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.
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.
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου