Istoria fiziciiDeschidem aici o serie de articole în cadrul căreia vom prezenta o scurtă retrospectivă a fizicii, plecând de la întemeierea mecanicii clasice şi a metodei experimentale în ştiinţă de către Galileo Galilei şi ajungând la teoria electroslabă şi descoperirea bosonului Higgs.

 

 

 

O scurtă retrospectivă a fizicii, de la Galileo Galiei la descoperirea bosonului Higgs.

O scurtă retrospectivă a evoluţiei fizicii şi a cunoaşterii umane poate începe cu fizicianul, astronomul şi matematicianul renascentist italian Galileo Galilei (1564-1642). Şi nu întâmplător, căci Galilei este considerat ca fiind primul om de ştiinţă al epocii moderne. Figura lui Galilei se detaşează net în raport cu toţi savanţii care l-au precedat, prin faptul că introduce un nou mod de a gândi şi o nouă interpretare a lumii. Este considerat întemeietorul mecanicii clasice şi al metodei experimentale în ştiinţă. Până la Galilei, oamenii s-au limitat să observe fenomenele din natură şi să tragă concluzii. Galilei a introdus şi folosit însă experimentul, care completează observaţia. Făcând numeroase experienţe, Galileo Galilei a reuşit să descopere legile căderii libere a corpurilor în câmp gravitaţional, iar pe baza experienţelor sale din 1632, efectuate în cabina unei corăbii în repaus şi apoi în mişcare rectilinie şi uniformă, s-a putut formula principiul relativităţii din mecanica clasică sau principiul relativităţii al lui Galilei.

Dar rezultate reale, care să reflecte legea cauzalităţii fizice, n-au existat înainte de Isaac Newton (1643-1727). Ori legea cauzalităţii este, până în prezent, în accepţiunea lui Einstein, postulatul fundamental al întregii ştiinţe. Pentru a putea studia legile de mişcare a unui punct material - mişcarea presupunând schimbarea în fiecare moment a poziţiei punctului, deci depinzând de timp - Newton  a trebuit să creeze instrumentele matematice adecvate. Şi astfel a creat, independent de contemporanul său, G.W. Leibnitz, calculul diferenţial şi integral. Conform lui Einstein, „legea diferenţială este singura formă care satisface pe deplin exigenţa cauzalităţii, proprie fizicianului modern”. Conceperea legii diferenţiale este una din cele mai mari realizări intelectuale. Legea de mişcare dată de Newton oferă un răspuns la întrebarea: cum se exprimă starea de mişcare a unui punct material într-un timp infinit de mic sub influenţa unei forţe exterioare? Numai prin trecerea la considerarea fenomenelor într-un timp infinit de mic (legea diferenţială), a ajuns Newton la acea formulare care este valabilă pentru orice formă de mişcare. Pentru evenimentele care se produc numai sub influenţa forţelor gravitaţionale, Newton a combinat Legea mişcării cu Legea atracţiei universale, făcând posibilă calcularea stării trecute şi a celei viitoare a unui sistem, din starea sa la un moment dat [Einstein]. Newton a arătat că mişcarea corpurilor de pe Pământ şi cea a corpurilor cereşti sunt guvernate de aceleaşi legi ale naturii. Prin demonstrarea concordanţei dintre legile lui Kepler pentru mişcarea planetelor şi teoria sa despre gravitaţie, el a înlăturat ultimele îndoieli legate de heliocentrism. În lucrarea sa fundamentală, „Philosophiae naturalis principia mathematica” (Principiile matematice ale filozofiei naturale), apărută în 1687, Newton a expus rodul muncii sale de două decenii - Legea atracţiei universale şi cele trei legi fundamentale ale dinamicii: legea inerţiei, legea variaţiei impulsului (legea fundamentală a dinamicii) şi legea acţiunii şi reacţiunii.

Opera lui Newton a fost continuată cu succes de alţi fizicieni, cu contribuţii însemnate şi în domeniul matematicii. De fapt, evoluţia fizicii ar fi de neimaginat fără cea a matematicii, aşa cum se va vedea în continuare.



