Vår forståelse av naturen og spesielt fysikkens historie og lovene som styrer det, har endret seg radikalt siden de gamle greske naturfilosofenes dager, her er det forklart hvordan og hvorfor disse endringene skjedde, gjennom historiske eksperimenter og teorier som for deres tid var revolusjonerende.
Fysikkens opprinnelse og evolusjon
I følge Historisk bakgrunn av fysikk og naturfilosofi, ble de brukt om hverandre for vitenskap hvis mål er oppdagelsen og formuleringen av Grunnleggende naturkrefter, Etter hvert som de moderne vitenskapene utviklet seg og ble stadig mer spesialiserte, kom fysikk til å bety at en del av fysisk vitenskap ikke ble inkludert i astronomi, kjemi, geologi og ingeniørfag.
Imidlertid spiller fysikk en viktig rolle i alle naturvitenskapene, og alle disse feltene har grener der fysiske lover og målinger er gitt spesiell vekt, med navn som astrofysikk, geofysikk, biofysikk og til og med psykofysikk, fysikk kan i utgangspunktet . , definert som vitenskapen om materie, bevegelse og energi, dens lover generelt uttrykt med økonomi og presisjon i matematikkspråket.
Det endelige målet med fysikk er å finne et enhetlig sett med lover som styrer materie, bevegelse og energi på små subatomære avstander, på menneskelig skala i hverdagen og på større avstander (for eksempel de på ekstragalaktisk skala). dette ambisiøse målet er i stor grad blitt realisert.
Selv om en fullstendig enhetlig teori om fysiske fenomener ennå ikke er oppnådd, ser det ut til at et bemerkelsesverdig lite sett med grunnleggende fysiske lover kan gjøre rede for alle kjente fenomener.
Fysikkkroppen utviklet seg frem til omkring begynnelsen av 20-tallet, kjent som klassisk fysikk, kan i stor grad forklare bevegelsene til saktegående makroskopiske objekter med hensyn til lysets hastighet og for fenomener som varme, lyd, elektrisitet, magnetisme og lys.
Moderne utviklinger innen relativitetsteori og kvantemekanikk modifiserer disse lovene ettersom de gjelder høyere hastigheter, veldig massive objekter og de små elementære komponentene i materie, som elektroner, protoner og nøytroner.
Gammel fysikk
Thales var den første fysikeren og hans teorier ga virkelig disiplinen navnet, han mente at verden, selv om den var laget av mange materialer, faktisk var bygget av et enkelt element, vann, kalt Physis på gammelgresk.
Samspillet mellom vann mellom fasene av fast, væske og gass ga materialer forskjellige egenskaper, dette var den første forklaringen på å bringe naturfenomener ut av riket av guddommelig forsyn og riket av naturlover og forklaringer.
Anaximander, mest kjent for sin proto-evolusjonsteori, bestred ideene til Thales og foreslo at i stedet for vann, var et stoff kalt Apeiron byggesteinen til all materie, med hjelp av moderne etterpåklokskap kan vi si at dette var en annen smart antakelse av Anaximander og veldig lik ideen om at hydrogen er byggesteinen til all materie i universet vårt.
En av de første anerkjente eldgamle fysikerne var Leucippus, som var sterkt imot ideen om direkte guddommelig inngripen i universet, denne filosofen foreslo i stedet at naturfenomener hadde en naturlig årsak. Leucippus og hans elev, Demokritos, utviklet den første atomteorien, og hevdet at materie ikke kunne deles på ubestemt tid og til slutt ville komme til individuelle deler som ikke kunne kuttes.
første atomteori
Det er en eldgammel filosofisk spekulasjon om at alle ting kan forklares med utallige kombinasjoner av harde, små, udelelige partikler av forskjellige størrelser, men av samme grunnmateriale, eller den moderne vitenskapelige teorien om materie ifølge hvilken de kjemiske elementene som kombineres for å danne A stor variasjon av stoffer består av aggregasjoner av lignende underenheter, som har en kjernefysisk og elektronisk understruktur som er karakteristisk for hvert element.
Euklid og matematikk
Ujevnhetene i de ulike bøkene og de varierte matematiske nivåene kan gi inntrykk av at Euklid ikke var mer enn en redaktør av avhandlinger skrevet av andre matematikere, til en viss grad stemmer dette, selv om det sannsynligvis er umulig å fastslå hvilke deler som er hans og hvilke. var hans tilpasninger av forgjengerne. Euklids samtidige anså hans siste og autoritative verk, for å si det mildt, for å ha vært som kommentarer til elementene.
Aristotelisk fysikk
Interessant nok, selv om Aristoteles blir sett på som vitenskapens far og positivt hjalp Sammendrag av fysikkens historie med sin systematikk og praksis hindret han faktisk fysikkens fremgang gjennom flere årtusener.
Han gjorde selv feilen ved å si at matematisk teori og den naturlige verden ikke overlapper hverandre, et passord for hans overdrevne tillit til kunnskap. Aristoteles forsøkte å manifestere doktriner som bevegelse og tyngdekraft med sin teori om grunnstoffene, et tillegg til gammel fysikk som også utvidet seg til alkymi og medisin.
Aristoteles bekjente sterkt at all materie var bygd opp av en kombinasjon av fem elementer, jord, luft, ild, vann og immateriell eter, han tok dette videre ved å insinuere at jordriket var omgitt av luft, etterfulgt av ildens og eterens rike. .
Fysikk i middelalderens islamske verden
Mekanikk var en av de mest utviklede vitenskapene som ble forfulgt i middelalderen, og opererte innenfor en grunnleggende aristotelisk ramme, middelalderske fysikere kritiserte og forsøkte å forbedre mange aspekter av Aristoteles' fysikk.
Problemet med prosjektilbevegelse var avgjørende for aristotelisk mekanikk, og analysen av dette problemet representerer et av de mest imponerende middelalderbidragene til fysikk, på grunn av antakelsen om at fortsettelsen av bevegelse krever kontinuerlig handling av en drivkraft, den fortsatte bevegelsen av et prosjektil etter å ha mistet kontakten med projektoren krevde en forklaring.
Aristoteles hadde selv foreslått forklaringer på fortsettelsen av prosjektilbevegelsen når det gjelder handlingen til mediet, karakteren til disse forklaringene gjorde dem utilfredsstillende for de fleste middelalderkommentatorer, som imidlertid beholdt den grunnleggende antakelsen om at kontinuerlig prosjektilbevegelse krever en kontinuerlig årsak.
I løpet av 1300-tallet grunnet visse Oxford-forskere på det filosofiske problemet med hvordan man kan beskrive endringen som skjer når kvaliteter øker eller reduseres i intensitet, og kom til å vurdere de kinematiske aspektene ved bevegelse.
Ptolemaios og den geosentriske modellen
Også kalt det geosentriske systemet, en matematisk modell av universet formulert av astronomen og matematikeren Alexandrinus Ptolemaios og registrert av ham i hans Almagest og Planetary hypoteser, er det ptolemaiske systemet en geosentrisk kosmologi, det vil si at det begynner med å anta at jorden er stasjonær og i sentrum av universet.
klassisk fysikk
Klassisk fysikk tok form da Newton reiste sin gravitasjonsteori og matematikken som vi vanligvis kjenner som kalkulus samarbeidet med Historisk utvikling av fysikk, Newtonsk fysikk var tredimensjonal, bredde, høyde og dybde, for tre hundre år siden erklærte Isaac Newton at rom og tid er evige og uforanderlige ingredienser i sammensetningen av kosmos, uberørte strukturer som ligger utenfor grensene for spørsmålet og forklaring.
Newton skrev i prinsippet matematikk:
"Absolutt rom i sin natur uten relasjon til noe eksternt er alltid lik og ubevegelig, absolutt, sann og matematisk tid av seg selv og dens egen natur flyter like mye uten relasjon til noe eksternt."
Newtons teorier om universet, selv om Einstein ville vise at de er upresise, tjente vitenskapen i århundrer, til tross for deres mangler, tillot de teknologiske nyvinningene av den industrielle revolusjonen, en teori er en sammenhengende modell som styrer tanker, et sett med oppfatninger som kan modifisert til en bedre teori er avansert.
Newtons teorier inkluderte hans teori om tyngdekraft som han utviklet kalkulus for å beskrive den, hans konsept om tre dimensjoner i et uendelig univers, hans partikkelteori om lys og hans underliggende tro nedfelt i hans teorier om at det faktisk var rette linjer i naturen, resulterte Newtons spørsmål om lysets fysikk i partikkelteorien om lys, det vil si at hver lysstråle reiste i en rett linje og hadde en utrolig liten masse.
Solen som sentrum av universet
De gamle grekerne mente for eksempel at planetene inkluderte Solen, Jorden var i sentrum av alt (geosentrisk), med disse planetene rundt seg, ble dette så viktig i kulturen at ukedagene bar navnet av gudene, representert ved disse syv bevegelige lyspunktene.
