Як працює фізика

Фізика – це наукове дослідження матерії та енергії та того, як вони взаємодіють один з одним. Ця енергія може мати форму руху, світла, електрики, випромінювання, гравітації — майже будь-чого, чесно кажучи. Фізика має справу з матерією в масштабах від субатомних частинок (тобто частинок, які складають атом, і частинок, які утворюють ці частинки) до зірок і навіть цілих галактик.

Як працює фізика

Як експериментальна наука фізика використовує науковий метод для формулювання та перевірки гіпотез , які базуються на спостереженнях за світом природи. Метою фізики є використання результатів цих експериментів для формулювання наукових законів , зазвичай виражених мовою математики, які потім можна використовувати для передбачення інших явищ.

Коли ви говорите про теоретичну фізику , ви маєте на увазі ту область фізики, яка зосереджена на розробці цих законів і їхньому використанні для екстраполяції в нові прогнози. Ці прогнози фізиків-теоретиків потім створюють нові запитання, які фізики-експериментатори потім розробляють експерименти для перевірки. Таким чином, теоретична та експериментальна складові фізики (і науки загалом) взаємодіють одна з одною та штовхають одна одну вперед для розвитку нових галузей знань.

Роль фізики в інших галузях науки

У більш широкому сенсі фізику можна розглядати як найбільш фундаментальну з природничих наук. Хімію, наприклад, можна розглядати як комплексне застосування фізики, оскільки вона зосереджена на взаємодії енергії та речовини в хімічних системах. Ми також знаємо, що біологія — це, за своєю суттю, застосування хімічних властивостей у живих істотах, а це означає, що вона також, зрештою, керується фізичними законами.

Звичайно, ми не думаємо про ці інші галузі як про частину фізики. Коли ми досліджуємо щось науково, ми шукаємо закономірності в найбільш прийнятному масштабі. Хоча кожна жива істота діє таким чином, що в основному керується частинками, з яких вона складається, спроба пояснити всю екосистему з точки зору поведінки фундаментальних частинок означала б занурюватися в некорисний рівень деталей. Навіть розглядаючи поведінку рідини, ми дивимось на властивості рідини в цілому через динаміку рідини , а не звертаємо особливу увагу на поведінку окремих частинок.

Основні поняття фізики

Оскільки фізика охоплює дуже багато областей, її поділяють на кілька конкретних галузей дослідження, таких як електроніка, квантова фізика , астрономія та біофізика .

Чому фізика (чи будь-яка інша наука) важлива?

Фізика включає вивчення астрономії, і багато в чому астрономія була першою організованою галуззю науки людства. Стародавні люди дивилися на зірки й розпізнавали в них закономірності, а потім почали використовувати математичну точність, щоб передбачати, що станеться на небі на основі цих закономірностей. Які б недоліки не були в цих конкретних передбаченнях, метод спроби зрозуміти невідоме був гідним.

Спроби зрозуміти невідоме все ще є центральною проблемою людського життя. Незважаючи на всі наші досягнення в науці та техніці, бути людиною означає, що ти здатний зрозуміти деякі речі, а також те, що ти не розумієш. Наука навчає вас методології наближення до невідомого та постановки питань, які проникають у суть невідомого та як зробити це відомим.

Фізика, зокрема, зосереджена на деяких найбільш фундаментальних питаннях про наш фізичний Всесвіт. Практично єдині більш фундаментальні запитання, які можна поставити, належать до філософської сфери «метафізики» (названої так, що вона буквально «поза фізикою»), але проблема полягає в тому, що ці питання настільки фундаментальні, що багато питань у метафізичній царині залишаються нерозв’язаними навіть після століть чи тисячоліть досліджень більшості найвидатніших умів історії.Фізика, з іншого боку, розв’язала багато фундаментальних проблем, хоча ці розв’язки, як правило, відкривають абсолютно нові типи питань.

Щоб дізнатися більше про цю тему, перегляньте ” Навіщо вивчати фізику?” (адаптовано, з дозволу, з книги Чому наука? Джеймса Трефіла ).

