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Algunas preguntas sobre física

La historia del desarrollo de la física

La física es una ciencia con una larga historia, ya en la antigüedad, la gente acumuló algunos conocimientos físicos en su vida diaria y en su práctica productiva. , Aristóteles de Grecia escribió una vez el libro "Física", que describía el conocimiento de la gente sobre el movimiento de los objetos en ese momento. Shen Kuo de la antigua mi país también explicó muchos fenómenos físicos en "Mengxi Bi Tan". Sin embargo, el conocimiento físico antiguo se basaba principalmente en la intuición y el resumen especulativo, y carecía de pruebas experimentales rigurosas. La física realmente se convirtió en una ciencia rigurosa sólo establecida con la introducción de métodos experimentales y la aplicación de herramientas matemáticas. El desarrollo de la física ha pasado aproximadamente por las siguientes etapas:

(1) Siglo XVII, XVIII, establecido y. Desarrolló la mecánica y la termodinámica newtonianas, que desempeñaron un papel muy importante en la promoción del desarrollo de las máquinas de vapor, las máquinas térmicas y las industrias mecánicas, y permitieron a la humanidad iniciar la primera revolución industrial.

La invención de la máquina de vapor jugó un papel importante en la Revolución Industrial del siglo XVIII. Su invención no se basó principalmente en la experiencia, sino que absorbió muchos resultados de la investigación física de ese momento. En 1643 Torricelli descubrió el vacío. En 1654, el alemán Gliecke comprendió mejor la naturaleza de la presión atmosférica a través del Experimento del Hemisferio de Magdeburgo, señaló que la presión atmosférica se puede convertir en fuerza mecánica en un estado de vacío e inventó la bomba de vacío. En 1662, el científico británico Boyle, bajo la influencia del experimento de Gricquet, estudió más a fondo las propiedades de la presión atmosférica y descubrió la famosa ley de Boyle. En 1695, bajo la dirección de Boyle, el físico francés Papen finalmente inventó la máquina de vapor con pistón. En 1705, después de las mejoras realizadas por el ingeniero británico Sevilla y el falsificador convertido en tecnólogo Newcomen, se mejoró el rendimiento de la máquina de vapor. Más tarde, el famoso inventor británico Watt realizó importantes mejoras en el rendimiento de la máquina de vapor Newcomen. En el proceso, Watt aplicó conceptos físicos como el calor específico de un objeto y el calor latente del agua convertida en vapor para calcular el consumo de vapor. máquinas de vapor de diferentes tamaños, y tomó la medida clave de separar el condensador y el cilindro principal, lo que mejoró enormemente la eficiencia de la máquina de vapor. En 1768, la moderna máquina de vapor apareció por primera vez como el "motor primario universal" de toda la industria y fue ampliamente utilizada en la industria. También se convirtió en un símbolo de la primera revolución industrial.

Además de la invención de la máquina de vapor, la tecnología mecánica se aplicó y desarrolló en diversos campos en los siglos XVII y XVIII, como el uso de la tecnología mecánica para mejorar el empuje de los barcos en la determinación de la posición; de barcos en el océano; extracción de minerales en minas, extracción y drenaje; cálculos militares de la fuerza interna de la artillería, balística aérea y resistencia del aire, etc., todos los cuales se desarrollan sobre la base de la mecánica newtoniana.

(2) En el siglo XIX se estableció y desarrolló la teoría electromagnética clásica, que impulsó el desarrollo de la electrificación industrial, las comunicaciones inalámbricas, etc., lo que permitió a la humanidad iniciar la segunda revolución industrial y entrar en la era de la aplicación de la energía eléctrica.

