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História de física

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Física (do grego : φύσις physis " natureza ") é um ramo da ciência que se desenvolveu a partir da filosofia , e foi assim denominado filosofia natural até o final do século 19 - um termo que descreve um campo de estudo preocupado com "o funcionamento da natureza". Atualmente, a física é tradicionalmente definida como o estudo da matéria , energia , ea relação entre eles. A física é, em alguns sentidos, a ciência pura mais antigo e mais básico; suas descobertas encontrar aplicações em todo o ciências naturais, uma vez que a matéria ea energia são os constituintes básicos do mundo natural. As outras ciências são geralmente mais limitado no seu alcance e pode ser considerado ramos que se separaram fora da física para se tornar ciências em seu próprio direito. Física hoje podem ser divididas frouxamente em a física clássica ea física moderna.

História antiga

Elementos do que se tornou física foram atraídos principalmente dos campos da astronomia , óptica , e mecânica, que foram metodologicamente unidos através do estudo da geometria . Estas disciplinas matemáticas começou em Antiquity com os babilônios e com Escritores helenísticas, como Arquimedes e Ptolomeu . Enquanto isso, filosofia , incluindo o que foi chamado "Física", focada em esquemas explicativos (em vez de descritivos), em grande parte desenvolvido em torno do aristotélico idéia dos quatro tipos de "causas" .

Grécia Antiga

O movimento em direção a uma compreensão racional da natureza começou pelo menos desde o Período arcaico na Grécia (650-480 aC) com a Filósofos pré-socráticos. O filósofo Thales (sétimo e sexto séculos aC), apelidado de "o pai da ciência" por se recusar a aceitar várias explicações sobrenaturais, religiosas ou mitológicas para naturais fenômenos, proclamou que cada evento teve uma causa natural. Thales também fez avanços em 580 aC, sugerindo que a água é o elemento básico, experimentando com ímãs e atração para esfregou âmbar , e formular as primeiras cosmologias . Anaximandro, famoso por sua teoria proto-evolutiva, contestou as idéias de Thales e propôs que, em vez de água, uma substância chamada apeiron foi o alicerce de toda a matéria. Heráclito (em torno de 500 BCE) propôs que a única lei de base que rege o universo era o principal da mudança e que nada permanece no mesmo estado indefinidamente. Esta observação fez dele um dos primeiros estudiosos da física antiga para abordar o papel do tempo no universo, um dos conceitos mais importantes, mesmo na história moderna da física. O físico precoce Leucipo (primeira metade do quinto século aC) opôs a idéia de intervenção divina direta no universo, em vez de propor que os fenômenos naturais tinham uma causa natural. Leucipo e seu aluno, Demócrito, foram os primeiros a desenvolver a teoria da atomismo - a idéia de que tudo é composto inteiramente de vários elementos indissociáveis, imperecíveis chamados átomos .

Aristóteles (384-322 aC)

Durante o período clássico da Grécia (6, 5 e 4 séculos aC) e no Período helenístico, filosofia natural lentamente desenvolvido em uma área excitante e contenciosa de estudo. Aristotle ( grego : Ἀριστοτέλης, Aristotélēs) (384-322 aC), um estudante de Plato , promoveu o conceito de que a observação de fenômenos físicos poderia levar à descoberta do património natural leis que os regem. Escritos de Aristóteles cobrir física, metafísica, poesia , teatro , música , lógica , retórica, a linguística , política , governo , ética , biologia e zoologia. Ele escreveu a primeira obra que se refere a essa linha de estudo como "Física" ( Física de Aristóteles). Aristóteles tentou explicar idéias como movimento (e gravidade ) com a teoria da quatro elementos. Aristóteles acreditava que toda a matéria era composta de éter, ou alguma combinação de quatro elementos: terra, água, ar e fogo. Segundo Aristóteles, esses quatro elementos terrestres são capazes de inter-transformação e mover-se em direção ao seu lugar natural, então uma pedra cai para baixo em direção ao centro do cosmos, mas chamas sobem para cima em direção a circunferência. Eventualmente, Física aristotélica tornou-se muito popular por muitos séculos na Europa, informando os desenvolvimentos científicos e escolares dos Idade Média . Manteve-se o paradigma científico dominante na Europa até o tempo de Galileu Galilei e Isaac Newton .

Cedo na Grécia Clássica, que a Terra é uma esfera ("redondo"), foi geralmente conhecido por todos, e em torno de 240 aC, Eratóstenes (276-194 aC) estimado com precisão sua circunferência. Em contraste com vista geocêntrico de Aristóteles, Aristarco de Samos ( grego :.. Ἀρίσταρχος; c 310 - 230 aC c) apresentou um argumento explícito para um modelo heliocêntrico do sistema solar , colocando o Sol , e não a Terra , no centro. Seleuco de Selêucia, um seguidor da teoria heliocêntrica de Aristarco, afirmou que a Terra girava em torno de seu próprio eixo, que por sua vez girava em torno do Sol Embora os argumentos que ele usou foram perdidos, Plutarco afirma que Seleuco foi o primeiro a provar o sistema heliocêntrico através do raciocínio.

Matemático grego Arquimedes , famoso por suas idéias sobre mecânica dos fluidos e flutuabilidade

No século 3 aC, a Matemático grego Arquimedes de Siracusa ( grego : Ἀρχιμήδης (287-212 aC) - geralmente considerada como o maior matemático da antiguidade e um dos maiores de todos os tempos - lançou as bases da hidrostática, estática e calculada a matemática subjacente do alavanca. Um importante cientista da Antiguidade clássica, Archimedes também desenvolveu sistemas elaborados de polias para mover grandes objetos com um mínimo de esforço. O Parafuso de Arquimedes sustenta hydroengineering moderna, e suas máquinas de guerra ajudaram a segurar os exércitos de Roma no Primeira Guerra Púnica. Archimedes ainda rasgou os argumentos de Aristóteles e sua metafísica, ressaltando que era impossível matemática e natureza distintas e provou isso através da conversão de teorias matemáticas em invenções práticas. Além disso, em sua obra Sobre os Corpos Flutuantes, em torno de 250 aC, Archimedes desenvolveu a lei da flutuabilidade, também conhecido como Princípio de Arquimedes. Em matemática, Arquimedes utilizado o método de exaustão para calcular a área sob o arco de parábola com a soma de uma série infinita, e deu uma aproximação notavelmente precisas de pi . Ele também definiu o espiral que leva seu nome, fórmulas para os volumes de superfícies da revolução e um sistema engenhoso para expressar números muito grandes. Ele também desenvolveu os princípios de estados de equilíbrio e centro de gravidade , ideias susceptíveis de influenciarem os estudiosos islâmicos, Galileu e Newton.

Hiparco (190-120 aC), com foco na astronomia e matemática, usou técnicas sofisticadas geométricas para mapear o movimento das estrelas e dos planetas, mesmo prevendo as vezes que eclipses solares iria acontecer. Além disso, acrescentou cálculos do raio do sol e da lua da Terra, com base nas suas melhorias para os instrumentos de observação utilizadas nesse momento. Outra das mais famosas dos primeiros físicos foi Ptolomeu (90-168 dC), uma das principais mentes durante a época do Império Romano . Ptolomeu foi o autor de diversos tratados científicos, pelo menos, três dos quais eram de continuar importância para depois islâmica e ciência europeia. O primeiro é o tratado astronômico agora conhecido como o Almagesto (em grego, Ἡ Μεγάλη Σύνταξις, "O Grande Tratado", originalmente Μαθηματικὴ Σύνταξις, "Matemática Tratado"). A segunda é a Geografia, que é uma discussão aprofundada do conhecimento geográfico do Mundo greco-romano.

Grande parte do conhecimento acumulado do mundo antigo foi perdido. Mesmo as obras dos pensadores mais conhecidos, alguns fragmentos sobreviveram. Embora ele escreveu pelo menos catorze livros, quase nada de Trabalho direto Hiparco 'sobreviveu. Dos 150 reputado Obras aristotélicas, apenas 30 existir, e alguns deles são "mais do que pequenas notas de aula".

Cientistas muçulmanos

Ibn al-Haytham (Alhazen), 965-1039, Basra

Durante o período de tempo conhecido como a Idade das Trevas (5a-15o século), muito progresso científico ocorrido no mundo muçulmano. A investigação científica dos cientistas islâmicos é muitas vezes esquecido devido ao conflito do Cruzadas e "é possível, também, que muitos estudiosos do Renascimento mais tarde minimizou ou mesmo disfarçados sua conexão para o Oriente Médio, tanto por razões políticas e religiosas. " O Islâmica Abbasid califas reuniu muitas obras clássicas da antiguidade e eles tinham traduzido para o árabe dentro do Casa da Sabedoria, em Bagdá , Iraque . Filósofos islâmicos, como Al-Kindi (Alkindus), Al-Farabi (Alpharabius), e Averroes (Ibn Rushd) reinterpretado pensamento grego no contexto de sua religião. Ibn Sina (980 - 1037), conhecido pelo nome latino Avicena, foi um pesquisador da área médica de Bukhara, Uzbequistão responsável por importantes contribuições para as disciplinas de física, óptica, filosofia e medicina . Ele é mais famoso por ter escrito O Canon de Medicina, um texto usado para ensinar os médicos estudantis na Europa até 1600.

