Mūsu izpratne par dabu un jo īpaši fizikas vēsture un likumi, kas to regulē, ir radikāli mainījušies kopš seno grieķu dabas filozofu laikiem. Šeit ir izskaidrots, kā un kāpēc šīs izmaiņas notika, izmantojot vēsturiskus eksperimentus un teorijas, kas savā laikā bija revolucionāras.
Fizikas izcelsme un evolūcija
Saskaņā ar Fizikas vēsturiskais fons un dabas filozofija, tie tika lietoti aizvietojami zinātnei, kuras mērķis ir atklāt un formulēt Dabas pamatspēki, Mūsdienu zinātnēm attīstoties un kļūstot arvien specializētākām, fizika nozīmēja, ka daļa no fiziskās zinātnes nebija iekļauta astronomijā, ķīmijā, ģeoloģijā un inženierzinātnēs.
Tomēr fizika spēlē nozīmīgu lomu visās dabaszinātnēs, un visās šajās jomās ir nozares, kurās fizikālie likumi un mērījumi ir īpaši uzsvērti, un pamatā ir tādi nosaukumi kā astrofizika, ģeofizika, biofizika un pat psihofizika, fizika var. , kas definēta kā matērijas, kustības un enerģijas zinātne, kuras likumi matemātikas valodā parasti izteikti taupīgi un precīzi.
Fizikas galvenais mērķis ir atrast vienotu likumu kopumu, kas regulē vielu, kustību un enerģiju nelielos subatomiskos attālumos, ikdienas dzīves cilvēka mērogā un lielākos attālumos (piemēram, ārpusgalaktikas mērogā). šis ambiciozais mērķis lielā mērā ir īstenots.
Lai gan pilnībā vienota fizikālo parādību teorija vēl nav sasniegta, šķiet, ka ļoti mazs fizisko fundamentālo likumu kopums spēj izskaidrot visas zināmās parādības.
Līdz aptuveni 20. gadsimta mijai izstrādātais fizikas ķermenis, kas pazīstams kā klasiskā fizika, lielā mērā var izskaidrot lēni kustīgu makroskopisku objektu kustības attiecībā pret gaismas ātrumu un tādām parādībām kā siltums, skaņa, elektrība, magnētisms un gaisma.
Mūsdienu relativitātes un kvantu mehānikas attīstība maina šos likumus, jo tie attiecas uz lielākiem ātrumiem, ļoti masīviem objektiem un mazām matērijas elementārajām sastāvdaļām, piemēram, elektroniem, protoniem un neitroniem.
Senā fizika
Thales bija pirmais fiziķis, un viņa teorijas patiešām deva disciplīnai nosaukumu, viņš uzskatīja, ka pasaule, kaut arī veidota no daudziem materiāliem, patiesībā ir veidota no viena elementa, ūdens, ko sengrieķu valodā sauca par Physis.
Ūdens mijiedarbība starp cietās, šķidrās un gāzes fāzēm piešķīra materiāliem dažādas īpašības, šis bija pirmais skaidrojums, kas izveda dabas parādības no dievišķās aizgādības un dabas likumu un skaidrojumu jomas.
Anaksimanders, kurš bija slavens ar savu protoevolūcijas teoriju, apstrīdēja Talesa idejas un ierosināja, ka ūdens vietā visa matērija ir viela, ko sauc par Apeironu, un, ņemot vērā mūsdienu atskatu, mēs varam teikt, ka tas bija vēl viens Gudrs pieņēmums. Anaksimandra un ļoti līdzīgs idejai, ka ūdeņradis ir visas mūsu Visuma matērijas pamatelements.
Viens no pirmajiem slavenajiem senajiem fiziķiem bija Leikips, kurš stingri iebilda pret ideju par tiešu dievišķo iejaukšanos Visumā, šis filozofs tā vietā ierosināja, ka dabas parādībām ir dabisks cēlonis. Leikips un viņa skolnieks Demokrits izstrādāja pirmo atomu teoriju, apgalvojot, ka matēriju nevar dalīt bezgalīgi un galu galā tā tiks sadalīta atsevišķās daļās, kuras nevarēs sagriezt.
