Fizika

Fizika (q. yun. φύsις — təbiət) — təbiətin ən ümumi qanunlarını, bizi əhatə edən maddi aləmin quruluşunu və xassələrini öyrənən elm.

Fizika
Elm sahəsi → öyrənir
Fizika  → Maddi aləmdəki qaunauyğunluqları
Yarımbölmə → öyrənir
Nəzəri fizika  → ' Ümumi fizika  → ' Mezoskopik fizika  → '

Fiziki hadisələrin müxtəlif nümunələri.

Fizikanın predmeti və strukturu

Fizika dəqiq elmdir və təbiət hadisələrinin həm makroskopik, həm də mikroskopik səviyyələrdə kəmiyyət qanunauyğunluqlarını tədqiq edir. "Fizika" termininə ilk dəfə antik dövrdə Aristotelin əsərlərində rast gəlinir. İlk dövrlərdə "fizika" və "fəlsəfə" (natural) terminləri sinonim kimi işlədilirdi, çünki onların hər ikisinin əsasında kainatın qanunauyğunluqlarını izah etmək məqsədi dururdu. Ancaq elmi inqilab nəticəsində 16-cı əsrdə fizika ayrıca bir elm sahəsi kimi formalaşmağa başladı.

Fizika, əsasən, eksperimental elm kimi formalaşmışdır: onun qanunları təcrübi yolla əldə olunmuş faktlara əsaslanır. Bu qanunlar müəyyən kəmiyyət münasibətlərinə əsaslanır və riyazi dildə ifadə olunur. Fizika iki bölümə – eksperimental fizikaya və nəzəri fizikaya ayrılır. Eksperimental fizikada fiziki hadisələrin müşahidəsi və təcrübi yolla öyrənilməsi üçün xüsusi şərait yaradılır. Təcrübələrin aparılması üçün tətbiq olunan metodlar və avadanlıq fizikanın konkret sahəsindən asılı olaraq, sadə qurğulardan (məsələn, Kavendiş təcrübəsi) tutmuş Böyük Adron Kollayderi kimi nəhəng meqalayihələrə qədər geniş spektrdə dəyişə bilir. Nəzəri fizika isə fiziki obyektlərin və sistemlərin riyazi modellərini yaratmaqla təbiətdəki real hadisələri izah etməyə çalışır və elmə məlum olmayan yeni effektlərin, fenomenlərin mümkünlüyünü öncədən xəbər verir. Təbii ki, müasir fizikanın nailiyyətləri və inkişafı yuxarıda bəhs olunan hər iki yaxınlaşmanın qarşılıqlı mübadiləsinin məhsuludur. Belə ki, eksperimental fizika nəzəri fizikanı həm eksperimental faktlarla təmin edir, həm də nəzəri müddəaların doğru olub-olmadığını təcrübə ilə təsdiqləyir. Həmçinin 21-ci əsrin əvvəllərində bütün fiziki biliklər toplusunu, öyrənilən obyektlərin ölçüsünə uyğun olaraq, mikrofizikaya (10^–18 – 10^–8m tərtibli ölçüdə), makrofizikaya (10^–8 – 10²⁰m) və meqafizikaya (10²⁰ – 10²⁶m) bölmək qəbul edilmişdir; mikrofizika elementar zərrəciklər və atom nüvəsini, həmçinin atomları və molekulları, makrofizika canlı və cansız təbiəti təşkil edən fiziki cisimləri, meqafizika öyrənir.

Dünyanın tədqiqat obyektlərinin və hərəkət formalarının müxtəlifliyini sistemləşdirmək üçün fizikanı bu və ya digər səviyyədə bir-biri ilə bağlı olan bir neçə bölümə ayırırlar. Bu ayrılma birqiymətli deyil və bunu müxtəlif meyarlara əsasən aparmaq olar. Tədqiqat obyektlərinə görə fizika elementar zərrəciklər fizikasına, nüvə fizikasına, atom və molekullar fizikasına, qaz və mayelər fizikasına, bərk cisimlər fizikasına, plazma fizikasına bölünür. Materiyanın hərəkət formalarına görə mexaniki hərəkət, istilik prosesləri, elektromaqnit hadisələri, qravitasiya, zəif, güclü qarşılıqlı təsirlər kimi bölgülər aparılır. Makroskopik baxımdan fizikanı mexanika (klassik mexanika, relyativist mexanika, səlt mühitlər mexanikası – bura hidrodinamika, akustika, bərk cisim mexanikası daxildir), termodinamika, optika (fiziki optika, kristal optikası, qeyri-xətti optika), elektrodinamika (səlt mühitlərin elektrodinamikası, maqnitohidrodinamika, elektrohidrodinamika) bölmələrinə ayırırar. Mikroskopik baxımdan fizikanı atom fizikası, statistik fizika (statistik mexanika, statistik sahə nəzəriyyəsi, fiziki kinetika), kvant fizikası (kvant mexanikası, kvant sahə nəzəriyyəsi, kvant elektrodinamikası, kvant xromodinamikası, simlər nəzəriyyəsi), nüvə fizikası, yüksək enerjilər fizikası, elementar zərrəciklər fizikası bölmələrinə ayırmaq olar.

Çox vaxt fizikada rəqslər və dalğalar haqqında təlimi xüsusi bir bölümə aid edirlər. Bu onunla əlaqədardır ki, təbiətdə baş verən müxtəlif hadisələrin çoxu rəqsi proseslərə xas olan qanunauyğunluqlarla izah və ümumi metodlarla tədqiq oluna bilir. Bu bölümdə mexaniki, akustik, elektrik, optik rəqslərə və dalğalara vahid bir mövqedən baxılır. Bəzən fizika bölümlərindən biri kimi tətbiqi fizika da fərqləndirilir.

Fiziki aləmin bütün rəngarəngliyinə baxmayaraq, müasir fizikanın əsasında bir neçə fundamental nəzəriyyə durur. Fiziki proseslərin və hadisələrin xarekteri haqqında biliklərin kvintessensiyası olan bu nəzəriyyələr təbiətdə olan materiyanın müxtəlif hərəkət formalarını izah etməyə imkan verir.

Fizikanın tarixi

Fizikanın təşəkkülü

Obskura kamerasının iş prinsipi

Ətraf mühitdə baş verən fiziki hadisələr qədim zamanlardan insanların diqqətini cəlb edirdi. Bu hadisələrin səbəblərini anlamaq, izah etmək cəhdləri fizikanın yaranmasında rüşeym rolunu oynamışdır. Yunan-Roma dövründə (e.ә. 6 – e.ә. 2 əsrlər) maddənin atom quruluşuna malik olması haqda ilk ideyalar formalaşdı (Demokrit, Epikür, Lukretsiy); dünyanın geosentrik sistemi yaradıldı (Ptolemey); statikanın ən sadə qanunları (ling qaydası) müəyyən edildi, işığın düzxətli yayılma və eləcə də qayıtma qanunları kəşf olundu; hidrostatikanın ilkin qanunauyğunluqları (Arximed qanunu) aşkar edildi; elektrik və maqnit hadisələrinin təzahürlərinin elementləri formalaşmağa başladı. E.ә. 4-cü əsrə qədər olan nailiyyətlər Aristotel tərəfindən ümumiləşdirildi. Aristotelin fizikasında ayrı-ayrı doğru müddəalarla yanaşı, bəzi qüsurlar da vardı; o, özündən əvvəlki bəzi mütəfəkkirlərin mütərəqqi ideyalarını, məsələn, atom hipotezini öz əsərində əks etdirməmişdi. Aristotel təcrübənin əhəmiyyətini qeyd etsə də, biliklərin səhihliyi, həqiqiliyi üçün əsas meyar kimi abstrakt təsəvvürlərə üstünlük verirdi.

(təqr. 965–1040), optikanın öncülü

Tarixin sonrakı mərhələlərində antik biliklərin inkişafı və yayılması prosesi dayanmış və uzun müddət ərzində bu biliklər itirilərək məhvolma dərəcəsinə çatmışdı (Avropanın "Qaranlıq dövrü", 5 – 15-ci əsrlər). Yalnız orta əsrlərdə şərq mütəfəkkirlərinin səyi nəticəsində Aristotelin əsərləri ərəb dilinə tərcümə edilərək şərqin elmi-fəlsəfi mühitində yenidən dünyaya gəldi. Bu alimlər antik dövrün elmi-fəlsəfi görüşlərinin müfəssəl şərhini, izahını verməklə yanaşı onları yeni ideyalarla da zənginləşdirmişlər. Belə ki, orta əsrlərdə İbn əl-Heysəm, (latınlaşdırılmış adı Alhazen; 965, Bəsrə –1039, Qahirə) eksperimentə və riyazi izaha söykənən elmi metodun yaradıcısı sayılır. İbn əl-Heysəmin 1011–1021-ci illərdə yazdığı 7-cildlik "Optika haqqında kitab" əsərində irəli sürdüyü görmə nəzəriyyəsini isbat etmək üçün aprdığı eksperimentləri təsvir etmiş və göstərmişdir ki, göz yalnız başqa cisimlər tərəfindən şüalandırılan işığı qəbul edir. Ona qədər isə gözün özünün işıq şüalandırdığı haqqında Evklid-Ptolemey təlimi hökm sürürdü. İbn əl-Heysəm yaratdığı obskura kamerası vasitəsilə öz təcrübələrində işığın yayılma qanunlarını tədqiq etmişdir. Sonralar optika üzrə tədqiqatlar qurucusu Taqi əl-Din (1526, Dəməşq – 1585, İstanbul) tərəfindən daha da inkişaf etdirilmişdir. Ümumiyyətlə 8 – 15-ci əsrlər ərzində Nəsirəddin Tusi, Əl-Kindi (Alkindus), Əl-Fərabi (Alpharabius), İbn-Rüşd (Avverroes), İbn-Sina (Avisenna), Əbu-Reyhan əl-Biruni, Ömər Xəyyam, Əl-Xəzini, İbn-Bəcca (Avempace), Cabir-ibn-Xəyyam və başqa alim – filosoflar optikanın, mexaniki hərəkətin (statika, dinamika, kinematika) qanunauyğunluqlarının, mexanizmlərin, hidrostatikanın və astronomiyanın inkişafına öz töhfələrini vermişlər.

