физика ғылымдар патшасы

ФИЗИКА (грек. physike, рhуsis—табиғат) — өріс пен заттың жалпы қасиеттерін және олардың қозғалыс заңдарын зерттейтін ғылым. Физика — табиғат жөніндегі жетекші ғылымдардың бірі. Ол басқа да жаратылыс тану ғылымдары сияқты ұзақ тарихи даму жолынан өтті.

Жеке физикалық ілімдердің пайда болу дәуірі. Физика жай-лы алғашқы деректер Ежелгі Вавилон, Египет жазбаларында кездеседі. Зәулім сарайлар мен күрделі құрылыстар (пирамида, қорғандар) салу жұмысында құрылыс механикасы мен статиканың қарапайым заңдылықтары және рычаг, көлбеу жазықтық, тәрізді қарапайым механизмдер пайдаланылды. Практикалық талаптардан туған Ежелгі Вавилон, Египет ғылымының теориялық негізі халық арасына тарамады. Ғылым түгелдей діни абыздар қолында болды. Ежелгі грек ғалымдары табиғат құбылыстарын «табиғаттан тысқары күштің» әсерінсіз-ақ ғылми негізде түсіндіруге ерекше мән берді. Ежелгі грек ғалымдары (Гераклит, Анаксимандр, Анаксимен, Фалес т. б.) табиғат негізінен төрт элементтен (от, топырақ, ауа және су) тұрады десе Демокрит (б.з.б. 5 ғ.)І Эпикур (б.з.б. 341—270), Лукреций (б. з. б. 1 ғ.) дүниенің ең қарапайым кірпіші одан әрі бөлінбейтін бөлшек — атом деп санады. Атом туралы ілім (атомистика) талай ғасырға созылған талас-тартыстан кейін, қазіргі табиғат жайлы ғылымдардың негізіне айналды. Аристо-телъдің табиғат жайлы жазған кітабы «Физика» деп аталған. Осыған орай Аристотельді физиканың «негізін қалаушы» деп те айтады. Архимед гидростатиканың негізгі заңын (қ. Архимед заңы) ашты, қарапайым механизмдерді зерттеді. Ол механикамен қатар оптикамен, астрономиямен де айналысты. Электр мен магнетизмге қатысты кейбір қарапайым қүбылыстар тым ертеден-ақ белгілі болған. Грек-рим мәдениеті дәуірінде статика-ның қарапайым заңдары (рычаг ережесі, ауырлық центрі), геометриялық оптиканың алғашқы заңдылықтары (жарықтың түзу сызықты таралу заңы, шағылу заңдары, жарықтың сыну құбылысы) ашылды.

Демокрит, Аристотель, Архимед тәрізді ерте дүниедегі ұлы ғалымдардың ғылымға қосқан теңдесі жоқ мол үлесі халықтың ғасырлар бойына жинақталан тәжірибесімен ұштаса келіп, Ф-ның ірге тасы болып саналатын классикалық механиканың тууына қолайлы жағдай жасады.

Орта ғасырдың алғашқы кезеңінде ғылымның дамуына араб мәдениеті елеулі үлес қосты. Арабтар эксперименттік зерттеу тәсілдерін қолдана бастады. Европада А л х а з е н деген атпен белгілі болған Египет физигі Әл-Хайсам оптикалық зерттеулер жүргізді. Ол көздің көру теориясын жетілдірді, эксперименттер жүргізіп, құралдар жасады. Алхазеннің «Оптика кітабы» атты еңбегі 12 ғ-да латын тіліне аударылды. Орта Азия мен Қазақстанан шыққан ғылымдар араб мәдениеті мен ғылымың одан әрі дамытты. Әбу Насыр әл-Фараби өзінің «Вакуум» атты трактатында ежелгі гректерде қолданылған эксперименттік тәсілдер мөн Ф. ғылымының сол кездегі жетістіктеріне сүйене отырып, «абсолют вакуумның» жоқ екендігін дәлелдеуге ұмтылды. Ал Бируни өзі жасаған құралдың көмегімен металдар мен кейбір заттардың меншікті салмағын аса үлкен дәлдікпен анықтады. Ол сондай-ақ астрон. және геогр. зерттеулерді де мұқияттылықпен жүргізді. ¥лықбек мектебінің өкілдері физика-матем. ғылымдарының дамуына өз үлестерін  қосты. Бірақ Европа мәдениетіне кенжелеп қосылған бұл ғылыми зерттеулер, соңғы кездері ғана ғылым тарихынан өз орнын ала бастады.

