Προτεινόμενοι Σύνδεσμοι:    greece   -   greece hotels   -   ειδησεις   -   greece news   -   ταβλι στο internet   -   livescore   -   νέα
 easypedia

Easypedia.gr
Ελλάδα
Αρχαία Ελλάδα
Ελληνες
Πρωθυπουργοί
Οικονομία
Γεωγραφία
Ιστορία
Γλώσσα
Πληθυσμός
Μυθολογία
Πολιτισμός & Τέχνες
Ζωγραφική
Θέατρο
Κινηματογράφος
Λογοτεχνία
Μουσική
Αρχιτεκτονική
Γλυπτική
Αθλητισμός
Μυθολογία
Θρησκεία
Θετικές & Φυσικές Επιστήμες
Ανθρωπολογία
Αστρονομία
Βιολογία
Γεωλογία
Επιστήμη υπολογιστών
Μαθηματικά
Τεχνολογία
Φυσική
Χημεία
Ιατρική
Φιλοσοφία & Κοινωνικ. Επιστήμες
Αρχαιολογία
Γλωσσολογία
Οικονομικά
Φιλοσοφία
Ψυχολογία
Γεωγραφία
Ασία
Αφρική
Ευρώπη
Πόλεις
Χώρες
Θάλασσες
Ιστορία
Ελληνική Ιστορία
Αρχαία Ιστορία
Βυζάντιο
Ευρωπαϊκή Ιστορία
Πόλεμοι
Ρωμαϊκή Αυτοκρατορία
Σύγχρονη Ιστορία
 

Φυσική

Από τη Βικιπαίδεια, την ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια

Η Φυσική (από την ελληνική λέξη φύω < φύναι που σημαίνει γένεση, δημιουργία, παραγωγή) είναι με την ευρύτερη έννοια η επιστήμη που μελετά την ύλη και την ενέργεια που παρατηρούνται στη φύση.

Οι φυσικοί μελετούν την λειτουργία και τις ιδιότητες του κόσμου που μας περιβάλλει από τα υποατομικά σωματίδια που αποτελούν τη συνήθη ύλη (σωματιδιακή φυσική), ως την συμπεριφορά τού υλικού σύμπαντος ως ολότητα (αστρονομία, κοσμολογία).

Σκοπός της φυσικής είναι η εύρεση του πλαισίου των θεμελιωδών νόμων στους οποίους υπακούν οι φυσικές οντότητες.

"Δεν υπάρχει αριθμός πειραμάτων που να μπορεί να δείξει ότι η θεωρία μου είναι σωστή, αλλά ένα και μόνο πείραμα μπορεί να αποδείξει ότι είναι λάθος"Άλμπερτ Αϊνστάιν

H Φυσική σχετίζεται στενά με τις άλλες φυσικές επιστήμες όπως η χημεία. Η χημεία όντας η επιστήμη των μορίων και των δεσμών που μπορούν να σχηματίσουν τα άτομα μεταξύ τους, δανείζεται από τη φυσική το θεωρητικό υπόβαθρο για τη συμπεριφορά των ατόμων και των μορίων, το οποίο αναπτύσσεται σε τομείς της φυσικής όπως η κβαντομηχανική (εν προκειμένω κβαντική χημεία), η Ατομική Φυσική, η θερμοδυναμική και ο ηλεκτρομαγνητισμός.

Η Φυσική επίσης, έχει πολύ ιδιαίτερη σχέση με τα μαθηματικά, τα οποία παρέχουν το λογικό πλαίσιο ανάπτυξης και εδραίωσης των μοντέρνων θεωριών. Η διαφορά της φυσικής με τα μαθηματικά έγκειται στο ότι η φυσική χρησιμοποιεί τα μαθηματικά ως εργαλείο περιγραφής του υλικού κόσμου και των φαινομένων που τον διέπουν και τον χαρακτηρίζουν, ενώ τα μαθηματικά έχουν ως σκοπό την προώθηση του ίδιου του μαθηματικού λογισμού, χωρίς να υπόκεινται σε δεσμεύσεις ανάπτυξης υπό μία συγκεκριμένη σκοπιά. Ωστόσο, η διάκριση μεταξύ φυσικής και μαθηματικών δεν είναι πάντα ξεκάθαρη. Υπάρχει ένα ευρύ πεδίο έρευνας μεταξύ της φυσικής και των μαθηματικών, η μαθηματική φυσική, που είναι αφιερωμένη στην ανάπτυξη των μαθηματικών δομών που απαρτίζουν τις θεωρίες της φυσικής.

Παρακάτω δίνεται μια επισκόπηση των κύριων κλάδων και εννοιών της φυσικής, ακολουθούμενη από μία σύντομη επισκόπηση της ιστορίας της φυσικής και κάθε κλάδου της.

Πίνακας περιεχομένων

Θεωρίες

Αν και οι φυσικοί μελετούν μια μεγάλη ποικιλία φαινομένων, υπάρχουν κάποιες θεωρίες οι οποίες χρησιμοποιούνται από όλους τους φυσικούς. Κάθε μία από αυτές τις θεωρίες έχει ελεγχθεί σε μεγάλο αριθμό πειραμάτων και έχει αποδειχθεί μια σωστή προσέγγιση της ίδιας της φύσης. Για παράδειγμα, η θεωρία της κλασικής μηχανικής περιγράφει με ακρίβεια την κίνηση των αντικειμένων, υπό την προϋπόθεση ότι είναι πολύ μεγαλύτερα από τα άτομα και πολύ πιο αργά από την ταχύτητα του φωτός. Ενώ αυτές οι θεωρίες έχουν κατανοηθεί και επεξεργαστεί για πολύ καιρό, συνεχίζουν να είναι πεδία ερευνών. Για παράδειγμα, μια αξιοσημείωτη πτυχή της κλασικής μηχανικής γνωστή ως θεωρία του χάους ανακαλύφθηκε τον 20ό αιώνα, τρεις αιώνες μετά την αρχική εγκαθίδρυση της κλασικής φυσικής από τον Ισαάκ Νεύτων. Οι κεντρικές θεωρίες είναι σημαντικά εργαλεία για περαιτέρω έρευνα σε πιο ειδικευμένα πεδία της φυσικής, και όλοι οι φυσικοί πρέπει να είναι καλά εκπαιδευμένοι και άνετοι πάνω σε αυτές.