O califado abássida no auge, em 830 dC

Importantes contribuições foram feitas por Ibn al-Haytham (965 - 1040), um matemático de Basra, no Iraque considerado um dos fundadores da moderna ótica . Ptolomeu e Aristóteles teorizou que a luz brilhou tanto a partir do olho para iluminar objetos ou que a luz emanava de objetos em si, enquanto al-Haytham (conhecido pelo nome latino Alhazen) sugeriu que a luz viaja para o olho em raios de diferentes pontos em um objeto. As obras de Ibn al-Haytham e Abū rayhan Bīrūnī eventualmente repassados aos Europa Ocidental, onde foram estudadas por estudiosos como Roger Bacon e Witelo. Omar Khayyam (1048-1131), um cientista persa, calculou o comprimento de um ano solar de 10 casas decimais e foi apenas por uma fração de segundo quando comparado com nossos cálculos modernos. Ele usou isso para compor um calendário considerado mais preciso do que o Calendário gregoriano que veio junto 500 anos depois. Ele é classificado como um dos primeiros comunicadores grande ciência do mundo - ele disse ter convencido um Sufi teólogo que o mundo gira em torno de um eixo. Muhammad ibn al-Jābir Ḥarrānī al-Battani (858-929), a partir de Harran, Turquia , desenvolvido trigonometria (primeiro conceituada na Grécia antiga) como um ramo independente da matemática, o desenvolvimento de relações, tais como tanθ = sinθ / cos. Sua força motriz era obter a capacidade de localizar Meca a partir de qualquer ponto geográfico dado - auxiliando na rituais muçulmanos como o enterro e oração, que requerem participantes para enfrentar a cidade santa, bem como fazer a peregrinação a Meca (conhecido como o hajj ) .

Uma página de ?lgebra de al-Khwarizmi

Além disso, Nasir al-Din al-Tusi (1201-1274), astrônomo e matemático de Bagdá, de autoria do Tesouro de Astronomia, uma mesa notavelmente precisas dos movimentos planetários que reformou o modelo planetário existente do astrônomo Ptolomeu Roman, descrevendo um movimento circular uniforme do todos os planetas em suas órbitas. Este trabalho levou à descoberta mais tarde, por um de seus alunos, que os planetas realmente tem uma órbita elíptica. Copernicus mais tarde chamou fortemente no trabalho de al-Din al-Tusi e seus alunos, mas sem reconhecimento. O estilhaçamento gradual do sistema ptolomaico pavimentou o caminho para a idéia revolucionária de que a Terra realmente orbitavam o Sol ( heliocentrismo ). Jābir ibn Hayyān (721-815) foi um químico e alquimista do Irã que, em sua busca para tornar o ouro de outros metais, descobriu ácidos fortes tais como sulfúrico , clorídrico e ácido nítrico . Ele também foi a primeira pessoa a identificar a única substância que pode dissolver o ouro - regis Aqua (água régia) - uma mistura volátil de ácido clorídrico e nítrico. É discutível se Jabir foi o primeiro a usar ou descrever destilação, mas ele foi definitivamente o primeiro a realizá-la no laboratório utilizando um alambique (de 'al-inbiq'). O matemático árabe mais famoso é considerado Al-Khwarizmi (780-850), que produziu um guia completo para o sistema de numeração desenvolvido a partir do sistema de Brahmi na ?ndia, usando apenas 10 dígitos (0-9, os chamados "numerais arábicos"). Al-Khwarizmi também usou a palavra álgebra ('al-jabr ") para descrever as operações matemáticas que ele introduzidas, como equações de equilíbrio, o que ajudou em vários problemas.

Anos medievais

A consciência de obras antigas re-entrou no Ocidente através traduções do árabe para o latim. Sua re-introdução, combinado com Comentários teológicos judaico-islâmica, teve uma grande influência sobre Filósofos medievais, como Tomás de Aquino . Académicos europeus Scholastic, que buscavam conciliar a filosofia dos antigos filósofos clássicos com A teologia cristã, proclamada Aristóteles o maior pensador do mundo antigo. Nos casos em que eles não contradizem diretamente a Bíblia, a física aristotélica tornou-se a base para as explicações físicas das Igrejas Européias.

Com base na física aristotélica, física Scholastic descrito coisas como mover de acordo com a sua natureza essencial. Objetos celestes foram descritos como movendo-se em círculos, porque o movimento circular perfeito foi considerado uma propriedade inata de objetos que existiam no reino não corrompida da esferas celestes. O teoria do ímpeto, o antepassado com os conceitos de inércia e dinâmica , foi desenvolvido ao longo de linhas semelhantes por filósofos medievais, como John e Philoponus Jean Buridan. Propostas abaixo da esfera lunar foram vistos como imperfeitos, e, portanto, não se podia esperar que exibem movimento consistente. Movimento mais idealizada no reino "sublunar" só poderia ser alcançado através de artifício, e antes do século 17, muitos não visualizar experimentos artificiais como um meio válido de aprendizagem sobre o mundo natural. Explicações físicas na esfera sublunar girava em torno de tendências. Pedras continha o elemento terra, e objetos de terra tendem a se mover em linha reta em direção ao centro da terra (e do universo na visão geocêntrica de Aristóteles) a menos que de outra forma impedido de fazê-lo.

?ndia e China

O sistema de numeração hindu-arábico. As inscrições no editais de Ashoka (terceiro século aC) exibir este sistema de numeração a ser utilizada pelo imperial Mauryas.

Tradições físicos e matemáticos importantes também existia em antigo chinês e Ciências indianas.

Em Filosofia indiana, Kanada foi o primeiro a desenvolver sistematicamente uma teoria do atomismo durante o século BCE 6, e foi mais elaborada pela Atomistas budistas Dharmakirti e Dignaga durante o primeiro milênio dC. Pakudha Kaccayana, um século BCE filósofo indiano 6 e contemporâneo de Gautama Buddha , também havia proposto ideias sobre a constituição atômica do mundo material. Estes filósofos acreditavam que outros elementos (exceto éter) eram fisicamente palpável e, portanto, composta minúsculas partículas de matéria. A última minúscula partícula de matéria que não poderia ser subdividida foi denominado Parmanu. O conceito indiano do átomo foi desenvolvido de forma independente e antes do desenvolvimento da idéia do mundo greco-romano. Estes filósofos considerado o átomo para ser indestrutível e, portanto, eterno. Os budistas pensado para ser átomos minuto objetos não podem ser vistos a olho nu que vir a existir e desaparecem em um instante. O Vaisheshika escola de filósofos acreditavam que um átomo era um mero ponto no espaço. Teorias indianas sobre o átomo são muito abstrato e enredado em filosofia, pois foram baseadas na lógica e não na experiência pessoal ou experimentação. Em Astronomia indiana, Aryabhata de Aryabhatiya (499 dC) propôs a A rotação da Terra, enquanto Nilakantha Somayaji (1444-1544) do Kerala escola de astronomia e matemática propôs um modelo semi-heliocêntrica que assemelha-se a Sistema Tychonic.

A mapa estelar com uma projeção cilíndrica. Mapas de estrela de Su Canção representam os mais antigos os existentes em formulário impresso.

O estudo do magnetismo na China antiga remonta ao século 4o BCE. (No Livro do Diabo Vale Master), A principal contribuinte para este campo foi Shen Kuo (1031-1095), um cientista polímata e estadista que foi o primeiro a descrever a -agulha magnética compasso utilizado para navegação, bem como descobrir o conceito de norte verdadeiro. Em óptica, Shen Kuo desenvolvida de forma independente um camera obscura.

Revolução Científica

Durante os séculos 16 e 17, um grande avanço do progresso científico conhecido como o Revolução Científica ocorreu em Europa . Insatisfação com abordagens filosóficas mais velhos tinham começado mais cedo e tinha produzido outras mudanças na sociedade, tais como a Reforma Protestante, mas a revolução na ciência começou quando filósofos naturais começou a montar um ataque sustentado na Programa filosófico Scholastic e supôs que esquemas descritivos matemáticos adotados a partir de áreas como mecânica e astronomia poderia realmente produzir caracterizações universalmente válidos de movimento e outros conceitos.

Nicolaus Copernicus

Astrônomo polonês Nicolau Copérnico lembrado por seu desenvolvimento do heliocêntrico modelo do Sistema Solar

Um grande avanço na astronomia foi feito pelo astrônomo polonês Nicolau Copérnico (1473-1543), que propôs em 1543 o modelo heliocêntrico do sistema solar . Esta teoria afirma a Terra orbita em torno do Sol com outros organismos em galáxia da Terra (um grande grupo de estrelas e outros corpos). Esta teoria heliocêntrica contradizia as idéias do astrônomo grego-egípcio Ptolomeu (2o século dC), que afirmou que a Terra é o centro do universo. O Sistema de Ptolomeu tinha sido aceite para mais de 1.400 anos. Em 270 aC o astrônomo grego Aristarco de Samos (c 310 -.. C 230 aC) havia sugerido que a Terra gira em torno do Sol, mas conceito de Copérnico foi o primeiro a ser aceite como uma possibilidade científica válida. O livro de Copérnico, De Revolutionibus Orbium coelestium (Sobre as Revoluções das Esferas Celestes), publicado pouco antes de sua morte, em 1543, é frequentemente considerada como o ponto de partida da astronomia moderna ea epifania definindo que começou a revolução científica. Tendo feito a suposição de que o Sol era o centro do Universo, Copérnico percebeu que calcular tabelas do movimento planetário (gráficos matemáticos que descrevem os movimentos dos planetas) era muito mais fácil e mais preciso. Nova perspectiva de Copérnico - juntamente com as observações precisas de Tycho Brahe - foi usada pelo astrônomo alemão Johannes Kepler (1571-1630) para formular leis sobre movimentos planetários que ainda são aceitos hoje. Entre as leis de Kepler é a idéia de que as órbitas planetárias são elípticas em vez de círculos perfeitos.

