Фізика

Визначення і загальна характеристика

ФІ́ЗИКА (від грец. φυσική — природничий) буквально означає науку про природу. Оскільки термін «природа» багато­значний, ви­значе­н­ня Ф. потребує уточне­н­ня. Якщо роз­глядати природу в узагальненому значен­ні як матерію, що охоплює різні речовини, тобто частинки, з яких вони складаються, а також певні силові поля, які взаємодіють з цими частинками, то Ф. можна ви­значити як фундаментальну науку, що ви­вчає закономірності, яким під­лягає матерія. Крім цього, Ф. ви­вчає властивості простору і часу, в яких існує матерія, а також фундаментальні сили, що ви­значають її поведінку.

Чимало фізичних від­крит­тів зроблено дуже давно. Це викори­ста­н­ня вогню та колеса, без яких був би неможливий роз­виток людської цивілізації. Стародавні єгиптяни також мали деякі фізичні зна­н­ня, бо інакше не могли б зводити грандіозні піраміди. Давньо­грецький математик, фізик, астроном Архімед (287—212 рр. до н. е.) знав правило важеля та основний закон гідро­статики, що на­званий його імʼям. Він умів фок­усувати сонячні промені. Давньо­грецькі філософи, зокрема й Демокріт (460—370 рр. до н. е.), висловлювали ідеї атомізму. Початок наукового природознавства, побудованого на висновках з екс­перименту, повʼязаний з імʼям італійського науковця Галілео Галілея, який від­крив закон інерції та встановив основну властивість гравітації — незалежність при­скоре­н­ня тіла, що падає, від його маси, отримав формулу для ви­значе­н­ня періоду коливань маятника й вина­йшов теле­скоп, за допомогою якого він від­крив супутники Юпітера та фази Венери. Німецький дослідник Й. Кеплер встановив на під­ставі астрономічних даних закони руху планет. Однак усі ці ви­значні факти були роз­різненими. Виникла необхідність повʼязати їх, створивши узагальнену теорію, що охоплювала б усі ві­домі від­кри­т­тя й спо­стереже­н­ня, до­зволяла б перед­бачувати й пояснювати нові факти та явища.

Таку теорію, що отримала назву класичної механіки, створив англійський науковець І. Ньютон. Вона викладена в його «Математичних засадах натуральної філософії» (1687). Тоді роз­почалася нова епоха не лише в природо­знавстві, але й в усій людській цивілізації. Він встановив закони руху тіл, повʼязавши силу, що діє на тіло, з при­скоре­н­ням, набутим ним. Водночас роз­виток механіки вимагав нової математики. І. Ньютон створив новий математичний формалізм, за­провадивши поня­т­тя диференціалу та інтегралу, і роз­винув аналіз нескінчен­но малих. Він показав, яким чином, знаючи силу та початкові умови, в яких знаходиться тіло, можна ви­значити траєкторію руху. Сила, згідно з І. Ньютоном, може бути довільною функцією положе­н­ня. Він виявив також основні властивості найважливішої з сил, що діють у природі, — сили тяжі­н­ня, та встановив закон всесвітнього тяжі­н­ня, спираючись на закони Й. Кеплера. Тріумф ньютонової механіки призвів до формулюва­н­ня концепції класичного детермінізму, про який французький математик, астроном П.-С. Лаплас висловився так: «Розум, якому були б ві­домі для певного моменту всі сили, що оживлюють природу, та від­носні положе­н­ня всіх її складових частин, і якщо б на додаток він виявився до­статньо великим, щоб ці дані про­аналізувати, обʼ­єд­нав би в одній формулі як рух найвагоміших тіл Всесвіту, так і рух найлегших атомів; не залишилося б нічого, що було б для нього недостовірним, і майбутнє, як і минуле, пов­стало б перед його по­глядом». Встановивши загальні закономірності руху, І. Ньютон сформулював фундаментальні закони збереже­н­ня імпульсу, моменту й енергії. Унаслідок бурхливого роз­витку ньютонової механіки виникла нова галузь науки — небесна механіка, що пояснювала рух планет на основі закону всесвітнього тяжі­н­ня та при­звела до перед­баче­н­ня існува­н­ня нової планети Нептун (1846), виявле­н­ня якої стало значним успіхом класичної механіки Ньютона.

Класична фізика

Після того, як природодослідники пройнялись ідеями атомізму, природно по­стало зав­да­н­ня за­стосувати динаміку Ньютона до опису внутрішнього руху незлічен­ної множини атомів і молекул, що утворюють будь-яке макро­скопічне тіло. Проте для цього руху, як легко зʼясувати, характерна властивість необоротності, на від­міну від зворотного характеру руху окремої матеріальної точки. Газ, що міститься в половині посудини, обмежений пере­городкою, після вилуче­н­ня її за­ймає всю посудину, та сам по собі не повертається до початкового стану. Ця об­ставина повʼязана з не­ймовірною кількістю молекул і має статистичний, імовірнісний характер, що не суперечить оберненості руху окремих частинок.

Послідовне ви­вче­н­ня руху сукупності великої кількості частинок при­звело до створе­н­ня на базі динаміки Ньютона статистичної механіки з новим поня­т­тям ентропії, яке ввів німецький фізик Р. Клаузіус. Ентропія характеризує ступінь хаотичності руху та, як показав ав­стрійський фізик Л. Больцман, може бути повʼязана з поня­т­тям імовірності стану, в якому пере­буває тіло. Фундаментальне значе­н­ня мали дослідже­н­ня американського математика, фізика Дж.-В. Ґібза, присвячені побудові статистичної механіки макро­скопічних систем, що пере­бувають у стані термодинамічної рівноваги. Статистична механіка виявилась основою вче­н­ня про теплоту — термодинаміки, а оста­н­ня — основою практичної теплотехніки. Статистична механіка сприяла також ви­вчен­ню нерівноважних процесів — тепло­провід­ності, вʼязкості та дифузії. Л. Больцман з цією метою встановив так зване кінетичне рівня­н­ня, роз­вʼязок якого дає змогу знаходити коефіцієнти дифузії, тепло­провід­ності та вʼязкості. Механіку Ньютону викори­стано також для ви­вче­н­ня руху рідин і газів та для опису пружних процесів у твердих тілах. Швейцарський математик, фізик Л. Ейлер вивів рівня­н­ня, що ви­значає рух рідини, у результаті чого виникли нові галузі Ф. — гідродинаміка та газодинаміка. Завдяки напрацюва­н­ням попередніх століть по­стала теорія пружності. Були досліджені звукові колива­н­ня різних частот, що можуть роз­по­всюджуватися в рідинах, газах та твердих тілах. Галузь Ф., що їх ви­вчає, на­звали акустикою. Газодинамічні дослідже­н­ня дали можливість російському науковцю М. Жуковському вивести формулу для пі­ді­ймальної сили тіла, що рухається в газі. Згодом це започаткувало нову галузь Ф. — аеродинаміку — основу практичної авіації.

