Φυσική
- Η Φυσική είναι η επιστήμη της Φύσης, με την ευρύτερη έννοια.
Ετυμολογία[]
Η ονομασία "Φυσική" προέρχεται από την ελληνική λέξη "Φύση.
Εισαγωγή[]
Η Φυσική μελετά την συμπεριφορά και τις ιδιότητες της ύλης, από πολύ μικρό δηλ. τα υποατομικά σωματίδια, που αποτελούν όλη την συνήθη ύλη (Σωματιδιακή Φυσική), έως το πολύ μεγάλο δηλ. την συμπεριφορά του Σύμπαντος ως ολότητα (Κοσμολογία).
Σκοπός της Φυσικής είναι η εύρεση του πλαισίου των θεμελιωδών νόμων στους οποίους υπακούουν οι φυσικές οντότητες.
Παρακάτω δίνεται μια επισκόπηση των κύριων κλάδων και εννοιών της φυσικής, ακολουθούμενη από μία σύντομη επισκόπηση της ιστορίας της φυσικής και κάθε κλάδου της.
Επισκόπηση της Φυσικής[]
Βασικές Θεωρίες[]
- Κλασσική Σχετικότητα
- Στατιστική
- Ηλεκτρομαγνητική Θεωρία
- Ειδική Σχετικότητα
- Γενική Σχετικότητα
- Κβαντική Θεωρία
- Κβαντική Πεδιακή Θεωρία
- Ενοποιητικές Θεωρίες
- Χορδιακή Θεωρία
Θεμελιώδεις Επιδράσεις[]
Σωματίδια[]
Επιστημονικοί Κλάδοι Φυσικής[]
- Ατομική Φυσική, Μοριακή Φυσική,
- Πυρηνική Φυσική,
- Σωματιδιακή Φυσική (ή Φυσική Υψηλών Ενεργειών)
- Κβαντική Φυσική
Σύντομη Ιστορία της Φυσικής[]
Ήδη από την Αρχαιότητα, η συμπεριφορά της Ύλης αποτέλεσε αντικείμενο στοχασμού και μελέτης: γιατί τα αντικείμενα πέφτουν όταν αφεθούν ελεύθερα, γιατί διαφορετικά υλικά παρουσιάζουν διαφορετικές ιδιότητες, κ.ο.κ. Άλλα μεγάλα ερωτήματα αφορούσαν το χαρακτήρα του Σύμπαντος, για παράδειγμα το σχήμα της Γης και οι κινήσεις των ουρανίων σωμάτων, όπως ο Ήλιος και η Σελήνη.
Για την εξήγηση των φαινομένων αυτών προτάθηκαν αρκετές θεωρίες. Οι περισσότερες είχαν φιλοσοφική βάση και χροιά (και μερικές φορές, θρησκευτικές ή μεταφυσικές καταβολές), και στηρίζονταν λίγο ή καθόλου στη συστηματική πειραματική δοκιμασία, με την έννοια που έχει σήμερα ο όρος. Ωστόσο, οι αστρονομικές παρατηρήσεις (αρχικά δια γυμνού οφθαλμού) χρησίμευαν πάντα ως οδηγός για τα κοσμολογικά μοντέλα.
Υπήρξαν βεβαίως και αρκετές αξιοσημείωτες εξαιρέσεις, προάγγελλοι της επιστημονικής μεθόδου. Για παράδειγμα, ο αρχαίος Έλληνας μαθηματικός Αρχιμήδης συνέταξε πολλές ποσοτικά ακριβείς μελέτες της Μηχανικής και της Υδροστατικής.
Το έργο του Πτολεμαίου και του Αριστοτέλη (Φυσική) επίσης ερχόταν συχνά σε αντίθεση με την καθημερινή παρατήρηση. Για παράδειγμα, ένα βέλος που συνεχίζει να ταξιδεύει δια μέσου του αέρα αφού εκτοξευτεί από το τόξο έρχεται σε αντίφαση με τη διαβεβαίωση του Αριστοτέλη ότι "η φυσική κατάσταση όλων των σωμάτων είναι η ακινησία" (με άλλα λόγια, ότι απαιτείται μια δύναμη για να διατηρείται ένα σώμα σε κίνηση).
