и эво­лю­ции Все­лен­ной. Ны­не об­ще­при­ня­то пред­став­ле­ние о Боль­шом взры­ве с по­сле­дую­щей ин­фля­ци­он­ной ста­ди­ей (см. Боль­шо­го взры­ва тео­рия, Ин­фля­ци­он­ная мо­дель Все­лен­ной).

Не­ре­шён­ной ос­та­ёт­ся про­бле­ма са­мых ран­них ста­дий эво­лю­ции (на вре­ме­нах ме­нее 10^–3 с), а так­же ги­по­те­тич. со­стоя­ние на­чаль­ной син­гу­ляр­но­сти кос­мо­ло­ги­че­ской на вре­ме­нах мень­ших 10^–35 с. Имен­но на этих мас­шта­бах ме­га­фи­зи­ка смы­ка­ет­ся с мик­ро­фи­зи­кой, так что кос­мо­ло­гич. про­бле­ма мо­жет быть ре­ше­на по­строе­ни­ем кван­то­вой гра­ви­та­ции (см. Кван­то­вая тео­рия тя­го­те­ния). Экс­пе­рим. про­вер­ка кос­мо­ло­гич. ги­по­тез весь­ма за­труд­не­на (ес­ли во­об­ще воз­мож­на) вви­ду слиш­ком боль­ших мас­шта­бов не­об­хо­ди­мых энер­гий. Так, план­ков­ская энер­гия со­став­ля­ет по­ряд­ка 10¹⁹ ГэВ, энер­гия Ве­ли­ко­го объ­е­ди­не­ния 10¹⁶ ГэВ, то­гда как да­же в кос­мич. лу­чах макс. энер­гии дос­ти­га­ют ок. 3·10¹¹ ГэВ, а на са­мом круп­ном совр. ус­ко­ри­те­ле (Боль­шом ад­рон­ном кол­лай­де­ре) – все­го лишь ок. 1,4·10⁴ ГэВ.

Важ­ней­шей про­бле­мой ме­га­фи­зи­ки яв­ля­ет­ся экс­пе­рим. про­вер­ка од­но­го из осн. пред­ска­за­ний об­щей тео­рии от­но­си­тель­но­сти – су­ще­ст­во­ва­ния гра­ви­та­ци­он­ных волн. Ны­не эта ги­по­те­за по­лу­чи­ла убе­ди­тель­ное под­твер­жде­ние на за­пу­щен­ной в США в 2002 ус­та­нов­ке-об­сер­ва­то­рии LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), со­стоя­щей из двух да­ле­ко раз­не­сён­ных «плеч» (ан­тенн) дли­ной 4 км ка­ж­дое с ус­та­нов­лен­ны­ми внут­ри зер­ка­ла­ми. В сент. 2015 бы­ло за­фик­си­ро­ва­но сме­ще­ние зер­кал на 10^–16 см, ко­то­рое про­изош­ло в ре­зуль­та­те слия­ния двух чёр­ных дыр мас­са­ми ок. 30 масс Солн­ца на рас­стоя­нии ок. 1,3 млрд. све­то­вых лет от Зем­ли.

В про­бле­ма­ти­ку ме­га­фи­зи­ки вхо­дит так­же опи­са­ние фи­зич. при­ро­ды мн. ас­т­ро­фи­зич. объ­ек­тов – ней­трон­ных звёзд и пуль­са­ров, сверх­но­вых звёзд, чёр­ных дыр, ква­за­ров и ядер га­лак­тик, а в по­след­ние го­ды так­же но­вых эк­зо­тич. объ­ек­тов – кос­мич. струн (то­по­ло­гич. де­фек­тов, воз­ни­каю­щих при фа­зо­вых пе­ре­хо­дах в ран­ней Все­лен­ной и пред­став­ляю­щих со­бой ни­ти тол­щи­ной 10^–29– 10^–30 см, про­тя­ну­тые ме­ж­ду гра­ни­ца­ми Все­лен­ной).

Срав­ни­тель­но не­дав­но воз­ник­шей серь­ёз­ной про­бле­мой как ме­га-, так и мик­ро­фи­зи­ки яв­ля­ет­ся ги­по­те­за тём­ной ма­те­рии и осо­бен­но (с кон. 1990-х гг.) тём­ной энер­гии, от­вет­ст­вен­ной за ус­ко­рен­ное рас­ши­ре­ние Все­лен­ной. См. так­же Кос­мо­ло­гия.

