Elementele a ceea ce a devenit fizica au fost extrase in primul rand din domeniile astronomiei, optice si mecanice, care au fost unite metodologic prin studiul geometriei. Aceste discipline matematice au inceput in antichitate cu babilonienii si cu scriitorii elenisti precum Arhimede si Ptolemeu. Filozofia antica, intre timp – inclusiv ceea ce se numea “fizica” – s-a axat pe explicarea naturii prin idei precum cele patru “cauze” ale lui Aristotel.
Grecia antica
Trecerea la o intelegere rationala a naturii a inceput cel putin in Grecia antica (650 – 480 i.En.) cu filozofii pre-socrati. Filozoful Thales din Milet, numit “tatal stiintei” pentru refuzul de a accepta diferite explicatii supranaturale, religioase sau mitologice ale fenomenelor naturale, a sustinut ca fiecare eveniment are o cauza fireasca. Thales a facut, de asemenea, progrese in 580 i.en., sugerand ca apa este elementul de baza, experimentand cu atractia dintre magneti si chihlimbarul frecat si formuland primele idei despre cosmologie.
In Grecia, in secolele VI, V si IV i.en., si in vremurile elenistice, filozofia naturala s-a transformat incet intr-un camp de studiu interesant si controversat. Aristotel (384 – 322 i.en.), student al lui Platon, a promovat ideea ca observarea fenomenelor fizice ar putea duce, in cele din urma, la descoperirea legilor naturale ce guverneaza lumea. Scrierile lui Aristotel se refera la fizica, metafizica, poezie, teatru, logica, lingvistica, politica, etica, biologie si zoologie. Aristotel a fondat sistemul cunoscut sub numele de fizica aristoteliana. El a incercat sa explice idei precum miscarea (si gravitatia) cu teoria a patru elemente. Aristotel credea ca toata materia este alcatuita din eter sau o combinatie de patru elemente: pamant, apa, aer si foc. Potrivit lui Aristotel, aceste patru elemente sunt capabile de inter-transformare, astfel ca o piatra cade in jos spre centrul pamantului, dar flacarile se ridica in sus spre circumferinta. Teoria sa a ramas paradigma stiintifica in Europa pana in epoca lui Galileo Galilei si a lui Isaac Newton.
Hiparh (190 – 120 i.en.), s-a axat pe astronomie si matematica si a folosit tehnici geometrice sofisticate pentru a cartografia miscarea stelelor si a planetelor, chiar si prezicand vremurile in care s-ar produce eclipsele solare. In plus, el a adaugat calcule privind distanta dintre Soare si Luna, pe baza imbunatatirilor aduse instrumentelor observationale folosite la vremea respectiva.
Un alt fizician renumit al acelor vremuri a fost Ptolemeu (90 – 168 i.en.), unul dintre mintile conducatoare in timpul Imperiului Roman. Ptolemeu a fost autorul a mai multor tratate stiintifice.
O mare parte din cunostintele acumulate din lumea antica au fost pierdute. Chiar si din lucrarile celor mai cunoscuti ganditori, doar cateva fragmente au supravietuit. Desi Hiparh a scris cel putin 14 carti, aproape nimic din lucrarea sa a supravietuit. Din cele 150 de lucrari aristotelice reputate, exista doar 30, iar unele dintre acestea sunt putin mai mult decat note de curs.
Europa medievala
Operele antice au reintrat in Occident prin traducerile din araba in latina. Reintroducerea lor, combinata cu comentariile teologice iudeo-islamice, a avut o mare influenta asupra filozofilor medievali precum Toma de Aquino. Acestia au cautat sa reconcilieze filozofia clasicilor antici cu teologia crestina.
Revolutia stiintifica
In secolele XVI si XVII, in Europa a avut loc o revolutie importanta a progresului stiintific. Nemultumirea fata de abordarile filozofice mai vechi a produs multe schimbari in societate, cum ar fi reforma protestanta, dar revolutia in stiinta a inceput atunci cand filozofii naturali au inceput sa atace sustinut programul filozofic scolastic si presupunea ca schemele descriptive matematice adoptate de astfel de domenii precum mecanica si astronomia ar putea sa dea de fapt caracterizari universale valide ale miscarii si ale altor concepte.
Nicolaus Coperic (1473 – 1543) a oferit argumente puternice pentru modelul heliocentric al sistemului solar. In modelele heliocentrice ale sistemului solar, Pamantul orbiteaza Soarele impreuna cu alte corpuri, o contradictie conform astronomului Ptolemeu, cel care a plasat Pamantul in centrul Universului – idee ce acceptata de peste 1400 de ani.
Noua perspectiva a lui Copernic, impreuna cu observatiile exacte ale lui Tycho Brahe, au permis astronomului german Johannes Kepler (1571 – 1630) sa formuleze legile privind miscarea planetara – legi ce sunt in uz si astazi.
