Ajunși la finele cursului liceal de fizică și astronomie, să anali zăm evoluarea acestui domeniu de la începuturi până în prezent și să urmărim formarea conceptelor despre lume în perioadele respective. Se consideră că primele cunoștinţe în domeniul fizicii au fost obţinute încă în Antichitate. Tales din Milet (sec. VI î.Hr.) știa că chihlimbarul frecat cu ţesătură de lână atrage corpuri ușoare, iar magnetita atrage obiectele din fier. În secolele V–IV î.Hr., Leucip și Democrit au formulat ideea despre existenţa unei limite a divizibilităţii substanţei, a unor particule indivizibile – a atomilor. Aristotel (sec. IV. î.Hr.) a pus bazele mecanicii: a descris mișcarea meca nică, a evidenţiat mișcările rectilinii și curbi linii, a for mulat regula compunerii depla sărilor reciproc perpen diculare. În secolul următor, Euclid a formulat legea propa gării rectilinii a luminii, a stabilit legile reflexiei luminii, iar Arhimede a obţinut unele rezultate în domeniul mecanicii: a introdus noţiunile de centru de greutate și de moment al forţei, a formulat legea pârghiei, a stabilit legea hidrostaticii (cunoscută în prezent ca legea lui Arhimede) și condiţiile de plutire a corpurilor. În era noastră, Heron din Alexandria (sec. I) a descris o serie de mecanisme simple: scripeţii, pana, șurubul, vârtejul, iar Ptolemeu (sec. II) a descris feno menul refracţiei luminii, a elaborat forma definitivă a sistemului geocentric al lumii.
Această enumerare de descoperiri denotă că în Antichitate au apărut acei germeni care, dezvoltându-se, au devenit capitolele importante ale fizicii: meca nica, electrodinamica, fizica moleculară și optica. La mijlocul secolului al XVI-lea, Nicolaus Copernic a publicat lucrarea sa fundamentală Despre mişcă rile de revoluţie ale corpurilor cereşti, în care a fundamentat concepţia heliocentrică, potrivit căreia Pământul, împreună cu celelalte planete, se rotește simultan în jurul Soarelui și al propriilor axe. La începutul secolului următor, Johannes Kepler a desco perit legile mișcării planetelor în jurul Soarelui, argumentând sistemul heliocentric. Secolul XVII s-a remarcat prin apariţia a două lucrări în care au fost puse bazele mecanicii. În 1632, Galileo Galilei a publicat Dialogul despre două sisteme principale ale lumii, în care a formulat două principii fundamentale ale mecanicii – principiul relativităţii și cel al inerţiei. În anul 1687 a văzut lumina tiparului lucrarea lui Isaac Newton Principiile mate matice ale filosofiei naturale, în care au fost expuse noţiunile fundamen tale ale mecanicii, trei principii ale dinamicii și legea atracţiei universale. În baza acestor principii, a fost elaborat tabloul mecanic al lumii, conform căruia toate fenomenele din natură se reduc doar la mișcări mecanice, adică la schimbarea poziţiilor corpurilor unele faţă de altele. Corpurile sunt caracterizate de masele și dimensiu nile lor spaţiale, mișcările lor fiind independente de structura internă. În mecanica newtoniană spaţiul și timpul sunt considerate absolute și independente între ele. Pro prie tăţile spaţiului și timpului nu sunt influenţate de corpuri și de mișcările acestora. Se admite că spaţiul este omogen
159
