Главное

Экспериментальная физика - это раздел физики, который фокусируется на наблюдении и измерении физических явлений посредством экспериментов для проверки теорий и получения знаний о свойствах и поведении материи и энергии.
Физики-экспериментаторы разрабатывают и проводят эксперименты для сбора эмпирических данных о Вселенной в различных масштабах, от субатомных частиц до астрономических объектов. Они тесно сотрудничают с теоретиками в симбиотических отношениях, где экспериментаторы предоставляют данные для анализа и понимания, а теоретики предлагают объяснения и прогнозы для направления разработки новых экспериментов.
Примером экспериментальной физики в реальной жизни является Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРНе, где физики проводят эксперименты по изучению фундаментальных частиц и сил природы.

Термины

• Физика – естественная наука, изучающая материю, энергию и их взаимодействия. Пример: изучение движения объектов под действием сил.

• Теоретическая физика – раздел физики, который фокусируется на разработке математических моделей и теорий для объяснения и прогнозирования физических явлений. Пример: разработка теории относительности для описания гравитации и пространства-времени.

• Эмпирические данные – информация, полученная путем наблюдения, измерения и экспериментов. Пример: измерение скорости света.

• Физические явления – наблюдаемые события или явления в физическом мире. Пример: движение планет в Солнечной системе.

• Субатомные частицы – частицы меньше атома, такие как электроны, протоны и нейтроны. Пример: изучение поведения кварков в ускорителях частиц.

• Астрономические объекты – объекты во Вселенной, такие как звезды, планеты и галактики. Пример: наблюдение гравитационных волн от сталкивающихся черных дыр.

Аналогия

Экспериментальная физика похожа на работу судебного эксперта на месте преступления. Подобно тому, как судебный эксперт собирает улики и анализирует их, чтобы восстановить картину произошедшего, физик-экспериментатор разрабатывает эксперименты для сбора данных и анализирует результаты, чтобы понять лежащие в основе физические принципы. В этой аналогии теоретическая физика подобна детективу, который пытается объяснить преступление на основе улик, собранных судебным экспертом.
Примером этой аналогии в реальной жизни является открытие бозона Хиггса на БАК, где физики-экспериментаторы собрали данные и проанализировали их, чтобы найти доказательства существования частицы, в то время как теоретики использовали эти доказательства для подтверждения и уточнения своих теорий о фундаментальных силах природы.

Основное заблуждение

Многие люди считают, что экспериментальная физика - это просто проведение экспериментов в лаборатории.
Однако экспериментальная физика включает в себя широкий спектр деятельности, включая разработку экспериментов, создание новых инструментов и методов, анализ данных, сотрудничество с теоретиками и передачу результатов научному сообществу и общественности. Примером этого заблуждения является представление о том, что физики-экспериментаторы работают только с лабораторным оборудованием, тогда как в реальности они могут также работать с крупномасштабными установками, такими как ускорители частиц или телескопы.

История

1. Древние времена (до 1600 года): Ранние наблюдения природных явлений философами, такими как Аристотель и Архимед. Хотя это не было экспериментальной физикой в строгом смысле, эти наблюдения заложили основу для развития научного метода.

2. Научная революция (1600-1700-е годы): Развитие научного метода и ранние эксперименты Галилео Галилея и Исаака Ньютона.

3. Классическая физика (1700-1900-е годы): Эксперименты в механике, термодинамике и электромагнетизме, проведенные такими учеными, как Майкл Фарадей и Джеймс Клерк Максвелл.

4. Современная физика (1900-настоящее время): Эксперименты в области теории относительности, квантовой механики и физики частиц, проведенные такими физиками, как Эрнест Резерфорд, Мария Кюри и Ричард Фейнман.

"Эксперимент является единственным судьей научной 'истины'". - Ричард Фейнман, известный теоретик, прославившийся своими работами по квантовой электродинамике и физике частиц.

Три случая применения прямо сейчас

1. Старшеклассник, интересующийся физикой, может проводить простые эксперименты дома, например, измерять ускорение свободного падения с помощью маятника или исследовать свойства света с помощью лазерной указки и дифракционной решетки. Таким образом, он может получить практический опыт применения научного метода и углубить понимание физических концепций.

2. Медицинский исследователь может использовать методы экспериментальной физики для изучения свойств биологических материалов, таких как эластичность кожи или электропроводность нейронов. Применяя принципы физики к биологическим системам, он может разрабатывать новые диагностические инструменты и терапевтические подходы для различных заболеваний.

3. Инженер, работающий над возобновляемыми источниками энергии, может использовать экспериментальную физику для оптимизации конструкции солнечных батарей или ветряных турбин. Проводя эксперименты по измерению эффективности различных материалов и конфигураций, он может повысить производительность и экономическую эффективность этих технологий, способствуя переходу к более устойчивому будущему.

Интересные факты

• Эксперимент с двойной щелью, впервые проведенный Томасом Юнгом в 1801 году, продемонстрировал корпускулярно-волновой дуализм света и заложил основы квантовой механики.

• Эксперимент Майкельсона-Морли в 1887 году показал, что скорость света постоянна во всех инерциальных системах отсчета, проложив путь к специальной теории относительности Эйнштейна.

• Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРНе является крупнейшим и самым мощным ускорителем частиц в мире, с окружностью 27 километров (16,8 миль).

• Эксперимент LIGO (Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) впервые обнаружил гравитационные волны в 2015 году, подтвердив важное предсказание общей теории относительности Эйнштейна.

• Космический телескоп Хаббл, запущенный в 1990 году, совершил более 1,4 миллиона наблюдений и помог астрономам измерить возраст и расширение Вселенной.