15—16 ғ-ға дейін физ. ғылыми бақылаулар мен тәжірибелік зерттеу жұмыстары кездейсоқ сипатта жүргізілді. Нақтылы бір мақсатты көздеп жасалған эксперименттік зерттеу жұмыстары аз болды. Эксперименттік тәсіл Ф-да тек 17 ғ-дан бастап жүйелі түрде қолданыла бастады.

Физиканың дамуындағы бірінші кезең Г. Галилей (экспе-рименттік тәсілдің негізін қалаған) еңбектерінен басталады. Галилей Аристотель динамикасының қате қағидаларын біржолата теріске шығарды. Сөйтіп, динамиканың алғашқы ғылми негізін қалады (инерция заңын және қозғалыстарды қосуды ашты). Галилей мен Б. Паскалъдың еңбектерінде гидростатиканың негізі жасалды. И. Ньютон өзінің «Табиғат философиясының математикалық негіздері» атты еңбегінде (1687) механика заңдарының ең жетілдірілген түжырымдамасын берді. Ол өзінен бұрынғы ғалымдардың жұмыстарын қорытындылай отырып, күш туралы ұғымды жалпылады және масса ұғымын енгізді; жүйе динамикасының негізгі заңы — әсер мен қарсы әсердің теңдік заңын тағайындады. Сонымен Галилей мен Ньютон ғасырлар бойы жинақталған тәжірибелерді қорытып, матем. жүйеге' келтірді. Бұл зерттеулер бір жүйеге келіп, классикалық механиканың негізін жасаумен аяқталды.

18 ғ-да Ф-ның барлың салаларын онан әрі дамытуға, жетілдіруге бағытталған зерттеулер кеңінен жүргізілді. Ньютон механикасы, жер бетіндегі денелер мен аспан денелерінің қозғалыс заңдарын толық қамтитын, кең тараған ілімдер жүйесіне айналды. Ф-ның басқа салаларында да тәжірибелік деректер онан әрі жинақталып қарапайым заңдар тұжырымдала бастады. Бір-біріне ешқандай байланыссыз жүргізілген зерттеулер нәтижесінде Г. Кавендиш ағылшын ғалымы Дж. Пристли және Ш. Кулон электростатиканың негізі болып саналатын зарядтар-дың әсер заңын ашты. Атмосфералық электр туралы ілім де пайда болды (М. В. Ломоносов, В. Франклин). Химия мен металлургияның дамуы жылу жайлы ілімнің қалыптасуын тездетті.

17  ғ-дан бастап тәжірибе мен матем. зерттеулердің жиынтығы Ф-ның негізгі тәсілі болып қалыптасты. Бірақ әр түрлі құбылыстар бір-біріне байланыссыз зерттелгендіктен, олар   жекеленген «салмақсыз» материяның көрінісі ретінде қарастырылды. Жылу ерекше салмақсыз сұйық — жылу тегі түрінде _қалыптасты. Заттардың   электрленуі — электр сұйығы, магниттік құбылыстар магнит    сұйығы жайлы    болжамның көмегімен түсіндірілді.

18  ғ-да салмақсыз сұйық жайлы түсінік Ф-ның барлық саласына ене бастады. Оқымыстылардың басым көпшілігі салмақсыз  сұйыққа   күмәнданудан қалды. Өйткені олар жылулық, электрлік, магниттік, оптикалық құбылыстар арасында ешбір байлалыс жоқ деп санады. Тек Л. Эйлер, Ломоносов тәрізді алдыңғы қатарлы ғалымдар ғана салмақсыз материя жайлы түсініктің дәйексіздігін көрсетіп, жылулық құбылыстар мен газ қасиеттері көзге көрінбейтін өте кішкентай бөлшектердің тынымсыз қозғалысына байланысты екендігін айтты.

Физика тарихындағы екінші кезең 19 ғ-дың бірінші он жылдығынан басталады. 19 ғ-да Ф-ға біртұтас ғылми сипат берген аса маңызды жаңалықтар ашылды, теориялық қорытындылар жасалды. Әр түрлі физ. процестердің бірлігі энергияның сақталу заңында өз өрнегін тауып, айқындалды.Ф-ның  дамуына химия да елеулі ықпал жасады. 18 ғ-дың аяғында біраз хим. элементтер ашылды, массаның сақталу заңы тағайындалды (Ломоносов, кейіннен А. Лавуазъе). Ал 19 ғ-дың басында ғылми атомистика қалыптасты (Дж. Далътон).