și izotrop (proprietăţile lui sunt identice în toate regiunile spaţiului și în toate direcţiile), iar timpul omogen decurge uniform în tot spaţiul. Inter ac ţiunea dintre corpuri se transmite momentan și este carac te rizată de forţe, ale căror valori depind de parametrii corpurilor, de poziţiile lor reciproce (distanţa dintre ele), iar în cazul corpurilor aflate în contact – de vitezele lor relative. Cunoscând forţele ce acţionează asupra corpului, poziţiile și vitezele punctelor lui la un moment de timp consi derat iniţial, în baza principiilor mecanicii, pot fi determinate poziţiile și vitezele lor la orice moment de timp ulterior. Au fost rezolvate, astfel, diferite probleme de mișcare a corpurilor, începând cu cele mai simple (alunecarea corpului pe planul înclinat sau mișcarea corpului aruncat sub un unghi faţă de orizontală), precum și probleme de mișcare a plane telor și a sateliţilor lor. Este bine cunoscută previ ziunea, în baza legităţilor mecanicii și a observaţiilor astrono mice, făcută de Le Verrier privind existența unei planete, necunoscute la timpul respectiv și descoperită ulterior (a. 1846) de către Gallé – planeta Neptun. Principiile mecanicii au fost aplicate cu succes și în alte ramuri ale fizicii. În teoria cinetico-moleculară a gazelor ideale – sisteme de molecule în mișcare haotică – a fost dedusă formula fundamentală a acestei teorii – relaţia dintre presiunea gazului, concentraţia moleculelor și energia cinetică medie a mișcării lor haotice de translaţie. În optică, Newton afirma că lumina este un flux de corpusculi. Considerând elastice ciocnirile dintre corpusculi și oglindă, el a dedus legile reflexiei luminii. A dedus, de asemenea, legile refracţiei luminii, considerând că la trecerea din aer într-un mediu transparent acesta atrage corpusculii de lumină în interior, unde aceștia se deplasează cu viteze mai mari decât în aer (vid). Succesul obţinut în explicarea unor fenomene ale naturii, în baza principiilor mecanicii, a creat iluzia că acestea sunt unicele principii fundamentale ale naturii. În această ordine de idei, Einstein releva: „…impre siona faptul că metodele mecanice erau aplicate cu succes în domenii care nu aveau nimic cu mecanica: teoria mecanică a luminii…; teoria cinetică a gazelor...; teoria conducţiei căldurii…”. În primele două decenii ale secolului XIX au fost efectuate cercetări vaste în domeniul opticii. Young, Fresnel, Fraunhofer, Malus și Brewster au realizat o serie de experimente și studii teoretice privind interferenţa, difracţia și polarizarea luminii. S-a con
firmat teoria ondulatorie a luminii, propusă de către Huygens (a. 1678). S-a stabilit că undele de lumină sunt unde transversale. Către mijlocul secolului al XIX-lea, natura ondulatorie a luminii era considerată un fapt demonstrat. Anul 1820 a fost unul de cotitură în fizica fenomene lor electrice și magnetice. Oersted a observat influenţa curentului electric asupra acului magnetic situat în vecinătatea conductorului parcurs de curent. În același an, Ampère a efectuat o serie de experimente în care a cercetat interacţiunea conductoarelor parcurse de curent electric și a stabilit expresia pentru forţa respec tivă, cunoscută în prezent cu denumirea de forţă electro dinamică sau forţa Ampère (expresia forţei de inter acţiune dintre sarcinile electrice punctiforme a fost stabilită în 1785 de către Coulomb). Descoperirea feno menului inducţiei electromagnetice de către Fara day (a. 1831) și a autoinducţiei de către Henry (a. 1832) a deter minat utilizarea vastă a curentului electric în industrie, astfel încât veacul XIX a intrat în istorie ca secolul electricităţii. Aceste descoperiri au demonstrat, de ase menea, existenţa unei interdependenţe indestructibile între fenomenele electrice și cele magnetice. Trebuie de menţionat, de asemenea, formularea de către Faraday a ideii despre câmp și introducerea noţiunii de „linii de forţă”, cunoscute în prezent ca linii de intensitate