Антычная фізіка

Адна з галоўных асаблівасцей чалавека — здольнасць (у пэўнай меры) прадказваць будучыя падзеі. Для гэтага чалавек будуе мысленныя мадэлі рэальных з’яў (тэорыі); у выпадку дрэннай прадказвальнай сілы мадэль удакладняецца або замяняецца на новую. Калі стварыць практычна карысную мадэль з’явы прыроды не ўдавалася, яе замянялі рэлігійныя міфы («маланка ёсць гнеў багоў»).

Сродкаў для праверкі тэорый і высвятлення пытання, якая з іх справядлівая, у старажытнасці было вельмі мала, нават калі гаворка ішла аб зямных штодзённых з’явах. Спачатку адзінаю фізічнаю велічынёй, якую ўмелі тады досыць дакладна вымяраць, была даўжыня^[2]; пазней да яе дадаўся вугал. Эталонам часу служылі суткі, якія ў Старажытным Егіпце дзялілі не на 24 гадзіны, а на 12 дзённых і 12 начных, так што былі дзве розныя гадзіны, і ў розныя сезоны працягласць гадзіны была рознай^[3]. Але нават калі ўстанавілі звыклыя нам адзінкі часу, з-за адсутнасці дакладных гадзіннікаў большасць фізічных эксперыментаў было проста немагчыма правесці. Таму натуральна, што замест навуковых школ узнікалі паўрэлігійныя вучэнні.

У людскіх уяўленнях панавала геацэнтрычная сістэма свету, хоць піфагарэйцы развівалі і пірацэнтрычную, у якой зоркі, Сонца, Месяц і шэсць планет абарачаюцца вакол Цэнтральнага Агню. Каб разам атрымаўся свяшчэнны лік нябесных сфер (дзесяць), шостай планетай абвясцілі Процізямлю. Зрэшты, асобныя піфагарэйцы (Арыстарх Самоскі і іншыя) стварылі геліяцэнтрычную сістэму. У піфагарэйцаў узнікла ўпершыню і паняцце эфіру як ўсеагульнага запаўняльніка пустаты^[4].

Першую фармулёўку закону захавання матэрыі прапанаваў Эмпедокл ў V стагоддзі да н. э.^[5]:

Нішто не можа ўзнікнуць з нічога, і ніяк не можа тое, што ёсць, знішчыцца. Эмпедокл

Пазней аналагічны тэзіс выказвалі Дэмакрыт, Арыстоцель і іншыя.

Сам тэрмін «Фізіка» узнік як назва аднаго з твораў Арыстоцеля. Прадметам гэтай навукі, на думку аўтара, было высвятленне прычын з’яў:

Раз навуковыя веды ўзнікаюць пры ўсіх даследаваннях, якія распаўсюджваюцца на пачаткі, прычыны або элементы шляхам іх пазнання (бо мы тады́ ўпэўнены ў пазнанні ўсякай рэчы, калі даведваемся яе першыя прычыны, першыя пачаткі і раскладаем яе надалей да элементаў), то ясна, што і ў навуцы аб прыродзе трэба вызначыць перш за ўсё тое, што адносіцца да пачаткаў.

Такі падыход доўга (фактычна да Ньютана) аддаваў прыярытэт метафізічным фантазіям перад вопытным даследаваннем. У прыватнасці, Арыстоцель і яго паслядоўнікі сцвярджалі, што рух цела падтрымліваецца прыкладзенай да яго сілай, і пры яе адсутнасці цела спыніцца (па Ньютану, цела захоўвае сваю скорасць, а дзеючая сіла змяняе яе значэнне і/або кірунак).

Некаторыя антычныя школы прапанавалі вучэнне пра атамы як першааснову матэрыі. Эпікур нават лічыў, што свабода волі чалавека выклікана тым, што рух атамаў схільны да выпадковых зрушэнняў.

Акрамя матэматыкі, эліны паспяхова развівалі оптыку. У Герона Александрыйскага сустракаецца першы варыяцыйны прынцып «найменшага часу» для адлюстравання святла. Тым не менш у оптыцы старажытных былі і грубыя памылкі. Напрыклад, вугал праламлення лічыўся прапарцыянальным вуглу падзення (гэтую памылку падзяляў нават Кеплер). Гіпотэзы аб прыродзе святла і колернасці былі шматлікія і даволі недарэчныя.

Індыйскі ўклад

Па ўяўленнях індусаў свет быў пабудаваны з пяці асноўных элементаў: зямлі, агню, паветра, вады і эфіру/прасторы. Пазней, з VII ст. да н.э., яны сфармулявалі тэорыю атама, пачынаючы з Kanada і Pakudha Katyayana. Прыхільнікі тэорыі лічылі, што атам складаецца з элементаў, да 9 элементаў у кожным атаме, кожны элемент мае да 24 уласцівасцей.

Індыйска-арабскія лічбы сталі яшчэ адным найважнейшым укладам індусаў у навуку. Сучасная пазіцыйная сістэма злічэння (інда-арабская сістэма лічбаў) і нуль была спачатку развіта ў Індыі, разам з трыганаметрычнымі функцыямі сінуса і косінуса. Гэтыя матэматычныя дасягненні, разам з індыйскімі дасягненнямі ў фізіцы, былі пераняты Арабскім Халіфатам, пасля чаго пачалі распаўсюджвацца па Еўропе і іншых частках свету.

Кітайскі ўклад

Кітаец Мо Чынг ў III стагоддзі да н. э. стаў аўтарам ранняй версіі закона руху Ньютана.

«Спыненне руху адбываецца з-за процідзейнай сілы … Калі не будзе ніякай процістаячай сілы …, то рух ніколі не скончыцца. Гэта справядліва настолькі ж, як і тое, што бык не конь.»

Сярэдневяковая Еўропа

XIII стагоддзе: вынайдзены акуляры, правільна растлумачана з’ява вясёлкі, засвоены компас.

XVI стагоддзе: Мікалай Капернік прапанаваў геліяцэнтрычную сістэму свету.