Galileo Galilei

Galileu Galilei (1564-1642)

O italiano matemático, astrônomo e físico Galileo Galilei (1564-1642) foi a figura central na revolução científica e famoso por seu apoio para Copernianism, suas descobertas astronômicas, ea sua melhoria do telescópio. Como matemático, o papel do Galileo na cultura universitária de sua época estava subordinado aos três grandes temas de estudo: direito , medicina , e teologia (que foi intimamente ligada à filosofia). Galileu, no entanto, senti que o conteúdo descritivo das disciplinas técnicas garantido interesse filosófico, sobretudo porque a análise matemática de observações astronômicas-notadamente a análise radical oferecidos pelo astrônomo Nicolau Copérnico sobre os movimentos relativos do Sol, Terra, Lua, planetas e-indicada que as declarações dos filósofos sobre a natureza do universo poderia ser mostrado para estar em erro. Galileo também realizou experimentos mecânicos, e insistiu que o movimento em si, independentemente do facto de que o movimento era natural ou artificial, tinha características universalmente consistentes que poderiam ser descritas matematicamente.

Os primeiros estudos de Galileu no Universidade de Pisa estavam em medicina, mas logo foi atraído para a matemática ea física. Na idade de 19, na catedral de Pisa, ele cronometrado as oscilações de uma luz de suspensão por meio de suas pulsações e encontrou o tempo para cada balanço a ser o mesmo, não importa qual a amplitude da oscilação, descobrindo assim o isócrono da natureza pêndulo, que verificada por meio de experiência. Galileo logo se tornou conhecido através de sua invenção de uma balança hidrostática e seu tratado sobre o centro de gravidade de corpos sólidos. Enquanto ensino (1589-1592) na Universidade de Pisa, ele iniciou seus experimentos sobre as leis dos corpos em movimento, o que trouxe resultados tão contraditórios com os ensinamentos de Aristóteles aceites forte antagonismo que estava excitado. Ele descobriu que os corpos não caem com velocidades proporcionais à sua pesos. A famosa história em que Galileo é dito ter caiu pesos da Torre Inclinada de Pisa é apócrifa, mas ele achou que o caminho de um projétil é um parábola, e ele é creditado com conclusões prenunciando Leis de Newton (como a descoberta da propriedade de inércia).

Montagem de Jupiter quatro luas galileanas 's, em uma imagem composta comparar seus tamanhos e do tamanho de Júpiter. De cima para baixo: Io, Europa, Ganimedes, Callisto

Galileo tem sido chamado de "pai da moderna observacional Astronomia ", o" pai da moderna física ", o" pai da ciência ", e" o pai da ciência moderna ". Stephen Hawking diz: "Galileo, talvez mais do que qualquer outro único pessoa, foi responsável pelo nascimento da ciência moderna. " O apoio da Galileo da Terra girando ao redor do Sol foi controversa, pois a maioria das pessoas acreditava na ou o modelo geocêntrico Sistema Tychonic. Ele foi julgado pela Inquisição , encontrou "veementemente suspeito de heresia", forçados a se retratar, e passou o resto de sua vida sob prisão domiciliar.

As contribuições que Galileu feitas a astronomia observacional incluem a confirmação telescópica do fases de Vênus, a descoberta dos quatro maiores satélites de Júpiter 1609 (nomeado o Luas de Galileu em sua honra), e observação e análise das manchas solares. Galileo também trabalhou em ciência e tecnologia aplicada, inventando uma melhor militar bússola e outros instrumentos. Galileu usou sua descoberta telescópica das luas de Júpiter, conforme publicado no seu Sidereus Nuncius, em 1610, para adquirir uma posição no Quadra de Medici com o duplo título do matemático e filósofo. Como um filósofo da corte, ele era esperado para participar de debates com os filósofos na tradição aristotélica, e recebeu um grande público para suas próprias publicações, tais como O Assayer e Discursos e demonstrações matemáticas relativas a dois Novas Ciências, que foi publicado no exterior depois que ele foi colocado sob prisão domiciliar por sua publicação de Diálogo sobre os dois principais sistemas do mundo em 1632. O interesse de Galileu na experimentação mecânica e descrição matemática em movimento estabeleceu uma nova tradição filosófica naturais focada em experimentação. Esta tradição, combinando com a ênfase não-matemática sobre a recolha de "histórias experimentais" por reformistas filosóficas, tais como William Gilbert e Francis Bacon , desenhou um significativo número de seguidores nos anos que antecederam e se seguiram à morte de Galileu, incluindo Evangelista Torricelli e os participantes no Accademia del Cimento, na Itália; Marin Mersenne e Blaise Pascal , na França; Christiaan Huygens nos Países Baixos; e Robert Hooke e Robert Boyle , na Inglaterra.

René Descartes

René Descartes (1596-1650)

O filósofo francês René Descartes (1596-1650) era bem conectado, e influente dentro, as redes filosofia experimental do dia. Descartes tinha uma agenda mais ambiciosa, no entanto, que foi voltado para a substituição da tradição filosófica Scholastic completamente. Questionando a realidade interpretada através dos sentidos, Descartes procurou restabelecer esquemas explicativos filosóficas, reduzindo todos os fenômenos percebidos a ser imputável ao movimento de um mar invisível de "corpúsculos". (Notavelmente, ele reservou o pensamento humano e Deus de seu regime, mantendo estes a ser separado do universo físico). Ao propor esse quadro filosófico, Descartes supôs que os diferentes tipos de movimento, tais como a de planetas contra o de objetos terrestres, não eram fundamentalmente diferentes, mas eram apenas manifestações diferentes de uma cadeia infinita de movimentos corpuscular obedecendo princípios universais. Particularmente influentes eram sua explicação para os movimentos astronômicos circulares em termos de movimento de vórtice de corpúsculos no espaço (Descartes argumentou, de acordo com as crenças, se não os métodos, da Escolástica, que uma vácuo não poderia existir), e sua explicação de gravidade em termos de corpúsculos empurrar objetos para baixo.

Descartes, como Galileu, estava convencido da importância da explicação matemática, e ele e seus seguidores foram figuras-chave no desenvolvimento da matemática e da geometria no século 17. Descrições matemáticas cartesianas do movimento declarou que todas as formulações matemáticas tiveram que ser justificável em termos de ação física direta, um cargo ocupado por Huygens eo filósofo alemão Gottfried Leibniz , que, embora seguindo a tradição cartesiana, desenvolveu sua própria alternativa filosófica à Escolástica, que ele descreveu em seu trabalho 1714, O Monadology. Descartes foi apelidado o 'pai da filosofia moderna ", e muito posterior Filosofia ocidental é uma resposta a suas escritas, que são estudados de perto a este dia. Em particular, a sua Meditações sobre Filosofia Primeira continua a ser um texto padrão na maioria dos departamentos de filosofia da universidade. A influência de Descartes em matemática é igualmente aparente; o sistema de coordenadas cartesianas - permitindo equações algébricas de ser expresso em formas geométricas em um sistema de coordenadas bidimensional - foi nomeado após ele. Ele é creditado como o pai da geometria analítica , a ponte entre álgebra e geometria , importante para a descoberta de cálculo infinitesimal e análise .

Sir Isaac Newton

Sir Isaac Newton (1643-1727)

Os séculos 18 e início do 17o viu as conquistas da maior figura da Revolução Científica: Universidade de Cambridge, físico e matemático Sir Isaac Newton , considerado por muitos como o maior e mais influente cientista que já viveu. Newton, um companheiro da Royal Society of England, combinou suas próprias descobertas na mecânica e astronomia para os anteriores para criar um único sistema para descrever o funcionamento do universo. Newton formulou três leis do movimento e da lei da gravitação universal, o último dos quais poderia ser usado para explicar o comportamento não só da queda dos corpos sobre a terra, mas também planetas e outros corpos celestes no céu. Para chegar a seus resultados, Newton inventou uma forma de um inteiramente novo ramo da matemática: cálculo infinitesimal (também inventado independentemente por Gottfried Leibniz ), que viria a se tornar uma ferramenta essencial em grande parte do desenvolvimento posterior na maioria dos ramos da física. As descobertas de Newton foram estabelecidos em sua Princípios Matemáticos da Filosofia Natural (Princípios Matemáticos da Filosofia Natural), cuja publicação, em 1687, marcou o início do período moderno da mecânica e astronomia.

