تاریخفیزیک
ازویکی‌پدیا،دانشنامهٔآزاد
بهعنوانیکیازشکل‌های علم فیزیک(اززبانیونانی: φύσιςتلفظ:فیزیسبهمعنی«طبیعت») بهطورتاریخیاز فلسفه گسترشیافتودرزمانگذشتهبهفیزیکبهنامفلسفهطبیعیشناختهمی‌شدواصطلاحیبودبرایبیانزمینه‌ایکهبررسی‌اش«نحوهکارطبیعیت»بود.
عناصریکهفیزیکراتشکیلمی‌دهندازرشته‌های اخترشناسی،اپتیکومکانیکمشتقشده‌اندکهازطریقبررسی هندسه دریکحوزهجمعمی‌شوند. اینقوانین ریاضی ازتاریخباستانبا تمدن بابل ونویسندگانهلنیمانند ارشمیدس و بطلمیوس آغازشده‌است. درهمینحال،فلسفه‌ایکهشاملفیزیکمی‌شدوبررویموضوعاتتشریحی (نهتوصیفی) تمرکزمی‌کردعمدتاحولعقاید ارسطو دربارهعلت‌هایچهارگانهوی،رشدیافت.
حرکتبهسویدرکمنطقیازطبیعتحداقلازدورهکهن یونان (۶۵۰پیشازمیلادمسیح–۴۸۰پیشازمیلادمسیح) با فیلسوفان پیشاسقراطی آغازگشت. تالس (قرون۶و۷پیشازمیلاد) لقبپدرعلمرابرایامتناعازپذیرشتوصیفاتمختلفمافوقطبیعی،مذهبییااساطیریبرایپدیده‌هایطبیعیگرفت،اومعتقدبودکههرواقعه‌ایدرجهان،یکعلتطبیعیدارد.[۱]
لئوکیپتوس (نیمهاولقرن۵پیشازمیلاد) نظریهاتمیسمراگسترشداد–ایننظریهبهاینصورتاستکه: همهچیزهابهطورکاملازاجزاءتفکیکناپذیریبهناماتمتشکیلشده‌اند. ایننظریهبهوسیله دموکریت بهطورمفصلشرحدادهشده‌است.
تاریخاولیه [ویرایش]
جستاروابسته: تاریخ اخترشناسی
منشابسیاریازعلومدرطول تاریخ فلسفهبوده،ولی فیزیک دراصلازفلسفهطبیعیمشتقشده‌است. اصطلاحیکهزمینهمطالعاتی«کارکردطبیعت»راتوضیحمی‌دهد. آنچهباعثایجادشاخهٔفیزیکدردانششدبهزمینه‌های اخترشناسی،نورشناختومکانیکبازمی‌گرددکهپایهٔنخستهمهٔآن‌ها هندسه بود. سرآغازاینرشته‌هایریاضیاتیرابایددر دوران باستان ودرتمدن‌های بابل و هلنی جستجوکرد. دانشمندانیمانند ارشمیدس و کلاودیوس بطلمیوس بهآندورانتعلقدارند. درآندوران فلسفه وآنچهکهفیزیکرادربرمی‌گرفتبیشتربهتوضیحوفهمکلیپدیده‌هامی‌پرداختتابهمطالعهٔعمیقآن‌ها،اینروشبیشتردردورهٔ ارسطو ودربحث‌هاییمانند علت‌های چهارگانه گسترشیافت.
حرکتروبهجلودرعلمومطالعهٔریشه‌ایوعمیقپدیده‌هایطبیعت،می‌توانگفتدستکمازدورهٔArchaicGreeceودرمیانسال‌های۴۸۰تا۶۵۰پیشازمیلاد،با فلسفهٔ پیشاسقراطی آغازشد. تالس فیلسوفسده‌های۶و۷پیشازمیلاد،چونازپذیرشدلیل‌هایفرایطبیعیوآوردنتوضیح‌هایافسانه‌ایومذهبیبرای پدیده‌های طبیعیسرباززدوادعاکردکههررویدادیبایدعاملیطبیعیداشتهباشد،عنوان«پدرعلم» (به انگلیسی: the Father of Science) راازآنخودکرد.[۱] لئوکیپوس (فیلسوف) (نیمهٔنخستسدهٔ۵پیشازمیلاد) مکتب اتم‌گرایی راایجادکردوپسازاو دموکریت اینمکتبرابهتفصیلتوضیحداد. اتم‌گراییبهاینمعنیاستکههرچیزیدرجهانازعنصرهاییتغییرناپذیروتجزیهنشدنیبهناماتمساختهشده‌است.
ارسطو (۳۸۴–۳۲۲پ. م.)
ارسطو (بهیونانی: Ἀριστοτέλης, Aristotélēs) (سال‌های۳۸۴ - ۳۲۲پیشازمیلاد) شاگرد افلاطون ایناندیشهراپیشنهادکردکهمشاهدهٔپدیده‌هایفیزیکیدرنهایتمنجربهشناختقوانینطبیعیحاکمبرآن‌هامی‌شود. اواینپیشنهادرادرقالبیککتاببانام«فیزیک» (Physics) ارائهکرد. دردورانکلاسیکیونان (سده‌های۴،۵و۶پیشازمیلاد) ودوران تمدن هلنی،فلسفهٔطبیعیکمکمگسترشیافتوبهیکیازشاخه‌هایپُرتکاپویدانشتبدیلشد.