Después de entrar en el siglo XIX, el impacto de la física en el desarrollo tecnológico se caracterizó por la transformación muy acelerada de los principios físicos en resultados materiales. Si la mecánica y la termodinámica newtonianas tardaron entre 100 y 200 años en completarse, la penetración y La transformación de la teoría en tecnología, como la transformación de la teoría electromagnética en tecnología eléctrica, generalmente sólo lleva unas pocas décadas, o incluso diez años. En 1820, guiado por la visión filosófica de la unidad de la naturaleza, Oersted relacionó por primera vez los fenómenos eléctricos y magnéticos y descubrió el efecto magnético de la corriente eléctrica. En 1831, inspirado por el descubrimiento de Oersted, Faraday descubrió el efecto inverso del efecto magnético de la corriente eléctrica: la ley de la inducción electromagnética. El resultado directo de estos dos grandes inventos es que Pixie inventó el generador en 1832, Jacobi inventó el motor eléctrico en 1837, Morse inventó el telégrafo en 1837, Stanley inventó el transformador en 1885 y Truss inventó el motor de CA en 1888... Con el desarrollo de la tecnología de motores, los campos de aplicación de la energía eléctrica continúan expandiéndose, iniciando así el establecimiento de centrales eléctricas y el desarrollo de tecnología de transmisión de energía. Además, a medida que se profundiza en la comprensión de los diversos efectos de la electricidad y el magnetismo, han surgido una serie de nuevos campos técnicos, como la electrólisis, la galvanoplastia, la electrotermia, la electrofusión, la electroacústica, las fuentes de luz eléctrica, etc. Basándose en los conceptos de campo de Faraday y en las leyes empíricas de los fenómenos electromagnéticos (ley de Coulomb, ley de Biot-Savart, ley de Ampere, ley de inducción electromagnética de Faraday...), Maxwell resumió las ecuaciones del campo electromagnético y predijo la existencia de ondas electromagnéticas, haciendo Para Maxwell fue posible que la teoría electromagnética clásica alcanzara su apogeo, y Hertz verificó experimentalmente esta teoría en 1888. Sobre esta base, en 1895 Marconi y Popov realizaron respectivamente la primera comunicación por radio humana.

Además, además de hacer grandes contribuciones a la tecnología eléctrica macroscópica, la física también estudió los fenómenos eléctricos en el vacío y la teoría clásica de los electrones, que sentaron las bases para el surgimiento de la futura tecnología electrónica y la tecnología de energía atómica, y Jugó un papel vital en El estudio de los fenómenos electromagnéticos en los medios ha allanado el camino para el desarrollo de la física de la materia condensada y la ciencia de materiales correspondiente.

(3) En la primera mitad del siglo XX se establecieron la teoría de la relatividad y la teoría cuántica, que llevaron la comprensión humana al interior de los átomos y los núcleos atómicos. Sobre esta base, surgieron nuevas tecnologías como. como energía atómica, semiconductores, computadoras, láseres, etc. La aparición de tecnología y nuevos procesos ha impulsado el surgimiento de nuevas disciplinas como la química cuántica, la biología molecular, la biología cuántica y la cosmología moderna, marcando el comienzo de la tercera revolución tecnológica para la humanidad.

Roentgen descubrió los rayos X en 1895. Becquerel descubrió el electrón en 1896.

Thomson descubrió el electrón en 1897. Estos descubrimientos disiparon el concepto de que los átomos son las partículas más pequeñas del universo y la comprensión humana penetró profundamente en el interior de los átomos. Este fue también el comienzo de la física moderna. En 1900, Planck propuso la teoría cuántica para resolver el problema de la radiación del cuerpo negro. En 1905, Einstein estableció la teoría de la relatividad para resolver la "paradoja" de la electrodinámica en el campo de alta velocidad. Basándose en la teoría cuántica y la relatividad, Einstein propuso el concepto de fotones en 1905. En 1913 Bohr estableció la teoría cuántica de los átomos de hidrógeno. Entre 1924 y 1926, con el esfuerzo de físicos como Bonn, Heisenberg, de Broglie, Schrödinger, Dirac y Pauli, se estableció la mecánica cuántica, una teoría física que refleja las leyes del movimiento de la materia en el mundo microscópico. , Se anunció la física moderna. Sobre la base de la mecánica cuántica, la física atómica, la física electrónica, la física de partículas, la física nuclear, la física de semiconductores, la física del estado sólido, la física de los metales, la física del láser, la astrofísica, la física de bajas temperaturas y los estados de no equilibrio, siguen surgiendo disciplinas como la física. y la civilización material humana ha entrado en una nueva era.