Newton foi capaz de refutar a tradição mecânica cartesiano que todos os movimentos devem ser explicados no que diz respeito à força exercida por um apêndice imediato. Usando suas três leis do movimento ea lei da gravitação universal, Newton removido a idéia de que objetos seguiram caminhos determinados por formas naturais e, em vez demonstrou que não só regularmente observados caminhos, mas todos os futuros movimentos de qualquer organismo poderia ser deduzida matematicamente com base no conhecimento dos seu movimento existente, a sua massa , e as forças que agem sobre eles. No entanto, movimentos celestes observados não precisamente obedecer a um tratamento newtoniana, e Newton, que também estava profundamente interessado em teologia, imaginei que Deus interveio para garantir a manutenção da estabilidade do sistema solar.

Gottfried Leibniz (1646-1716)

Princípios de Newton (mas não seus tratamentos matemáticos) provou controverso com filósofos continentais, que encontraram a sua falta de explicação metafísica para o movimento e da gravitação filosoficamente inaceitável. Começando por volta de 1700, um racha amarga abriu entre a Continental e tradições filosóficas britânicos, que foram estocados por acirradas disputas, em curso, e cruelmente pessoais entre os seguidores de Newton e Leibniz relativa prioridade sobre as técnicas de análise de cálculo infinitesimal, o que cada um tinha desenvolvido de forma independente. Inicialmente, as tradições cartesianas e leibnizianas prevaleceu no Continente (levando ao domínio da notação de cálculo de Leibniz em todos os lugares, exceto a Grã-Bretanha). O próprio Newton permaneceu privada perturbado com a falta de uma compreensão filosófica da gravitação, ao insistir em seus escritos que nenhum era necessário para inferir a sua realidade. À medida que o século 18 avançava, filósofos naturais Continental aceito cada vez mais a vontade newtonianos "para renunciar explicações metafísicas ontológicas para movimentos matematicamente descritas.

Newton construiu o primeiro funcionamento telescópio refletor e desenvolveu uma teoria da cor (publicado em seu trabalho Opticks) com base na observação de que uma decompõe prisma a luz branca nas várias cores, que formam a espectro visível. Enquanto Newton explicou luz como sendo composto de partículas minúsculas, uma teoria rival de luz que explicou o seu comportamento em termos de ondas foi apresentada em 1690 por Christian Huygens. No entanto, a crença na filosofia mecanicista, juntamente com o grande peso da reputação de Newton era tal que a teoria das ondas ganhou relativamente pouco apoio até o século 19. Isaac Newton também formulou uma lei empírica de refrigeração e estudou o velocidade do som. Ele também demonstrou a generalizada teorema binomial, desenvolvido o método de Newton para aproximar a raízes de uma função, e contribuiu para o estudo de série de potência . O trabalho de Newton em série infinita foi inspirado por Decimais de Simon Stevin. Mais importante ainda, Newton mostrou que os movimentos de objetos na Terra e dos corpos celestes são regidos pelo mesmo conjunto de leis naturais, que não eram nem caprichosa nem malévolo. Ao demonstrar a coerência entre as Leis de Kepler e sua própria teoria da gravitação, Newton também removeu as últimas dúvidas sobre o heliocentrismo. Ao reunir todas as idéias expostas durante a Revolução Científica, Newton efetivamente estabelecido o fundamento para a sociedade moderna em matemática e ciências.

Outras realizações

Outros ramos da física também receberam atenção durante o período da Revolução Científica. Wilbert Gilbert , médico da corte da rainha Elizabeth I , publicou um importante trabalho sobre o magnetismo em 1600, descrevendo como a própria Terra se comporta como um ímã gigante. Robert Boyle (1627- 91) estudaram o comportamento de gases fechados numa câmara e formulado a lei do gás nomeado para ele; ele também contribuiu para a fisiologia e à fundação da química moderna. Outro fator importante na revolução científica foi a ascensão de sociedades científicas e academias em vários países. A primeira delas estavam em Itália e Alemanha e tiveram vida curta. Mais influente fosse a Royal Society of England (1660) e da Academia de Ciências de França (1666). O primeiro era uma instituição privada em Londres e incluiu cientistas como John Wallis, William Brouncker, Thomas Sydenham, John Mayow, e Christopher Wren (que contribuíram não só para a arquitetura, mas também para a astronomia e anatomia); este último, em Paris , era uma instituição do governo e incluído como membro estrangeiro as Huygens holandês. No século 18, importantes academias reais foram estabelecidos em Berlim (1700) e em São Petersburgo (1724). As sociedades e academias desde que as principais oportunidades para a publicação e discussão dos resultados científicos durante e depois da revolução científica.

Termodinâmica início

Um precursor do motor foi concebido pelo cientista alemão Otto von Guericke, que, em 1650, projetou e construiu o primeiro do mundo a bomba de vácuo e criou primeiro do mundo vácuo conhecido como o experimento hemisférios Magdeburg. Ele foi levado a fazer um vácuo de refutar Aristóteles 'suposição de longa data que s 'A natureza abomina o vácuo ". Pouco tempo depois, o físico e químico irlandês Boyle tinha aprendido de modelos de Guericke e em 1656, em coordenação com o cientista Inglês Robert Hooke, construído uma bomba de ar. Usando esta bomba, Boyle e Hooke notou a correlação pressão-volume: PV = constante. Nesse tempo, o ar foi assumido como sendo um sistema de partículas sem movimento, e não interpretado como um sistema de moléculas em movimento. O conceito de movimento térmico veio dois séculos mais tarde. Portanto publicação de Boyle em 1660 fala de um conceito mecânico: a mola de ar. Mais tarde, depois da invenção da termómetro, a temperatura propriedade pode ser quantificada. Esta ferramenta deu Gay-Lussac a oportunidade de obter a sua lei, o que levou pouco mais tarde ao lei do gás ideal. Mas, já antes do estabelecimento da lei do gás ideal, um associado de Boyle chamado Denis Papin construiu em 1679 um digestor óssea, que é um recipiente fechado com uma tampa hermética que confina vapor até uma alta pressão é gerada.

Projetos posteriores implementou uma válvula de liberação de vapor para manter a máquina de explodir. Ao assistir a válvula ritmicamente mover para cima e para baixo, Papin concebeu a idéia de um motor a pistão e cilindro. Ele, contudo, não acompanhar, através de seu design. No entanto, em 1697, com base em modelos de Papin, engenheiro Thomas Savery construiu o primeiro motor. Embora estes motores adiantados eram bruto e ineficiente, que atraiu a atenção dos principais cientistas da época. Por isso, antes de 1698 ea invenção do motor de Savery , cavalos foram usadas para polias de energia, ligados a baldes, que levantaram a água para fora das minas de sal inundadas em Inglaterra. Nos anos que se seguiram, mais variações de motores a vapor foram construídos, como o Newcomen Engine, e mais tarde o Watt Engine. Com o tempo, estes motores primeiros acabaria por ser utilizado no lugar de cavalos. Assim, cada motor começou a ser associado com uma certa quantidade de "cavalos de potência", dependendo de quantos cavalos tinha substituído. O principal problema com estes primeiros motores foi que eles foram lento e desajeitado, convertendo menos de 2% da entrada de combustível em trabalho útil. Por outras palavras, grandes quantidades de carvão (ou madeira) teve de ser queimado, para se obter apenas uma pequena fracção de volume de trabalho. Daí a necessidade de uma nova ciência de motor dinâmica nasceu.

Desenvolvimentos do século 18

Durante o século 18, a mecânica fundada por Newton foi desenvolvido por vários cientistas como mais matemáticos aprendeu cálculo e elaborado em cima de sua formulação inicial. A aplicação da análise matemática para problemas de movimento ficou conhecido como mecânica racional, matemática ou misturado (e mais tarde foi denominado mecânica clássica ).

Mecânica

Daniel Bernoulli (1700-1782)

Mecânica de Newton recebeu brilhante exposição nos Mecânica Analítica (1788) de Joseph Louis Lagrange e os Mecânica Celeste (1799-1825) de Pierre-Simon Laplace . O matemático suíço Daniel Bernoulli (1700-1782) fez estudos matemáticos importantes do comportamento dos gases, antecipando a teoria cinética dos gases desenvolvido há mais de um século mais tarde, e tem sido referido como o primeiro físico matemático. Tratamento de Bernoulli de dinâmica de fluidos foi introduzido em 1738 seu trabalho Hydrodynamica .