Pirmā atomu teorija
Tā ir sena filozofiska spekulācija, ka visas lietas var izskaidrot ar neskaitāmām cietu, mazu, nedalāmu dažāda izmēra, bet viena un tā paša pamatmateriāla daļiņu kombinācijām vai mūsdienu zinātnisko matērijas teoriju, saskaņā ar kuru ķīmiskie elementi, kas savienojas, veido A. Vielu daudzveidība sastāv no līdzīgu apakšvienību kopumiem, kuriem ir katram elementam raksturīga kodola un elektroniskā apakšstruktūra.
Eiklīds un matemātika
Dažādo grāmatu nevienmērīgums un dažādie matemātiskie līmeņi var radīt iespaidu, ka Eiklīds bija tikai citu matemātiķu sarakstīto traktātu redaktors, zināmā mērā tā ir taisnība, lai gan, iespējams, nav iespējams noteikt, kuras daļas ir viņa un kuras. bija viņa priekšteču adaptācijas. Eiklida laikabiedri uzskatīja, ka viņa pēdējais un autoritatīvs darbs, maigi izsakoties, bija kā komentāri par elementiem.
Aristoteļa fizika
Interesanti, ka, lai gan Aristotelis tiek uzskatīts par zinātnes tēvu un pozitīvi palīdzēja Fizikas vēstures kopsavilkums ar savu sistemātiku un praksi viņš faktiski kavēja fizikas attīstību vairāku gadu tūkstošu garumā.
Viņš pats pieļāva kļūdu, sakot, ka matemātikas teorija un dabas pasaule nepārklājas, kas ir parole viņa pārliekai paļaušanās uz zināšanām. Aristotelis ar savu elementu teoriju centās parādīt tādas doktrīnas kā kustība un gravitācija, kas ir papildinājums senajai fizikai, kas attiecās arī uz alķīmiju un medicīnu.
Aristotelis stingri apgalvoja, ka visu matēriju veido piecu elementu, zemes, gaisa, uguns, ūdens un nemateriālā ētera kombinācija, viņš to turpināja, norādot, ka zemes valstību ieskauj gaiss, kam seko uguns un ētera valstība. .
Fizika viduslaiku islāma pasaulē
Mehānika bija viena no attīstītākajām zinātnēm viduslaikos, kas darbojās principiāli aristoteļa ietvaros, viduslaiku fiziķi kritizēja un mēģināja uzlabot daudzus Aristoteļa fizikas aspektus.
Šāviņa kustības problēma bija ļoti svarīga Aristoteļa mehānikai, un šīs problēmas analīze ir viens no iespaidīgākajiem viduslaiku ieguldījumiem fizikā, jo tika pieņemts, ka kustības turpināšanai nepieciešama nepārtraukta virzošā spēka darbība, nepārtraukta kustība. lādiņš pēc kontakta zaudēšanas ar projektoru prasīja paskaidrojumu.
Pats Aristotelis bija ierosinājis skaidrojumus par šāviņa kustības turpināšanos attiecībā uz nesēja darbību, un šo skaidrojumu raksturs padarīja tos neapmierinošus vairumam viduslaiku komentētāju, kuri tomēr saglabāja pamatpieņēmumu, ka šāviņa nepārtrauktai kustībai ir nepieciešams nepārtraukts cēlonis.
1300. gados daži Oksfordas zinātnieki apdomāja filozofisko problēmu, kā aprakstīt izmaiņas, kas notiek, kad kvalitātes palielinās vai samazinās intensitātē, un sāka apsvērt kustības kinemātiskos aspektus.
Ptolemajs un ģeocentriskais modelis
Saukta arī par ģeocentrisko sistēmu, matemātisku Visuma modeli, ko formulējis astronoms un matemātiķis Aleksandrīns Ptolemajs un ierakstījis savās Almagesta un Planetārās hipotēzēs, Ptolemaja sistēma ir ģeocentriska kosmoloģija, tas ir, tā sākas, pieņemot, ka Zeme ir stacionāri un Visuma centrā.
klasiskā fizika
Klasiskā fizika izveidojās, kad Ņūtons izvirzīja savu gravitācijas teoriju un matemātiku, ko mēs parasti pazīstam kā aprēķinus, sadarbojoties ar Fizikas vēsturiskā attīstībaŅūtona fizika bija trīsdimensiju, platums, augstums un dziļums, pirms trīssimt gadiem Īzaks Ņūtons paziņoja, ka telpa un laiks ir mūžīgas un nemainīgas kosmosa sastāva sastāvdaļas, neskartas struktūras, kas atrodas ārpus jautājuma robežām un skaidrojums.