Τυπικό θερμοδυναμικό σύστημα - η θερμότητα κινείται από το ζεστό (boiler) στο ψυχρό (condenser) και παράγεται έργο.
Τυπικό θερμοδυναμικό σύστημα - η θερμότητα κινείται από το ζεστό (boiler) στο ψυχρό (condenser) και παράγεται έργο.
  • Η Κλασική μηχανική είναι ένα μοντέλο της φυσικής των δυνάμεων που ασκούνται σε κάποια σώματα. Συχνά αναφέρεται και ως "Νευτώνεια μηχανική" από τον Νεύτωνα και τους νόμους της κίνησης. Η κλασική μηχανική χωρίζεται στην στατική, όπου τα αντικείμενα είναι σε ηρεμία, στην κινηματική, όπου τα αντικείμενα είναι σε κίνηση, και στη δυναμική, η οποία περιγράφει αντικείμενα που υπόκεινται σε δυνάμεις. Η θεωρία ξεπερνιέται από τη σχετικιστική μηχανική για συστήματα που κινούνται με μεγάλες ταχύτητες, κοντά σε αυτή του φωτός, από την κβαντική μηχανική για συστήματα σε κλίμακα πολύ μικρών αποστάσεων, και από την σχετικιστική κβαντική θεωρία πεδίου για συστήματα που ισχύουν και οι δύο παραπάνω ιδιότητες. Παρ' όλα αυτά, η κλασική μηχανική παραμένει πολύ χρήσιμη, καθώς εφαρμόζεται πολύ πιο εύκολα και απλά από αυτές τις άλλες θεωρίες, και έχει ένα αρκετά μεγάλο εύρος ισχύος. Η κλασική μηχανική μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να περιγράψει την κίνηση μακροσκοπικών αντικειμένων, στην κλίμακα του ανθρώπου (όπως μπάλες και αυτοκίνητα), πολλά αστρονομικά αντικείμενα (όπως πλανήτες και γαλαξίες), και μερικά μικροσκοπικά αντικείμενα (όπως τα οργανικά μόρια).
  • Ο Ηλεκτρομαγνητισμός είναι η φυσική του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, ένα πεδίο της φυσικής που παράγεται από την παρουσία και την κίνηση φορτισμένων σωματιδίων και αναπτύσσει δυνάμεις μεταξύ τους. Η ηλεκτροδυναμική περιγράφει τη συμπεριφορά των κινούμενων φορτισμένων σωματιδίων που αλληλεπιδρούν με ηλεκτρομαγνητικά πεδία. Ο ηλεκτρομαγνητισμός περιγράφει διάφορα ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα του απτού κόσμου. Ουσιαστικά, το φως είναι ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο σε ταλάντωση, το οποίο ακτινοβολείται από επιταχυνόμενα φορτισμένα σωματίδια. Πέρα από τη βαρύτητα, σχεδόν όλες οι δυνάμεις που αντιλαμβανόμαστε στην καθημερινή μας ζωή, είναι αποτέλεσμα του ηλεκτρομαγνητισμού.
  • Η Θερμοδυναμική είναι ο κλάδος της φυσικής που έχει να κάνει μη τη δράση της θερμότητας και τις μετατροπές της ενέργειας από τη μια μορφή στην άλλη. Η θερμοδυναμική ασχολείται συγκεκριμένα με το πώς αυτές οι αλλαγές επηρεάζουν μεγέθη όπως η θερμοκρασία, η πίεση, ο όγκος, η μηχανική δράση, η εντροπία και το έργο. Η Στατιστική μηχανική, που σχετίζεται με τη θερμοδυναμική, είναι ο κλάδος της φυσικής που αναλύει τα μακροσκοπικά θερμοδυναμικά συστήματα εφαρμόζοντας στατιστικές αρχές στα μικροσκοπικά τους στοιχεία. Μπορεί να εφαρμοστεί ώστε να υπολογιστούν οι θερμοδυναμικές ιδιότητες υλικών, από τις ιδιότητες των μορίων τους, κάτι που είναι η βάση της στατιστικής θερμοδυναμικής
  • Η Θεωρία της Σχετικότητας είναι:
    • μια φυσική θεωρία που βασίζεται σε δύο αξιώματα: (1) ότι η ταχύτητα του φωτός στο κενό είναι σταθερή και ανεξάρτητη από την πηγή ή τον παρατηρητή και (2) ότι οι νόμοι της φυσικής είναι ίδιοι για όλα τα αδρανειακά συστήματα -- καλείται επίσης και ειδική σχετικότητα, ειδική θεωρία της σχετικότητας. Οδηγεί στο συμπέρασμα πως η μάζα και η ενέργεια είναι ισοδύναμες και πως η μάζα, η διάσταση και ο χρόνος αλλάζουν όσο αυξάνεται η ταχύτητα.
    • μια επέκταση της ειδικής σχετικότητας ώστε να περιλαμβάνει μετασχηματισμούς ανάμεσα σε μη αδρανειακά συστήματα -- επίσης καλείται και γενική σχετικότητα ή γενική θεωρία της σχετικότητας. Περιγράφεται με τη χρήση διαφορικής γεωμετρίας και ερμηνεύει τη βαρύτητα ως παραμόρφωση του χωροχρόνου λόγω παρουσίας μάζας ή ενέργειας.
  • Η Κβαντική μηχανική είναι ο κλάδος της μαθηματικής φυσικής που ασχολείται με ατομικά και υποατομικά συστήματα και την αλληλεπίδρασή τους με την ακτινοβολία. Βασίζεται στην παρατήρηση ότι όλες οι μορφές της ενέργειας απελευθερώνονται σε διακριτές μονάδες που καλούνται κβάντα. Η κβαντική μηχανική παρέχει μαι φυσική θεωρία της ύλης που βασίζεται στην έννοια του κυματοσωματιδιακού δυϊσμού και παρέχει μια μαθηματική ερμηνεία της δομής και των αλληλεπιδράσεων της ύλης στη βάση αυτής της ιδιότητας-- επίσης καλείται και Κυματική μηχανική. Το ενδιαφέρον είναι πως η κβαντική θεωρία παρέχει μόνο πιθανούς ή στατιστικούς υπολογισμούς των παρατηρούμενων ιδιοτήτων των υποατομικών σωματιδίων, μέσω της κυματοσυνάρτησης. Η ανακάλυψη της κβαντικής μηχανικής στις αρχές του 20ού αιώνα υπήρξε επαναστατική για τη φυσική, και είναι πλέον θεμελιώδης στους περισσότερους κλάδους της σύγχρονης έρευνας.

