История физики

Первым успехом  новой теории было объяснение существования  изотопов. Но были и другие модели. Дж. Дж. Томсон полагал, что взаимодействие электронов и ядра отличается от кулоновского; делались попытки привлечь теорию относительности  и даже неевклидовы геометрии. 

Первую успешную теорию, объяснившую спектр атома водорода, построил Нильс Бор в 1913 году. Бор  дополнил модель Резерфорда постулатами  неклассического характера:

Существуют орбиты, на которых электрон будет стабилен (не будет терять энергию).

При перескоке с  одной дозволенной орбиты на другую электрон излучает или поглощает  энергию, соответствующую разнице  энергий орбит. 

Спектр атома водорода теория Бора предсказывала точно, но для других элементов согласия не было. 

В 1915 году теория Бора была дополнена Зоммерфельдом и Вильсоном; были объяснены эффект Зеемана и тонкая структура спектра водорода. Бор добавил к своим постулатам принцип соответствия, который позволил определить интенсивность спектральных линий. 

В 1925 году Паули высказал гипотезу о наличии у электрона спина, а позже — принцип запрета, по которому никакие два электрона не могут иметь одинаковые квантовые числа (с учётом спина). После этого стало наконец понятно, как и почему распределяются электроны по слоям (орбитам) в атоме. 

1932: Чадвик открыл  нейтрон, предсказанный Резерфордом  ещё в 1920-м. Структура ядра стала теперь ясна. Протон фактически был открыт в 1919 году, когда Резерфорд обнаружил расщепление атома азота при обстреле альфа-частицами; само название частицы Резерфорд придумал позднее. 

В том же 1932 году в  космических лучах был открыт позитрон. 
 

Квантовая теория 

В 1880-е годы был  экспериментально получен спектр излучения  абсолютно чёрного тела; распределение энергии по частотам оказалось несогласованным со всеми имевшимися теориями, особенно для длинных (инфракрасных) волн. 

Правильную формулу  подобрал в 1900 году Макс Планк. Несколькими  неделями позже он выяснил, что эта  формула может быть строго доказана, если сделать допущение, что излучение  и поглощение энергии происходит порциями не меньше некоторого порога (кванта), пропорционального частоте волны. Сам Планк вначале рассматривал такую модель как чисто математический трюк; даже много позже, в 1914 году, он пытался опровергнуть собственное открытие, но безуспешно. 

Эйнштейн сразу  принял гипотезу квантов света, причём считал, что квантование относится не только ко взаимодействию света с веществом, но является свойством самого света. В 1905 году он построил на этой основе теорию фотоэффекта, в 1907 году — теорию теплоёмкости, которая до Эйнштейна при низких температурах расходилась с экспериментом. В 1912 году Дебай и Борн уточнили теорию теплоёмкости Эйнштейна, и согласие с опытом было достигнуто. 

Наконец, в 1920-х годах  были обнаружены сразу несколько существенно квантовых явлений, необъяснимых с классических позиций. Наиболее показателен был эффект Комптона — вторичное излучение при рассеянии рентгеновских лучей в лёгких газах. В 1923 году Комптон разработал теорию этого явления (основанную на работе Эйнштейна 1917 года) и предложил термин «фотон». 

1923: Луи де Бройль  предположил, что корпускулярно-волновой  дуализм свойственен не только  свету, но и веществу. Каждой  материальной частице он сопоставил  волну определённой частоты. Это объясняет, почему принцип Ферма в оптике похож на принцип Мопертюи, а также — почему устойчивые орбиты Бора именно таковы: только у них длина волны де Бройля укладывается на орбите целое число раз. 

1925: Вернер Гейзенберг  предложил использовать в теории  субатомных явлений только наблюдаемые величины, исключив координаты, орбиты и т. п. Для определения наблюдаемых величин он разработал т. н. «матричную механику». Гейзенберг, Макс Борн и Йордан сформулировали правила, по которым классическим величинам сопоставлялись эрмитовы матрицы, так что каждое дифференциальное уравнение классической механики переходило в квантовое.