a câmpului electric, și de linii de inducţie magnetică. Astfel, în prima jumătate a secolului al XIX-lea au fost descoperite o serie de fenomene importante din domeniul electromagnetismului, au fost introduse noţiuni fizice necesare descrierii lor și au fost stabilite legităţile experimentale respective. Interpretarea teoretică și generalizarea rezultatelor din domeniul dat a fost efectuată de către Maxwell prin elaborarea electrodina micii (1860–1865) – teoria câmpului electromagnetic. La baza acesteia se află un sistem de ecuaţii fundamentale, cunoscute sub numele de ecuaţiile lui Maxwell pentru câmpul electromagnetic. Fiind aplicate la sisteme fizice concrete, la ecuaţiile menţionate se adaugă ecuaţiile materiale ce exprimă anumite relaţii dintre parametrii sistemului considerat. În cadrul teoriei sale, Maxwell nu numai că a reușit să explice faptele experimentale ce-i erau cunoscute, dar și să facă prezi ceri în domeniul fizicii, ceea ce este deosebit de important. Astfel, pe cale pur teoretică a prevăzut existenţa undelor electro magnetice
160
și a descris proprietăţile lor. A stabilit că undele de lumină și cele electromagnetice au proprietăţi identice, confirmându-se, pe această cale, natura electromagnetică a luminii. Experimental, undele electromagnetice au fost descoperite de către Hertz (1888). Către ultimul deceniu al secolului XIX s-a conturat tabloul electromagnetic al lumii. Tentativele de a explica toate fenomenele naturii în limitele unui sau altui tablou fizic din cele menţionate nu s-au încununat de succes. S-a constatat că aceste tablouri se completează reciproc, dar împreună nu pot explica o parte din fenomene. Spre finele secolului XIX au fost realizate trei descoperiri importante: razele Röntgen (a. 1895), radio activitatea (a. 1896) și electronul (a. 1897). Rămâneau însă neexplicate legităţile experimentale ale radiaţiei termice, ale efectului fotoelectric și ale spectrelor atomilor. Nesoluţionată era și problema eterului, a mediului ipotetic purtător al undelor de lumină. Au fost întreprinse încercări de a-l descoperi și a-i cerceta proprietăţile. Rezultatele însă erau contradictorii, „curenţii de eter” rămâneau nedescoperiţi. Au fost emise diferite ipoteze, în baza cărora s-au obţinut și rezultate corecte, dar acestea nu constituiau un sistem unic. Teoria respectivă a fost elaborată de către Einstein (a. 1905) – teoria relativităţii restrânse. În cadrul acesteia însă eterul nu și-a găsit loc, fiind eliminat din fizică. De asemenea, spaţiul și timpul nu mai sunt considerate absolute și indepen dente, ci relative și legate reciproc. S-a demonstrat că interacţiunea, în particular cea electromagnetică, nu se transmite momentan, viteza maximă de transmitere a ei fiind egală cu viteza luminii în vid, iar între masă și energie există o anumită relaţie. Teoria relativităţii restrânse indică limita de aplica bilitate a mecanicii newtoniene (viteze υ << c). Planck a explicat legităţile radiaţiei termice în baza ipotezei privind cuantele de energie. Ipoteza respectivă a fost dezvoltată și folosită la explicarea și altor fenomene. Către mijlocul anilor ’20 ai secolului XX din ea s-a constituit mecanica cuantică, aplicată la descrierea proprietăţilor sistemelor microscopice – atomilor și moleculelor. S-a constatat că particulele de substanţă posedă proprietăţi ondulatorii, iar undele electromagnetice – proprietăţi corpusculare. Ca rezultat, noţiunea de traiectorie aplicată la microparticule își pierde sensul. Este imposibilă deter mi narea simultană a poziţiilor și impulsurilor acestora, nece