Η προθυμία να επανεξετάσουν τις παραδεδομένες αλήθειες και η έρευνα για νέες απαντήσεις οδήγησε σε μια περίοδο ανθηρής επιστημονικής δραστηριότητας, γνωστή ως Επιστημονική Επανάσταση. Οι απαρχές της εντοπίζονται στην ανακάλυψη εκ νέου από τους Ευρωπαίους των χειρογράφων του Αριστοτέλη κατά τον 12ο και τον 13ο αιώνα.
Κορωνίδα της περιόδου αυτής αποτέλεσε η έκδοση των Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Μαθηματικές Αρχές της Φυσικής Φιλοσοφίας) το 1687 από τον Ισαάκ Νεύτωνα.
Οι περισσότεροι ιστορικοί (π.χ., ο Χάουαρντ Μάργκολις - Howard Margolis) τοποθετούν την αρχή της Επιστημονικής Επανάστασης στα 1543, οπότε και εκδόθηκε το πρώτο αντίτυπο του βιβλίου De Revolutionibus Orbium Coelestium |De Revolutionibus (Περί της Περιστροφής των Ουρανίων Σφαιρών), του Πολωνού αστρονόμου Νικολάου Κοπέρνικου, γραμμένο δώδεκα χρόνια νωρίτερα (το βιβλίο δεν εκδόθηκε έως τη μέρα του θανάτου του). Στο βιβλίο διατυπωνόταν η θέση ότι η Γη εκτελεί περιφορά γύρω από τον Ήλιο, καθώς και ότι περιστρέφεται γύρω από τον άξονά της.
Άλλα σημαντικά επιτεύγματα κατά την περίοδο αυτή σημειώθηκαν από τους: Γαλιλαίο, Huygens, Kepler, Pascal κ.α.
Στις αρχές του 17ου αιώνα, ο Γαλιλαίος πρωτοστάτησε στην καθιέρωση πειραματικών μεθόδων με σκοπό την επαλήθευση φυσικών θεωριών, μια ιδέα που αποτελεί το κλειδί της επιστημονικής μεθόδου. Ο Γαλιλαίος διατύπωσε και τεκμηρίωσε με επιτυχία αρκετές υποθέσεις στο πεδίο της Δυναμικής, ιδίως δε το νόμο της Αδράνειας. Στα 1687, ο Νεύτων δημοσίευσε τα Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Μαθηματικές Αρχές της Φυσικής Φιλοσοφίας), θεμελιώνοντας με λεπτομέρειες δύο περιεκτικές και επιτυχημένες φυσικές θεωρίες: τους νόμους της κίνησης του Νεύτωνα, από τους οποίους αναπτύχθηκε η Κλασσική Μηχανική και τον Νόμο της Παγκόσμιας Έλξης του Νεύτωνα, ο οποίος περιγράφει τη θεμελιώδη δύναμη της βαρύτητας.
Και οι δύο θεωρίες ήταν σε καλή συμφωνία με το πείραμα. Οι Μαθηματικές Αρχές περιλάμβαναν ωστόσο και αρκετές θεωρίες σχετικά με τη Ρευστοδυναμική.
Η Κλασσική Μηχανική επεκτάθηκε αργότερα σε μεγάλο βαθμό από τους Lagrange, Hamilton κ.α., που παρήγαγαν νέο φορμαλισμό, αρχές και πορίσματα. Ο Νόμος της Παγκόσμιας Έλξης εγκαινίασε τον κλάδο της Αστροφυσικής, ο οποίος περιγράφει τα Αστρονομικά φαινόμενα με βάση φυσικές θεωρίες.
Μετά τη θεμελίωση της Κλασσικής Μηχανικής από τον Νεύτωνα, το επόμενο μεγάλο πεδίο έρευνας στη Φυσική αφορούσε τη φύση του ηλεκτρισμού. Παρατηρήσεις κατά τον 17ο και 18ο αιώνα από επιστήμονες όπως ο Robert Boyle, ο Stephen Gray και ο Φραγκλίνος έβαλαν τα θεμέλια της μετέπειτα έρευνας. Επίσης, οι παρατηρήσεις αυτές οδήγησαν στη βασική κατανόηση του ηλεκτρικού φορτίου και του ηλεκτρικού ρεύματος.