Бюст  Эрвина Шрёдингера в Венском университете 

Синтез идей де Бройля и Гейзенберга осуществил Эрвин  Шрёдингер, который в 1926 году создал «волновую механику» на базе выведенного им уравнения Шрёдингера для нового объекта — волновой функции. Новая механика, как показал сам Шрёдингер, эквивалентна матричной: элементы матрицы Гейзенберга, с точностью до множителя — собственные функции оператора Гамильтона (а собственными значениями оказалась квантованная энергия). В таком виде волновая механика была удобнее матричной, и вскоре стала общепризнанной. 

Первоначально Шрёдингер считал, что амплитуда волновой функции описывает плотность заряда, но этот подход был быстро отвергнут, и было принято предложение Борна (1926) истолковывать её как плотность вероятности обнаружения частицы («копенгагенская интерпретация»). 

1927: Дэвиссон обнаружил  дифракцию электронов, что было  воспринято как подтверждение  вероятностной концепции, а Гейзенберг сформулировал принцип неопределённости. Бор обобщил его до «принципа дополнительности»: корпускулярное и волновое описание явлений дополняют друг друга; если нас интересует причинная связь, удобно корпускулярное описание, а если пространственно-временная картина, то волновое. Фактически же микрообъект не является ни частицей, ни волной; эти классические понятие возникают только потому, что наши приборы измеряют классические величины. Школа Бора вообще считала, что все атрибуты атома не существуют объективно, а появляются только при взаимодействии с наблюдателем. «Нет реальности, не зависящей от способа её наблюдения» (Бор). 

Многие физики (Эйнштейн, Планк, де Бройль, Бом и др.) пытались заменить копенгагенскую интерпретацию  иной, но успеха не добились. 

1928: Поль Дирак дал  релятивистский вариант квантовой  механики (уравнение Дирака) и предсказал  существование позитрона, положив  начало квантовой электродинамике. 

1935: опубликован знаменитый  парадокс Эйнштейна — Подольского  — Розена. 

Ко второй половине XX века в в физике сложилось представление, что все взаимодействия физической природы можно свести к всего лишь четырём типам взаимодействия:

гравитация

электромагнетизм

сильное взаимодействие

слабое взаимодействие 

В последнюю декаду XX века накопились астрономические данные, подтверждающие существование космологической постоянной, тёмной материи и тёмной энергии. Идут поиски общей теории поля — теории всего, которая описала бы все фундаментальные взаимодействия обобщённым физико-математическим образом. Одним из серьёзных кандидатов на эту роль является М-теория, которая, в свою очередь, — недавнее развитие теории суперструн. 

Всё больше проблем связано с эволюцией Вселенной, с её ранними этапами, с природой вакуума, и, наконец, с окончательной природой свойств субатомных частиц. Частичные теории являются в настоящее время лучшим, что физика может предложить. 

В течение всего XX века продолжались попытки построить  квантовую теорию гравитации; основные из них — это теории суперструн и петлевая квантовая гравитация. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Начало XXI века 

Хотя в последние  тридцать лет в физике наблюдается  некоторое затишье, уже намечаются некоторые открытия. Так, например, проводятся попытки сравнить скорости распространения гравитационного  и электро-магнитного взаимодействия, которые, по предсказаниям теории относительности, совпадают. В ЦЕРНе построен и эксплуатируется Большой адронный коллайдер высоких энергий, который должен помочь проверить две фундаментальные теории: Суперсимметрия и бозон Хиггса. 

В январе 2003 года исследователь Университета штата Миссури Сергей Копейкин и астрофизик Эд Фомалонт (англ. Ed Fomalont) предоставили информацию о том, что им удалось измерить скорость распространения гравитации. Она оказалась 0.95 скорости света с погрешностью в 20 % в полном соответствии с теорией относительности Эйнштейна. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Литература

Спасский Б. И.. История  физики. — М., «Высшая школа», 1977.

Том 1, часть 1-я

Том 1, часть 2-я

Том 2, часть 1-я

Том 2, часть 2-я

Визгин В. П. Релятивистская теория тяготения (истоки и формирование, 1900—1915). — М.: Наука, 1981. 352 c.

Визгин В. П. Единые теории в 1-й трети ХХ в. М.: Наука, 1985. — 304c.

Кудрявцев, П. С. Курс истории физики. — 2-е изд., испр. и  доп. — М.: Просвещение, 1982. — 448 с.

Льоцци М. История  физики. — М.: Мир, 1970. 464 с.