Fascinația Fizicii
În evoluția istorică a culturii și civilizației, omenirea a acumulat un tezaur vast de cunoștințe, care a fost transmis și îmbogățit de la o generație la alta. Personalități ilustre, precum Aristotel (384 î.Hr -322 î. Hr.), Isaac Newton (16431727), James Clerk Maxwell (1831-1879), Max Planck (18581947) și Albert Einstein (18791955), au adăugat câte o cărămidă la construcția edificiului magnific al culturii universale.
Până la Aristotel, nu s-a făcut distincție între filosofie și știință, abordarea realității obiective fiind unitară la vremea respectivă. Pe măsura acumulării datelor științifice și a diversificării concepțiilor filosofice, au apărut numeroase modele de interpretare a devenirii și structurării Existenței pe diverse nivele de organizare a materiei, de la microcosmos, la macrocosmos și megacosmos.
Spre deosebire de filosofie, implicată în cunoașterea generalizată a Existenței, știința se raportează prin cauze și legi la analiza proceselor și fenomenelor din realitatea obiectivă.
Un loc aparte în știință îl are Fizica (din cuvântul grec physis = natură), disciplină care studiază structura, proprietățile, legile, formele de mișcare (mecanică, termică, electromagnetică) și transformările materiei.
Primele cunoștințe de fizică trebuie căutate la gânditorii din Grecia antică, de la primele încercări ale lui Thales și Democrit de a caracteriza materia, până la cartea Fizica a lui Aristotel, în care acesta a analizat și definit mișcarea din punct de vedere filosofic.
Fizica a fost cunoscută drept filosofie naturală până la sfârșitul secolului al XVIII-lea, după care a devenit disciplină distinctă de filosofie, având propria metodă de cercetare, cu mențiunea că bazele fizicii moderne au fost puse în perioada Renașterii (sec.XV-XVI) și amplificate în secolele următoare, pe măsura apariției și dezvoltării sistemului capitalist, care a promovat încrederea în om și în posibilitățile sale, dreptul său la gândire și acțiune liberă, cercetarea cu venerație a operelor marilor gânditori din cultura greacă și romană, schimbul de idei la scară planetară, dezvoltarea fără precedent a tehnicii și tehnologiei .
În cunoașterea Existenței, s-a pus accent pe ramurile științei legate de formele simple ale mișcării cerești și terestre. Nicolaus Copernicus a inițiat heliocentrismul, concepție care atribuie un rol central Soarelui în Univers, fiind un pas important în separarea științei de religie.
Galileo Galilei a formulat conceptul de lege științifică, a subliniat valoarea experimentului în cercetare, a descoperit legile pendulului și principiul inerției, a pus bazele cinematicii. Confecționându-și o lunetă, a studiat corpurile cerești, munții de pe Lună, sateliții planetei Jupiter, petele solare.
Legile mișcării planetelor au fost descoperite de Kepler, iar explicarea acestora a fost dată de către Newton, genialul savant care domină întreaga gândire modernă, prin cercetări profunde și multilaterale în diverse domenii (matematică, fizică, chimie, astronomie, filosofie) .
În celebra lucrare Principiile matematice ale filozofiei naturale, prin formularea principiilor dinamicii și a legii atracției universale, a fundamentat mecanica terestră și a corpurilor cerești. Împreună cu Leibniz, este considerat creatorul calculului diferențial și integral.
În domeniul opticii, Newton a studiat dispersia luminii (descompunerea luminii albe în componente monocromatice) și a construit telescopul cu oglindă, care are avantajul că nu prezintă aberații cromatice.
Pentru meritele sale deosebite a fost ales membru la Royal Society din Londra, precum și membru fondator al Academiei de Știinte din Franța. La Trinity College, unde a ținut regulat cursuri de matematică, i s-a ridicat un monument pe care s-a săpat un text din opera lui Lucrețiu Qui genus humanum supervit (Cu mintea lui depășea speța omenească).
