В кон. 19 - нач. 20 вв. X. Лоренц заложил основы электронной теории.

В нач. 20 в. стало ясно, что электродинамика требует коренного пересмотра представлений о пространстве и времени, лежащих в основе классич. механики Ньютона. В 1905 Эйнштейн создал частную (специальную) теорию относительности - новое учение о пространстве и времени. Эта теория исторически была подготовлена трудами Лоренца и А. Пуанкаре.

Опыт показывал, что сформулированный Галилеем принцип относительности, согласно к-рому механич. явления протекают одинаково во всех инерциалъных системах отсчёта, справедлив и для электромагнитных явлений. Поэтому уравнения Максвелла не должны изменять свою форму (должны быть инвариантными) при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой. Однако оказалось, что это справедливо лишь в том случае, если преобразования координат и времени при таком переходе отличны от преобразований Галилея, справедливых в механике Ньютона. Лоренц нашёл эти преобразования (Лоренца преобразования), но не смог дать им правильную интерпретацию. Это было сделано Эйнштейном в его частной теории относительности.

Открытие частной теории относительности показало ограниченность механич. картины мира. Попытки свести электромагнитные процессы к механич. процессам в гипотетич. среде - эфире оказались несостоятельными. Стало ясно, что электромагнитное поле представляет собой особую форму материи, поведение к-рой не подчиняется законам механики.

В 1916 Эйнштейн построил общую, теорию относительности - физ. теорию пространства, времени и тяготения. Эта теория ознаменовала новый этап в развитии теории тяготения.

На рубеже 19-20 вв., ещё до создания спец. теории относительности, было положено начало величайшей революции в области Ф., связанной с возникновением и развитием квантовой теории.

В кон. 19 в. выяснилось, что распределение энергии теплового излучения по спектру, выведенное из закона классич. статистич. физики о равномерном распределении энергии по степеням свободы, противоречит опыту. Из теории следова-, ло, что вещество должно излучать электромагнитные волны при любой темп-ре, терять энергию и охлаждаться до абс. нуля, т. е. что тепловое равновесие между веществом и излучением невозможно. Однако повседневный опыт противоречил этому выводу. Выход был найден в 1900 М. Планком, показавшим, что результаты теории согласуются с опытом, если предположить, в противоречии с классич. электродинамикой, что атомы испускают электромагнитную энергию не непрерывно, а отд. порциями - квантами. Энергия каждого такого кванта прямо пропорциональна частоте, а коэфф. пропорциональности является квант действия h = 6, 6*10^-27 эрг*сек, получивший впоследствии название постоянной Планка.

В 1905 Эйнштейн расширил гипотезу Планка, предположив, что излучаемая порция электромагнитной энергии распространяется и поглощается также только целиком, т. е. ведёт себя подобно частице (позднее она была названа фотоном). На основе этой гипотезы Эйнштейн объяснил закономерности фотоэффекта, не укладывающиеся в рамки классич. электродинамики.

Т. о., на новом качеств. уровне была возрождена корпускулярная теория света. Свет ведёт себя подобно потоку частиц (корпускул); однако одновременно ему присущи и волновые свойства, к-рые проявляются, в частности, в дифракции и интерференции света. Следовательно, несовместимые с точки зрения классич. Ф. волновые и корпускулярные свойства присущи свету в равной мере (дуализм света). " Квантование" излучения приводило к выводу, что энергия внутриатомных движений также может меняться только скачкообразно. Такой вывод был сделан Н. Бором в 1913.

К этому времени Э. Резерфорд (1911) на основе экспериментов по рассеянию альфа-частиц веществом открыл атомное ядро и построил планетарную модель атома. В атоме Резерфорда электроны движутся вокруг ядра подобно тому, как планеты движутся вокруг Солнца. Однако, согласно электродинамике Максвелла, такой атом неустойчив: электроны, двигаясь по круговым (или эллиптическим) орбитам, испытывают ускорение, а следовательно, должны непрерывно излучать электромагнитные волны, терять энергию и, постепенно приближаясь к ядру, в конце концов (как показывали расчёты, за время порядка 10^-8сек) упасть на него. Т. о., устойчивость атомов и их линейчатые спектры оказались необъяснимыми в рамках законов классич. Ф. Бор нашёл выход из этой трудности. Он постулировал, что в атомах имеются особые стационарные состояния, в к-рых электроны не излучают. Излучение происходит при переходе из одного стационарного состояния в другое. Дискретность энергии атома была подтверждена опытами Дж. Франка и Г. Герца (1913-14) по изучению столкновений с атомами электронов, ускоренных элек-трич. полем. Для простейшего атома - атома водорода - Бор построил количеств. теорию спектра излучения, согласующуюся с опытом.

