Naše chápání přírody a zejména historie fyziky a zákony, které ji řídí, se od dob starověkých řeckých přírodních filozofů radikálně změnily, zde je vysvětleno, jak a proč k těmto změnám došlo, prostřednictvím historických experimentů a teorií, které byly na svou dobu revoluční.
Vznik a vývoj fyziky
Podle Historické pozadí fyziky a přírodní filozofie, byly používány zaměnitelně pro vědu, jejímž cílem je objev a formulace Základní přírodní síly, Jak se moderní vědy vyvíjely a stále více specializovaly, fyzika začala znamenat, že část fyzikální vědy nebyla zahrnuta do astronomie, chemie, geologie a inženýrství.
Fyzika však hraje důležitou roli ve všech přírodních vědách a všechny tyto obory mají odvětví, ve kterých je kladen zvláštní důraz na fyzikální zákony a měření, s názvy jako astrofyzika, geofyzika, biofyzika a dokonce i psychofyzika, fyzika může v základu , definovaná jako věda o hmotě, pohybu a energii, její zákony obecně vyjádřené s hospodárností a přesností v jazyce matematiky.
Konečným cílem fyziky je nalézt jednotný soubor zákonů řídících hmotu, pohyb a energii na malých subatomárních vzdálenostech, v lidském měřítku každodenního života a na větší vzdálenosti (například na extragalaktickém měřítku). tento ambiciózní cíl byl z velké části splněn.
Přestože dosud nebylo dosaženo zcela jednotné teorie fyzikálních jevů, zdá se, že pozoruhodně malý soubor základních fyzikálních zákonů je schopen vysvětlit všechny známé jevy.
Fyzika vyvíjená zhruba do přelomu 20. a XNUMX. století, známá jako klasická fyzika, dokáže z velké části vysvětlit pohyby pomalu se pohybujících makroskopických objektů s ohledem na rychlost světla a pro jevy, jako je teplo, zvuk, elektřina, magnetismus a další. světlo.
Moderní vývoj v oblasti relativity a kvantové mechaniky upravuje tyto zákony, protože platí pro vyšší rychlosti, velmi hmotné objekty a pro malé elementární složky hmoty, jako jsou elektrony, protony a neutrony.
Starověká fyzika
Thales byl prvním fyzikem a jeho teorie skutečně daly této disciplíně jméno, věřil, že svět, i když je vyroben z mnoha materiálů, byl ve skutečnosti postaven z jediného prvku, vody, ve starověké řečtině nazývané Physis.
Interakce vody mezi fázemi pevné látky, kapaliny a plynu dávala materiálům různé vlastnosti, toto bylo první vysvětlení, které vyvedlo přírodní jevy z říše božské prozřetelnosti a z říše přírodních zákonů a vysvětlení.
Anaximander, který se nejvíce proslavil svou protoevoluční teorií, zpochybnil myšlenky Thalese a navrhl, že místo vody byla stavebním kamenem veškeré hmoty látka zvaná Apeiron, s pomocí moderního zpětného pohledu můžeme říci, že to byl další Chytrý předpoklad Anaximandera a velmi podobný myšlence, že vodík je stavebním kamenem veškeré hmoty v našem vesmíru.
Jedním z prvních renomovaných starověkých fyziků byl Leucippus, který silně oponoval myšlence přímého božského zásahu do vesmíru, tento filozof místo toho navrhoval, že přírodní jevy mají přirozenou příčinu. Leucippus a jeho žák Démokritos vyvinuli první atomovou teorii a tvrdili, že hmotu nelze dělit donekonečna a nakonec dojde na jednotlivé kusy, které nelze rozřezat.
první atomová teorie
Jde o starověkou filozofickou spekulaci, že všechny věci lze vysvětlit nesčetnými kombinacemi tvrdých, malých, nedělitelných částic různých velikostí, ale ze stejného základního materiálu, nebo moderní vědeckou teorií hmoty, podle níž se chemické prvky, které se spojují za vzniku A velké množství látek se skládá z agregací podobných podjednotek, které mají jadernou a elektronickou substrukturu charakteristickou pro každý prvek.
Euklides a matematika
Nerovnoměrnost různých knih a různé matematické úrovně mohou vyvolat dojem, že Euklides nebyl ničím víc než editorem pojednání napsaných jinými matematiky, do určité míry je to pravda, i když je pravděpodobně nemožné určit, které části jsou jeho a které byly jeho. adaptacemi jeho předchůdců. Euklidovi současníci považovali jeho konečné a autoritativní dílo přinejmenším za komentáře k Živlům.
