Naše razumevanje narave in še posebej zgodovina fizike in zakoni, ki ga urejajo, se je od časov starogrških naravnih filozofov korenito spremenilo, tukaj je razloženo, kako in zakaj je do teh sprememb prišlo, skozi zgodovinske eksperimente in teorije, ki so bile za svoj čas revolucionarne.
Nastanek in razvoj fizike
Glede na Zgodovinsko ozadje fizike in naravne filozofije, so jih uporabljali zamenljivo za znanost, katere cilj je odkriti in oblikovati Temeljne sile narave, Ko so se sodobne znanosti razvijale in postajale vse bolj specializirane, je fizika pomenila, da del fizikalnih znanosti ni vključen v astronomijo, kemijo, geologijo in tehniko.
Vendar ima fizika pomembno vlogo v vseh naravoslovnih znanostih in vsa ta področja imajo veje, v katerih so fizikalni zakoni in meritve posebej poudarjene, z imeni, kot so astrofizika, geofizika, biofizika in celo psihofizika, fizika lahko v osnovi , opredeljena kot znanost o materiji, gibanju in energiji, njeni zakoni, ki so na splošno izraženi ekonomično in natančno v jeziku matematike.
Končni cilj fizike je najti enoten niz zakonov, ki urejajo materijo, gibanje in energijo na majhnih subatomskih razdaljah, na človeški lestvici vsakdanjega življenja in na večjih razdaljah (na primer tistih na zunajgalaktičnem merilu). ta ambiciozen cilj je bil v veliki meri uresničen.
Čeprav popolnoma enotna teorija fizikalnih pojavov še ni bila dosežena, se zdi, da je izjemno majhen nabor temeljnih fizikalnih zakonov sposoben pojasniti vse znane pojave.
Fizikalno telo, ki se je razvilo približno do preloma 20. stoletja, znano kot klasična fizika, lahko v veliki meri razloži gibanje počasi premikajočih se makroskopskih predmetov glede na svetlobno hitrost in za pojave, kot so toplota, zvok, elektrika, magnetizem in svetlobo.
Sodobni razvoj relativnosti in kvantne mehanike spreminjata te zakone, saj veljajo za višje hitrosti, zelo masivne predmete in majhne elementarne komponente snovi, kot so elektroni, protoni in nevtroni.
Starodavna fizika
Thales je bil prvi fizik in njegove teorije so disciplini res dale ime, verjel je, da je svet, čeprav je narejen iz številnih materialov, dejansko zgrajen iz enega samega elementa, vode, ki se v stari grščini imenuje Physis.
Interakcija vode med fazami trdne, tekoče in plinaste je dala materialom različne lastnosti, to je bila prva razlaga, ki je naravne pojave pripeljala iz področja božje previdnosti in s področja naravnih zakonov in razlag.
Anaksimander, najbolj znan po svoji protoevolucijski teoriji, je oporekal Thalesovim idejam in predlagal, da je namesto vode snov, imenovana Apeiron, gradnik vse snovi, s pomočjo sodobnega pogleda lahko rečemo, da je bila to še ena Pametna predpostavka. Anaksimandra in zelo podoben ideji, da je vodik gradnik vse snovi v našem vesolju.
Eden prvih priznanih antičnih fizikov je bil Leucippus, ki je odločno nasprotoval ideji neposrednega božjega posega v vesolje, ta filozof pa je namesto tega predlagal, da imajo naravni pojavi naravni vzrok. Levkip in njegov učenec Demokrit sta razvila prvo atomsko teorijo, pri čemer sta trdila, da snovi ni mogoče deliti v nedogled in da bo sčasoma prišla na posamezne koščke, ki jih ni bilo mogoče razrezati.
prva atomska teorija
To je starodavna filozofska špekulacija, da je vse stvari mogoče razložiti z neštetimi kombinacijami trdih, majhnih, nedeljivih delcev različnih velikosti, vendar iz istega osnovnega materiala ali sodobne znanstvene teorije snovi, po kateri kemični elementi, ki se združijo, da tvorijo A velika raznolikost snovi je sestavljena iz agregacije podobnih podenot, ki imajo jedrsko in elektronsko podstrukturo, značilno za vsak element.
Evklid in matematika
Neenakomernost različnih knjig in raznolike matematične ravni lahko dajejo vtis, da Evklid ni bil nič drugega kot urednik razprav, ki so jih napisali drugi matematiki, do neke mere je to res, čeprav je verjetno nemogoče ugotoviti, kateri deli so njegovi in kateri. so bile njegove priredbe svojih predhodnikov. Evklidovi sodobniki so menili, da je bilo njegovo končno in avtoritativno delo milo rečeno podobno komentarjem elementov.