دراوایلدورانکلاسیکیونان کروی (گِرد) بودنزمینبرایعموممفهومیجاافتادهبودونزدیکبهسال۲۴۰پیشازمیلادبودکه اراتوستن (۱۹۴تا۲۷۶پیشازمیلاد) بادقتخوبیتوانستپیرامونکرهٔزمینرابرآوردکند. دربرابراعتقادزمین‌مرکزیارسوط, آریستارخوس ساموسی (بهیونانی: Ἀρίσταρχος) (سال‌های۲۳۰تا۳۱۰پیشازمیلاد) برهانروشنیبرمرکزیبودن خورشید ونه زمین در منظرمهٔ شمسی آورد. Seleucus of Seleuciaازپیرواننظریهٔآریستارخوسبودواوبودکهپیبرد،هنگامیکهزمینبهگردخورشیددرحرکتاستهمزمانبهدورخودشنیزمی‌گردد. برهانیکهآنزمانSeleucus of Seleuciaارائهمی‌کنددردسترسنیستولی پلوتارک دربارهٔاوگفته‌استکهSeleucus of Seleuciaنخستینکسیبودکهنظریهٔمرکزیبودنخورشیدرابادلیلاثباتمی‌کند.
درسدهٔسومپیشازمیلادریاضیدانیونانی، ارشمیدس پایه‌هایدانش ایستاشناسی سیالات واستاتیکرابنامی‌کندوقانون اهرم راتوضیحمی‌دهد. ویدرسال۲۵۰پیشازمیلادبررویاجسامشناورکارمی‌کندودرنهایتبهقانونیبانام قانون ارشمیدس دربارهٔشناوریدستمی‌یابد. کلاودیوس بطلمیوس ستارهشناسنامدار،نوشته‌ایمفهومیدرزمینهٔاخترشناسیبهنام المجسطی فراهممی‌کند،نوشته‌ایکهبعدهاپایهٔبسیاریاززمینه‌هایدانششد.
بیشتردستنوشته‌هایدانشمندانباستانازبینرفته‌استحتیکارهایبسیاریازاندیشمندانپرآوازهٔآندوراننیزازدسترفتهوتنهابخشاندکیازآن‌هابهجایمانده‌است. براینمونه هیپارکوس دستکمچهاردهکتابنوشتهبودکهمی‌توانگفتهماکنونهیچکدامازآن‌هابهطورمستقیمدردسترسنیست. از۱۵۰موردکارهایخوبمربوطبه سامانهٔ فلسفی ارسطویی تنها۳۰موردبرجایماندهکهتعدادیازآن‌هانیزبیشترشبیهیکمقاله‌اندتایککتاب. درتمدناسلامیدردوران خلافت عباسیانبسیاریازکارهایدانشمنداندورهٔباستانجمعآوریشدوبهعربیترجمهشد. همچنین فیلسوفان اسلامی مانندابویوسفکندی،فارابی،پورسیناوابنرشدمفاهیممطرحشدهدرمیاناندیشمندانیونانرابهزبانخودوباتوجهبهمفهوم‌هایآشنایخودبازترجمهکردندوتوضیحدادند. برجستهتریناینتلاش‌هاازسوی ابن هیثم وابوریحانبیرونی[۲][۳]بودونکتهٔمهماینجااستکهایندانشمنداناسلامیاینکارهاراپیشازآنکهمحققانیچون راجر بیکن وویتلودرغربآغازکنند،انجامدادهبودند.
دانشدورانباستانباترجمهٔازعربیبهلاتیندوبارهبهدنیایغربواردشدولیاینباراینترجمه‌هابانظرهایالهی اسلام و یهود درگوشهوکنارآن‌هاآمیختهشدهبودواینرویدادتاثیرمهمیبرفیلسوفانقرونوسطیمانندتوماسآکویناس،اخلاق‌گرایاروپاییگذاشت. آکویناسکسیبودکههموارهدراندیشهٔآشتیدادنفلسفهٔدورانباستانباالهیاتمسیحیبودوازارسطوبانامبزرگتریناندیشمنددورانباستانیادمی‌کردودرجاهاییکهمطلبمغایرباانجیلبود،فیزیکارسطوییپایهٔتوضیحاتفیزیکیکلیساهایاروپامی‌شد.
Based on Aristotelianphysics, Scholastic physics described things as moving according to theiressential nature. Celestial objects were described as moving in circles, becauseperfect circular motion was considered an innate property of objects thatexisted in the uncorrupted realm of thecelestialspheres. Thetheoryof impetus, the ancestor to the concepts ofلختیandتکانه, was developed alongsimilar lines byفلسفهقرونوسطیsuch asJohnPhiloponusandژانبوریدان. Motions below the lunar sphere were seen as imperfect, and thuscould not be expected to exhibit consistent motion. More idealized motion in the “sublunary” realm could only be achieved throughartifice, and prior to the 17th century, many did not view artificial experiments as avalid means of learning about the natural world. Physical explanations in thesublunary realm revolved around tendencies. Stones contained the element earth, and earthy objects tended to move in a straight line toward the centre of theearth (and the universe in the Aristotelian geocentric view) unless otherwiseprevented from doing so.
