Storia della fisica
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Fin dall'antichità, le persone hanno provato a comprendere il comportamento della materia: perché gli oggetti non sostenuti cadono al suolo, perché materiali differenti hanno proprietà differenti, e così via. Un altro mistero ancora era la natura dell'Universo, come anche la forma della terra e il comportamento degli oggetti celesti come il Sole e la Luna. Furono proposte molte teorie, molte delle quali errate. Queste teorie erano formulate per lo più in termini filosofici, e mai verificate da una sistematica prova sperimentale come invece si usa fare oggi. Le conclusioni raggiunte da Tolomeo e Aristotele comunque, non sempre corrispondevano alle osservazioni quotidiane. C'erano eccezzioni e ci sono anacronismi: per esempio, i filosofi e astronomi indiani diedero molte descrizioni corrette nell'atomismo e nell'astronomia, e lo studioso Greco Archimede arrivò a molte descrizoini quantitative corrette di meccanica e idrostatica.
La disponibilità a mettere in dubbio le certezze precostituite e a cercare nuove risposte alla fine risultò in un periodo di maggiori progressi scientifici, oggi conosciuto come Rivoluzione Scientifica del tardo XVII secolo. I precursori della rivoluzione scientifica possono essere rintracciati nel passato fino agli importanti sviluppi raggiunti in India e in Persia, che includono il modello ellittico dei pianeti basato su un sistema solare eliocentrico di gravitazione sviluppato dal matematico-astronomo Aryabhata; l'idea di base della teoria atomica sviluppata dai filosofi Hindu e Jaina; la teoria che la luce sia composta da prticelle d'energia sviluppata dagli studiosi Buddisti Dignāga e Dharmakirti; la teoria ottica della luce sviluppata dallo scienziato Persiano Alhazen; l'Astrolabio inventato dal persiano Mohammad al-Fazari; e le significative debolezze del sistema tolemaico individuate dallo scienziato persiano Nasir al-Din al-Tusi.
Quando l'influenza del califfato islamico si estese in Europa, le opere di Aristotele conservate dagli Arabi, e le opere degli indiani e persiani, divennero conosciute in Europa a partire dal XII e XIII secolo.
[modifica] Fisica moderna
Molti storici (ad esempio Howard Margolis) ritengono che la rivoluzione abbia avuto inizio nel 1543, quando fu stampata la prima copia del De Revolutionibus di Nicolò Copernico (che per la maggior parte era stato scritto anni prima ma la sua pubblicazione era stata rimndata).
Altri progressi significativi si ebbero nel secolo successivo grazie a Galileo Galilei, Christiaan Huygens, Johannes Kepler, e Blaise Pascal. All'inizio del XVII secolo, Galileo aprì la strada all'uso della sperimentazione per validare le teorie fisiche, che è l'idea fondamentale del moderno metodo scientifico. Galileo formulò e sperimentò con successo svariati effetti in dinamica, in particolare il principio d'inerzia.
Questo infine portò alla rivoluzione scientifica che culminò con la pubblicazione del Philosophiae Naturalis Principia Mathematica nel 1687 del matematico, fisico, alchimista e inventore Isaac Newton (1643-1727).
Nei Principia Newton descrisse due vaste ed esaurienti teorie fisiche: i Principi della dinamica, sui quali si fonda la meccanica classica; e la legge di gravitazione universale, che descrive la forza fondamentale di gravità. Entrambe le teorie erano, e sono tuttora, verificabili sperimentalmente. Il Principia includeva anche alcune teorie riguardo la fluidodinamica. La meccanica classica fu riformulata ed estesa da Leonhard Euler, dal matematico francese Joseph-Louis Comte de Lagrange, dal fisico matematico irlandese William Rowan Hamilton, e da altri, che produssero nuovi risultati nella fisica matematica. Dalla legge di gravitazione universale nacque il campo dell'astrofisica, che descrive i fenomeni astronomici usando le teorie fisiche.
Dopo che Newton definì la meccanica classica, il successivo grande campo d'indagine della fisica fu la natura dell'elettricità. Osservazioni nel XVII e XVIII secolo da parte di scienziati come Robert Boyle, Stephen Gray, e Benjamin Franklin gettarono le fondamenta per i progressi successivi. Queste osservazioni sono alla base anche della nostra comprensione delle cariche elettriche e della corrente.
Nel 1821, il fisico e chimico inglese Michael Faraday integrò gli studi sul magnetismo con quelli sull'elettricità. Questo fu fatto dimostrando che un magnete in movimento induceva una corrente elettrica in un conduttore. Faraday formulò anche una concezione fisica dei campi elettromagnetici. James Clerk Maxwell costruì sopra questa concezione, nel 1864, una serie di 20 equazioni interconnesse che spiegavano le interazioni tra campi elettrici e magnetici. Queste 20 equazioni furono poi ridotte, usando il calcolo vettoriale, a una serie di quattro equazioni da Oliver Heaviside.
Oltre agli altri fenomeni elettromagnetici, le equazioni di Maxwell possono essere usate anche per descrivere la luce. La conferma di questa osservazione giunse nel 1888 con la scoperta del radio da parte di Heinrich Hertz e nel 1895 quando Wilhelm Roentgen rintracciò i raggi X. La capacità di descrivere la luce in termini elettromagnetici fornì un trampolino di lancio per Albert Einstein per pubblicare la sua teoria della relatività ristretta nel 1905. Questa teoria combina la meccanica classica con le equazioni di Maxwell. La teoria della relatività ristretta unifica lo spazio e il tempo in un'unica entità, lo spaziotempo. La relatività prescrive una trasformazione differente fra sistemi di riferimento inerziali rispetto alla meccanica classica; questo richiese lo sviluppo della meccanica relativistica per rimpiazzare quella classica. Nel regime delle velocità molto basse (rispetto a quella della luce), le due teorie portano agli stessi risultati. Einstein lavorò ulteriormente sulla teoria ristretta includendo la gravità nei suoi calcoli, e pubblicò la sua teoria della relatività generale nel 1915.