sare pentru a construi traiectoria particulei, și stabilirea poziţiei exacte a acesteia la orice moment de timp ulterior. În fizica cuantică poate fi calculată doar probabilita tea că micro particula se află la momentul dat într-o regiune sau alta a spaţiului. Energia și unele din caracte risticile microparticulei pot lua doar anu mite valori, discrete, spre deosebire de fizica clasică, în care aceleași mărimi variază în mod continuu. Pentru fizica secolului XX este caracte ristică studierea mai profundă a structurii substan ţei. Desco perirea electronului (a. 1897) a fost urmată de descope rirea nucleului (a. 1911) și de stabilirea mo delului nuclear al atomului. În anul 1919 a fost descoperit protonul, iar în 1932 – neutronul, și tot în același an a fost adoptat modelul protono-neutronic al nucleului. De asemenea, în anul 1932 Anderson a desco perit pozi tronul – prima antiparticulă, confir mând astfel ipoteza lui Dirac despre existenţa anti particulelor. Fermi a elaborat (a. 1933) teoria dezin tegrării β în care a fost dezvoltată ipoteza lui Pauli (a vedea tema 7.3, a). Astfel s-a constituit o ramură nouă a fizicii, cea a parti culelor elementare. Un succes al fizicii cuantice a fost aplicarea metodelor ei la descrierea proprietăţilor sistemelor formate dintr-un număr mare de microparticule. Au fost explicate proprietăţile metalelor, inclusiv starea lor de supra conductibilitate la temperaturi foarte joase. În cadrul teoriei cuantice au fost descrise proprietăţile electrice și optice ale semiconductoarelor, influenţa câmpurilor electrice și magnetice asupra acestora. În urma cercetărilor au fost inventate dioda semiconductoare (joncţiunea p–n), apoi tranzistorul. În consecinţă, au fost miniaturizate mai multe dispozitive electronice. Un alt succes este realizarea telefoniei mobile. După cum se cunoaște, inventarea maserului și a laserului a fost posibilă numai în cadrul fizicii cuantice. Astfel, fizica secolului XX sa dezvoltat sub semnul teoriei relativităţii şi a mecanicii cuantice și s-a remarcat prin aplicaţii de importanţă majoră. Pentru perioada respectivă este caracteristică, de asemenea, interconexiunea fizicii cu alte ramuri ale știinţei. Ca rezultat, s-au dezvoltat: astrofizica, geofizica, biofizica, chimia cuantică etc. Savanţii sunt convinși că secolul XXI va fi încununat de noi succese ale fizicii și aplicaţii, astăzi inimaginabile pentru noi.
161
9.2. astronomia şi ConCepţia ştiinţiFiCă despre lume În istoria astronomiei, mai multe teorii și descope riri fundamentale au revoluţionat dezvoltarea știin ţei și au contribuit la schimbarea concepţiei știinţifice despre lume. Prima revoluţie știinţifică a avut loc în secolele VI–IV î.Hr., în urma căreia a luat naștere știinţa astro nomiei reflectată în lucrările lui Aristotel (384– 322 î.Hr.), Aristarh din Samos (320–250 î.Hr.) și Hiparh (190–125 î.Hr.). Aristotel a alcătuit prima schemă geocentrică a Universului, în centrul căreia a pus Pământul nemișcat sub formă de sferă. Aristarh din Samos, supranumit „Copernic al lumii antice”, a propus primul sistem heliocentric cu Soarele în centrul lumii, sistem redescoperit peste optsprezece secole de către marele astronom polonez Nicolaus Coper nic. Hiparh, considerat drept cel mai mare astronom al Antichităţii, a fost primul care a creat siste mul geocentric, dezvoltat mai târziu de Pto lemeu (100–168 d.Hr.), ultimul mare astronom al Antichităţii, care a elaborat sistemul geocentric al lumii având la bază teoria geometrică a epiciclurilor ce s-a menţi nut în știinţă circa
1 500 de ani.