Matematicianul italian, astronom si fizician, Galileo Galilei (1564 – 1642) a fost figura centrala in revolutia stiintifica si renumit pentru ca sustinea ideile lui Copernic, pentru descoperirile sale astronomice, experimente empirice si pentru imbunatatirea telescopului.
Ca matematician, rolul lui Galileo in cultura universitara a erei sale a fost subordonat celor trei teme majore de studiu: drept, medicina si teologie.
Galileo a fost numit de catre Stephen Hawking “tatal atronomiei observationale moderne”, “tatal fizicii moderne” si poate mai mult decat orice alta persoana, a fost responsabil pentru nasterea stiintei moderne. A provocat controverse, a fost judecat de Inchizitie si a fost gasit vinovat de erezie. A fost fortat sa se retraga si a petrecut restul vietii sub arest la domiciliu.
Contributiile sale includ confirmarea fazelor lui Venus; descoperirea celor patru sateliti ale lui Jupiter, observarea si analiza petelor solare. Galileo a urmarit, de asemenea, stiinta si tehnologia aplicata, inventand, printre alte instrumente, o busola militara.
La sfarsitul secolului al XVII-lea si inceputul secolului al XVIII-lea s-au vazut realizarile celei mai mari figuri ale revolutiei stiintifice: fizicianul si matematicianul universitar din Cambridge, Isaac Newton (1642 – 1727), considerat de multi ca cel mai mare si mai influent om de stiinta care a trait vreodata. Newton, membru al Societatii Regale din Anglia, si-a combinat propriile descoperiri in mecanica si astronomie cu cele anterioare pentru a crea un singur sistem de descriere a Universului. Newton a formulat trei legi ale miscarii si legea gravitatiei universale, aceasta din urma putand fi folosita pentru a explica comportamentul obiectelor ce cad pe pamant, dar si a planetelor si a altor corpuri ceresti. Pentru a ajunge la rezultatele sale, Newton a inventat o forma a unei ramuri complet noi de matematica. Constatarile lui Newton au fost expuse in “Principiile matematice ale filozofiei naturale”, publicata in 1687 si a marcat inceputul perioadei moderne de mecanica si astronomie.
Secolul XVII
In timpul secolului al XVIII-lea, mecanica fondata de Newton a fost dezvoltata si mai mult de catre oamenii de stiinta.
Au urmat apoi nenumarate inventii. In 1800, Alessandro Volta a inventat bateria electrica. Un an mai tarziu, Thomas Young a demonstrat natura luminii, iar in 1813, Peter Ewart a sustinut ideea de conservare a energiei. In 1821, Michael Faraday a construit un motor electric, in timp ce Georg Ohm a postulat legea rezistentei electrice, in 1826, exprimand relatia dintre tensiune, curent si rezistenta intr-un circuit electric.
In 1831, Faraday descopera inductia electromagnetica, reusind sa realizeze conversia electromecanica a energiei si sa enunte Legea inductiei electromagnetice.
In 1842, Christian Doppler a propus efectul Doppler, iar in 1847, Hermann von Helmholtz a declarat in mod oficial legea conservarii energiei.
In secolul al XIX-lea, legatura dintre caldura si energie mecanica a fost stabilita de Julius Robert von Mayer si James Prescott Joule, in 1840. In 1849, Joule a publicat rezultate care aratau cum caldura este o forma de energie, fapt acceptat in anii 1850. Relatia dintre caldura si energie a fost importanta pentru dezvoltarea motoarelor cu aburi.
Fizica moderna
Pe masura ce secolul al XIX-lea se apropia de final, oamenii de stiinta puteau privi inapoi si constata cu satisfactie ca dadusera de cap celor mai multe dintre misterele lumii fizice: electricitatea, magnetismul, gazele, optica, acustica, cinetica, mecanica statistica. S-au descoperit razele X, razele catodice, electronul, radioactivitatea. Daca ceva putea fi oscilat, accelerat, perturbat, distilat, combinat, cantarit sau transformat in gaz, o facusera deja, iar pe parcurs descoperisera un corp de legi universale cu atata greutate si maretie, incat noi inca avem tendinta sa le scriem cu majuscule: Legea Gay-Lussac, Conceptul de Valenta, Legile Actiunii Masei si multe altele. Intreaga lume era entuziasmata de ingeniozitatea umana, iar multi intelepti credeau ca stiintei nu-i mai ramasese mare lucru de descoperit.
