Historia fizyki

Historia fizyki – dział historii nauki wyróżniony na podstawie badanej dziedziny jaką jest fizyka.

Od starożytności ludzie próbowali zrozumieć zachowanie się materii oraz jej pochodzenie: dlaczego niepodparte ciała spadają na ziemię, dlaczego różne materiały mają różne własności, itd. Rozumową analizę tego rodzaju problemów zapoczątkował Tales głosząc przekonanie jakoby każda materia zbudowana była z kombinacji kilku spośród czterech żywiołów (ziemi, powietrza, ognia i wody) (zasadniczo uważa się, że Tales znajdował pramaterią, od której wywodzi się wszystko, wodę). Była to pierwsza teoria głosząca, że wyjaśnienia skomplikowanej różnorodności świata należy szukać we względnej prostocie jego składników i interakcji między nimi. Rozumowanie to zrobiło ogromną karierę, zaś wespół z rozwojem wiedzy matematycznej i muzycznej (harmonia dźwięków, pitagorejczycy) stało się paradygmatem rozwojowym nauki i filozofii.

Zagadką była również natura wszechświata: kształt Ziemi, zachowanie się ciał niebieskich takich jak Słońce czy Księżyc, ruch na nieboskłonie gwiazd stałych i planet. Proponowano wiele teorii. Wiele z nich było sformułowanych w terminach filozoficznych i nigdy nie sprawdzonych przez testy doświadczalne. Były jednak wyjątki: np. w III wieku p.n.e. Archimedes podał wiele poprawnych ilościowych opisów z zakresu mechaniki i hydrostatyki.

Początek ścisłym naukom przyrodniczym dała wykładana na uczelniach magia naturalna (magia naturalis). Z wysokiego poziomu wykładów w tej dziedzinie słynęła w XVI w. Akademia Krakowska. Zwolennikiem magii naturalnej był Giordano Bruno oraz Giambattista della Porta. Fizykę stosowaną, czyli wówczas – mechanikę, od magii naturalnej oddzielił Francis Bacon, zwolennik eksperymentu.

Pod koniec XVI w. Galileusz zapoczątkował użycie eksperymentu jako środka potwierdzającego teorię fizyczną, co stało się kluczową ideą metody naukowej. Sformułował i z powodzeniem potwierdził doświadczeniem wiele wyników z dziedziny dynamiki, m.in. zasadę bezwładności, prawo spadania ciał i zasadę względności. W 1687 Newton opublikował Philosophiae naturalis principia mathematica omawiające dwie obszerne teorie fizyczne: prawa ruchu, które zapoczątkowały powstanie mechaniki klasycznej, oraz prawo grawitacji. Obie teorie potwierdzał eksperyment. Mechanika klasyczna została znacząco rozwinięta przez Lagrange'a, Hamiltona i innych, którzy formułowali ją na wiele odmiennych sposobów, podali nowe zasady i wyniki. Prawo grawitacji zainicjowało powstanie astrofizyki opisującej zjawiska astronomiczne przy użyciu nowo powstałych teorii fizycznych.

Poczynając od XVIII w., rozwijana była termodynamika (Boyle, Young i wielu innych). W 1733 Bernoulli użył rozumowania statystycznego w połączeniu z zasadami mechaniki klasycznej otrzymując wyniki znane termodynamice, co zainicjowało powstanie mechaniki statystycznej. W 1798 Thompson zademonstrował proces przemiany energii w ciepło, a w 1847 Joule sformułował zasadę zachowania energii, zarówno w formie ciepła, jak i w formie energii mechanicznej.

Elektryczność i magnetyzm były studiowane przez Faradaya, Ohma i innych. W 1855 Maxwell zunifikował obie dziedziny w jedną: elektromagnetyzm. Kluczem do niej są równania Maxwella. Przewidywała ona, że światło jest falą elektromagnetyczną.

W 1895 Röntgen odkrył promienie X, jak się wkrótce okazało, promieniowanie elektromagnetyczne o wysokiej częstości. Promieniotwórczość została odkryta w 1896 przez Becquerela, a następnie badana przez Marię Skłodowską-Curie, Pierre'a Curie i innych. Badania te zainicjowały powstanie fizyki jądrowej.