Aristotelova fizika
Zanimivo je, da čeprav Aristotel velja za očeta znanosti in je pozitivno pomagal Povzetek zgodovine fizike s svojo sistematiko in prakso je pravzaprav oviral napredek fizike skozi več tisočletij.
Sam je naredil napako, ko je rekel, da se matematična teorija in naravni svet ne prekrivata, kar je geslo za njegovo pretirano zanašanje na znanje. Aristotel je s svojo teorijo elementov skušal manifestirati doktrine, kot sta gibanje in gravitacija, dodatek k starodavni fiziki, ki se je razširil tudi na alkimijo in medicino.
Aristotel je močno trdil, da je vsa snov sestavljena iz kombinacije petih elementov, zemlje, zraka, ognja, vode in neoprijemljivega etra, to pa je nadaljeval z insinuacijo, da je zemeljsko kraljestvo obdano z zrakom, ki mu sledita kraljestva ognja in etra. .
Fizika v srednjeveškem islamskem svetu
Mehanika je bila ena najrazvitejših ved, ki se je ukvarjala v srednjem veku in je delovala v temeljno aristotelovskem okviru, srednjeveški fiziki so kritizirali in poskušali izboljšati številne vidike Aristotelove fizike.
Problem gibanja projektila je bil za aristotelovsko mehaniko ključnega pomena in analiza tega problema predstavlja enega najbolj impresivnih srednjeveških prispevkov k fiziki zaradi predpostavke, da je za nadaljevanje gibanja potrebno neprekinjeno delovanje gonilne sile, nadaljevanje gibanja. projektil po izgubi stika s projektorjem je zahteval razlago.
Aristotel je sam predlagal razlage nadaljevanja gibanja izstrelka z vidika delovanja medija, pri čemer so zaradi narave teh razlag nezadovoljive večine srednjeveških komentatorjev, ki pa so ohranili temeljno domnevo, da neprekinjeno gibanje izstrelkov zahteva stalen vzrok.
V 1300-ih letih so nekateri oxfordski učenjaki razmišljali o filozofskem problemu, kako opisati spremembo, ki se pojavi, ko se kvalitete povečajo ali zmanjšajo v intenzivnosti, in začeli razmišljati o kinematičnih vidikih gibanja.
Ptolemej in geocentrični model
Imenuje se tudi geocentrični sistem, matematični model vesolja, ki ga je oblikoval astronom in matematik Aleksandrin Ptolemej in ga zapisal v svojih Almagestovih in planetarnih hipotezah, Ptolemajev sistem je geocentrična kozmologija, to pomeni, da se začne s predpostavko, da je Zemlja nepremičen in v središču vesolja.
klasična fizika
Klasična fizika se je oblikovala, ko je Newton postavil svojo teorijo gravitacije in matematika, ki jo običajno poznamo kot račun, je sodelovala z Zgodovinski razvoj fizike, Newtonova fizika je bila tridimenzionalna, širina, višina in globina, pred tristo leti je Isaac Newton izjavil, da sta prostor in čas večna in nespremenljiva sestavina v sestavi kozmosa, nedotaknjene strukture, ki ležijo onkraj meja vprašanja in razlaga.
Newton je zapisal načelno matematiko:
"Absolutni prostor v svoji naravi brez odnosa do česarkoli zunanjega je vedno podoben in nepremičen, absolutni, resnični in matematični čas samega sebe in njegova lastna narava teče enako brez odnosa do česar koli zunanjega."
Newtonove teorije o vesolju, čeprav bi Einstein pokazal, da so nenatančne, so stoletja služile znanosti, kljub svojim pomanjkljivostim, so dopuščale tehnološke inovacije industrijske revolucije, teorija je koherenten model, ki vodi misli, niz zaznav, ki jih je mogoče spreminjati, dokler se ne razvije boljša teorija.
Newtonove teorije so vključevale njegovo teorijo gravitacije, za katero je razvil račun, da bi jo opisal, njegov koncept treh dimenzij v neskončnem vesolju, njegovo teorijo delcev svetlobe in njegovo osnovno prepričanje, utelešeno v njegovih teorijah, da so v resnici ravne črte. V naravi so Newtonova vprašanja o fiziki svetlobe privedla do svetlobne teorije delcev, to je, da je vsak svetlobni žarek potoval v ravni črti in imel neverjetno majhno maso.
Sonce kot središče vesolja
Stari Grki so na primer menili, da planeti vključujejo Sonce, Zemlja je v središču vsega (geocentrična), s temi planeti, ki se vrtijo okoli nje, je to postalo tako pomembno v kulturi, da so dnevi v tednu nosili ime bogov, ki jih predstavlja teh sedem gibljivih svetlobnih točk.