Жан-жақты және ұзақ уақыт бойы жүргізілген тәжірибелердің көмегімен, сондай-ақ бұрыннан қалыптасқан ескі түсініктерге қарсы қиян-кескі күрес жағдайында, әр түрлі физ. процестердің өзара қайтымдылығы және осыған орай сол кездегі белгілі физ. құбылыстардың бірлігі дәлелденді. Энергияның сақталу зацының кез келген физ. және хим. процестерде орындалуы Ю. Р. Майердің, Дж. Джоульдің жәнө Г. Гельмгольцтің еңбектерінде нақтылы дәлелденді.

Барлық физ. құбылыстардың бірлігі жайлы қағида, 19 ғ-дың 2-жартысында, Ф-ны түгелдей қайта құруға әкеліп соқты. Бүкіл Ф. екі үлкен бөлімге — заттар Ф-сы мен өрістер Ф-сына бірік-тірілді. Бірінші бөлім заттың молекула-кинетикалық теориясына, ал екінші бөлім әлектромагниттік өріс жайлы ілімге негізделді.

Электромагниттік өріс жайлы ілімнің негізін М. Фарадей қалады. Ол 1831 ж. электромагниттік индукцияны ашты. 19 ғ-дың 60 жылдары Дж. Максвелл Фарадейдің әлектромагниттік өріс жайлы көзқарасын онан әрі дамытып, оны матем. тұрғыдан жетілдірді. 19 ғ-дың екінші жартысында Ф-ның техниканы дамытудағы ролі ерекше артты. Электр жайлы ілім байланыс жұмыстарымен (телефон, телеграф) ғана шектеліп қоймай, энергетикалық мақсатта да қолданыла бастады. Электромагниттік толқындар сымсыз байланыс жүйесін (А. С. Попов) дамытуға мүмкіндік беріп, радиобайланыс кең өріс ала бастады. Техникалық термодинамика іштен жанатын двигателъдердің дамуына ықпал жасады. Төмен темп-ралар техникасы пайда болды. Сөйтіп Ф-ның жаратылыс тану ғылымдарына ықпалы арта бастады.

19 ғ-дың соңында кейбір физиктер Ф-ның дамуы аяқталды деп санады. Классикалық Ф-ны кез келген құбылысқа (галактикалардан бастап атом дүниесіне дейін) пайдаланбақ болу — елеулі қайшылықтарға, тіпті күрделі қателерге әкеліп соқты. Классикалық Ф-ға, оның негізгі қағидаларына ғылми тұрғыдан қарап, өзгеріс енгізу ол кездегі ғалымдарға үлкен қиындыққа түсті. Дәл осы тұста молекула мен атомның реалдығы жөніндегі қорытындыға күмәнданған ғалымдар да болды. Тіпті В. Рентген өзі сабақ беретін факультетте «электрон» деген сөзді айтуға тыйым салған.

Физика тарихындағы үшінші (қазіргі) кезең 19 ғ-дың соңғы жылдарынан басталды. Бұл кезеңде зат құрылысын, оның микроқұрылымын тереңірек зерттеу қолға алынды. Электрон ашылды, оның әсері мен қасиеттері зерттелді (Дж. Томсон, Г. Лоренц)

Электрондар динамикасына және электрондардың сәулелер өрісімен әсерлесуіне байланысты қазіргі Ф-ның ең жалпылау теориясы — салыстырмалық теориясы (А. Эйнштейн, 1906) пайда болды. Жаңа теория материя қозғалысын және сол қозғалысқа қатысты Ф-ның негізгі ұғымдары — кеңістік пен уақыт жөніндегі түсініктерді жаңа белеске көтеріп, олардың қа-сиеттері жөніндегі ғасырлар бойы қалыптасқан көзқарасты негізінен өзгертті. Салыстырмалық теориясы ғасырлар бойы қалыптасқан Ф. заңдарын түгелдей теріске шығарған жоқ, қайта оның қолданылу шекарасын анықтап берді. Мыс., жарық жылдамдығына шамалас жылдамдықпен қозғалған денелерге Ньютон механикасының заңдарын қолдануға болмайтындығын көрсетті. Ядр. процестерде байқалатын энергия мен масса арасындағы байланысты өрнектейтін Эйнштейн формуласы салыстырмалық теориясының дэйөктілігін онан әрі айқындай түседі. 1916 ж. Эйнштейн ашқан жалпы салыстырмалық  теориясы Әлемнің алыс түкпіріндегі материяның қозғалысы мен орнықтылығын теориялық жолмен зерттеудегі бірден-бір аса маңызды тәсіл болды. Бұл теория тартылыс жайлы ескі ілімді қайта құрып, жаңа сатыға көтерді.