Aristotelská fyzika
Zajímavé je, že ačkoli je Aristoteles považován za otce vědy a pozitivně mu pomohl Shrnutí dějin fyziky svou systematikou a praxí ve skutečnosti bránil pokroku fyziky po několik tisíciletí.
Sám udělal chybu, když řekl, že matematická teorie a přírodní svět se nepřekrývají, což je heslo pro jeho přílišné spoléhání na znalosti. Aristoteles se snažil projevit doktríny, jako je pohyb a gravitace, svou teorií prvků, doplňkem starověké fyziky, který se také rozšířil do alchymie a medicíny.
Aristoteles důrazně tvrdil, že veškerá hmota je tvořena kombinací pěti prvků, země, vzduchu, ohně, vody a nehmotného éteru, a dovedl to ještě dále tím, že naznačil, že pozemské království je obklopeno vzduchem, následovaným královstvím ohně a éteru. .
Fyzika ve středověkém islámském světě
Mechanika byla ve středověku jednou z nejrozvinutějších věd, která fungovala v zásadě aristotelovském rámci, středověcí fyzici kritizovali a pokoušeli se zlepšit mnoho aspektů Aristotelovy fyziky.
Problém pohybu projektilu byl pro aristotelskou mechaniku zásadní a analýza tohoto problému představuje jeden z nejpůsobivějších středověkých příspěvků do fyziky, a to díky předpokladu, že pokračování pohybu vyžaduje nepřetržité působení hnací síly, nepřetržitý pohyb projektil po ztrátě kontaktu s projektorem vyžadoval vysvětlení.
Sám Aristoteles navrhoval vysvětlení pokračování pohybu projektilu z hlediska působení média, přičemž povaha těchto vysvětlení je činila neuspokojivými pro většinu středověkých komentátorů, kteří však zastávali základní předpoklad, že nepřetržitý pohyb projektilu vyžaduje spojitou příčinu.
Během 1300. století se jistí oxfordští učenci zamýšleli nad filozofickým problémem, jak popsat změnu, ke které dochází, když se kvalita zvýší nebo sníží na intenzitě, a začali uvažovat o kinematických aspektech pohybu.
Ptolemaios a geocentrický model
Také nazývaný geocentrický systém, matematický model vesmíru formulovaný astronomem a matematikem Alexandrinem Ptolemaiem a zaznamenaný jím ve svých hypotézách Almagest a Planetary, je Ptolemaiovský systém geocentrickou kosmologií, to znamená, že začíná předpokladem, že Země je stacionární a ve středu vesmíru.
klasická fyzika
Klasická fyzika se formovala, když Newton rozšířil svou teorii gravitace a matematiku, kterou běžně známe jako počet, spolupracovala s Historický vývoj fyzikyNewtonovská fyzika byla trojrozměrná, šířka, výška a hloubka, před třemi sty lety Isaac Newton prohlásil, že prostor a čas jsou věčné a neměnné složky ve složení kosmu, nedotčené struktury, které leží za hranicemi otázky a vysvětlení.
Newton napsal v principu matematiky:
"Absolutní prostor ve své přirozenosti bez vztahu k čemukoli vnějšímu je vždy podobný a nehybný, absolutní, pravdivý a matematický čas sám o sobě a jeho vlastní přirozenost plyne stejně bez vztahu k čemukoli vnějšímu."
Newtonovy teorie o vesmíru, ačkoli Einstein ukázal, že jsou nepřesné, sloužily vědě po staletí, navzdory svým nedostatkům, umožnily technologické inovace průmyslové revoluce, teorie je koherentní model, který řídí myšlenky, soubor vjemů, které lze upravovat, dokud nebude předložena lepší teorie.
Newtonovy teorie zahrnovaly jeho teorii gravitace, pro kterou vyvinul kalkul, aby ji popsal, jeho koncept tří dimenzí v nekonečném vesmíru, jeho částicovou teorii světla a jeho základní přesvědčení ztělesněné v jeho teoriích, že ve skutečnosti existují rovné čáry. Příroda, Newtonovy otázky o fyzice světla vyústily v částicovou teorii světla, to znamená, že každý paprsek světla se pohyboval po přímce a měl neuvěřitelně malou hmotnost.
Slunce jako střed vesmíru
Staří Řekové se například domnívali, že planety zahrnují Slunce, Země je středem všeho (geocentrická), přičemž tyto planety se kolem ní otáčejí, což se stalo v kultuře tak důležité, že dny v týdnu nesly název bohů, reprezentovaných těmito sedmi pohyblivými světelnými body.