Avropada kilsə tərəfindən kanonlaşdırılmış Aristotel təliminin bəzi mənfi məqamları orta əsrlərə qədər elmin inkişafına mane olmuşdur. Elm ancaq 15–16-cı əsrlərdə Aristotelin sxolastik təlimlərindən yaxa qurtara bildi. 16-cı əsrin ortalarında Kopernik dünyanın heliosentrik sistemini irəli sürərək, təbiətşünaslığı teoloji təsirlərdən azad etdi. İstehsal sahələrinin tələbatı, eləcə də sənətkarlıq, gəmiqayırma, artilleriya sahələrinin inkişafı təcrübəyə söykənən elmi tədqiqatların aparılmasını stimullaşdırırdı. Lakin 15–16-cı əsrlərdə eksperimental tədqiqatlar əsasən epizodik xarakter daşıyırdı. Yalnız 17-ci əsrdən başlayaraq eksperimental metod sistematik olaraq fizikaya tətbiq olunmağa başladı və bu da ilk fundamental nəzəriyyənin – klassik Nyuton mexanikasının yaranmasında öz bəhrəsini verdi.

Fizikanın elm kimi formalaşması

Qalileo Qaliley riyaziyyat, nəzəri fizika və eksperimental fizika arasındakı uyğun əlaqəyə müasir qiyməti verdi.

Fizikanın müasir anlamda elm kimi inkişafı Q. Qalileyin (17-ci əsrin 1-ci yarısı) əsərləri ilə bağlıdır. Qaliley göstərdi ki, ətraf cisimlərin verilmiş cismə təsiri Aristotel mexanikasında qəbul olunduğu kimi onun sürətini deyil, təcilini təyin edir. Ətalət qanununun ilkin formada ifadəsi, mexanikadakı nisbilik prinsipinin kəşfi, cisimlərin sərbəstdüşmə təcilinin onların kütləsindən və sıxlığından asılı olmamasının eksperimental isbatı, Kopernik nəzəriyyəsinin təsdiqi Qalileyin adı ilə bağlıdır. O, həmçinin güclü böyütmə qabiliyyətinə malik teleskop yaradaraq bir çox astronomik kəşflər (Ayın səthindəki dağlar, Yupiterin peykləri və s.) etmişdir. Qaliley tərəfindən yaradılan ilk termometr istilik hadisələrinin kəmiyyətcə tədqiqinə yol açdı. Bu dövrlərdə qazların xassələrinin öyrənilməsində də nailiyyətlər əldə edildi. Belə ki, Qalileyin tələbəsi E. Torriçelli atmosfer təzyiqinin mövcudluğunu təsdiq etdi və ilk barometri yaratdı. R. Boyl və E. Mariott qazların elastiki sıxılma xüsusiyyətlərini tədqiq edərək onların adını daşıyan ilk qaz qanununu dürüst ifadə etdilər. V. Snellius və R. Dekart işığın sınma qanununu kəşf etdilər. Elə bu dövrlərdə mikroskop yaradıldı. Maqnit hadisələrinin tədqiqində yeni addım U. Gilbert tərəfindən atıldı. O isbat etdi ki, Yer böyük bir maqnitə bənzəyir və ilk dəfə olaraq elektrik və maqnit hadisələrinin ciddi fərqini izah etdi.

İsaak Nyuton (1643–1727). Onun hərəkət qanunları və ümumdünya cazibə qanunu klassik fizikanın təməllərini qoydu

17-ci əsrin ən böyük nailiyyəti klassik mexanikanın yaranması idi. İ. Nyuton Qalileyin, Х. Hüygensin və digər sələflərinin ideyalarını inkişaf etdirərək, "" (1687) əsərində mexanikanın bütün əsas qanunlarını sistemli şəkildə ifadə etdi. Klassik mexanikanın yaradılmasında ilk dəfə bu günə qədər də istifadə olunan elmi nəzəriyyə ideyası tətbiq olunmuşdur. Nyuton mexanikasının ən böyük nailiyyəti göy cisimlərinin hərəkətini izah edən ümumdünya cazibə qanununun yaradılması olmuşdur. Bu qanunun köməyilə Ayın, Günəş sisteminin planet və kometlərinin hərəkətini böyük dəqiqliklə hesablamaq, okeanlarda baş verən qabarma və çəkilmə hadisələrini izah etmək mümkün olmuşdur. Bu qanunu yaradarkən Nyuton uzağatəsir konsepsiyasına əsaslanmışdı. Bu konsepsiyaya görə boşluqda cisimlər (zərrəciklər) arasında qarşılıqlı təsir ani surətdə yayılır. Nyuton, həmçinin xassələrindən və hərəkət xüsusiyyətlərindən asılı olmayaraq, bütün materiyanın yerləşdiyi mütləq fəza və bir qərarla axan mütləq zaman kimi klassik anlayışları aydın surətdə ifadə etdi. Nisbilik nəzəriyyəsi yaranana qədər, fəza və zaman haqqında bu təsəvvürlər dəyişilməz qalmışdır. Elə bu dövrlərdə Hüygens və Q. Leybnits hərəkət miqdarının saxlanması qanununu kəşf etdilər; fiziki rəqqas nəzəriyyəsinin banisi Hüygens ilk rəqqaslı (kəfkirli) saatı yaratdı. Simli musiqi alətlərinin işləmə və qurulma prinsipinə elmi baxış, M. Mersenn tərəfindən dartılmış simin ossilyasiya tezliyinin qanunauyğunluqlarının kəşfindən sonra başlandı; Mersenn, həmçinin ilk dəfə səsin havadakı sürətini eksperimental yolla təyin etdi, Nyuton səs sürətinin düsturunu nəzəri yolla aldı. 17-ci əsrin 2-ci yarısından başlayaraq yeni teleskopların və optik cihazların quraşdırılması həndəsi optikanın, eləcə də fiziki optikanın sürətli inkişafına səbəb oldu. Fizik Qrimaldi işığın difraksiyasını kəşf etdi, Nyuton isə işığın dispersiyası üzrə fundamental tədqiqatlar apardı və bununla da optik spektroskopiyanın əsasını qoydu. 1676-cı ildə O. Römer ilk dəfə işığın sürətini ölçdü. Təxminən eyni vaxtda işığın fiziki təbiəti haqqında iki müxtəlif nəzəriyyə – korpuskulyar və dalğa nəzəriyyəsi inkişaf etməyə başladı. Nyutonun korpuskulyar nəzəriyyəsinə görə işıq, mənbədən çıxan və bütün istiqamətlər üzrə yayılan zərrəciklər selidir. Hüygensə görə isə işıq, bütün fəzanı dolduran və bütün cisimlərə nüfuz edən hipotetik mühitdə – efirdə yayılan dalğa selidir.

18-ci əsrdə klassik mexanikanın, əsasən də göy mexanikasının inkişafı daha da vüsət aldı. Uran planetinin hərəkətindəki kiçik anomaliyanın riyazi izahı, yeni planetin – Neptunun (1846-cı ildə kəşf edilmişdir) varlığını öncədən xəbər verməyə imkan vermişdir. Bu cür nailiyyətlər Nyuton mexanikasının dürüstlüyünə inamı artırdı və beləliklə də, dünyada baş verən bütün hadisələrin rəngarəngliyini, müxtəlifliyini cisimləri təşkil edən zərrəciklərin (atomların) Nyuton qanunlarına uyğun hərəkət xüsusiyyətləri ilə izah etməyə çalışan dünyanın vahid mexaniki modeli yaradıldı. Dünyanın bu cür təsviri uzun müddət fizikanın inkişafına öz təsirini göstərmişdi. Fiziki hadisənin elmi və tam izahı onun mexaniki qanunlara uyğunluq dərəcəsi ilə ölçülürdü.