Здавалося, що все, зокрема електричні та магнітні явища, під­порядковане ньютоновій механіці, так що ми маємо право говорити про механічний світ Ньютона. Справді, поміж електричними зарядами діє сила, що ви­значається законом, виведеним французьким фізиком Ш.-О. Кулоном, а між струмами — сила, що ви­значається законом, сформульованим французьким фізиком А.-М. Ампером. Але якщо сили ві­домі, то повин­на діяти динаміка Ньютона. Так воно і є, доки ми ви­вчаємо по­стійні струми та непорушні заряди. Щоправда, досліджуючи властивості магнітів, англійський фізик М. Фарадей встановив, що при русі магніту по­близу за­мкненого провід­ника в остан­ньому виникає електричний струм. Науковець від­крив закон електромагнітної індукції. М. Фарадей вважав магнітний потік також фізичною реальністю, як і власне речовину. Однак його закон електромагнітної індукції суперечив механіці Ньютона. Згодом шотландський науковець Дж.-К. Максвел створив нове фізичне об­ґрунтува­н­ня — теорію електромагнітного поля, що нині називають класичною електродинамікою Максвела. Він перед­бачив, що не лише при зміненому магнітному полі виникає електричне поле, а й змін­не електричне поле створює магнітне. Дж.-К. Максвел сформулював диференціальні рівня­н­ня для електричного і магнітного полів. Згідно з ними зміна одного з цих полів у певному місці простору зумовлює виникне­н­ня іншого поля в сусідньому місці. Отже, обидва поля взаємодіють між собою таким чином, що будь-яка флуктуація полів у якомусь місці простору не локалізується в ньому, а поширюється у ви­гляді хвиль з певною швидкістю, що збігається зі швидкістю світла в порожнечі. Як наслідок вче­н­ня про світло, тобто оптика, зна­йшло своє місце в електродинаміці Максвела. Вче­н­ня про електрику, магнетизм та оптику обʼ­єд­нали в єдине ціле — теорію електромагнетизму Максвела. Взаємодія між цими галузями стала такою потужною, що почали говорити про електромагнітний світ Максвела.

Електричне та магнітне поля, що належать до рівнянь Максвела, постають як певна фізична реальність, що від­різняється від матеріальних частинок — єдиної фізичної реальності, з якою мала справу механіка Ньютона. Рівня­н­ня Максвела на­стільки симетричні та довершені, що Л. Больцман, засновник фізичної кінетики, висловився про них так: «Чи не боги накреслили ці знаки». Хоча вплив вче­н­ня І. Ньютона був великим, однак Дж.-К. Максвел не хотів миритися з уявле­н­ням, що його поля — це фізична реальність. Пізніше було показано, що ці поля можуть пере­творюватися в матеріальні частинки, а остан­ні — в електромагнітне поле. Дж.-К. Максвел цього не знав і створював різні механічні моделі, щоб зро­зуміти змін­ні поля з механічної точки зору. Попри те, що задум не здійснився, спадщиною прагнень Дж.-К. Максвел­ла залишився термін «струм зміще­н­ня», яким він по­значив змін­не електричне поле.

Рівня­н­ня Максвела в най­простішій формі сформульовані для вакууму. Проте по­стає пита­н­ня: як ро­зуміти їх тоді, коли йдеться про поля в речовині. Річ у тім, що речовина складається з атомів і молекул, які мають внутрішню електричну структуру — вони містять у собі електрони та ядра, що само­стійно здійснюють складні рухи всередині тіла. Ці заряди створюють власні електричні та магнітні поля, що якось повин­ні узгоджуватися із зовнішніми полями, які діють у середовищі. Отже, пита­н­ня стосується врахува­н­ня цих власних полів. Оскільки заряджених частинок вкрай багато, то вчені почали за­стосовувати статистичні методи, що були викори­стані раніше під час створе­н­ня статистичної механіки. Нову наукову задачу — узагальне­н­ня електродинаміки на випадок середовища — роз­вʼязав нідерландський фізик Г. А. Лоренц. У результаті рівня­н­ня, які описують електромагнітне поле в речовині, стали ві­домі як рівня­н­ня Максвела—Лоренца. Теорія електромагнетизму в середовищі при­звела до створе­н­ня шведським фізиком, астрономом Г.-У. Альфвеном нового напряму — магнітної гідродинаміки, що ви­вчає різноманітні рухи рідини в зовнішньому магнітному полі, а також до зародже­н­ня фізики плазми, у якій досліджують сильно іонізовані гази. Особливо значного роз­маху набули дослідже­н­ня з Ф. плазми у звʼязку з про­блемою керованого термо­ядерного синтезу. Електродинаміка Максвела, подібно до механіки Ньютона у попередню епоху, стала теоретичною основою для роз­витку нових галузей техніки — спершу електротехніки, а згодом і радіотехніки. Вона поклала початок сучасній енергетиці з можливістю пере­дава­н­ня електро­енергії на великі від­стані, сприяла появі нових засобів звʼязку та радіолокації.