Mecânica racional tratou principalmente com o desenvolvimento de tratamentos elaborados matemáticas de movimentos observados, utilizando princípios de Newton como base, e enfatizou a melhoria da rastreabilidade dos cálculos complexos e desenvolvimento de meios legítimos de aproximação analítica. Um livro didático contemporâneo representante foi publicada por Johann Baptiste Horvath. Até o final do século tratamentos analíticos eram suficientemente rigorosos para verificar a estabilidade do sistema solar apenas com base das leis de Newton sem referência a intervenção até mesmo tratamentos como determinísticos divinos de sistemas tão simples como o problema dos três corpos em gravitação permaneceu intratável. Em 1705, Edmond Halley previu a periodicidade do Cometa Halley , William Herschel descobriu Urano em 1781, e Henry Cavendish mediu a constante gravitacional e determinou a massa da Terra em 1798. Em 1783, John Michell sugeriu que alguns objetos podem ser tão grande que nem mesmo a luz pode escapar

Trabalho britânico, exercida por matemáticos como Brook Taylor e Colin Maclaurin, caiu atrás dos desenvolvimentos continentais como o século avançava. Enquanto isso, o trabalho floresceu em academias científicas no continente, liderados por matemáticos como tais Bernoulli, Euler , Lagrange, Laplace, e Legendre. No final do século, os membros da Academia das Ciências francesa tinha alcançado claro domínio no campo. Ao mesmo tempo, a tradição experimental estabelecido por Galileu e seus seguidores persistiu. O Royal Society e da Academia Francesa de Ciências eram grandes centros para o desempenho e relatórios de trabalho experimental. As experiências em mecânica, óptica, o magnetismo , a eletricidade estática, química e fisiologia não foram claramente distinguidos uns dos outros durante o século 18, mas diferenças significativas em esquemas explicativos e, assim, design experimento foram surgindo. Experimentadores químicos, por exemplo, desafiou as tentativas de impor um esquema de forças newtoniana abstratas sobre filiações químicos, e em vez focada no isolamento e classificação de substâncias químicas e reações.

Termodinâmica

Durante os séculos 18, termodinâmica foi desenvolvida através das teorias de imponderabilidade "fluidos imponderáveis", tais como calor ("calórico"), eletricidade e phlogiston (que foi rapidamente derrubado como um conceito seguinte de Lavoisier identificação de oxigênio gás no final do século) . Partindo do princípio de que esses conceitos foram fluidos reais, seu fluxo poderia ser rastreada através de um aparelho mecânico ou reações químicas. Esta tradição de experimentação levou ao desenvolvimento de novos tipos de dispositivos experimentais, tais como a garrafa de Leyden; e os novos tipos de instrumentos de medição, tais como o calorímetro e versões melhoradas das antigas, tais como o termómetro. Experimentos também produziu novos conceitos, como a Universidade de Glasgow experimentador noção Joseph Black de calor latente e Filadélfia intelectual Benjamin Franklin caracterização 's de fluido elétrico como flui entre locais de excesso e déficit (um conceito mais tarde reinterpretada em termos de positivos e negativos encargos ). Franklin também mostrou que o relâmpago é eletricidade em 1752.

A teoria aceita de calor no século 18 viu-a como um tipo de fluido, chamado calórico; embora esta teoria foi posteriormente demonstrado que são erradas, uma série de cientistas que aderem a ele, no entanto, fez importantes descobertas úteis no desenvolvimento da teoria moderna, incluindo Joseph Black (1728-1799) e Henry Cavendish (1731-1810). contrários a esta teoria calórica, que tinha sido desenvolvido principalmente pelo químicos, foi a teoria namoro menos aceito desde o tempo de Newton que o calor é devido aos movimentos das partículas de uma substância. Esta teoria mecânica ganhou apoio em 1798 a partir das experiências para perfuração de canhão de Conde Rumford ( Benjamin Thompson), que encontraram uma relação direta entre o calor e energia mecânica.

Enquanto ele foi reconhecido no início do século 18 que encontrar teorias absolutas de força eletrostática e magnética semelhante a princípios do movimento de Newton seria uma conquista importante, nenhum era próxima. Essa impossibilidade apenas lentamente desapareceu como prática experimental tornou-se mais difundida e mais refinado nos primeiros anos do século 19, em lugares como a recém-criada Royal Institution em Londres. Enquanto isso, os métodos de análise de mecânica racional começou a ser aplicado a fenômenos experimentais, mais influente com o matemático francês tratamento analítico de Joseph Fourier do fluxo de calor, tal como publicado em 1822. Joseph Priestley propôs uma lei do inverso do quadrado elétrica em 1767, e Charles-Augustin de Coulomb introduziu a lei do inverso do quadrado da eletrostática em 1798.

Avanços na eletricidade, magnetismo, e termodinâmica

Físico britânicoMichael Faraday(1791 - 1867)

Em 1800, Alessandro Volta inventou a bateria elétrica e, assim, melhorou a forma como correntes elétricas também poderia ser estudada. Um ano depois, Thomas Young demonstrou a natureza ondulatória da luz - que recebeu um forte apoio experimental a partir do trabalho de Augustin-Jean Fresnel - eo princípio da interferência. Em 1820, Hans Christian Oersted descobriu que um condutor de corrente dá origem a uma força magnética em torno dele, e dentro de uma semana depois da descoberta de Ørsted atingiu a França, André-Marie Ampère descobriu que duas correntes elétricas paralelas exercem forças uns sobre os outros. 1821, Michael Faraday construiu um motor movido a eletricidade, enquanto Georg Ohm afirmou seu direito de resistência elétrica, em 1826, expressando a relação entre tensão, corrente e resistência em um circuito elétrico. Um ano mais tarde, o botânico Robert Brown descobriu o movimento browniano: grãos de pólen em movimento submetidos a água resultantes do seu bombardeamento pelos átomos ou moléculas que se movem rapidamente no líquido. Em 1831 Faraday (e independentemente Henry Joseph) descobriram o efeito inverso, a produção de um potencial eléctrico ou corrente através magnetismo - conhecido como indução electromagnética; estas duas descobertas são a base do motor eléctrico e o gerador eléctrico, respectivamente.

Leis da termodinâmica

William Thomson(1824-1907), mais tarde Lord Kelvin

No século 19, a conexão entre o calor e energia mecânica foi estabelecido quantitativamente por Julius Robert von Mayer e James Prescott Joule, que mediu o equivalente mecânico do calor na década de 1840. Em 1849, Joule publicou os resultados de sua série de experiências (incluindo a experiência de pás) que comprovem que o calor é uma forma de energia, fato que foi aceito na década de 1850. A relação entre o calor ea energia foi importante para o desenvolvimento de motores a vapor, e em 1824 o trabalho experimental e teórico de Sadi Carnot foi publicado. Carnot capturou algumas das idéias da termodinâmica em sua discussão sobre a eficiência de um motor idealizada. O trabalho de Sadi Carnot forneceu uma base para a formulação da primeira lei da termodinâmica - uma reafirmação da lei de conservação de energia - o que foi afirmado por volta de 1850 por William Thomson , mais tarde conhecido como Lord Kelvin, e Rudolf Clausius. Lord Kelvin, que ampliou o conceito de zero absoluto de gases para todas as substâncias em 1848, baseou-se na teoria de engenharia de Lazare Carnot, Sadi Carnot, e Émile Clapeyron -, bem como a experimentação de James Prescott Joule sobre a permutabilidade de mecânica, formas elétricas de trabalho químicas, térmicas, e - a formular a primeira lei.

Kelvin e Clausius também declarou a segunda lei da termodinâmica , que foi originalmente formulado em termos do fato de que o calor não flui espontaneamente de um corpo mais frio para um mais quente. Outras formulações seguido rapidamente (por exemplo, a segunda lei foi exposta em Thomson e influente trabalho de Peter Guthrie Tait Tratado sobre a Filosofia Natural ) e Kelvin, em particular compreendido algumas das implicações gerais da lei. A segunda lei era a idéia de que gases consistem de moléculas em movimento tinham sido discutidas com algum detalhe por Daniel Bernoulli em 1738, mas tinha caído em desuso, e foi revivido por Clausius em 1857. Em 1850, Hippolyte Fizeau e Léon Foucault mediu a velocidade da luz na água e acham que é mais lento do que no ar, em apoio ao modelo de ondas de luz. Em 1852, Joule e Thomson demonstrou que um gás se expandindo rapidamente esfria, mais tarde chamado de efeito Joule-Thomson ou Joule-Kelvin efeito. Hermann von Helmholtz avança a ideia da morte térmica do universo em 1854, o mesmo ano em que Clausius estabelecido a importância da dQ / T ( teorema de Clausius) (embora ele ainda não revelou o nome da quantidade).

James Clerk Maxwell

James Clerk Maxwell(1831 - 1879)

Em 1859, James Clerk Maxwell descobre a lei de distribuição de velocidades moleculares. Maxwell mostrou que os campos eléctricos e magnéticos são propagadas para o exterior da sua fonte, a uma velocidade igual à da luz e luz que é um dos vários tipos de radiação electromagnética, diferindo apenas em frequência e comprimento de onda das outras. Em 1859, Maxwell trabalhou a matemática da distribuição de velocidades das moléculas de um gás. A teoria ondulatória da luz foi amplamente aceito pelo tempo de trabalho de Maxwell no campo eletromagnético, e depois o estudo da luz e de eletricidade e magnetismo eram intimamente relacionados. Em 1864, James Maxwell publicou seus trabalhos em uma teoria dinâmica do campo eletromagnético, e afirmou que a luz é um fenômeno eletromagnético na publicação de Maxwell 1873 Treatise on Electricity and Magnetism . Este trabalho inspirou-se em trabalho teórico por teóricos alemães, como Carl Friedrich Gauss e Wilhelm Weber. O encapsulamento de calor em movimento de partículas, e a adição de forças electromagnéticas a dinâmica newtoniana estabelecida uma base teórica extremamente robusto para observações físicas.

