Evolutia istorica conceptelor, modelelor si metodelor de cercetare in fizica

Evolutia istorica conceptelor, modelelor si metodelor de cercetare in fizica

Fizica stiinta a naturii isi are originile in incercarile de descriere a realitatii din antichitate. Daca primele observatii asupra unor notiuni fundamentaleca: spatiul si timpul, au fost intalnite in forma empirica in filozofiile chineza si indiana, primele conceptii care au condus la dezvoltarea fizicii ca o invatatura ce sta la baza tuturor lucrarilor din natura apartin civilizatiei ; de fapt inclusiv denumirea de fizica (physis = natura) provine din limba greaca. Aceste conceptii introduse de Leucip si Democrit in anii 400 i.e.n. au introdus pentru prima data ideea conceptiei atomiste a naturii ulterior alte etape importante au fost constituite din : enuntarea sistemului geometric al universului de catre Ptolemeu, stabilirea legilor hidrostaticii ale lui Arhimede, conceptiile filozofice scolastice ale lui Aristotel. Tot greci le revine meritul formularii axiomatice a geometriei. Aceste rezultate au fost preluate mai tarziu de civilizatia araba in domeniul teoriei matematice sau de cea europeana in timpul renasterii cand datotita realizarilor majore ale gandirii umane a fost renuntarea la modelul geometric si adoptarea celui heliocentric, ca urmare a lucrarilor exceptionale ale unor savanti ca si Kopernic sau Galilei.

Sec XVII prin lucrarile lui Leonardo da Vinci si in special Galileo Galilei a reprezentat primul pas in fundamentarea triadei metodei de cercetare stiintifica cu enuntarea rolului hotarator al observatiei experimentale. Primele legi din mecanica descoperite DE CATRE Galilei (legile caderii corpurilor, principiul inertiei) au dus la recunoasterea rolului hotarator al experimentului in cercetarea stiintifica (in opozitie cu conceptiile lui Aristotel) si a fundamentat o conceptie denumita ulterior "mecanicista" in descrierea naturii ce a durat pana la sfarsitul sec. XIX si inceputul sec. XX.

Cateva dintre momentele esentiale ale acestei perioade au fost reprezentate de:

dezvoltarea teoriei cinetice a gezelor (E. Toricelli, R. Boyle, E. Mariotte)

descoperirea legilor reflexiei si refractiei luminii(R. Descartes)

primele studii asupra electricitatii (W. Gilbert)

enuntarea legilor fundamentale ale mecanicii de catre I. Newton in celebra sa lucrare "Principiile matematice ale filozofiei naturale" (1687). Acesta a reprezentat un moment de cotitura in dezvoltarea fizicii, fiind probabil prima lucrare ce a reusit realizarea unei teorii coerente incadrata in cadrul triadei cercetarii, bazata pe enuntarea unor legi in forma matematica

legea atracsiei universale (J. Keppler ssi I. Newton)

legea conservarii masei (A. Lavoisier)

descrierea matematica a mecanicii si fundamentarea asa numitei mecanici analitice (I. Euler, P. Laplace, J. d'Alembert, J. Lagrange)

incercari de descriere a electricitatii prin analogie mecanica (H. Cavendish, A. Coulomb) la inceputul sec. XIX odata cu dezvoltarea tehnologica si industriala a permis efectuarea unor experimente deosebite ce au deschis multiple directii noi de cercetare, ce au permis diferentierea ramurilor fizicii ca: mecanica, electricitatea si magnetismul, optica, termodinamica

Cateva dintre momentele esentiale in dezvoltarea diferitelor domenii ale fizicii, in sec. XIX, au fost:

in termodinamica. enuntarea legii conservarii (J.R. Mayor, J. Joule, H. Helmholtz), studiul masinilor termice si enuntarea principiului entropiei(R. Clasius, W. Thomson, S. Carest)

in optica. enuntarea teoriei ondulatorii (A. Young, J. Fresnel, F. Arogo, A. Fizeau)

unificarea studiilor din electricitate si magnetism si dezvoltarea teoriei electromagnetismului (H. O .. ted, A.M. Ampere, M. Faraday, J.C. Maxwell, H. Hertz, H.A. Lorentz)

crearea fizicii statice (J.C. Maxwell, L. Boltzmann)