Tot în Epoca modernă se descoperă legea transformării izoterme a gazelor (Robert Boyle, Edme Mariotte), legea refracției luminii (Snellius, Descartes), se măsoară presiunea atmosferică (Evangelista Toricelli), se studiază transmiterea presiunii prin fluide (B.Pascal), deformațiile elastice ale corpurilor (Robert Hooke), bazele mecanicii analitice sunt puse odată cu calculul variațional (L.Euler, J.L. Lagrange, A. Legendre).
Se fac cercetări în teoria cinetico-moleculară a gazelor de către Daniel Bernoulli, fizician care are și meritul fundamentării hidrodinamicii, prin studiul curgerii lichidelor din conducte, iar în domeniul electricității se exprimă cantitativ interacțiunile dintre sarcinile electrice (Charles-Auguste Coulomb), se construiește pila galvanică de către Alessandro Volta, considerată cea dintâi sursă practică de curent electric.
Bazele electromagnetismului au fost puse de fizicianul englez James Clerk Maxwell (1831-1879), care este considerat, alături de Isaac Newton și Albert Einstein, unul din cei mai prodigioși savanți din toate timpurile.
Pornind de la ideile lui M. Faraday, J.C. Maxwell a elaborat în lucrarea Tratat despre electricitate și magnetism teoria macroscopică a câmpului electromagnetic pentru corpurile în repaus, teorie pe care H. Hertz a extins-o apoi la corpurile în mișcare.
La baza teoriei lui Maxwell asupra câmpului electromagnetic se află două constatări obținute experimental, și anume:
în jurul unui câmp magnetic variabil ia naștere un câmp electric ale cărui linii sunt închise;
în jurul unui câmp electric variabil ia naștere un câmp magnetic ale cărui linii sunt închise.
Secolul al XX-lea a reprezentat un salt uriaș în dezvoltarea fizicii prin apariția teoriei relativității și a mecanicii cuantice.
Albert Einstein este un deschizător de drumuri în cercetarea științifică a realității obiective, fiind considerat cel mai mare savant al tuturor timpurilor. El a revoluționat cunoașterea printr-o nouă viziune despre spațiu, timp, cauzalitate, gravitație, radiație, univers etc. În demersul cognitiv a pus în evidență rolul modelelor matematice , al experienței și intuiției în abordarea realității obiective, a analizat natura ipotetică a principiilor științei și a corelat conceptul de obiectivitate cu invarianța legilor fizice .
Principalele sale lucrări științifice sunt: Electrodinamica corpurilor în mișcare(1905), Fundamentele teoriei generale a relativității(1916), Geometria și experiența(1921), Teoria unitară a câmpului fizic(1929), Fizica și realitatea(1936), Evoluția fizicii(1938).
Anul 1905 poate fi luat ca reper în activitatea de cercetare științifică a lui Einstein. Pe lângă susținerea doctoratului cu o dizertație despre dimensiunile moleculelor, a publicat trei articole științifice importante, prin care a fundamentat teoria mișcării browniene, a explicat efectul fotoelectric extern pe baza ipotezei propagării luminii sub formă de flux de fotoni și a elaborat teoria relativității restrânse prin generalizarea principiului relativității mecanice la întreaga fizică și postularea invarianței vitezei luminii în vid față de orice sistem de referință inerțial.
Genialul savant a fost capabil să descrie unitar și coerent fenomenele fizice în diverse sisteme de referință inerțiale, prin abordarea novatoare a măsurării spațiului și timpului, fără să se raporteze la natura concretă a substanței și a radiației, precum și la modul cum acestea interacționează. Einstein a depășit cu succes contradicția dintre mecanica newtoniană și teoria Maxwell a câmpului electromagnetic, mai precis, legile mecanicii clasice sunt invariante față de transformările Galilei, spre deosebire de legile electrodinamicii clasice, a căror formă este dependentă de viteza de mișcare a sistemelor de referință inerțiale.
În teoria relativității restrânse, trecerea de la un sistem de referință inerțial la altul este exprimată analitic prin transformările lui Lorentz. Unele consecințe ale acestor transformări, precum contracția lungimilor pe direcția de mișcare și dilatarea timpului, sunt dificil de acceptat la nivel intuitiv.