Important physical andmathematical traditions also existed inancientChineseandIndiansciences. InIndianphilosophy, Kanada of theVaisheshikaschool proposed the theory of atomism during the 1st millenniumپ. م. ,[۴][۵]andit was further elaborated on by theBuddhistatomistsDharmakirtiandDignāgaduring the 1st millennium CE.[۶] InIndianastronomy, آریابهاتا'sAryabhatiya (۴۹۹CE) proposed theحرکتوضعیزمین, whileNilakanthaSomayaji (۱۴۴۴–۱۵۴۴) of theKeralaschool of astronomy and mathematicsproposed a semi-heliocentric modelresembling theTychonicsystem. Inفلسفهچینی, موزی (c. ۴۷۰–۳۹۰پ. م.) proposed a concept similar toلختی, while in optics, ShenKuo (۱۰۳۱–۱۰۹۵CE) independently developed aدوربینتاریکخانه‌ای.[۷]The study ofمغناطیسin Chinadates back to the 4th centuryپ. م. (in theBook of the Devil ValleyMaster),[۸] eventually leading to the invention of theقطب‌نما.
گالیلهوخیزشفیزیکریاضیاتی [ویرایش]
نوشتاراصلی: گالیلئو گالیله
گالیلئوگالیله (۱۵۶۴–۱۶۴۲)
درقرنهفدهممیلادی، فلاسفه began to mount a sustained attack on theاخلاق‌گراییاقتصادیphilosophical program, and supposed that mathematical descriptiveschemes adopted from such fields as mechanics and astronomy could actually yielduniversally valid characterizations of motion. TheTuscanmathematicianگالیلئوگالیلهwas the central figure in the shift to this perspective. As amathematician, Galileo’s role in theuniversityculture of his era was subordinated to the three major topics of study: قانون, پزشکی, andالهیات (whichwas closely allied to philosophy). Galileo, however, felt that the descriptivecontent of the technical disciplines warranted philosophical interest, particularly because mathematical analysis of astronomical observations—notablythe radical analysis offered by astronomerنیکلاسکوپرنیکconcerning the relative motions of the sun, earth, moon, andplanets—indicated that philosophers’ statements about the nature of the universecould be shown to be in error. Galileo also performed mechanical experiments, and insisted that motion itself—regardless of whether that motion was natural orartificial—had universally consistent characteristics that could be describedmathematically.
گالیلههمچنینبهعنوان«پدرعلم اخترشناسی نوینرصدی»,[۹] و«پدر فیزیک نوین»،[۱۰]و«پدر علم»،[۱۰]و«پدرعلمنوین»شناختهمی‌شود.[۱۱] استیونهاوکینگمی‌گوید«گالیلهاحتمالابیشازهرشخصدیگریمسئولبهوجودآمدنعلمنویناست.»[۱۲]
گالیلهازکشف ماه‌های گالیله‌ای کهدرسال۱۶۰۹میلادیباتلسکوپخودانجامدادهبود،درکتابخود سایدروس نونسیوس کهدرسال۱۶۱۰منتشرشدصحبتبهمیانآورد،وازاینفرصتاستفادهکردتاموقعیتیبعنوانفیلسوفوریاضیداندردربار خاندان مدیچی بیابد. بعنوانفیلسوفدربار،ازوانتظارمیرفتدرمباحثفلسفیدرباربادیگرفیلسوفانبهشیوهارسطوییمشارکتکند. اوبهسببنوشتارهایشهمچونکتب TheAssayer و Discoursesand Mathematical Demonstrations Concerning Two New Sciences محبوبیتپیداکرد. ایندواثرگالیلهدرسال۱۶۳۲وپسازاینکهبهسببانتشارکتابدیگرش گفتگو در باب دو سامانه بزرگ جهان موردحبسخانگیقرارگرفتچاپشدند.[۱۳][۱۴]
گالیلهبهبیانریاضیمکانیکطبیعتعلاقه‌مندبودومی‌کوشیدحرکترابهصورتریاضیدرآورد. اینسنتباتاکیدغیرریاضیمجموعه«تاریخچهآزمایش‌ها»توسطفلسفه‌دانانیهمچون ویلیام گیلبرت وفرانسیسبیکنترکیبشد. وبهجنبشیانجامیدکهدرسراسراروپابهشدتدنبالشدکهشامل اوانجلیستا توریچلی ودیگراندرایتالیا، مارین مرسن وبلزپاسکالدرفرانسه، کریستیان هویگنس درهلند،و رابرت هوک ورابرتبویلدرانگلستانبودند.
فلسفهحرکتدکارتی [ویرایش]
نوشتاراصلی: رنه دکارت
رنهدکارت (۱۵۹۶–۱۶۵۰)
The French philosopherرنهدکارتwaswell-connected to, and influential within, the experimental philosophy networks. Descartes had a more ambitious agenda, however, which was geared towardreplacing the Scholastic philosophical tradition altogether. Questioning thereality interpreted through the senses, Descartes sought to re-establishphilosophical explanatory schemes by reducing all perceived phenomena to beingattributable to the motion of an invisible sea of “corpuscles”. (Notably, hereserved human thought andخداfrom his scheme, holding these to be separate from the physical universe). Inproposing this philosophical framework, Descartes supposed that different kindsof motion, such as that of planets versus that of terrestrial objects, were notfundamentally different, but were merely different manifestations of an endlesschain of corpuscular motions obeying universal principles. Particularlyinfluential were his explanation for circular astronomical motions in terms ofthe vortex motion of corpuscles in space (Descartes argued, in accord with thebeliefs, if not the methods, of the Scholastics, that aخلأcould not exist), and his explanation ofگرانشin terms ofcorpuscles pushing objects downward.[۱۵][۱۶][۱۷]
Descartes, like Galileo, was convinced of the importance of mathematical explanation, and he and hisfollowers were key figures in the development of mathematics and geometry in the 17th century. Cartesian mathematical descriptions of motion held that allmathematical formulations had to be justifiable in terms of direct physicalaction, a position held byکریستیانهویگنسand the German philosopherگوتفریدلایبنیتس, who, while following in the Cartesian tradition, developed his ownphilosophical alternative to Scholasticism, which he outlined in his 1714 work, TheMonadology.
