Экспериментальная физика

Экспериментальная физика — это категория дисциплин и субдисциплин в области физики, которые занимаются наблюдением физических явлений и экспериментами . Методы варьируются от дисциплины к дисциплине: от простых экспериментов и наблюдений, таких как эксперименты Галилея , до более сложных, таких как Большой адронный коллайдер .

Обзор [ править ]

Экспериментальная физика — это раздел физики, который занимается сбором данных, методами сбора данных, а также детальной концептуализацией (помимо простых мысленных экспериментов ) и реализацией лабораторных экспериментов. Ее часто противопоставляют теоретической физике , которая больше занимается предсказанием и объяснением физического поведения природы, чем получением эмпирических данных.

Хотя экспериментальная и теоретическая физика изучают разные аспекты природы, они обе преследуют одну и ту же цель — понять ее и находятся в симбиотических отношениях. Первый предоставляет данные о Вселенной, которые затем можно проанализировать, чтобы их понять, а второй дает объяснения данным и, таким образом, дает представление о том, как лучше получать данные и ставить эксперименты. Теоретическая физика также может дать представление о том, какие данные необходимы для лучшего понимания Вселенной и какие эксперименты следует разработать, чтобы их получить.

История [ править ]

Как отдельная область, экспериментальная физика была создана в Европе раннего Нового времени , во время так называемой научной революции , такими физиками, как Галилео Галилей , Христиан Гюйгенс , Иоганн Кеплер , Блез Паскаль и сэр Исаак Ньютон . В начале 17 века Галилей широко использовал эксперименты для проверки физических теорий, что является ключевой идеей современного научного метода. Галилей сформулировал и успешно проверил несколько результатов в динамике, в частности закон инерции , который впоследствии стал первым законом в законах движения Ньютона . Галилея В «Двух новых науках» диалог между персонажами Симпличио и Сальвиати обсуждает движение корабля (как движущейся системы координат) и то, как груз этого корабля безразличен к его движению. Гюйгенс использовал движение лодки по голландскому каналу, чтобы проиллюстрировать раннюю форму сохранения импульса .

Считается, что экспериментальная физика достигла своего апогея с публикацией в 1687 году «Philosophiae Naturalis Principia Mathematica» сэра Исаака Ньютона (1643–1727). В 1687 году Ньютон опубликовал « Начала» , подробно описывающие два всеобъемлющих и успешных физических закона: законы движения Ньютона , из которых возникла классическая механика ; и закон всемирного тяготения Ньютона который описывает фундаментальную силу гравитации . , Оба закона хорошо согласовались с экспериментом. также В «Начала» вошли несколько теорий гидродинамики .

С конца 17 века термодинамику разрабатывали физик и химик Роберт Бойль , Томас Янг и многие другие. В 1733 году Даниэль Бернулли использовал статистические аргументы с классической механикой для получения термодинамических результатов, положив начало развитию статистической механики . В 1798 году Бенджамин Томпсон (граф Рамфорд) продемонстрировал преобразование механической работы в тепло, а в 1847 году Джеймс Прескотт Джоуль сформулировал закон сохранения энергии как в форме тепла, так и в форме механической энергии. Людвиг Больцман в девятнадцатом веке ответственен за современную форму статистической механики .

Помимо классической механики и термодинамики, еще одной важной областью экспериментальных исследований в физике была природа электричества . проведенные в 17 и 18 веках, Наблюдения таких ученых, как Бойль, Стивен Грей и Бенджамин Франклин, создали основу для последующих работ. Эти наблюдения также установили наше базовое понимание электрического заряда и тока . К 1808 году Джон Дальтон обнаружил, что атомы разных элементов имеют разный вес, и предложил современную теорию атома .

Ганс Кристиан Эрстед первым предположил связь между электричеством и магнетизмом после наблюдения отклонения стрелки компаса под действием проходящего мимо электрического тока. К началу 1830-х годов Майкл Фарадей продемонстрировал, что магнитные поля и электричество могут генерировать друг друга. В 1864 году Джеймс Клерк Максвелл представил Королевскому обществу набор уравнений, описывающих взаимосвязь между электричеством и магнетизмом. Уравнения Максвелла также правильно предсказали, что свет представляет собой электромагнитную волну . Начиная с астрономии, принципы натуральной философии кристаллизовались в фундаментальные законы физики , которые были сформулированы и усовершенствованы в последующие столетия. К XIX веку наука разделилась на несколько областей со специализированными исследователями, и область физики, хотя и логически превосходящая, больше не могла претендовать на единоличное владение всей областью научных исследований.