Dezvoltarea deosebita a fizicii din sec. XIX a condu la acumularea unui bagaj impresionant de cunostiinte producandu-se acea acumulare cantitativa ce reclama saltul calitativ, nou, pentru descrierea naturii. Primele idei au aparut odata cu inceputul sec. XX cu descoperirea electronului (I.J. Thomson) si enuntarea modelului planetar al atomului (E. Rutherford, N. Bahr) precum si enuntarea unei teoriimicroscopice electronice a electromagnetismului (H.A. Lorentz) si a conceptiei discontinuum-ului si a cuantelor in fizica (M. Plank). Dar saltul calitativ ce a reprezentat un punct de cotitura in fizica marcat de abandonarea unor conceptii adanc inradacinate in fizica inca din lucrarile lui Galilei si Newton, a fost reprezentat de cele doua creatii teoretice stralucite ce au constituit baza fizicii moderne. teoria relativitatii restranse (1905) cu completarea teoriei relativitatii generale (1916) a lui Einstein si mecanica cuantica (P.A.M. Dirac, W. Heisenberg, L. De Broglic, E. Schrodinger, 1923-1939).

Formularea acestor doua teorii constituie o exemplificare clara a modului in care cazurile teoriei valabile intr-o modelare, nemaitrecand proba confruntarii cu experienta trebuiesc abandonate si inlocuite cu alte teorii ce au la baza modele imbunatatite si din care vechile teorii se reobtin in baza unui principiu al corespondentei.

Astfel, relativitatea galiteana a permis formularea unei teorii relativist - in variantae a mecanicii in clasa sistemelor de referinta inertiale. Toate teoriile din electromagnetism au esuat insa incercarea de a fi rescrise intr-o forma relativist-invariana bazata pe transformarile lui Galilei. Aceasta l-a condus pe Lorentz la enuntarea unui model teoretic bazat pe un mediu de propagare pentru campul electromagnetic "eter" aflat in repaus absolut, legat de notiunile absolute de spatiu si timp introduse de Newton. Imposibilitatea evidentierii experimentale a acestui mediu in experimentul celebru Michelson - Morley, l-a condus pe A. Einstein la o reanalizare a notiunilor de spatiu si timp. Acesta a ratat ca daca se inlocuiesc transformarile Galilei cu transformarile Lorentz, se poate da o descriere relativist-invariate atat a mecanicii cat si a electromagnetismului. Enuntarea noii teorii a inlocuit conceptiile absolute, newtoniene de spatiu, timp si simultaneitate cu conceptia unei viteze absolute de propagare a campului electromagnetic, toate notiunile amintite din fizica newtoniana privind un caracter relativ. Principiul de corespondenta al noii teorii ci vechea teorie l+a reprezentat faptul ca vechea teorie este valabila doar la viteze mult mai mici decat viteze de propagare a campului electromagnetic (v<<c); sau ecuatiile teoriei relativitatii restranse in cele newtoniene in limita c→∞. Ulterior. Teoria relativitatii generale a permis extinderea descrierii fizicii si la clasa sistemelor de referinta neinitiale si pe baza principiului echivalenti masei gravitationale cu cea inertiala Otvos la descrierea campului gravitational.

O cale oarecum similara a fost urmata si la construirea mecanicii cuantice. Aici ipoteza cuantelor de energie a lui Planek in teoria radiatiei de corpnegru, legile efectului fotoelectric Einstein dualismul unda-corpuscul de Broglie, precum si problemele nerezolvate lasate de modelele Bohr sau Rutherford in explicarea stabilitatii atomice au condus la adaptarea principiului de incertitudine a lui Heisenberg ce a stat la baza constructiei teoretice numita mecanica cuantica ce a eliminat definitiv din gandirea fizica determinismul din mecanica clasica. Si aceasta noua teorie verifica principiul de corespondenta cu vechea teorie, in sensul ca vechea teorie este valabila doar in domeniul macroscopic ca o aproximatie suficienta pentru acest domeniu a teoriei microscopice corecte, cea cuantica. (Din puct de vedere matematic, ecuatiile mecanicii cuantice trec in cele ale mecanicii clasice la limita ).