М. Планк 20 ғасырдың басында заттың сәуле шығаруы және жұтуы үздіксіз жүретін қүбылыс еме'с, үздікті түрде, энергия үлестері күйінде өтетін қүбы-лыс екенін көрсетті. А. Эйнштейн, Э. Шрёдингер, Л. де Бройлъ, В. Гейзен-берг т. б. Планк идеясын онан әрі да-мытып. оны матем. тұрғыдан бір жүйе-ге келтірді. Кванттық теория және оның негізінде кванттъщ механика осылай қалыптасты. Кванттық теория-ның негізінде атомның әр түрлі ңаси-еттері және оның ішінде өтіп жатқан прсщестер түсіндірілді (Н. Бор т. б.).

20 г-дың 2-ширегінен бастап атом ядросының қүрылымын және онда байқалатын процестерді зерттөуге, соы-дай-ақ элементар бөлшектер Ф-сының жасалуына байланысты Ф-дагы рево-люциялық өзгерістер онан әрі жалгас-ты. 19 ғ-дың соңында радиоактивтілік және ауыр ядролардың радиоактивтік түрленуі ашылды (А. Беккерель, П.Кюри, М. Складовская-Кюри). 20 г-дың басында изотоптар аиықталды. Э. Резерфорд сс-бөлшектермен атқылау арқылы азоттың орнықты (ыдырамай-тын) ядросын оттек ядросына түрлен-дірді (1919). Ф-ның дамуындагы келөоі кезең нейтроннъщ (1932) ашылуына байланысты болды. Бұл жаңалық яд-роның ңазіргі нуклондық моделін жа-сауга мүмкіндік берді. 1932 ж. позит-рон, ал 1934 ж. жасанды радиоактив-тілік ашылды. Ядр. Ф-ның дамуында зарядты бөлшек үдеткіштері елеулі роль атқарды. 1944 ж. В. И. Векслер енгізген автофазировка тәсілі үдеткіш-тер техникасын жаңа сатыға көтеріп, оның даму горизонтын кеңейтті. Соң-гы кездері қарама-қарсы шоқтар үдет-кішінде жүргізілген зерттеулер (Г. И. Будкер) жемісті нәтижелер берді. Бұл кезеңдегі аса маңызды оқшалардъщ бірі — атом ядросының бөлінуі және ядро ішіндегі энергияның аса мол қо-рын бөліп алу мүмкіндігінің ашылуы болды.

20 Е-ДЫҢ 40—50 жылдары белгілі эле-ментар бөлшектердің саны бірнеше есе артты. Электрон, протон, нөйтрон, по-зитронмен (сондай-ақ фотонмен) к,а-тар, мезондардьщ бірнеше түрі, бейта-рап бөлшек — нейтрино, нуклондар-дың қозган күйі ретінде қарастырыла-тын — гиперондар ашылды. 1955 ж. Э. Сегре бастаган американ физикте-рі — антипротонды, ал 1956 ж. амери-кандық физиктердің басқа бір тобы — антипейтронды ашты. Сонымен В. И. Лөнин айтқан «...Атом сияқты, элект-рон да сарқылмайды, табигат шек-сіз...» (Шыг., 14-т., 285-6.) дөгөн бол-жамның дәйектілігі онан әрі айқында-ла түсті. СОҢЕЫ жылдары аса қуатты удеткіштердің көмегімен жүргізілген зерттеулер зарядты белшектің де,! бейтарап бөлшектің де антибөлше-гі болатынын көрсетті. Тек абсолютне-месе шын бейтарап бөлшектер (фотон т. б.) деп аталатын кейбір элементар бөлшектердің ғана антибөлшегі бол-майды.