Newtonovi fizikalni zakoni
Povezave med silami, ki delujejo na telo, in gibanjem telesa, ki jih je prvi izrazil angleški fizik in matematik Isaac Newton, pravi Življenjepis Isaaca Newtona zakoni istega so se prvič pojavili v njegovem delu leta 1687, ki je običajno znano kot Principia.
Znanstvena revolucija
Nova ideja o naravi se je rodila sredi znanstvene revolucije, ki je nadomestila grški pristop, ki je dolga leta podrejal znanost, znanost je postala svobodna metoda, ločena od filozofije in tehnologije, za katere se je začelo šteti, da vsebujejo pozitivistične cilje.
Do konca tega obdobja morda ne bo preveč reči, da je znanost nadomestila krščanstvo kot osrednjo točko evropske civilizacije, iz vrenja renesanse in reformacije se je tam pojavil nov pogled na znanost, ki je prinesel naslednje transformacije , prevzgoja zdrave pameti v korist abstraktnega sklepanja, zamenjava kvantitativnega za kvalitativni pogled na naravo.
Vizija narave kot stroja in ne organizma, razvoj eksperimentalne in znanstvene metode, ki je iskala dokončne odgovore na določena omejena vprašanja, oblikovana v okviru posebnih teorij, in sprejemanje novih kriterijev razlage, ki poudarjajo »kako namesto tega o »zakaj«, ki je zaznamoval aristotelovsko iskanje končnih vzrokov.
Termodinamika in optika
Če hidrodinamika ali teorija elastičnosti nista neposredno zanimivi za preučevanje kvantne teorije, je pri optiki situacija povsem drugačna, saj je njen napredek tesno povezan z razvojem sodobne fizike, podobno kot pri pojavih, ki se pojavljajo pri trdnih in tekočih teles, so tudi svetlobni pojavi pritegnili pozornost ljudi že od najstarejših časov, a šele v XNUMX. stoletju.
Optika se je začela oblikovati v pravo znanost. V tem obdobju je Descartes oblikoval zakone loma in odboja svetlobe, Fermat pa je predlagal svoj princip, ki vsebuje vso geometrijsko optiko, v tem celotnem obdobju razvoja optike je pri tem igral koncept svetlobnih žarkov pomembno vlogo. pravolinijsko širjenje svetlobnih žarkov v vakuumu ali v homogenih medijih, njihov odboj od zrcalnih površin in lom med prehodom iz enega medija v drugega.
Elektromagnetizem in atomska struktura
Mehanika in sorodna področja ter akustika in optika so se pojavili že zdavnaj, saj preučujejo pojave, s katerimi se človek nenehno srečuje v vsakdanjem življenju, znanost o elektriki pa se je pojavila relativno nedavno.
Seveda so bila nekatera dejstva, kot na primer naelektritev teles s trenjem ali lastnosti naravnih magnetov, znana že prej, naravni pojavi, tako veličastni in čudni, kot so nevihte, ne morejo pritegniti pozornosti.
Malo verjetno pa je, da so bila ta dejstva do konca XNUMX. stoletja dovolj proučena in primerjana in si takrat skoraj nihče ni jasno predstavljal, da bo postala predmet preučevanja nove znanosti, ki predstavlja eno najpomembnejših področij. sodobne fizike je to postalo jasno šele v poznem XNUMX. in v začetku XNUMX. stoletja.
Zanimivo je, da so hkrati odkrili interferenčne pojave in zgradili teorijo valov, to izjemno obdobje v zgodovini razvoja znanosti, ko sta nastala valovna optika in sodobna teorija elektrike, je bilo za makroskopsko fiziko tisto, kar je zadnjih 50 let je bilo za atomsko fiziko.
Sodobna fizika
Sodobna fizika pogosto vključuje napreden opis narave z novimi teorijami, ki so bile drugačne od klasičnih opisov in vključuje elemente kvantne mehanike in Einsteinove relativnosti, na primer kvantni učinki običajno vključujejo razdalje, povezane z atomi, po drugi strani pa relativistični učinki običajno vključujejo primerjane hitrosti. na svetlobno hitrost.
Energija
Fiziki uporabljajo izraz energija za označevanje zmožnosti spreminjanja stanja ali dela, ki povzroča gibanje ali ustvarja elektromagnetno sevanje, na primer iz svetlobe ali toplote, beseda izvira iz grščine in pomeni »sila v akciji«.
V mednarodnem sistemu je energija izražena v džulih, običajno pa je pogosteje izražena v kilovatnih urah (kWh), kar pa za tono ekvivalenta nafte (toe) na splošno omogoča primerjavo različnih virov. energije drug od drugega, je treba opozoriti, da je v skladu s prvim zakonom termodinamike energija zaprtega sistema ohranjena.