Στα 1821, ο Michael Faraday ενοποίησε τη μελέτη του Μαγνητισμού με τη μελέτη του ηλεκτρισμού, δείχνοντας πειραματικά ότι ένας κινούμενος μαγνήτης επάγει Ηλεκτρικό Ρεύμα σε έναν αγωγό.
Ο Faraday επίσης συνέλαβε τη φυσική έννοια που μετέπειτα ονομάστηκε Ηλεκτρομαγνητικό Πεδίο. Ο James Clerk Maxwell ανέπτυξε αυτή την ιδέα, στα 1864, καταλήγοντας σε ένα σύστημα 20 συζευγμένων εξισώσεων που εξηγούσαν τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων. Οι 20 αυτές εξισώσεις ανήχθησαν αργότερα, με τη χρήση διανυσματικού λογισμού, σε ένα σύστημα τεσσάρων εξισώσεων.
Πέρα από τα συνήθη ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα, οι εξισώσεις του Maxwell μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για να περιγράψουν το φως. Η παρατήρηση αυτή επιβεβαιώθηκε με την ανακάλυψη των ραδιοκυμάτων στα 1888 από τον Heinrich Hertz, καθώς και στα 1895, όταν ο Wilhelm Roentgen εντόπισε τις Aκτίνες Χ.
Η περιγραφή του φωτός με όρους ηλεκτρομαγνητικού πεδίου αποτέλεσε το έναυσμα για τη δημοσίευση, από τον Einstein της Ειδικής Θεωρίας της Σχετικότητας.
Η θεωρία αυτή ενοποίησε την Κλασσική Μηχανική με τον Ηλεκτρομαγνητισμό. Η Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας ενοποιεί το χώρο και το χρόνο σε μία και μόνη οντότητα, τον Χωρόχρονο. Η Σχετικότητα ορίζει έναν νεό κανόνα μετασχηματισμού μεταξύ αδρανειακών συστημάτων αναφοράς από ό,τι η Κλασσική Μηχανική, αυτό προϋπέθετε την ανάπτυξη Σχετικιστικής Μηχανικής ως αντικατάστατο της Κλασσικής Μηχανικής.
Στην περιοχή των χαμηλών (σχετικά) ταχυτήτων, οι δύο θεωρίες συμφωνούν. Ο Einstein επεξέτεινε περαιτέρω την Ειδική Σχετικότητα συμπεριλαμβάνοντας τη Βαρύτητα στους υπολογισμούς του. Δημοσίευσε την Γενική Σχετικότητα στα 1915.
Μέρος της θεωρίας της Γενικής Σχετικότητας αποτελούν οι πεδιακές εξισώσεις του Einstein. Αυτές περιγράφουν το πώς ο [[Τανυστής Ενέργειας-Ορμής καμπυλώνει τον χωρόχρονο, ενώ όταν συνδυαστούν με την "γεωδαισιακή εξίσωση" σχηματίζουν τη βάση της Γενικής Σχετικότητας. Περαιτέρω επεξεργασία των πεδιακών εξισώσεων του Einstein παρήγαγε αποτελέσματα που προέβλεπαν τη Μεγάλη Έκρηξη, τις μαύρες τρύπες, καθώς και το διαστελλόμενο σύμπαν. Ο Einstein πίστευε (όπως και η πλειοψηφία των συγχρόνων του επιστημόνων) σε ένα στατικό σύμπαν και επιχείρησε να τροποποιήσει τις εξισώσεις του ώστε να επιτύχει κάτι τέτοιο. Ωστόσο, μέχρι το 1927, οι αστρονόμοι αναζητούσαν ενδείξεις για τη διαστολή του Σύμπαντος, οι οποίες πράγματι βρέθηκαν στα 1929 από τον Edwin Hubble.