A doua revoluţie știinţifică în astronomie s-a produs în secolele XVI–XVIII, când s-a făcut o serie de descoperiri fundamentale, legate de numele lui Nicolaus Co per nic (sistemul heliocentric al lumii), Galileo Galilei (pri mele observaţii telescopice), Johannes Kepler (legile mișcă rii planetelor) și Isaac Newton (legea atracţiei universale). Următoarea revoluţie în astronomie este legată de marile descoperiri din secolele XIX–XX: analiza spectrală, fotografia, undele radio, razele Röntgen și gama, deplasarea spre roșu a liniilor spectrale ale galaxiilor îndepărtate, interpretată ca expansiunea Universului, descoperirea quasarilor, pulsarilor și a stelelor neutronice, a radiaţiei radio cosmice de fond, care este un argument în favoarea teoriei Marii Explozii
(Big Bang) ș.a. Tabloul știinţific al lumii s-a întemeiat pe noile teorii ale spaţiului și timpului: teoria relativităţii restrânse și teoria relativităţii generalizate ale lui Einstein, care au produs o revoluţie în cosmologie. În prezent se prefigurează o nouă revoluţie în cosmo lo gie legată de materia întunecată, energia întunecată și rolul antigra vitaţiei, precum și de descoperirea în 1998 a expansiunii accelerate a Universu lui, care vor întregi în continuare tabloul știinţific al lumii
Această enumerare de descoperiri denotă că în Antichitate au apărut acei germeni care, dezvoltându-se, au devenit capitolele importante ale fizicii: meca nica, electrodinamica, fizica moleculară și optica. La mijlocul secolului al XVI-lea, Nicolaus Copernic a publicat lucrarea sa fundamentală Despre mişcă rile de revoluţie ale corpurilor cereşti, în care a fundamentat concepţia heliocentrică, potrivit căreia Pământul, împreună cu celelalte planete, se rotește simultan în jurul Soarelui și al propriilor axe. La începutul secolului următor, Johannes Kepler a desco perit legile mișcării planetelor în jurul Soarelui, argumentând sistemul heliocentric. Secolul XVII s-a remarcat prin apariţia a două lucrări în care au fost puse bazele mecanicii. În 1632, Galileo Galilei a publicat Dialogul despre două sisteme principale ale lumii, în care a formulat două principii fundamentale ale mecanicii – principiul relativităţii și cel al inerţiei. În anul 1687 a văzut lumina tiparului lucrarea lui Isaac Newton Principiile mate matice ale filosofiei naturale, în care au fost expuse noţiunile fundamen tale ale mecanicii, trei principii ale dinamicii și legea atracţiei universale. În baza acestor principii, a fost elaborat tabloul mecanic al lumii, conform căruia toate fenomenele din natură se reduc doar la mișcări mecanice, adică la schimbarea poziţiilor corpurilor unele faţă de altele. Corpurile sunt caracterizate de masele și dimensiu nile lor spaţiale, mișcările lor fiind independente de structura internă. În mecanica newtoniană spaţiul și timpul sunt considerate absolute și independente între ele. Pro prie tăţile spaţiului și timpului nu sunt influenţate de corpuri și de mișcările acestora. Se admite că spaţiul este omogen
159
și izotrop (proprietăţile lui sunt identice în toate regiunile spaţiului și în toate direcţiile), iar timpul omogen decurge uniform în tot spaţiul. Inter ac ţiunea dintre corpuri se transmite momentan și este carac te rizată de forţe, ale căror valori depind de parametrii corpurilor, de poziţiile lor reciproce (distanţa dintre ele), iar în cazul corpurilor aflate în contact – de vitezele lor relative. Cunoscând forţele ce acţionează asupra corpului, poziţiile și vitezele punctelor lui la un moment de timp consi derat iniţial, în baza principiilor mecanicii, pot fi determinate poziţiile și vitezele lor la orice moment de timp ulterior. Au fost rezolvate, astfel, diferite probleme de mișcare a corpurilor, începând cu cele mai simple (alunecarea corpului pe planul înclinat sau mișcarea corpului aruncat sub un unghi faţă de