Historia fizyki - Polski Serwis Naukowy

Główny artykuł: fizyka.

Główny artykuł: historia nauki.

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.

Teorie pól kwantowych (ang. QFT - Quantum Field Theory) to współczesne teorie fizyczne tłumaczące oddziaływania podstawowe. Są one rozwinięciem mechaniki kwantowej zapewniającym jej zgodność ze szczególną teorią względności.

Mechanika klasyczna – dział mechaniki w fizyce opisujący ruch ciał (kinematyka), wpływ oddziaływań na ruch ciał (dynamika) oraz badaniem równowagi ciał materialnych (statyka). Mechanika klasyczna oparta jest na prawach ruchu (zasadach dynamiki) sformułowanych przez Isaaca Newtona, dlatego też jest ona nazywana "mechaniką Newtona" (Principia). Mechanika klasyczna wyjaśnia poprawnie zachowanie się większości ciał w naszym otoczeniu.

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.

Szczególna teoria względności (tu STW) – teoria fizyczna, stworzona przez Alberta Einsteina w 1905 roku. Zmieniła ona podstawy pojmowania czasu i przestrzeni opisane wcześniej w newtonowskiej mechanice klasycznej, tak aby można było usunąć trudności interpretacyjne i sprzeczności pojawiające się na styku mechaniki (zwanej obecnie klasyczną) i elektromagnetyzmu po ogłoszeniu przez Jamesa Clerka Maxwella teorii elektromagnetyzmu.

Wszechświat – wszystko, co fizycznie istnieje: cała przestrzeń, czas, wszystkie formy materii i energii oraz prawa fizyki i stałe fizyczne określające ich zachowanie. Słowo "wszechświat" może być też używane w innych kontekstach, jako synonim słów kosmos (w rozumieniu filozofii), świat czy Natura. Natomiast w naukach ścisłych słowa wszechświat i kosmos są równoważne.

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.

Atom (z gr. ἄτομος atomos: "niepodzielny") – najmniejszy składnik materii, któremu można przypisać właściwości chemiczne. Atomistyczną teorię budowy materii sformułował w roku 1808 John Dalton.

Zasada zachowania energii - empiryczne prawo fizyki, stwierdzające, że w układzie izolowanym suma wszystkich rodzajów energii układu jest stała (nie zmienia się w czasie). W konsekwencji, energia w układzie izolowanym nie może być ani utworzona, ani zniszczona, może jedynie zmienić się forma energii. Tak np. podczas spalania wodoru w tlenie energia chemiczna zmienia się w energię cieplną.

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.

Nazwą magnetyzm określa się zespół zjawisk fizycznych związanych z polem magnetycznym, które może być wytwarzane zarówno przez prąd elektryczny jak i przez materiały magnetyczne.

Michael Faraday (ur. 22 września 1791, zm. 25 sierpnia 1867) – fizyk i chemik angielski, jeden z najwybitniejszych uczonych XIX w., eksperymentator, samouk.

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.

Grawitacja (ciążenie powszechne) - jedno z czterech oddziaływań podstawowych, będące zjawiskiem naturalnym polegającym na tym, że wszystkie obiekty posiadające masę oddziałują na siebie wzajemnie przyciągając się.

Nauka – autonomiczna część . Nauka jest budowana i rozwijana wyłącznie za pomocą tzw. metody naukowej lub metod naukowych nazywanych też paradygmatami nauki poprzez działalność badawczą prowadzącą do publikowania wyników naukowych dociekań. Proces publikowania i wielokrotne powtarzanie badań w celu weryfikacji ich wyników, prowadzi do powstania wiedzy naukowej dostępnej dla całej ludzkości. Zarówno ta wiedza jak i sposoby jej gromadzenia określane są razem jako nauka.

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.

Richard Phillips Feynman [ˈɹɪtʃɝd ˈfɪlɪps ˈfaɪnmən] (ur. 11 maja 1918 w Nowym Jorku, zm. 15 lutego 1988 w Los Angeles) – amerykański fizyk teoretyk.

Benjamin Thompson hrabia Rumford (ur. 26 marca 1753 w Woburn, Massachusetts, zm. 21 sierpnia 1814 w Paryżu) – fizyk, badacz zagadnień z dziedziny termodynamiki, wynalazca.

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.

Czas – skalarna wielkość fizyczna określająca kolejność zdarzeń oraz odstępy między zdarzeniami zachodzącymi w tym samym miejscu. Pojęcie to było również przedmiotem rozważań filozoficznych.

Półprzewodniki - najczęściej substancje krystaliczne, których konduktywność (przewodnictwo właściwe) może być zmieniana w szerokim zakresie (np. 10-8 do 106 S/m (simensa na metr)) poprzez domieszkowanie, ogrzewanie, oświetlenie badź inne czynniki. Przewodnictwo typowego półprzewodnika plasuje się między przewodnictwem metali i dielektryków.