Mexanikanın inkişafına təkan verən amillərdən biri də daim artan istehsalın tələbatları idi. Belə ki, L. Eyler və b. mütləq bərk cismin dinamikasını işləyib hazırladılar. Zərrəciklər və bərk cisimlər mexanikasının inkişafı ilə yanaşı, maye və qazlar mexanikası da inkişaf etdirilirdi. Artıq 18-ci əsrin 1-ci yarısında D. Bernulli, J. Laqranj, L. Eyler və b.-nın səyi nəticəsində ideal mayenin–özlülüyə və istilikkeçirməyə malik olmayan, sıxılabilməyən mayenin hidrodinamikasının əsasları qoyuldu. Laqranjın "Analitik mexanika"sında (1788) mexanikanın tənlikləri o dərəcədə ümumi şəkildə ifadə olunmuşdu ki, onları asanlıqla qeyri-mexaniki, məsələn, elektromaqnit proseslərə də tətbiq etmək mümkün oldu.

Fizikanın digər sahələrində də təcrübi məlumatların toplanması və sadə eksperimental qanunların tapılması prosesi inkişaf edirdi. Ş. Düfe iki növ elektrik yükünin mövcud olduğunu kəşf etmiş və göstərmişdir ki, eyni adlı yüklərə malik cisimlər bir-birini itələyir, müxtəlif adlı yüklərə malik cisimlər isə bir-birini cəzb edir. B. Franklin elektrik yükünün saxlanması qanununu, H. Kavendiş və ondan asılı olmayaraq Ş. Kulon sükunətdə olan elektrik yükləri arasındakı qarşılıqlı təsir qüvvəsini təyin edən elektrostatikanın əsas qanununu (Kulon qanununu) kəşf etdilər. Atmosferdə baş verən elektrik hadisələrinin tədqiqi ilə məşğul olan Franklin, G. Rixman, M. Lomonosov şimşək və ildırımın elektrik təbiətli olduğunu isbat etmişlər. Optika sahəsində P. Buger və İ. Lambert fotometriyanın əsasını qoydular; infraqırmızı (U. Herşel, U. Vollaston) və ultrabənövşəyi şüalar (İ. Ritter, Vollaston) kəşf olundu. İstilik hadisələrinin tədqiqində də nəzərəçarpacaq irəliləyişlər baş verdi; C. Blek tərəfindən gizli ərimə istiliyinin aşkar edilməsindən və kalorimetrik təcrübələrdə istiliyin saxlanmasının eksperimental isbatından sonra temperatur və istilik miqdarı anlayışlarının fərqləndirilməsinə başlandı. İstlik tutumu anlayışı elmə daxil edildi; istilikkeçirmə və istilik şüalanması hadisələrinin tədqiqi başlandı. Qeyd etmək lazımdır ki, bu dövrdə istiliyin təbiəti haqqında səhv təsəvvürlər – istiliyi qızmış cisimlərdən soyuq cisimlərə axa bilən məhvedilməz, çəkisiz xüsusi bir maye (kalorik) kimi qəbul edən də yarandı. İstiliyi, maddəni təşkil edən zərrəciklərin daxili hərəkətinin nəticəsi kimi qəbul edən Nyuton, R. Huk, Boyl, Bernulli və başqaları tərəfindən irəli sürülən isə müvəqqəti olaraq iflasa uğradı.

Klassik fizika

İşığın korpuskulyar və dalğa nəzəriyyələri arasındakı rəqabət, nəhayət 19-cu əsrin əvvəlində dalğa nəzəriyyəsinin qələbəsi ilə bitdi. Bunun əsas səbəblərindən biri T. Yunq və O. J. Frenel tərəfindən işığın difraksiyası və interferensiyası, eləcə də polyarizasiyası (işığın eninə dalğa olması) hadisələrinin dalğa nəzəriyyəsinin köməyilə inamlı izahı olmuşdu. Korpuskulyar nəzəriyyə bu hadisələri izah edə bilmirdi. İşığı elastiki mühitdə (efirdə) yayılan eninə dalğalar kimi təsəvvür edən Frenel, işıq dalğalarının bir mühitdən digərinə keçərkən sınan və qayıdan işıq sellərinin intensivliyini təyin edən qanunu və elecə də işığın ikiqat sınması nəzəriyyəsini yaratdı.

L. Qalvani və A. Volta tərəfindən elektrik cərəyanının kəşfi fizikanın inkişafı üçün böyük əhəmiyyət kəsb etdi. Güclü sabit elektrik cərəyanı mənbələrinin – qalvanik batareyaların yaranması elektrik cərəyanının müxtəlif təsirlərinin öyrənilməsinə təkan verdi. Elektrik cərəyanının kimyəvi təsiri H. Devi və M. Faradey tərəfindən tədqiq edildi. Elektrik cərəyanının maqnit əqrəbinə təsirininin kəşfi (H. K. Ersted, 1820) elektrik və maqnit hadisələri arasında sıx əlaqə olduğunu sübut etdi və bunun da əsasında A. Amper bütün maqnit hadisələrinin hərəkət edən yüklü zərrəciklərin – elektrik cərəyanının nəticəsi olduğunu isbat etdi. Bu tədqiqatlar nəticəsində Amper elektrik naqilləri arasında qarşılıqlı təsir qüvvəsinin qiymətini eksperimental yolla təyin etdi (Amper qanunu). 1831 ildə Faradey elektromaqnit induksiya hadisəsini kəşf etdi. Bu hadisəni uzağatəsir konsepsiyası ilə izah etmək cəhdləri uğursuz alındı. Bu kimi hadisələri izah etmək üçün Faradey (elektromaqnit induksiyası hadisəsinin kəşfindən öncә) yeni hipotez irəli sürür: elektromaqnit qarşılıqlı təsiri aralıq agent – elektromaqnit sahəsi vasitəsilə reallaşır (yaxınatəsir konsepsiyası). Bu hipotez materiyanın xüsusi növünün – elektromaqnit sahəsinin xassələri və qanunauyğunluqları haqqında yeni elmin formalaşmasına səbəb oldu.

19-cu əsrin əvvəlində C. Dalton maddənin ən kiçik bölünməz hissəsi olan atomlar haqqında təsəvvürləri elmə gətirdi (1803).

19-cu əsrin 1-ci rübündə bərk cisim fizikasının əsası qoyuldu. 17–18 və 19-cu əsrin əvvəllərində bərk cisimlərin (metalların, texniki materialların, mineralların və s.) makroskopik xassələri haqqında məlumatlar toplanıldı və xarici təsirlər (mexaniki qüvvələr, istilik, elektrik və maqnit sahələri, işıq və s.) olduqda bərk cisimlərin təbiətinə aid empirik qanunlar müəyyən edildi. Belə ki, elastiki xassələrinin tədqiqi Huk qanununun (1660), onların istilik xassələrinin tədqiqi istilik tutumu üçün Dülonq-Pti qanununun (1819), metalların elektrik keçiriciliyinin öyrənilməsi isə Om qanununun (1826) kəşfinə səbəb oldu. Bu dövrdə bərk cisimlərin elastiki xassələrinin ümumi nəzəriyyəsi işlənib hazırlandı (L. M. A. Navye 1819–26, О. L. Koşi, 1830), eləcə də bərk cisimlərin əsas maqnit xassələri haqqında elmi təsəvvürlər sistemləşdirildi. Qeyd etmək lazımdır ki, bu sahədə alınan nəticələrin əksəriyyətinin izahında bərk cismə səlt mühit (baxmayaraq ki, o dövrün əksər alimləri bilirdi ki, kristallar daxili mikroskopik struktura malikdir) kimi baxılırdı.

Təbiətdə baş verən bütün hadisələri əhatə edən enerjinin saxlanması qanununun kəşfi nəinki fizika, ümumiyyətlə təbiyyatşünaslıq üçün böyük əhəmiyyət kəsb etdi. 19-cu əsrin ortalarında istilik miqdarı və işin ekvivalentliyi təcrübi yolla isbat edildi və göstərildi ki, istilik enerjinin bir növüdür və onun izahı üçün hər hansı bir hipotetik substansiyaya – kalorikə ehtiyac yoxdur. Elə bu dövrlərdə Y. R. Mayer, C. Coul və G. Helmholts bir-birindən asılı olmayaraq enerjinin saxlanması və çevrilməsi qanununu kəşf etdilər. Enerjinin saxlanması qanunu termodinamikanın birinci qanunu adını alaraq istilik hadisələri nəzəriyyəsinin (termodinamikanın) əsas qanunu oldu.