În anul 1916, Einstein a prezentat teoria relativității generalizate, concepție care extinde studiul fenomenelor fizice la sisteme de referință accelerate.
La baza acestei teorii se află două afirmații:
1). Postulatul covarianței generale a legilor fizicii. Ecuațiile prin care se exprimă legile fizicii au aceeași formă în toate sistemele de referință, indiferent de starea lor de mișcare.
2). Postulatul echivalenței locale. Într-un domeniu infinitezimal, câmpul gravitațional este echivalent cu câmpul forțelor de inerție al unui sistem de referință local, accelerat convenabil.
Altfel spus, un observator care se află într-un laborator izolat nu poate determina experimental dacă se află în repaus într-un câmp gravitațional sau laboratorul se mișcă accelerat într-o regiune lipsită de câmp gravitațional. Acest postulat a fost sugerat de constatarea experimentală că masa inertă și masa gravitațională sunt egale.
Teoria relativității generale a fost verificată experimental prin unele consecințe ale sale, precum: curbarea razelor de lumină în câmpuri gravitaționale intense, deplasarea gravitațională spre roșu a liniilor spectrale, deplasarea gravitațională a periheliului planetelor, efect care face ca traiectoriile acestora să capete forma unei rozete.
Fenomenele fizice din microcosmos în care se manifestă aspectul corpuscular al luminii(efectul fotoelectric, efectul Compton, emisia și absorbția radiației de către substanță), comportarea ondulatorie a microparticulelor și cuantificarea mărimilor fizice, în particular a energiei, sunt fenomene care nu pot fi explicate riguros în cadrul fizicii clasice, ci doar al fizicii cuantice, teorie modernă care a marcat secolul al XX-lea prin schimbări fundamentale în cunoașterea comportamentului microparticulelor.
Extinderea dualismului undă - corpuscul de la radiație la substanță a fost sugerată în 1923 de fizicianul francez Louis de Broglie: Dacă în teoria luminii s-a neglijat aproape un secol aspectul corpuscular pentru a i se atașa în exclusivitate doar aspectul de undă, oare nu s-a comis eroarea inversă în cazul substanței? Nu s-a greșit oare, neglijând aspectul de undă pentru a se considera aspectul corpuscular al substanței?.
Ideea genială la care a ajuns savantul francez se referă la posibilitatea de a descrie comportarea microparticulelor cu ajutorul undelor asociate.
Verificarea experimentală a undei asociate a fost făcută în anul 1927 de către Davisson și Germer, prin difracția pe un cristal de nichel a unui fascicul de electroni obținuți de la un tun electronic, rezultate pentru care ingenioșii cercetători au fost răsplătiți cu premiul Nobel.
Pasul hotărâtor în elaborarea mecanicii cuantice a fost făcut de E.Schrödinger, care a propus în 1926 o ecuație diferențială cu derivate parțiale pentru determinarea funcției de undă.
Semnificația fizică a funcției de undă a reprezentat o provocare cognitivă pentru comunitatea științifică. Schrödinger a propus o interpretare materială a funcției de undă (particula fiind identificată cu un pachet de unde), însă s-a impus în final interpretarea statistică dată de M. Born și W. Heisenberg, conform căreia modulul la pătrat al funcției de undă este proporțional cu probabilitatea de localizare a microparticulei în unitatea de volum din spațiu.
Este bine de precizat că, pe lângă varianta ondulatorie (Broglie, Schrödinger), prezentată anterior, există și varianta matriceală (Heisenberg, Dirac) a mecanicii cuantice. Cele două forme sunt echivalente, deși abordarea matematică a mărimilor fizice este diferită.
În aceste vremuri dificile pentru învățământ, pentru a sprijini elevii din liceu, am realizat lucrarea Sinteze de fizică, pe care o puteți accesa prin link-ul
https://www.isj-cl.ro/images/Curriculum/Sinteze%20de%20fizica%201.pdf .
|
Vasile Tudor 1/25/2022 |
Contact: |
|
|