Теорії від­носності

Не­зважаючи на значні досягне­н­ня електродинаміки та механіки, по­ступово дедалі виразніше окреслювалося протиріч­чя між основними ідеями цих двох фундаментальних теорій. Воно полягає в тому, що в механіці Ньютона має місце принцип далекодії — два тіла, як би далеко вони не роз­ташовувалися одне від одного, взаємодіють між собою мит­тєво. Дія і протидія від­буваються в той же момент часу. В електродинаміці Максвела мит­тєва взаємодія від­сутня, вона може роз­по­всюджуватися лише з кінцевою швидкістю, що дорівнює швидкості світла. На­приклад, якщо Сонце ви­промінює світло, то цей потік, ді­йшовши до Землі, буде виявляти тиск на неї (існува­н­ня світлового тиску екс­периментально доведене 1899 російським вченим П. Лебедєвим), але світловим променям знадобиться при­близно 8 хвилин, щоб дійти від Сонця до Землі.

Це протиріч­чя роз­вʼязав А. Айнштайн, який 1905 сформулював спеціальну від­носності теорію. Це була третя велика фізична теорія, що зʼявилася після механіки Ньютона і електродинаміки Максвела. У ній від­бувається від­мова від абсолютного пере­бігу часу. Це означає, що час, який показує годин­ник, що рухається, буде від­різнятися від часу, який показує інший годин­ник, що залишається в спокої. Якщо один з годин­ників починає рухатися з якогось місця за­мкнутою траєкторією, то після поверне­н­ня його на початкову позицію він покаже менший час, ніж той, що залишався на місці. Від­мова від абсолютного пере­бігу часу зумовлена тим, що при абсолютному пере­бігові часу має місце звичайний, добре ві­домий закон додава­н­ня швидкостей, згідно з яким швидкість будь-якого руху різна в різних системах від­ліку, а різниця ви­значається швидкістю руху однієї системи від­носно іншої. Але рух світла не від­повід­ає цій умові. Дуже точні досліди американського фізика А.-А. Майкельсона засвідчили, що швидкість світла не залежить від руху джерела світла та руху спо­стерігача, а залишається однаковою в усіх системах від­ліку, що рухаються одна від­носно іншої. Ця унікальна властивість світла до­зволяє повʼязати просторові координати й момент часу, що характеризують будь-яку подію в одній системі від­ліку, з координатами та моментом часу, що від­повід­ають цій же події в іншій системі від­ліку. Спів­від­ноше­н­ня, що звʼязують координати й час для однієї події в різних системах від­ліку, називають пере­творе­н­нями Лоренца. Їх виведено з єдиної вимоги — інваріантності, тобто однаковості, швидкості світла в різних системах від­ліку. Часовий інтервал між двома подіями не буде однаковим у різних системах від­ліку, як і те, що довжина стрижня буде залежати від системи від­ліку, в якій проваджується вимір довжини. Під час руху стрижня його довжина зменшується, так що найбільшу довжину стрижень має в тій системі від­ліку, де він не рухається.

Від­мова від припуще­н­ня про абсолютний пере­біг часу, що була притаман­ною механіці Ньютона, була поштовхом до формулюва­н­ня А. Айнштайном нової, так званої релятивістської динаміки, що від­різняється від динаміки Ньютона. Ви­значним виявилося те, що нова релятивістська динаміка вже не суперечить, а повністю узгоджена з електродинамікою Максвела. Вони немов би по­єд­нані в єдине ціле. Не потрібно, однак, думати, що А. Айнштайн скасував твердже­н­ня І. Ньютона. Навпаки, механіка Ньютона під­неслася ще вище, бо виявилося, що її висновки будуть справедливі, якщо швидкості руху тіл малі порівняно зі швидкістю світла у вакуумі, і лише при швидкостях руху, що дорівнюють швидкості світла, релятивістська динаміка демонструє результати, від­мін­ні від класичної механіки Ньютона. У релятивістській механіці злилися во­єдино закони збереже­н­ня маси та енергії. Зміна маси тіла зумовлює зміну його енергії, причому на ту ж саму величину, по­множену на квадрат швидкості світла. Зокрема, Сонце чи зірка за рахунок ви­промінюва­н­ня світла втрачають частину своєї енергії, і від­повід­но до цього зменшується їхня маса. Релятивістська механіка до­зволяє дійти висновку про можливість існува­н­ня частинок, що не мають маси й повин­ні рухатися зі швидкістю світла. Зокрема, такими частинками є світлові фотони — частинки світла.

Спеціальна теорія від­носності має справу з так званими інерціальними системами від­ліку, що рухаються одна від­носно іншої з по­стійними швидкостями. Всі вони не мають від­мін­ностей, і закони природи діють однаково в усіх інерціальних системах від­ліку. Проте для опису різних фізичних явищ не обовʼязково користуватися лише інерціальними системами від­ліку. Природі байдуже на обрані спо­стерігачем системи від­ліку, тому допустимі будь-які, тобто і неінерціальні системи. Всі закони повин­ні формулюватися в однаковому ви­гляді незалежно від систем, що за­стосовуються. Якщо ввести поня­т­тя 4-мірного простору, який обʼ­єд­нує звичайний тримірний про­стір і час, то кожна точка в чотирьохмірному просторі буде від­повід­ати якійсь події. Довкола кожної точки в цьому просторі, або, як кажуть, світової точки, можна ввести свою локальну інерціальну систему. Щоправда, для опису явищ в усьому чотирьохмірному світі потрібно буде мати незлічен­ну множину таких локальних систем, тобто не можна ввести глобальну інерціальну систему. Оскільки просторові координати й час, що від­повід­ають якійсь події, не є однаковими для різних інерціальних систем (для різних систем вони повʼязані пере­творе­н­нями Лоренца), то при викори­стан­ні загальних інерціальних систем від­ліку ми не зможемо користуватися єдиним просторовим мас­штабом і єдиними годин­никами для всього чотирьохмірного світу. Крім цього, втрачає сенс евклідова геометрія, у чому легко пере­конатися, якщо роз­глянути диск, який обертається навколо вісі, що проходить крізь його центр перпендикулярно площині диска. Дійсно, якщо взяти невелику лінійку та прикладати її вздовж периферії непорушного диска і вздовж одного з його радіусів, то від­ноше­н­ня чисел від­міток лінійки, якщо вона буде до­статньо малою, дорівнюватиме 2π. Але якщо диск роз­почне обертатися, то число від­міток лінійки вздовж периферії збільшиться порівняно з випадком непорушного диска, оскільки при цьому від­будеться скороче­н­ня довжини лінійки. Що ж стосується радіуса, то число від­міток на ньому не збільшиться, оскільки в цьому разі рух від­бувається не уздовж лінійки, а перпендикулярно до неї. Як наслідок від­ноше­н­ня числа від­міток уздовж кола диска до числа від­міток уздовж радіуса диска стане більше 2π.