Ņūtons principā rakstīja matemātiku:
"Absolūtā telpa pēc savas būtības bez saiknes ar kaut ko ārēju vienmēr ir līdzīgs un nekustīgs, absolūtais, patiesais un matemātiskais laiks pats par sevi un sava daba plūst vienādi bez attiecības ne ar ko ārēju."
Ņūtona teorijas par Visumu, lai gan Einšteins parādītu, ka tās ir neprecīzas, kalpojušas zinātnei gadsimtiem ilgi, neskatoties uz to trūkumiem, pieļāva industriālās revolūcijas tehnoloģiskos jauninājumus, teorija ir saskaņots modelis, kas virza domas, uztveres kopums, ko var modificēta, līdz tiek izstrādāta labāka teorija.
Ņūtona teorijas ietvēra viņa gravitācijas teoriju, kurai viņš izstrādāja aprēķinus, lai to aprakstītu, viņa jēdzienu par trīs dimensijām bezgalīgā visumā, viņa gaismas daļiņu teoriju un viņa pamatā esošo pārliecību, kas ietverta viņa teorijās, ka patiesībā pastāv taisnas līnijas. dabā, Ņūtona jautājumi par gaismas fiziku radīja gaismas daļiņu teoriju, tas ir, katrs gaismas stars ceļoja taisnā līnijā un tam bija neticami maza masa.
Saule kā Visuma centrs
Senie grieķi, piemēram, uzskatīja, ka planētas ietver Sauli, Zeme ir visa centrā (ģeocentriska), šīm planētām riņķojoties ap to, tas kļuva tik svarīgi kultūrā, ka nedēļas dienām tika dots nosaukums. dievu, ko attēlo šie septiņi kustīgie gaismas punkti.
Ņūtona fiziskie likumi
Saiknes starp spēkiem, kas iedarbojas uz ķermeni, un ķermeņa kustību, ko pirmo reizi izteica angļu fiziķis un matemātiķis Īzaks Ņūtons. Īzaka Ņūtona biogrāfija tā paša likumi pirmo reizi parādījās viņa darbā 1687. gadā, ko parasti sauc par Principia.
Zinātniskā revolūcija
Zinātniskās revolūcijas vidū dzima jauna ideja par dabu, aizstājot grieķu pieeju, kas ilgus gadus bija pakļāvusi zinātni, zinātne kļuva par brīvu metodi, kas atšķiras no filozofijas un tehnoloģijas, ko sāka uzskatīt par ietvertiem pozitīvisma mērķiem.
Līdz šī perioda beigām, iespējams, nav pārāk daudz teikt, ka zinātne ir aizstājusi kristietību kā Eiropas civilizācijas centrālo punktu, no renesanses un reformācijas rūgšanas tur radās jauns skatījums uz zinātni, kas radīja: transformācijas, veselā saprāta pāraudzināšana par labu abstraktai spriešanai, kvantitatīvā aizstāšana ar kvalitatīvu dabas skatījumu.
Vīzija par dabu kā mašīnu, nevis organismu, eksperimentālas un zinātniskas metodes izstrāde, kas meklēja galīgas atbildes uz atsevišķiem ierobežotiem specifisku teoriju ietvaros formulētiem jautājumiem un jaunu skaidrojuma kritēriju pieņemšana, uzsverot «kā vietā. par "kāpēc", kas raksturoja Aristoteļa galīgo cēloņu meklējumus.
Termodinamika un optika
Ja hidrodinamika vai elastības teorija nav tūlītēja interese kvantu teorijas izpētē, tad ar optiku situācija ir pavisam citāda, jo tās virzība ir cieši saistīta ar mūsdienu fizikas attīstību, līdzīgi parādībām, kas notiek ar cietu un šķidrie ķermeņi, arī gaismas parādības ir piesaistījušas cilvēku uzmanību jau kopš senākajiem laikiem, taču tikai XNUMX. gs.