حرکتنیوتونیدرمقابلحرکتدکارتی [ویرایش]
Sirآیزاکنیوتن (۱۶۴۳–۱۷۲۷)
In the late 17th andearly 18th centuries, the Cartesian mechanical tradition was challenged byanother philosophical tradition established by theدانشگاهکمبریجmathematicianآیزاکنیوتن. WhereDescartesheld that all motions should be explained with respect to the immediate forceexerted by corpuscles, Newton chose to describe universal motion with referenceto a set of fundamental mathematical principles: hisقوانینحرکتنیوتنand theقانونجهانیگرانشنیوتون, which he introduced in his 1687 workاصولریاضیفلسفهطبیعی. Using these principles, Newton removed the idea thatobjects followed paths determined by natural shapes (such asیوهانکپلرidea that planets moved naturally inبیضیs), and instead demonstrated thatnot only regularly observed paths, but all the future motions of any body couldbe deduced mathematically based on knowledge of their existing motion, theirجرم (فیزیک), and theنیروs acting upon them. However, observed celestial motions did not precisely conform to a Newtonian treatment, and Newton, who was also deeply interested inالهیات, imagined that Godintervened to ensure the continued stability of the solar system.
گوتفریدلایبنیتس (۱۶۴۶–۱۷۱۶)
Newton’s principles (butnot his mathematical treatments) proved controversial with Continentalphilosophers, who found his lack ofمابعدالطبیعهexplanation for movement and gravitation philosophically unacceptable. Beginningaround 1700, a bitter rift opened between the Continental and Britishphilosophical traditions, which were stoked by heated, ongoing, and viciouslypersonal disputes between the followers of Newton andLeibnizconcerning priority over the analytical techniques ofinfinitesimalcalculus, which each had developed independently. Initially, the Cartesianand Leibnizian traditions prevailed on the Continent (leading to the dominanceof the Leibnizian calculus notation everywhere except Britain). Newton himselfremained privately disturbed at the lack of a philosophical understanding ofgravitation, while insisting in his writings that none was necessary to inferits reality. As the 18th century progressed, Continental natural philosophersincreasingly accepted the Newtonians’ willingness to forgoهستی‌شناسیmetaphysical explanations for mathematically described motions.[۱۸][۱۹][۲۰]
حرکتدورانیدرسدههجدهم [ویرایش]
لئونارداویلر (۱۷۰۷–۱۷۸۳)
The mathematicalanalytical traditions established by Newton and Leibniz flourished during the 18th century as more mathematicians learned calculus and elaborated upon itsinitial formulation. The application of mathematical analysis to problems ofmotion was known as rational mechanics, or mixed mathematics (and was latertermedمکانیککلاسیک). This work primarily revolved aroundمکانیکسماوی, although other applications were also developed, such as the Swissmathematicianدانیلبرنولیtreatment ofدینامیکشاره‌ها, which he introduced in his 1738 workHydrodynamica.[۲۱]
Rational mechanics dealtprimarily with the development of elaborate mathematical treatments of observedmotions, using Newtonian principles as a basis, and emphasized improving thetractability of complex calculations and developing of legitimate means ofanalytical approximation. A representative contemporary textbook was publishedbyJohannBaptiste Horvath. By the end of the century analytical treatments wererigorous enough to verify the stability of theمنظومهشمسیsolely on the basis of Newton’s laws without reference to divineintervention—even as deterministic treatments of systems as simple as thethreebody problemin gravitation remained intractable.[۲۲]
British work, carried onby mathematicians such asبروکتیلورandکولینمک‌لورین, fell behind Continental developments as the century progressed. Meanwhile, work flourished at scientific academies on the Continent, led by suchmathematicians asدانیلبرنولی, لئونارداویلر, ژوزفلوییلاگرانژ, پیرلاپلاس, andآدرین-ماریلژاندر. At the end of the century, the members of theفرهنگستانعلومفرانسهhad attained clear dominance in the field.[۲۳][۲۴][۲۵][۲۶]
آزمایش‌هایفیزیکیدرسدههجدهمواوایلسدهنوزدهم [ویرایش]
At the same time, theexperimental tradition established byگالیلئوگالیلهand his followers persisted. Theانجمنسلطنتیand theفرهنگستانعلومفرانسهwere major centers for the performance and reporting ofexperimental work, andآیزاکنیوتنwas himself an influential experimenter, particularly in the field ofنورشناخت, where he was recognized for hisprismexperiments dividing whitelight into its constituent spectrum of colors, as published in his 1704 bookOpticks (which also advocated a particulate interpretation of light). Experiments inmechanics, optics, مغناطیس, staticelectricity, تاریخشیمی, andفیزیولوژیwere not clearly distinguished from each other during the 18th century, butsignificant differences in explanatory schemes and, thus, experiment design wereemerging. Chemical experimenters, for instance, defied attempts to enforce ascheme of abstract Newtonian forces onto chemical affiliations, and insteadfocused on the isolation and classification of chemical substances andreactions.[۲۷]
Nevertheless, theseparate fields remained tied together, most clearly through the theories ofweightless“imponderablefluids", such as heat (“نظریهکالریک”), پیشینهالکتریسیته, andphlogiston (which was rapidly overthrown as a concept followingآنتوانلاووازیهidentification ofاکسیژنgas late in thecentury). Assuming that these concepts were real fluids, their flow could betraced through a mechanical apparatus or chemical reactions. This tradition ofexperimentation led to the development of new kinds of experimental apparatus, such as theLeydenJarand theپیلولتایی; and new kinds of measuring instruments, such as theکالریمتر, andimproved versions of old ones, such as theدماسنج. Experiments alsoproduced new concepts, such as theدانشگاهگلاسگوexperimenterجوزفبلکnotion ofگرماینهانand Philadelphia intellectualبنجامینفرانکلینcharacterization of electrical fluid as flowing between places ofexcess and deficit (a concept later reinterpreted in terms of positive andnegativeبارالکتریکی).