orizontală), precum și probleme de mișcare a plane telor și a sateliţilor lor. Este bine cunoscută previ ziunea, în baza legităţilor mecanicii și a observaţiilor astrono mice, făcută de Le Verrier privind existența unei planete, necunoscute la timpul respectiv și descoperită ulterior (a. 1846) de către Gallé – planeta Neptun. Principiile mecanicii au fost aplicate cu succes și în alte ramuri ale fizicii. În teoria cinetico-moleculară a gazelor ideale – sisteme de molecule în mișcare haotică – a fost dedusă formula fundamentală a acestei teorii – relaţia dintre presiunea gazului, concentraţia moleculelor și energia cinetică medie a mișcării lor haotice de translaţie. În optică, Newton afirma că lumina este un flux de corpusculi. Considerând elastice ciocnirile dintre corpusculi și oglindă, el a dedus legile reflexiei luminii. A dedus, de asemenea, legile refracţiei luminii, considerând că la trecerea din aer într-un mediu transparent acesta atrage corpusculii de lumină în interior, unde aceștia se deplasează cu viteze mai mari decât în aer (vid). Succesul obţinut în explicarea unor fenomene ale naturii, în baza principiilor mecanicii, a creat iluzia că acestea sunt unicele principii fundamentale ale naturii. În această ordine de idei, Einstein releva: „…impre siona faptul că metodele mecanice erau aplicate cu succes în domenii care nu aveau nimic cu mecanica: teoria mecanică a luminii…; teoria cinetică a gazelor...; teoria conducţiei căldurii…”. În primele două decenii ale secolului XIX au fost efectuate cercetări vaste în domeniul opticii. Young, Fresnel, Fraunhofer, Malus și Brewster au realizat o serie de experimente și studii teoretice privind interferenţa, difracţia și polarizarea luminii. S-a con
firmat teoria ondulatorie a luminii, propusă de către Huygens (a. 1678). S-a stabilit că undele de lumină sunt unde transversale. Către mijlocul secolului al XIX-lea, natura ondulatorie a luminii era considerată un fapt demonstrat. Anul 1820 a fost unul de cotitură în fizica fenomene lor electrice și magnetice. Oersted a observat influenţa curentului electric asupra acului magnetic situat în vecinătatea conductorului parcurs de curent. În același an, Ampère a efectuat o serie de experimente în care a cercetat interacţiunea conductoarelor parcurse de curent electric și a stabilit expresia pentru forţa respec tivă, cunoscută în prezent cu denumirea de forţă electro dinamică sau forţa Ampère (expresia forţei de inter acţiune dintre sarcinile electrice punctiforme a fost stabilită în 1785 de către Coulomb). Descoperirea feno menului inducţiei electromagnetice de către Fara day (a. 1831) și a autoinducţiei de către Henry (a. 1832) a deter minat utilizarea vastă a curentului electric în industrie, astfel încât veacul XIX a intrat în istorie ca secolul electricităţii. Aceste descoperiri au demonstrat, de ase menea, existenţa unei interdependenţe indestructibile între fenomenele electrice și cele magnetice. Trebuie de menţionat, de asemenea, formularea de către Faraday a ideii despre câmp și introducerea noţiunii de „linii de forţă”, cunoscute în prezent ca linii de intensitate a câmpului electric, și de linii de inducţie magnetică. Astfel, în prima jumătate a secolului al XIX-lea au fost descoperite o serie de fenomene importante din domeniul electromagnetismului, au fost introduse noţiuni fizice necesare descrierii lor și au fost stabilite legităţile experimentale respective. Interpretarea teoretică și generalizarea rezultatelor din domeniul dat a fost efectuată de către Maxwell prin elaborarea electrodina micii (1860–1865) – teoria câmpului electromagnetic. La baza acesteia se află un sistem de ecuaţii fundamentale, cunoscute sub numele de ecuaţiile lui Maxwell pentru câmpul electromagnetic. Fiind aplicate la sisteme fizice concrete, la ecuaţiile menţionate se adaugă ecuaţiile materiale ce exprimă anumite relaţii dintre parametrii sistemului considerat. În cadrul teoriei sale, Maxwell nu numai că a reușit să explice faptele experimentale ce-i erau cunoscute, dar și să facă prezi ceri în domeniul fizicii, ceea ce este deosebit de important. Astfel, pe cale pur teoretică a prevăzut existenţa undelor electro magnetice