Отже, при викори­стан­ні довільних систем від­ліку не можна за­стосовувати звичайну евклідову геометрію. З іншого боку, використовуючи загальні неінерціальні системи від­ліку, необхідно обовʼязково враховувати дію сили гравітації. Справді, у ліфті, який вільно падає, проявляється невагомість, тобто тіло втрачає свою вагу, і навпаки, якщо ліфт зді­ймається догори з при­скоре­н­ням, то тіло чинить тиск, що пере­вищує його вагу, на під­логу. Тут діє очевидний принцип еквівалентності, який полягає в тому, що рух тіла в неінерціальній системі від­ліку, що рухається з по­стійним при­скоре­н­ням, від­бувається так само, як рух в інерціальній системі від­ліку, в якій діє по­стійне гравітаційне поле. Таким чином, неінерціальність повʼязана з гравітацією та неевклідовістю геометрії простору. Гравітація є загальною властивістю матерії, якщо ро­зуміти її як речовину та електромагнітне поле, хоча на­справді потрібно говорити й про інші взаємодії, на­приклад, ядерну. Від­так зʼясовано ідею про внутрішній звʼязок між геометрією чотирьохмірного світу, або метрики чотирьохмірного світу, та існува­н­ням матерії, що пере­буває в цьому чотирьохмірному світі. Це і є основна ідея створеної А. Айнштайном 1915 загальної теорії від­носності, четвертої після класичної механіки, класичної електродинаміки та спеціальної теорії від­носності великої фізичної теорії. Метрика, тобто геометрія світу, вже не є евклідовою, і простору, в якому є матерія, притаман­на кривизна (кривина), що, згідно з А. Айнштайном, ви­значається кількістю матерії, її енергією та іншими величинами, що характеризують стан матерії.

Ніколи раніше Ф. ще не знала на­стільки дивної теорії, що залучила до себе геометрію. Від­повід­но до загальної теорії від­носності гравітаційні сили не є окремими силами, а радше спри­ймаються як наслідок викривле­н­ня простору-часу. Загальна теорія від­носності є також теорією гравітації, або іншими словами, релятивістською теорією гравітації, на від­міну від класичної теорії гравітації Ньютона. З її допомогою встановлено модифіковані закони руху тіл, зокрема, зʼясовано рух перигелію Меркурія, що не мав раніше поясне­н­ня, перед­бачено від­хиле­н­ня променя світла в гравітаційному полі Сонця, що було згодом спо­стережено, пояснено так зване червоне зміще­н­ня, що полягає в зменшен­ні частоти світлової хвилі, що при­йшла від зірки або Сонця, порівняно з частотою світла, що ви­промінюється таким же атомом на Землі. Зрештою, загальна теорія від­носності перед­бачила існува­н­ня так званих гравітаційних хвиль, що є збуре­н­нями, які поширюються, та метрики простору-часу. Ці хвилі, як і світлові, є поперечними, і швидкість їх роз­по­всюдже­н­ня дорівнює швидкості світла.

Загальна теорія від­носності зародила нову галузь Ф. — космологію — науку про будову й еволюцію Всесвіту. Ви­значним висновком цієї науки є твердже­н­ня про те, що метрика Всесвіту може бути нестаціонарною. 1922 О. Фрідман висунув ідею Всесвіту, що роз­ширюється, для якого є початок від­ліку часу — це момент, коли радіус його кривизни Всесвіту дорівнював нулю. Цей початок існува­н­ня Всесвіту Дж. Ґамов інтер­претував як Великий Вибух, при якому щільність та температура матерії були, можна сказати, нескінчен­ними. Від­повід­но до роз­шире­н­ня Всесвіту від­бувалося його охолодже­н­ня, і свідками цього процесу залишилися так звані реліктові фотони (були перед­бачені Дж. Ґамовим і згодом виявлені екс­периментально), що від­повід­ають температурі в декілька градусів Кельвіна.

Квантова механіка

Після створе­н­ня загальної теорії від­носності здавалося, що Ф. від­булася. Та на­справді її під­стерігала нова криза, ще вираженіша за ту, що спричинила народже­н­ня спеціальної теорії від­носності. Тепер ішлося про без­посереднє існува­н­ня атома, що суперечило і механіці Ньютона, і електродинаміці Максвела, і теорії від­носності Айнштайна. Це стало зро­зуміло після дослідів британського фізика Е. Резерфорда (1871 — 1937), який виявив, що атом має складну електричну структуру: всередині нього знаходиться масивне позитивно заряджене ядро, навколо якого рухаються негативно заряджені електрони, що притягуються за законом Кулона до ядра. У випадку атома водню маємо тільки один електрон, а ядро складає протон. Але електрон, який рухається, можна уподібнити до маленької радіоантени, що ви­промінює електромагнітні хвилі. Ці хвилі несуть із собою енергію, що ви­промінює електрон, який рухається. Як наслідок — він втрачає свою енергію. І, як показує роз­рахунок, протягом декількох десятитисячних часток мікросекунди він повинен втратити свою енергію і впасти на ядро. Інакше кажучи, ви­промінюва­н­ня електромагнітних хвиль повин­но призводити до не­стійкості атома.