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 (teoria kwantów) – teoria praw ruchu obiektów świata mikroskopowego. Poszerza zakres mechaniki na odległości czasoprzestrzenne i energie, dla których przewidywania mechaniki klasycznej nie sprawdzały się. Opisuje przede wszystkim obiekty o bardzo małych masach i rozmiarach - np. atom, cząstki elementarne itp. Jej granicą dla średnich rozmiarów lub średnich energii czy pędów jest mechanika klasyczna.

Niels Henrik David Bohr (ur. 7 października 1885 w Kopenhadze, zm. 18 listopada 1962 tamże) - fizyk duński, laureat Nagrody Nobla z dziedziny fizyki w roku 1922 za opracowanie teorii budowy (struktury) atomu.

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).

Uniwersytet Jagielloński (historyczne nazwy: łac. Studium Generale, Akademia Krakowska, Szkoła Główna Koronna, Szkoła Główna Krakowska, Uniwersytet Krakowski) (łac. Universitas Jagellonica Cracoviensis) – najstarsza polska szkoła wyższa, jeden z najstarszych uniwersytetów na świecie, mieszczący się w Krakowie.

II wojna światowa – największy konflikt zbrojny w historii świata, trwający od 1 września 1939 do 2 września 1945 (w Europie do 8 maja 1945), obejmujący zasięgiem działań wojennych prawie całą Europę, wschodnią i południowo-wschodnią Azję, północną Afrykę, część Bliskiego Wschodu i wszystkie oceany. Niektóre epizody wojny rozgrywały się nawet w Arktyce i Ameryce Północnej. Poza większością państw europejskich i ich koloniami, brały w niej udział państwa Ameryki Północnej i Ameryki Południowej oraz Azji. Głównymi stronami konfliktu były państwa osi i państwa koalicji antyhitlerowskiej (alianci).

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.

Księżyc (, nieco więcej niż 1/4 średnicy Ziemi. Oznacza to, że objętość Księżyca wynosi około 1/50 objętości kuli ziemskiej. Przyspieszenie grawitacyjne na jego powierzchni jest blisko 6 razy słabsze, niż na Ziemi. Księżyc wykonuje pełny obieg wokół Ziemi w ciągu 27,3 dnia (tzw. miesiąc syderyczny), a okresowe zmiany w geometrii układu Ziemia-Księżyc-Słońce powodują występowanie powtarzających się w cyklu 29,5-dniowym (tzw. miesiąc synodyczny) faz Księżyca.

Astrofizyka jest dziedziną leżącą na pograniczu fizyki i astronomii, zajmującą się badaniem procesów fizycznych w skali astronomicznej oraz budową i prawami rządzącymi obiektami astronomicznymi. Tematem badań astrofizyki są procesy fizyczne we Wszechświecie takich obiektów jak gwiazdy, galaktyki, materia międzygwiezdna oraz ich wzajemne oddziaływanie.

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.

Sir Ernest Rutherford (ur. 30 sierpnia 1871 w Brightwater, zm. 19 października 1937 w Cambridge) – chemik i fizyk z Nowej Zelandii. Rutherford jako pierwszy potwierdził istnienie jądra atomowego.

Alamogordo – małe miasto na południu USA, w stanie Nowy Meksyk, na wysokości 1321 m n.p.m., na zachodnich stokach gór Sacramento, na południowy zachód od Albuquerque. 35,5 tys. mieszkańców (2000).

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.

Felix Bloch (ur. 23 października 1905 w Zurychu, zm. 10 września 1983 tamże) - szwajcarsko-amerykański fizyk, przez większość życia mieszkał i pracował w Stanach Zjednoczonych, laureat Nagrody Nobla z fizyki w 1952 za odkrycie nowych metod pomiarów magnetycznej precesji jąder atomowych.

Teoria prawdopodobieństwa (także rachunek prawdopodobieństwa lub probabilistyka) – dział matematyki zajmujący się zdarzeniami losowymi. Rachunek prawdopodobieństwa zajmuje się badaniem abstrakcyjnych pojęć matematycznych stworzonych do opisu zjawisk, które nie są deterministyczne: zmiennych losowych w przypadku pojedynczych zdarzeń oraz procesów stochastycznych w przypadku zdarzeń powtarzających się (w czasie). Jako matematyczny fundament statystyki, teoria prawdopodobieństwa odgrywa istotną rolę w sytuacjach, w których konieczna jest analiza dużych zbiorów danych. Jednym z największych osiągnięć fizyki dwudziestego wieku było odkrycie probabilistycznej natury zjawisk fizycznych w skali mikroskopijnej, co zaowocowało powstaniem mechaniki kwantowej.

Przypisy

Roman Bugaj, Nauki tajemne w Polsce z dobie odrodzenia, Ossolineum, Wrocław,Warszawa itd. 1976

Linki zewnętrzne

Elementy historii nauki i rozwoju fizyki Andrzej Kajetan Wróblewski