160
și a descris proprietăţile lor. A stabilit că undele de lumină și cele electromagnetice au proprietăţi identice, confirmându-se, pe această cale, natura electromagnetică a luminii. Experimental, undele electromagnetice au fost descoperite de către Hertz (1888). Către ultimul deceniu al secolului XIX s-a conturat tabloul electromagnetic al lumii. Tentativele de a explica toate fenomenele naturii în limitele unui sau altui tablou fizic din cele menţionate nu s-au încununat de succes. S-a constatat că aceste tablouri se completează reciproc, dar împreună nu pot explica o parte din fenomene. Spre finele secolului XIX au fost realizate trei descoperiri importante: razele Röntgen (a. 1895), radio activitatea (a. 1896) și electronul (a. 1897). Rămâneau însă neexplicate legităţile experimentale ale radiaţiei termice, ale efectului fotoelectric și ale spectrelor atomilor. Nesoluţionată era și problema eterului, a mediului ipotetic purtător al undelor de lumină. Au fost întreprinse încercări de a-l descoperi și a-i cerceta proprietăţile. Rezultatele însă erau contradictorii, „curenţii de eter” rămâneau nedescoperiţi. Au fost emise diferite ipoteze, în baza cărora s-au obţinut și rezultate corecte, dar acestea nu constituiau un sistem unic. Teoria respectivă a fost elaborată de către Einstein (a. 1905) – teoria relativităţii restrânse. În cadrul acesteia însă eterul nu și-a găsit loc, fiind eliminat din fizică. De asemenea, spaţiul și timpul nu mai sunt considerate absolute și indepen dente, ci relative și legate reciproc. S-a demonstrat că interacţiunea, în particular cea electromagnetică, nu se transmite momentan, viteza maximă de transmitere a ei fiind egală cu viteza luminii în vid, iar între masă și energie există o anumită relaţie. Teoria relativităţii restrânse indică limita de aplica bilitate a mecanicii newtoniene (viteze υ << c). Planck a explicat legităţile radiaţiei termice în baza ipotezei privind cuantele de energie. Ipoteza respectivă a fost dezvoltată și folosită la explicarea și altor fenomene. Către mijlocul anilor ’20 ai secolului XX din ea s-a constituit mecanica cuantică, aplicată la descrierea proprietăţilor sistemelor microscopice – atomilor și moleculelor. S-a constatat că particulele de substanţă posedă proprietăţi ondulatorii, iar undele electromagnetice – proprietăţi corpusculare. Ca rezultat, noţiunea de traiectorie aplicată la microparticule își pierde sensul. Este imposibilă deter mi narea simultană a poziţiilor și impulsurilor acestora, nece
sare pentru a construi traiectoria particulei, și stabilirea poziţiei exacte a acesteia la orice moment de timp ulterior. În fizica cuantică poate fi calculată doar probabilita tea că micro particula se află la momentul dat într-o regiune sau alta a spaţiului. Energia și unele din caracte risticile microparticulei pot lua doar anu mite valori, discrete, spre deosebire de fizica clasică, în care aceleași mărimi variază în mod continuu. Pentru fizica secolului XX este caracte ristică studierea mai profundă a structurii substan ţei. Desco perirea electronului (a. 1897) a fost urmată de descope rirea nucleului (a. 1911) și de stabilirea mo delului nuclear al atomului. În anul 1919 a fost descoperit protonul, iar în 1932 – neutronul, și tot în același an a fost adoptat modelul protono-neutronic al nucleului. De asemenea, în anul 1932 Anderson a desco perit pozi tronul – prima antiparticulă, confir mând astfel ipoteza lui Dirac despre existenţa anti particulelor. Fermi a elaborat (a. 1933) teoria dezin tegrării β în care a fost dezvoltată ipoteza lui Pauli (a vedea tema 7.3, a). Astfel s-a constituit o ramură nouă a fizicii, cea a parti culelor elementare. Un succes al fizicii cuantice a fost aplicarea metodelor ei la descrierea proprietăţilor sistemelor formate dintr-un număr mare de microparticule. Au fost explicate proprietăţile metalelor, inclusiv starea lor de supra conductibilitate la temperaturi foarte joase. În cadrul teoriei cuantice au fost descrise proprietăţile electrice și optice ale semiconductoarelor, influenţa câmpurilor electrice și magnetice asupra acestora. În urma cercetărilor au fost inventate dioda semiconductoare (joncţiunea p–n), apoi tranzistorul. În consecinţă, au fost miniaturizate mai multe dispozitive electronice. Un alt succes este realizarea telefoniei mobile. După cum se cunoaște, inventarea maserului și a laserului a fost posibilă numai în cadrul fizicii cuantice. Astfel, fizica secolului XX sa dezvoltat sub semnul teoriei relativităţii şi a mecanicii cuantice și s-a remarcat prin aplicaţii de importanţă majoră. Pentru perioada respectivă este caracteristică, de asemenea, interconexiunea fizicii cu alte ramuri ale știinţei. Ca rezultat, s-au dezvoltat: astrofizica, geofizica, biofizica, chimia cuantică etc. Savanţii sunt convinși că secolul XXI va fi încununat de noi succese ale fizicii și aplicaţii, astăzi inimaginabile pentru noi.
161
9.2. astronomia şi ConCepţia ştiinţiFiCă despre lume În istoria astronomiei, mai multe teorii și descope riri fundamentale au revoluţionat dezvoltarea știin ţei și au contribuit la schimbarea concepţiei știinţifice despre lume. Prima revoluţie știinţifică a avut loc în secolele VI–IV î.Hr., în urma căreia a luat naștere știinţa astro nomiei reflectată în lucrările lui Aristotel (384– 322 î.Hr.), Aristarh din Samos (320–250 î.Hr.) și Hiparh (190–125 î.Hr.). Aristotel a alcătuit prima schemă geocentrică a Universului, în centrul căreia a pus Pământul nemișcat sub formă de sferă. Aristarh din Samos, supranumit „Copernic al lumii antice”, a propus primul sistem heliocentric cu Soarele în centrul lumii, sistem redescoperit peste optsprezece secole de către marele astronom polonez Nicolaus Coper nic. Hiparh, considerat drept cel mai mare astronom al Antichităţii, a fost primul care a creat siste mul geocentric, dezvoltat mai târziu de Pto lemeu (100–168 d.Hr.), ultimul mare astronom al Antichităţii, care a elaborat sistemul geocentric al lumii având la bază teoria geometrică a epiciclurilor ce s-a menţi nut în știinţă circa
1 500 de ani.
A doua revoluţie știinţifică în astronomie s-a produs în secolele XVI–XVIII, când s-a făcut o serie de descoperiri fundamentale, legate de numele lui Nicolaus Co per nic (sistemul heliocentric al lumii), Galileo Galilei (pri mele observaţii telescopice), Johannes Kepler (legile mișcă rii planetelor) și Isaac Newton (legea atracţiei universale). Următoarea revoluţie în astronomie este legată de marile descoperiri din secolele XIX–XX: analiza spectrală, fotografia, undele radio, razele Röntgen și gama, deplasarea spre roșu a liniilor spectrale ale galaxiilor îndepărtate, interpretată ca expansiunea Universului, descoperirea quasarilor, pulsarilor și a stelelor neutronice, a radiaţiei radio cosmice de fond, care este un argument în favoarea teoriei Marii Explozii
(Big Bang) ș.a. Tabloul știinţific al lumii s-a întemeiat pe noile teorii ale spaţiului și timpului: teoria relativităţii restrânse și teoria relativităţii generalizate ale lui Einstein, care au produs o revoluţie în cosmologie. În prezent se prefigurează o nouă revoluţie în cosmo lo gie legată de materia întunecată, energia întunecată și rolul antigra vitaţiei, precum și de descoperirea în 1998 a expansiunii accelerate a Universu lui, care vor întregi în continuare tabloul știinţific al lumii
Niciun comentariu:
Trimiteți un comentariu