A previsão de que a luz representou uma transmissão de energia em forma de onda através de um " éter luminoso ", ea confirmação aparente de que a previsão com o estudante Helmholtz 1888 detecção de de Heinrich Hertz radiação electromagnética , foi um grande triunfo para a teoria física e levantou a possibilidade de que, mesmo teorias mais fundamentais com base no campo poderá em breve ser desenvolvido. A confirmação experimental da teoria de Maxwell foi fornecido por Hertz, que gerou e detectou ondas elétricas em 1886 e verificou suas propriedades, ao mesmo tempo, prenunciando sua aplicação em rádio, televisão, e outros dispositivos. Em 1887, Heinrich Hertz descobriu o efeito fotoelétrico. A investigação sobre a transmissão de ondas eletromagnéticas começou logo depois, com os experimentos realizados por físicos como Nikola Tesla, Jagadish Chandra Bose e Guglielmo Marconi durante a década de 1890 que levaram à invenção do rádio.

A teoria atômica da matéria havia sido proposto novamente no início do século 19 pelo químico John Dalton e se tornou uma das hipóteses da teoria cinético-molecular de gases desenvolvidos por Clausius e James Clerk Maxwell para explicar as leis da termodinâmica. A teoria cinética, por sua vez levou à mecânica estatística de Ludwig Boltzmann (1844-1906) e Josiah Willard Gibbs (1839 - 1903), que considerou que a energia (incluindo calor) foi uma medida da velocidade das partículas. Relacionando a probabilidade estatística de certos estados de organização destas partículas com a energia desses estados, Clausius reinterpretou a dissipação de energia a ser a tendência estatística de configurações moleculares para passar em direção cada vez mais provável, estados cada vez mais desorganizados (cunhar o termo " entropia "para descrever a desorganização de um estado). A estatística contra interpretações absolutos da segunda lei da termodinâmica configurar uma disputa que iria durar várias décadas (produção de argumentos como " demônio de Maxwell "), e que não seria realizada a ser definitivamente resolvida até o comportamento dos átomos foi firmemente estabelecida no início do século 20.

Nascimento da Física Moderna

No final do século 19, a física tinha evoluído ao ponto em que a mecânica clássica poderia lidar com problemas altamente complexos que envolvem situações macroscópicas; termodinâmica e teoria cinética foram bem estabelecida; ótica geométrica e física poderia ser entendido em termos de ondas eletromagnéticas; e foram amplamente aceita as leis de conservação de energia e momento (e massa). Tão profunda eram estes e outros desenvolvimentos que foi geralmente aceitos que todas as leis importantes da física tinha sido descoberto e que, doravante, a investigação estaria preocupado com esclarecimento de problemas menores e, particularmente, com melhorias de processo e de medição. No entanto, por volta de 1900 sérias dúvidas surgiram sobre a integralidade das teorias clássicas - o triunfo das teorias de Maxwell, por exemplo, foi prejudicada por deficiências que já tinham começado a aparecer - e sua incapacidade de explicar certos fenômenos físicos, tais como a distribuição de energia em radiação de corpo negro e do efeito fotoelétrico, enquanto algumas das formulações teóricas levou a paradoxos quando levados ao limite. Físicos proeminentes, tais como Hendrik Lorentz, Emil Cohn, Ernst Wiechert e Wilhelm Wien acreditava que alguma modificação das equações de Maxwell pode fornecer a base para todas as leis físicas. Estas deficiências da física clássica nunca para ser resolvido e novas idéias foram exigidos. No início do século XX uma grande revolução abalou o mundo da física, o que levou a uma nova era, geralmente referido como física moderna.

Experimentos de radiação

JJ Thomson (1856 - 1940) foi um físico britânico que descobriu elétrons e isótopos , e inventar a espectrômetro de massa. Thomson foi premiado com o 1906 Prêmio Nobel de Física.

No século 19, os experimentadores começaram a detectar formas inesperadas de radiação: Wilhelm Röntgen causou sensação com a descoberta de raios-X em 1895; em 1896 Henri Becquerel descobriu que certos tipos de matéria emitem radiação em seu próprio acordo. Em 1897, JJ Thomson descobriu o elétron , e novos elementos radioativos encontrados por Marie e Pierre Curie levantou questões sobre o átomo supostamente indestrutível e da natureza da matéria. Marie e Pierre cunhou o termo " radioatividade "para descrever esta propriedade da matéria, e isolou os elementos radioativos rádio e polônio . Ernest Rutherford e Frederick Soddy identificadas duas formas de Becquerel de radiação com elétrons e o elemento hélio . Rutherford identificado e designado dois tipos de radioactividade em 1911 e interpretada como a evidência experimental mostra que o átomo consiste de um núcleo denso, carregado positivamente rodeado por electrões de carga negativa. A teoria clássica, no entanto, previsto que esta estrutura deve ser instável. A teoria clássica também não conseguiu explicar com sucesso dois outros resultados experimentais que apareceram no final dos anos 19 cento. Uma delas foi a demonstração por Albert Michelson e Edward Morley - conhecida como a experiência de Michelson-Morley - que mostrou não parece ser um quadro preferido de referência, em repouso em relação ao éter luminoso hipotética, para descrever fenômenos eletromagnéticos. Estudos da radiação e decaimento radioativo continuou a ser um foco preeminente para pesquisa física e química durante os anos 1930, quando a descoberta de fissão nuclear abriu o caminho para a exploração prática do que veio a ser chamado de energia "atômica" .

Teoria da relatividade de Albert Einstein

Em 1905, um jovem de 26 anos de idade, físico, alemão (em seguida, um funcionário de patentes de Berna) chamado Albert Einstein (1879-1955), mostrou como medições de tempo e espaço são afetados pelo movimento entre um observador e que está sendo observado. Para dizer que a teoria radical da relatividade de Einstein revolucionou a ciência não é exagero. Embora Einstein fez muitas outras contribuições importantes para a ciência, a teoria da relatividade sozinho representa uma das maiores conquistas intelectuais de todos os tempos. Embora o conceito de relatividade não foi introduzido por Einstein, a sua grande contribuição foi o reconhecimento de que a velocidade da luz no vácuo é constante e um limite físico para o movimento absoluto. Isto não tem um grande impacto na vida de uma pessoa do dia-a-dia desde que viajar a velocidades muito mais lentas do que a velocidade da luz. Para objetos que viajam perto da velocidade da luz, no entanto, a teoria da relatividade afirma que os objetos se moverão mais lenta e diminuir em comprimento do ponto de vista de um observador na Terra. Einstein também derivado da famosa equação, E = mc 2 , o que revela a equivalência de massa e energia.

A relatividade especial

Albert Einstein(1879-1955), que propõe quea gravitaçãofoi um resultado da presença de massa causando uma curvatura do espaço-tempo, que determina um caminho que todos os objetos que se movem livremente deve seguir.

Einstein argumentou que a velocidade da luz era uma constante em todos os referenciais inerciais e que as leis eletromagnéticas deve permanecer independente válida de referência frame-afirmações que tornaram o éter "supérflua" a teoria física, e que considerou que as observações de tempo e comprimento variado relativa à forma como o observador estava se movendo em relação ao objeto a ser medido (que veio a ser chamado de " teoria da relatividade especial "). Também seguiu que massa e energia foram quantidades intercambiáveis ​​de acordo com a equação E = mc 2 . Em outro artigo publicado no mesmo ano, Einstein afirmou que a radiação eletromagnética foi transmitida em quantidades discretas (" quanta "), de acordo com uma constante que o físico teórico Max Planck tinha posto em 1900 para chegar a uma teoria exacta para a distribuição de radiação de corpo negro suposição -uma que explicou as propriedades estranhas do efeito fotoelétrico.

A teoria da relatividade especial é uma formulação da relação entre as observações físicas e os conceitos de espaço e tempo. A teoria surgiu de contradições entre eletromagnetismo e mecânica newtoniana e teve grande impacto sobre ambas as áreas. A questão histórica original se era significativa para discutir a eletromagnética de transporte de onda "éter" e movimento em relação a ele e também se pode-se detectar tal movimento, como foi tentado sem sucesso na experiência de Michelson-Morley. Einstein demolido estas questões eo conceito de éter em sua teoria da relatividade especial. No entanto, sua formulação básica não envolve teoria eletromagnética detalhado. Ela surge fora de questão: "O que é o tempo?" Newton, no Principia (1686), tinha dado uma resposta inequívoca: "O tempo absoluto, verdadeiro e matemático, por si só, e da sua própria natureza, flui uniformemente sem relação com qualquer coisa externa, e por outro nome é chamado de duração." Esta definição é básica para toda a física clássica.

Einstein tinha o gênio para questioná-la, e descobriu que ele estava incorreto. Em vez disso, cada um "observador" necessariamente faz uso de sua própria escala de tempo. Além disso, por dois observadores em movimento relativo, suas escalas de tempo será diferente. Isto induz um efeito relacionado com a distância. Tempo e espaço tornam-se conceitos relativos, fundamentalmente dependentes do observador. Cada observador gera sua própria estrutura do espaço-tempo ou sistema de coordenadas. Todos os observadores têm igual validade, não sendo nenhum quadro de referência absoluto. O movimento é relativo, mas apenas em relação a outros observadores. O que é absoluta é indicado em primeiro postulado relatividade de Einstein: "As leis fundamentais da física são idênticos para dois observadores que têm uma velocidade relativamente constante em relação uns aos outros." Em 1916, Einstein foi capaz de generalizar isso ainda mais, para lidar com todos os estados de movimento, incluindo aceleração, que se tornou a teoria da relatividade geral.