Ситуація ще ускладнилася від­кри­т­тям нових хвиль — хвиль матерії не­електромагнітного походже­н­ня, що не мали нічого спільного з колективними колива­н­нями частинок (їх спо­стерігають у гідродинаміці та твердих тілах). Ці хвилі спочатку перед­бачив французький фізик Л. де Бройль, а згодом їх виявили в дослідах з роз­сіюва­н­ня електронів у кри­сталічних ґратках, коли електрони поводили себе як рентґенівські промені, і з дослідів можна було ви­значити довжину хвилі, повʼязану з електронами. Вона виявилася обернено пропорційною величині імпульсу електрона й точно під­твердила від­кри­т­тя Л. де Бройля. Іншими словами, існували хвилі, була ві­дома їх довжина, але залишалася не ві­домою їх природа. Далі зʼясувалося, що такі ж хвилі повʼязані і з іншими, більш важкими частинками, на­приклад, з нейтронами. Виявилося, що всі частинки, що існують в природі, мають не тільки корпускулярні, а й хвильові властивості. Інакше кажучи, для всієї матерії в цілому характерний корпускулярно-хвильовий дуалізм: кожний її обʼєкт має як корпускулярні, так і хвильові властивості. Ця ознака стосується і світла, частинками (або корпускулами) якого є фотони — частинки, що не мають маси й рухаються зі швидкістю світла. Корпускулярно-хвильовий дуалізм не можна пояснити у межах класичної Ф., під якою ми ро­зуміємо класичну механіку, класичну електродинаміку і теорію від­носності. По­єд­на­н­ня корпускулярних та хвильових властивостей в одному й тому ж обʼєкті суперечить класичній Ф. і пояснюється лише в новій фізичній теорії — квантовій механіці, що одночасно об­ґрунтовує стійкість атома. Квантова механіка насамперед встановлює, як змінюється в просторі та часі хвильова функція частинки, що описує матеріальну хвилю, якщо ві­доме силове поле, в якому пере­буває частинка.

Закон цієї зміни ви­значають рівня­н­ня, які сформулював ав­стрійський фізик Е. Шредінґер; вони є основними постулатами нової фундаментальної теорії. Най­простішим з них є рівня­н­ня для електрона в атомі водню. У цьому випадку (і це є загальною ситуацією) рівня­н­ня має роз­вʼязок тільки для певних дис­кретних значень енергії електрона, що характеризують стаціонарний стан атома. Це, власне кажучи, і роз­вʼязує про­блему стійкості атома водню, що може знаходитися тільки в певних енергетичних станах. Дивно, що при цьому не зачіпається про­блема фізичного змісту хвильової функції. Для того, щоб роз­вʼязати цю про­блему, треба прояснити принципове пита­н­ня: чи можна описувати рух частинки згідно з класичною механікою, тобто говорити, що частинка в кожний момент часу має певні значе­н­ня координат та швидкості, тому що має сенс поня­т­тя траєкторії частинки. Можна упевнитися, що такий опис не має сенсу. Для того, щоб ви­значити положе­н­ня частинки, що рухається з по­стійною швидкістю вздовж прямої, треба освітити частинку пучком променів, що сходяться, у результаті чого отримаємо деяку світлу плямочку, у якій пере­буває частинка. Під час освітле­н­ня частинки від­буваються певні дії, бо фотони, що входять до складу пучка, чинять тиск на неї, тобто пере­дають їй свій імпульс, тому її швидкість зміниться, причому зміна швидкостей буде тим більша, чим менший роз­мір плямочки. Це призводить до ві­домого спів­від­ноше­н­ня неви­значеності, сформульованого німецьким фізиком В.-К. Гайзенберґом, згідно з яким добуток неточностей у ви­значен­ні положе­н­ня та швидкості частинки не може бути меншим за певну межу. Ці міркува­н­ня показують, що поня­т­тя траєкторії в класичній механіці не має абсолютно точного сенсу, і його використовують лише з певним ступенем точності. Подальший аналіз такого роду міркувань дав змогу дійти фундаментального висновку: описувати рух можна, використовуючи концепцію ймовірності. Якщо йдеться про положе­н­ня електрона в атомі, то має сенс твердже­н­ня, що електрон роз­ташований у цьому місці простору лише з певною ймовірністю. Вона ви­значається інтенсивністю хвильової функції ψ, яку з цієї причини часто називають амплітудою ймовірності.

Квантова механіка продемонструвала, що різні фізичні величини асоціюються не зі звичайними числами, а з математичними операторами, які можуть бути пред­ставлені у ви­гляді матриць. Власні значе­н­ня цих операторів є спо­стережуваними значе­н­нями різних фізичних величин. У Ф. уві­йшов новий, якщо порівнювати з епохою Ньютона, математичний формалізм. Ця, 5-та за ліком фундаментальна фізична теорія була створена у 1920-х рр. працями Л. де Бройля, В. Гайзенберґа, Е. Шредінґера, німецьких фізиків М. Планка, М. Борна, ав­стрійського фізика В. Паулі, данського фізика Н. Бора та британського фізика П. Дірака.

Жодна фізична теорія, навіть теорія від­носності, не повʼязана так з філософією, як квантова механіка. Від­кинувши поня­т­тя траєкторії, вона докорін­но змінила звичайні уявле­н­ня про рух, а за­провадивши концепцію ймовірності як внутрішню властивість матерії, нівелювала звичайний механістичний детермінізм. Успіхи її величезні, і можна цілком справедливо говорити про золотий вік квантової теорії. Було пояснено як існува­н­ня стійких атомів і молекул, так і не­ймовірну кількість явищ, що належать до атомного світу. У хімії роз­тлумачено природу хімічного звʼязку та поня­т­тя валентності, по­дано фізичне трактува­н­ня періодичному закону, сформульованого Д. Менделєєвим. Науковці встановили роз­поділ речовин на метали, ді­електрики й напів­провід­ники, а також від­мін­ність між пара- і діамагнетиками, пояснили такі явища, як феро- та антиферомагнетизм, над­провід­ність та надплин­ність. Квантова механіка перед­бачила можливість нового явища — проходже­н­ня частинки через потенційний барʼєр. Це так званий тунельний ефект, неможливий у межах класичної механіки. Прикладом цього ефекту є α-роз­пад ядер, при якому з радіо­активного ядра вилітає, про­йшовши через барʼєр, α-частинка, що складається з двох протонів і двох нейтронів. Теорію цього ефекту висунув Дж. Ґамов. У біології ідеї квантової механіки сприяли ро­зумін­ню стійкості генів та роз­шифруван­ню коду спадковості.