Από τον 18ο αιώνα και μετά ξεκινά η ανάπτυξη της Θερμοδυναμικής από τον Robert Boyle, τον Thomas Young και πολλούς άλλους. Στα 1773, ο Bernoulli συνδύασε στατιστικά επιχειρήματα με την Κλασσική Μηχανική για να συνάγει θερμοδυναμικά αποτελέσματα, εγκαινιάζοντας τον κλάδο της Στατιστικής Μηχανικής. Στα 1798, ο Benjamin Thompson κατέδειξε τη μετατροπή μηχανικού έργου σε θερμότητα, ενώ στα 1847 ο James Joule διατύπωσε το νόμο της διατήρησης της ενέργειας, τόσο σε μορφή θερμότητας όσο και σε μορφή μηχανικής ενέργειας.
Στα 1895, ο Roedgen ανακάλυψε τις ακτίνες Χ, που τελικά αποδείχτηκε ότι δεν είναι παρά υψίσυχνη Ηλεκτρομαγνητική Ακτινοβολία.
Η ραδιενέργεια ανακαλύφθηκε στα 1896 από τον Henri Becquerel, και μελετήθηκε περαιτέρω από τους Marie Curie, Pierre Curie και άλλους. Έτσι εγκαινιάσθηκε ο κλάδος της Πυρηνικής Φυσικής.
Στα 1897, ο J.J. Thomson ανακάλυψε το ηλεκτρόνιο, το στοιχειώδες σωματίδιο που είναι ο φορέας του ηλεκτρικού ρεύματος στα ηλεκτρικά κυκλώματα.
Στα 1904, πρότεινε το πρώτο μοντέλο του ατόμου, γνωστό με την (εκλαϊκευτική) ονομασία ατομικό μοντέλο του σταφιδόψωμου. (Η ύπαρξη ατόμων είχε ήδη προταθεί από το 1808 από τον John Dalton.
Ο Henri Becquerel ανακάλυψε συμπτωματικά τη ραδιενέργεια στα 1896. Το επόμενο έτος, ο Thomson ανακάλυψε το ηλεκτρόνιο. Οι ανακαλύψεις αυτές διέψευσαν την υπόθεση πολλών φυσικών, ότι τα άτομα ήταν οι έσχατες θεμελιώδεις δομικές μονάδες της ύλης και παρακίνησαν σε περαιτέρω μελέτη της δομής των ατόμων.
Το 1900, ο Max Planck δημοσίευσε μια εξήγηση για το φαινόμενο της "ακτινοβολίας μέλανος σώματος". Η εξίσωσή του προϋπέθετε ότι η ακτινοβολία είναι κβαντισμένη στη Φύση, δηλαδή εκπέμπεται κατά διακριτά πακέτα. Η υπόθεση αυτή αποτέλεσε το εναρκτήριο επιχείρημα στο οικοδόμημα που έμελλε να γίνει η Κβαντική Φυσική.
Κατά τη δεκαετία του 1920, ο Erwin Schrödinger, ο Werner Heisenberg και ο Max Born πέτυχαν να διατυπώσουν μια συνεπή εικόνα της χημικής συμπεριφοράς της ύλης και μια πλήρη θεωρία της ηλεκτρονικής δομής του ατόμου, ως λογικό επακόλουθο της κβαντικής θεωρίας.
Οι Schwinger, Tomonaga και Feynmann ήταν σε θέση να εξηγήσουν τη μετατόπιση Lamb (Lamb shift) χρησιμοποιώντας την Κβαντική Πεδιακή Θεωρία και την Kβαντική Hλεκτροδυναμική, μέχρι τη δεκαετία του 1940.
Το 1959, ο Feynmann διατύπωσε την υπόθεση ότι είναι εφικτός ο χειρισμός της ύλης στο ατομικό επίπεδο, εγκαινιάζοντας έτσι το πεδίο της Νανοτεχνολογίας.
Το 1911, ο Ernest Rutherford, βασιζόμενος σε πειράματα σκέδασης, συμπέρανε την ύπαρξη ενός συμπαγούς και εξαιρετικά πυκνού ατομικού πυρήνα, ο οποίος αποτελείται από θετικά φορτισμένα συστατικά που ονομάστηκαν πρωτόνια. Τo νετρόνιο, το ουδέτερο (αφόρτιστο) συστατικό των πυρήνων, δεν ανακαλύφθηκε παρά το 1932, από τον James Chadwick.