Текущие эксперименты [ править ]

Некоторые примеры выдающихся проектов экспериментальной физики:

Релятивистский коллайдер тяжелых ионов , который сталкивает тяжелые ионы, такие как ионы золота (это первый коллайдер тяжелых ионов) и протоны , расположен в Брукхейвенской национальной лаборатории на Лонг-Айленде, США.
HERA , которая сталкивает электроны или позитроны и протоны, является частью DESY , расположенной в Гамбурге , Германия.
БАК , или Большой адронный коллайдер , строительство которого завершилось в 2008 году, но потерпело ряд неудач. БАК начал работу в 2008 году, но был остановлен на техническое обслуживание до лета 2009 года. По завершении строительства это самый энергичный коллайдер в мире, он расположен в ЦЕРНе , на французско-швейцарской границе недалеко от Женевы . Коллайдер вступил в полную эксплуатацию 29 марта 2010 года, на полтора года позже, чем первоначально планировалось. ^[1]
LIGO , Лазерно-Интерферометрическая Гравитационно-Волновая Обсерватория, представляет собой крупномасштабный физический эксперимент и обсерваторию для обнаружения космических гравитационных волн и развития наблюдений гравитационных волн в качестве астрономического инструмента. В настоящее время существуют две обсерватории LIGO: обсерватория LIGO Ливингстон в Ливингстоне, штат Луизиана , и обсерватория LIGO в Хэнфорде недалеко от Ричленда , штат Вашингтон .
JWST , или Космический телескоп Джеймса Уэбба , запущенный в 2021 году. Он станет преемником космического телескопа Хаббла . Он будет осуществлять съемку неба в инфракрасном диапазоне. Основными целями JWST будет понимание начальных стадий возникновения Вселенной, формирования галактик, а также формирования звезд и планет, а также происхождения жизни.
Аксионный поиск штата Миссисипи (завершение в 2016 г.), эксперимент «Свет, сияющий сквозь стену» (LSW); Источник ЭМ: излучатель непрерывного радиоволн мощностью 0,7 м, 50 Вт. ^[2]

Метод [ править ]

Экспериментальная физика использует два основных метода экспериментальных исследований: контролируемые эксперименты и натурные эксперименты . Контролируемые эксперименты часто используются в лабораториях , поскольку лаборатории могут предложить контролируемую среду. Натурные эксперименты используются, например, в астрофизике при наблюдении небесных объектов , где контроль действующих переменных невозможен.

Знаменитые эксперименты [ править ]

Известные эксперименты включают в себя:

Экспериментальные методы [ править ]

Некоторые известные экспериментальные методы включают в себя:

Выдающиеся физики-экспериментаторы [ править ]

Среди известных физиков-экспериментаторов:

Архимед (ок. 287 г. до н.э. – ок. 212 г. до н.э.)
Альхазен (965–1039)
Аль-Бируни (973–1043)
Аль-Хазини (эт. 1115–1130)
Галилео Галилей (1564–1642)
Евангелиста Торричелли (1608–1647)
Роберт Бойль (1627–1691)
Христиан Гюйгенс (1629–1695)
Роберт Гук (1635–1703)
Исаак Ньютон (1643–1727)
Оле Рёмер (1644–1710)
Стивен Грей (1666–1736)
Даниэль Бернулли (1700-1782)
Бенджамин Франклин (1706–1790)
Лаура Басси (1711–1778)
Генри Кавендиш (1731–1810)
Джозеф Пристли (1733–1804)
Уильям Гершель (1738–1822)
Алессандро Вольта (1745–1827)
Пьер-Симон Лаплас (1749–1827)
Бенджамин Томпсон (1753–1814)
Джон Далтон (1766–1844)
Томас Янг (1773–1829)
Карл Фридрих Гаусс (1777–1855)
Ганс Кристиан Эрстед (1777–1851)
Хамфри Дэви (1778–1829)
Огюстен-Жан Френель (1788–1827)
Майкл Фарадей (1791–1867)
Джеймс Прескотт Джоуль (1818–1889)
Уильям Томсон, лорд Кельвин (1824–1907)
Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879)
Эрнст Мах (1838–1916)
Джон Уильям Стратт (третий барон Рэлей) (1842–1919)
Вильгельм Рентген (1845–1923)
Карл Фердинанд Браун (1850–1918)
Анри Беккерель (1852–1908)
Альберт Абрахам Майкельсон (1852–1931)
Хайке Камерлинг-Оннес (1853–1926)
Джей Джей Томсон (1856–1940)
Генрих Герц (1857–1894)
Джагадиш Чандра Бос (1858–1937)
Пьер Кюри (1859–1906)
Уильям Генри Брэгг (1862–1942)
Мария Кюри (1867–1934)
Роберт Эндрюс Милликен (1868–1953)
Эрнест Резерфорд (1871–1937)
Лиза Мейтнер (1878–1968)
Макс фон Лауэ (1879–1960)
Клинтон Дэвиссон (1881–1958)
Ганс Гейгер (1882–1945)
C. V. Raman (1888–1970)
Уильям Лоуренс Брэгг (1890–1971)
Джеймс Чедвик (1891–1974)
Артур Комптон (1892–1962)
Pyotr Kapitsa (1894–1984)
Чарльз Драммонд Эллис (1895–1980)
Джон Кокрофт (1897–1967)
Патрик Блэкетт (барон Блэкетт) (1897–1974)
Укичиро Накая (1900–1962)
Энрико Ферми (1901–1954)
Эрнест Лоуренс (1901–1958)
Уолтер Хаузер Браттейн (1902–1987)
Pavel Cherenkov (1904–1990)
Карл Дэвид Андерсон (1905–1991)
Феликс Блох (1905–1983)
Эрнст Руска (1906–1988)
Джон Бардин (1908–1991)
Уильям Шокли (1910–1989)
Дороти Ходжкин (1910–1994)
Луис Вальтер Альварес (1911–1988)
Чиен-Шиунг Ву (1912–1997)
Уиллис Лэмб (1913–2008)
Чарльз Хард Таунс (1915–2015)
Розалинда Франклин (1920–1958)
Оуэн Чемберлен (1920–2006)
Николаас Блюмберген (1920–2017)
Вера Рубин (1928–2016)
Милдред Дрессельхаус (1930–2017)
Райнер Вайс (1932–)
Карло Руббиа (1934–)
Барри Бэриш (1936–)
Самар Мубаракманд (1942–)
Серж Гарош (1944–)
Антон Цайлингер (1945–)
Ален Аспект (1947–)
Герд Бинниг (1947–)
Стивен Чу (1948–)
Вольфганг Кеттерле (1957–)
Андре Гейм (1958–)
Лене Хау (1959–)

Сроки [ править ]

См. график ниже, где представлены списки физических экспериментов.

См. также [ править ]

Ссылки [ править ]

^ «Да, мы сделали это!» . ЦЕРН . 29 марта 2010 г. Проверено 16 апреля 2010 г.
^ Строительство Аксионного поиска штата Миссисипи

Дальнейшее чтение [ править ]

Тейлор, Джон Р. (1987). Введение в анализ ошибок (2-е изд.) . Университетские научные книги. ISBN 978-0-935702-75-0 .

Внешние ссылки [ править ]

СМИ, связанные с экспериментальной физикой, на Викискладе?

[1] «Да, мы сделали это!» . ЦЕРН . 29 марта 2010 г. Проверено 16 апреля 2010 г.

[2] Строительство Аксионного поиска штата Миссисипи

[1]

[2]

v т Это Основные разделы физики
Подразделения	Чистый Применяемый Инженерное дело
Подходы	Экспериментальный Теоретический вычислительный
Классический	Классическая механика Ньютоновский Аналитический Небесный Континуум Акустика Классический электромагнетизм Классическая оптика Рэй Волна Термодинамика Статистический Неравновесный
Современный	Релятивистская механика Особенный Общий Ядерная физика Квантовая механика Физика частиц Атомная, молекулярная и оптическая физика Атомный Молекулярный Современная оптика Физика конденсированного состояния
Междисциплинарный	Астрофизика Физика атмосферы Биофизика Химическая физика Геофизика Материаловедение Математическая физика Медицинская физика Физика океана Квантовая информатика
Связанный	История физики Нобелевская премия по физике Философия физики Физическое образование Хронология физических открытий