Сімон Стэвін ў кнігах «Дзесятая» (1585), «Пачаткі статыкі» і іншых ўвёў ва ўжытак дзесятковыя дробы, сфармуляваў (незалежна ад Галілея) закон ціску на нахільную плоскасць, правіла паралелаграма сіл, прасунуў гідрастатыку і навігацыю. Цікава, што формулу раўнавагі на нахільнай плоскасці ён вывеў з немагчымасці вечнага руху (якую лічыў аксіёмай).

У Натуральнай і маральнай Гісторыі Індый (1590) Хасэ дэ Акоста ўпершыню з’явілася тэорыя аб чатырох лініях без магнітнага схілення (ён апісаў выкарыстанне компаса, вугал адхілення, адрозненні паміж магнітным і Паўночным полюсам; хоць адхіленні былі вядомыя яшчэ ў 15 стагоддзі, ён апісаў ваганне адхіленняў ад аднаго пункта да іншага; ён знайшоў месцы з нулявым адхіленнем: напрыклад, на Азорскіх астравах). Пасля адкрыцця Ньютанам адліваў і прыліваў, Акоста патлумачыў іх прыроду, перыядычнасць і ўзаемасувязь з фазамі Месяца.

У 1608 годзе ў Галандыі была вынайдзена глядзельная труба. Галілеа Галілей, удасканаліўшы яе, будуе першы тэлескоп і праводзіць даследаванне нябесных аб’ектаў. Адкрывае чатыры спадарожнікі Юпітэра, фазы Венеры, зоркі ў складзе Млечнага шляху і многае іншае. Рашуча падтрымлівае тэорыю Каперніка (але гэтак жа рашуча не прымае тэорыю Кеплера аб руху планет па эліпсах). Фармулюе асновы тэарэтычнай механікі — прынцып адноснасці, закон інерцыі, квадратычны закон падзення, нават прынцып магчымых перамяшчэнняў, вынаходзіць тэрмометр (без шкалы).

Іаган Кеплер ў 1609 годзе выдаў кнігу «Новая астраномія» з двума законамі руху планет; трэці закон ён сфармуляваў у больш позняй кнізе «Сусветная гармонія» (1619). Разам з тым ён фармулюе (больш выразна, чым Галілей) закон інерцыі: усякае цела, на якое не дзейнічаюць іншыя целы, знаходзіцца ў спакоі або прамалінейна рухаецца. Менш ясна фармулюецца закон ўсеагульнага прыцягнення: сіла, якая дзейнічае на планеты, зыходзіць ад Сонца і меншае па меры адалення ад яго, тое ж справядліва для ўсіх іншых нябесных цел. Крыніцай гэтай сілы, на яго думку, з’яўляецца магнетызм ў спалучэнні з кручэннем Сонца і планет вакол сваёй восі. Кеплер таксама значна прасунуў оптыку, у тым ліку фізіялагічную (высвятліў ролю крышталіка, правільна апісаў прычыны блізарукасці і дальназоркасці), істотна дапрацаваў тэорыю лінз.

XVII стагоддзе. Метафізіка Дэкарта і механіка Ньютана.

У другой палове XVII стагоддзя цікавасць да навукі ў асноўных краінах Еўропы рэзка ўзрастае. Узнікаюць першыя Акадэміі навук і першыя навуковыя часопісы.

1600: першае эксперыментальнае даследаванне электрычных і магнітных з’яў праводзіць лекар англійскай каралевы Уільям Гільберт. Ён выказаў гіпотэзу, што Зямля з’яўляецца магнітам. Іменна ён прапанаваў сам тэрмін «электрычнасць».

Рэнэ Дэкарт

1637: Рэнэ Дэкарт выдаў «Разважанне аб метадзе» з дадаткамі «Геаметрыя», «Дыёптрыка», «Метэоры». Лічыў прастору матэрыяльнай, а прычынай руху — віхры матэрыі, якія ўзнікаюць, каб запоўніць пустату (якую лічыў немагчымай і таму не прызнаваў атамаў), ці ад кручэння цел. У «Дыёптрыцы» Дэкарт упершыню даў правільны закон праламлення святла. Стварае аналітычную геаметрыю і ўводзіць амаль сучасную матэматычную сімволіку.

У 1644 годзе выйшла кніга Дэкарта «Пачаткі філасофіі». У ёй гаворыцца, што змяненне стану матэрыі магчыма толькі пры ўздзеянні на яе іншае матэрыі. Гэта адразу выключае магчымасць дальнадзеяння без яснага матэрыяльнага пасярэдніка. Прыводзіцца закон інерцыі. Другі закон ўзаемадзеяння — закон захавання колькасці руху — таксама прыводзіцца, аднак абясцэньваецца тым, што дакладнае вызначэнне колькасці руху ў Дэкарта адсутнічае.

Дэкарт ўжо бачыў, што рух планеты — гэта паскораны рух. Услед за Кеплерам Дэкарт лічыў: планеты паводзяць сябе так, як быццам існуе прыцягненне Сонца. Для таго каб растлумачыць прыцягненне, ён сканструяваў механізм Сусвету, у яком усе целы прыводзяцца ў рух штуршкамі ўсюдыіснай, але нябачнай, «тонкай матэрыі». Пазбаўленыя магчымасці рухацца прамалінейна, празрыстыя патокі гэтага асяроддзя ўтварылі ў прасторы сістэмы вялікіх і малых віхраў. Віхры, падхопліваючы больш буйныя, бачныя часціцы звычайнага рэчыва, утвараюць кругаварот нябесных цел. Яны круцяць іх і нясуць па арбітах. Унутры малога віхру знаходзіцца і Зямля. Кругавярчэнне імкнецца расцягнуць празрысты віхар вонкі. Пры гэтым часціцы віхру гоняць бачныя целы да Зямлі. Па Дэкарту, гэта і ёсць прыцягненне. Сістэма Дэкарта была першай спробай механічна апісаць паходжанне і рух планетнай сістэмы.

1647: Блез Паскаль выпрабоўвае першы барометр (вынайдзены Тарычэлі) і высвятляе, што ціск паветра падае з вышынёй. У канцы стагоддзя адкрыты закон Бойля-Марыёта.