Newtonovy fyzikální zákony
Vazby mezi silami působícími na těleso a pohybem tělesa, poprvé vyjádřil anglický fyzik a matematik Isaac Newton, podle Biografie Isaaca Newtona zákony téhož se poprvé objevily v jeho díle v roce 1687, které je obvykle známé jako Principia.
Vědecká revoluce
Uprostřed vědecké revoluce se zrodila nová myšlenka přírody, která nahradila řecký přístup, který si podrobil vědu na mnoho let, a věda se stala svobodnou metodou odlišnou od filozofie a technologie, které byly považovány za obsažené pozitivistické cíle.
Na konci tohoto období už nemusí být přehnané říci, že věda nahradila křesťanství jako ústřední bod evropské civilizace, z kvasu renesance a reformace zde vznikl nový pohled na vědu, který přinesl následující transformace , převýchova zdravého rozumu ve prospěch abstraktního uvažování, nahrazení kvantitativního za kvalitativní pohled na přírodu.
Vize přírody jako stroje spíše než organismu, vývoj experimentální a vědecké metody, která hledala definitivní odpovědi na určité omezené otázky formulované v rámci konkrétních teorií, a přijetí nových kritérií vysvětlení, zdůrazňujících „jak místo toho“ o „proč“, které charakterizovalo Aristotelovo hledání konečných příčin.
Termodynamika a optika
Pokud hydrodynamika nebo teorie pružnosti nejsou pro studium kvantové teorie bezprostředně zajímavé, pak u optiky je situace zcela jiná, protože její pokrok úzce souvisí s rozvojem moderní fyziky, podobně jako jevům, ke kterým dochází u pevných a tekutá tělesa, světelné jevy také přitahovaly pozornost lidí od nejstarších dob, ale až v XNUMX. století.
Optika se začala formovat ve skutečnou vědu. V tomto období Descartes formuloval zákony lomu a odrazu světla a Fermat navrhl svůj princip, který obsahuje veškerou geometrickou optiku, během celého tohoto období vývoje optiky v ní sehrál důležitou roli koncept světelných paprsků. přímočaré šíření světelných paprsků ve vakuu nebo v homogenních prostředích, jejich odraz od zrcadlových povrchů a lom při přechodu z jednoho prostředí do druhého.
Elektromagnetismus a atomová struktura
Mechanika a příbuzné obory, stejně jako akustika a optika, vznikly už dávno, protože studují jevy, se kterými se člověk v každodenním životě neustále setkává, nauka o elektřině se naopak objevila relativně nedávno.
Některá fakta, jako je elektrifikace těles třením nebo vlastnosti přírodních magnetů, byly samozřejmě známy již dříve, přírodní úkazy tak majestátní a podivné, jako jsou elektrické bouře, nemohou nepřitáhnout pozornost.
Je však nepravděpodobné, že by tato fakta byla do konce XNUMX. století dostatečně prozkoumána a srovnávána a téměř nikdo si tehdy jasně nepředstavoval, že se stane předmětem studia nové vědy, která tvoří jednu z nejdůležitějších oblastí. moderní fyziky se to ukázalo až koncem XNUMX. a začátkem XNUMX. století.
Je zajímavé, že ve stejné době byly objeveny interferenční jevy a byla vybudována teorie vln, toto pozoruhodné období v historii rozvoje vědy, kdy vznikla vlnová optika a moderní teorie elektřiny, bylo pro makroskopickou fyziku tím, čím posledních 50 let bylo pro atomovou fyziku.
Moderní fyzika
Moderní fyzika často zahrnuje pokročilý popis přírody prostřednictvím nových teorií, které se lišily od klasických popisů, a zahrnuje prvky kvantové mechaniky a Einsteinovy relativity, například kvantové efekty typicky zahrnují vzdálenosti související s atomy, na druhou stranu relativistické efekty obecně zahrnují srovnávané rychlosti. na rychlost světla.
Energie
Fyzici pojmem energie označují schopnost měnit stav nebo produkovat práci, která způsobuje pohyb nebo generuje elektromagnetické záření, například ze světla nebo tepla, slovo pochází z řečtiny a znamená „síla v akci“.
V mezinárodním systému je energie vyjádřena v joulech, ale v běžných termínech se častěji vyjadřuje v kilowatthodinách (kWh), pokud jde o tunu ropného ekvivalentu (toe), obecně umožňuje srovnání různých zdrojů. energie od sebe navzájem, je třeba poznamenat, že podle prvního zákona termodynamiky je energie uzavřeného systému zachována.