Desde la segunda mitad del siglo XX, la física ha logrado avances positivos en la exploración de las leyes del movimiento del mundo subnuclear y del movimiento de los cuerpos celestes en el mundo cósmico si estudiamos la estructura de la materia. a un nivel más profundo y más amplio, si tiene éxito, inevitablemente tendrá un enorme impacto en el desarrollo de las ciencias naturales y las ciencias técnicas, y también traerá inevitablemente un enorme progreso a la civilización material de la sociedad humana. Sobre la base de la física moderna se han formado una serie de nuevos grupos tecnológicos, como la nueva tecnología energética, incluida la utilización de la energía de fisión nuclear y la energía de fusión, la utilización de la energía solar, la energía geotérmica, la nueva energía química y otras formas de tecnología láser, incluida la aplicación de diversos láseres en muchos campos, incluidos transistores, circuitos integrados, circuitos integrados a gran escala y dispositivos semiconductores, incluidas diversas tecnologías como transmisión, recepción, almacenamiento y procesamiento de información; y retroalimentación; tecnología informática, incluida tecnología de materiales de hardware y software, incluidos materiales conductores, materiales semiconductores, materiales aislantes, materiales resistentes a altas temperaturas, materiales resistentes a la radiación, materiales de alta resistencia, materiales piezoeléctricos, materiales termoeléctricos, materiales optoelectrónicos, acústicos; materiales, etc., todos estos muestran que todo progreso en la física trae las bases y las condiciones necesarias para el progreso de la producción social.

La física, como ciencia natural básica, tiene un enorme impacto en la vida material humana a través del proceso de transformación del conocimiento físico en equipos, productos y medios materiales. Cabe señalar que la física también es una parte importante de ella. cultura humana. Desde el siglo XVII, la física ha dominado las ciencias naturales. Con su exploración de las leyes más básicas del movimiento en el mundo objetivo, la física se ha convertido en una parte muy importante de la cultura mundial y tiene un profundo impacto en los estilos de vida sociales y el pensamiento humano. . hizo una contribución positiva al avance de los métodos. Países de todo el mundo consideran la física como uno de los contenidos culturales que se enseñan a la próxima generación.

Cabe señalar que la física sigue siendo una ciencia con carácter metodológico. La física tiene una relación muy estrecha con la filosofía, que estudia las leyes universales de la naturaleza, la sociedad y el mundo del pensamiento. El surgimiento y desarrollo de la física están llenos de pensamientos físicos filosóficos. El surgimiento y desarrollo del materialismo dialéctico obtuvo muchos nutrientes de la física. La física proporciona mucha evidencia para la teoría básica del materialismo dialéctico. Al estudiar la física, es beneficioso comprender los principios básicos del materialismo dialéctico. La física, junto con las matemáticas, creó los tres principales métodos de trabajo de la ciencia: observación, experimentación y teoría. La observación es el uso intencionado y planificado de varios órganos de los sentidos para comprender las características de las cosas y fenómenos, y las condiciones para su aparición y desarrollo, los experimentos son el uso de equipos e instrumentos en condiciones controladas artificialmente para resaltar el mundo natural, industrial y agrícola; producción y vida cotidiana Los principales factores de los fenómenos físicos de la vida hacen que se reproduzcan repetidamente y faciliten su observación y medición. La observación y la experimentación son la fuente para la obtención de información y datos. Sobre esta base, a través del análisis y la síntesis, podemos distinguir factores principales y factores secundarios, resaltar la esencia de las cosas y fenómenos, realizar abstracciones y generalizaciones científicas, establecer conceptos y modelos. y luego Hacer juicios científicos basados ​​​​en conceptos, luego realizar razonamientos científicos y formar teorías después de repetidas verificaciones. De esta manera, no sólo resumimos el pasado, sino que también guiamos el futuro. Los métodos comúnmente utilizados en física para resolver problemas, como los métodos equivalentes, los métodos de aislamiento, los métodos de procesamiento aproximado y los métodos matemáticos para estudiar problemas complejos, también tienen un amplio significado universal. En resumen, los métodos e ideas de la física pueden promover y ayudar al aprendizaje y comprensión de otras leyes del movimiento, y su estructura de conocimiento también puede transferirse fácilmente al estudio de otras disciplinas. En este sentido, la física tiene su carácter educativo.