В тот же период (кон. 19 - нач. 20 вв.) начала формироваться Ф. твёрдого тела в её совр. понимании как Ф. конденсированных систем из огромного числа частиц (~ 10²² см^-3). До 1925 её развитие происходило по двум направлениям: Ф. кри-сталлич. решётки и Ф. электронов в кристаллах, прежде всего в металлах. В дальнейшем эти направления сомкнулись на базе квантовой теории.

Представление о кристалле как о совокупности атомов, упорядоченно расположенных в пространстве и удерживаемых в положении равновесия силами взаимодействия, прошло длит. путь развития и окончательно сформировалось в нач. 20 в. Разработка этой модели началась с работы Ньютона (1686) по расчёту скорости звука в цепочке упруго связанных частиц и продолжалась др. учёными: Д. и И. Бернулли (1727), Коши (1830), У. Томсоном (1881) и др.

В кон. 19 в. Е. С. Фёдоров работами по структуре и симметрии кристаллов заложил основы теоретич. кристаллографии; в 1890-91 он доказал возможность существования 230 пространств. групп симметрии кристаллов - видов упорядоченного расположения частиц в кри-сталлич. решётке (т. н. фёдоровских групп). В 1912 М. Лауэ с сотр. открыл дифракцию рентгеновских лучей на кристаллах, окончательно утвердив представление о кристалле как упорядоченной атомной структуре. На основе этого открытия был разработан метод экспериментального определения расположения атомов в кристаллах и измерения межатомных расстояний, что положило начало рентгеновскому структурному анализу [У. Л. Брэгг и У. Г. Брэгг (1913), Г. В. Вулъф (1913)]. В эти же годы (1907- 1914) была разработана динамич. теория кристаллич. решёток, уже существенно учитывающая квантовые представления. В 1907 Эйнштейн на модели кристалла как совокупности квантовых гармонич. осцилляторов одинаковой частоты объяснил наблюдаемое падение теплоёмкости твёрдых тел при понижении темп-ры - факт, находящийся в резком противоречии с законом Дюлонга и Пти. Более совершенная динамич. теория кристаллич. решётки как совокупности связанных квантовых осцилляторов различных частот была построена П. Дебаем (1912), М. Борном и Т. Карманом (1913), Э. Шрё-дингером (1914) в форме, близкой к современной. Новый важный её этап начался после создания квантовой механики.

Второе направление (Ф. системы электронов в кристалле) начало развиваться сразу после открытия электрона как электронная теория металлов и др. твёрдых тел. В этой теории электроны в металле рассматривались как заполняющий кристаллич. решётку газ свободных электронов, подобный обычному разреженному молекулярному газу, подчиняющемуся классич. статистике Больцмана. Электронная теория позволила дать объяснение законов Ома и Видемана-Франца (П. Друде), заложила основы теории дисперсии света в кристаллах и др. Однако не все факты укладывались в рамки классич. электронной теории. Так, не получила объяснения зависимость уд. сопротивления металлов от темп-ры, оставалось неясным, почему электронный газ не вносит заметного вклада в теплоёмкость металлов и т. д. Выход из создавшихся трудностей был найден лишь после построения квантовой механики.

Созданный Бором первый вариант квантовой теории был внутренне противоречивым: используя для движения электронов законы механики Ньютона, Бор в то же время искусственно накладывал на возможные движения электронов квантовые ограничения, чуждые классич. Ф.

Достоверно установленная дискретность действия и её количеств. мера - постоянная Планка h - универсальная мировая постоянная, играющая роль ес-теств. масштаба явлений природы, требовали радикальной перестройки как законов механики, так и законов электродинамики. Классич. законы справедливы лишь при рассмотрении движения объектов достаточно большой массы, когда величины размерности действия велики по сравнению с h и дискретностью действия можно пренебречь.