In 1875, un tanar neamt pe nume Max Planck incerca sa se hotarasca daca sa-si dedice viata matematicii sau a fizicii. Desi a fost asigurat ca urmatorul secol nu era unul al revolutiilor ci unul al consolidarilor si a cizelarii, Max Plank n-a ascultat si si-a continuat drumul. A studiat fizica teoretica si s-a cufundat in studiul entropiei, proces care sta la baza termodinamicii si care parea sa promite multe. In 1891 a venit cu propriile sale rezultate si spre marea sa dezamagire a aflat ca cercetarile importante asupra entropiei fusesera intr-adevar facute de catre un om de stiinta de la Universitatea Yale, J. Willard Gibbs.
Gibbs a reusit sa demonstreze ca termodinamica nu se aplica pur si simplu caldurii si energiei, ci este prezenta si isi exercita influenta la nivelul atomic al reactiilor chimice.
Zorii unei noi ere in fizica s-a produs in anul 1905, cand in publicatia germana de fizica “Annalen der Physik” au aparut o serie de lucrari ale unui tanar elvetian care nu avea nicio legatura cu lumea universitara, niciun acces la laboratoare si nicio intrare la vreo biblioteca impozanta, alta decat cea a biroului national de patente din Berna, unde era angajat pe postul de examinator tehnic.
Numele lui era Albert Einstein si, in acelasi an a trimis publicatiei 5 lucrari. Trei dintre ele “se numarau printre cele mai valoroase din istoria fizicii”, dupa spusele lui C.P. Snow; una analiza efectul fotoelectric prin prisma noii teorii cuantice a lui Planck, una se ocupa de comportamentul particulelor mici aflate in suspensie (cunoscut drept miscare browniana), iar cealalta schita o Teorie Speciala a Relativitatii.
Prima dintre acestea, care a explicat natura luminii si de asemenea, a contribuit la aparitia televiziunii, printre altele, i-a adus autorului Premiul Nobel. Cea de-a doua lucrare a oferit dovada ca atomii exista – lucru care, in mod surprinzator, fusese contestat. Iar a treia lucrare, n-a facut decat sa schimbe lumea.
La zece ani dupa Einstein, se naste Edwin Hubble in 1889. Viata lui Hubble a fost plina de recunoasteri reale. Intr-o perioada in care se stiau foarte putine despre cosmos, Hubble a atacat doua dintre intrebarile fundamentale ale universului: cat de batran este si cat de mare? Pentru a raspunde la amandoua, e necesar sa cunoastem cat de departe se afla anumite galaxii si cat de repede se indeparteaza de noi.
Norocul lui Hubble a fost acela ca a intrat in peisaj la putin timp dupa ce o femeie ingenioasa, pe nume Henrietta Swan Leavitt, a descoperit o cale de a marca stelele de pe cer. Leavitt lucra la Harward College Observatory pe postul de calculator, dupa cum se spunea pe atunci. Calculatoarele isi petreceau viata studiind placi fotografice ale stelelor si facand calcule – de unde si numele. Era doar cu o treapta mai sus de roboteala, dar era postul cel mai apropiat de astronomia adevarata pe care o femeie il putea ocupa la Harward.
Un calculator de la Harward, Annie Jump Cannon a pus la punct un sistem de clasificare a acestora atat de practic, incat mai este folosit si astazi. Ea a remarcat ca un anume tip de stea cu stralucire variabila, cunoscuta drept o cefeida, pulsa intr-un ritm regulat – un fel de bataie a inimii stelara. Cefeidele sunt destul de rare, dar cel putin una dintre ele este bine cunoscuta de cei mai multi dintre noi. Polaris, sau Steaua Polara, este o cefeida.
Acum stim ca cefeidele pulseaza in acest ritm deoarece sunt stele mai in varsta, care au trecut de stadiul de secventa principala si devin giganti rosii. Prin compararea magnitudinii relative a cefeidelor in puncte diferite pe cer, si-a dat seama ca se poate calcula unde se situeaza unele in raport cu celelalte. Metoda oferea distante relative, nu absolute, dar chiar si asa, era prima data cand cineva propunea o metoda viabila de a masura universul la scara larga.
In 1924 Hubble a scris o lucrare de referinta, “Cefeidele in nebuloasele spirale”, aratand ca Universul era format nu numai din Calea Lactee, ci dintr-o multime de galaxii independente – multe dintre aceseta mai mari decat Calea Lactee si mult mai indepartate.
Dupa ce a masurat spectrele galaxiilor indepartate si-a dat seama ca Universul se afla intr-o expansiune rapida si egala in toate directiile. Nu era nevoie de o imaginatie debordanta pentru a face o interpretare inversa si a intelege ca totul trebuie sa fi pornit de la un punct central. Departe de a fi vidul stabil, fix si etern pe care toata lumea il presupusese dintotdeauna, acest Univers avusese un inceput. Prin urmare, ar putea avea si un sfarsit.
Bibliografie:
Despre toate, pe scurt – De la Big Bang la ADN, Bill Bryson, editura Polirom.
Stephen Hawking, „Galileo and the Birth of Modern Science”