Hələ bu qanunun kəşfindən öncə, S. Karno "Odun hərəkətvericici qüvvəsi və bu qüvvəni inkişaf etdirə bilən maşınlar haqqında düşüncələr" əsərində (1824) istilik nəzəriyyəsinin digər fundamental qanununun – termodinamikanın ikinci qanununun kəşfinə səbəb olan nəticələr almışdır. Bu qanunu R. Klauzius (1850) və U. Tomson (1851) öz işlərində dürüst ifadə etdilər. Təbiətdə baş verən istilik proseslərinin dönməzliyini sübut edən təcrübi faktların ümumiləşdirilməsindən doğan bu qanun, həm də mümkün energetik proseslərin istiqamətini də təyin edir. Termodinamikanın bir təlim kimi formalaşmasında J. L. Gey-Lüssakın tədqiqatlarının böyük rolu olmuşdur. Bu tədqiqatlara əsaslanaraq B. Klapeyron ideal qaz üçün hal tənliyini almış və sonralar D. Mendeleyev bu qanunu ümumiləşdirmişdir.

Termodinamikanın inkişafı ilə yanaşı istilik hadisələrinin molekulyar-kinetik nəzəriyyəsi inkişaf edirdi və çox keçmədən fiziki kəmiyyətlər arasında ehtimal xarakter daşıyan yeni tip qanunlar – statistik qanunlar kəşf edildi. Kinetik nəzəriyyənin ilkin inkişaf mərhələsində sadə mühit – qaz üçün Coul, Klauzius və b. müxtəlif fiziki kəmiyyətlərin orta qiymətlərini: molekulların sürətini, bir san. ərzində onların toqquşmalarının sayını, sərbəst qaçışyolunu və s. hesablamağa nail oldular. Qazın təzyiqinin vahid həcmdəki molekulların sayından və onların irəliləmə hərəkətinin orta kinetik enerjisindən asılılığını ifadə edən düstur alındı. İstilik hadisələrinə belə yaxınlaşma temperatur anlayışının fiziki mahiyyətini qaz molekullarının orta kinetik enerjisinin ölçüsü kimi xarakterizə etməyə imkan verdi. Molekulyar-kinetik nəzəriyyənin inkişafının ikinci mərhələsi C. K. Maksvellin işləri ilə başlandı. 1859 ildə о, ilk dəfə fizikaya ehtimal anlayışını gətirərək, molekulların sürətə görə paylanma qanununu kəşf etdi (bax Maksvell paylanması). Bundan sonra molekulyar-kinetik nəzəriyyənin imkanları daha da genişlənərək statistik mexanikanın yaranmasına səbəb oldu. L. Boltsman qazların kinetik nəzəriyyəsini yaratdı və termodina- mikanın qanunlarının statistik izahını verdi. Boltsman əsas bir problemin – ayrı-ayrı molekulların hərəkəti zamana görə dönən olduğu halda makroskopik proseslerin xarakter etibarilə dönməyən olması məsələsinin həllinə öz töhfəsini vermişdir. Boltsmana görə sistemin termodinamik tarazlıq halı bu halın maks. ehtimalına uyğundur, yəni proseslərin dönməzliyi sistemin daha çox ehtimallı hala keçməsi ilə bağlıdır. Qazı təşkil edən molekulların orta kinetik enerjisinin sərbəstlik dərəcələrinə görə bərabər paylanma teoremini də Boltsman isbat etmişdir. Termodinamik tarazlıqda olan istənilən sistem üçün paylanma funksiyasının hesablanma metodu C. Gibbs (1902) tərəfindən irəli sürülmüş və bununla da klassik statistik mexanikanın formalaşma prosesi başa çatmışdır. A. Eynşteyn və M. Smoluxovski J. B. Perren tərəfindən təcrübədə müşahidə edilmiş Broun hərəkətini molekulyar-kinetik nəzəriyyə əsasında kəmiyyətcə düzgün izah etdikdən sonra statistik mexanika 20 əsrdə hamılıqla qəbul edildi.

19-cu əsrin 2-ci yarısında elektromaqnit hadisələrinin uzunmüddətli öyrənilməsi prosesi Maksvell tərəfindən yekunlaşdırıldı. Belə ki, o, özünün "Elektrik və maqnetizm haqqında traktat" (1873) əsərində (onun adını daşıyan) elektromaqnit sahəsinin tənliklərinin köməyilə o dövrə qədər olan faktları vahid bir baxışdan izah etdi və hətta yeni hadisələrin mümkünlüyünü öncədən göstərdi. Maksvell elektromaqnit induksiya hadisəsini dəyişən maqnit sahəsi vasitəsilə burulğanlı elektrik sahəsinin yaranması prosesi kimi şərh etmişdir. O, həmçinin tərs effektin – dəyişən elektrik sahəsi vasitəsilə maqnit sahəsinin yaranmasının mümkünlüyünü də öncədən xəbər verdi. Maksvell nəzəriyyəsinin ən mühüm nəticəsi – elektromaqnit qarşılıqlı təsirinin yayılma sürətinin sonlu (işığın yayılma sürətinə bərabər) olmasıdır. Elektromaqnit dalğalarının H. Herts tərəfindən eksperimental müşahidəsi (1886–1889) Maksvellin nəzəriyyəsinin doğruluğunu təsdiq etdi. Onun nəzəriyyəsinə əsasən işığın elektromaqnit təbiətli olduğu aydın oldu. Beləliklə də, optika elektrodinamikanın bir bəhsinə çevrildi. Maksvellin nəzəriyyəsindən çıxan nəticələrdən biri də işıq selinin təzyiqə malik olması idi. 19-cu əsrin sonunda P. N. Lebedev bunu təcrübədə müşahidə etdi və işığın təzyiqini ölçdü, A. S. Popov G. Markoni isə elektromaqnit dalğalarını ilk dəfə naqilsiz ötürməyə nail oldular. Bu dövrdə Q. Kirxhof və P. Bunzen spektral analizin əsasını qoydular (1859). Akustikada elastiki rəqslər və dalğalar nəzəriyyəsi (Helmholts, C. U. Reley və b.) işlənib hazırlandı. Səlt mühitlər mexanikasının inkişafı davam edirdi. Aşağı temperaturların alınması texnikası yarandı. Heliumdan başqa bütün qazlar maye halında alındı; 20-ci əsrin başlanğıcında H. Kamerlinq-Onnes (1908) heliumu da maye halina çevirə bildi.

Relyativist və kvant fizikası. Nüvə və elementar zərrəciklər fizikası

Maks Plank (1858–1947), kvant mexanikasının banisi

C. Tomson tərəfindən 1897 ildə elektronun kəşfi fizikanın inkişafında yeni dövr oldu. Aydın oldu ki, atomlar elementar zərrəcik olmayıb, daxilində elektronlar da olan mürəkkəb sistemlərdir. Bu kəşfin yaranmasında qazlarda elektrik boşalmalarının tədqiqinin böyük rolu oldu. 19-cu əsrin sonu – 20-ci əsrin başlanğıcında H. Lorens elektron nəzəriyyəsinin əsasını qoydu.

Albert Eynşteyn (1879–1955). Onun fotoelektrik effekti və nisbilik nəzəriyyəsi üzərindəki işləri 20-ci əsr fizikasında inqilaba səbəb oldu

20-ci əsrin əvvəlində bəlli oldu ki, elektrodinamikanın izahı üçün Nyutonun klassik mexanikasının əsasında duran məkan və zaman haqqında təsəvvürlərin köklü surətdə dəyişdirilməsinə ehtiyac var. 1905-ci ildə A. Eynşteyn məkan və zaman haqqında yeni təlim – xüsusi nisbilik nəzəriyyəsini yaratdı. Bu nəzəriyyənin yaranmasında Lorens və H. Puankarenin əsərlərinin böyük rolu olmuşdur. Qalileyin nisbilik prinsipinə əsasən bütün inersial hesablama sistemlərində mexaniki hadisələr eyni cür baş verir. Hesab edilirdi ki, elektromaqnit hadisələri də bu prinsipə tabe olmalıdır və ona görə də Maksvell tənliklərinin forması bir inersial sistemdən digərinə keçərkən dəyişməməlidir (invariant qalmalıdır). Lakin tədqiqatlar göstərdi ki, elektromaqnit hadisələri Qalileyin nisbilik prinsipinə uyğun gəlmir. Maksvell tənliklərinin invariant qalması üçün koordinat və zamana görə çevrilmə düsturları Lorents tərəfindən tapılsa da o, bu çevrilmələrə düzgün interpretasiya verə bilməmişdi. Eynşteyn öz xüsusi nisbilik nəzəriyyəsinin köməyilə bu məsələyə aydınlıq gətirdi. Xüsusi nisbilik nəzəriyyəsinin kəşfi dünyanın mexaniki modelinin məhdudluğunu göstərdi və elektromaqnit proseslərini hipotetik mühit olan efirdə baş verən mexaniki proseslərlə izah etmək cəhdlərinin mənasız olduğunu isbat etdi. Beləliklə də elektromaqnit sahəsinin materiyanın xüsusi növü olduğu və mexanika qanunlarına tabe olmadığı elmə bəlli oldu. 1916 ildə Eynşteyn məkan, zaman və qravitasiya anlayışlarına vahid bir mövqedən yanaşaraq, onları vəhdət şəklində ehtifa edən fiziki nəzəriyyəni – ümumi nisbilik nəzəriyyəsini yaratdı.