Las tablillas de jade talladas reflejan la antigua cosmología china de un cielo redondo y una tierra cuadrada

También podemos encontrar registros similares en clásicos posteriores. "Zhou Li, Chunguan, Da Zongbo": "Usa jade como seis utensilios para honrar las cuatro direcciones del cielo y la tierra. Usa jade azul para honrar el cielo, cong amarillo para honrar a la tierra, gui amarillo al este, Zhang rojo para el sur, el tigre blanco al oeste y Xuan "Huang Li Norte". "Zhou Li": "Cuando hay grandes sacrificios, grandes giras y todos los invitados, se les envían los objetos de jade". " registra que el duque de Zhou "Zhibi Binggui" oró para que el jade fuera entregado al rey. Dedicado a los dioses. Pero estas costumbres definitivamente no se originan en las dinastías Shang y Zhou, sino que tienen orígenes culturales más profundos. Los eruditos modernos también han realizado investigaciones sobre los usos de diversos artículos de jade. Por ejemplo, el Sr. Zhang Guangzhi cree que Cong debería ser un arma mágica utilizada por los magos para conectar el cielo y la tierra. Es un símbolo de riqueza y poder.

Con respecto a la decoración de máscaras de animales en el cong, Zhang citó información relevante de "Zuo Zhuan" y "Tao Zang" y señaló que el trabajo del mago de alcanzar el cielo y la tierra fue asistido por animales. Esto es muy similar a la magia chamánica. La brujería chamánica significa que los magos utilizan la ayuda de los animales para comunicarse con el cielo y la tierra, las personas y los dioses, y la vida y la muerte. Este tipo de brujería se remonta arqueológicamente al Paleolítico tardío [4]. El Sr. Zhou Nanquan cree que el jade proviene de la creencia de la gente en el cielo y luego crea creaciones que imitan la forma redonda del cielo. Es un reflejo de las creencias y puntos de vista originales de la gente sobre el universo

Copérnico

En 1543, Copérnico publicó su "Sobre el movimiento de los cuerpos celestes" y propuso por primera vez la teoría heliocéntrica. Reemplazó al "heliocentrismo" ptolemaico que se había seguido durante miles de años.

Galileo

El pensamiento científico representado por Galileo dudó y cuestionó ampliamente el sistema ideológico del antiguo Aristóteles. Desde la "Teoría del Génesis" de Aristóteles hasta la "Teoría del Impulso", desde "evitar el vacío en la naturaleza" hasta "la velocidad de caída es proporcional al peso", etc., casi todos los credos filosóficos antiguos deben ser probados mediante experimentos científicos, sentando así las bases para los fundamentos. de Física Experimental. Como gigante de la ciencia moderna, Galileo realizó más de una docena de descubrimientos e invenciones científicas que marcaron época en su vida. El profundo espíritu revolucionario científico de Galileo provocó un importante enfrentamiento entre la ciencia y la religión. En febrero de 1632, Galileo fue citado y en junio fue escoltado a Roma para ser juzgado por la Inquisición. Para evitar la tortura, el anciano científico se vio obligado a firmar una confesión impresa. Sin embargo, después de que Galileo se arrodillara, murmuró para sí: "¿Qué puedo hacer? ¡La Tierra todavía se está moviendo!"

Galileo abrió el camino a la mecánica newtoniana con su perseverancia. Los pioneros llegaron uno tras otro y marcaron el comienzo de los albores de las ciencias naturales modernas.

Newton

Como predecesora de la Royal Society, la "Sociedad Invisible" se inspiró en la revolución burguesa y pasó su propia "edad de oro" en la historia de la ciencia. En ese momento, la trinidad de "investigación libre", "lucha individual" y "conocimiento privado" se centraba en la estrecha conexión entre la investigación y la producción y la vida reales. Por ejemplo, se centraban en algunas tecnologías importantes de la época (como el bombeo). máquinas, artillería, navegación, etc. ), y por lo tanto recibió un fuerte apoyo y acogida por parte de la burguesía. Con el fuerte apoyo de la burguesía, Hooke llevó a cabo muchos experimentos destacados que más tarde lo convirtieron en casi uno de los principales pilares de la Royal Society. Al mismo tiempo, Boyle descubrió la ley de los gases; Hooke descubrió la ley de la elasticidad; Newton y el alemán Leibniz fundaron el cálculo. En particular, Newton combinó los logros de sus predecesores y logró más de una docena de logros científicos importantes durante su vida, sentando las bases de la física moderna representada por la mecánica newtoniana. Estos logros son sin duda la cristalización de la sabiduría de los científicos y el producto de la revolución científica moderna en Gran Bretaña. El período activo de la "Sociedad Invisible" fue un período revolucionario en el que los experimentos científicos cobraron fuerza en la historia occidental. Los experimentos científicos se basaron en las fuerzas productivas liberadas por las revoluciones sociales y obtuvieron una base material sólida. El ascenso de la ciencia británica creó condiciones extremadamente importantes para la Revolución Industrial y el desarrollo económico británico.