مایکلفارادی (۱۷۹۱–۱۸۶۷) delivering the 1856 Christmas Lecture at the RoyalInstitution
While it was recognizedearly in the 18th century that finding absolute theories of electrostatic andmagnetic force akin to Newton’s principles of motion would be an importantachievement, none were forthcoming. This impossibility only slowly disappearedas experimental practice became more widespread and more refined in the earlyyears of the 19th century in places such as the newly establishedRoyalInstitutionin London, whereجاندالتونargued for an atomistic interpretation of chemistry, ThomasYoungargued for the interpretation of light as a wave, andمایکلفارادیestablished the phenomenon ofقانونالقایالکترومغناطیسیفارادی. Meanwhile, the analytical methods of rationalmechanics began to be applied to experimental phenomena, most influentially withthe French mathematicianژوزففوریهanalytical treatment of the flow of heat, as published in 1822.[۲۸][۲۹][۳۰]
ترمودینامیک،مکانیکآماریونظریهالکترومغناطیس [ویرایش]
ویلیامتامسون (۱۸۲۴–۱۹۰۷), بعدهابهناملردکلوینشناختهشد
تاسیسفیزیکریاضیاتیانرژیبیندهه۱۸۵۰تا۱۸۷۰رخداد. درحالیکهپیرلاپلاسبررویمکانیکاجرامآسمانیکارمی‌کردوبافیزیکیرابطهداشتکهکاملامعلوم (دترمینستیک) وبرگشت‌پذیربود. فیزیکانرژیکهفقطبهصورتجریان‌هاییازگرمابودمکانیکرابهزیرسوالبرد. تکیهبرنظریهمهندسیلازارکارنو،نیکولاسعدیکارنووبنویتپالامیلکلایپرونوآزمایشجیمزژولمبنیبرایتغیرپذیریشکل‌هایالکتریکی،گرمایی،شیمیاییومکانیکیکار؛وتمریناتامتحانریاضیکمربیجدرریاضیتحلیلی؛ویلیامتامسوندایره‌ایازفیزیکدانانتاسیسکردکهکارهایآنانبهقانونبقایانرژی (اکنونبهنامقانوناولترمودینامیکشناختهمی‌شود) منجرشد. کارآنهابهزودیباکاردوفیزیکدانآلمانیولیوسروبرتفونمایرپهرمانفونهلمهولتزدررابطهبابقایانرژییکساندرآمد.
لودویگبولتزمان (۱۸۴۴–۱۹۰۶)
درنظرگرفتناشاراتریاضیخودراازکارجریانگرماژوزففوریه (واعتقاداتمذهبیوزمین‌شناسیوی), تامسونبراینباوربودکهاتلافگرمابازمانبهعنوانقانونتشریحشدواکنونبهصورتقانوندومترمودینامیکشناختهمی‌شود. اگرچهتفسیرهایدیگریازترمودینامیکتوسطرودلفکلازیوسفیزیکدانآلمانیبهوجودآمدامامکانیکآماریتوسطلودیگبولتزمانوفیزیکدانانگلیسیجیمزکلارکماکسولتاسیسشدکهانرژیرااندازه‌گیریسرعتذراتمی‌دانست. کلازیوسباربطدادناحتمالاتآماریحالتهایساختاریمعیناینذراتباانرژیاینحالتها٬پراکندگیانرژیرامیلآماریآرایشمولکولیبهسمتحالتهایمحتملونامرتبدرحالافزایشتعبیرکرد. هموبودکهواژه«آنتروپی» رابرایتوصیفحالتهاینامرتبیکسیستمرایجساخت. برداشتآماریدربرابربرداشتمطلققانوندومترمودینامیکمجادلهبزرگیرابوجودآوردکهچندیندههادامهیافت (بحث«دیوماکسول» نیزازهمینجاسرچشمهگرفت)،تااینکهفهمودرکرفتاراتمیدرقرنبیستمبلاخرهبهاینمنازعهپایانیقابلقبولداد.[۳۱][۳۲]
درهمینزمانبودکهفیزیکنوینِانرژی،تحلیلپدیدههایالکترومغناطیسیرامتحولگردانید. اینتحولاتبخصوصبامعرفیمفهوممیدانونیزانتشارکتابمشهوریازماکسولبانامرسالهالکتریسیتهومغناطیسدرسال۱۸۷۳تحققیافتکهخودبخشیازآنبراساسمطالعاتنظریهپردازانآلمانیهمچونکارلفریدریشگاوسوویلهلموبربود. توصیفگرماباحرکاتذرهای٬ونیزافزودهشدننیروهایالکترومعناطیسیبهدینامیکنیوتونی،پایهوتکیهگاهنظریمستحکمیرابرایمشاهداتتجربیفراهمنمود. پیشبینینوربعنوانمنتقلکنندهانرژیبصورتموجازمیانیک«اترنوری»،وهمچنینتاییدظاهریآنپیشبینیبوسیلهآشکارسازیتابشالکترومغناطیسیتوسطهاینریشهرتزدرسال۱۸۸۸میلادی٬پیروزیبزرگیبرایفیزیکنظریمحسوبگشت،واینفکرامکانوجودنظریاتمیدانیپایهایدیگرراباعثگردانید.[۳۳][۳۴][۳۵][۳۶]تحقیقبررویچگونگیانتقالامواجالکترومعناطیسیدرهمانزمانباآزمایشاتنیکولاتسلا،چاندرابوزوگولیلمومارکونیدرسالهای۱۸۹۰آغازگردید،کهمنجربهاختراعرادیوگشت.