Хрысціян Гюйгенс

1673: выходзіць кніга Хрысціяна Гюйгенса «Гадзіннік з маятнікам». З’яўленне дакладных гадзіннікаў нарэшце адкрывае шлях для вымярэння зменных велічынь. Гюйгенс прыводзіць (словамі) некалькі найважнейшых формул: для перыяду ваганняў маятніка і для цэнтраімклівага паскарэння.

Ісаак Ньютан

1687: «Матэматычныя пачаткі натуральнай філасофіі» Ньютана. Фізічныя канцэпцыі Ньютана рэзка супярэчылі дэкартаўскім. Ньютан верыў у атамы, лічыў дэдукцыю другасным метадам, якому павінны папярэднічаць эксперымент і канструяванне матэматычных мадэлей. Ньютан заклаў асновы механікі, оптыкі, тэорыі прыцягнення, нябеснай механікі, адкрыў і далёка прасунуў матэматычны аналіз. Але яго тэорыя прыцягнення, у якой прыцягненне існавала без матэрыяльнага носьбіта і без механічнага тлумачэння, доўгі час не прымалася навукоўцамі кантынентальнай Еўропы (у тым ліку Гюйгенсам, Эйлерам і інш.) Толькі ў другой палове XVIII стагоддзя, пасля работ Клеро па тэорыі руху Месяца і каметы Галея, крытыка сціхла.

XVIII стагоддзе. Механіка, цепларод, электрычнасць.

У XVIII стагоддзі паскоранымі тэмпамі развіваліся механіка, нябесная механіка, вучэнне аб цеплыні. Пачынаецца даследаванне электрычных і магнітных з’яў. Картэзіянства не пацвярджаецца вопытам і хутка губляе прыхільнікаў.

Стварэнне аналітычнай механікі (Эйлер, Лагранж) завяршыла ператварэнне тэарэтычнай механікі ў раздзел матэматычнага аналізу. Сцвярджаецца агульнае меркаванне, што ўсе фізічныя працэсы — праявы механічнага руху рэчыва. Яшчэ Гюйгенс рашуча выказваўся за неабходнасць такога ўяўлення аб прыродзе з’яў:

Сапраўдная філасофія павінна бачыць у з’явах механічных першапрычыну ўсіх з’яў; на маю думку, іншае ўяўленне і немагчыма, калі мы толькі не жадаем страціць надзею што-небудзь разумець у філасофіі («Трактат пра святло»).

Герман фон Гельмгольц

Нават у XIX стагоддзі ў першаснасці механікі не сумняваўся Гельмгольц:

Канчатковай мэтай усіх натуральных навук з’яўляецца пошук рухаў, якія ляжаць у аснове ўсіх змен, і прычын, якія спараджаюць гэтыя рухі, гэта значыць зліццё гэтых навук з механікай.

Уяўленне пра «тонкія матэрыі», якія пераносяць цяпло, электрычнасць і магнетызм, у XVIII стагоддзі захавалася і нават пашырылася. У існавання цеплароду, носьбіта цеплыні, верылі многія фізікі, пачынаючы з Галілея; аднак іншы лагер, у які ўваходзілі Дэкарт, Гук, Данііл Бернулі і Ламаносаў, прытрымліваўся малекулярна-кінетычнай гіпотэзы.

У пачатку стагоддзя немец Габрыэль Фарэнгейт вынайшаў сучасны тэрмометр на ртутнай або спіртавой аснове, і прапанаваў шкалу Фарэнгейта. Да канца стагоддзя з’явіліся і іншыя варыянты: Рэамюр (1730), Цэльсій (1742) і іншыя. З гэтага моманту адкрываецца магчымасць вымярэння колькасці цяпла ў вопытах.

1734: французскі вучоны Дзюфэ выявіў, што існуюць 2 віды электрычнасці: дадатнае і адмоўнае.

1745: быў вынайдзены лейдэнскі слоік. Франклін развівае гіпотэзу аб электрычнай прыродзе маланкі, вынаходзіць громаадвод. З’яўляюцца электрастатычная машына, электраметр Рыхмана.

1784: запатэнтавана паравая машына Уата. Пачатак шырокага распаўсюджвання паравых рухавікоў.

1780-я гады: адкрыты і абгрунтаваны дакладнымі вопытамі закон Кулона.

Хвалевая тэорыя святла

Праз сто гадоў пасля з’яўлення «Пачаткаў» аўтарытэт Ньютана дасягнуў найвышэйшага пункта. Яго крытыка хвалевай тэорыі святла была прызнана большасцю навукоўцаў не толькі ў Англіі, але і на кантыненце, хоць пераканаўчага тлумачэння з’яў дыфракцыі і інтэрферэнцыі так і не было дадзена. Часткова гэта тлумачылася тым, што поўная матэматычная тэорыя хвалевых ваганняў была створана толькі ў пачатку XIX стагоддзя (Фур’е).

Першы ўдар па карпускулярнай (эмісійнай) тэорыі святла нанёс Томас Юнг, лекар, спецыяліст па фізіялагічнай оптыцы. Адзначым, што ён таксама пабудаваў правільную тэорыю каляровага зроку і акамадацыі. У 1800 Юнг распрацаваў хвалевую тэорыю інтэрферэнцыі (і ўвёў сам гэты тэрмін) на аснове сфармуляванага ім прынцыпу суперпазіцыі хваль. Па выніках сваіх вопытаў ён даволі дакладна ацаніў даўжыню хвалі святла ў розных каляровых дыяпазонах. Юнг разглядаў святло як пругкія (падоўжныя) ваганні эфіру.

Хвалевая тэорыя Юнга была сустрэта варожа. Як раз у гэты час было глыбока вывучана з’ява двайнога праламлення прамянёў і палярызацыі святла (Брустар, Араго, Біё, Лаплас), успрынятае як вырашальны доказ на карысць эмісійнай тэорыі. Але тут у падтрымку хвалевай тэорыі (нічога не ведаючы пра Юнга) выступіў Агюстэн Жан Фрэнель, у той час дарожны інжынер-будаўнік. Шэрагам дасціпных вопытаў ён прадэманстраваў чыста хвалевыя эфекты, зусім невытлумачальныя з пазіцый карпускулярнай тэорыі, а яго мемуар, які змяшчае ўсебаковае даследаванне з хвалевых пазіцый і матэматычную мадэль ўсіх вядомых тады уласцівасцей святла (акрамя палярызацыі), перамог на конкурсе Парыжскай Акадэміі навук (1818).