Newtons fysiske lover
Koblingene mellom kreftene som virker på en kropp og kroppens bevegelse, først uttrykt av den engelske fysikeren og matematikeren Isaac Newton, ifølge Isaac Newtons biografi lovene om det samme dukket opp for første gang i hans arbeid i år 1687, som vanligvis er kjent som Principia.
Vitenskapelig revolusjon
En ny idé om naturen ble født midt i den vitenskapelige revolusjonen, og erstattet den greske tilnærmingen som hadde underlagt vitenskapen i mange år, vitenskapen ble en fri metode, forskjellig fra filosofi og teknologi, som ble ansett som inneholdt positivistiske mål.
Ved slutten av denne perioden er det kanskje ikke for mye å si at vitenskapen hadde erstattet kristendommen som midtpunktet for den europeiske sivilisasjonen, etter renessansens og reformasjonens gjæring oppsto et nytt syn på vitenskapen der, som førte til følgende transformasjoner , omskolering av sunn fornuft til fordel for abstrakt resonnement, erstatning av et kvantitativt med et kvalitativt natursyn.
Visjonen om naturen som en maskin snarere enn en organisme, utviklingen av en eksperimentell og vitenskapelig metode som søkte definitive svar på visse begrensede spørsmål formulert innenfor rammen av spesifikke teorier, og aksept av nye forklaringskriterier, med vekt på «hvordan i stedet av "hvorfor" som hadde preget den aristoteliske søken etter endelige årsaker.
Termodynamikk og optikk
Hvis hydrodynamikk eller elastisitetsteorien ikke er av umiddelbar interesse for studiet av kvanteteori, er situasjonen helt annerledes med optikk, siden dens fremgang er nært knyttet til utviklingen av moderne fysikk, lik fenomenene som oppstår med solid og flytende legemer, har lysfenomener også tiltrukket seg folks oppmerksomhet siden de tidligste tider, men først på XNUMX-tallet.
Optikk begynte å bli en ekte vitenskap. I løpet av denne perioden formulerte Descartes lovene om brytning og refleksjon av lys og Fermat foreslo sitt prinsipp, som inneholder all geometrisk optikk, i løpet av hele denne perioden med utvikling av optikk, spilte begrepet lysstråler en viktig rolle i det. , rettlinjet forplantning av lysstråler i et vakuum eller i homogene medier, deres refleksjon fra speilende overflater og brytning under overgangen fra ett medium til et annet.
Elektromagnetisme og atomstruktur
Mekanikk og relaterte felt, samt akustikk og optikk, oppsto for lenge siden, fordi de studerer fenomenene som en person stadig møter i sitt daglige liv, vitenskapen om elektrisitet, derimot, dukket opp relativt nylig.
Selvfølgelig var noen fakta, for eksempel elektrifisering av kropper ved friksjon eller egenskapene til naturlige magneter, allerede kjent før, naturfenomener så majestetiske og merkelige som elektriske stormer kan ikke unngå å tiltrekke seg oppmerksomhet.
Det er imidlertid usannsynlig at disse fakta ble tilstrekkelig studert og sammenlignet frem til slutten av XNUMX-tallet, og nesten ingen forestilte seg klart på den tiden at det ville bli gjenstand for studiet av en ny vitenskap, som utgjør et av de viktigste områdene. av moderne fysikk, ble dette klart først på slutten av XNUMX- og begynnelsen av XNUMX-tallet.
Det er interessant å merke seg at samtidig som interferensfenomener ble oppdaget og bølgeteorien ble bygget, var denne bemerkelsesverdige perioden i vitenskapens utviklingshistorie, da bølgeoptikk og den moderne teorien om elektrisitet oppsto, for makroskopisk fysikk det som de siste 50 årene var for atomfysikk.
Moderne fysikk
Moderne fysikk involverer ofte en avansert beskrivelse av naturen gjennom nye teorier som var forskjellige fra klassiske beskrivelser og involverer elementer av kvantemekanikk og Einsteins relativitetsteori, for eksempel involverer kvanteeffekter typisk avstander relatert til atomer, på den annen side involverer relativistiske effekter generelt hastigheter sammenlignet til lysets hastighet.
Energi
Fysikere bruker begrepet energi for å betegne evnen til å endre tilstand eller å produsere arbeid som forårsaker bevegelse eller genererer elektromagnetisk stråling, for eksempel fra lys eller varme, ordet kommer fra gresk og betyr "kraft i handling."
I det internasjonale systemet uttrykkes energi i joule, men i vanlige termer uttrykkes det oftere i kilowatt-timer (kWh), som for tonn oljeekvivalenter (toe), det lar generelt de forskjellige kildene sammenlignes. av energi fra hverandre, bør det bemerkes at i henhold til termodynamikkens første lov er energien til et lukket system bevart.
