Εισαγωγή στη φυσική

Η Φυσική είναι η επιστήμη που ασχολείται με την ερμηνεία των φυσικών φαινομένων που συντελούνται στο Σύμπαν. Η Φυσική βασίζεται στην πειραματική παρατήρηση και στην ποσοτική μέτρηση. Στόχος της Φυσικής είναι η ανακάλυψη των θεμελιωδών νόμων που περιγράφουν την συμπεριφορά των φυσικών συστημάτων. Οι θεμελιώδεις νόμοι διατυπώνονται στη γλώσσα των Μαθηματικών, που είναι το εργαλείο το οποίο γεφυρώνει το πείραμα με τη θεωρία.  Ένα σύνολο συναφών θεμελιωδών νόμων αποτελούν μια θεωρία.

Κάθε φορά που υπάρχει ασυμφωνία ανάμεσα στη θεωρία και στο πείραμα πρέπει να εισάγονται νέες θεωρίες και έννοιες για να αρθεί η ασυμφωνία. Συχνά μια θεωρία ισχύει με ορισμένους περιορισμούς. Κλασικό παράδειγμα οι νόμοι του Νεύτωνα, που περιγράφουν με ικανοποιητική ακρίβεια την κίνηση των σωμάτων σε ταχύτητες της καθημερινής εμπειρίας, αλλά δεν ισχύουν για αντικείμενα που κινούνται με ταχύτητα κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Η ειδική θεωρία της σχετικότητας (Albert Einstein 1879 – 1955) περιγράφει με ακρίβεια την κίνηση σωμάτων με ταχύτητες κοντά στην ταχύτητα του φωτός.

Η Φυσική που αναπτύχθηκε πριν από το 1900 ονομάζεται Κλασική Φυσική και περιλαμβάνει τις ενότητες της Κλασικής Μηχανικής του Ηλεκτρομαγνητισμού ο οποίος ασχολείται με τη μελέτη των ηλεκτρικών και μαγνητικών φαινομένων, της οπτικής και της ακτινοβολίας, και της Θερμοδυναμικής η οποία μελετά τη μεταφορά της θερμότητας, της θερμοκρασίας και της συμπεριφοράς μεγάλου αριθμού σωματιδίων.

Ο Galileo Galilei (1564 – 1642) έδωσε την πρώτη μεγάλη συνεισφορά στην Κλασική Μηχανική με τη μελέτη των νόμων της κίνησης η οποία υπόκειται σε σταθερή επιτάχυνση. Την ίδια εποχή ο Johannes Kepler (1571 – 1630) χρησιμοποίησε αστρονομικές παρατηρήσεις και κατέληξε σε εμπειρικούς νόμους για την κίνηση των πλανητών.

Η μεγαλύτερη όμως συνεισφορά στην Κλασική Μηχανική έγινε από τον Isaac Newton (1642 – 1727), που διαμόρφωσε την Κλασσική Μηχανική ως συστηματική θεωρία και είναι ένας από τους δημιουργούς του απειροστικού λογισμού και της συστηματικής του χρήσης ως εργαλείου της Φυσικής. Τον 18ο αιώνα σημειώθηκε σημαντική πρόοδος στη Φυσική. Η θερμοδυναμική, ο ηλεκτρισμός και ο μαγνητισμός, πάντως, δεν αναπτύχθηκαν παρά μόνο προς τα τέλη του 19o αιώνα, διότι οι πειραματικές συσκευές ήταν πολύ πρωτόγονες ή δεν αναπτύχθηκαν νωρίτερα. Αν και είχαν γίνει πολλές μελέτες των ηλεκτρικών και μαγνητικών φαινομένων, πρώτος ο James Clark Maxwell (1831 – 1879) διατύπωσε μια ενοποιημένη θεωρία του ηλεκτρομαγνητισμού.

Μια νέα εποχή άρχισε για τη Φυσική στα τέλη του 19ο αιώνα, η εποχή της Σύγχρονης Φυσικής. Η Σύγχρονη Φυσική δημιουργήθηκε ύστερα από την ανακάλυψη πολλών φυσικών φαινομένων τα οποία δεν μπορούσε να εξηγήσει η Κλασική Φυσική. Τα δυο σημαντικότερα επιτεύγματα της σύγχρονης εποχής στην επιστήμη της Φυσικής είναι η θεωρία της σχετικότητας και η θεωρία της Κβαντικής Μηχανικής. Η θεωρία της σχετικότητας του Einstein επέφερε, κυριολεκτικά, επανάσταση στις παραδοσιακές έννοιες του χώρου, του χρόνου και της ενέργειας. Ανάμεσα σε όλα τα άλλα, η θεωρία αυτή διόρθωσε τους νόμους του Νεύτωνα όταν αυτοί περιγράφουν την κίνηση με ταχύτητα συγκρίσιμη με την ταχύτητα του φωτός. Η θεωρία της σχετικότητας δέχεται επίσης ότι ανώτερο όριο στην ταχύτητα ενός αντικειμένου ή σήματος είναι η ταχύτητα του φωτός και αποδεικνύει την ισοδυναμία μάζας και ενέργειας. Η διατύπωση της Κβαντικής Μηχανικής έγινε από διάσημους επιστήμονες και περιγράφει φυσικά φαινόμενα στο επίπεδο του ατόμου. Οι αδιάκοπες προσπάθειες των επιστημόνων να καταστήσουν βαθύτερη την κατανόηση των θεμελιωδών νόμων οδηγούν συνεχώς σε νέες ανακαλύψεις.