Чим займаються фізики теоретики

Освіта фізика-теоретика разом з досвідом наукової роботи досить універсальна для вибору майбутньої професії в першу чергу тим, що дозволяє виробити склад мислення, адаптований до пошуку нових ідей та нестандартного підходу до будь-яких задач, не обов’язково наукових. Випускники фізичного факультету і, зокрема кафедри теоретичної фізики успішно працюють у різноманітних галузях, вибір залежить від їх особистої мети.

Наукова діяльність та викладання: велика частина випускників продовжує навчання у аспірантурі у вітчизняних та закордонних наукових установа для отримання наукового ступеня доктора філософії (Ph.D.), після чого можна працювати на відповідній позиції, займаючись науковими дослідженнями, приєднуючись до наукових груп, або створюючи власні. Також поширеною є викладацька робота в університетах та коледжах, де наші випускники викладають предмети з фізики та математики.

Промисловість та технології: у багатьох промислових компаніях є потужні дослідницькі лабораторії, які займаються розвитком нових технологій, де також потрібні теоретичні дослідження та комп’ютерне моделювання.

IT-технології: робота у галузях розробки програмного забезпечення, які вимагають відповідної ерудиції у математичних методах. Зараз поширеними задачами, де можуть працювати фізики-теоретики є аналіз та аналітика складних даних, та розробка алгоритмів та моделей. Крім традиційних обчислень на стандартних комп’ютерах актуальними є також квантові обчислення, для роботи з квантовими алгоритмами потрібні знання з теоретичної фізики, зокрема з квантової оптики.

Фінансова аналітика та консалтинг: математична підготовка фізика-теоретика цілком дозволяє займатися фінансовим аналізом, працювати в інвестиційних та консалтингових компаніях, фондах та банках, скрізь, де використовуються математичні моделі та аналітика.

Державні установи та інше: це можуть бути державні фонди або організації, які фінансують наукові дослідження, де можна працювати консультантами або аналітиками. Напрямки діяльності залежать від особистих інтересів та навичок, дехто створює власний бізнес і успішно його розвиває.

Чим займаються фізики теоретики

Физики-теоретики отнюдь не всегда мыслят наглядными физическими образами, очень большое место в их работе занимает математический аппарат, который иной раз и самим физикам-то представляется чрезмерно абстрактным. И хотя В. Л. Гинзбург, судя по его научному творчеству, всегда отдает предпочтение физическому мышлению перед математическим аппаратом, он широко и непринужденно пользуется им. На рисунках 1 и 2 представлены некоторые работы академика-физика. Понять в них среднему читателю вряд ли чего удастся, но мы и не преследовали такой цели. Мы не ставили перед собой задачу объяснить или даже как-то прокомментировать все то, чем занимался и продолжает заниматься академик В. Л. Гинзбург. Наша цель намного скромнее: показать, как работает теоретик.

На заседании редколлегии журнала «Наука и жизнь». Слева направо: академик Н. И. Семенов, Г. Н. Остроумов, академик В. Л. Гиизбург, член-корреспондент АН СССР П. В. Симонов.

В 1934 году в Физическом институте АН СССР было открыто свечение электронов, движущихся быстрее скорости света в среде. Впоследствии его стали называть излучением Вавилова-Черенкова (см. «Наука и жизнь» № 7, 1986 г., стр. 102). Природу этого замечательного явления объяснили в 1937 году И. Е. Тамм и И. М. Франк. За открытие и объяснение эффекта Вавилова-Черенкова трем советским физикам — И. Е. Тамму, И. М. Франку и П. А. Черенкову была присуждена Нобелевская премия. Излучение Вавилова-Черенкова стало первым примером оптики сверхсветовых скоростей и казалось в то время экзотическим, удивительным феноменом, как бы обособленным от всех физических явлений. Поэтому неудивительно, что молодого исследователя, 23-летнего В. Л. Гинзбурга, полностью захватила эта задача. В 1940 году В. Л. Гинзбург разработал квантовую теорию эффекта Вавилова-Черенкова, а также классическую теорию этого явления в анизотропных средах, то есть таких, в которых не все направления равноправны. Уже после первых расчетов стало очевидно, что, помимо классического излучения Вавилова-Черенкова, генерируемого зарядом, который движется в веществе со скоростью, большей скорости света в данной среде, возможны и другие проявления оптики сверхсветовых скоростей. Однако наблюдение таких эффектов интуитивно представлялось крайне сложным. Необходимо было срочно разобраться в возможности экспериментального обнаружения излучений от сверхсветовых источников. Это становилось важным как с фундаментальных физических позиций, так и с прикладной точки зрения, связанной с ускоренным развитием ядерной физики.

Оказалось, что теория излучения заряда при сверхсветовой скорости весьма непроста. В 1947 году появилась статья В. Л. Гинзбурга и И. М. Франка, в которой рассматривалось излучение частицы, движущейся в пустоте по оси узкого канала. Впервые на возможность такого излучения указал выдающийся советский физик, академик Л. И. Мандельштам. Вот как он рассуждал.

Для излучения заряда при сверхсветовой скорости нет необходимости, чтобы частица двигалась в сплошной среде. Достаточно, чтобы она перемещалась по оси пустого цилиндрического канала внутри этой среды, излучение от этого не изменится. Необходимо только, чтобы диаметр канала был мал по сравнению с длиной волны излучаемого света. Действительно, собственное поле частицы, ее электромагнитные «одежды» имеют размер, не меньший, чем длина волны. Поэтому, если диаметр канала намного меньше этого размера, то электромагнитный шлейф движущегося в канале заряда «цепляется» за стенки и рассеивается на атомах среды. Сама же «голая» частица при этом не испытывает соударений. Другими словами, при движении частицы в узком канале она находится как бы в вакууме, тогда как сопровождающее ее электромагнитное поле просачивается сквозь стенки канала и распространяется в веществе. Это «собственное» поле хотя и принадлежит частице, но фактически управляется электромагнитными характеристиками вещества (его поляризуемостью, диэлектрической и магнитной проницаемостями). С точки зрения практических приложений такая физическая ситуация чрезвычайно важна, поскольку, используя движение частицы по оси канала, можно построить излучатель, который не портится из-за непосредственных соударений с атомами среды. По существу, разные варианты этой ситуации сегодня используются в релятивистской СВЧ-электронике и для генерации когерентного излучения с помощью пучков заряженных частиц.

Начиная с 1947 года В. Л. Гинзбург неоднократно возвращался к излучению частицы, движущейся в канале. Эта задача породила несколько замысловатых парадоксов и имеет, помимо практического, большое методическое значение. Именно ей посвящены научные статьи академика В. Л. Гинзбурга, написанные в самое последнее время.

Стенки канала, вдоль которого движется частица, по существу, представляют собой границу раздела двух сред. Если радиус канала сделать очень большим, в пределе — бесконечным, то частица не будет чувствовать кривизны стенок («чувствительность» частицы ограничивается размерами ее электромагнитного шлейфа, то есть масштабом порядка длины излучаемой волны). Другими словами, заряд полетит вдоль плоской границы раздела. А что будет, если он вдруг вильнет и пересечет эту границу или по крайней мере уткнется в вещество? Оказывается, при этом возникнет новое и весьма своеобразное излучение, которое называется переходным Переходное излучение было открыто В. Л. Гинзбургом вместе с И. М. Франком «на бумаге» в 1945 году, за 13 лет до появления первого экспериментального исследования этого эффекта. Тот факт, что от предсказания интересного, универсального и полезного явления до попыток его обнаружить прошло столько лет, еще долго будет изумлять историков науки. Сам В. Л. Гинзбург склонен объяснять эту задержку «капризами моды», которые, к сожалению, нередко встречаются даже в физике.

Так же, как излучение Вавилова-Черенкова, переходное излучение не связано с ускорением частицы. Это обстоятельство довольно долго смущало многих физиков, привыкших к мысли, что электромагнитное излучение всегда появляется в результате ускорения или торможения заряда. Однако в 1937 году И. Е. Тамм вместе с И. М. Франком, доказав нетормозной характер излучения Вавилова-Черенкова, разоблачили этот предрассудок, а в 1945 году В. Л. Гинзбург и И. М. Франк окончательно его «добили» предсказанием и расчетом переходного излучения. Оказалось, что, когда частица, двигаясь равномерно и прямолинейно, переходит из одной среды в другую, ее поле вынуждено срочно измениться. Такая перестройка поля и сопровождается излучением электромагнитных волн.