Важливим етапом у роз­витку квантової теорії було створе­н­ня П. Діраком релятивістської квантової механіки електрона, що по­єд­нала ідеї квантової механіки з вимогами теорії від­носності. Синтез релятивістської квантової механіки електрона з електродинамікою Максвела призвів до виникне­н­ня квантової електродинаміки, що ви­вчає різні явища, повʼязані зі взаємодією електронів з електромагнітним полем. Важливим виявилося перед­баче­н­ня П. Дірака про можливість пере­творе­н­ня фотонів в електрон-позитрон­ні пари та анігіляції електронів і позитронів у фотони. Ці ефекти були спо­стережені на досліді та з особливою чіткістю показали, що електромагнітне поле такою ж мірою матеріальне, як і речовина. Найважливішим практичним за­стосува­н­ням квантової механіки та квантової електродинаміки було створе­н­ня потужних когерентних джерел і під­силювачів електромагнітних хвиль різних діапазонів частот — лазерів і мазерів, роз­витком і вдосконале­н­ням яких за­ймається квантова електроніка. Пошире­н­ня результатів квантової електродинаміки при­звело до ідеї про можливість народже­н­ня нових частинок при зі­ткне­н­нях між «старими». Ця ідея була реалізована завдяки спеціально побудованим при­скорювачам заряджених частинок. З їх допомогою виник новий світ частинок та античастинок, що можуть пере­творюватися одна в одну. Екс­периментально доведено можливість штучного створе­н­ня нових форм матерії.

По­стала нова велика галузь Ф. — фізика елементарних частинок. Науковці роз­робили класифікацію елементарних частинок і довели, що низка їх має складну внутрішню структуру. Виникла ідея про кварки та антикварки, з яких, зокрема, побудовані такі частинки, як протон і нейтрон, що досі вважалися неподільними. Доведено, що цьому роз­маїт­ті частинок діють, крім гравітаційної, тільки 3 види взаємодій: сильна, електромагнітна й слабка, що від­різняються одна від одної як інтенсивністю, так і радіусом дії. Інтенсивність сильної взаємодії у понад 100 разів пере­вищує інтенсивність електромагнітної взаємодії та на багато порядків більша за інтенсивність слабкої взаємодії. Зʼясовано, що фундаментальна взаємодія між двома частинками завжди здійснюється шляхом обміну між цими частинками деякою третьою частинкою. Електромагнітна взаємодія панує в атомному світі, зумовлюючи існува­н­ня атомів і молекул усіх конденсованих форм матерії, сильна — у світі атомних ядер. Інакше кажучи, взаємодія між нейтронами й протонами, що входять до складу ядра, є сильною. Радіус її дії залежить від мас­штабу роз­мірів ядра, тобто близько 10—13 см. Ця величина на пʼять порядків менша за величину роз­мірів атома, тобто величини порядку 10^-8 см. Слабка взаємодія спричинює деякі види роз­падів елементарних частинок і β-роз­пад низки ядер.

У квантовій механіці роз­глядають ядро як певний точковий силовий центр, але ядра складаються з протонів і нейтронів, тобто самі по собі мають складну внутрішню структуру. Тому природно, що після атомної Ф. зародилася і ядерна Ф., що ви­вчає будову ядер та різні реакції, які від­буваються при зі­ткне­н­нях між ядрами. В її основі, як і в атомній фізиці — квантова механіка. Оскільки між ядерними частинками — нейтронами й протонами — діють потужні ядерні сили, то в ядрі зосереджена величезна енергія. Тому виникає пита­н­ня про вивільне­н­ня і викори­ста­н­ня цієї енергії. Реалізувати це стало можливим після ви­значного від­кри­т­тя 1938 німецькими фізиками О. Ганом та Ф. Штрас­сманом поділу ядер урану під дією нейтронів, що зіштовхуються з ними. Під час такого процесу виділяється величезна енергія, що в міль­йони разів пере­вищує ту, що повʼязана з хімічними пере­творе­н­нями атомів. Крім цього, при поділі ядра урану вилітають, як дрібні уламки, декілька нейтронів. Це зумовлює протіка­н­ня ланцюгової ядерної реакції, під час якої нейтрони, що вилітають при поділі ядра, ділять у свою чергу сусідні ядра урану. Така ланцюгову реакцію вперше здійснено 1942 італійським фізиком Е. Фермі. Він побудував перший ядерний реактор, що до­зволяв одержувати величезну кількість енергії. Велике від­кри­т­тя Е. Фермі знаменувало початок роз­витку нової енергетики.

Роз­глянувши основні етапи в роз­витку фізичної науки, по­стає пита­н­ня, як створюється нова фізична теорія. Роз­різняють теоретичну та екс­периментальну Ф. Методом першої є математичний аналіз, другої — екс­периментальне спо­стереже­н­ня. Обидві вони, доповнюючи одна одну, взаємодіють між собою. Однак не варто вважати, що в основі фізичної теорії лежить простий дослід, що можна створити нову теорію, базуючись лише на екс­периментальних фактах. А. Айнштайн за­уважував, що «спроба чисто логічного виведе­н­ня основних понять і принципів механіки (тобто фізичної теорії) із окремих дослідів приречена на невдачу». Це означає, що немає одно­значного логічного шляху від фактів досліду до теоретичних систем Ф. Створе­н­ня фізичної теорії (побудова фізичної картини світу) повʼязане не тільки з даними досліду, а й із формува­н­ням певних понять і введе­н­ням низки абстракцій. У цьому сенсі величезну роль ві­ді­грає математика. Без математичної форми не існує фізичних закономірностей. Фізичні ідеї невід­ривні від математичного формалізму. Особливу роль математики, її ефективність не раз від­значали найви­значніші натуралісти. «У цьому звʼязку виникає пита­н­ня, яке хвилювало дослідників усіх часів. Чому можлива така чудова від­повід­ність математики реальним предметам, якщо вона є творі­н­ням лише людської думки, не повʼязаної із жодним дослідом?» — говорив А. Айнштайн. «Головною метою усіх досліджень зовнішнього світу має бути від­кри­т­тя раціонального порядку та гармонії, які Бог послав світу і від­крив нам мовою математики», — писав Й. Кеплер. Н. Бор за­значав, що математика — це більше, ніж наука, — це мова. Математичний формалізм володіє величезною перед­бачувальною силою. Це можна простежити на всіх етапах роз­витку Ф. На­приклад, щодо перед­баче­н­ня існува­н­ня нової планети Нептун і нової елементарної частинки — позитрону.

