Faraday si MaxwellContinuăm seria dedicată istoriei fizicii de la Galileo Galilei şi până în zilele noastre cu perioada primei revoluţii post-newtoniene. Vorbim despre electrodinamica lui Faraday şi Maxwell, dar trecem în revistă şi realizările lui H. Hertz, H.A. Lorentz şi P. Zeeman.

 

 

 

Istoria fizicii. Mecanica analitică (2)


Mecanica newtoniană s-a bucurat de un asemenea prestigiu şi încredere din partea fizicienilor, încât până la sfârşitul secolului al XIX-lea toate fenomenele fizice erau reduse la mase ce se supuneau legilor newtoniene de mişcare. Legea forţei (principiul al II-lea al mecanicii), trebuia pur şi simplu extinsă şi aplicată la orice tip de fenomene considerate. În aceste condiţii, înnoirile nu puteau să apară decât sub presiunea experienţei.

Electrodinamica lui Michael Faraday (1791-1867) şi James Clerk Maxwell (1831-1879) a constituit prima revoluţie la nivelul fundamentelor fizicii teoretice, după Newton. A devenit clar că acţiunile reciproce dintre corpuri datorate forţelor electrice şi magnetice sunt realizate nu prin forţe ce acţionează instantaneu la distanţă, ci prin intermediul unor procese ce se propagă în spaţiu cu viteză finită, viteza luminii. Faraday, descoperitorul fenomenului de inducţie electromagnetică (1831), a introdus un nou tip de entitate fizică reală, şi anume câmpul. Negând acţiunea la distanţă, Faraday a arătat că „inducţia” (câmpul electromagnetic) se propagă din aproape în aproape. El a jucat un rol important în demonstrarea faptului că diversele forme de energie se pot transforma unele în altele.



Maxwell a alcătuit un sistem complet de ecuaţii care exprimă legile câmpului electromagnetic. Pe baza acestor ecuaţii, a dedus existenţa undelor electromagnetice, descoperite ulterior experimental de către H. Hertz, în 1887. De asemenea, Maxwell a elaborat teoria electromagnetică a luminii, teorie revoluţionară la acea vreme. Conform acestei teorii, lumina este o undă electromagnetică, adică o undă în care au loc vibraţiile celor doi vectori fundamentali: câmp electric E(vector) şi câmp magnetic H(vector), în plane perpendiculare între ele. Teoria lui Maxwell explică proprietăţile câmpului electromagnetic care constituie una din formele fundamentale sub care se prezintă materia. Teoria electromagnetică a lui Maxwell uneşte toate observaţiile anterioare independente, experimentale şi ecuaţiile din electricitate, magnetism şi optică într-o teorie coerentă. Ecuaţiile lui Maxwell reuşesc să demonstreze că electricitatea, magnetismul şi lumina sunt toate manifestări ale aceluiaşi fenomen, şi anume câmpul electromagnetic. Ca urmare, toate celelalte legi clasice sau ecuaţiile din aceste discipline au devenit cazuri simplificate, ale ecuaţiilor lui Maxwell. Maxwell este considerat de mulţi fizicieni ca fiind omul de ştiinţă al secolului al XIX-lea care a influenţat cel mai mult fizica secolului al XX-lea. Contribuţiile lui Maxwell la ştiinţă sunt considerate de mulţi a fi de aceeaşi amploare ca cele ale lui Newton şi Einstein, vorbindu-se astfel de axa fizicii: Newton - Maxwell - Einstein.

Îi datorăm lui Heinrich R. Hertz (1857-1894) eliberarea conceptului de câmp de orice accesoriu provenind din concepţia mecanicii newtoniene. Hertz a verificat experimental teoria electromagnetică a lui Faraday-Maxwell, demonstrând existenţa undelor electromagnetice (undelor hertziene), care se propagă cu viteza luminii. Din acest moment, fizicienii nu mai credeau în forţe care acţionează nemijlocit şi instantaneu la distanţă, nici chiar în domeniul gravitaţiei, chiar dacă pentru aceasta nu se schiţase încă o teorie de câmp solidă, din lipsa cunoştinţelor empirice suficiente.

Ultima etapă de dezvoltare a fizicii clasice a fost marcată de fizicianul olandez Hendrik A. Lorentz (1853-1928), laureat al Premiului Nobel pentru Fizică în anul 1902, împreună cu Pieter Zeeman (1865-1943). Lorentz a pus bazele teoriei electronice a materiei, conform căreia particulele electrizate din componenţa atomilor produc câmpul electromagnetic. Teoria electronică a permis să fie explicate numeroase fenomene, ca dispersia luminii, efectul Zeeman, legea Wiedemann-Franz şi constituie totodată ultima etapă de dezvoltare a fizicii clasice. Lorentz a mers mai departe, depăşind limitele clasicismului în fizică şi a contribuit la elaborarea dinamicii mediilor în mişcare; a dat formulele de transformare (transformările Lorentz) care-i poartă numele şi pe care Einstein le-a interpretat, punându-le la baza teoriei relativităţii restrânse.

Evoluţia fizicii, de la Newton la Maxwell, prin prisma ecuaţiilor matematicii, este foarte sugestiv exprimată de Einstein. În esenţă, aceasta ar fi: aplicarea mecanicii lui Newton unor mase ce se distribuie continuu a condus la descoperirea şi folosirea ecuaţiilor diferenţiale cu derivate parţiale. Newton a stabilit legile mişcării în forma ecuaţiilor diferenţiale totale şi nu a folosit în mod sistematic ecuaţiile cu derivate parţiale, nefiindu-i necesar; ele au devenit însă necesare pentru formularea mecanicii corpurilor deformabile. Odată cu evoluţia fizicii, ponderea ecuaţiilor diferenţiale totale scade, în favoarea ecuaţiilor cu derivate parţiale. În sistemul lui Newton, realitatea fizică este caracterizată prin conceptele de timp, spaţiu, punct material şi forţă (acţiunea reciprocă a punctelor materiale). Fenomenele fizice trebuie considerate, după Newton, mişcări ale punctelor materiale în spaţiu, guvernate de legi determinate.

În secolul al XIX-lea s-a impus teoria ondulatorie a luminii şi ecuaţiile diferenţiale cu derivate parţiale au apărut pentru prima oară ca expresia naturală a elementarului în fizică. Astfel, câmpul continuu a intervenit într-un domeniu particular al fizicii teoretice, alături de punctul material, ca reprezentant al realităţii fizice.

Înainte de Maxwell oamenii concepeau realitatea fizică ca puncte materiale ale căror modificări nu constau decât în mişcări supuse ecuaţiile diferenţiale totale; după Maxwell, realitatea fizică este concepută ca fiind reprezentată de câmpuri continue, inexplicabile în termeni mecanici, supuse ecuaţiilor diferenţiale parţiale. Această schimbare a conceptului de realitate este cea mai profundă şi fertilă schimbare care s-a produs în fizică după Newton.

Criza de la finele secolului XIX. Relativitatea (4)