В 20-е гг. 20 в. была создана самая глубокая и всеобъемлющая из современных физ. теорий - квантовая, или волновая, механика - последовательная, логически завершённая нерелятивистская теория движения микрочастиц, к-рая позволила также объяснить мн. свойства ма-кроскопич. тел и происходящие в них явления. В основу квантовой механики легли идея квантования Планка - Эйнштейна - Бора и выдвинутая Л. де Брой-лем гипотеза (1924), что двойственная корпускулярно-волновая природа свойственна не только электромагнитному излучению (фотонам), но и любым др. видам материи. Все микрочастицы (электроны, протоны, атомы и т. д.) обладают наряду с корпускулярными и волновыми свойствами: каждой из них можно поставить в соответствие волну (длина к-рой равна отношению постоянной Планка h к импульсу частицы, а частота -отношению энергии частицы к h). Волны де Бройля описывают свободные частицы. В 1927 впервые наблюдалась дифракция электронов, экспериментально подтвердившая наличие у них волновых свойств. Позднее дифракция наблюдалась и у др. микрочастиц, включая молекулы (см. Дифракция частиц).

В 1926 Шрёдингер, пытаясь получить дискретные значения энергии атома из уравнения волнового типа, сформулировал осн. уравнение квантовой механики, названное его именем. В. Гейзенберг и Борн (1925) построили квантовую механику в др. математич. форме - т. н. матричную механику.

В 1925 Дж. К). Уленбек и С. А. Гауд-смит на основании экспериментальных (спектроскопических) данных открыли существование у электрона собственного момента количества движения - спина (а следовательно, и связанного с ним собственного, спинового, магнитного момента), равного 1/2 h. (Величина спина обычно выражается в единицах h = h /2п, к-рая, как и h, наз. постоянной Планка; в этих единицах спин электрона равен 1/2.) В. Паули записал уравнение движения нерелятивистского электрона во внешнем электромагнитном поле с учётом взаимодействия спинового магнитного момента электрона с магнитным полем. В 1925

он же сформулировал т. н. принцип запрета, согласно к-рому в одном квантовом состоянии не может находиться больше одного электрона (Паули принцип). Этот принцип сыграл важнейшую роль в построении квантовой теории систем многих частиц, в частности объяснил закономерности заполнения электронами оболочек и слоев в многоэлектронных атомах и т. о. дал теоретич. обоснование периодической системе элементов Менделеева.

В 1928 П. А. М. Дирак получил квантовое релятивистское уравнение движения электрона (см. Дирака уравнение), из к-рого естественно вытекало наличие у электрона спина. На основании этого уравнения Дирак в 1931 предсказал существование позитрона (первой античастицы), в 1932 открытого К. Д. Андерсоном в космических лучах. [Античастицы других структурных единиц вещества (протона и нейтрона)- антипротон и антинейтрон были экспериментально открыты соответственно в 1955 и 1956.]

Параллельно с развитием квантовой механики шло развитие квантовой статистики - квантовой теории поведения физ. систем (в частности, макроскопич. тел), состоящих из огромного числа микрочастиц. В 1924 Ш. Базе, применив принципы квантовой статистики к фотонам - частицам со спином 1, вывел формулу Планка распределения энергии в спектре равновесного излучения, а Эйнштейн получил формулу распределения энергии для идеального газа молекул (Базе- Эйнштейна статистика). В 1926 П. А. М. Дирак и Э. Ферми показали, что совокупность электронов (и др. одинаковых частиц со спином 1/2), для к-рых справедлив принцип Паули, подчиняется др. статистике - Ферми - Дирака статистике. В 1940 Паули установил связь спина со статистикой.

Квантовая статистика сыграла важнейшую роль в развитии Ф. конденсированных сред и в первую очередь в построении Ф. твёрдого тела. На квантовом языке тепловые колебания атомов кристалла можно рассматривать как совокупность своего рода " частиц", точнее квазичастиц, - фонтов (введены И. Е. Там-мом в 1929). Такой подход объяснил, в частности, спад теплоёмкости металлов (по закону Г³) с понижением темп-ры Т в области низких темп-р, а также показал, что причина электрич. сопротивления металлов - рассеяние электронов не на ионах, а в основном на фононах. Позднее были введены др. квазичастицы. Метод квазичастиц оказался весьма эффективным для исследования свойств сложных макроскопич. систем в конденсированном состоянии.

В 1928 А. Зоммерфелъд применил функцию распределения Ферми-Дирака для описания процессов переноса в металлах. Это разрешило ряд трудностей классич. теории и создало основу для дальнейшего развития квантовой теории кинетич. явлений (электро- и теплопроводности, термоэлектрических, гальваномагнитных и др. эффектов) в твёрдых телах, особенно в металлах и полупроводниках.