20-ci əsrin astanasında kvant nəzəriyyəsinin yaranması və inkişafı ilə əlaqədar olaraq fizika sahəsində çox böyük dəyişikliyin əsası qoyuldu. Hələ 19-cu əsrin sonlarında məlum oldu ki, enerjinin sərbəstlik dərəcələrinə görə bərabər paylanmasını qəbul edən klassik statistik fizika istilik şüalanmasının spektri ilə bağlı təcrübi faktları izah edə bilmir. Mövcud nəzəriyyəyə görə cisim istənilən temperaturda elektromaqnit dalğaları şüalandırmalı və beləliklə də, mütləq sıfır temperatura qədər soyumalı idi, yəni maddə ilə şüalanma arasında istilik tarazlığı mümkün deyil. Lakin gündəlik təcrübə bunun əksini göstərirdi. Çıxış yolunu 1900-cü ildə M. Plank tapdı. O göstərdi ki, atomların buraxdığı elektromaqnit enerjisinin (klassik elektrodinamikaya uyğun olaraq) kəsilməz yox, ayrı-ayrı porsiyalar – kvantlar şəklində şüalandırıldığını qəbul etsək, təcrübi faktları izah etmək olar. Hər bir kvantın enerjisi şüalanmanın tezliyi ilə düz mütənasibdir; sonralar Plankın şərəfinə Plank sabiti kimi adlandırılan bu mütənasiblik əmsalına təsir kvantı (h = 6,626·10^–34C·san) deyilir. 1905-ci ildə Eynşteyn Plankın hipotezini genişləndirərək göstərdi ki, elektromaqnit enerjisi nəinki porsiyalarla şüalandırılır, o, həmçinin porsiyalarla udulur və beləliklə, o özünü zərrəcik kimi (sonralar bu foton adlandırıldı) aparır. Eynşteyn klassik elektrodinamika ilə izah edilə bilməyən fotoeffekt hadisəsini də bu hipotez əsasında izah etdi. Beləliklə, artıq keyfiyyətcə yeni bir səviyyədə işığın korpuskulyar nəzəriyyəsi yaradıldı. İşığın təbiətində olan dualizm onu bir tərəfdən zərrəciklər (korpuskullar) seli, digər tərəfdən isə dalğa (interferensiya, difraksiya) kimi interpretasiya etməyə imkan verir. Elektromaqnit şüalanmasının "kvantlanmasına" əsasən 1913-cü ildə N. Bor belə nəticəyə gəldi ki, atomdaxili proseslərin enerjisi də sıçrayışla dəyişməlidir. Borun bu nəticəsi Rezerfordun atom modelini izah etməyə imkan verdi. Belə ki, 1911-ci ildə E. Rezerford alfa-zərrəciklərin maddədən səpilməsini eksperimental tədqiq edərək atomun planetar modelini yaratdı. Bu modelə görə elektronlar nüvə ətrafında, planetlər Günəş ətrafında fırlandığı kimi fırlanır. Lakin Maksvellin elektrodinamikasına görə belə atom dayanıqlı ola bilməz, çünki elliptik orbitlər üzrə təcillə hərəkət edən elektronlar daim elektromaqnit şüalar buraxmalı, enerji itirməli və nüvəyə yaxınlaşaraq təxminən 10^–8 san ərzində onun üzərinə düşməlidir. Klassik qanunlar çərçivəsində atomların dayanıqlığını və onların xətti, diskret spektrini izah etmək mümkün deyildi. Bu çətin vəziyyətdən çıxışı yolunu Bor göstərdi. Onun irəli sürdüyü postulata əsasən atomlar xüsusi stasionar hallarda olur və bu vəziyyətdə elektronlar enerji şüalandırmır. Şüalanma ancaq bir stasionar haldan digərinə keçərkən baş verir. C. Frank və H. Hertc (1913–14) tərəfindən elektrik sahəsində sürətləndirilmiş elektronlarla atomların toqquşmasının tədqiqi atomların enerji spektrinin diskret olduğunu sübut etdi. Ən bəsit atom olan hidrogen üçün Bor şüalanma spektrinin təcrübə ilə uzlaşan kəmiyyət nəzəriyyəsini yaratdı.

Bu dövrlərdə bərk cisim fizikasına çoxlu sayda (~10²²sm^–3) zərrəciklərdən ibarət kondensasiyalanmış sistem kimi müasir bir baxış formalaşmağa başladı. 1925-ci ilə qədər bərk cisim fizikası iki istiqamətdə inkişaf edirdi: kristallik qəfəsin fizikası və kristalların (əsasən metalların) elektron fizikası. Sonralar bu istiqamətlər kvant nəzəriyyəsi əsasında bir-biri ilə qovuşdu. Kristallar – fəzada nizamla düzülmüş və qarşılıqlı təsir qüvvələrinin köməyilə tarazlıqda olan atomlar çoxluğu haqqında təsəvvürlər artıq 20-ci əsrin əvvəllərində tam formalaşdı. 19-cu əsrin sonunda E. S. Fyodorov kristalların strukturu və simmetriyası sahəsində apardığı işlərlə nəzəri kristalloqrafiyanın əsasını qoydu; o, 1890–91-ci illərdə kristallar üçün 230 simmetriya qrupunun – kristallik qəfəsdə atomların nizamlı düzülüş növlərinin (Fyodorov gruplarının) mümkünlüyünü isbat etdi. 1907 ildə Eynşteyn, eyni tezlikli kvant harmonik ossilyatorlarının toplumu kimi qəbul olunan kristal modelinə əsasən, Dülonq-Pti qanunu ilə ziddiyyət təşkil edən, lakin təcrübədə müşahidə olunan bərk cisimlərin istilik tutumlarının temperaturun aşağı düşməsi ilə azalması hadisəsini izah edir. 1912 ildə M. Laue əməkdaşları ilə birlikdə kristallarda rentgen şüalarının difraksiyasını kəşf etdi və kristalların nizamlı atom quruluşuna malik olduğunu qəti olaraq təsdiqlədi. Bu kəşf əsasında kristallarda atomların yerləşmə qanunauyğunluqlarının və atomlararası məsafələrin eksperimental təyini metodikası işlənib hazırlandı və U. L. Breqq, U. H. Breqq (1913) və G. Vulfun (1913) apardığı tədqiqatlar nəticəsində rentgen quruluş analizi metodu yaradıldı. 1907–14-cü illərdə artıq kvant təsəvvürlərinə əsaslanan kristallik qəfəsin dinamik nəzəriyyəsi işlənib hazırlandı. Kristallik qəfəsi, bir-birilə bağlı müxtəlif tezlikli kvant ossilyatorlarının toplumu kimi təqdim edən daha mükəmməl dinamik nəzəriyyə P. Debay (1912), M. Born, T. Karman (1913) və E. Şredinger (1914) tərəfindən daha da inkişaf etdirildi.

Elektronun kəşfindən sonra metalların elektron nəzəriyyəsi inkişaf etməyə başladı. Bu nəzəriyyədə metal daxilindəki elektronlara, kristallik qəfəsi dolduran və klassik Boltsman statistikasına tabe olan adi seyrəldilmiş molekulyar qazabənzər sərbəst elektronlar kimi baxılırdı. Elektron nəzəriyyəsinin köməyilə Om və Videman-Frants qanunlarnı izah etmək (P. Drude) mümkün oldu və kristallarda işığın dispersiya nəzəriyyəsinin əsası qoyuldu. Lakin bir çox faktlar klassik elektron nəzəriyyəsinin köməyilə izah edilə bilmədi. Belə ki, metalların xüsusi müqavimətinin temperatur asılılığı, eləcə də elektron qazının metalların istilik tutumunda payının cüzi olması faktı izahsız qaldı. Yalnız kvant mexanikasının bu məsələlərə tətbiqindən sonra həmin qaranlıq məqamlara aydınlıq gətirildi.

20-ci əsrin 20-ci illərində mikrozərrəciklərin hərəkətini və həmçinin makroskopik cisimlərdə baş verən bir çox fiziki hadisələri ardıcıl, məntiqi surətdə izah edə bilən və müasir nəzəriyyələrdən ən dərini və mükəmməli olan kvant (və ya dalğa) nəzəriyyəsi yaradıldı. Kvant nəzəriyyəsinin əsasını Plank-Eynşteyn-Borun kvantlanma ideyası və həmçinin L. de Broyl tərəfindən irəli sürülmüş hipotez (1924) – korpuskulyardalğa dualizmi nəinki elektromaqnit şüasına (fotonlara), ümumiyyətlə, materiyanın istənilən növünə şamil olunur, hipotezi təşkil edirdi. Bu hipotezə görə bütün mikrozərrəciklər (elektronlar, protonlar, atomlar və s.) korpuskulyar xassələrlə yanaşı dalğa keyfiyyətlərinə də malikdir: hər bir zərrəciyə müəyyən λ dalğa uzunluqlu (λ = h/p, burada h – Plank sabiti, p – zərrəciyin impulsudur) və ν tezlikli (ν = E/h, E – zərrəciyin enerjisidir) dalğa uyğun gəlir. De Broyl dalğaları sərbəst zərrəcikləri təsvir edir. 1927-ci ildə elektronların difraksiyasının eksperimental müşahidə olunması onların dalğa təbiətinə malik olduğunu sübut etdi. Sonralar digər mikrozərrəciklərdə (о cümlədən molekullarda) də difraksiya hadisəsi müşahidə olundu (bax Zərrəciklərin difraksiyası).