Η ισοδυναμία μάζας και ενέργειας (Einstein , 1905) επαληθεύτηκε με δραματικό τρόπο κατά τη διάρκεια του Δευτέρου Παγκοσμίου Πολέμου, καθώς και τα δύο στρατόπεδα διεξήγαγαν έρευνες στην Πυρηνική Φυσική, με σκοπό την κατασκευή πυρηνικής βόμβας. Το Γερμανικό εγχείρημα, του οποίου ηγείτο ο Heisenburg, κατέληξε σε αποτυχία, ενώ το Συμμαχικό Σχέδιο Μανχάτταν πέτυχε το στόχο του. Στην Αμερική, μια ομάδα με επικεφαλής τον Enrico Fermi παρήγαγε την πρώτη ανθρωπογενή αλυσσιδωτή πυρηνική αντίδραση στα 1942, ενώ στα 1945 πυροδοτήθηκε η πρώτη στον κόσμο πυρηνική εκρηκτική ύλη στην περιοχή Τρίνιτυ, κοντά στο Αλαμογκόρντο του Νέου Μεξικού.
Από το 1900 και μετά, οι Planck, Αινστάιν, Bohr και άλλοι άρχισαν να αναπτύσσουν κβαντικές θεωρίες για να εξηγήσουν διάφορα "ανώμαλα" πειραματικά αποτελέσματα, εισάγοντας διακριτά ενεργειακά επίπεδα. Τόσο ο Βέρνερ Χάιζεμπεργκ στα 1925, όσο και οι Έρβιν Σρέντινγκερ και Ντιράκ στα 1926, διατύπωσαν φορμαλιστικά την Κβαντομηχανική, η οποία αποσαφήνιζε τις κβαντικές θεωρίες που είχαν προηγηθεί. Στην κβαντομηχανική, τα αποτελέσματα των φυσικών μετρήσεων είναι εγγενώς πιθανοκρατικά και η θεωρία παρέχει μεθόδους για τον υπολογισμό των πιθανοτήτων αυτών. Περιγράφει με επιτυχία τη συμπεριφορά της ύλης στις μικροσκοπικές κλίμακες.
Η κβαντομηχανική έδωσε επίσης τα θεωρητικά εργαλεία για τη μελέτη της Φυσικής της Συμπυκνωμένης Ύλης, η οποία μελετά τη φυσική συμπεριφορά των στερεών και υγρών σωμάτων, συμπεριλαμβανομένων και φαινομένων όπως η κρυσταλλική δομή, η ημιαγωγιμότητα και η υπεραγωγιμότητα.
Ανάμεσα στους πρωτοπόρους της συμπυκνωμένης ύλης συγκαταλέγεται ο Felix Bloch, ο οποίος διατύπωσε μια κβαντομηχανική περιγραφή της συμπεριφοράς των ηλεκτρονίων στις κρυσταλλικές δομές το 1928.
Η Κβαντική Πεδιακή Θεωρία διατυπώθηκε με σκοπό να επεκτείνει την κβαντική μηχανική, ώστε να είναι συμβατή με την ειδική σχετικότητα. Κατέληξε στη σημερινή της μορφή προς το τέλος της δεκαετίας του 1940 χάρη στην εργασία των Ρίτσαρντ Φάινμαν, Julian Schwinger, Τομονάγκα και Freeman Dyson. Αυτοί διατύπωσαν τη θεωρία της Κβαντικής Ηλεκτροδυναμικής, η οποία περιγράφει την ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση. Η κβαντική θεωρία πεδίου παρείχε το εννοιολογικό πλαίσιο της σύγχρονης Σωματιδιακής Φυσικής, η οποία μελετά τις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης και τα στοιχειώδη σωμάτια. Τη δεκαετία του 1950, οι C. N. Yang και T. D. Lee ανακάλυψαν μια αναπάντεχη ασυμμετρία στη διάσπαση ενός υποατομικού σωματιδίου. Στα 1954, οι Yang Chen Ning και Robert Mills ανέπτυξαν την ομώνυμη θεωρία που επέκτεινε τις θεωρίες βαθμίδας η οποία παρείχει το εννοιολογικό πλαίσιο για το Καθιερωμένο Σωματιδιακό Μοντέλο (Standard Model). Το Καθιερωμένο Μοντέλο ολοκληρώθηκε τη δεκαετία του 1970 και περιγράφει επιτυχώς σχεδόν όλα τα στοιχειώδη σωμάτια που έχουν παρατηρηθεί μέχρι σήμερα.