سال۱۹۰۰وپدیدارشدنفیزیکینوین [ویرایش]
ماریکوری (۱۸۶۷–۱۹۳۴)
درسالهایحلولقرنجدیدمیلادی،کاستیهاییرفتهرفتهدرحالپدیدارشدنبودندکهپیروزینظریاتماکسولراکمرنگتروکمرنگترجلوهوباعثبروزتدریجینگرانیهاییشدند. بطورمثالآزمایشمایکلسون-مورلیدربابسرعتنوروزاویهٔحرکتزمیندراترناموفقبود. نظرهندریکلورنتزمبنیبراینکهاترقابلیتفشردهسازیمادهراداشتهکهممکناستبهنامرییشدنآنمنتهیشودخودمشکلاتیراایجادمیکردچراکهیکالکترونفشردهکهتوسطجوزفجانتامسونبریتانیاییدرسال۱۸۹۷آشکارسازیگردیدهبودناپایدارقلمدادمیشد. ازسویدیگر،اقسامتشعشعهایغیرمنتظرهٔدیگرینیزتوسطآزمایشگراندرحالکشفشدنبود. بطورنمونهکشفقابلیتخودکاربرخیمواددرساطعکردنتشعشعاتهمانندپرتویایکستوسطویلهلمکنرادرونتگندرسال۱۸۹۵ونیزهانریبکرلدر۱۸۹۶باعثایجادهیاهویزیادیدرمجامععلمیگردید. پیرکوریوهمسرشماریکوریواژهٔ«واپاشیهسته‌ای» راجاانداختندتابتواننداینخاصیتمادهراتوصیفکنند. آنهاتلاشهایموفقیدرمنفردسازیعناصرپرتوزایرادیموپولونیمازخودبرجایگذاشتند. سپسارنسترادرفوردوفردریکسادیمتوجهشدندکهپرتوهاییکهبکرلمشاهدهکردهبودازجنسالکترون (بتا) وهلیم (آلفا) بودند. ودرسال۱۹۱۱رادرفوردمشخصگردانیدکهتمرکزجرمیاتمهادرهستهٔآنهابودهوبارمثبتداردکهالکتروهاییرادرمداریدرگردشبهدورخودتجسممیکرد،پیکربندییکهازلحاظنظریناپایدار (ولذاناممکن) مینمود. مطالعاتپرتودهیوتلاشیرادیواکتیویتههمچنانتمرکزبسیاریازدانشمندانوگروههایمحققعلومفیزیکوشیمیراتادهه۱۹۳۰بهخودمشغولگردانید. تااینکهشکافتهسته‌ایدرببهرهبرداریعملیازآنچهکهانرژیهسته‌اینامیدهشدرامتوالیاًبازگردانید.
اساتیدبرترفیزیکنوین
امادرهمیندوران،نظریههایافراطیدیگرینیزدرحالشکلگیریبودند. درسال۱۹۰۵بطورنمونهآلبرتانشتینکهدرسوییسدردفترثبتاختراعاتمشغولبهکاربودمدعیگردیدکهسرعتنوردرتمامدستگاههایمرجعلختثابتاستوقوانینالکترومغناطیسبایستیمعتبرومستقلازمفروضاتدستگاهمرجعباقیبمانند،کهاینخودباعثغیرضروریشدننظریهاترگردیدواینمفهومرامعرفیکردکهمشاهداتفضاوزمانبستگیبهحرکتنسبیمشاهدهشوندهومشاهدهکنندهداشت،مفهومیکهبه«نسبیتخاص» معروفگردید. وازهمینجاسپستعادلپذیریکمیتهایجرممادیوانرژیطبقمعادلههم‌ارزیجرموانرژیبیانگردید. درهمانسالانشتیندرمقالهایدیگرمدعیشدکهنوربصورتکمیتیگسسته («کوانتم») درفضاپراکندهمیشود،واینطبقثابتیبودکهماکسپلانکدرسال۱۹۰۰بدانرسیدهبودکهباآنتوزیعپرتویجسمسیاهبطوردقیقیبیانمیگشت. انشیتنازهمینمفهومدرمقالهٔخودبرایتوضیحدادنخواصناشناختهٔاثرفوتوالکتریکاستفادهکرد. نیلزبوردانمارکینیزازهمینثابتدرسال۱۹۱۳برایتوصیفچگونگیپایداریمدلاتمیرادرفوردونیزفرکانسنورساطعشدهٔگازهیدرژنیاستفادهکرد.