Θεωρίες και έννοιες

Ο παρακάτω πίνακας παρουσιάζει τις πιο βασικές φυσικές θεωρίες και τα κυριότερα θέματα αυτών.

Θεωρία Βασικά θέματα Έννοιες
Κλασική μηχανική Νόμοι κίνησης του Νεύτωνα, Λαγκρανζιανή μηχανική, Χαμιλτόνια μηχανική, Κινηματική, Στατική, Δυναμική, Θεωρία του Χάους, Ακουστική, Μηχανική των ρευστών, Μηχανική των συνεχών μέσων Πυκνότητα, Διάσταση, Βαρύτητα, Χώρος, Χρόνος, Κίνηση, Μήκος, Θέση, Ταχύτητα, Επιτάχυνση, Μάζα, Ορμή, Δύναμη, Ενέργεια, Στροφορμή, Ροπή, Νόμος διατήρησης, Αρμονικός ταλαντωτής, Κύμα, Έργο, Ισχύς, Λαγκρανζιανή, Χαμιλτονιανή, Γωνίες Όιλερ
Ηλεκτρομαγνητισμός Ηλεκτροστατική, Ηλεκτροδυναμική, Ηλεκτρισμός, Μαγνητισμός, Εξισώσεις Μάξουελ, Οπτική Χωρητικότητα, Ηλεκτρικό φορτίο, Ηλεκτρικό ρεύμα, Ηλεκτρική αγωγιμότητα, Ηλεκτρικό πεδίο, Ηλεκτρική διαπερατότητα, Ηλεκτρικό δυναμικό, Ηλεκτρική αντίσταση, Ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, Ηλεκτρομαγνητική επαγωγή, Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, Επιφάνεια Γκάους, Μαγνητικό πεδίο, Μαγνητική ροή, Μαγνητικό μονόπολο, Μαγνητική επιδεκτικότητα
Θερμοδυναμική και Στατιστική μηχανική Θερμική μηχανή, Κινητική θεωρία Σταθερά του Μπόλτζμαν, Ενθαλπία, Εντροπία, Καταστατική εξίσωση, Θεώρημα ισοκατανομής, Ελεύθερη ενέργεια, Θερμότητα, Νόμος ιδανικού αερίου, Εσωτερική ενέργεια, Νόμοι της θερμοδυναμικής, Σχέσεις Μάξουελ, Αντιστρεπτή μεταβολή, Εκτατική μεταβλητή, Μηχανική δράση, Συνάρτηση επιμερισμού, Πίεση, Αυθόρμητη διεργασία, Συνάρτηση κατάστασης, Στατιστική κατανομή, Θερμοκρασία, Θερμοδυναμική ισορροπία, Θερμοδυναμικό δυναμικό, Θερμοδυναμική κατάσταση, Θερμοδυναμικό σύστημα, Όγκος, Έργο
Κβαντική μηχανική Φορμαλισμός τροχιακών ολοκληρωμάτων, Θεωρία σκέδασης, Εξίσωση Σρέντιγκερ, Κβαντική θεωρία πεδίου, Κβαντική στατιστική μηχανική Αδιαβατική προσσέγιση, Ακτινοβολία μέλανος σώματος, Αρχή της αντιστοιχίας, Ελεύθερο σωμάτιο, Χαμιλτονιανή, Χώρος Χίλμπερτ, Ταυτόσημα σωματίδια, Σταθερά του Πλανκ, Τελεστής, Κβάντο, Κβάντωση, Κβαντικός εναγκαλισμός, Κβαντικός αρμονικός ταλαντωτής, Κβαντικός αριθμός, Φαινόμενο σήραγγας, Γάτα του Σρέντιγκερ, Εξίσωση Ντιράκ, Σπιν, Κυματοσυνάρτηση, Κυματική μηχανική, Κυματοσωματιδιακός δυϊσμός, Απαγορευτική αρχή του Πάουλι, Αρχή της αβεβαιότητας
Σχετικότητα Ειδική σχετικότητα, Γενική σχετικότητα, Πεδιακές εξισώσεις Αϊνστάιν Αναλλοιώτητα, Πολλαπλότητα Αϊνστάιν, Αρχή της ισοδυναμίας, Τετρα-ορμή, Τετρα-διάνυσμα, Γενική αρχή της σχετικότητας, Γεωδαισιακή κίνηση, Βαρύτητα, Βαρυτομαγνητισμός, Αδρανειακό σύστημα αναφοράς, Συστολή μήκους, Πολλαπλότητα Λόρεντζ, Μετασχηματισμοί Λόρεντζ, Ισοδυναμία μάζας-ενέργειας, Μετρική, Διάγραμμα Μινκόφσκι, Χώρος Μινκόφσκι, Αρχή της σχετικότητας, Ιδιομήκος, Ιδιοχρόνος, Σύστημα αναφοράς, Ενέργεια ηρεμίας, Μάζα ηρεμίας, Σχετικότητα του ταυτοχρονισμού, Χωρόχρονος, Ειδική αρχή της σχετικότητας, Ταχύτητα του φωτός, Τανυστής ενέργειας-ορμής, Διαστολή του χρόνου, Παράδοξο των διδύμων

Έρευνα

Ένας μαγνήτης αιωρείται πάνω από έναν υπεραγωγό υψηλής θερμοκρασίας (με ζέον υγρό άζωτο από κάτω). Μία επίδειξη του φαινομένου Μάισνερ, το οποίο παίζει μεγάλο ρόλο στον τομέα της φυσικής συμπυκνωμένης ύλης.
Ένας μαγνήτης αιωρείται πάνω από έναν υπεραγωγό υψηλής θερμοκρασίας (με ζέον υγρό άζωτο από κάτω). Μία επίδειξη του φαινομένου Μάισνερ, το οποίο παίζει μεγάλο ρόλο στον τομέα της φυσικής συμπυκνωμένης ύλης.

H σύγχρονη έρευνα στη φυσική χωρίζεται σε αρκετά διαφορετικά πεδία.

  • Η Φυσική συμπυκνωμένης ύλης ασχολείται με το πως οι ιδιότητες της συμπυκνωμένης ύλης, όπως των συνηθισμένων στερεών και υγρών που συναντάμε στην καθημερινή ζωή, προκύπτουν από τις ιδιότητες και τις αλληλεπιδράσεις των ατόμων που αποτελούν το υλικό. Ένα θέμα που παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον σήμερα είναι η υψηλής θερμοκρασίας υπεραγωγιμότητα.
  • Η Ατομική, Μοριακή και Οπτική φυσική ασχολείται με μικρούς αριθμούς ατόμων και μορίων, και συγκεκριμένα, πως αυτά αλληλεπιδρούν με το φως. Ένα θέμα που παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον σήμερα είναι η συμπεριφορά των συμπυκνωμάτων Μποζέ-Άινσταϊν.
  • Η Σωματιδιακή Φυσική, επίσης γνωστή και ως "φυσική υψηλών ενεργειών", ασχολείται με τις ιδιότητες των υποατομικών σωματιδίων, πολύ μικρότερων των ατόμων, συμπεριλαμβανομένων και των στοιχειωδών σωματιδίων όπως τα ηλεκτρόνια, τα φωτόνια και τα κουάρκς. Ένα θέμα που παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον σήμερα είναι η έρευνα για το μποζόνιο Χιγκς.

Από τις αρχές του 20ού αιώνα, τα μεμονωμένα πεδία της φυσικής έχουν γίνει εξαιρετικά εξειδικευμένα, και οι πιο πολλοί φυσικοί εργάζονται σήμερα σε ένα μόνο πεδίο, για ολόκληρη την καριέρα τους. "Καθολικιστές" όπως ο Άλμπερτ Αϊνστάιν και ο Λεβ Λαντάου, οι οποίοι εργάστηκαν σε πολλαπλά πεδία της φυσικής, είναι σήμερα πολύ σπάνιοι.

Θεωρία και πείραμα

O τρόπος της έρευνας στη φυσική διαφέρει από τις περισσότερες επιστήμες, όσον αφορά το διαχωρισμό της θεωρίας με το πείραμα. Από τον 20ό αιώνα, οι περισσότεροι φυσικοί εξειδικεύονται είτε στη θεωρητική φυσική, είτε στην πειραματική φυσική. Ο σπουδαίος Ιταλός φυσικός Ενρίκο Φέρμι (19011954), ο οποίος έκανε θεμελιώδεις συνεισφορές και στη θεωρία και στα πειράματα στην πυρηνική φυσική, ήταν μια αξιοσημείωτη εξαίρεση. Αντίθετα, σχεδόν όλοι οι γνωστοί θεωρητικοί στη βιολογία και στη χημεία υπήρξαν και πειραματικοί.

Οι θεωρητικοί προσπαθούν να αναπτύξουν μέσω μαθηματικών μοντέλων διάφορες θεωρίες, οι οποίες μπορούν να περιγράφουν και να ερμηνεύουν υπάρχοντα πειραματικά αποτελέσματα, και να προβλέπουν επιτυχώς μελλοντικά αποτελέσματα, ενώ οι πειραματικοί εκτελούν πειράματα ώστε να εξερευνήσουν νέα φαινόμενα και να ελέγξουν τις θεωρητικές προβλέψεις. Αν και η θεωρία και το πείραμα αναπτύσσονται ξεχωριστά, εξαρτώνται πολύ το ένα από το άλλο. Η πρόοδος στη φυσική γίνεται συχνά όταν οι πειραματικοί ανακαλύπτουν κάτι που οι υπάρχουσες θεωρίες δεν έχουν λάβει υπ' όψιν, κάνοντας εμφανή την ανάγκη για δημιουργία νέων θεωριών. Παρόμοια, ιδέες που προκύπτουν από τη θεωρία, συχνά εμπνέουν νέα πειράματα. Χωρίς το πείραμα, η θεωρητική έρευνα μπορεί να πάρει λάθος δρόμο. Αυτό είναι και ένα από τα επιχειρήματα εναντίον της Θεωρίας-Μ, μιας δημοφιλούς θεωρίας στη φυσική υψηλών ενεργειών, για την οποία δεν έχουν εκτελεστεί ποτέ πειράματα.

Κλάδοι

Ο παρακάτω πίνακας παρουσιάζει πολλούς από τους διάφορους κλάδους της φυσικής, μαζί με τις κύριες θεωρίες και έννοιες που περιέχουν.