Сегодня переходное излучение широко используется в ядерной физике, а также при исследовании космических лучей. Детекторы, работающие на переходном излучении, позволяют определить характеристики заряженных частиц с такими большими энергиями, при которых все другие методы регистрации теряют свою эффективность. Умозрительно предсказанный В. Л. Гинзбургом вместе с И. М. Франком эффект привел к появлению реально работающих «железок» — физических приборов нового типа.

Интерес к излучению электромагнитных волн релятивистскими заряженными частицами необычайно вырос в самое последнее время. А дело тут в том, что совсем недавно появился экзотический источник мощного направленного — когерентного излучения, который назвали «лазером на свободных электронах» (ЛСЭ или FEL — по начальным буквам английского словосочетания «free electron laser»). На самом деле это никакой не лазер. В новом источнике излучения нет практически ничего от квантовых генераторов, которые в начале 60-х годов были обозначены знаменитой аббревиатурой «лазер», ставшей одним из технологических символов нашей цивилизации. ЛСЭ — источник классического «неквантового» электромагнитного излучения, и первую модель такого источника предложил в 1947 году В. Л. Гинзбург. Предложенное им устройство получило название «ондулятор» (от французского слова l’onde — волна). Обычно ондулятор — это просто периодический набор магнитов, между полюсами которых летит частица.

Вот она пролетает над «северным» полюсом магнита, потом над «южным», снова над «северным», над «южным» и так, пока не вылетит из ондулятора. И каждый раз при подлете к очередному магниту его поле толкает частицу, заставляя заряд довольно круто изменять направление своего движения. В результате таких повторяющихся пируэтов заряженная частица излучает электромагнитные волны. Интенсивность спонтанного электромагнитного излучения частиц в ондуляторе весьма велика — даже выше, чем у бывшего «рекордсмена» среди всех видов излучения — синхротронного (см. «Наука и жизнь» № 8, 1983).

Кроме того, лазер на свободных электронах, построенный на основе ондулятора, имеет очень важное преимущество перед другими излучателями: длину волны (или частоту) излучения в таком лазере можно плавно перестраивать, подобно тому как перестраивается частота передаваемых сигналов в радиопередатчике. Интерес исследователей к ондулятору с течением времени только возрастает, и это один из многих примеров того, как идеи В. Л. Гинзбурга порождают новые направления в физике.

В 1950 году в ведущем советском физическом издании — «Журнале экспериментальной и теоретической физики» (ЖЭТФ) появилась совместная статья В. Л. Гинзбурга и Л. Д. Ландау. Она многие годы занимала одно из первых мест по цитируемости — количеству ссылок на эту работу. К сожалению, мировое признание этой работы запоздало лет на семь-восемь. Ведь в 1950 году «холодная война» была в самом разгаре, и научные контакты между советскими и западными учеными практически отсутствовали. Лишь очень немногие физики на Западе читали «ЖЭТФ», а совместные семинары, конференции, стажировки, обмен специалистами и даже взаимная переписка, то есть все то, что традиционно составляло как бы ткань мировой науки и делало ее интернациональной, казалось почти немыслимой роскошью. Положение резко изменилось в 1957-1958 годах, и немалую роль сыграл запуск в СССР первого искусственного спутника Земли. Западные физики с некоторым изумлением обнаружили, что теория сверхпроводимости Гинзбурга-Ландау, созданная за семь-восемь лет до знаменитого расчета, сделанного американскими теоретиками Бардисном, Купером и Шриффером, предвосхитила много важных элементов «теории БКШ» — так стали называть этот расчет, по начальным буквам фамилий его авторов. Теория Гинзбурга-Ландау, или, как ее вскоре стали называть «ψ-теория», оказалась универсальным инструментом физики конденсированных сред. С помощью метода Гинзбурга-Ландау сегодня описываются сверхпроводники, помещенные в сильное магнитное поле, сверхпроводящие сплавы, тонкие сверхпроводящие пленки и многое другое.