تحولاتاساسی: نسبیتعامومکانیککوانتمی [ویرایش]
پذیرشنظریاتانشتینوطبیعتکوانتیکینورونیزمدلاتمیبوهرهمهباهممشکلاتتازهایآفریدندکهمنجربهتلاشیتمامعیارجهتبازیابیمجددمبانیواصولفیزیکگردید. بسطنسبیتبهدستگاهمرجعشتابدار («نسبیتعام») دردههٔنخستقرنبیستمسرآغازحرکتیبودکهبنیاندانشفیزیکراتکانیمهیبداد: انشتیننظریهایجدیدارایهکردکهمبنیبرهمارزیبیننیرویلَختشتابوگرانشیبود،کهدرنتیجهباعثانحنادارومتناهیشدنفضاگردید،کهاینبنوبهٔخودمنجربهپیشبینیپدیدههاییهمچونهمگراییگرانشیواعوجاجزماندرمیدانهایگرانشیگردید.
نظریهٔاتمکوانتیزهدردههدوممیلادیمبدلبهیکنظریهٔمجزاومهمیگردیدکهبهمکانیککوانتمیمعروفشد. تاآنزماننظریهٔکوانتمیصرفاًمتکیبر«اصلتوافق»بودکهبیانمیداردنتایجفیزیککلاسیکبایدبصورتحالاتحدینتایجمکانیککوانتمیدربرگرفتهشوند. اماایننظریهزمانیرویدورافتادکهاثرکامپتوننشاندادکهنوراندازهحرکتداشتهوازرویذراتقابلیتپراشیدگیدارد،ونیززمانیکهلوییدوبرویمدعیشدکههمانطوریکهامواجالکترومعناطیسرفتارذرهگونهازخودنشانمیدهد،مادهنیزازخودرفتارموجیمیتواندنشاندهد،کهاینمفهومبنیادیراامروزهبانامدوگانگیموج-ذرهبیانمیکنند. ایناصولجدیدکوانتیکیدرسال۱۹۲۵میلادیتوسطورنرکارلهایزنبرگ،ماکسبورن،وپاسکوالجردنبصورتمکانیکماتریسیفرمولبندیشدند. اینتوصیفبراساسروابطاحتمالاتیبینحالات«گسسته»ذراتبیانمیگردیدوبامفهومعلیتدرتضادقرارداشت. امایکسالبعددرسال۱۹۲۶اروینشرودینگرنظریهٔکوانتمیمعادلیارایهدادکهاینباربراساسمبانیموجبنانهادهشدهبودوتوصیفیدلپذیرتربرایطرفدارانفیزیککلاسیکعرضهمیکرد. لیکناصلعدمقطعیتهایزنبرگکهدرسال۱۹۲۷ارایهگردیداذعانداشتکهاندازهگیریدقیقوهمزمانموقعیتوتکانهیکذرهغیرممکناست،وعلاوهبرایننیزتفسیرکپنهاکی (کهبهافتخارشهرنیلزبوهرنامگذاریگردیدهاست) کماکانبامفهومعلیتازخودتضادنشانمیداد،تاجاییکهانیشتینخوداغلبازاینخاصیتنظریهکوانتمیابرازنارضایتیمیکردومی‌گفت: «خدادرادارهجهانتاسنمی‌اندازد».[۳۷]
دهه۱۹۲۰میلادیهمچنینمطالعاتساتیندرابوزبررویمکانیککوانتمیِفوتونبهتولیدآماربوز-انیشتین،نظریهچگالشبوز-اینشتین،وکشفبوزونانجامید.
ساختنبنیادهایفیزیکیجدید [ویرایش]
یکنمودارفاینمنازبازبهنجارشدرالکترودینامیککوانتومی
درسال۱۹۲۸درحالیکهفلاسفهسختمشغولبحثبرسرطبیعتجهانهستیبودند،نظریههایکوانتیکیهمچناندرحالتولیدنتایجشگفتانگیزیبودند. ازجملهپلدیراکدستبهفرمولبندیساختارینسبیتیبرایمکانیککوانتمیزد. بااینحال،تلاشهایبرایکوانتیزهکردنالکترومغناطیسدردهه۱۹۳۰بامشکلاتجدیمواجهگردید. خصوصاًمسألهٔصورنامحدوددرایننظریههمچنانتابعدازجنگجهانیدومباقیماند،زمانیکهجولیانشوینگر،ریچاردفاینمن،وسین‌ایتروتومونوجامستقلاًروشبازبهنجارش،کهبهتولیدالکترودینامیککوانتومی (Q.E.D.) انجامیدراارایهنمودند.[۳۸]
ظهورنظریهمیدان‌هایکوانتومیوبرهمکنشتبادلیوذراتکوتهعمرمجازی (کهحاصلخواصقوانینجهانکوانتمیبودند) باعثاشاعهٔنظریه‌هایجدیدذراتبنیادیگردیدند. بهویژه،هیدکییوکاواایننظریهرامطرحساختکههستهاتمباوجودبارمثبتهستهتوسطنیرویبردکوتاهیبههمنگهداشتهمیشودکهواسطشذرهایستکهبزرگیآنمیانالکترونوپروتوناست. اینذرهکهدرسال۱۹۴۷مطرحگردیدپیوننامگرفت،ویکیازتعدادذراتمهمیبودکهازدههٔ۱۹۳۰بهبعدیکیپسازدیگریکشفشدند،ازجملهنوترون،پوزیترون (نسخهٔپادمادهالکترون)،ومیون. کشفاینذراتاغلبتوسطروشهایآشکارسازیهماننداتاقکابری،امولسیونهسته‌ای،اتاقکحباب،وشمارشهم‌فرودیانجامگرفت. دراوایل،کشفاینذراتاغلبتوسطردهاییونشیپرتوکیهانیصورتمیگرفت،لیکنرفتهرفتهجایخودرابهسیستمهایشتاب‌دهندهذره‌ایدادندکهتابهامروزهمچناندرحالتکاملبهسرمیبرند.[۳۹]