Optika sāka veidoties par īstu zinātni. Šajā periodā Dekarts formulēja gaismas laušanas un atstarošanas likumus un Fermā ierosināja savu principu, kas satur visu ģeometrisko optiku, visā šajā optikas attīstības periodā gaismas staru jēdzienam tajā bija liela nozīme. Gaismas staru taisnvirziena izplatīšanās vakuumā vai viendabīgā vidē, to atstarošana no spoguļvirsmām un refrakcija pārejas laikā no vienas vides uz otru.
Elektromagnētisms un atomu uzbūve
Mehānika un ar to saistītās jomas, kā arī akustika un optika radās jau sen, jo pēta parādības, ar kurām cilvēks pastāvīgi saskaras savā ikdienā, elektrības zinātne savukārt parādījās salīdzinoši nesen.
Protams, daži fakti, piemēram, ķermeņu elektrifikācija ar berzi vai dabisko magnētu īpašības, bija zināmi jau iepriekš, tik majestātiskas un dīvainas dabas parādības kā elektriskās vētras nevar nepiesaistīt uzmanību.
Tomēr maz ticams, ka šie fakti tika pietiekami pētīti un salīdzināti līdz XNUMX. gadsimta beigām, un gandrīz neviens tolaik skaidri neiedomājās, ka tas kļūs par jaunas zinātnes, kas ir viena no svarīgākajām jomām, izpētes objektu. no mūsdienu fizikas, tas kļuva skaidrs tikai XNUMX. gadsimta beigās un XNUMX. gadsimta sākumā.
Interesanti atzīmēt, ka tajā pašā laikā tika atklātas interferences parādības un būvēta viļņu teorija, šis ievērojamais posms zinātnes attīstības vēsturē, kad radās viļņu optika un mūsdienu elektrības teorija, bija makroskopiskajai fizikā. pēdējie 50 gadi bija saistīti ar atomu fiziku.
Mūsdienu fizika
Mūsdienu fizika bieži ietver progresīvu dabas aprakstu, izmantojot jaunas teorijas, kas atšķiras no klasiskajiem aprakstiem un ietver kvantu mehānikas un Einšteina relativitātes elementus, piemēram, kvantu efekti parasti ietver attālumus, kas saistīti ar atomiem, no otras puses, relativistiskie efekti parasti ietver ātrumus, kas tiek salīdzināti. gaismas ātrumam.
Enerģija
Fiziķi lieto terminu enerģija, lai apzīmētu spēju mainīt stāvokli vai radīt darbu, kas izraisa kustību vai rada elektromagnētisko starojumu, piemēram, no gaismas vai siltuma, šis vārds nāk no grieķu valodas un nozīmē "spēks darbībā".
Starptautiskajā sistēmā enerģiju izsaka džoulos, bet parasti to biežāk izsaka kilovatstundās (kWh), jo naftas ekvivalenta tonnai (toe) tas parasti ļauj salīdzināt dažādus avotus. No vienas otras enerģijas, jāatzīmē, ka saskaņā ar pirmo termodinamikas likumu slēgtas sistēmas enerģija tiek saglabāta.
Termodinamika
Tas ir balstīts uz pirmo un otro likumu, tas ir, enerģijas saglabāšanu un entropijas palielināšanos, šie likumi uzliek spēcīgus ierobežojumus jebkuram Visuma modelim, turklāt rodas dažas telpas un laika īpašības termodinamiskā nozīmē. .
Tādēļ šos jēdzienus nevajadzētu uzskatīt par fundamentālo mijiedarbību, šajā nozīmē, telpas-laika, pamatstruktūrām es termodinamiskā, turklāt, ja pieņemts iekļaut statistikas argumentus, ir jājautā, vai Visuma spēki, iespējams, ir termodinamiski, tādējādi mūsu Visumu vadītu entropiskie spēki, nevis absolūtie spēki.
Elektromagnētisms
Tie ir balstīti uz Maksvela viļņu teoriju un tās vienādojumiem, taču ir daudz mazāk izprotami nekā šīs teorijas, kas nav balstītas uz viņa sākotnējo E un B lauka attiecību interpretāciju, bet gan uz Ludviga Lorenca, kam Maksvels nepiekrita.