Termodinamika
Temelji na prvem in drugem zakonu, to je ohranjanju energije in povečanju entropije, ti zakoni nalagajo močne omejitve vsakemu modelu vesolja, poleg tega se nekatere lastnosti prostora in časa pojavljajo v termodinamičnem smislu. .
Zato teh pojmov ne bi smeli obravnavati kot osnovne strukture temeljnih interakcij, v tem smislu prostor-čas es termodinamično, poleg tega, če sprejmemo vključitev statističnih argumentov, se moramo vprašati, ali so sile vesolja morda termodinamične, bi naše vesolje tako upravljale entropične sile in ne absolutne sile.
Elektromagnetizem
Temeljijo na Maxwellovi valovni teoriji in njenih enačbah, vendar so veliko manj razumljene kot te teorije, ne temeljijo na njegovi začetni interpretaciji razmerja med polji E in B, temveč na Ludvigi Lorenzovi, s katero se Maxwell ni strinjal.
Maxwell je menil, da je treba ti dve polji inducirati ciklično, tako da je hitrost svetlobe ohranjena, za razliko od Lorenza, ki je menil, da morata obe polji hkrati pridobiti svojo največjo intenzivnost, da bi ohranili to hitrost, enačbe pa dovoljujejo obe parafrazi.
Kvantna mehanika
Kvantni svet atomov in subatomskih delcev je čudovit, en sam delec se lahko obnaša, kot da bi bil na dveh mestih hkrati, in par delcev na nasprotnih koncih vesolja se lahko nekako obnaša kot ena sama entiteta.
Čeprav se morda zdi nemogoče, da bi naše misli zavili v toliko kvantnih čudakov, je to zaporedje predavanj daleč v smeri demistifikacije kvantnega sveta in nam daje trden vpogled v fascinantne "zobnike in kolesa" delovanja atomov.
Big Bang
V prvi sekundi obstoja vesolja je naše razumevanje dogajanja presenetljivo dobro. Vemo, da so se pojmi časa, prostora in zakoni fizike zelo hitro utrdili, od tam je iz kaosa začel nastajati red, prvi so se oblikovali subatomski delci, kot so kvarki.
Nato večji delci, kot so protoni in nevtroni, približno tri minute pozneje se je vesolje ohladilo na milijardo ° C. To je omogočilo, da so se protoni in nevtroni združili skozi fuzijo in tvorili jedra, nabita jedra atomov.
Relativnost
Daljnosežne fizikalne teorije, ki jih je razvil nemški fizik Albert Einstein, s svojimi teorijami posebne relativnosti leta 1905 in splošno relativnostjo, je Einstein pustil ob strani številne pripombe na prejšnje fizične teorije, pri tem pa je delal na temeljnih konceptih prostora, časa, materije. , energija in gravitacija.
Jedrska fizika
Ta veja fizike se ukvarja s strukturo atomskega jedra in sevanjem nestabilnih jeder.
energija atoma
Tako kot vzbujeni atomi lahko nestabilna radioaktivna jedra (naravno proizvedena ali umetno proizvedena) oddajajo elektromagnetno sevanje, energijski jedrski fotoni se imenujejo gama žarki. Radioaktivna jedra oddajajo tudi druge delce, negativne in pozitivne elektrone (beta žarki), ki jih spremljajo nevtrini in jedra helija (alfa žarki).
Sile znotraj jedra
Pri radioaktivnosti in pri trkih, ki vodijo do jedrskega razpada, se kemična identiteta jedrskega cilja spremeni vsakič, ko pride do spremembe jedrskega naboja, pri reakcijah jedrske cepitve in fuzije, pri katerih se nestabilna jedra razdelijo na manjša jedra ali združijo v večja. jeder, je sproščanje energije veliko večje kot pri kateri koli kemični reakciji.
Nedavni napredek v fiziki
V zadnjih letih so bila odkritja, ki omogočajo napredek v fiziki, kot so tista, ki so podrobno opisana spodaj:
Laser
Laser ne bi bil mogoč, če ne bi vedeli, da je svetloba predstavitev elektromagnetnega sevanja. Max Planck je prejel Nobelovo nagrado za fiziko za odkritje elementarnih energijskih kvantov. Kvantna Planckova teorija ukvarjal se je s termodinamiko, želel je pokazati, zakaj sevanje "črnega telesa", nekaj, kar vpije vse valovne dolžine svetlobe, ni izžarevalo vseh ponovitev svetlobe enako, ko je razdraženo.
Veliki hadronski trkalnik
Deset let po začetku delovanja velikega hadronskega trkalnika, ene najbolj zapletenih naprav, kar so jih kdaj videli, je največja pedala z delci na svetu, zakopana 100 metrov pod francosko in švicarsko polje s krogom 17 milj.