Πεδίο Κλάδοι Κύριες θεωρίες Έννοιες
Αστροφυσική Κοσμολογία, Βαρυτική φυσική, Αστροφυσική υψηλών ενεργειών, Πλανητική αστροφυσική, Φυσική πλάσματος, Διαστημική φυσική Μεγάλη έκρηξη, Μοντέλο Lambda-CDM, Κοσμικός πληθωρισμός, Γενική σχετικότητα, Νόμος της παγκόσμιας έλξης Μαύρη τρύπα, Κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου, Κοσμική χορδή, Σκοτεινή ενέργεια, Σκοτεινή ύλη, Γαλαξίας, Βαρυτική ακτινοβολία, Βαρυτική ασυνέχεια, Πλανήτης, Ηλιακό σύστημα, Αστέρας, Σουπερνόβα, Σύμπαν
Ατομική, Μοριακή και Οπτική Φυσική Ατομική Φυσική, Μοριακή φυσική, Ατομική και μοριακή αστροφυσική, Φυσικοχημεία, Οπτική, Φωτονική Κβαντική οπτική, Κβαντική χημεία, Επιστήμη κβαντικής πληροφορίας Φωτόνιο, Άτομο, Μόριο, Περίθλαση, Συμβολή, Διάθλαση, Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, Λέιζερ, Πόλωση, Γραμμή φάσματος, Φαινόμενο Κάσιμιρ
Σωματιδιακή Φυσική Πυρηνική φυσική, Πυρηνική αστροφυσική, Σωματιδιακή αστροφυσική, Φαινομενολογία σωματιδιακής φυσικής Καθιερωμένο μοντέλο, Κβαντική θεωρία πεδίου, Κβαντική ηλεκτροδυναμική, Κβαντική χρωμοδυναμική, Ηλεκτροασθενής θεωρία, Θεωρία πεδίου πλέγματος, Θεωρία βαθμίδας, Υπερσυμμετρία, Μεγαλοενοποιημένη θεωρία, Θεωρία Υπερχορδών, Θεωρία-Μ Θεμελιώδης δύναμη (βαρυτική, ηλεκτρομαγνητική, ασθενής, ισχυρή), Στοιχειώδες σωματίδιο, Σπιν, Αντιύλη, Αυθόρμητο σπάσιμο συμμετρίας, Ταλάντωση νετρίνου, Βράνη, Χορδή, Κβαντική βαρύτητα, Θεωρία των πάντων, Ενέργεια κενού
Φυσική συμπυκνωμένης ύλης Φυσική στερεάς κατάστασης, Φυσική υψηλής πίεσης, Φυσική χαμηλής θερμοκρασίας, Φυσική επιφάνειας, Νανοτεχνολογία, Φυσική πολυμερών Θεωρία BCS, Κύμα Μπλοχ, Αέριο Φέρμι, Υγρό Φέρμι, Θεωρία πολλών σωμάτων Φάσεις (αέριο, υγρό, στερεό, υπεραγωγός, υπερυγρό), Ηλεκτρική αγωγιμότητα, Μαγνητισμός, Αυτο-οργάνωση, Σπιν, Αυθόρμητο σπάσιμο συμμετρίας
Εφαρμοσμένη φυσική Φυσική επιταχυντών, Ακουστική, Αγροφυσική, Βιοφυσική, Φυσικοχημεία, Οικονομοφυσική, Εφαρμοσμένη μηχανική, Δυναμική ρευστών, Γεωφυσική, Φυσική υλικών, Ιατρική φυσική, Νανοτεχνολογία, Οπτική, Οπτοηλεκτρονική, Φωτοβολταϊκά, Υπολογιστική φυσική, Φυσική πλάσματος, Φυσική στερεάς κατάστασης, Κβαντική χημεία, Κβαντική ηλεκτρονική, Επιστήμη κβαντικής πληροφορίας

Μια σύντομη ιστορία της φυσικής

Κυρίως άρθρο: Ιστορία της φυσικής.
Βλέπε επίσης Διάσημοι Φυσικοί και Βραβεία Νόμπελ 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 ανάλογα με το πνεύμα και την τρέχουσα μεθοδολογία κάθε εποχής, προτάθηκαν αρκετές απόψεις και θεωρίες. Οι περισσότερες, αρχικά, είχαν φιλοσοφική βάση και χροιά (και μερικές φορές, θρησκευτικές ή μεταφυσικές συμπαραδηλώσεις), 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. Για να φτάσουμε τελικά, στη σημερινή μορφή του επιστημονικού στρουκτουραλισμού, θα θεωρούσε λογικό κάποιος πως υπήρξαν στη ιστορία αρκετά άλματα της διανόησης στον τομέα της φυσικής σκέψης, προάγγελλοι της επιστημονικής μεθόδου.

Η ερμηνεία της φύσης από τους αρχαίους Έλληνες φυσικούς φιλοσόφους

Τον 6ο αιώνα π.Χ., στην αρχαία ελληνική αποικία της Ιωνίας, εμφανίστηκαν φυσικοί φιλόσοφοι που στήριξαν την ερμηνεία του κόσμου στη λογική και είχαν πρωτοποριακές για την εποχή αντιλήψεις για τον κόσμο. Οι Ίωνες φυσικοί φιλόσοφοι ήταν υλιστές με την πρωταρχική έννοια του όρου, πράγμα που σημαίνει ότι οι θεωρίες τους είχαν ως βάση την ερμηνεία της φύσης μέσω των υλικών πραγμάτων. Κοινό χαρακτηριστικό των Ιώνων φυσικών φιλοσόφων ήταν η υπόθεση τους ότι όλη η ύλη αποτελείται από το ίδιο πρωταρχικό συστατικό.

Ο Θαλής που γεννήθηκε γύρω στο 625 π.Χ. υπέθεσε ότι το ύδωρ είναι η αρχή όλων των πραγμάτων. Θεωρούσε ότι η γη επιπλέει στο νερό, πράγμα που δεν απέχει πολύ από τις σύγχρονες αντιλήψεις της γεωφυσικής) και κατάφερε επιπλέον να προβλέψει την έκλειψη του ηλίου του 585 π.Χ. Ο Αναξίμανδρος (610 - 546 π.Χ.), θεώρησε ως αρχή των όντων το άπειρο, το οποίο για αυτόν ήταν χωρίς χωρικά πέρατα, χρονικά απέραντο και ποιοτικά απροσδιόριστο. Το άπειρο αν και υλικό, δεν ταυτιζόταν για αυτόν με κάποια εμπειρική ύλη. Αποτελούσε την αρχή της κοσμικής διαδικασίας και ήταν το υπόστρωμα όλων των αντιθετικών μετασχηματισμών "Εξ απείρου πάντα και εις άπειρον πάντα τελευτά".