Einstein

Albert Einstein (Albert Einstein 1879--1955), el científico más grande del siglo XX, es mundialmente famoso por su creación de la teoría de la relatividad. El establecimiento del principio de la relatividad es un salto en el proceso de comprensión humana del mundo natural. Incluye con éxito la física tradicional en su propio sistema teórico. La teoría general de la relatividad ha ampliado los horizontes humanos, permitiendo que el alcance de la investigación científica vaya desde el mundo microscópico infinitamente pequeño hasta el mundo macroscópico infinitamente grande. Hoy en día, la teoría de la relatividad se ha convertido en la base teórica de la ciencia de la energía atómica, la navegación espacial y la astronomía, y se utiliza ampliamente en la ciencia teórica y la ciencia aplicada. El gran logro de Einstein, la teoría de la relatividad, es un hito que hace época en la historia del desarrollo de las ciencias naturales.

Einstein nació en Alemania el 14 de marzo de 1879 en el seno de una familia judía. Obtuvo un doctorado en física en 1905 y publicó la teoría especial de la relatividad ese mismo año. Ganó el Premio Nobel de Física en 1921. En 1933, abandonó su patria y se mudó a los Estados Unidos debido a la locura antisemita de los nazis alemanes. Murió de enfermedad en Princeton el 18 de abril de 1955.

Einstein no sólo fue un gran científico, sino también un activista social con sentido de la justicia. Se preocupa por la civilización humana y el progreso. Durante la Segunda Guerra Mundial, denunció públicamente las atrocidades de los fascistas alemanes y, por tanto, se convirtió en el objetivo de los nazis alemanes. Einstein también condenó la agresión del imperialismo japonés contra China. En sus últimos años, abogó por la prohibición de las armas nucleares y se opuso a la carrera armamentista nuclear. Antes de su muerte, todavía pensaba en las libertades civiles y la paz mundial.

A finales del siglo XIX y principios del XX, con el desarrollo de la producción y la mejora del nivel de los experimentos científicos, la comprensión de la naturaleza por parte de las personas comenzó a pasar del mundo macro al mundo El micromundo, y del movimiento de baja velocidad al movimiento de alta velocidad, las ciencias naturales se enfrentan a un gran avance. Fue durante este período que el joven Einstein subió al escenario de las ciencias naturales como un "rebelde" de las viejas teorías científicas.

Cuando Einstein era niño, tenía un gran interés por los fenómenos naturales. Le asombraba la formación del viento y la lluvia, y el hecho de que la luna no caía cuando colgaba en lo alto del cielo. En 1896, mientras estudiaba en la Universidad Técnica Federal de Zurich, en Suiza, Einstein quería convertirse en físico.

Pero después de graduarse, Einstein quedó desempleado. Le llevó dos años encontrar un puesto de empleado de bajo nivel en la Oficina de Patentes de Berna, Suiza.

Aunque vivía en la pobreza, persistía en la investigación científica y leía muchos libros en su tiempo libre. Este período sentó las bases de su investigación científica de toda la vida.

En 1905, Einstein logró importantes resultados en tres campos diferentes: la relatividad especial, el efecto fotoeléctrico y el movimiento browniano, demostrando una inteligencia asombrosa. Sin embargo, pocas personas en la comunidad científica respondieron a esto en ese momento. El famoso científico francés Langevin le dijo una vez a Einstein que solo unas pocas personas en el mundo sabían qué era la teoría de la relatividad. La mayoría de la gente se muestra escéptica y algunos incluso se oponen firmemente. Esto se debe a que el sistema teórico mecánico clásico fundado por Galileo y Newton ha logrado logros brillantes después de 200 años de desarrollo. A pesar de las agudas contradicciones entre el viejo sistema teórico y los nuevos hechos, muchos físicos todavía no pueden liberarse de sus cadenas. Intentaron acomodar nuevos hechos experimentales y fenómenos físicos al antiguo marco teórico, pero Einstein no era supersticioso con respecto a sus predecesores. Exploró la posibilidad de extender la teoría de la relatividad a una gama más amplia de situaciones de movimiento. Trabajó en esto durante otros 10 años. En 1916, Einstein publicó su obra final "Principios de la Relatividad General".