Termodynamikk
Den er basert på den første og andre loven, det vil si bevaring av energi og økning av entropi, disse lovene pålegger sterke begrensninger på enhver modell av universet, i tillegg kommer noen egenskaper til rom og tid i termodynamisk forstand .
Derfor bør disse forestillingene ikke betraktes som grunnleggende strukturer for grunnleggende interaksjoner, i denne forstand rom-tid es termodynamisk, dessuten, hvis man aksepterer å inkorporere statistiske argumenter, må man spørre om universets krefter kanskje er termodynamiske, vårt univers ville dermed bli styrt av entropiske krefter snarere enn av absolutte krefter.
Elektromagnetisme
De er basert på Maxwells bølgeteori og dens ligninger, men er mye mindre forstått enn disse teoriene, ikke basert på hans første tolkning av forholdet mellom E- og B-feltene, men på Ludvig Lorenzs, som Maxwell ikke var enig i.
Maxwell mente at disse to feltene skulle induseres syklisk slik at lyshastigheten bevares, i motsetning til Lorenz, som mente at begge feltene skulle oppnå sin maksimale intensitet synkront samtidig for å bevare den hastigheten, ligningene tillater begge omskrivningene.
Kvantemekanikk
Kvanteverdenen av atomer og subatomære partikler er fantastisk, en enkelt partikkel kan oppføre seg som om den var på to steder samtidig og et par partikler, i motsatte ender av universet, kan på en eller annen måte oppføre seg som en enkelt enhet.
Selv om det kan virke umulig å pakke inn sinnet vårt i så mye kvanterart, går denne forelesningssekvensen langt i retning av å avmystifisere kvanteverdenen, og gir oss solid innsikt i de fascinerende "tannhjulene" av hvordan atomer fungerer.
Big Bang
I det første sekundet av universets eksistens er vår forståelse av hva som skjedde overraskende god. Vi vet at begrepene tid, rom og fysikkens lover stivnet veldig raskt, derfra begynte orden å dukke opp fra kaos, de første som tok form var subatomære partikler som kvarker.
Deretter større partikler som protoner og nøytroner, omtrent tre minutter senere var universet avkjølt til en milliard ° C. Dette gjorde at protoner og nøytroner kunne komme sammen gjennom fusjon og danne kjerner, de ladede kjernene til atomer.
Relativt
De vidtrekkende fysiske teoriene utviklet av den tyske fysikeren Albert Einstein, med sine teorier om spesiell relativitet i 1905 og generell relativitetsteori, la Einstein til side mange kommentarer om tidligere fysiske teorier, og arbeidet i prosessen med de opprinnelige begrepene rom, tid, materie , energi og tyngdekraft.
Kjernefysikk
Denne grenen av fysikk omhandler strukturen til atomkjernen og strålingen fra ustabile kjerner.
energien til atomet
Som eksiterte atomer kan ustabile radioaktive kjerner (naturlig produsert eller kunstig produsert) sende ut elektromagnetisk stråling, de energiske kjernefysiske fotonene kalles gammastråler. Radioaktive kjerner sender også ut andre partikler, negative og positive elektroner (beta-stråler), ledsaget av nøytrinoer og heliumkjerner (alfa-stråler).
Krefter inne i kjernen
Ved radioaktivitet og i kollisjoner som fører til kjernefysisk sammenbrudd, endres den kjemiske identiteten til kjernefysiske målet hver gang det skjer en endring i kjernefysisk ladning, i kjernefysisk fisjon og fusjonsreaksjoner der ustabile kjerner henholdsvis splittes i mindre kjerner eller amalgamerer til større. kjerner, er energifrigjøringen mye større enn for noen kjemisk reaksjon.
Nylige fremskritt innen fysikk
De siste årene har det vært oppdagelser som tillater et fremskritt innen fysikk, slik som de som er beskrevet nedenfor:
Laseren
Laseren hadde ikke vært mulig uten å vite at lys er en representasjon av elektromagnetisk stråling. Max Planck mottok Nobelprisen i fysikk for sin oppdagelse av elementære energikvanter, som i Kvante Planck teori han jobbet med termodynamikk, og ønsket å vise hvorfor "blackbody"-stråling, noe som suger opp alle bølgelengder av lys, ikke utstrålte alle repetisjoner av lys likt når de ble irritert.
The Large Hadron Collider
Ti år etter starten av operasjonene til Large Hadron Collider, en av de mest kompliserte enhetene som noen gang er sett, er den den største partikkelpedalen i verden, begravd 100 meter under det franske og sveitsiske feltet med en sirkel på 17 miles.