W 1897, Thomson odkrył elektron, cząstkę elementarną, która przenosi prąd elektryczny. W 1904 zaproponował pierwszy model atomu znany jako model typu "ciasto z rodzynkami".

W 1905 Einstein sformułował szczególną teorię względności unifikującą czas i przestrzeń w jedną strukturę: czasoprzestrzeń. Wymóg zgodności z teorią elektromagnetyzmu Maxwella doprowadził do modyfikacji naszego spojrzenia na czas i przestrzeń oraz na własności i rolę materii. W nowej teorii transformacje między inercjalnymi układami odniesienia wyglądają inaczej niż w mechanice klasycznej – rozwinięta została mechanika relatywistyczna, która zastąpiła mechanikę klasyczną. W granicy małych prędkości obie teorie pokrywają się. W 1915 Einstein rozszerzył szczególną teorię względności, tak by tłumaczyła zjawisko grawitacji. Tak powstała ogólna teoria względności, która zastąpiła newtonowskie prawo grawitacji. W zakresie małych mas i energii te dwie teorie także pokrywają się.

W 1911 Rutherford na podstawie eksperymentów rozpraszania wydedukował obecność skupionego jądra w atomie zawierającego dodatnio naładowane składniki nazywane odtąd protonami. Neutron, neutralny składnik jądra został odkryty w 1932 przez Chadwicka.

Poczynając od 1900, Planck, Einstein, Bohr i inni rozwijali teorie kwantowe próbując wyjaśnić anomalne wyniki różnych eksperymentów poprzez wprowadzenie dyskretnych poziomów energetycznych. W 1925 Werner Heisenberg i Erwin Schrödinger sformułowali mechanikę kwantową, która wyjaśniła poprzedzające ją teorie kwantowe. W mechanice kwantowej wynik pomiaru fizycznego jest z natury rządzony zasadami prawdopodobieństwa, a teoria jedynie podaje sposób obliczania odpowiednich prawdopodobieństw. Mechanika kwantowa z powodzeniem opisuje zachowanie materii w skali małych odległości.

Mechanika kwantowa dostarczyła teoretycznych narzędzi fizyce materii skondensowanej, dziedzinie badającej zachowanie materii w stanach stałym i ciekłym, a m.in. obiekty takie jak kryształy, półprzewodniki, i zjawiska takie jak nadprzewodnictwo czy nadciekłość. Jednym z pionierów tej dziedziny był Bloch – twórca kwantowo-mechanicznego opisu zachowania elektronów w strukturze krystalicznej (1928).

Podczas II wojny światowej, obie strony konfliktu prowadziły badania w zakresie fizyki jądrowej. Cel – konstrukcja broni jądrowej, nie został osiągnięty przez Niemców, których wysiłkami kierował Heisenberg. Udało się to Amerykanom w ramach Manhattan Engineering District prowadzonego przez Fermiego. Jego zwieńczeniem była pierwsza kontrolowana przez człowieka reakcja łańcuchowa (1942). W 1945 w Alamogordo miała miejsce pierwsza w dziejach ludzkości eksplozja nuklearna.

Kwantowa teoria pola została sformułowana jako rozszerzenie mechaniki kwantowej by zapewnić spójność ze szczególną teorią względności. Osiągnęła swoją współczesną formę w końcu lat 40. XX w. wraz z pracami Feynmana, Schwingera, Tomonagi i Dysona. Sformułowali oni elektrodynamikę kwantową opisującą oddziaływania elektromagnetyczne. Elektrodynamika kwantowa stanowi obecnie najlepiej sprawdzoną i zgodną z doświadczeniem teorię fizyczną: ścisłość jej przewidywań (błąd statystyczny) sięga obecnie szóstego miejsca po przecinku.

Kwantowa teoria pola dostarczyła ram dla współczesnej fizyki cząstek elementarnych badającej oddziaływania podstawowe i cząstki elementarne. W 1954 Yang i Mills rozwinęli klasę teorii z cechowaniem, której przykładem jest Model Standardowy z powodzeniem opisujący prawie wszystkie obecnie obserwowane cząstki elementarne.

Linki zewnętrzne

• Elementy historii nauki i rozwoju fizyki Andrzej Kajetan Wróblewski