Chen Ning Yang

Chen Ning Yang (1922~) es un físico chino-estadounidense. Nacido el 22 de septiembre de 1922 en el condado de Hefei, provincia de Anhui (ahora ciudad de Hefei). Graduado de la Southwest Associated University en 1942. En 1945 se fue a estudiar a Estados Unidos y estudió física teórica bajo la dirección del famoso físico Fermi. Se doctoró en 1948. Trabajó en la Universidad de Chicago de 1948 a 1949 y en el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton de 1949 a 1965. Es profesor desde 1955, y profesor y director del Instituto de Física Teórica de la Universidad Estatal de Nueva York (Stony Brook) desde 1966. El Presidente de los Estados Unidos le otorgó la Medalla Nacional de Ciencia y Tecnología de 1985. Yang Zhenning se dedica principalmente a la investigación en mecánica estadística, teoría cuántica de campos, física de la materia condensada y física de partículas elementales. Sus contribuciones a la física teórica fueron amplias. En términos de física de partículas, su contribución más destacada fue la teoría de campos de Yang-Mills propuesta conjuntamente con Charles Mills en 1954, que abrió un nuevo campo de investigación de campos de calibre no abelianos y sentó las bases para la teoría de campos de calibre moderna. Otra contribución destacada fue: en 1956, colaboró ​​con Li Tsung-dao para realizar un estudio en profundidad del entonces desconcertante misterio θ-τ, y propuso que la paridad puede no conservarse en interacciones débiles. Al año siguiente, esta predicción teórica fue confirmada experimentalmente por el grupo de Wu Jianxiong. Por esto, Yang Zhenning y Li Zhengdao ganaron el Premio Nobel de Física en 1957. Además, en 1949 se propuso el primer modelo compuesto de partículas elementales, el modelo de Fermi-Young. En 1957, colaboró ​​con Tsung-Dao Lee para proponer la teoría de los neutrinos de dos componentes; colaboró ​​con Tsung-Dao Lee y Ohemei para proponer que no sólo la paridad no se conserva, sino que tampoco la carga y el yugo se conservan en la desintegración beta; colaboró ​​​​con Tsung-Dao Lee y con Lang Dao y Salam propusieron de forma independiente la hipótesis de la conservación de la paridad combinatoria (CP) en interacciones débiles. De 1959 a 1962 colaboró ​​con Li Zhengdao en el análisis experimental de neutrinos de alta energía y partículas W. De 1974 a 1975, colaboró ​​con Wu Dajun para proponer la teoría de la forma integral de los campos de calibre y la relación entre los campos de calibre y los haces de fibras. De 1967 a 1985 colaboró ​​con Zou Zude para proponer la teoría de las colisiones de alta energía. En términos de mecánica estadística, en 1952 colaboró ​​con Li Zhengdao para proponer la teoría de las transiciones de fase. De 1966 a 1969 colaboró ​​con Yang Zhenping para obtener soluciones rigurosas para varios modelos. En términos de física de la materia condensada, colaboró ​​con Byers para explicar la cuantificación del flujo magnético en 1961 y propuso el concepto de programas largos no diagonales en 1962.

Yang Zhenning regresó a China para una visita en el verano de 1971. Fue el primer erudito estadounidense conocido en visitar la Nueva China. Ha trabajado mucho para promover el establecimiento de relaciones diplomáticas entre China y Estados Unidos y el intercambio de ciencia, tecnología y educación entre China y Estados Unidos. Trabaja como profesor honorario en la Universidad de Pekín, la Universidad de Fudan, la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, la Universidad Sun Yat-sen, la Universidad de Nankai y otras universidades, y es miembro del Comité Académico del Instituto de Física de Altas Energías de China. Academia de Ciencias.