A relatividade geral

Nesta teoria Einstein também especificou um novo conceito, a curvatura do espaço-tempo, que descreveu o efeito gravitacional em cada ponto do espaço. Na verdade, a curvatura do espaço-tempo completamente substituída lei universal da gravitação de Newton. De acordo com Einstein não havia tal coisa como uma força gravitacional. Em vez disso, a presença de uma massa provoca uma curvatura do espaço-tempo na vizinhança da massa, e esta curvatura determina o caminho de espaço-tempo que todos os objectos que se deslocam livremente, devem seguir. Foi também prevista a partir desta teoria que a luz deve ser sujeita à gravidade - que foi verificado experimentalmente. Este aspecto da relatividade explicou os fenômenos da curvatura da luz em torno do sol, previu buracos negros, bem como a radiação cósmica de fundo -a descoberta render anomalias fundamentais na hipótese clássica Steady-State. Por seu trabalho sobre a relatividade, o efeito fotoelétrico e radiação de corpo negro, Einstein recebeu o Prêmio Nobel em 1921.

A aceitação gradual das teorias da relatividade de Einstein e da natureza quantizada de transmissão de luz, e do modelo do átomo criado tantos problemas como eles resolveram, levando a um esforço em grande escala para restabelecer física sobre novos princípios fundamentais de Niels Bohr. Expandindo relatividade aos casos de aceleração quadros de referência (a " teoria da relatividade geral ") na década de 1910, Einstein postulou uma equivalência entre a força inercial da aceleração e da força da gravidade, o que leva à conclusão de que o espaço é curvo e finita em tamanho, ea previsão de fenómenos tais como lentes gravitacionais ea distorção de tempo em campos gravitacionais.

Mecânica quântica

Max Planck(1858-1947)

Embora relatividade resolvido o conflito fenómenos electromagnéticos demonstrado por Michelson e Morley, um segundo problema teórico era a explicação da distribuição da radiação electromagnética emitida por um corpo negro; experiência mostrou que em comprimentos de onda mais curtos, para a extremidade ultravioleta do espectro, a energia se aproximou de zero, mas teoria clássica previu que deve tornar-se infinito. Esta discrepância gritante, conhecida como a catástrofe ultravioleta, foi resolvido com a nova teoria da mecânica quântica . A mecânica quântica é a teoria de átomos e sistemas subatômicas. Aproximadamente os primeiros 30 anos do século XX representa o momento da concepção e evolução da teoria. As idéias básicas da teoria quântica foram introduzidos em 1900 por Max Planck (1858-1947), que foi agraciado com o Prêmio Nobel de Física em 1918 pela descoberta da natureza quantificada da energia. A teoria quântica (que anteriormente se baseou no "correspondência" em grandes escalas entre o mundo quantificado do átomo e as continuidades do " mundo clássico ") foi aceite quando o efeito Compton estabelecido que a luz carrega impulso e pode espalhar as partículas, e quando Louis de Broglie afirmou que o assunto pode ser visto como comportar-se como uma onda em muito da mesma forma que as ondas eletromagnéticas se comportam como partículas ( dualidade onda-partícula ).

Werner Heisenberg (1901-1976)

Em 1905, Einstein usou a teoria quântica para explicar o efeito fotoelétrico, e em 1913, o físico dinamarquês Niels Bohr usou a mesma constante para explicar a estabilidade do átomo de Rutherford, bem como as freqüências de luz emitida por gás de hidrogênio. A teoria quantificado do átomo deu lugar a uma escala completa mecânica quântica na década de 1920. Novos princípios de um "quantum" em vez de uma mecânica "clássicos", formulados em matriz de formulário por Werner Heisenberg, Max Born e Pascual Jordan em 1925, basearam-se na relação probabilística entre "estados" discretas e negou a possibilidade de causalidade . A mecânica quântica foi amplamente desenvolvido por Heisenberg, Wolfgang Pauli, Paul Dirac , e Erwin Schrödinger, que estabeleceu uma teoria equivalente baseado em ondas em 1926; mas 1927 "de Heisenberg princípio da incerteza "(indicando a impossibilidade de posição e com precisão e simultaneamente medir impulso ) ea " interpretação de Copenhague "da mecânica quântica (em homenagem a cidade natal de Bohr) continuaram a negar a possibilidade de causalidade fundamentais, embora os adversários, como Einstein seria metaforicamente afirmar que "Deus não joga dados com o universo". As novas mecânica quântica tornou-se uma ferramenta indispensável na investigação e explicação dos fenômenos em nível atômico. Também em 1920, o trabalho de Satyendra Nath Bose em fótons e mecânica quântica forneceu a base para as estatísticas de Bose-Einstein, a teoria do condensado de Bose-Einstein, ea descoberta do Higgs.

Física de Partículas e Contemporânea

Neste diagrama Feynman, um elétron e um pósitron aniquilar, produzindo um fóton (representada pela onda senoidal azul) que se torna um quark - antiquark par. Então, um irradia um glúon (representado pela espiral verde).

Como o filosoficamente inclinados continuou a debater a natureza fundamental do universo, teorias quânticas continuou a ser produzido, começando com de Paul Dirac formulação de uma teoria quântica relativística em 1928. No entanto, as tentativas de quantificar teoria eletromagnética inteiramente foram frustrados em toda a década de 1930 por formulações teóricas produzindo energias infinitas. Esta situação não foi adequadamente considerado resolvido até depois da Segunda Guerra Mundial terminou, quando Julian Schwinger, Richard Feynman , e Sin-Itiro Tomonaga postulou independentemente da técnica de renormalização , o que permitiu uma criação de um robusto eletrodinâmica quântica (QED).

Enquanto isso, novas teorias de partículas fundamentais proliferaram com o surgimento da idéia da quantização dos campos através de " forças de câmbio "regulamentados por uma troca de curta duração partículas "virtuais", que foram autorizados a existir de acordo com as leis que regem as incertezas inerentes no mundo quântico. Notavelmente, Hideki Yukawa propôs que as cargas positivas do núcleo foram mantidos juntos cortesia de uma força poderosa mas curto alcance mediada por um intermediário de partículas em massa entre o tamanho de um electrão e de um protão . Esta partícula, o chamado " pião ", foi identificada em 1947, mas foi parte de uma série de descobertas partículas começando com o de nêutrons , o pósitron (um com carga positiva versão antimatéria do elétron), eo muão (a mais pesada em relação ao o elétron) na década de 1930, e continuando depois da guerra com uma grande variedade de outras partículas detectadas em vários tipos de aparelhos: câmaras de nuvem, emulsões nucleares, câmaras de bolhas e contadores de coincidência. Inicialmente, essas partículas foram encontradas principalmente pelas trilhas ionizados deixados por raios cósmicos, mas foram cada vez mais produzidos em novos e mais poderosos aceleradores de partículas.

Modelo Padrão

A interação dessas partículas pordispersão edecadência fornecida uma chave para novas teorias fundamentais quântica.Murray Gell-Mann eYuval Ne'eman trouxe alguma ordem a estas novas partículas por classificá-los de acordo com determinadas qualidades, começando com o que Gell-Mann referido como o "Eightfold Way ", mas de prosseguir em vários" octetos "diferentes e" decuplets ", que poderia prever novas partículas, o mais famosa a Ω-, o que foi detectado noBrookhaven National Laboratory, em 1964, e que deu origem ao "quark" modelo dehádrons composição. Enquanto o modelo quark no primeiro parecia inadequada para descreverforças nucleares fortes, permitindo o aumento temporário de teorias concorrentes, como oS-Matrix, o estabelecimento decromodinâmica quântica na década de 1970 finalizado um conjunto de partículas fundamentais e de câmbio, o que permitiu para o estabelecimento de um "modelo padrão", baseado na matemática decalibre invariância, que descreveu com sucesso todas as forças, exceto para gravidade, e que continua a ser geralmente aceite dentro do domínio para o qual foi concebido para ser aplicado.

Os grupos Modelo Padrão da teoria interacção eletrofraco e cromodinâmica quântica numa estrutura denotado pelo grupo de calibre SU (3) × SU (2) × U (1) . A formulação da unificação das eletromagnéticas e interações fracas no modelo padrão é devido a Abdus Salam, Steven Weinberg e, posteriormente, Sheldon Glashow. Após a descoberta, feita no CERN, da existência de correntes fracas neutras, mediadas pelo Z bóson previsto no modelo padrão, os físicos Salam, Glashow e Weinberg recebeu o 1979 Prêmio Nobel de Física por sua teoria eletrofraca.

Enquanto aceleradores confirmaram a maioria dos aspectos do Modelo Padrão, detectando interações de partículas esperados em várias energias de colisão, nenhuma teoria conciliar a teoria da relatividade geral com o Modelo Padrão não foi ainda encontrada, embora a teoria das cordas providenciou um caminho promissor para a frente. Desde os anos 1970, física fundamental partícula forneceu insights sobre universo primordial cosmologia , em particular o big bang teoria proposta em consequência da teoria geral de Einstein. No entanto, a partir dos anos 1990, observações astronômicas também forneceram novos desafios, como a necessidade de novas explicações de estabilidade galáctico (o problema da matéria escura ), e acelerando a expansão do universo (o problema da energia escura).