П. Дірак, під­сумовуючи перед­баче­н­ня теоретичної Ф., говорив: «Природі притаман­на та фундаментальна особливість, що на­йосновніші фізичні закони описуються математичною теорією, апарат якої має над­звичайну силу й красу». Свою віру у величезну перед­бачувальну силу математичного формалізму фізичної теорії П. Дірак сформулював таким чином: «Наші жалюгідні математичні зуси­л­ля до­зволяють поки мало що зро­зуміти у Всесвіті. Та, роз­виваючи все більш досконалі математичні методи, ми можемо сподіватися на краще ро­зумі­н­ня Всесвіту. Математичні дослідже­н­ня дають надію перед­бачити, яким буде апарат майбутньої теоретичної фізики».

Фізика нової епохи та її роз­виток в Україні

20 ст. ознаменоване створе­н­ням нових фундаментальних фізичних теорій — теорії від­носності та квантової механіки, що є кульмінаційними віхами у духовному роз­витку людства. Для цього часу характерний також роз­квіт екс­периментальної Ф., на­дба­н­ням якої стали унікальні прилади й установки, що дають змогу ви­вчати глибин­ні властивості матерії та бачити окраїни Всесвіту — нові галактики, які пере­бувають на від­станях, що пере­вершують десять мільярдів світлових років. За допомогою потужних при­скорювачів заряджених частинок утворено нові форми матерії та антиматерії, не ві­домі досі в земних умовах. Були від­криті мезони — частинки, що пере­носять ядерну взаємодію (перед­бачені теоретично японським фізиком Х. Юкавою), а також проміжні W- та Z-бозони — частинки, що пере­носять слабку взаємодію. Арсенал екс­периментальної Ф. доповнено ядерними реакторами, що до­зволяють використовувати нейтрони для досліджень різних фізичних процесів. У лабораторній практиці почали широко за­стосовувати лазери. Одержано нові матеріали, що від­повід­ають потрібним вимогам, і від­крито високотемпературні над­провід­ники з широким полем за­стосува­н­ня. Досягнено наднизьких температур близько 10^-8 К, що пос­прияло досліджен­ню властивостей речовин по­близу абсолютного нуля. Виникла широка мережа фізичних ін­ститутів в усіх високороз­винених країнах.

Серед багатьох першовід­кривачів у галузі фізики і суміжних наук чільна когорта українців: І. Пулюй (дослідже­н­ня катодних і рентгенівських променів), М. М. Боголюбов (статистична механіка та квантова теорія поля), Дж. Ґамов (теорія Великого вибуху та перед­баче­н­ня реліктового ви­промінюва­н­ня), О. Т. Смакула (винахід технології просвітле­н­ня оптики), Ю. В. Кондратюк (роз­рахунки траєкторій космічних польотів), В. Й. Векслер (вторець синхротрона), Б. П. Грабовський (один із творців електрон­ного телебаче­н­ня), О. Г. Ґольдман (від­кри­т­тя явища тунельного пере­ходу електронів у p–n-пере­ході), Б. Є. Патон (електрозварюва­н­ня, зокрема в космосі). Становле­н­ня української фізичної термінології повʼязане з діяльністю Наукового товариства імені Шевченка, зокрема, у його «Записках» та «Збірнику» на­друковано стат­ті І. Пулюя «Апарат до міря­н­ня ріжниці фаз межи пере­мін­ними протоками і кілька з його поміч­чю зроблених помірок» (1894), В. Левицького «Електромаґнетна теорія світла і филї елєктричні» (1897), В. Кучера «Динаміка електрона» (1912), Р. Цегельського «Із сучасних дослідів над магнетизмом» ( 1916) та ін.

Роз­витку фізичних досліджень в Україні сприяв створений 1928 Український фізико-технічний ін­ститут (нині «Харківський фізико-технічний ін­ститут» Національний науковий центр НАНУ). У ньому почали успішно проводити дослідже­н­ня в різних галузях Ф. — Ф. ядра, Ф. низьких температур, Ф. твердого тіла, радіофізики. 1932 там уперше в СРСР здійснено роз­щепле­н­ня атомного ядра літію (К. Синельников, О. Лейпунський, А. Вальтер, Г. Латишев). Значний внесок до всіх роз­ділів теоретичної Ф. зробив Л. Ландау. Він вперше увів до квантової механіки поня­т­тя матриці густини, побудував теорію фазових пере­ходів 2-го роду, роз­винув теорію діамагнетизму електронів, перед­бачив існува­н­ня нейтрон­них зірок, роз­винув теорію надплин­ності Hell, від­крив затуха­н­ня хвиль у плазмі без зі­ткнень, установив рівня­н­ня руху магнітного моменту у феромагнетику, дав теорію утворе­н­ня електрон-позитрон­них пар при зі­ткнен­ні частинок, увів поня­т­тя СР-парності й виконав ще багато інших робіт. Л. Ландау заснував наукову школу, що має світову славу, і почав створювати, працюючи в Україні, ві­домий багатотомний «Курс теоретической физики», за яким і нині на­вчаються в усьому світі.

Л. Шубников встановив основну властивість над­провід­ників — неможливість проникне­н­ня у них магнітного поля; від­крив над­провід­ники 2-го роду, довів, що антиферомагнетизм є окремою фазою речовини й уперше виявив осциляційні властивості провід­ників в магнітному полі, зафіксував осциляції магнітоопору вісмуту в магнітному полі (ефект Шубникова—де Гааза). Він є засновником вітчизняної Ф. низьких температур. У післявоєн­ні роки із Українського фізико-технічного ін­ституту виділили дві групи спів­робітників, що заснували в Харкові Радіофізики та електроніки Ін­ститут імені О. Усикова HAHУ й Фізико-технічний ін­ститут низьких температур імені Б. Вєркіна HAHУ.

