Fizica în sec. XX

Secolului XX a adus începutul unei revoluții în fizica. Teoriile lui Newton s-au dovedit a nu fi corecte în toate împrejurările. Mecanica cuantică a arătat că legile de mișcare nu sunt corecte la scară mică, şi, mai mult, relativitatea generală a demonstrat că mediul fix spațiu-timp, pe care se baza atât mecanica newtoniană cât și relativitatea specială, nu este conform cu realitatea.

In 1904, Thomson a propus primul model al atomului, cunoscut sub numele de modelul budinca de prune. (Existența atomului a fost propusă în 1808 de către Dalton.)

În 1905, Einstein a formulat teoria relativității speciale, unificând spațiul și timpul într-o singură entitate, spațiu-timp. Relativitatea prevede o transformare diferită între sistemele de referință faţă de mecanica clasică, necesitând dezvoltarea mecanicii relativiste ca un înlocuitor pentru mecanica clasică. La viteze mici (relative), cele două teorii dau aceleaşi rezultate. În 1915, Einstein a extins teoria relativității restrânse pentru a explica gravitaţia cu ajutorul teoriei generale a relativității, care înlocuiește legea lui Newton a gravitației. Pentru mase și energii mici, cele două teorii dau aceleaşi rezultate.

În 1911, Rutherford a dedus din experimentele de împrăştiere existența unui nucleu atomic compact, cu constituienţi încărcaţi pozitiv denumiţi protoni. Neutronii, ceilalţi componenţi nucleari, neutri, au fost descoperiţi în 1932 de către Chadwick.

Începând din 1900, Planck, Einstein, Bohr, și alții au dezvoltat teorii cuantice pentru a explica diferite rezultate experimentale care păreau aberante, prin introducerea nivelulelor de energie discrete. În 1925, Heisenberg și Schrödinger au formulat mecanica cuantică, care a explicat teoriile cuantice precedente. În mecanica cuantică, rezultatele măsurătorilor fizice sunt în mod inerent probabilistice. Teoria descrie calculul acestor probabilități. Aceasta descrie cu succes comportamentul materiei la scale mici ale distanțelor.

Mecanica cuantică a furnizat, de asemenea, instrumentele teoretice pentru fizica materiei condensate, care studiază comportamentul fizic al solidelor și lichidelor, inclusiv fenomene cum ar fi structurile de cristal, semiconductivitatea, și supraconductibilitatea. Printre pionierii fizicii materiei condensate este şi Bloch, care a creat o descriere cu ajutorul mecanicii cuantice a comportamentului electronilor în structuri de cristal, în 1928.

În 1929, Edwin Hubble a publicat descoperirea sa conform căreia viteza cu care galaxiile se depărtează este corelată în mod pozitiv cu distanța lor. Aceasta este baza pentru înțelegerea faptului că universul se extinde.

În 1937, Tesla contestă teoria relativității a lui Einstein, anunțând o teorie dinamică a gravitației și susținând că un câmp de forță este un concept mai corect, pe baza acestuia explicând curbura spațiului. Din păcate, teoria nu a fost niciodată publicată, dar Tesla pare să fi dezvoltat o teorie despre undele gravitaționale.

În timpul celui de al doilea război mondial, cercetările au fost direcţionate către fizica nucleară, pentru a crea o bombă nucleară. Efortul echipei germane, condusă de Heisenberg, nu a avut succes, dar Proiectul Manhattan Allied şi-a atins obiectivul. În America, o echipă condusă de Fermi a realizat prima reacție nucleară în lanț provocată de om, în 1942, iar în 1945 primul exploziv nuclear din lume a fost detonat în Alamagordo, New Mexico.

Teoria câmpului cuantic a fost formulată pentru a extinde mecanica cuantică astfel încât să fie în concordanță cu teoria relativității restrânse. Aceasta a obținut forma sa modernă în 1940, prin munca lui Feynman, Schwinger, Tomonaga, și Dyson. Ei au formulat teoria electrodinamicii cuantice, care descrie interacțiunea electromagnetică.

Teoria câmpului cuantic a oferit cadrul general pentru fizica particulelor moderne, care studiază forțele fundamentale și particulele elementare. În 1954, Yang și Mills au dezvoltat o clasă de teorii gauge, care a oferit cadrul pentru Modelul Standard. Modelul Standard, care a fost finalizată în 1970, descrie cu succes aproape toate particulele elementare observate până în prezent.