Согласно принципу Паули, энергия всей совокупности свободных электронов металла даже при абс. нуле отлична от нуля. В невозбуждённом состоянии все уровни энергии, начиная с нулевого и кончая нек-рым макс. уровнем (уровнем Ферми), оказываются занятыми электронами. Эта картина позволила Зоммер-фельду объяснить малость вклада электронов в теплоёмкость металлов: при нагревании возбуждаются только электроны вблизи уровня Ферми.

В работах Ф. Блоха, X. А. Бете и Л. Бриллюэна (1928-34) была разработана теория зонной энергетич. структуры кристаллов, к-рая дала естеств. объяснение различиям в электрич. свойствах диэлектриков и металлов. Описанный подход, получивший назв. одноэлектрон-ного приближения, имел дальнейшее развитие и широкое применение, особенно в Ф. полупроводников.

В 1928 Я. И. Френкель и Гейзенберг показали, что в основе ферромагнетизма лежит квантовое обменное взаимодействие (к-рое на примере атома гелия было в 1926 рассмотрено Гейзенбергом); в 1932-33 Л. Неель и независимо Л. Д. Ландау предсказали антиферромагнетизм.

Открытия сверхпроводимости Камер-линг-Оннесом (1911) и сверхтекучести жидкого гелия П. Л. Капицей (1938) стимулировали развитие новых методов в квантовой статистике. Феноменологич. теория сверхтекучести была построена Ландау (1941); дальнейшим шагом явилась феноменологич. теория сверхпроводимости Ландау и В. Л. Гинзбурга (1950).

В 50-х гг. были развиты новые мощные методы расчётов в статистич. квантовой теории многочастичных систем, одним из наиболее ярких достижений которых явилось создание Дж. Бардином, Л. Купером, Дж. Шриффером (США) и Н. Н. Боголюбовым (СССР) микроскопич. теории сверхпроводимости.

Попытки построения последовательной квантовой теории излучения света атомами привели к новому этапу развития квантовой теории - созданию квантовой электродинамики (Дирак, 1929).

Во 2-й четв. 20 в. происходило дальнейшее революц. преобразование Ф., связанное с познанием структуры атомного ядра и совершающихся в нём процессов и с созданием Ф. элементарных частиц. Упомянутое выше открытие Резерфордом атомного ядра было подготовлено открытием радиоактивности и радиоактивных превращений тяжёлых атомов ещё в кон.

19 в. (А. Беккерелъ, П. и М. Кюри). В нач. 20 в. были открыты изотопы. Первые попытки непосредств. исследования строения атомного ядра относятся к 1919, когда Резерфорд путём обстрела стабильных ядер азота а-частицами добился их искусств. превращения в ядра кислорода. Открытие нейтрона в 1932 Дж. Чедвиком привело к созданию современной протонно-нейтронной модели ядра (Д. Д. Иваненко, Гейзенберг). В 1934 супруги И. и Ф. Жолио-Кюри открыли искусств. радиоактивность.

Создание ускорителей заряженных частиц позволило изучать различные ядерные реакции. Важнейшим результатом этого этапа Ф. явилось открытие деления атомного ядра. В 1939-45 была впервые освобождена ядерная энергия с помощью цепной реакции деления ²³⁵U и создана атомная 5омба. Заслуга использования управляемой ядерной реакции деления ²³⁵U в мирных, пром. целях принадлежит СССР. В 1954 в СССР была построена первая 1томная электростанция (г. Обнинск). Позже рентабельные атомные электро-станции были созданы во мн. странах. В 1952 была осуществлена реакция термоядерного синтеза (взорвано ядерное устройство), и в 1953 создана водородная бомба. Одновременно с Ф. атомного ядра в 20 в. начала быстро развиваться Ф. элементарных частиц. Первые большие успехи в этой области связаны с исследованием космич. лучей. Были открыты мюоны, пи-мезоны, К-мезоны, первые гипероны. После создания ускорителей заряженных частиц на высокие энергии началось планомерное изучение элементарных частиц, их свойств и взаимодействий; было экспериментально доказано существование двух типов нейтрино и открыто много новых элементарных частиц, в т. ч. крайне нестабильные частицы - резо-нансы, ср. время жизни к-рых составляет всего 10^-22-10^-24сек. Обнаруженная универсальная взаимопревращаемость элементарных частиц указывала на то, что эти частицы не элементарны в абс. смысле этого слова, а имеют сложную внутр. структуру, к-рую ещё предстоит открыть. Теория элементарных частиц и их взаимодействий (сильных, электромагнитных и слабых) составляет предмет квантовой теории поля-теории, ещё далёкой от завершения.