Fizica

Fizica este ştiinţa naturii în sensul cel mai larg. Fizicienii studiază comportamentul şi interacţiunile materiei şi radiaţiei. Teoriile în fizică sunt, în general, exprimate ca relaţii matematice. Teoriile cele mai cunoscute sunt adesea menţionate ca legi ale fizicii. Cu toate acestea, la fel ca toate teoriile ştiinţifice, niciuna din aceste legi nu este permanentă, toate se schimbă în timp în funcţie de cunoştinţele, datele, informaţiile şi experienţa cumulate.
.
Fizica este foarte strâns legată de alte domenii ale ştiinţelor naturale, în special de chimie, ştiinţa moleculelor şi a compuşilor chimici formaţi de molecule. Chimia se bazează pe mai multe domenii ale fizicii, în special pe mecanica cuantică, termodinamica, şi electromagnetismul. Cu toate acestea, fenomenele chimice sunt suficient de variate şi complexe astfel încât chimia să fie privită ca o disciplină separată.

Scurtă istorie

Încă din antichitate, oamenii au încercat să înţeleagă comportamentul materiei: de ce obiectele nesprijinte cad la pământ, de ce materiale diferite au proprietăţi diferite, ş.a.m.d. De asemenea, erau un mister caracteristicile universului, precum forma Pământului şi comportamentul obiectelor cereşti, precum Soarelele şi Luna. Au fost propuse mai multe teorii, cele mai multe dintre ele dovedindu-se a fi greşite. Aceste teorii au fost în mare măsură formulate în termeni filozofici, şi niciodată nu au fost verificate prin încercări experimentale sistematice. Au fost excepţii şi există şi în prezent anacronisme: de exemplu, gânditorul grec Arhimede a exprimat în mai multe lucrări descrieri corecte cantitative ale mecanicii şi hidrostaticii.

În sec. XVI, Galileo a folosit pentru prima dată experiment pentru a valida teoriile fizice, metoda ştiinţifică principală de confirmare în prezent a ipotezelor. Galileo a formulat şi testat cu succes o serie de afirmaţii în dinamică, în special Legea inerţiei.

În 1687, Newton a publicat Principia Mathematica, detaliind două teorii fizice cuprinzătoare şi de succes: legile mişcării ale lui Newton, care au stat la baza mecanicii clasice, precum şi Legea lui Newton a gravitației, care descrie forţa fundamentală a gravitaţiei. Ambele teorii au fost verificate experimental. Mecanica clasică a fost extinsă de Lagrange, Hamilton, şi alţii, care au promovat noi formulări, principii, şi rezultate. Legea gravitaţiei a dus la dezvoltarea astrofizicii, care descrie fenomenele astronomice folosind teoriile fizice.

Începând cu secolul al optsprezecelea, s-a dezvoltat termodinamica prin contribuţiile lui Boyle, Young, şi mulţi alţii. În 1733, Bernoulli a folosit argumente statistice în mecanica clasică pentru a obţine rezultate în termodinamică, iniţiind dezvoltarea mecanicii statistice. În 1798, Thompson a demonstrat conversia lucrului mecanic în căldură, iar în 1847 Joule a publicat legea de conservare a energiei, sub formă de căldură şi de energie mecanică.

Electricitatea şi magnetismul au fost studiate de către Faraday, Ohm, şi alţii. În 1855, Maxwell a unificat cele două fenomene într-o singură teorie a electromagnetismului, descris de ecuaţiile lui Maxwell. O predicţie a acestei teorii a fost faptul că lumina este o undă electromagnetică.

În 1895, Roentgen a descoperit razele X, care s-au dovedit a fi radiaţii electromagnetice de înaltă frecvenţă. Radioactivitatea a fost descoperită în anul 1896 de către Henri Becquerel, şi studiată apoi de Pierre Curie şi Marie Curie, printre alţii. Aceasta a stat la baza fizicii nucleare.

În 1897, Thomson a descoperit electronul, particulă elementară care transportă curent electric în circuitele electrice. În 1904 el a propus primul model al atomului, cunoscut sub numele de modelul „budincă de prune” (existenţa atomului a fost propusă încă din 1808 de către Dalton.).