Роль физики в современном мире

Раз­ви­тие фи­зи­ки пре­об­ра­зи­ло не толь­ко ес­те­ст­вен­но-на­уч. кар­ти­ну ми­ра, но и ма­те­ри­аль­но-тех­нич. обес­пе­че­ние совр. ци­ви­ли­за­ции. Тес­ная связь Ф. с др. от­рас­ля­ми ес­те­ст­во­зна­ния при­ве­ла к то­му, что Ф. глу­бо­чай­ши­ми кор­ня­ми врос­ла в ас­тро­но­мию, гео­ло­гию, хи­мию, био­ло­гию и др. ес­теств. нау­ки. Об­ра­зо­вал­ся ряд по­гра­нич­ных дис­ци­п­лин: ас­т­ро­фи­зи­ка, гео­фи­зи­ка, хи­ми­че­ская фи­зи­ка, био­фи­зи­ка, мед. фи­зи­ка, мо­ле­ку­ляр­ная био­ло­гия и др. Фи­зич. ме­то­ды ис­сле­дова­ния при­об­ре­ли ре­шаю­щее зна­че­ние для всех ес­теств. на­ук.

Напр., воз­ник­но­ве­ние мо­ле­ку­ляр­ной био­ло­гии и ге­не­ти­ки бы­ло бы не­воз­мож­но без Ф. Ис­кусств. ра­дио­ак­тив­ные изо­то­пы (ме­че­ные ато­мы) по­зво­ля­ют про­сле­дить ки­не­ти­ку хи­мич. ре­ак­ций и тем са­мым ис­сле­до­вать об­мен ве­ществ в жи­вых ор­га­низ­мах. За­ко­ны кван­то­вой ме­ха­ни­ки ле­жат в ос­но­ве тео­рии хи­мич. свя­зи. С по­мо­щью фи­зич. ме­то­дов уда­ёт­ся осу­ще­ст­вить хи­мич. ре­ак­ции, не иду­щие в обыч­ных ус­ло­ви­ях. Для ре­ше­ния не­ко­то­рых фи­зи­ко-хи­мич. во­про­сов ис­поль­зу­ют струк­тур­ные ана­ло­ги ато­ма во­до­ро­да – по­зи­тро­ний и мюо­ний, а идеи ядер­ной Ф. ста­но­вят­ся ча­стью гео­ло­гич. кон­цеп­ций, пре­ж­де все­го в об­лас­ти гео­хро­но­ло­гии, а так­же в раз­вед­ке по­лез­ных ис­ко­пае­мых.

Ф. об­ра­зу­ет фун­да­мент осн. на­прав­ле­ний тех­ни­ки. Стро­ит. тех­ни­ка, гид­ро­тех­ни­ка, элек­тро­тех­ни­ка и энер­ге­ти­ка, ра­дио­тех­ни­ка, све­то­тех­ни­ка, зна­чит. часть во­ен. тех­ни­ки, элек­тро­ни­ка, вы­чис­лит. тех­ни­ка вы­рос­ли на ос­но­ве Ф. Бла­го­да­ря соз­нат. ис­поль­зо­ва­нию за­ко­нов Ф. тех­ни­ка из об­лас­ти слу­чай­ных на­хо­док вста­ла на путь це­ле­на­прав­лен­но­го раз­ви­тия. В свою оче­редь, раз­ви­тие тех­ни­ки ока­зы­ва­ет су­ще­ст­вен­ное влия­ние на со­вер­шен­ст­во­ва­ние экс­пе­рим. Ф. Без раз­ви­тия элек­тро­тех­ни­ки, ра­дио­тех­ни­ки, тех­но­ло­гии про­из-ва очень проч­ных и ли­шён­ных при­ме­сей ма­те­риа­лов бы­ло бы не­воз­мож­но соз­да­ние та­ких уст­ройств, как ус­ко­ри­те­ли эле­мен­тар­ных час­тиц, по­лу­про­вод­ни­ко­вые при­бо­ры и др.