Albert Eynşteyn, Verner Heyzenberq, Maks Plank, Hendrik Lorens, Nils Bor, Mariya Küri, Ervin Şredinger və Pol Dirak kimi görkəmli fiziklərin iştirakı ilə 1927-ci il Solvey Konfransı

1925-ci ildə V. Heyzenberq və M. Born xüsusi riyazi aparatın köməyilə kvant hadisələrini izah edən matris mexanikasını qurdular. 1926 ildə atomun diskret energetik spektrini dalğavarı tənliklərlə izah etməyə çalışan Şredinger kvant mexanikasının əsas tənliyini aldı.

1925-ci ildə C. Y. Ulenbek və S. A. Qaudsmit spektroskopik eksperimentlər vasitəsilə elektronun məxsusi hərəkət miqdarı momentinə – spinə (eləcə də onunla bağlı məxsusi spin maqnit momentinə) malik olduğunu kəşf etdilər. Spinin ölçüsünü adətən, ћ = h /2π vahidi ilə ifadə edirlər; bu vahid ilə elektronun spini 1/2-ә bərabərdir. V. Pauli qeyri-relyativist elektronun xarici elektromaqnit sahəsində maqnit sahəsi ilə spin maqnit momentinin qarşılıqlı təsirini nəzərə almaqla hərəkət tənliyini aldı. O, həmçinin bir kvant halında yalnız bir elektronun yerləşə bilməsi haqqında prinsipi (Pauli prinsipi) formulə etdi (1925). Çoxlu zərrəciklərdən ibarət sistemlərin kvant nəzəriyyəsinin qurulmasında Pauli prinsipinin mühüm əhəmiyyəti olmuşdur. Belə ki, onun köməyilə çoxelektronlu atomlarda elektron örtüklərinin və qatlarının elektronlarla dolma qanunauyğunluqlarını və beləliklə də, Mendeleyevin elementlərin dövri sistemini nəzəri izah etmək mümkün oldu.

1928-ci ildə P. A. M. Dirak elektronun hərəkətinin kvant relyativist tənliyini aldı. Bu tənlikdən elektronun spinə malik olduğu təbii surətdə çıxırdı. Həmin tənlik əsasında 1931-ci ildə Dirak pozitronun (ilk antizərrəciyin) mövcudluğunu öncədən xəbər verdi və 1932-ci ildə K. D. Anderson kosmik şüalarda bu zərrəciyi kəşf etdi (protonun və neytronun antizərrəcikləri olan antiproton və antineytron, uyğun olaraq, 1955-ci və 1956-cı illərdə eksperimental olaraq kəşf olundu).

Kvant mexanikası ilə yanaşı, kvant statistikası da inkişaf edirdi. 1924-cü ildə hind fiziki Ş. Boze kvant statistikasının prinsiplərini spini 1 olan fotona tətbiq edərək, tarazlıqda olan şüalanmanın enerji spektrini ifadə edən Plank düsturunu, Eynşteyn isə bu prinsiplərin köməyilə ideal qazın molekullarının enerjiyə görə paylanmasını ifadə edən formulu (Boze-Eynşteyn statistikasını) aldı.

1926-cı ildə Dirak və italyan fiziki E. Fermi göstərdilər ki, elektronlar çoxluğu və 1/2 spinə malik digər zərrəciklər üçün fərqli statistik paylanma qanunu – Fermi-Dirak statistikası tətbiq olunmalıdır. Kvant statistikası bərk cisim fizikasının inkişafında çox mühüm rol oynadı. 1929-cu ildə İ. E. Tamm kristal atomlarının istilik hərəkətinə kvazi- zərrəciklərin – fononların toplusu kimi baxmağı təklif etdi. Belə yaxınlaşma aşağı temperaturlarda temperaturun azalması ilə metalların istilik tutumunun ~T³ qanununa əsasən azalmasını izah etdi və həmçinin metalların elektrik müqavimətinin əsas səbəbinin elektronların fononlardan səpilməsi olduğunu göstərdi.

1928-ci ildə alman fiziki A. Zommerfeld metallarda köçürmə proseslərini izah etmək üçün Fermi-Dirak paylanma funksiyasından istifadə etdi. Bu addım bərk cisimlərdə kinetik hadisələrin (elektrik və istilikkeçirmə, qalvanomaqnit, termoelektrik və s. effektlər) kvant nəzəriyyəsinin inkişafına təkan verdi. Pauli prinsipinə görə hətta mütləq sıfırda belə metal daxilindəki elektronların ümumi enerjisi sıfırdan fərqlidir, yəni həyәcanlanmamış vəziyyətdə bütün enerji səviyyələri sıfır səiyyəsindən başlayaraq müəyyən bir maksimal qiymətə (Fermi səviyyəsinə) qədər elektronlarla tutulmuş olur. Bu modelin köməyilə Zommerfeld metallarda elektronların istilik tutumuna verdiyi payın kiçikliyini izah etdi: qızdırılarkən ancaq Fermi səviyyəsi yaxınlığındakı həyacanlanmış elektronlar istilik tutumuna pay verir.

1928–34-cü illərdə F. Blox, H. A. Bete və L. Brillüen tərəfindən kristalların zona energetik strukturu nəzəriyyəsi yaradıldı və bu nəzəriyyənin köməyilə dielektriklərin və metalların elektrik xassələri asanlıqla izah olundu. 1928-ci ildə Y. İ. Frenkel və Heyzenberq göstərdilər ki, ferromaqnetizm kvant mübadilə qarşılıqlı təsiri əsasında baş verir; 1932–33-cü illərdə fransız fiziki L. Neel və ondan asılı olmayaraq L. D. Landau antiferromaqnetizmin mövcudluğunu öncədən xəbər verdilər.

Kamerlinq-Onnes tərəfindən ifratkeçiriciliyin (1911) və P. L. Kapitsa tərəfindən maye heliumda ifrataxıcılığın (1938) kəşfi kvant statistikasında yeni metodların inkişafına təkan verdi: Landau tərəfindən ifrataxıcılığın fenomenoloji nəzəriyyəsi (1941), daha sonra isə Landau və V. L. Ginzburq tərəfindən ifratkeçiriciliyin (1950) fenomenoloji nəzəriyyəsi yaradıldı.

20-ci əsrin 50-ci illərində çoxzərrəcikli sistemlərin statistik kvant nəzəriyyəsinə yeni, güclü hesablama metodlarının tətbiqi C. Bardin, L. Kuper, C. Şriffer (ABŞ) və N. N. Boqolyubov (SSRİ) tərəfindən ifratkeçiriciliyin mikroskopik nəzəriyyəsinin yaranmasına gətirib çıxardı.

20-ci əsrin 2-ci rübündə atom nüvəsinin strukturunun öyrənilməsi və elementar zərrəciklər fizikasının yaradılması sahəsində xeyli irəliləyiş oldu. Rezerford tərəfindən atom nüvəsinin kəşfindən öncə 19-cu əsrin sonlarında radioaktivlik hadisəsi (A. Bekkerel, P. və M. Küri, Fransa), 20-ci əsrin əvvəlində izotoplar kəşf olundu. 1919-cu ildə Rezerford stabil azot nüvələrini a-zərrəciklərlə bombardman etməklə onları oksigen nüvələrinə çevirə bildi. 1932 ildə C. Çedvik tərəfindən neytronun kəşfi nüvənin müasir proton-neytron modelinin (D. D. İvanenko, Heyzenberq) yaranmasına səbəb oldu. 1934-cü ildə fransız fizikləri İ. və F. Jolio-Kürilər süni radioaktivlik hadisəsini kəşf etdilər. Yüklü zərrəciklərin sürətləndiricilərinin kəşfi müxtəlif nüvə reaksiyalarının öyrənilməsinə imkan yaratdı. Nüvənin bölünməsi kəşf olundu. 1939–45-ci illərdə ilk dəfə ²³⁵U nüvələrinin zəncirvarı reaksiyası hesabına nüvə enerjisinin ayrılması baş verdi və atom bombası yaradıldı.