Кур’ёзны выпадак апісвае Араго: на пасяджэнні камісіі акадэмікаў Пуасон выступіў супраць тэорыі Фрэнеля, бо з яе вынікала, што пры пэўных умовах у цэнтры цені ад непразрыстага участка мог з’явіцца ярка асветлены ўчастак. На наступным пасяджэнні Фрэнель прадэманстраваў членам камісіі гэты эфект.

З гэтых часоў формулы Фрэнеля для дыфракцыі, праламлення і інтэрферэнцыі ўвайшлі ва ўсе падручнікі фізікі.

Заставалася зразумець механізм палярызацыі. Яшчэ ў 1816 годзе Фрэнель абмяркоўваў магчымасць таго, што светлавыя ваганні эфіру не падоўжныя, а папярочныя. Гэта лёгка патлумачыла б з’яву палярызацыі. Юнг ў гэты час таксама прыйшоў да такой ідэі. Аднак папярочныя ваганні раней сустракаліся толькі ў несціскальных цвёрдых целах, тады як эфір лічылі блізкім па ўласцівасцях да газу або вадкасці. Незадоўга да цяжкай хваробы Фрэнель прадставіў мемуар з апісаннем новых вопытаў і поўную тэорыю палярызацыі, якая захоўвае значэнне і ў нашы дні.

Класічная хвалевая оптыка была завершана, паставіўшы ў той жа час найцяжэйшае пытанне: што ж такое эфір?

Наступныя амаль сто гадоў адметныя трыумфальнымі поспехамі хвалевай тэорыі ва ўсіх абласцях.

1832: Уільям Гамільтан адкрыў тонкі эфект (канічную рэфракцыю ў двухвосевых крышталях), які спачатку выявіўся пры аналізе матэматычнай мадэлі, а затым быў пацверджаны эксперыментальна.

1850: вопыт Фізо паказаў, што скорасць святла ў вадзе памяншаецца (у эмісійнай тэорыі яна павінна была павялічвацца).

Узнікненне электрадынамікі

К канцу XVIII стагоддзя ў актыве фізікі электрамагнітных з’яў былі ўжо тэорыя атмасфернай электрычнасці Франкліна і закон Кулона. Стараннямі Гауса і Грына электрастатыка была ў асноўным распрацавана. Для вопытаў выкарыстоўвалі электрызацыю трэннем, лейдэнскі слоік і электрастатычную машыну, вынайдзеную ў 1775 Алесандра Вольтам.

Новая магутная крыніца электрычнасці была выпадкова адкрыта ўрачом Луіджы Гальвані і апісана ім у трактаце, выдадзеным ў 1791 годзе; ён заўважыў, што пры кантакце лапкі жабы з двума разнароднымі металамі адбываюцца сутаргі цягліц. Гальвані даў гэтай з’яве памылковае тлумачэнне («жывая электрычнасць»). Правільнае тлумачэнне даў Вольта: пры кантакце некаторых разнародных металаў з электралітам ўзнікае электрарухаючая сіла.

У 1800 Вольта сабраў першы «вольтаў слуп», пры дапамозе якога даследаваў ток у замкнёных ланцугах. Апублікаванне ліста Вольты прэзідэнту Лонданскага Каралеўскага таварыства Бэнксу зрабіла сенсацыю; Напалеон запрасіў Вольту ў Парыж, асабіста прысутнічаў на дэманстрацыі вопыту, асыпаў ўзнагародамі і ўшанаваннямі.

Дзякуючы гэтым першым батарэям пастаяннага току былі зробленыя два выдатныя адкрыцці:

• электроліз: у тым жа 1800 годзе Нікальсан і Карлайл расклалі ваду на вадарод і кісларод, а Дэві ў 1807 годзе адкрыў металічны калій.
• электрычная дуга 1802: В. У. Пятроў і Дэві.

Лаплас

Але галоўныя сенсацыйныя падзеі пачаліся ў 1820 годзе, калі Эрстэд выявіў на вопыце дзеянне току на магнітную стрэлку. Першыя тэорыі, якія звязваюць электрычнасць і магнетызм, пабудавалі ў тым жа годзе Біё, Савар і пазней Лаплас (гл. Закон Біё — Савара — Лапласа).

Адразу ж рушыў услед новы каскад адкрыццяў:

• першы электрарухавік (1821, Фарадэй)
• тэрмаэлемент (1821, Зеебек)
• закон Ома (1827).

Ампер прапанаваў тэрмін «электрадынаміка» і ў 1826 годзе выдаў манаграфію «Тэорыя электрадынамічных з’яў, выведзеная выключна з вопыту». Ён адкрыў электрамагніт (саленоід), прадказаў электрычны тэлеграф (рэалізаваны Морзэ ў 1835 годзе). Формула Ампера для ўзаемадзеяння двух элементаў току ўвайшла ў падручнікі.

Майкл Фарадэй

Сілы, уведзеныя Амперам, як і ў Ньютана, лічыліся дальнадзеючымі. Гэтае палажэнне рашуча аспрэчыў Майкл Фарадэй, які ў 1831 годзе адкрыў электрамагнітную індукцыю. У выніку серыі вопытаў ён сфармуляваў (словамі) ўласцівасці электрамагнітнага поля, пазней матэматычна адлюстраваныя Максвелам: змяненне магнітнага патоку спараджае электрарухаючую сілу і віхравое электрычнае поле.

Фарадэй паказаў, што ўсе вядомыя тады віды электрычнасці тоесныя, адкрыў законы электролізу, увёў тэрміны: іон, катод, анод, электраліт, дыямагнетызм, парамагнетызм і іншыя. Фарадэй адстойваў фізічную рэальнасць сілавых ліній; аднак навукоўцы таго часу да блізкадзеяння ставіліся з недаверам.