برهمکنشاینذراتباپراکندگیوواپاشییککلیدبرایپایه‌هایتئوری‌هایمکانیککوانتمگردید. موریژلمنویوئیلنئومنشروعبهتقسیم‌بندیذراتبرپایهویژگی‌هایشانکردندونامآنراراههشت‌گانهنامیدند،واینموضوعموجببهوجودآمدنجایخالیبرایذراتکشف‌نشدهباویژگی‌هایمعینشد (مشابهپیش‌بینی‌هایعلمیمندلیف)٬کهمشهورترینآنΩ−
،بودکهدرآزمایشگاهملیبروکهیوندرسال۱۹۶۴کشفگردید،وموجبشدکهایده«کوارک»هابرایترکیبهادرونبهوجودآید. اگرچهمدلکوارکدرابتدابهنظرمی‌رسیددرتوضیحنیرویهسته‌ایقویناتوانباشد،اماباعثرقابتنظریه‌هاییمانندنظریهماتریساسو،بهوجودآمدنکرومودینامیککوانتومیگردیدودردهه۱۹۷۰بالاخرهذراتبنیادیدسته‌بندیشدند،کهاکنونبهنام«مدلاستاندارد» مشهوراستوبرپایهریاضیاتنظریهپیمانه‌ایقرارگرفته‌است،کهبهخوبیتواناییتشریحتمامنیروهاییبنیادیطبیعتبهجزگرانشراداشت،وبهموضوعیبدلگشتکهبایدحلشود.[۳۷]
مدلاستانداردبابرهمکنشالکتروضعیفوکرومودینامیککوانتومیبهعنوانیکساختارکهدرنظریهگروه‌هابهشکل (SU(۳)×SU(۲)×U(۱نمایشدادهمی‌شوندبهوحدتمی‌رسند. فرمول‌بندیاتحادنیرویالکترومغناطیسیونیرویهسته‌ایضعیفدرمدلاستانداردتوسطعبدالسلام،استیونواینبرگو،متعاقبا،شلدونلیگلاشوانجامشد. بعدازآندرسرنجریانخنثیضعیفکشفشد،[۴۰][۴۱][۴۲][۴۳]کهبوزونمیانجیآنبوزون‌هایدبیلووزدبودندوبههمینخاطردرسال۱۹۷۹جایزهنوبلفیزیکبهاینسهنفرتعلقگرفت.[۴۴]
بااینکهمدلاستانداردازطریقپیش‌بینیذراتوبرهمکنش‌هایمیانآنهادرانرژی‌هایمختلفبهخوبیامتحانخودراپسداده‌استاماهنوزنظریه‌ایمدلاستانداردرابانسبیتعامبهشکلیکنظریهواحددرنیارورده‌استاگرچهنظریهریسمانتلاشخودرامی‌کند. ازدهه۱۹۷۰فیزیکذراتبنیادیدرتلاشبوده‌استتابابررسیشرایطاولیهبعدازمهبانگیابهنوعیکیهان‌شناسیزمان‌هایاولیهبهاتحادبرسد. بااینحالازاوایلدهه۱۹۹۰مشاهداتاخترشناسیچالش‌هایجدیدیراپیشرویاخترشناسانقرارداده‌استهمانندچراییپایداریجهان (مسئلهمادهتاریک) وچراییشتابجهان (مسئلهانرژیتاریک).
علومفیزیکی [ویرایش]
درقرننوزدهممیلادی،علمفیزیکبیشترتااینکهبراساستلاشبراییافتنانرژیواصولحرکتوقوانینطبیعیمادهبناشدهباشد،غالباًبراساسروشهایپیشرفتهتحلیلیپایهگذاریشدهبودکهدرآنزماناستفادهروزافزونودسترسیفرایندهایپیداکردهبودند. علومیهمچونصداشناسی،ژئوفیزیک،اخترفیزیک،آیرودینامیک،فیزیکپلاسما،سرماشناسی،وفیزیکحالتجامدبهشاخههایدیگرپژوهشفیزیکهمانندنورشناخت،دینامیکشاره‌ها،الکترومغناطیس،ومکانیکپیوستند. درقرنبیستمفیزیکحتیبامهندسیبرق،مهندسیهوافضا،ومهندسیوعلمموادنیزپیوندهایبسیارنزدیکیبرقرارکرد،وفیزیکدانهاعلاوهبرمحیطهایآکادمیک،درآزمایشگاههایدولتیوصنعتینیزمشغولبهکارشدند. بارشدچشمگیرجمعیتفیزیکدانهاوبدنبالجنگجهانیدوم،مرکزثقلفعالیتهایعلمیفیزیکدرکشورآمریکامتمرکزگردید. لیکندردهههایاخیرعلمفیزیکبیشازهرزمانیدرگذشتهحالتیهمگانیوبینالمللیپیداکردهاست.
ریشه لغوی