Nüvə fizikasının inkişafı ilə yanaşı 20-ci əsrin 30-cu illərindən elementar zərrəciklər fizikasının da sürətli inkişafı başladı. Belə ki, müonlar, pi-mezonlar, K-mezonlar və ilk hiperonlar kəşf edildi. Yüklü zərrəciklər sürətləndiricilərinin gücü artdıqca yeni elementar zərrəciklərin kəşfi, onların xassələri və qarşılıqlı təsir xüsusiyyətlərinin öyrənilməsi prosesi daha da sürətləndi. Bir çox yeni zərrəciklərlə yanaşı, orta yaşama müddəti 10^–22 –10^–24 san olan hədsiz dərəcədə qeyri-stabil zərəciklər – rezonanslar kəşf edildi və iki növ neytrinonun mövcudluğu eksperimental olaraq təsdiq edildi. Elementar zərrəciklərin qarşılıqlı çevriləbilmə qabiliyyəti, onların mütləq mənada elementar olmadıqlarını və mürəkkəb daxili struktura malik olduqlarını göstərdi. Elementar zərrəciklərin və onların qarşılıqlı təsir mexanizmlərinin ardıcıl, məntiqi izahı hələ də yetkinlik dərəcəsinə çatmamış kvant sahə nəzəriyyəsinin işidir.

1917-ci ildə şüalanma prosesinin kvant nəzəriyyəsini irəli sürən Eynşteyn məcburi şüalanma mexanizminin mümkünlüyünü göstərmişdi. 50-ci illərdə kvant sistemləri vasitəsilə elektromaqnit dalğalarının generasiyası və gücləndirilməsi sahəsində aparılan intensiv tədqiqatlar N. G. Basov, A. M. Proxorov və onlardan asılı olmayaraq Ç. Tauns (1964 ildə bu üç alim Nobel mükafatına layiq görülmüşlər) tərəfindən mikrodalğalı molekulyar kvant generatorunun (mazerin) və 60-cı illərdə lazerin – görünən işıq diapazonunda işləyən kvant genera-torunun yaranmasına səbəb oldu.

Müasir sürətləndiricilərin yaradılması və elementar zərrəciklərin müşahidə üsullarının təkmilləşdirilməsi yüksək enerjilər fizikasının yaranmasına səbəb oldu. Yüksək enerjilər fizikasının inkişafı adronların kvarklardan təşkil olunduğu, güclü qarşılıqlı təsirin qlüonlarla daşındığı fərziyyələrinin doğruluğuna inamı artırdı, zəif qarşılıqlı təsiri daşıyan W± (1982) və Zº (1983) mezonlarının təcrübədə kəşfinə gətirib çıxardı.

Fizika müasir dövrdə

Mikrofizikanın inkişafı

Elementar zərrəciklərin standart modeli

Müasir bilik səviyyəsinə görə elementar və ya fundamental zərrəciklər elə zərrəciklərə deyilir ki, onlar daha sadə zərrəciklərdən ibarət deyil. Çoxsaylı eksperimentlər, uyğun anti-hissəcikləri nəzərə almasaq, 12 elementar fermion (lepton) və 4 massiv vektor bozonu aşkar etməyə imkan vermişdir.

Elementar fermionlar – 6 növ və ya ətirlər, kvarklar 3 nəsildə birləşmiş və dünya yaranışının "kərpiclərini" təşkil edir. Konfaynmentə görə kvarklar sərbəst izoləolunmuş zərrəciklər şəklində mövcud deyil, onlar qlüonlar vasitəsilə adronlar şəklində (nuklonlar və mezonlar) birləşir. Beləliklə, vektor bozonları "kərpic"ləri bir-birinə "yapışqan" rolunu oynayır, yəni bozonlar fundamental qarşılıqlı təsiri ötürür. Təbiətdə "protokvark"ların və ya preonların olması haqqında hipotez mövcud olsa da, o hələ təsdiqlənməyib. Kvarklar üçün adətən birölçülü sim nəzəriyyəsi modeli qəbul olunur. Böyük enerjilərdə maddənin yeni halı – kvark-qlüyon plazması meydana çıxır.

Həllini hələ Eynşteynin arzuladığı mikrofizikanın əsas məsələlərindən biri Kainatda məlum olan bütün 4 fundamental qarşılıqlı təsir növünü: qravitasiya, elektromaqnit, zəif və güclü qarşılıqlı təsiri özündə birləşdirən vahid sahə nəzəriyyəsinin yaradılmasıdır. Belə nəzəriyyənin yaranması elmin bütün sahələrində fundamental sıçrayış ola bilərdi. Hazırda zəif qarşılıqlı təsirin etibarlı yoxlanmış nəzəriyyəsi, güclü qarşılıqlı təsiri kvark-qlüon hipotezi təsvir edən kvant xromodinamikası yaradılmışdır.

Piter Hiqqs, 1964-cü ildə 125 QeV kütləli yeni bir bozonun mövcudluğu ideyasını irəli sümüşdür

Kvark-qlüyon hipotezini və güclü qarşılıqlı təsir nəzəriyyəsinin birləşməsini standart model adlandırmaq qəbul edilmişdir. Bu modelin əsas tərkib hissəsi, mövcudluğu 1964-cü ildə P. Hiqqs tərəfindən əvvəlcədən söylənilmiş, kütləsi 125 QeV olan Hiqqs bozonudur. Hiqqs bozonu eksperimental olaraq 2012-ci ilin iyul ayında Böyük Adron Kollayderində (Large Hadron Collider; CERN) müşahidə olunmuşdur; nəticə 2013-cü ilin martında dəqiq təsdiq olunmuşdur. Bu bozonun fundamental rolu ondan ibarətdir ki, müasir təsəvvürlərə görə elementar zərrəciklərin kütləsinin yaranma mexanizmi Hiqqs bozonu ilə qarşılıqlı təsir nəticəsində simmetriyanın spontan pozulmasıdır.

Mikrofizikanın ən aktual məsələsi – bütün fundamental qarşılıqlı təsirlərin sonrakı unifikasiyası və standart modeldən mövcud zərrəcikləri – fermionları və bozonları vahid şəkildə təsvir edən Böyük birləşməyə keçiddir. Bu ümumiləşmə çərçivəsində Kainatın barion asimmetriyası, neytrinonun kiçik sükunət kütləsi, elektrik yükünün kvantlanması, həmçinin, P. Dirak tərəfindən qabaqcadan söylənmiş maqnit monopolunun mövcudluğunu izah etmək olar. Böyük birləşmənin xeyrinə ən inandırıcı sübut – çox nadir hadisə olan, protonun (protonun yaşama müddəti 1.6∙10³³ il təxmin edilir) pozitrona və -mezona parçalanmasını aşkar etmək olardı.

Mikrofizikada mühüm istiqamətlərdən biri də standart modelin supersimmetrik genişlənməsidir, burada hər bir fermiona uyğun ona supersimmetrik olan bozon qoyulur. Yeni zərrəciklər çox böyük kütləyə malik olmalıdır, bu isə onları müşahidə etməyi çətinləşdirir. Lakin 2015 ildə Böyük Adron Kollayderində 700 QeV kütləli yeni zərrəciyin 2 fotona parçalanması müşahidə olundu, bu isə Hiqqs bozonunun supersimmetrik partnyorunun olmasına işarə ola bilər.

Makrofizikanın inkişafı

Ən çox obyektləri əhatə etdiyinə və maksimal sayda praktiki tətbiqlərinə görə makrofizika hazırda fizikanın ən intensiv inkişaf edən sahəsidir. Atom nüvəsi fizikasını makrofizikaya aid etmək olar, çünki bir çox xassələrinə görə, xüsusilə ağır və ifratağır kimyəvi elementlərin nüvəsi maye damcısına oxşardır. Ağir nüvələrin süni sintezi – müasir makrofizikanın əsas məsələlərindən biridir; 2016-cı il üçün atom nömrəsi 118-ә qədər olan elementlər sintez olunub. Həmçinin qeyri-adi (qeyri-sferik) formalı ekzotik nüvələr, adron atomları (məsələn, protondan və antipro- tondan ibarət olan atom), sıxlığı adi nüvə sıxlığından (≈ 3∙10¹⁷ kq/m³) böyük olan nüvələr və s. öyrənilir.

İdarəolunan termonüvə sintezi (İTS) ən çox təcrübi maraq doğuran problemdir. Onun həlli insanların enerji ehtiyaclarını təmin edə bilər. 2016-cı il üçün 1950-ci ildə İ. Y. Tamm və A. D. Saxarov tərəfindən təklif olunmuş tokamakda plazmanın temperaturu təqr. 1,5∙10⁷ K-ә çatmış və tədqiqatlar Beynəlxalq eksperimental termonüvə reaktoru ITER (İnternational Thermonuclear Experimental Reactor, Kadaraş, Fransa; planlaşdırılmış işəsalma müddəti – 2025-ci il) layihəsi çərçivəsində davam etdirilir.

Makrofizikanın inkişafının digər istiqaməti – aşağı temp-lar fizikasıdır. Maye ⁴He-də ifrataxıcılıq (P. L. Kapitsa, 1938) və Hg-da ifratkeçiricilik (H. Kamerlinq-Onnes, 1911) kimi makroskopik kvant hadisələri öyrənilib. 1986 ildə yüksəktemperaturlu (T_böh.≈100 K) ifratkeçiricilik kəşf olunmuşdur (Y. Q. Bednorts, K. A. Müller). Hazırda qarşıda duran əsas məsələ böhran temperaturu T_böh.≈ 300 K (otaq temperaturu) olan ifratkeçiricilərin alınmasıdır. Onun həlli energetikada çevriliş edə bilər. 1970 illərdə təqr. 300 mkK temp-larda mövcüd olan və unikal anizotrop maqnit ifrataxıcı maye və maye kristal xassələrinə malik ifrataxıcı ³He kəşf olunmuşdur. 2016 il üçün əldə edilmiş rekord aşağı temperatur diapazonu – pikokelvindir (10^–12 K).