Что касается сверхпроводящих пленок, то интерес к ним появился после нескольких замечаний того же В. Л. Гинзбурга о двумерной сверхпроводимости, высказанных в конце 60-х годов. Одним словом, ψ-теория позволила объяснить и связать между собой огромное количество, казалось бы, разрозненных экспериментальных фактов. Да и у теоретиков метод Гинзбурга-Ландау вызвал прямо-таки вспышку активности. Сначала известный советский физик, ныне член-корреспондент АН СССР Л. П. Горьков вывел феноменологические уравнения Гинзбурга-Ландау из точной микроскопической теории. Одновременно другой советский физик, так же как и Л. П. Горьков воспитанник «школы Ландау», А. А. Абрикосов (теперь член-корреспондент АН СССР) использовал уравнние Гинзбурга-Ландау для изучения магнитных свойств сверхпроводников. Расширенная теория Гинзбурга-Ландау-Абрикосова-Горькова («теория ГЛАГ») используется сегодня в огромном числе работ советских и зарубежных авторов. Общепризнанно, что эта теория — один из самых весомых вкладов советской физики в мировую науку. Цикл работ В. Л. Гинзбурга, а также А. А. Абрикосова и Л. П. Горькова по теории сверхпроводников в 1966 году был удостоен Ленинской премии.

Начиная примерно с середины 70-х годов идеи, развившиеся при объяснении сверхпроводимости, вышли далеко за пределы физики конденсированных сред и привлекли внимание людей, задумывавшихся над самыми фундаментальными проблемами мироздания. Оказалось, что физический вакуум, в котором происходят все наблюдаемые нами явления, по существу представляет собой сверхпроводник. Именно эта идея фактически привела к объединению электромагнитного и слабого взаимодействий в одно — «электрослабое». Термин «лагранжиан типа Гинзбурга-Ландау» фигурирует уже в сотнях работ по теории поля и физике элементарных частиц. Представления о фазовых переходах, происходивших во Вселенной (см. статью A. Д. Линде «Раздувающаяся Вселенная», «Наука и жизнь» № 8, 1985), помогают понять ее «конструкцию», а ведь выяснение того, почему мир именно такой, какой он есть, всегда было величайшей мечтой многих крупных физиков, в частности Эйнштейна.

Сегодня теоретики, занимающиеся проблемой высокотемпературной сверхпроводимости (см. «Наука и жизнь» № 1, 1986), надеются даже на кое-какую отдачу от физики высоких энергий и элементарных частиц. Дело в том, что глубокая аналогия между полевыми теориями и физикой сверхпроводников может когда-нибудь подсказать пути радикального повышения критической температуры сверхпроводящего перехода. Проблему поиска высокотемпературных сверхпроводников сам B. Л. Гинзбург считает одной из важнейших научно-технических программ современности. Действительно, сверхпроводимость при обычных, комнатных температурах или хотя бы при температуре жидкого азота (-77К) произвела бы подлинную революцию в технике, а с ней и во всей человеческой цивилизации. По словам В. Л. Гинзбурга, проблема высокотемпературной сверхпроводимости интересует его больше всех других. Сейчас в ФИАНе под руководством академика Гинзбурга работает специальный коллектив, развернувший исследования по всем направлениям, которые сулят хотя бы малые шансы на повышение температуры перехода в сверхпроводящее состояние. К сожалению, успех этих работ невозможно гарантировать. Как выразился сам В. Л. Гинзбург, «вопрос открыт, и попытки ответить на него представляются исключительно увлекательными».

Последовательная теория фазовых переходов еще не построена, и ее создание остается центральной проблемой физики конденсированных сред. Изучение фазовых превращений привело физиков к представлению о кооперативных явлениях, то есть таких, в которых участвует сразу огромное число частиц, иной раз практически все атомы, составляющие исследуемый образец. Кооперативные эффекты проявляются в сообществе из индивидуальных атомов, причем «личностные» свойства этих индивидуумов, как выяснилось, имеют меньшее значение, чем их согласованное поведение в коллективе. Яркими примерами кооперативных явлений стали сверхпроводимость и сверхтекучесть.