Experimentální fyzika - Experimental physics

Experimentální fyzika je kategorie oborů a dílčích oborů z oblasti fyziky, které se zabývají pozorováním fyzikálních jevů a experimentů . Metody se liší od disciplíny k disciplíně, od jednoduchých experimentů a pozorování, jako je například Cavendishův experiment , až po složitější, například Large Hadron Collider .

Přehled

Laboratoř Sir Ernest Rutherfords, počátek 20. století. (9660575343)

Experimentální fyzika přeskupuje všechny fyzikální obory, které se zabývají získáváním dat, metodami získávání dat a podrobnou koncepcí (nad rámec jednoduchých myšlenkových experimentů ) a realizací laboratorních experimentů. Často je kladen do kontrastu s teoretickou fyzikou , která se více zabývá získáváním znalostí a predikcí a vysvětlováním fyzického chování přírody.

Přestože se experimentální a teoretická fyzika zabývá různými aspekty přírody, oba mají stejný cíl porozumět jí a mají symbiotický vztah. První poskytuje data o vesmíru, které lze poté analyzovat, aby jim bylo rozumět, zatímco druhá poskytuje vysvětlení k datům a nabízí tak pohled na to, jak data lépe získávat a jak nastavovat experimenty. Teoretická fyzika může také nabídnout vhled do toho, jaká data jsou potřebná k lepšímu porozumění vesmíru a jaké experimenty vymyslet, aby je získala.

Dějiny

Experimentální fyzika byla zřízena v rané moderní Evropě , během takzvané vědecké revoluce , fyziky jako Galileo Galilei , Christiaan Huygens , Johannes Kepler , Blaise Pascal a Sir Isaac Newton . Na počátku 17. století Galileo hojně využíval experimentování k ověřování fyzikálních teorií, což je klíčová myšlenka moderní vědecké metody. Galileo zformuloval a úspěšně otestoval několik výsledků v dynamice, zejména zákon setrvačnosti , který se později stal prvním zákonem v Newtonových pohybových zákonech . V Galileových dvou nových vědách dialog mezi postavami Simplicio a Salviati pojednává o pohybu lodi (jako pohyblivém rámu) a o tom, jak je náklad této lodi vůči jejímu pohybu lhostejný. Huygens použil pohyb lodi po holandském kanálu k ilustraci rané formy zachování hybnosti .

Experimentální fyzika je považována za dosáhla vysokého bodu zveřejněním Philosophiae Naturalis Principia Mathematica v roce 1687 sirem Isaacem Newtonem (1643–1727). V roce 1687 vydal Newton Principia , podrobně popisující dva komplexní a úspěšné fyzikální zákony: Newtonovy pohybové zákony , z nichž vychází klasická mechanika ; a Newtonův gravitační zákon , který popisuje základní sílu a gravitace . Oba zákony dobře souhlasily s experimentem. Principia také několik teorií v dynamice tekutin .

Od konce 17. století kupředu, termodynamiku vyvinul fyzik a chemik Boyle , Young a mnoho dalších. V roce 1733 použil Bernoulli k odvození termodynamických výsledků statistické argumenty s klasickou mechanikou, čímž zahájil pole statistické mechaniky . V roce 1798 Thompson prokázal přeměnu mechanické práce na teplo a v roce 1847 Joule uvedl zákon zachování energie ve formě tepla i mechanické energie. Ludwig Boltzmann , v devatenáctém století, je zodpovědný za moderní formu statistické mechaniky .

Kromě klasické mechaniky a termodynamiky byla další velkou oblastí experimentálního zkoumání ve fyzice povaha elektřiny . Pozorování v 17. a osmnáctém století vědci jako Robert Boyle , Stephen Gray a Benjamin Franklin vytvořili základ pro pozdější práci. Tato pozorování také stanovila naše základní chápání elektrického náboje a proudu . V roce 1808 John Dalton zjistil, že atomy různých prvků mají různou hmotnost, a navrhl moderní teorii atomu .

Byl to Hans Christian Ørsted, kdo poprvé navrhl spojení mezi elektřinou a magnetismem poté, co pozoroval vychýlení jehly kompasu blízkým elektrickým proudem. Počátkem třicátých let minulého století Michael Faraday prokázal, že magnetická pole a elektřina se mohou navzájem generovat. V roce 1864 James Clerk Maxwell představil Královské společnosti soubor rovnic, které popisovaly tento vztah mezi elektřinou a magnetismem. Maxwellovy rovnice také správně předpovídaly, že světlo je elektromagnetická vlna . Počínaje astronomií, principy přírodní filozofie vykrystalizovaly do základních fyzikálních zákonů, které byly vyhlášeny a zdokonaleny v následujících stoletích. V 19. století se vědy rozdělily na více oborů se specializovanými výzkumníky a oblast fyziky, ačkoliv byla logicky významná, již si nemohla nárokovat výhradní vlastnictví celé oblasti vědeckého výzkumu.

Aktuální experimenty

Pohled na detektor CMS , experimentální úsilí LHC v CERNu .

Některé příklady významných projektů experimentální fyziky jsou:

  • Relativistický těžký iontový urychlovač, který sráží těžké ionty, jako jsou ionty zlata (je to první těžký iontový urychlovač) a protony , je umístěn v Brookhaven National Laboratory na Long Islandu v USA.
  • HERA , která sráží elektrony nebo pozitrony a protony, a je součástí společnosti DESY , která se nachází v německém Hamburku .
  • LHC , nebo Large Hadron Collider , který dokončil stavbu v roce 2008, ale utrpěl sérii nezdarů. LHC zahájil provoz v roce 2008, ale byl odstaven kvůli údržbě až do léta 2009. Po dokončení je nejenergičtějším urychlovačem na světě, nachází se v CERNu , na francouzsko-švýcarské hranici poblíž Ženevy . Sběrač byl plně funkční 29. března 2010 o rok a půl později, než bylo původně plánováno.
  • LIGO , laserová interferometrická gravitační vlnová observatoř, je rozsáhlý fyzikální experiment a observatoř k detekci kosmických gravitačních vln a k vývoji pozorování gravitačních vln jako astronomického nástroje. V současné době existují dvě observatoře LIGO: LIGO Livingston Observatory v Livingstonu v Louisianě a LIGO Hanford Observatory poblíž Richlandu ve Washingtonu .
  • JWST , neboli vesmírný teleskop Jamese Webba , je naplánován na start v roce 2021. Bude to nástupce Hubbleova vesmírného teleskopu . Bude zkoumat oblohu v infračervené oblasti. Hlavními cíli JWST bude porozumět počátečním fázím vesmíru, vzniku galaxií, formování hvězd a planet a původu života.

Metoda

Experimentální fyzika používá dvě hlavní metody experimentálního výzkumu, kontrolované experimenty a přírodní experimenty . Řízené experimenty se často používají v laboratořích, protože laboratoře mohou nabídnout kontrolované prostředí. Přírodní experimenty se používají například v astrofyzice při pozorování nebeských objektů, kde není možné ovládat účinné proměnné.

Slavné experimenty

Mezi slavné experimenty patří:

Experimentální techniky

Mezi známé experimentální techniky patří:

Významní experimentální fyzici

Mezi slavné experimentální fyziky patří:

Časové osy

Seznamy fyzikálních experimentů naleznete v níže uvedených časových osách.

Viz také

Reference

Další čtení

  • Taylor, John R. (1987). Úvod do analýzy chyb (2. vydání) . Univerzitní vědecké knihy. ISBN 978-0-935702-75-0.

externí odkazy