Велику роль у роз­витку Ф. в Україні ві­ді­грав математик та фізик-теоретик М. Боголюбов, який заснував у Києві Теоретичної фізики Ін­ститут імені М. Боголюбова HAHУ. Він виконав низку фундаментальних робіт у теоретичній Ф., показав, як з перших принципів механіки можуть бути одержані різні кінетичні рівня­н­ня, зокрема рівня­н­ня Больцмана (сам Л. Больцман не давав виводу свого рівня­н­ня). Йому належить важлива праця, присвячена побудові мікро­скопічної теорії надплин­ності слабко неідеального Бозе-газу. М. Боголюбов увів до статистичної Ф. часові функції Гріна; є автором нового методу опису над­провід­ності. Також показав, як можуть бути доведені дис­персійні спів­від­ноше­н­ня в теорії елементарних частинок, дав математичне об­ґрунтува­н­ня теорії пере­нормувань квантової електродинаміки. Врешті, він зробив сут­тєвий внесок у теорію нелінійних коливань.

Нині в Україні фізичні дослідже­н­ня проводять у низці університетів і академічних установ, зокрема в Донецькому фізико-технічному ін­ституті імені О. Галкіна НАНУ, Електрон­ної фізики Ін­ституті НАНУ, Магнетизму Ін­ституті НАНУ, Металофізики Ін­ституті імені Г. Курдюмова НАНУ, Технічної теплофізики Ін­ституті НАНУ, Фізики ін­ституті НАНУ, Фізики конденсованих систем Ін­ституті НАНУ, Фізики напів­провід­ників Ін­ституті НАНУ, Ядерних досліджень Ін­ституті НАНУ. Вони стосуються про­блем теоретичної Ф., ядерної Ф., Ф. твердого тіла та конденсованого стану, Ф. низьких температур, фізичної оптики, Ф. поверх­ні, Ф. плазми, магнетизму, квантової електроніки, Ф. напів­провід­ників та радіофізики. Значний внесок у роз­виток Ф. зробили В. Ажажа, М. Азарєнков, В. Архаров, О. Ахієзер, В. Барʼяхтар, О. Бєляєв, М. Бондар, С. Брауде, М. Бродин, О. Бродський, Л. Булавін, Б. Вєркін, І. Вишневський, Д. Волков, О. Галкін, І. Гаркуша, Ю. Головач, І. Горбань, Б. Гриньов, В. Гриднєв, В. Гусинін, О. Ґольдман, О. Давидов, В. Данилов, В. Денисов, Є. Дибан, І. Дмитренко, А. Долінський, В. Єременко, А. Загородній, В. Зеленський, В. Іванов, О. Івасишин, А. Комар, Й. Косоногов, Г. Курдюмов, Б. Лазарев, В. Лашкарьов, Б. Лев, М. Лисиця, Л. Литвиненко, І. Ліфшиць, В. Локтєв, В. Манжелій, І. Мриглод, А. Наумовець, М. Находкін, І. Неклюдов, В. Немошкаленко, О. Німець, О. Парасюк, М. Пасічник, С. Пекар, С. Пелетминський, Д. Петрина, О. Петров, А. Прихотько, Василь та Сергій Свєчникови, В. Семиноженко, О. Ситенко, В. Слісенко, А. Слуцкін, Ю. Слюсаренко, А. Смирнов, О. Снітко, В. Сторіжко, В. Толубинський, В. Трефілов, О. Усиков, Я. Файнберг, М. Харченко, В. Шестопалов, А. Шпак, М. Шпак, О. Шпеник, В. Шульга, І. Юхновський, В. Яковенко, І. Янсон, Л. Яценко та ін.

Літ.: Левицький В. Фізика для висших кляс середнiх шкiл. Л., 1912; Ландау Л. Д., Румер Ю. Б. Что такое теория относительности. Москва, 1960; Дирак П. Эволюция физической картины мира // Над чем думают физики / Пер. с англ. Вып. 3. Москва, 1965; Гайда Р. П. Атомна фізика. Л., 1965; Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики / Пер. с англ. Москва, 1965; Планк М. Единство физической картины мира. Москва, 1966; Эйнштейн А. Со­брание на­учных трудов. Москва, 1967; Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике / Пер. с англ. Вып. 1—9. Москва, 1967—78; Ландсберг Г. С. Елементарний під­ручник фізики: В 3 т. К., 1968; Роджерс Э. Физика для любо­знательных / Пер. с англ. Москва, 1971; Берклеевский курс физики / Пер. с англ. Т. 1—6. Москва, 1971—74; Білий М. У. Атомна фізика. К., 1973; Хунд Ф. История квантовой теории / Пер. с нем. К., 1980; Гончаренко С. У. Фізика: Основні закони і формули. К., 1996; Физика твердого тела. Атомная и ядерная физика (практикум по физике): Учеб. пособ. Св., 1998; Загальні основи фізики: Навч. посіб. У 2 кн. К., 1998; Венгер Е. Ф., Гончаренко А. В., Дмитрук М. Л. Оптика малых частиц и дис­персных сред. К., 1999; Юхновський І. Р. Основи квантової механіки. К., 2002; Воловик П. М. Фізика для університетів. К., 2005; Находкiн М. Г., Шека Д. I. Фiзичнi основи мiкро- та нано­електронiки. К., 2005; Король А. М., Андріяшик М. В. Фізика. К., 2006; Таньшина А. В. Засновники харківських шкіл у фізиці. К., 2006; Пінкевич І. П., Сугаков В. Й. Теорія твердого тіла. К., 2006; Кучерук І. М., Горбачук І. Т., Луцик П. П. Загальний курс фізики. К., 2006; Білий М. У., Охрименко Б. А. Атомна фізика. К., 2009; Погосов В. В., Корніч Г. В., Васютін Є. В. та ін. Основи нанофізики і нанотехнологій. З., 2008; Курс загальної фізики: Під­руч.: У 6 т. О., 2011—12; Афанасьєв В. Д. Роз­сія­н­ня релятивістських електронів ядрами. Х., 2011; Давидов О. С. Квантова механіка. Л., 2012; Азарєнков М. О. та ін. Наноматеріали і нанотехнології. Х., 2014; Чалий О. В. та ін. Медична та біо­логічна фізика. В., 2017.

О. І. Ахієзер

Завантажити статтю