În 1905, Einstein a formulat teoria relativitatii speciale, unificând spaţiul şi timpul într-o singură entitate, spaţiu-timp. Relativitatea prevede o transformare diferită între sistemele de referinţă, faţă de mecanica clasică. Aceasta a necesitat dezvoltarea mecanicii relativiste, ca un înlocuitor pentru mecanica clasică. În intervalul vitezelor (relative) mici, cele două teorii obţin aceleaşi tezultate. În 1915, Einstein a extins teoria relativităţii restrânse pentru a explica gravitatea cuajutorul teoriei generale a relativităţii, care înlocuieşte legea lui Newton a gravitaţiei. În intervalul maselor şi energiilor mici, cele două teorii obţin aceleaşi rezultate.

În 1911, Rutherford a dedus, din experimente de împrăştiere, existenţa unui nucleu atomic compact, cu elementele constitutive încărcate pozitiv denumite protoni. Neutronii, componentele neutre nucleare, au fost descoperite în 1932 de către Chadwick.

Începând din 1900, Planck, Einstein, Bohr, şi alţii, dezvoltat teorii cuantice pentru a explica diverse rezultate anormale experimentale, prin introducerea unor niveluri distincte de energie. În 1925 Heisenberg, şi în 1926 Schroedinger şi Dirac, au formulat mecanica cuantica, care a explicat teoriile cuantice precedente. În mecanica cuantică, rezultatele măsurătorilor fizice sunt în mod inerent probabilistice. Teoria descrie calculul acestor probabilităţi. Cu ajutorul ei se descrie cu succes comportamentul materiei pentru dimensiuni mici, subatomice.

Mecanica cuantică furnizat, de asemenea, instrumentele teoretice pentru dezvoltarea fizicii materiei condensate, care studiaza comportamentul fizic al solidelor şi lichidelor, inclusiv fenomene precum structura cristalelor, semiconductivitatea, şi supraconductibilitatea. Unul din pionierii în fizica materiei condensate a fost Bloch, care a dezvoltat o descriere cuantică a comportamentului electronilor în structurile de cristal, în 1928.

În timpul celui de al doilea război mondial, cercetarea a fost focalizată de către fiecare parte pe fizica nucleară, în scopul creării bombei nucleare. Echipa germană, condusă de Heisenberg, nu a obţinut rezultatele sperate. În schimb, Proiectul Manhattan al Aliaţilor şi-a atins scopul. În America, o echipă condusă de Fermi, a obţinut prima reacţie nucleară în lanţ iniţiată de om, în 1942, iar în 1945 a fost detonată prima armă nucleară din lume, în Trinity, în apropiere de Alamogordo, New Mexico.

Teoria câmpurilor cuantice a fost formulată în scopul de a extinde mecanica cuantică pentru a fi în concordanţă cu teoria relativităţii restrânse. Forma sa actuală a fost obţinută spre finele anilor 1940, prin lucrările lui Feynman, Schwinger, Tomonaga, şi Dyson. Ei au formulat teoria electrodinamicii cuantice, care descrie interacţiunea electromagnetică.

Teoria câmpurilor cuantice oferă cadrul pentru fizica modernă a particulelor, care studiaza forţele fundamentale şi particulele elementare. În 1954, Yang şi 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.

Direcţii de dezvoltare

În fizica materiei condensate, cea mai mare problemă teoretică nerezolvată este explicaţia pentru superconductivitatea la temperaturi ridicate. Eforturile deosebite, în mare parte experimentale, sunt concentrate spintronicii şi a calculatoarelor cuantice.

În fizica particulelor, au început să apară primele dovezi experimentale pentru fizica de dincolo de Modelul Standard. Cele mai importante sunt indiciile că neutrinii au masă diferită de zero. Aceste rezultate experimentale par să fi rezolvat problemele de lungă durată ale neutrinilor solari în fizica solară. Fizica neutrinilor masivi este în prezent un domeniu de cercetare teoretic şi experimental activ.

Încercări teoretice de a unifica mecanica cuantică şi relativitatea generală într-o singură teorie a gravitaţiei cuantice, un program în curs de peste o jumătate de secol, nu a dat încă roade. Liderii actuali  sunt teoria M şi gravitaţia cuantică în buclă.

Multe fenomene astronomice nu au fost încă explicate, inclusiv existenţa unor radiaţii cosmice cu energii ultra-înalte, şi vitezele anormale de rotaţie ale galaxiilor. Au fost propuse teorii pentru a rezolva aceste probleme, inclusiv relativitatea specială dublă, dinamica newtoniană modificată, şi existenţa materiei întunecate. În plus, previziunile cosmologice din ultimele decenii au fost contrazise de dovezile recente că expansiunea universului se accelerează.

Imagine http://en.wikipedia.org/wiki/File:CollageFisica.jpg 

Acest text este disponibil sub licența Creative Commons cu atribuire și distribuire în condiții identice