Maksvels uzskatīja, ka šie divi lauki ir jāinducē cikliski, lai saglabātu gaismas ātrumu, atšķirībā no Lorenca, kurš uzskatīja, ka abiem laukiem ir jāsaņem maksimālā intensitāte vienlaikus sinhroni, lai saglabātu šo ātrumu, un vienādojumi pieļauj abas pārfrāzes.
Kvantu mehānika
Atomu un subatomisko daļiņu kvantu pasaule ir brīnišķīga, viena daļiņa var izturēties tā, it kā tā atrastos divās vietās vienlaikus, un daļiņu pāris, kas atrodas pretējos Visuma galos, var kaut kā uzvesties kā viena vienība.
Lai gan var šķist neiespējami ietīt mūsu prātus tik daudzās kvantu dīvainībās, šī lekciju secība ievērojami palīdz demistificēt kvantu pasauli, sniedzot mums pamatīgu ieskatu aizraujošajos atomu darbības “zobratos un riteņos”.
Big Bang
Visuma pastāvēšanas pirmajā sekundē mūsu izpratne par notiekošo ir pārsteidzoši laba. Mēs zinām, ka laika, telpas jēdzieni un fizikas likumi nostiprinājās ļoti ātri, no turienes no haosa sāka veidoties kārtība, pirmās izveidojās subatomiskās daļiņas, piemēram, kvarki.
Pēc tam lielākas daļiņas, piemēram, protoni un neitroni, apmēram trīs minūtes vēlāk Visums bija atdzisis līdz miljardam ° C. Tas ļāva protoniem un neitroniem saplūsmes ceļā apvienoties un veidot kodolus, lādētus atomu kodolus.
Relativitāte
Vācu fiziķa Alberta Einšteina izstrādātās tālejošās fizikālās teorijas ar speciālās relativitātes teorijām 1905. gadā un vispārējo relativitāti Einšteins nolika malā daudzus komentārus par iepriekšējām fizikālajām teorijām, šajā procesā strādājot pie telpas, laika, matērijas pamatjēdzieniem. , enerģija un gravitācija.
Kodolfizika
Šī fizikas nozare nodarbojas ar atoma kodola uzbūvi un nestabilu kodolu starojumu.
atoma enerģija
Tāpat kā ierosināti atomi, arī nestabili radioaktīvie kodoli (dabiski vai mākslīgi ražoti) var izstarot elektromagnētisko starojumu, enerģētiskos kodolfotonus sauc par gamma stariem. Radioaktīvie kodoli izstaro arī citas daļiņas, negatīvus un pozitīvos elektronus (beta starus), ko pavada neitrīno un hēlija kodoli (alfa stari).
Spēki kodola iekšienē
Radioaktivitātē un sadursmēs, kas izraisa kodola sabrukšanu, kodolmērķa ķīmiskā identitāte tiek mainīta katru reizi, kad notiek kodola lādiņa izmaiņas, kodola skaldīšanas un saplūšanas reakcijās, kurās nestabili kodoli sadalās attiecīgi mazākos kodolos vai apvienojas lielākos. kodolos, enerģijas izdalīšanās ir daudz lielāka nekā jebkura ķīmiska reakcija.
Jaunākie sasniegumi fizikā
Pēdējos gados ir bijuši atklājumi, kas ļauj virzīties uz priekšu fizikā, piemēram, tālāk aprakstītie:
Lāzers
Lāzers nebūtu bijis iespējams, nezinot, ka gaisma ir elektromagnētiskā starojuma attēlojums. Makss Planks saņēma Nobela prēmiju fizikā par elementāro enerģijas kvantu atklāšanu, piemēram, Kvantu Planka teorija viņš strādāja pie termodinamikas, vēloties parādīt, kāpēc "melnā ķermeņa" starojums, kaut kas, kas absorbē visus gaismas viļņu garumus, neizstaro visus gaismas atkārtojumus vienādi, kad tas ir kairināts.
Lielais hadronu paātrinātājs
Desmit gadus pēc Lielā hadronu paātrinātāja, vienas no sarežģītākajām jebkad redzētajām ierīcēm, darbības sākuma tas ir pasaulē lielākais daļiņu pedālis, kas aprakts 100 metrus zem Francijas un Šveices lauka ar 17 jūdžu garu apli.