Οι δύο μείζονες θεωρίες της φυσικής του 20ού αιώνα, η Γενική Σχετικότητα και η Κβαντική Θεωρία, δεν είναι προς το παρόν συμβατές μεταξύ τους. Η Γενική Σχετικότητα περιγράφει το Σύμπαν στην κλίμακα των πλανητών και των πλανητικών συστημάτων, ενώ η Κβαντοθεωρία βρίσκει εφαρμογή στις υπο-ατομικές κλίμακες.
Αυτό το χάσμα προσπαθεί να γεφυρώσει η Χορδιακή Θεωρία, η οποία αντιμετωπίζει τον χωρόχρονο ως μια πολλαπλότητα, όχι σημείων, αλλά μονοδιάστατων αντικειμένων, που ονομάζονται Χορδές.
Οι Χορδές αυτές έχουν ιδιότητες παρόμοιες με τις κοινές χορδές (π.χ. τάση και δόνηση). Είναι πολλά υποσχόμενες θεωρίες, που όμως δεν έχουν δώσει ακόμη πειραματικά ελέγξιμα αποτελέσματα. Η έρευνα για την πειραματική επιβεβαίωση της θεωρίας χορδών βρίσκεται σε εξέλιξη.
Τα Ηνωμένα Έθνη είχαν ανακηρύξει το έτος 2005 Παγκόσμιο Έτος Φυσικής.
Ελληνικά Πανεπιστημιακά Ιδρύματα[]
- Εθνικό & Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών, Τμήμα Φυσικής
- Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, Τμήμα Φυσικής
- Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Φυσικής
- Πανεπιστήμιο Κρήτης, Τμήμα Φυσικής
- Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών & Φυσικών Επιστημών του Ε.Μ.Π.
- Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων, Τμήμα Φυσικής
Υποσημειώσεις[]
Εσωτερική Αρθρογραφία[]
Βιβλιογραφία[]
- Richard Feynman, The Character of Physical Law, Random House (Modern Library), 1994, hardcover, 192 pages, ISBN 0679601279
- Richard Feynman, Leighton, Sands, The Feynman Lectures on Physics, Addison-Wesley 1970, 3 volumes, paperback, ISBN 0201021153, hardcover Commemorative edition, 1989, ISBN 0201500647
- Eric Weisstein, Weisstein and Wolfram Research, Inc., and et al, World of Physics. Online Physics encyclopedic dictionary.
- Carl R. Nave, HyperPhysics, . Online crosslinked physics concept maps.
- Hawking, Το Χρονικό του Χρόνου, Εκδόσεις Κάτοπτρο, 2000 χαρτόδετη έκδοση, 248 σελίδες, ISBN 960-7778-18-9
Ιστογραφία[]
- Ομώνυμο άρθρο στην Βικιπαίδεια
- Ομώνυμο άρθρο στην Livepedia
- Physics, proofwiki.org
- Εφημερίδα ΒΗΜΑ
- Περιοδικό Quantum
- Σχετικό άρθρο στην Livepedia
Κίνδυνοι Χρήσης |
---|
Αν και θα βρείτε εξακριβωμένες πληροφορίες "Οι πληροφορίες αυτές μπορεί πρόσφατα Πρέπει να λάβετε υπ' όψη ότι Επίσης, |
- Μην κάνετε χρήση του περιεχομένου της παρούσας εγκυκλοπαίδειας
αν διαφωνείτε με όσα αναγράφονται σε αυτήν
- Όχι, στις διαφημίσεις που περιέχουν απαράδεκτο περιεχόμενο (άσεμνες εικόνες, ροζ αγγελίες κλπ.)