Ο Αναξιμένης (560 - 500 π.Χ.), υιοθέτησε στη θέση του απείρου του Αναξίμανδρου, τον αέρα. Για αυτόν η ποικιλία των φαινομένων του κόσμου ερμηνεύεται από συμπυκνώσεις και αραιώσεις του αέρα. Ο Αναξιμένης συνέδεσε το θερμότερο με το αραιότερο και το ψυχρότερο με το πυκνότερο. Έτσι ανοίχτηκε ο δρόμος για την ποσοτικοποίηση των ποιοτικών καθορισμών, απαραίτητος όρος για τη γένεση και ανάπτυξη της επιστήμης.

Ηράκλειτος.
Ηράκλειτος.

Πέρα από αυτά, στην Έφεσο, ο Ηράκλειτος (544 - 484 π.Χ.), πίστευε στην προαιώνια ύπαρξη του κόσμου. Για αυτόν οι αλλαγές στην ύλη περνούσαν με τη μορφή δύο αντίρροπων κινήσεων: πυρ - θάλασσα - γη και γη - θάλασσα - πυρ. Συνδετικός κρίκος ήταν το ευμετάβλητο πυρ: "Όλα ανταλλάσσονται με φωτιά και φωτιά με όλα, όπως ακριβώς τα αγαθά με χρυσό και ο χρυσός με αγαθά". Ο Ηράκλειτος ωστόσο, παρά τη συνεχή μεταβολή πρότεινε και ένα σταθερό στοιχείο στον κόσμο: την αναλογία. Σύμφωνα με αυτόν όλες οι μεταβολές πραγματοποιούνται στις ίδιες αναλογίες ("εις τον αυτόν λόγον").

Πέρα από την Ιωνία, στην Ελέα, ο Παρμενίδης αντιτάχθηκε στην Ιωνική φυσική και στην ηρακλείτεια θεώρηση. Για αυτόν ο φυσικός κόσμος υποτάσσεται σε μία υπερεμπειρική πραγματικότητα και απαρνείται τις Ιωνικές αντιλήψεις ως δοξασίες ("δόξας"). Ο Παρμενίδης διέκρινε δύο οδούς της έρευνας ("οδοί διζήσιος"). Ο δρόμος της αλήθειας ξεκινάει από την παραδοχή ότι το ον είναι, ενώ το μη ον δεν είναι ("έστιν τε και ως εκ έστι μη είναι"). Ο δρόμος της δοξασίας ξεκινάει από την παραδοχή ότι και το μη ον υπάρχει ("ως χρέων έστι μη είναι"). Είναι αδύνατο να γνωρίσουμε το μη ον και ούτε μπορούμε να το εκφράσουμε γιατί: "το γαρ αυτό νοείν εστίν τε και είναι". Η πρόταση αυτή που είναι ανάλογη με το καρτεσιανό cogito, ταυτίζει τη νόηση με το είναι. Το ον για τον Παρμενίδη είναι η ύλη που γεμίζει το χώρο ενώ το μη ον είναι το κενό. Ο Ζήνων ο Ελεάτης, μαθητής του Παρμενίδη, υπερασπίστηκε την Παρμενίδεια οντολογία απορρίπτοντας την πολλαπλότητα των πραγμάτων και την κίνηση. Η μέθοδος του συνίστατο στην αποκάλυψη αντιφάσεων από ταυτόσημες προκείμενες - γνωστά τα παράδοξα του Ζήνωνα. Ο Αριστοτέλης θεωρούσε τον Ζήνωνα ως τον ευρετή της διαλεκτικής (με την έννοια της εριστικής).

Ο αρχαίος Έλληνας μαθηματικός Αρχιμήδης συνέταξε πολλές ποσοτικά ακριβείς μελέτες της μηχανικής και της υδροστατικής.

Το έργο του Πτολεμαίου (Αστρονομία) 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 πορεία προς τη μαθηματική θεμελίωση των φυσικών κανόνων

Η προθυμία να επανεξεταστούν οι 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 (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 Γαλιλέι, Κρίστιαν Χόϋχενς, Γιόχαννες Κέπλερ, Μπλαίζ Πασκάλ κ.α.

Στις αρχές του 17ου αιώνα, ο Γαλιλαίος Γαλιλέι 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 το έργο του με τίτλο 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 κλασική 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 δυναμική των ρευστών. Η κλασική μηχανική επεκτάθηκε αργότερα σε μεγάλο βαθμό από τους Λαγκράνζ, Χάμιλτον 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 κλασικής 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 Ρόμπερτ Μπόιλ (Robert Boyle), ο Στήβεν Γκραίυ (Stephen Gray) και ο Βενιαμίν Φραγκλίνος έβαλαν τα θεμέλια της κατοπινής έρευνας. Επίσης, οι παρατηρήσεις αυτές οδήγησαν στη βασική κατανόηση του ηλεκτρικού φορτίου και του ηλεκτρικού ρεύματος.

Στα 1821, ο Μιχαήλ Φαρανταίυ (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 Φαρανταίυ επίσης συνέλαβε τη φυσική έννοια που μετέπειτα ονομάστηκε ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Ο Τζέιμς Κλερκ Μάξγουελ (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.

Η σύγχρονη φυσική

Πέρα από τα συνήθη ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα, οι εξισώσεις του Μάξγουελ μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για να περιγράψουν το φως. Η παρατήρηση αυτή επιβεβαιώθηκε με την ανακάλυψη των ραδιοκυμάτων το 1888 από τον Χάινριχ Χερτζ (Heinrich Hertz), καθώς και στα 1895, όταν ο Βίλχελμ Ρέντγκεν (Wilhelm Roentgen) εντόπισε τις ακτίνες Χ. Η περιγραφή του φωτός με όρους ηλεκτρομαγνητικού πεδίου αποτέλεσε το έναυσμα για τη δημοσίευση, από τον Άλμπερτ Αινστάιν της Ειδικής Θεωρίας της Σχετικότητας. Η θεωρία αυτή ενοποίησε την κλασική μηχανική με τις εξισώσεις του Μάξγουελ. 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 απ' ό,τι η κλασική μηχανική· αυτό προϋπέθετε την ανάπτυξη σχετικιστικής μηχανικής ως αντικατάστατο της κλασικής μηχανικής. Στην περιοχή των χαμηλών (σχετικών) ταχυτήτων, οι δύο θεωρίες συμφωνούν. Ο Αινστάιν επεξέτεινε περαιτέρω την Ειδική Σχετικότητα συμπεριλαμβάνοντας τη βαρύτητα στους υπολογισμούς του. Δημοσίευσε την Γενική θεωρία της Σχετικότητας στα 1915.