Cosmologia

Cosmologia pode ser dito ter se tornado uma questão de pesquisa séria com a publicação da Teoria Geral da Relatividade de Einstein (1916); apesar de não entrar no mainstream científico até um período conhecido como a idade de ouro da relatividade geral.

Cerca de uma década depois (no meio dos grandes debates), Hubble e Slipher descobriu a expansão do universo em 1920 medir os desvios para o vermelho de espectros Doppler a partir de nebulosas galáctica. Usando a relatividade geral de Einstein, Lemaître e Gamow formulou o que viria a ser conhecida como a teoria do big bang. Um rival, chamado de teoria do estado estacionário foi concebido por Hoyle, Dourado, Narlikar e Bondi.

Radiação cósmica de fundo foi verificada na década de 1960 por Penzias e Wilson, e essa descoberta favoreceu o big bang, a expensas do cenário de estado estacionário. Trabalho mais tarde foi por Smoot et al. (1989), entre outros colaboradores, utilizando dados a partir do gerenciador Cosmic Background (COBE) e os Wilkinson Microwave Anistropy Probe (WMAP), satélites que refinaram estas observações. A década de 1980 (o mesmo década de medições COBE) também viu a proposta da teoria da inflação por Guth.

Recentemente, os problemas de matéria escura e energia escura subiram para o topo da agenda da cosmologia.

Bóson de Higgs

Uma assinatura de um possível bóson de Higgs de um simulado de protões colisão -proton. Ele decai quase imediatamente em dois jactos de hadrões e dois electrões , visível como linhas.

Em 4 de julho de 2012, os físicos que trabalham no do CERN Large Hadron Collider anunciaram que tinham descoberto uma nova partícula subatômica que assemelha-se muito o bóson de Higgs, uma chave potencial para a compreensão de por que as partículas elementares têm massa e de fato para a existência da diversidade e da vida em . universo Rolf-Dieter Heuer, diretor-geral do CERN, disse que era cedo demais para saber com certeza se é uma partícula totalmente nova, que pesa em 125 bilhões de elétron-volts - uma das mais pesadas partículas subatômicas ainda - ou , de fato, a partícula indescritível prevista pelo Modelo Padrão , a teoria que tem governado física para o último meio século. Desconhece-se desta partícula é um impostor, uma única partícula ou mesmo a primeira de muitas partículas ainda a ser descoberto. As últimas possibilidades são particularmente emocionante para os físicos desde que poderiam apontar o caminho para novas idéias mais profundas, para além do Modelo Padrão, sobre a natureza da realidade. Por enquanto, alguns físicos estão chamando de uma partícula "Higgslike". Joe Incandela, da Universidade da Califórnia, Santa Barbara, disse: "É algo que pode, no final, ser uma das maiores observações de quaisquer novos fenômenos em nossa campo nos últimos 30 ou 40 anos, vai caminho de volta para a descoberta de quarks , por exemplo. " Os grupos que operam os grandes detectores do colisor disse que a probabilidade de que seu sinal foi o resultado de uma flutuação chance era menos de uma chance em 3,5 milhões, os chamados "cinco sigma", que é o padrão ouro na física para uma descoberta . Michael Turner, um cosmólogo da Universidade de Chicago e do presidente do conselho centro física, disse

Este é um grande momento para a física de partículas e uma encruzilhada - este vai ser a marca de água de alta ou será a primeira de muitas descobertas que nos apontam para resolver as questões realmente importantes que temos colocados?

A confirmação do bóson de Higgs ou algo muito parecido com isso constituiria um encontro com o destino para uma geração de físicos que acreditava que o Higgs existe há meio século sem nunca vê-lo. Além disso, ele afirma uma visão grandiosa de um universo governado por leis simples e elegantes e simétricos, mas em que tudo interessante, em que seja um resultado de falhas ou quebras em que a simetria. De acordo com o Modelo Padrão, o bóson de Higgs é a única manifestação visível e particular de um campo de força invisível que permeia o espaço e imbui partículas elementares que seriam sem massa com massa. Sem esse campo de Higgs, ou algo parecido, os físicos dizem que todas as formas elementares da matéria seria em torno de zoom na velocidade da luz; não haveria nem átomos nem vida. O bóson de Higgs alcançou uma notoriedade rara para a física abstrato. Para o desânimo eterna de seus colegas, Leon Lederman, o ex-diretor do Fermilab, chamou-a de "partícula de Deus", em seu livro de mesmo nome, mais tarde brincando que ele queria chamá-lo de "a partícula maldita." Professor Incandela também afirmou,

Este Higgs é uma coisa muito profunda que temos encontrado. Estamos chegando no tecido do universo em um nível que nunca tinha feito antes. Nós tipo de concluída a história de uma partícula [...] Estamos na fronteira agora, à beira de uma nova exploração. Esta poderia ser a única parte da história o que resta, ou poderíamos abrir toda uma nova área de descoberta.

Na teoria quântica, que é a língua de físicos de partículas, as partículas elementares são divididos em duas grandes categorias: férmions, que são pedaços de matéria como os elétrons, e os bósons, que são pedaços de energia e podem transmitir forças, como o fóton que transmite a luz . Dr. Peter Higgs foi um dos seis físicos, trabalhando em três grupos independentes, que em 1964 inventou a noção do melaço cósmicos, ou campo de Higgs. Os outros eram Tom Kibble da Imperial College de Londres; Carl Hagen da Universidade de Rochester; Gerald Guralnik da Universidade Brown; e François Englert e Robert Brout, ambos Université Libre de Bruxelles. Uma implicação de sua teoria era de que esse campo de Higgs, normalmente invisível e, é claro, inodoro, iria produzir seu próprio partícula quântica se bateu duro o suficiente, por a quantidade certa de energia. A partícula seria frágil e desmoronar dentro de um milionésimo de segundo de uma dúzia de maneiras diferentes, dependendo de sua própria massa. Infelizmente, a teoria não disse o quanto essa partícula deve pesar, que é o que a tornou tão difícil de encontrar. A partícula iludiu os pesquisadores em uma sucessão de aceleradores de partículas, incluindo o Large Electron Positron-Collider do CERN, que fechou em 2000, eo Tevatron no Laboratório do Acelerador Nacional Fermi, ou Fermilab, em Batavia, Illinois., que fechou em 2011.

Embora eles nunca foram vistos, campos Higgslike desempenhar um papel importante nas teorias do universo e na teoria das cordas. Sob certas condições, de acordo com a estranha contabilidade da física de Einstein, eles podem tornar-se repleta de energia que exerce uma força antigravitacional. Esses campos têm sido propostos como a fonte de uma enorme explosão de expansão, conhecido como inflação, no início do universo e, possivelmente, como o segredo da energia escura que agora parece estar acelerando a expansão do universo.

As ciências físicas

Com o aumento da acessibilidade e elaboração sobre técnicas analíticas avançadas no século 19, a física foi definida como muito, se não mais, por que essas técnicas pela busca de princípios universais de movimento e energia, bem como a natureza fundamental da matéria . Campos como a acústica, geofísica, astrofísica , aerodinâmica, física do plasma , física de baixa temperatura e física do estado sólido se juntou óptica , dinâmica de fluidos, eletromagnetismo e mecânica como áreas de investigação física. No século 20, a física também tornou-se intimamente com áreas como elétrica , aeroespacial e materiais de engenharia, e os físicos começaram a trabalhar em laboratórios do governo e industriais, tanto quanto em ambientes acadêmicos. Após a Segunda Guerra Mundial, a população de físicos aumentou dramaticamente, e chegou a ser centrado sobre os Estados Unidos, ao passo que, nas décadas mais recentes, a física tornou-se uma perseguição mais internacional do que em qualquer momento de sua história anterior.

Timeline de publicações de física importantes

Nome Tempo vivendo Contribuição
Aristóteles 384-322 aC Physicae Auscultationes
Archimedes 287-212 aC Sobre os Corpos Flutuantes
Ptolomeu 90-168 Almagesto,Geografia,Apotelesmatika
Alhazen965 - 1040 Livro de Óptica
Copernicus 1473 - 1543 Sobre as Revoluções das Esferas Celestes(1543)
Galilei 1564 - 1642 Diálogo sobre os dois máximos sistemas do mundo(1632)
Descartes 1596 - 1650 Meditações sobre Filosofia Primeira(1641)
Newton 1643 - 1727 Princípios Matemáticos da Filosofia Natural(1687)
Faraday 1791 - 1867 Pesquisas Experimentais em Energia Elétrica , vols. i. e ii. (1839, 1844)
Maxwell 1831 - 1879 Treatise on Electricity and Magnetism(1873)
Einstein 1879 - 1955 Sobre a Eletrodinâmica dos Corpos em Movimento(1905) e "Fundamentos da Teoria Geral da Relatividade" (1916)
Higgs1929 - Presente Alguns problemas na teoria de vibrações moleculares(1954)

Físicos influentes

O que se segue é uma galeria de figuras altamente influentes e importantes na história da física. Para obter uma lista que inclui ainda mais pessoas, ver lista de físicos.

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