У 1845 г. Фарадэй выявіў паварот плоскасці палярызацыі святла ў магнітным полі. Гэта азначала, што святло і электрамагнетызм цесна звязаныя.

Пазней Фарадэй даследаваў самаіндукцыю, адкрытую ў 1832 годзе амерыканскім навукоўцам Генры, ўласцівасці дыэлектрыкаў, разрады ў газах і іншае.

1866: запушчаны трансатлантычны электратэлеграф.

1870-я гады: вынайдзены тэлефон.

1880-я гады: лямпа напальвання.

Тэрмадынаміка, газы, малекулярная тэорыя

Поспехі хіміі і немагчымасць узаемаператварэння хімічных элементаў сталі важкім аргументам на карысць існавання малекул як дыскрэтных першасных носьбітаў хімічных уласцівасцей. Джон Дальтан яшчэ ў пачатку XIX стагоддзя патлумачыў з дапамогай малекулярнай тэорыі закон парцыяльных ціскаў і склаў першую табліцу атамных вагаў хімічных элементаў — як пазней высветлілася, памылковую, бо ён зыходзіў з формулы для вады HO замест H₂O, а некаторыя злучэнні палічыў элементамі.

1802: Гей-Люсак і Дальтан адкрываюць закон пашырэння газу пры награванні.

У 1808 годзе Гей-Люсак адкрыў парадокс: газы злучаліся заўсёды ў кратных аб’ёмных адносінах, напрыклад: C + O₂ (па адным аб’ёме) = CO₂ (два аб’ёмы). Для тлумачэння гэтай супярэчнасці з тэорыяй Дальтана Авагадра ў 1811 годзе прапанаваў размежаваць паняцце атама і малекулы. Ён таксама выказаў здагадку, што ў роўных аб’ёмах газаў змяшчаецца роўны лік малекул (а не атамаў, як лічыў Дальтан). Тым не менш пытанне аб існаванні атамаў было спрэчным яшчэ доўга.

1822: Фур’е публікуе «Аналітычную тэорыю цяпла», дзе з’яўляецца ўраўненне цеплаправоднасці.

Рудольф Клаўзіус

Работы па кінетыцы газаў пачалі Крёніг (1856) і Рудольф Клаўзіус. Апошні прапанаваў правільную мадэль ідэальнага газу і патлумачыў фазавыя пераходы.

Асновы тэрмадынамікі заклалі ў сярэдзіне XIX стагоддзя Уільям Томсан (лорд Кельвін) і Клаўзіус. Яны сфармулявалі два законы (пачаткі) тэрмадынамікі; зрэшты, першы закон ужо ведаў Герман Гельмгольц. Паняцце цеплароду было канчаткова пахавана. Рэнкін і Томсан ўвялі наўзамен агульнае паняцце энергіі (1852), ужо не толькі кінетычнай, адначасова Маер і Джоўль фармулююць ўсеагульны закон захавання энергіі.

Пасля 1862 Клаўзіус даследаваў незваротныя працэсы, якія не ўкладаюцца ў механічную мадэль, і прапанаваў паняцце энтрапіі. Пачынаецца абмеркаванне «цеплавой смерці Сусвету» (Томсан, пазней Клаўзіус), таму што прынцып ўзрастання энтрапіі несумяшчальны з вечнасцю Сусвету.

Надзвычай важнымі сталі працы Джэймса К. Максвела. У 1860 годзе ён вывеў статыстычны закон размеркавання скарасцей малекул газу, атрымаў формулы для ўнутранага трэння і дыфузіі, стварыў накід кінетычнай тэорыі цеплаправоднасці.

Людвіг Больцман

Далейшыя поспехі кінетычнай тэорыі газаў і тэрмадынамікі шмат у чым звязаныя з Людвігам Больцманам і Ван дэр Ваальсам. Акрамя іншага, яны спрабавалі вывесці тэрмадынаміку на аснове механікі, і няўдача гэтых спроб для незваротных працэсаў прымусіла Больцмана выказаць здагадку ў 1872 годзе, што другі пачатак мае не дакладны, а статыстычны характар. Больш за 20 гадоў гэтая здагадка не выклікала цікавасці сярод фізікаў, затым разгарнулася ажыўленая дыскусія. Прыкладна з 1900 г., пасля работ Планка, Гібса, Эрэнфеста і іншых, ідэі Больцмана атрымалі прызнанне.

З 1871 Больцман (і пазней Максвел) развіваюць статыстычную фізіку. Надзвычай плённай аказалася эргадычная гіпотэза (сярэднія па часе супадаюць з сярэднімі па ансамблю часціц).

Акрамя адкрыцця электрона (гл. ніжэй), рашучым аргументам на карысць атамістыкі стала тэорыя броўнаўскага руху (Эйнштэйн, 1905). Пасля работ Смалухоўскага і Перэна, якія пацвердзілі гэтую тэорыю, нават перакананыя пазітывісты ўжо не аспрэчвалі існаванне атамаў.

Адкрыццё электрона, радыеактыўнасць

Каб звязаць атамную гіпотэзу з электрычнымі з’явамі, Берцэліус і Фарадэй выказалі здагадку, што ёсць два тыпы атамаў, з дадатнымі і адмоўнымі зарадамі. З гэтага вынікала існаванне найменшага электрычнага зарада. Стоўні прапанаваў тэрмін «электрон» (1874) і даў нядрэнную ацэнку яго зарада. Былі і іншыя гіпотэзы, напрыклад, У. Праўт лічыў, што раз атамныя вагі элементаў кратныя атамнай вазе вадароду, то існуе адзін першасны атам — вадароду, а ўсе іншыя складаюцца са счэпленых першасных атамаў. Крукс выказаў здагадку, што існуе нулявы першаэлемент — праціл, які складае і вадарод, і іншыя элементы, а Уільям Томсан лічыў атам стабільнай віхрам у эфіры.

Яшчэ раней, у 1858 годзе, былі адкрыты катодныя прамяні. Пасля доўгіх дыскусій навукоўцы прыйшлі да высновы, што гэта і ёсць паток электронаў. У 1897 Дж. Дж. Томсан вымераў адносіну зарад/маса для катодных прамянёў і даказаў, што яна не залежыць ад матэрыялу катода і іншых умоў вопыту. Выказаўшы здагадку, што зарад электрона супадае з (ужо вядомым) зарадам іона вадароду, Томсан атрымаў ацэнку масы электрона. Да ўсеагульнага здзіўлення, яна аказалася ў шмат разоў меншаю за масу атама вадароду. Гіпотэзу Берцэліуса—Фарадэя прыйшлося адкінуць. Томсан паказаў таксама, што часціцы, якія выпраменьваюцца пры фотаэфекце, маюць такую ж адносіну зарад/маса і, відавочна, таксама ўяўляюць сабой электроны. Эксперыментальна вызначыць зарад і масу электрона ўдалося ў 1910 Роберту Мілікену падчас дасціпнага вопыту Мілікена.

У 1878 годзе Хендрык Лорэнц абагульніў тэорыю Максвела для рушачых асяроддзяў, у якіх утрымліваюцца іоны. Электронная тэорыя Лорэнца добра тлумачыла дыямагнетызм, працэсы ў электраліце, рух электронаў у метале, а таксама адкрыты ў 1896 эфект Зеемана — расшчапленне спектральных ліній у магнітным полі.

Вырашальныя адкрыцці былі здзейснены ў 1895-м (рэнтгенаўскія прамяні) і 1896-м гадах (радыеактыўнасць урану). Праўда, хвалевая прырода X-прамянёў была канчаткова даказана толькі ў 1925 (Лаўэ, дыфракцыя ў крышталях), але дапускалася многімі і раней. А вось радыеактыўнасць паставіла фізікаў у тупік і падвергнулася актыўнаму даследаванню.

Неўзабаве былі адкрыты радый, торый і інш. актыўныя элементы, а таксама неаднароднасць выпраменьвання (альфа- і бэта-прамяні адкрыў Рэзерфорд ў 1899-м, а гама-прамяні — Уілар ў 1900-м). Прырода бэта-прамянёў стала ясная адразу, калі Бекерэль вымераў іх адносіну зарад/маса — яна супала з адносінай для электрона. Прыроду альфа-часціц разгадаў Рэзерфорд толькі ў 1909 годзе.

1901: Вальтэр Каўфман выявіў (прадказанае Хэвісайдам і Дж. Дж. Томсанам) узрастанне масы электрона з ростам яго скорасці.

1902: Рэзерфорд і Содзі робяць вывад, што «радыеактыўнасць ёсць атамная з’ява, якая суправаджаецца хімічнымі зменамі». У 1903 годзе яны адкрылі экспаненцыйны закон распаду радыеактыўнага атама, ацанілі ўнутрыатамную энергію як непараўнальна большую за любую хімічную, і выказалі гіпотэзу, што іменна яна з’яўляецца крыніцай энергіі Сонца.

У гэтым жа годзе Уільям Рамзай і Содзі выявілі першыя трансмутацыі элементаў (радону ў гелій), а Дж. Дж. Томсан даў першае абгрунтаванне перыядычнай сістэмы элементаў з пазіцый электроннай тэорыі.

Тэорыя адноснасці

У 1728 годзе англійскі астраном Брэдлі адкрыў аберацыю святла: усе зоркі апісваюць на небасхіле малыя колы з перыядам ў адзін год. З пункту гледжання эфірнай тэорыі святла гэта азначала, што эфір нерухомы, і яго ўяўнае зрушэнне (пры руху Зямлі вакол Сонца) па прынцыпу суперпазіцыі адхіляе выявы зорак.

Фрэнель, аднак, дапускаў, што ўнутры рэчыва эфір часткова захопліваецца. Такі погляд, здавалася, знайшоў пацвярджэнне ў вопытах Фізо, якія выявілі, што скорасць святла ў вадзе меншая, чым у пустаце.

Максвел ў 1868 годзе прапанаваў схему вырашальнага вопыту, які пасля вынаходкі інтэрфераметрыі змог ажыццявіць ў 1881 годзе амерыканскі фізік Майкельсан. Пазней Майкельсан і Эдвард Морлі паўтарылі вопыт некалькі разоў з нарастаючай дакладнасцю, але вынік быў нязменна адмоўным — «эфірнага ветру» не існавала.

У 1892 Лорэнц і (незалежна ад яго) Джордж Фіцджэральд выказалі здагадку, што эфір нерухомы, а даўжыня любога цела скарачаецца ў кірунку яго руху. Адначасова вывучаўся пытанне, пры якіх пераўтварэннях каардынат ураўненні Максвела інварыянтныя. Правільныя формулы ўпершыню выпісалі Лармар (1900) і Пуанкарэ (1905), які даказаў іх групавыя ўласцівасці і прапанаваў назваць пераўтварэннямі Лорэнца.

У знакамітай працы «Пра дынаміку электрона» (1905) Пуанкарэ таксама даў абагульненую фармулёўку прынцыпу адноснасці, які ахоплівае і электрадынаміку. У гэтай працы ёсць нават 4-інтэрвал Мінкоўскага. Тым не менш Пуанкарэ працягваў верыць у рэальнасць эфіру, а распрацаванай ім матэматычнай мадэлі не надаваў аб’ектыўнага фізічнага зместу, разглядаючы яе, у адпаведнасці са сваёй філасофіяй, як пагадненне («канвенцыю»).

Фізічная, аб’ектыўная сутнасць мадэлі Пуанкарэ раскрылася пасля работ Эйнштэйна. У артыкуле (1905 года) Эйнштэйн разгледзеў два пастулаты: агульны прынцып адноснасці і пастаянства скорасці святла. З гэтых пастулатаў вынікалі лорэнцава скарачэнне, адноснасць адначасовасці і непатрэбнасць эфіру. Былі выведзены таксама формулы пераўтварэнняў Лорэнца, складання скарасцей, ўзрастання інерцыі са скорасцю і г. д. Пазней гэтая тэорыя атрымала назву спецыяльнай тэорыі адноснасці (СТА). У тым жа годзе з’явілася і формула E = mc² — інерцыя вызначаецца энергіяй.

