FIZICA
Fizica este o stiinta a naturii care studiaza structura materiei, proprietatile generale, legile de miscare, formele de existenta a materiei, precum si transformarile reciproce ale acestor forme.
Fizica este inrudita cu celelalte stiinte ale naturii:
chimia se ocupa de interactiunea atomilor de a forma molecule;
geografia moderna studiaza fizica pamantului (geofizica);
astronomia are legatura cu fizica stelelor si a spatiului interstelar;
biofizica si biochimia studiaza aceleasi tipuri de legi.
Idei despre lumea fizicii dateaza din antichitate, dar, ca obiect de studiu, fizica a aparut la sfarsitul secolului al XIX-lea.
In antichitate, babilonienii si egiptenii au observat miscarile planetelor, au prezis eclipsele, dar nu au reusit sa gaseasca legile care guverneaza miscarile planetelor.
Civilizatia greaca a adaugat foarte putin la descoperirile anterioare, pentru ca au admis, fara a critica, ideile celor doi filosofi Platon si Aristotel, care nu acceptau experimentele practice.
La Alexandria, Arhimede a facut numeroase mecanisme practice. A inventat mecanismul parghiei si cel al insurubarii, a descoperit principiul masurarii densitatii corpurilor solide prin scufundarea lor in lichide.
Astronomul grec Aristarchus din Samos a masurat proportia distantelor de la Pamant la Soare side la Pamant la Luna.
Eratosthenes, matematician, astronom si geograf, a determinat circumferinta Pamantului si a desenat o harta a stelelor; astronomul Hipparchus a descoperit succesiunea echinoctiilor; matematicianul si geograful Ptolemeu a propus sistemul de miscare planetara, in care Pamantul era in centru, iar Soarele, Luna si stelele se invarteau pe orbite circulare in jurul lui.
In perioada Evului Mediu, s-a incercat avansarea cercetarilor in stiintele naturii, dar nu s-a reusit.
In timpul Renasterii, s-au facut incercari pentru a interpreta comportamentul stelelor.
Filosoful Nicolaus Copernicus a sustinut ca planetele se misca in jurul Soarelui - sistemul heliocentric. El era convins ca orbitele planetelor sunt circulare.
Astronomul german Johannes Kepler a confirmat teoria heliocentrica.
Galileo Galilei si-a construit un telescop si incepand cu 1609, a confirmat sistemul heliocentric, prin observarea planetei Venus. El a descoperit suprafata neregulata a Lunii, primii patru sateliti luminosi ai lui Jupiter, pete pe Soare, multe stele din Calea Lactee.
In secolul al XVII-lea, Isaac Newton a enuntat principiile mecanicii, a formulat legea gravitatii universale, a separat lumina alba in culori, a propus teoria propagarii luminii, a inventat calculul integral si deferential. Prin descoperirile sale, a acoperit o suprafata enorma in stiintele naturii. A fost capabil sa arate ca atat legea lui Kepler a miscarii planetare cat si descoperirile lui Galilei despre corpurile cazatoare sunt urmarea combinarii celei de-a II-a legi a miscarii cu legea gravitatiei data de el. A prezis aparitia cometelor, a explicat efectul Lunii in producerea mareelor si succesiunea echinoctiilor.
Principalele ramuri ale fizicii sunt: mecanica, electricitatea si magnetismul, termodinamica, fizica atomica si moleculara, mecanica cuantica, fizica nucleara.
Legile lui Newton au dus la dezvoltarea mecanicii. Newton a avut o contributie majora in descrierea fortelor in natura, in special a fortelor gravitationale.
Fizicienii de astazi stiu ca mai exista trei forte fundamentale, in afara de cea a gravitatiei: fortele electromagnetice, fortele de interactiune nucleara si fortele radioactivitatii.
Fortele gravitationale guverneaza miscarea planetelor si poate fi responsabila de posibilul colaps gravitational, care este ultimul ciclu din viata unei stele.
Masa gravitationala a unui corp este proprietatea care determina raspunsul la orice forta exercitata asupra corpului.
Forta gravitatiei este cea mai slaba dintre cele patru forte ale naturii referitoare la particulele elementare.
In ciuda importantei macroscopice, forta gravitationala ramane slaba si de aceea, corpurile trebuie sa fie foarte mari ca sa fie simtite de alt corp.
Legea gravitatiei universale a fost dedusa din observatiile miscarilor planetelor, inainte de a fi verificate experimental. Demonstratia experimentala a fost facuta de Henry Cavendish in 1771.
Matematicianul elvetian Leonhard Euler a formulat, pentru prima oara, ecuatia miscarii pentru corpurile rigide, in timp ce Newton a lucrat cu mase concentrate intr-un punct, care actionau ca particule.