Jacob (Jacques) Bernoulli (1654-1705), primul reprezentant al celebrei familii elveţiene de matematicieni şi fizicieni Bernoulli, a fost contemporan cu Newton şi Leibnitz. În matematică, şi-a adus contribuţia la dezvoltarea calculului diferenţial şi integral, a stabilit legea numerelor mari prin care şi-a adus aportul la apariţia unei noi discipline, teoria probabilităţilor. Jacob Bernoulli, a contribuit, de asemenea, alături de fratele său Johann Bernoulli, la crearea bazelor calculului variaţional.

Johann (Jean) Bernoulli (1667-1748), s-a făcut cunoscut prin lucrările sale din domeniul mecanicii şi matematicii. El a colaborat cu G.W. Leibnitz în elaborarea calculului diferenţial şi integral, iar în domeniul mecanicii, a formulat principiul deplasărilor virtuale. Acest principiu, a cărui formă definitivă va fi dată de Lagrange în 1788, va juca un rol important în mecanică şi în mod special în mecanica analitică.

Pierre Louis Moreau de Maupertuis (1698-1759), savant francez cu contribuţii în matematică, fizică, astronomie, biologie şi geodezie, a fost un fervent susţinător al mecanicii lui Newton. La aceea dată mecanica lui Newton nu era pe deplin acceptată în afara Angliei. În 1736 a condus o expediţie în Laponia pentru studierea formei Pământului şi confirmarea teoriei lui Newton privind aplatizarea la poli a Pământului. Principala contribuţie a lui Maupertuis în ştiinţă o reprezintă principiul minimei acţiuni, formulat în 1774. Formularea  acestui principiu, numit şi principiul lui Maupertuis, se va regăsi şi în principiul lui Hamilton. Cantitatea m•v•s (masa x viteza x spaţiul) care intervine în acest principiu, sub semnul integralei (∫), se numeşte acţiune, de unde derivă şi numele principiului. Dar masa x viteza reprezintă impulsul (p = m•v) şi ca urmare, acţiunea are dimensiunea fizică: [impuls] x [lungime] = [timp] x [energie]. Din acest motiv, constanta lui Planck - h din mecanica cuantică este numită şi cuanta de acţiune.

Leonhard Euler (1707-1783), matematician şi fizician elveţian, este considerat unul dintre cei mai importanţi matematicieni şi cel mai prolific matematician din toate timpurile (a publicat peste 800 de lucrări în timpul vieţii sale). Contribuţia lui Euler în matematică şi fizică este impresionantă: contribuţii în analiza matematică, teoria numerelor, teoria grafurilor, mecanică, dinamica fluidelor, optică, astronomie.

Jean le Rond d’Alembert (1717-1783), matematician, fizician şi filozof francez, a formulat principiul care-i poartă numele, principiul lui d’Alambert, în lucrarea sa „Tratat despre dinamică” publicată în 1743. Principiul lui d’Alambert, deosebit de util în dinamică, exprimă faptul că dacă într-un sistem în mişcare se introduc pe lângă forţele date şi cele de legătură şi forţele de inerţie, atunci sistemul poate fi tratat ca orice sistem static în echilibru. Avantajele utilizării principiului lui d’Alembert constau în posibilitatea de stabilire a ecuaţiilor diferenţiale de mişcare pentru un sistem mecanic, prin folosirea metodelor de rezolvare a problemelor de echilibru. D’Alembert a redactat pentru „Enciclopedia” franceză articolele de matematică şi „Discursul preliminar”, în care a încercat să schiţeze istoricul apariţiei şi dezvoltării cunoaşterii omeneşti şi să facă o clasificare a ştiinţelor.

Toţi aceşti matematicieni şi fizicieni - Jacob şi Johann Bernoulli, Maupertuis, Euler şi d’Alembert, au fost precursori ai mecanicii analitice şi prin lucrările lor au facilitat apariţia acesteia.

Istoria fizicii. Mecanica analitică (2)