Müasir dövrdə makrofizikanın maraqları nizamlı və nizamsız (həm bircins, həm də legirəolunmuş) bərk cisimlərdən (hard matter) maddənin digər müxtəlif (praktik olaraq hüdudsuz) formalarının (soft matter) tədqiqinə yönəlmişdir. Bu qəbildən olan maddələrə maye kristallar, polimerlər (o cümlədən biopolimerlər), kolloidlər və digər dispers sistemlər, metallik hidrogen, qrafen, qrafan, fulleronlar və müxtəlif heterostrukturlar (J. Alfyorov, H. Kremer; 2000 il Nobel mükafatı laureatları) və s. misal göstərmək olar. Bu cür fiziki obyektlərdən informasiyanın emalı və təsviri üçün lazım olan sistemlərin, eləcədə inteqral elektron sxemlərinin elementlərinin yaradılmasında istifadə olunur. Nanoelektron elementlərin hazırlanmasında yüksək elektrikkeçiricilik və mexaniki xassələrə malik materialların – karbonun yeni allotropik modifikasiyalarının, məsələn, yarımkeçirici xassələr sərgiləyən fulleronların (onlar leqirə olunduqda ifratkeçiricilik xassələrinə də malik olur), eləcədə nanoboruların alınması və tədqiqi üzrə aktiv araşdırmalar aparılır. Nanoelektronikanın gələcək inkişafına təkan verəbiləcәk material kimi karbonun ikiölçülü modifikasiyası olan qrafen – heksoqonal ikiölçülü kristallik qəfəsə malik bir atom qalınlıqlı laydan ibarət struktur – xüsusi maraq doğurur, çünki o, yüksək mexaniki sərtliyə, rekord yüksək istilik keçiriciliyinə və ən yüksək elektron yürüklüyünə malikdir.

Maddənin (yeni) aqreqat hallarından biri olan Boze-Eynşteyn kondensatının (BEK) – mütləq sıfır temperaturuna yaxın (T <10^–6 K) soyudulmuş bozon qazının – alınması, maqnit tələlərində saxlanması (H. Demelt, V. Pauli, Nobel mükafatı, 1989) və fiziki xassələrinin tədqiqi makrofizikanın müasir inkişafında önəmli yer tutur; 2010-cu ildə məhdud optik rezonatorda fotonların BEK-ını müşahidə etmək mümkün olmuşdur. Bu nailiyyətlərin əldə edilməsi lazer şüaları vasitəsilə atomların "tutulması" və soyudulması metodlarının yaradılmasından sonra (K. Koen-Tannuci, Nobel mükafatı, 1997) mümkün olmuşdur.

Çoxqatlı strukturlarda layların müxtəlif fiziki xassələrinin məqsədyönlü seçməklə – məsələn,, spintronikanın (maqnit və qeyri-magnit laylar ardıcıllığı), Cozefson elektronikasının (normal və ifratkeçirici laylar ardıcıllığı; bax Cozefson effekti), molekulyar elektronikanın (molekul elektronikası) prinsiplərinə, eləcə də DNT fraqmentlərindən istifadəyə əsaslanmış yeni tip elektron cihazları yaratmaq olar. İkiölçülü cozefson kontaktlar şəbəkəsindən kvant kompüterlərində istifadə oluna biləcәk yeni tip (assosiativ) yaddaş qurğuları yaratmaq olar.

Bütün nanoquruluşlu funksional elektron qurğularında makroskopik kvant effektləri özünü büruzə verir. Gələcəkdə elə kvant hədlərinə çatmaq olar ki, burada ancaq bir elektron, bir spin, enerjinin, maqnit selinin və s. bir kvantı "işləsin". Bu hüdudlar çərçivəsində perspektiv kompüterlərin əsas parametrləri indiki kömpüterlərin uyğun parametrlərindən – işləmə tezliyindən (sürətindən) 1THs, informasiyanın yazılma sıxlığından ~10³Tbit·sm^–2 – dəfələrlə üstün, enerji istehlakı isə dəfələrlə az olacaqdır.

Meqafizikanın inkişafı

Meqafizikanın inkişafı, ilk baxışdan paradoksal görünsə də, mikrofizikanın problemləri ilə, hər şeydən əvvəl kosmoloji problemlə – Kainatın yaranması və intibahı ssenarisi problemi ilə ən sıx şəkildə əlaqəlidir. Hazırda sonrakı inflyasiya mərhələsi ilə Böyük partlayış haqqında təsəvvür hamı tərəfindən qəbul edilmişdir.

Təkamülün ən ilkin mərhələsi (10^–3 saniyədən az müddət) və həmçinin 10^–35 saniyədən az müddətdə başlanğıc kosmoloji sinqulyarlığın hipotetik vəziyyəti problemi həll olunmamış qalır. Məhz bu ölçülərdə meqafizika mikrofizika ilə birləşir, belə ki, kosmoloji problem kvant qravitasiyasının qurulması ilə həll oluna bilər. Tələb olunan enerjinin həddindən artıq böyük olması səbəbindən kosmoloji hipotezin eksperimental yoxlanması çox çətindir (bəlkə də ümumiyyətlə mümkün deyil). məsələn, Plank enerjisi 10¹⁹GeV tərtibli olduğu halda ən iri müasir sürətləndiricidə (Böyük adron kollayderində) cəmi təxminən 1,4·10⁴GeV-dur.

Meqafizikanın ən mühüm problemi ümumi nisbilik nəzəriyyəsinin qabaqcadan söylədiyi qravitasiya dalğalarının mövcudluğunun eksperimental yoxlanmasıdır. Hazırda bu hipotez 2002 ildə Amerikada buraxılmış LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) qurğurəsədxananın köməyilə tam təsdiqini tapmışdır.

Meqafizikanın problematikasına bir çox astrofiziki obyektlərin – neytron ulduzların və pulsarların, ifrat yeni ulduzların, qara dəliklərin, kvazarların və qalaktikaların nüvələrinin, axırıncı illər isə, həmçinin, yeni ekzotik (qeyri-adi) obyektlərin – qalınlığı 10^–29–10^–30sm olan və Kainatın sərhədləri arasında dartılmış saplardan ibarət kosmik simlərin fiziki təbiətinin öyrənilməsi daxildir.

Nisbətən yaxın vaxtlarda meydana çıxan həm meqa-, həm də mikrofizikanın problemi – Kainatın sürətli genişlənməsinə məsul olan qaranlıq materiya və xüsusilə də (1990-cı illərin axırlarından) qaranlıq enerji hipotezi ciddi problemdir.

Fizikanın müasir dünyada rolu

Lazer şüasının tətbiqiylə eksperiment

Fizikanın inkişafı dünyanın təkcə təbii-elmi mənzərəsinin şəklini deyil, həm də müasir sivilizasiyanın maddi-texniki təminatını kökündən dəyişdi. Fizikanın təbiətşünaslığın digər sahələri ilə sıx əlaqəsi ona gətirdi ki, astronomiyaya, geologiyaya, kimyaya, biologiyaya və s. digər təbiət elmlərinə çox dərin köklərlə nüfuz etdi. Bir sıra sərhəd fənləri yarandı: astrofizika, geofizika, , biofizika, , molekulyar biologiya və b. Fiziki tədqiqat metodları bütün təbiət elmləri üçün həlledici əhəmiyyət daşıdı.

Fizika texnikanın əsas istiqamətlərinin fundamentini yaradır. Tikinti texnikası, hidrotexnika, elektrotexnika və energetika, radiotexnika, işıq texnikası, hərbi texnika, elektronika, hesablama texnikası fizika əsasında inkişaf edib. Texnikanın inkişafı da öz növbəsində eksperimental fizikanın mükəmməlləşməsinə böyük təsir göstərir. Elektrotexnikanın, radiotexnikanın və s. inkişafı olmasaydı, elementar zərrəciklərin sürətləndiricilərini, yarımkeçirici qurğuları və s. yaratmaq mümkün olmazdı.

Ədəbiyyat

• Azərbaycan Milli Ensiklopediyası, IX cild.
• V. İ. Nəsirov. Fizika tarixi (dərs vəsaiti). Bakı-2020
• N. M. Qocayev. Ümumi fizika kursu, IV cild. Optika. Dərslik. Bakı: "Çaşıoğlu", 2009, 624 səh.
• L. D. Landau, E. M. Lifşis. Nəzəri fizika. Mexanika, I cild.
• Məmmədov N. Ə. Radiofizika (dərs vəsaiti). Bakı: "Bakı Universiteti", 2008, 392 səh.
• Ümumi fizika dərsliyi

Xarici keçidlər