Desi grecii antici stiau proprietatile electrostatice ale chihlimbarului, iar chinezii au facut magneti inca din 2700 i.Chr., experimentarea si intelegerea electricitatii si a fenomenelor magnetice nu s-au realizat pana la sfarsitul secolului XVIII. In 1785, fizicianul francez Augustin de Coulomb a confirmat, experimental, ca sarcinile electrice se atrag si se resping, conform unei legi similare cu cea a gravitatiei. O particula incarcata cu sarcina pozitiva, atrage o particula incarcata cu sarcina negativa si au tendinta de a accelera una spre cealalta. In 1800, fizicianul italian Alessandro Volta a descoperit bateria chimica.
Fizicianul german Georg Simon Ohm a descoperit existenta unei proportionalitati simple si constante intre curentul continuu si puterea electromotoare data de baterie, cunoscuta drept rezistenta circuitului.
Conceptia istorica de magnetism, bazata pe existenta unei perechi de poli incarcati cu sarcini opuse, a aparut in secolul al XVII-lea, datorita muncii lui Augustin de Coulomb.
Prima conexiune intre magnetism si electricitate a aparut ca urmare a experimentelor facute de fizicianul si chimistul olandez Hans Christian Oersted, care, in 1819, a descoperit ca acul magnetic poate fi influentat de o sarma din apropiere, incarcata cu sarcina electrica.
Andre Marie Amper a aratat, experimental, ca doua fire electrice se atrag ca doi poli magnetici.
In 1831, Michael Faraday descopera ca, fara a fi conectat la o baterie, curentul electric poate fi indus intr-un fir.
In 1887, Heinrich Rudolf Hertz, fizician german, a avut succes in generarea unor unde electromagnetice care se propagau in spatiu cu viteza luminii. Aceste unde au fost produse cu ajutorul curentului electric. Astfel, s-au pus bazele radioului, radarului, televiziunii si a altor forme de telecomunicatie.
Propagarea lineara a luminii era cunoscuta din antichitate. Grecii antici credeau ca lumina este corpusculara. In secolul XVII, Isaac Newton a dat o teorie bazata pe proprietatea corpusculara a luminii. Robert Hooke - fizician si Christiaan Huygens - astronom, matematician si fizician, au propus o teorie de unda, dar nu s-a putut face nici un experiment pentru a demonstra oricare dintre cele doua teorii, pana la demonstratia de interfata a luminii, realizata de Thomas Young, in prima parte a secolului XIX. O alta demonstratie a fost facuta de fizicianul francez Fresnel, in favoarea teoriei de unda.
A inceput sa fie demonstrata de fizicieni in secolul XIX:
William Thomson (legea I a termodinamicii);
Nicolas Leonard Sadi Carnot (legea a II-a a termodinamicii, 1824);
Joseph Louis Gay-Lussac si Jacques Alexandre Cezar-Charles (transformarea izobara, izocora si izoterma si adiabata).
Conceptul modern al atomului a fost propus de chimistul si fizicianul britanic John Dalton in 1808.
Teoria lui Dalton a fost continuata si definita de fizicianul si chimistul italian Amedeo Avogadro in 1811, dar nu a fost acceptata decat peste 50 ani, cand a pus bazele teoriei cinetice a gazelor.
In 1880, cele mai multe fenomene puteau fi explicate de mecanica newtoniana, teoria electromagnetica a lui Maxwel, termodinamica si statistica mecanica a lui Boltzmann.
Probleme precum determinarea proprietatilor eterului si explicatia spectrului de radiatii din solide si gaze erau necunoscute. Aceste fenomene au pus baza unei revolutii stiintifice. Au fost facute o serie de descoperiri remarcabile ale ultimului deceniu al secolului al XIX-lea: descoperirea razelor X de catre W. C. Roentgen in 1895; descoperirea electronului de catre J. J. Thomson in 1895; a radioactivitatii de catre A.H. Becquerel in 1896 si a efectului fotoelectric de catre Hertz, W. Hallwachs si P.E. Alenard in perioada 1887-1889.
Toate aceste descoperiri au fost explicate in primii 30 de ani ai secolului XX prin teoria cuantica si teoria relativitatii, punand bazele fizicii moderne.
Fizica moderna
Teoria relativitatii
In 1905, Albert Einstein a formulat teoria relativitatii. El a continuat si definitivat experimentul facut de Michelson-Morley.
In 1915, Einstein generalizeaza ipoteza sa si formuleaza teoria generala a relativitatii, care se aplica tuturor sistemelor ce se accelereaza unul fata de celalalt.
Teoria cuantica
Spectrul emis de corpuri luminate a fost pentru prima data explicat de fizicianul Max Planck.
Planck a facut presupunerea ca moleculele pot emite unde electromagnetice.