Termodynamika
Vychází z prvního a druhého zákona, tedy zachování energie a nárůstu entropie, tyto zákony kladou silná omezení na jakýkoli model vesmíru, navíc se objevují některé vlastnosti prostoru a času v termodynamickém smyslu. .
Tyto pojmy by proto neměly být považovány za základní struktury základních interakcí, v tomto smyslu časoprostoru es termodynamické, navíc, pokud přijmeme začlenění statistických argumentů, musíme se zeptat, zda jsou síly vesmíru možná termodynamické, náš vesmír by tak byl řízen spíše entropickými silami než absolutními silami.
Elektromagnetismus
Jsou založeny na Maxwellově vlnové teorii a jejích rovnicích, ale jsou mnohem méně pochopeny než tyto teorie, nevycházejí z jeho prvotní interpretace vztahu mezi poli E a B, ale z výkladu Ludviga Lorenze, se kterým Maxwell nesouhlasil.
Maxwell se domníval, že tato dvě pole by měla být indukována cyklicky, aby byla zachována rychlost světla, na rozdíl od Lorenze, který si myslel, že obě pole by měla získat svou maximální intenzitu synchronně ve stejnou dobu, aby se tato rychlost zachovala, rovnice umožňují obě parafráze.
Kvantová mechanika
Kvantový svět atomů a subatomárních částic je úžasný, jedna částice se může chovat, jako by byla na dvou místech najednou, a dvojice částic na opačných koncích vesmíru se nějak může chovat jako jeden celek.
I když se může zdát nemožné obalit naši mysl tolika kvantovými podivnostmi, tato sekvence přednášek vede dlouhou cestu k demystifikaci kvantového světa a poskytuje nám solidní vhled do fascinujících „koleček a kol“, jak atomy fungují.
Velký třesk
V první sekundě existence vesmíru je naše chápání toho, co se dělo, překvapivě dobré. Víme, že pojmy čas, prostor a fyzikální zákony velmi rychle ztuhly, odtud se z chaosu začal rodit řád, první se formovaly subatomární částice jako kvarky.
Pak větší částice jako protony a neutrony, asi o tři minuty později se vesmír ochladil na miliardu ° C. To umožnilo protokům a neutronům, aby se spojily fúzí a vytvořily jádra, nabitá jádra atomů.
Relativita
Dalekosáhlé fyzikální teorie vyvinuté německým fyzikem Albertem Einsteinem, se svými teoriemi speciální relativity v roce 1905 a obecnou teorií relativity, Einstein odložil mnoho komentářů k předchozím fyzikálním teoriím a pracoval v procesu na prapůvodních konceptech prostoru, času, hmoty. , energie a gravitace.
Nukleární fyzika
Tento obor fyziky se zabývá strukturou atomového jádra a zářením nestabilních jader.
energii atomu
Stejně jako excitované atomy mohou nestabilní radioaktivní jádra (přirozeně nebo uměle vyrobená) vyzařovat elektromagnetické záření, energetické jaderné fotony se nazývají gama paprsky. Radioaktivní jádra také emitují další částice, negativní a pozitivní elektrony (beta paprsky), doprovázené neutriny a jádry helia (alfa paprsky).
Síly uvnitř jádra
Při radioaktivitě a při srážkách vedoucích k jadernému rozpadu se chemická identita jaderného cíle změní pokaždé, když dojde ke změně jaderného náboje, při jaderném štěpení a fúzních reakcích, při kterých se nestabilní jádra štěpí na menší jádra nebo se slučují do větších. jader, je uvolňování energie mnohem větší než při jakékoli chemické reakci.
Nedávné pokroky ve fyzice
V posledních letech došlo k objevům, které umožňují pokrok ve fyzice, jako jsou ty, které jsou podrobně popsány níže:
Laser
Laser by nebyl možný bez znalosti toho, že světlo je reprezentací elektromagnetického záření. Max Planck obdržel Nobelovu cenu za fyziku za objev kvant elementární energie, např. Kvantová Planckova teorie pracoval na termodynamice a chtěl ukázat, proč záření „černého tělesa“, něco, co pohlcuje všechny vlnové délky světla, nevyzařuje všechna opakování světla stejně, když je podrážděno.
Velký hadronový urychlovač
Deset let po zahájení provozu Velkého hadronového urychlovače, jednoho z nejkomplikovanějších zařízení, jaké kdy bylo viděno, jde o největší částicový pedál na světě, pohřbený 100 metrů pod francouzským a švýcarským polem s kruhem 17 mil.