Historia fizyki

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

Starożytność

Filozofia przyrody była pierwszym obszarem rozważań filozoficznych w starożytnej Grecji. Jest ona prekursorką nowożytnej nauki, która się z niej wyodrębniła i uniezależniła.

Początkowo filozofia przyrody zajmowała się wszystkimi zagadnieniami współczesnej nauki, rozpatrywanymi jednak najczęściej metodami filozoficznymi. Filozofia, rozumiana jako umiłowanie mądrości, wiązała się z dążeniem do zrozumienia funkcjonowania wszechświata. Miała ona wtedy jednak charakter spekulatywny i brakowało w niej rozwiniętej metodologii badań i rygoryzmu obserwacji. Stopniowo jednak empiryczne badanie rzeczywistości materialnej wyodrębniało się z głównego nurtu badań filozoficznych. W XVII w. nastąpiło rozdzielenie filozofii i nauki.

Problem podstawowej struktury fizycznej rzeczywistości był głównym przedmiotem zainteresowania przedsokratejskich filozofów starożytnej Grecji. Filozofowie ci podjęli pierwsze niemitologiczne, racjonalne próby wyjaśnienia natury (physis), kładąc podwaliny pod filozofię i naukę europejską. Problemy i idee postawione przez przedsokratejskich filozofów przyrody były inspiracją i istotnym punktem odniesienia dla badaczy przyrody aż do powstania nowożytnej nauki. Były jednak wyjątki: np. w III wieku p.n.e. Archimedes podał wiele poprawnych ilościowych opisów z zakresu mechaniki i hydrostatyki.

Pierwszą grupą filozofów byli tzw. jońscy filozofowie przyrody (m.in. Tales z Miletu, Anaksymander, Anaksymenes, Heraklit, Anaksagoras). Dążyli oni do wyjaśnienia rzeczywistości poprzez znalezienie jej najbardziej podstawowej zasady (arché), przenikającej całość rzeczywistości. Różni filozofowie w czym innym upatrywali tę podstawową zasadę: Tales w wodzie, Anaksymander w bezkresie (apeiron), Heraklit w ogniu, natomiast Anaksymenes w powietrzu. Bardzo wpływowa była filozofia Heraklita, uznającego zmianę za podstawową zasadę rządzącą rzeczywistością.

W południowej Italii Pitagoras skupił wokół siebie grono uczniów, nauczając o matematycznej strukturze rzeczywistości. Zasadą podstawową była dla nich liczba, która stanowiła element rzeczy. Dzięki temu pitagorejczycy bardzo rozwinęli badania matematyczne.

Istotne znaczenie dla starożytnej metafizyki miała też działalność eleatów. Negowali oni możliwość ruchu i wielości. Był to dla nich jedynie pozór, a prawdziwa rzeczywistość była według nich niezmienną jednością.

Ostatnią z ważnych szkół byli atomiści (Leukippos, Demokryt) głoszący materialny charakter rzeczywistości, składającej się z małych i niepodzielnych elementów nazwanych przez nich atomami. Wielu filozofów przyjmowało istnienie wielu zasad podstawowych (stanowisko pluralistyczne), lub łączyło ze sobą twierdzenia wielu szkół w niespójną całość (eklektyzm). Szczególnie wpływowa była pluralistyczna myśl Empedoklesa, twórcy koncepcji czterech elementów (żywiołów): wody, ognia, powietrza i ziemi, łącząca koncepcje Talesa, Anaksymenesa, Heraklita i Ksenofanesa. Elementy są "pierwotne i jakościowo niezmienne". Mogą się ze sobą łączyć w sposób mechaniczny, tworząc wielość i różnorodność rzeczy we wszechświecie. Koncepcja czterech żywiołów Empedoklesa (zmodyfikowana następnie przez Arystotelesa poprzez dodanie piątego elementu: eteru), pozostała bardzo wpływowa aż do XVI w.

Najbardziej wpływowym badaczem przyrody w starożytności był Arystoteles, którego koncepcje zdominowały przyrodoznawstwo aż do XVI w. Obok szeregu obserwacji szczegółowych Arystoteles stworzył rozbudowany system zawierający koncepcje dotyczące ruchu i zmiany, czasu, przestrzeni, budowy materii i kosmologii. Zawarł je w wielu pismach, z których podstawowym jest Fizyka.

Średniowiecze

Wraz z końcem starożytności i rozpowszechnieniem chrześcijaństwa, początkowo niechętnego czy wrogiego filozofii, większość pism przyrodoznawczych została na Zachodzie zapomniana. Zostały przechowane przez filozofów bizantyńskich, muzułmańskich i żydowskich. Uczeni ci rozwinęli znacznie wiele dziedzin, m.in. kosmologię.

Od XII wieku, w zachodniej Europie na nowo odkryto pisma Arystotelesa, co zaowocowało rozwojem filozofii przyrody. Z problematyki fizycznej, najszerzej dyskutowanymi kwestiami były problem struktury bytu i jego podstawowych elementów, problematyka kosmologiczna (miejsce Ziemi we wszechświecie), problem wieczności świata i charakteru czasu, problem ruchu i jego przyczyn oraz problem próżni (możliwość lub niemożliwość jej istnienia).

Nauka nowożytna

Już pod koniec średniowiecza, rozwój przyrodoznawstwa zaczął powoli prowadzić do kształtowania się nauki we współczesnym sensie tego słowa. Arystotelizm, metoda scholastyczna i autorytet Kościoła zaczęły być stopniowo przeszkodą w poszerzaniu wiedzy o świecie. Epoka renesansu ma charakter przejściowy, w którym dawne koncepcje przyrodoznawcze sąsiadują z nowymi odkryciami i stopniowym wypracowywaniem metody naukowej. Szczególne zasługi dla ukształtowania się nowożytnej metody naukowej opartej na eksperymencie i indukcji miał Francis Bacon.

W 1543 r. ukazało się De revolutionibus orbium coelestium Mikołaja Kopernika. Samo dzieło nie miało filozoficznego charakteru, miało jednak olbrzymie konsekwencje dla podglądów na naturę rzeczywistości, miejsce człowieka w świecie, a także stosunek do dawnych autorytetów: Biblii, Arystotelesa i Ptolemeusza. Zmiany te określa się mianem przewrotu kopernikańskiego. 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".

Współczesność

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.

Bibliografia

• Giovanni Reale: Historia filozofii starożytnej. T. 1. Lublin: Wydawnictwo KUL, 1994.

Linki zewnętrzne

• Elementy historii nauki i rozwoju fizyki Andrzej Kajetan Wróblewski