Διάγραμμα του διαστελλόμενου σύμπαντος
Διάγραμμα του διαστελλόμενου σύμπαντος

Μέρος της θεωρίας της γενικής σχετικότητας αποτελούν οι πεδιακές εξισώσεις του Αινστάιν. 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 Αινστάιν παρήγαγε αποτελέσματα που προέβλεπαν τη Μεγάλη Έκρηξη, τις μαύρες τρύπες, καθώς και το διαστελλόμενο σύμπαν. Ο Αινστάιν 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 Έντουιν Χάμπλ (Edwin Hubble).

Από τον 18ο αιώνα και πέρα ξεκινά η ανάπτυξη της θερμοδυναμικής από τον Ρόμπερτ Μπόιλ (Robert Boyle), τον Γιάνγκ (Thomas Young) και πολλούς άλλους. Στα 1773, ο Μπερνούλλι συνδύασε στατιστικά επιχειρήματα με την κλασική μηχανική για να συνάγει θερμοδυναμικά αποτελέσματα, εγκαινιάζοντας τον κλάδο της στατιστικής μηχανικής. Στα 1798, ο Τόμσον (Benjamin Thompson) κατέδειξε τη μετατροπή μηχανικού έργου σε θερμότητα, ενώ στα 1847 ο Τζάουλ (James Joule) διατύπωσε το νόμο της (ολικής) διατήρησης της ενέργειας, τόσο σε μορφή θερμότητας όσο και σε μορφή μηχανικής ενέργειας.

Στα 1895, ο Ρέντγκεν ανακάλυψε τις ακτίνες Χ, που τελικά αποδείχτηκε ότι δεν είναι παρά υψίσυχνη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Η ραδιενέργεια ανακαλύφθηκε στα 1896 από τον Ανρί Μπεκερέλ (Henri Becquerel), και μελετήθηκε περαιτέρω από τους Μαρία Κιουρί (Marie Curie), Πιερ Κιουρί (Pierre Curie) και άλλους. Έτσι εγκαινιάστηκε ο κλάδος της πυρηνικής φυσικής.

Στα 1897, ο Τόμσον (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 μοντέλο του σταφιδόψωμου. (Η ύπαρξη ατόμων είχε ήδη προταθεί από το 1808 από τον Ντάλτον (John Dalton)).

Ο Ανρί Μπεκερέλ ανακάλυψε συμπτωματικά τη ραδιενέργεια στα 1896. Τον επόμενο χρόνο, ο Τόμσον 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 Μαξ Πλανκ (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 μηχανική.

Κατά τη δεκαετία του 1920, ο Έρβιν Σρέντινγκερ (Erwin Schrödinger), ο Βέρνερ Χάιζενμπεργκ (Werner Heisenberg) και ο Μαξ Μπορν (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 Σβίνγκερ (Schwinger), Τομονάγκα (Tomonaga) και Ρίτσαρντ Φάινμαν ήταν σε θέση να εξηγήσουν τη μετατόπιση Lamb (Lamb shift) χρησιμοποιώντας την κβαντική θεωρία πεδίου και την κβαντική ηλεκτροδυναμική, μέχρι τη δεκαετία του 1940. Το 1959, ο Φάινμαν διατύπωσε την υπόθεση ότι είναι εφικτός ο χειρισμός της ύλης στο ατομικό επίπεδο, εγκαινιάζοντας έτσι το πεδίο της νανοτεχνολογίας.

Στα 1911, ο Ράδερφορντ (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. Τα νετρόνια, τα ουδέτερα (αφόρτιστα) συστατικά των πυρήνων, δεν ανακαλύφθηκαν παρά το 1932, από τον Τσάντγουικ (James Chadwick).

Η ισοδυναμία μάζας και ενέργειας (Αινστάιν, 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 Χάιζεμπεργκ, κατέληξε σε αποτυχία, ενώ το Συμμαχικό Σχέδιο Μανχάτταν πέτυχε το στόχο του. Στην Αμερική, μια ομάδα με επικεφαλής τον Ενρίκο Φέρμι (Enrico Fermi) παρήγαγε την πρώτη ανθρωπογενή αλυσιδωτή 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 Πλανκ, Αινστάιν, Μπορ και άλλοι άρχισαν να αναπτύσσουν κβαντικές θεωρίες για να εξηγήσουν διάφορα "ανώμαλα" πειραματικά αποτελέσματα, εισάγοντας διακριτά ενεργειακά επίπεδα. Τόσο ο Χάιζενμπεργκ το 1925, όσο και οι Σρέντινγκερ και Ντιράκ το 1926, διατύπωσαν φορμαλιστικά την κβαντομηχανική, η οποία αποσαφήνιζε τις κβαντικές θεωρίες που είχαν προηγηθεί. Στην κβαντομηχανική, τα αποτελέσματα των φυσικών μετρήσεων είναι εγγενώς πιθανοκρατικά· η θεωρία παρέχει μεθόδους για τον υπολογισμό των πιθανοτήτων αυτών. Περιγράφει με επιτυχία τη συμπεριφορά της ύλης στις μικροσκοπικές κλίμακες.