Fotoelectricitatea
Principalele aspecte ale fenomenului de fotoelectricitate sunt:
energia fiecarui fotoelectron depinde de frecventa luminii si nu de intensitate;
rata emisiei de electroni depinde de intensitatea luminii si nu de frecventa;
fotoelectronii sunt emisi imediat ce lumina atinge suprafata de emisie.
Aceste observatii nu au putut fi explicate prin teoria electromagnetica a lui Maxwell.
Einstein a presupus in 1905 ca lumina poate fi absorbita numai in fotoni. Fotonul dispare complet in procesul de absorbtie, iar toata energia lui se duce la un electron din metal. Cu aceasta presupunere, Einstein a extins teoria cuantica data de Planck, dand o importanta deosebita dualitatii unda-particula a luminii. Pentru aceasta, in 1921, Einstein a primit Premiul Nobel in fizica.
Razele X
Au fost descoperite de Roentgen si au fost prezentate, in 1912, ca radiatii electromagnetice de lungime foarte scurta, de catre fizicianul Max Theodor Felix von Lane si colaboratorii sai.
Mecanismul producerii razelor X s-a aratat a fi un efect cuantic. In 1914, fizicianul britanic Henry Gwin-Jeffreis Moseley a folosit spectrograma de raze X pentru a dovedi ca numarul atomic al elementelor este acelasi cu pozitia sa in tabelul periodic al elementelor.
Mecanica cuantica moderna
A fost cercetata si demonmstrata pentru prima data intre anii 1923-1930: Louis Victor (1923), Clinton Joseph Davisson, Lester Halbert Germer si George Paget Thomson (experimentele din 1927) precum si Werner Heisenberg, Max Born, Ernst Pascual Jordan si Erwin Schrödinger.
Dezvoltarea fizicii din 1930 pana in prezent
Dezvoltarea fizicii s-a bazat pe descoperirile fundamentale realizate pana in 1930 si pe evolutia ulterioara a tehnologiei.
Radiatiile cosmice
Au fost descoperite in 1911 de Victor Franz Hess. Acestea au fost cercetate mai bine odata cu lansarea in spatiu a unui satelit artificial in 1959.
Fizica nucleara
In 1931, fizicianul american Harold Clayton Urey descopera izotopul de hidrogen si fabrica apa grea.
Fizicienii francezi Irene si Frederic Joliot-Curie produc pentru prima oara nuclee radioactive artificiale (1933-1934).
Fizicianul englez Otto Robert Frisch a descoperit ca unele nuclee de uraniu pot fi divizate in doua, fenomen numit fisiune nucleara. In acelasi timp, o energie enorma este eliberata, impreuna cu o parte de neutroni. Aceste rezultate sustineau posibilitatea unei reactii in lant, obtinuta de Fermi si colaboratorii sai in 1942, cand a intrat in functiune primul reactor nuclear. Dezvotarea tehnologiei a fost foarte rapida, astfel incat in 1945 a fost realizata bomba nucleara de catre fizicianul american Robert-Oppenhelmer. In 1956, in Marea Britanie intra in functiune primul reactor nuclear pentru producerea energiei electrice.
Studiind energia stelelor, s-a dovedit ca in interiorul acestora au loc o serie de reactii nucleare, la temperaturi de milioane de grade. S-a observat, astfel, ca patru nuclee de hidrogen se transforma intr-un nucleu de heliu. Acest proces s-a numit fusiune nucleara. Asa s-a creat bomba cu hidrogen, care s-a detonat, pentru prima oara, in 1952 si s-a demonstrat a fi mai puternica decat bomba cu fisiune. Pentru realizarea temperaturii de fusiune, este necesara o bomba cu fisiune.
In 1993, la Universitatea Princeton s-a produs, intr-un mediu controlat, reactia de fusiune in scopul obtinerii energiei electrice.
Plasma
Plasma este orice substanta (gaz, de obicei) ai carei atomi au unul sau mai multi electroni pierduti. Electronii detasati raman in volumul de gaz neionizat. Ionizarea poate avea loc daca este introdusa energie in concentratie mare.
Plasma este gasita, de exemplu, in surse de lumina umplute cu gaz (neoane) si in spatiul interstelar, unde hidrogenul este ionizat de radiatii.
Lasere
Laserul, o descoperire recenta si importanta, este prescurtarea de la "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiations".
Laserul poate contine gaze, lichide si solide drept substanta lucratoare.
Un numar mare de atomi este ridicat la un nivel de energie foarte mare si sunt fortati sa elibereze aceasta energie simultan, producand o lumina continua. O tehnica similara este folosita in producerea microundelor.
Utilizarea laserului a fost dezvoltata in perioada 1950-1960 de catre americanii Gordon-Gould si Charles Hard Townes s.a.
Laserul este astazi foarte folosit in cercetare, comunicatii, medicina, navigatie, metalurgie, fusiune si taierea precisa a metalelor.
