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 отсчета) 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 всемирного тяготения Ньютона , который описывает фундаментальную силу гравитации закон . Оба закона хорошо согласовались с экспериментом. В « Начала» также 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 создал современную форму статистической механики .
Помимо классической механики и термодинамики, еще одной важной областью экспериментальных исследований в физике была природа электричества . Наблюдения таких ученых, как Бойль, Стивен Грей и Бенджамин Франклин, проведенные в 17 и 18 веках , 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 Христиан 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 19 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:
- Тестовые эксперименты Белла
- Кавендишский эксперимент
- Чикаго Пайл-1
- Нейтринный эксперимент Коуэна-Рейнса
- Эксперимент Дэвиссона – Роста
- Квантовый ластик с отложенным выбором
- Двухщелевой эксперимент
- Эксперимент Эддингтона
- Эксперимент Этвеша
- Эксперимент Физо
- Маятник Фуко
- Эксперимент Франка-Герца
- Эксперимент Гейгера-Марсдена
- Гравитационный зонд A и гравитационный зонд B
- Эксперимент Хафеле-Китинга
- Домашний эксперимент
- Кайт эксперимент
- Эксперимент с каплей масла
- Эксперимент Майкельсона-Морли
- Определение Ремером скорости света
- Эксперимент Штерна-Герлаха
- Эксперимент Торричелли
- Ву эксперимент
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.
- Хронология атомной и субатомной физики
- Хронология классической механики
- Хронология электромагнетизма и классической оптики
- Хронология гравитационной физики и теории относительности
- Хронология ядерного синтеза
- Хронология открытия частиц
- Хронология технологий физики элементарных частиц
- Хронология состояний вещества и фазовых переходов
- Хронология термодинамики
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?
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