Бізге қазіргі кездегі белгілі табигат-тагы заттар негізгі үш бөлшектен (протон, нейтрон, электрон) құралса, Әлемнің басқа бір түкпірінде антибөл-жектерден (антипротон, антинейтрон, позитрон) қүралган материя да (ан-тизат) болуы мүмкін. Бұл жайт тәжі-рибе жүзінде айқындалып, шындыққа да айнала бастады. 1965 ж. Брукхейвен қ-ндагы (АҚШ) знергиясы 30 Гэв-тік протондық үдеткіште, бериллийден жа-салган нысананы протоннын өткір шо-гымен атқылау нәтижесінде алғашқы құранды антиядро — антидейтрон алынды. 1970 ж. Серпуховтагы (СССР) әнергиясы 70 Гэв-тік протондық үдет-кіштің көмегімен Менделеевтің пери-одты системасындагы екінші хим. элэ-мент — гелийдің антиядросы — анти-гелий-3 ашылды. Антизаттың ашылуы-на байланысты, қазіргі кезде ғалым-дар арасында, Әлемнің алыс түкпірін-де антизаттан түзілген антидүние бо-луы мүмкін деген болжам да бар.

Зат та, антизат та негізгі элементар бөлшектер мен олардың антибөлшекте-рінен тұрады. Дүниө «кірпіштері» қызметін атқаратын бұл бөлшектерге берілген, «элементар» дөген аттың өзі де, оның әрі қарай бөлінбейтін қара-найымдылырында болуы керөк. Ал қа-зіргі кезде галымдар элементар бөл-шектердің «элементарлырына» да шек келтіріп жүр. Элементар бөлшектердің де өзіндік ішкі құрылысы болатынды-ғын дәлелдейтін құбылыстар байқалу-да. Қазіргі устем болып тұрған көзқа-растың бірі бойынша шын мәнінде бө-лінбейтін бөлшек бар, ал қалган бөл-шектер олардың түрліше болып құра-луынан түзіледі. Осы пікір негізінде дамып, кең тараган болжам — кварк-тер теориясы. Бұл болжам бойынша элементар бөлшектердің басым көпші-лігі рсы кварктерден тұрады. Кварк-тердің де антибөлшегі — а н т и к -в а р к т е р болуға тиіс.

Ядролық Ф. да 20 г-дың 2-жартысын-да қауырт дами бастады. Атом және сутек бомбалары жасалды. 1954 ж. СССР-дө алгашқы атом әлектр ст. іскв қосылды. И. В. Курчатов бастаган ға-лымдар мен инженерлер тобы ядр. энергетиканың негізін қалауга елеулі еңбек сіңірді. Сутек ядррларының син-тезделуі арқылы жүретін басқарыла-тын термоядролъщ реакциялар зертте-ле бастады. И. Е. Тамм т. б. ралымдар плазманы термоизоляциялаудың маг-ниттік принципін ұсынды (1950). 1976 жылдан плазманы термоизоляциялау-дың тиімді тәсілі ңолданылган қондыр-гы — «Токомак-10» (негізін Л. А. Арцимович т. б. қалаган) жүмыс істей бастады. Бұл қондырЕының жәрдемі-мен темп-расы 7-ІО6—10-Ю6 К шама-сында (импульсының ұзақтығы 0,5 сек) плазма алынды. Қазіргі кезде аса ңуатты лазерлердіц көмегімен темп-расы жоғары болып келген плаз-маны алуға багытталран термоядро-лық зерттеулер де кең өріс алуда.

Күрделі теориялық және экспери-менттік зерттеулер нәтижесінде қол жеткен табыстар Ф-ның барлық сала-сының қауырт дамуына қолайлы жар-дай жасады. Молекулалъщ физика са-ласьшда кристалдар физикасы (қ. Кристаллофизика) жедел дамыды. Іс жүзіндө елеулі маңызы бар жартылай өткізгіштер теориясы да күрделі про-блема болып саналады. А. Ф. Иоффе бастаган совет физиктері дүние жүзін-де алғаш рет жартылай өткізгіштерден жасалран төрмоэлектрлік генераторды (1950, Л. С. Стильбанс т. б.), сонансоң жартылай өткізгішті тоңазытқыш құ-рылгыларды жасады. Сондай-ақ метал-дар мөн қорытпаларды (қ. Металдар, Металлофизика, Металл тану) зерттеу ісінде де едәуір табысты нәтижелер алынды. Магнетизм саласында, оның ішінде ферромагнетизм құбылысын зерттеуде аса күрделі табыстарра қол жетті. Ферромагнетизм теориясын да-мытуда совет физиктері С. П. Шубин, С. В. Вонсовский т. б. жемісті еңбек етуде. Төмен температуралар саласын-дагы зерттеулер де кең өріс алды. Газ- дарды сұйылту техникасына П. Л. Ка-пица қомақты үлес қосты.