Η κβαντομηχανική μας έδωσε επίσης τα θεωρητικά εργαλεία για τη μελέτη της φυσικής συμπυκνωμένης ύλης, η οποία μελετά τη φυσική συμπεριφορά των στερεών και υγρών σωμάτων, συμπεριλαμβανομένων και φαινομένων όπως η δομή των κρυστάλλων, η ημιαγωγιμότητα και η υπεραγωγιμότητα. Ανάμεσα στους πρωτοπόρους της συμπυκνωμένης ύλης συγκαταλέγεται ο Μπλοχ (Felix Bloch), ο οποίος διατύπωσε μια κβαντομηχανική περιγραφή της συμπεριφοράς των ηλεκτρονίων στις κρυσταλλικές δομές το 1928.

Η κβαντική θεωρία πεδίου 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 Φάινμαν, Σβίνγκερ (Julian Schwinger), Τομονάγκα και Ντάϊσον (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 Κ. Ν. Γιάνγκ (C. N. Yang) και Τ. Ντ. Λη (T. D. Lee) ανακάλυψαν μια αναπάντεχη ασυμμετρία στη διάσπαση ενός υποατομικού σωματιδίου. Στα 1954, οι Γιάνγκ (Yang Chen Ning) και Μιλλς (Robert Mills) ανέπτυξαν μια κλάση θεωριών βαθμίδας η οποία παρείχει το εννοιολογικό πλαίσιο για το Καθιερωμένο 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 κβαντομηχανική, δεν είναι προς το παρόν συμβατές μεταξύ τους. Η γενική σχετικότητα περιγράφει το σύμπαν στην κλίμακα των πλανητών και των πλανητικών συστημάτων, ενώ η κβαντομηχανική βρίσκει εφαρμογή στις υπο-ατομικές κλίμακες. Αυτό το χάσμα προσπαθεί να γεφυρώσει η θεωρία Χορδών, 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 ανακύρηξαν το έτος 2005 ως Παγκόσμιο Έτος Φυσικής.

Μελλοντικές κατευθύνσεις

Η έρευνα στη φυσική εξελίσσεται συνεχώς σε ένα μεγάλο αριθμό θεμάτων, και είναι πιθανό πως θα συνεχίσει έτσι για το άμεσο μέλλον.

Στη φυσική συμπυκνωμένης ύλης, το πιο μεγάλο άλυτο θεωρητικό πρόβλημα αφορά την εξήγηση της υψηλής θερμοκρασίας υπεραγωγιμότητας. Πολλές προσπάθειες, κυρίως πειραματικές, γίνονται ώστε να κατασκευαστούν κβαντικοί υπολογιστές και spintronics.

Στη σωματιδιακή φυσική, τα πρώτα κομμάτια πειραματικών αποδείξεων για τη φυσική πέρα από το καθιερωμένο μοντέλο αρχίζουν και παίρνουν τη θέση τους. Οι κυριότερες είναι οι ενδείξεις ότι τα νετρίνα έχουν μη μηδενική μάζα. Αυτά τα πειραματικά αποτελέσματα φαίνεται να έχουν λύσει το μακροχρόνιο πρόβλημα που αφορούσε τα ηλιακά νετρίνα. Η φυσική των νετρίνων είναι αυτή τη στιγμή ένα πεδίο ενεργούς θεωρητικής και πειραματικής έρευνας. Στα επόμενα χρόνια, οι επιταχυντές σωματιδίων θα αρχίσουν να πιάνουν ενέργειες της τάξης του TeV, όπου οι πειραματικοί φυισικοί ελπίζουν πως θα βρουν ενδείξεις για το μποζόνιο Χιγκς και τα υπερσυμμετρικά σωματίδια.

Χιλιάδες σωματίδια εκρήγνυνται από το σημείο σύγκρουσης δύο σχετικιστικών ιόντων χρυσού στον ανιχνευτή STAR του Relativistic Heavy Ion Collider
Χιλιάδες σωματίδια εκρήγνυνται από το σημείο σύγκρουσης δύο σχετικιστικών ιόντων χρυσού στον ανιχνευτή STAR του Relativistic Heavy Ion Collider

Οι θεωρητικές απόπειρες ένωσης της κβαντικής μηχανικής και της γενικής σχετικότητας σε μια μόνο θεωρία κβαντικής βαρύτητας, που γίνονται εδώ και μισό αιώνα περίπου, δεν έχουν αποδώσει καρπούς. Αυτή τη στιγμή, οι υποψήφιες θεωρίες είναι η Θεωρία-Μ, η Θεωρία Υπερχορδών και η Κβαντική βαρύτητα βρόχων.

Πολλά αστρονομικά και κοσμολογικά φαινόμενα δεν έχουν ακόμη εξηγηθεί ικανοποιητικά, συμπεριλαμβανομένης της βαρυονικής ασυμμετρίας, των πολύ υψηλών κοσμικών ακτίνων, της επιτάχυνσης του σύμπαντος και των ανώμαλους ρυθμούς στροφής των γαλαξιών.

Αν και μεγάλη πρόοδος έχει γίνει στην στην κβαντική φυσική, στην αστρονομία και στη φυσική υψηλών ενεργειών, πολλά καθημερινά φαινόμενα που συμπεριλαμβάνουν πολυπλοκότητα, χάος ή τύρβη δεν έχουν εξηγηθεί. Πολύπλοκα φαινόμενα που φαίνονται πως θα ήταν επιλύσιμα με απλή εφαρμογή της μηχανικής και δυναμικής, όπως η κατανομή των αμμόλοφων, το σχήμα των σταγόνων του νερού ή η γρήγορη ροή του νερού, παραμένουν άλυτα.

Σημειώσεις

Αυτό το άρθρο βασίζεται στο άρθρο Physics από την ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια Wikipedia. Στην Wikipedia βρίσκεται ένας κατάλογος των συντακτών.

Προτεινόμενη βιβλιογραφία

Σύνδεσμοι

Ελληνικά Πανεπιστημιακά Ιδρύματα


Κλάδοι της Φυσικής
Ατομική και Πυρηνική Φυσική | Κλασική Μηχανική | Ηλεκτρομαγνητισμός | Θερμοδυναμική | Κβαντική Μηχανική | Σχετικότητα | Οπτική | Σωματιδιακή Φυσική | Στατιστική μηχανική | Φυσική Συμπυκνωμένης Ύλης