У іншых працах гэтага перыяду Эйнштэйн даў квантавую тэорыю фотаэфекту і цеплаёмістасці, тэорыю броўнаўскага руху, эфекту Эйнштэйна — дэ Хааза (малекулярных токаў), статыстыку Бозэ — Эйнштэйна і інш. Далей ён засяродзіў свае намаганні на развіцці тэорыі адноснасці.

Частка навукоўцаў адразу прыняла СТА: Планк (1906) і сам Эйнштэйн (1907) пабудавалі рэлятывісцкую дынаміку і тэрмадынаміку, а Мінкоўскі ў 1907 годзе прадставіў матэматычную мадэль кінематыкі СТА ў выглядзе геаметрыі чатырохмернага неэўклідавага свету і распрацаваў тэорыю інварыянтаў гэтага свету. Сам Лорэнц прыняў СТА толькі к канцу жыцця.

З 1911 Эйнштэйн распрацоўваў агульную тэорыю адноснасці (АТА), якая ўключае гравітацыю, на аснове прынцыпу эквівалентнасці, якую скончыў у 1916 годзе. Праверка трох прадказаных Эйнштэйнам новых эфектаў паказала поўную згоду АТА з вопытам.

Спробы Эйнштэйна і іншых вучоных пашырыць АТА, аб’яднаць гравітацыю і электрамагнетызм поспехам не ўвянчаліся.

Першыя тэорыі будовы атама

Пасля адкрыцця электрона стала ясна, што атам мае складаную структуру, і паўстала пытанне, якое месца ў ёй займае электрон, і якія ёсць яшчэ субатамныя часціцы.

Яшчэ ў 1808 Джон Дальтан, каб растлумачыць закон кратных адносін, дапусціў, што існуюць атамы з рознымі масамі. Адпаведнасць розных ацэнак ліку Авагадра стала вырашальным довадам для атамістычнае тэорыі.

У 1904 годзе з’явілася першая мадэль атама, вядомая як мадэль «пудынгу з разыначкамі», дзе атам прадстаўляў сабой дадатна зараджанае цела, з раўнамерна перамешанымі ў ім электронамі. Рухаюцца яны там ці не — гэта пытанне было пакінута адкрытым. Адначасова японскі фізік Нагаока прапанаваў планетарную мадэль, але Він адразу паказаў, што кругавыя арбіты электронаў несумяшчальныя з класічнай электрадынамікай: пры ўсякім адхіленні ад прамой электрон павінен губляць энергію.

У 1909—1910 гадах эксперыменты Рэзерфорда і Гейгера па рассейванню альфа-часціц у тонкіх пласцінках выявілі, што ўнутры атама існуе невялікая кампактная структура — атамнае ядро. Ад «мадэлі пудынгу» прыйшлося адмовіцца. Рэзерфорд прапанаваў удакладненую планетарную мадэль: дадатнае ядро, зарад якога (у адзінках зарада электрона) адпавядае нумару элемента ў табліцы Мендзялеева.

Першым поспехам новай тэорыі было тлумачэнне існавання ізатопаў. Але былі і іншыя мадэлі. Дж. Дж. Томсан лічыў, што ўзаемадзеянне электронаў і ядра адрозніваецца ад кулонаўскага; рабіліся спробы прыцягнуць тэорыю адноснасці і нават нееўклідавы геаметрыі.

Першую паспяховую тэорыю, якая растлумачыла спектр атама вадароду, пабудаваў Нільс Бор ў 1913 годзе. Бор дапоўніў мадэль Рэзерфорда пастулатамі некласічнага характару:

• Існуюць арбіты, на якіх электрон будзе ўстойлівы (не будзе губляць энергію).
• Пры пераскоку з адной дазволенай арбіты на іншую электрон выпраменьвае або паглынае энергію, роўную розніцы энергій арбіт.

Спектр атама вадароду тэорыя Бора прадказвала дакладна, але для іншых элементаў згоды не было.

У 1915 тэорыя Бора была дапоўнена Зомерфельдам і Вільсанам; былі растлумачаны эфект Зеемана і тонкая структура спектра вадароду. Бор дадаў да сваіх пастулатаў прынцып адпаведнасці, які дазволіў вызначыць інтэнсіўнасць спектральных ліній.

У 1925 Паўлі выказаў гіпотэзу аб наяўнасці ў электрона спіна, а пазней — прынцып забароны, па якім ніякія два электрона не могуць мець аднолькавыя квантавыя лікі (з улікам спіна). Пасля гэтага стала нарэшце зразумела, як і чаму размяркоўваюцца электроны па слаях (арбітах) у атаме.

1932: Чэдвік адкрыў нейтрон, прадказаны Рэзерфордам яшчэ ў 1920-м. Структура ядра стала цяпер ясная. Пратон фактычна быў адкрыты ў 1919 годзе, калі Рэзэрфорд выявіў расшчапленне атама азоту пры абстрэле альфа-часціцамі; саму назву часціцы Рэзэрфорд прыдумаў пазней.

У тым жа 1932 годзе ў касмічных промнях быў адкрыты пазітрон.

Квантавая тэорыя

У 1880-я гады быў эксперыментальна атрыманы спектр выпраменьвання абсалютна чорнага цела; размеркаванне энергіі па частотах аказалася няўзгодненым з усімі наяўнымі на той момант тэорыямі, асабліва для доўгіх (інфрачырвоных) хваль.

Правільную формулу падабраў ў 1900 годзе Макс Планк. Некалькімі тыднямі пазней ён высвятліў, што гэту формулу можна строга даказаць, калі зрабіць дапушчэнне, што выпраменьванне і паглынанне энергіі адбываецца порцыямі, не меншымі за некаторы парог (квант), прапарцыянальны частаце хвалі. Сам Планк спачатку разглядаў такую ​​мадэль як чыста матэматычны трук; нават шмат пазней, у 1914 годзе, ён спрабаваў абвергнуць уласнае адкрыццё, але беспаспяхова.

Эйнштэйн адразу прыняў гіпотэзу квантаў святла, прычым лічыў, што квантаванне адносіцца не толькі да ўзаемадзеяння святла з рэчывам, але ўласціва і самому святлу. У 1905 годзе ён пабудаваў на гэтай аснове тэорыю фотаэфекту, у 1907 годзе — тэорыю цеплаёмістасці, якая да Эйнштэйна пры нізкіх тэмпературах разыходзілася з эксперыментам. У 1912 годзе Дэбай і Борн ўдакладнілі тэорыю цеплаёмістасці Эйнштэйна, і згода з вопытам была дасягнута.

Нарэшце, у 1920-х гадах было выяўлена адразу некалькі істотных квантавых з’яў, невытлумачальных з класічных пазіцый. У 1921 годзе хвалевыя ўласцівасці электронаў былі выяўлены ў эфекце Рамзаўэра, але ў той час яны не былі належным чынам растлумачаны. Найбольш паказальны быў эфект Комптана — другаснае выпраменьванне пры рассеянні рэнтгенаўскіх прамянёў у лёгкіх газах. У 1923 Комптан распрацаваў тэорыю гэтай з’явы (заснаваную на працы Эйнштэйна 1917 года) і прапанаваў тэрмін «фатон».

1923: Луі дэ Бройль выказаў здагадку, што карпускулярна-хвалевы дуалізм уласцівы не толькі святлу, але і рэчыву. Кожнай матэрыяльнай часціцы ён параўнаў хвалю пэўнай частаты. Гэта тлумачыць, чаму прынцып Ферма ў оптыцы падобны на прынцып Маперцюі, а таксама — чаму ўстойлівыя арбіты Бора іменна такія: толькі ў іх даўжыня хвалі дэ Бройля ўкладваецца на арбіце цэлую колькасць разоў.

1925: Вернер Гейзенберг прапанаваў выкарыстоўваць у тэорыі субатамных з’яў толькі назіраемыя велічыні, выключыўшы каардынаты, арбіты і пад. Для вызначэння назіраемых велічынь ён распрацаваў т. зв. «Матрычную механіку». Гейзенберг, Макс Борн і Ёрдан сфармулявалі правілы, па якіх класічным велічыням супастаўляліся эрмітавы матрыцы, так што кожнае дыферэнцыяльнае ўраўненне класічнай механікі пераходзіла ў квантавае.

Бюст Эрвіна Шродзінгера ў Венскім універсітэце

Сінтэз ідэй дэ Бройля і Гейзенберга ажыццявіў Эрвін Шродзінгер, які ў 1926 году стварыў «хвалевую механіку» на аснове выведзенага ім ураўнення Шродзінгера для новага аб’екта — хвалевай функцыі. Новая механіка, як паказаў сам Шродзінгер, эквівалентная матрычнай: элементы матрыцы Гейзенберга, з дакладнасцю да множніка — уласныя функцыі аператара Гамільтана (а ўласнымі значэннямі аказалася квантаваная энергія). У такім выглядзе хвалевая механіка была зручнейшаю за матрычную, і неўзабаве стала агульнапрызнанай.

Першапачаткова Шродзінгер лічыў, што амплітуда хвалевай функцыі апісвае шчыльнасць зарада, але гэты падыход быў скора адкінуты, і была прынята прапанова Борна (1926) тлумачыць яе як шчыльнасць імавернасці выяўлення часціцы («Капенгагенская інтэрпрэтацыя»).

1927: Дэвісан выявіў дыфракцыю электронаў, што было ўспрынята як пацвярджэнне імавернаснай канцэпцыі, а Гейзенберг сфармуляваў прынцып нявызначанасці. Бор абагульніў яго да «прынцыпу дадатковасці»: карпускулярнае і хвалевае апісанне з’яў дапаўняюць адно аднаго; калі нас цікавіць прычынная сувязь, зручна карпускулярнае апісанне, а калі прасторава-часавая карціна, то хвалевае. Фактычна ж мікрааб’ект не з’яўляецца ні часціцай, ні хваляй; гэтыя класічныя паняцце ўзнікаюць толькі таму, што нашы прыборы вымяраюць класічныя велічыні. Школа Бора наогул лічыла, што ўсе атрыбуты атама не існуюць аб’ектыўна, а з’яўляюцца толькі пры ўзаемадзеянні з назіральнікам. «Няма рэальнасці, не якая залежыць ад спосабу яе назірання» (Бор).

Многія фізікі (Эйнштэйн, Планк, дэ Бройль, Бом і інш) спрабавалі замяніць Капенгагенскую інтэрпрэтацыю іншай, але поспеху не дабіліся.

1928: Поль Дзірак даў рэлятывісцкі варыянт квантавай механікі (ураўненне Дзірака) і прадказаў існаванне пазітрона, даўшы пачатак квантавай электрадынаміцы.

1935: апублікаваны знакаміты парадокс Эйнштэйна — Падольскага — Розена.

Да другой палове XX стагоддзя ў ў фізіцы склалася ўяўленне, што ўсе ўзаемадзеяння фізічнай прыроды можна звесці да ўсяго толькі чатырох тыпах ўзаемадзеяння:

• гравітацыя
• электрамагнетызм
• моцнае ўзаемадзеянне
• слабае ўзаемадзеянне

У апошнюю дзесяцігоддзе XX стагоддзя назапасіліся астранамічныя дадзеныя, якія пацвярджаюць існаванне касмалагічнай пастаяннай, цёмнай матэрыі і цёмнай энергіі. Ідуць пошукі агульнай тэорыі поля — тэорыі ўсяго, якая апісала б усе фундаментальныя ўзаемадзеянні абагульненым фізіка-матэматычным чынам. Адным з сур’ёзных кандыдатаў на гэтую ролю з’яўляецца М-тэорыя — нядаўняе развіццё тэорыі суперструн.

Усё больш праблем звязана з эвалюцыяй Сусвету, з яго раннімі этапамі, з прыродай вакууму, і, нарэшце, з канчатковай прыродай уласцівасцей субатамных часціц. Частковыя тэорыі — гэта найлепшае, што можа прапанаваць фізіка ў цяперашні час.

На працягу ўсяго XX стагоддзя працягваліся спробы пабудаваць квантавую тэорыю гравітацыі; асноўныя з іх — гэта тэорыя суперструн і петлявая квантавая гравітацыя.