Una parte dela teoria della relatività generale consiste nell'Equazione di campo di Einstein. Questa descrive la curvatura dello spaziotempo, in funzione della densità di materia, dell'energia e della pressione, rappresentati tramite il tensore stress-energia, e forma la base della relatività generale. Ulteriori ricerche dul'equazione di campo di Einstein produssero risultati che predicevano il Big Bang, i buchi neri, e l'espansione dell'universo. Einstein credeva in un universo statico e provò (fallendo) a ritoccare le sue equazioni in questa direzione. Comunque, dal 1929 le osservazioni astronomiche di Edwin Hubble suggerirono che l'universo fosse in espansione.
Dalla fine del XVII secolo in poi, la termodinamica fu sviluppata dai fisici e chimici Robert Boyle, Thomas Young, e molti altri. Nel 1733, Bernoulli usò argomenti di statistica insieme alla meccanica classica per arrivare agli effetti termodinamici, facendo nascere il campo della meccanica statistica. Nel 1798, Benjamin Thompson dimostrò la conversione del lavoro meccanico in calore, e nel 1847 Joule cominciò a lavorare alla legge di conservazione dell'energia, nella forma di calore (energia termica) come in quella di energia meccanica. Ludwig Boltzmann, nel XIX secolo, è responsabile per la forma moderna della meccanica statistica.
Nel 1895, Wilhelm Röntgen scoprì i raggi X, che si rivelarono poi una radiazione elettromagnetica ad alta frequenza. La radioattività fu scoperta nel 1896 da Henri Becquerel, e successivamente studiata da Marie Curie, Pierre Curie, e altri. Da qui nacque il campo della fisica nucleare.
Nel 1897, Joseph J. Thomson scoprì l'elettrone, la particella elementare portatrice della corrente elettrica nei circuiti. Nel 1904, egli propose il primo modello di atomo, conosciuto come modello plum pudding(budino di prugne). (L'esistenza dell'atomo era stata proposta già nel 1808 da John Dalton.)
Queste scoperte rivelarono che l'assunzione da parte di molti fisici che l'atomo fosse l'unità base della materia aveva dei difetti, e incoraggiò ulteriori studi sulla struttura degli atomi.
Nel 1911, Ernest Rutherford dedusse di suoi esperimenti l'esistenza di un nucleo atomico compatto, con dei costituenti caricati positivamente chiamati protoni. I Neutroni, il costituente nucleare neutro, furono scoperti nel 1932 da James Chadwick. L'equivalenza di massa ed energia (Einstein, 1905) fu spettacolarmente dimostrata durante la seconda guerra mondiale, come ricerca sulla fisica nucleare condotta da entrambi gli schieramenti, con lo scopo di creare una bomba nucleare. Il tentativo tedesco, condotto da Heisenberg, non ebbe successo, ma gli Alleati, col Progetto Manhattan raggiunsero l'obbiettivo. In America, una squadra capeggiata da Enrico Fermi realizzò la prima reazione a catena nucleare nel 1942, e nel 1945 la prima bomba nucleare della storia fu detonata nel Trinity site, vicino Alamogordo, New Mexico.
Nel 1900, Max Planck la sua spiegazione della radiazione del corpo nero. Questa equazione suppone che i radiatori sono quantizzati in natura, con questo studio ebbe inizio la meccanica quantistica. Cominciando nel 1900, Planck, Einstein, Niels Bohr, e altri svilupparono teorie quantistiche per spiegare vari risultati sperimentali anomali introducendo livelli energetici distinti. Nel 1925, Werner Heisenberg e nel 1926, Erwin Schrödinger and Paul Dirac formularono la meccanica quantistica, che spiegava le precedenti teorie quantistiche euristiche. In meccanica quantistica, i risultati delle misurazioni fisiche sono inerentemente probabilistici; la teoria descrive il calcolo di queste probabilità. Descrive con successo il comportamento della materia in una scala di distanze molto piccola. Durante gli anni venti Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, e Max Born riuscirono a formulare un quadro coerente del comportamento chimico della materia, una teoria completa della struttura completa dell'atomo, come sottoprodotto della teoria dei quanti.
La Teoria quantistica dei campi fu formulata in modo da estendere la meccanica quantistica ad essere coerente con la relatività ristretta. Fu inventata verso la fine degli anni quaranta grazie al lavoro di Richard Feynman, Julian Schwinger, Sin-Itiro Tomonaga, e Freeman Dyson. Essi formularono la teoria dell'elettrodinamica quantistica, che descrive l'interazione elettromagnetica, e spiega con successo il Lamb shift. La teoria di campo quantistica fornì l'ossatura per la moderna fisica delle particelle, che studia le forze fondamentali e le particelle elemantari.
Chen Ning Yang e Tsung-Dao Lee, negli anni cinquanta, scoprirono una inaspettata asimmetria nel decadimento di una particella subatomica. Nel 1954, Yang e Robert Mills svilupparono poi una classe di teorie di scala che fornirono l'ossatura per comprendere le forze nucleari. la teoria per la forza nucleare forte fu proposta per primo da Murray Gell-Mann. La forza elettrodebole, l'unificazione della forza nucleare debole con l'elettromagnetismo, fu proposta da Sheldon Lee Glashow, Abdus Salam e Steven Weinberg. questo portò al cosiddeto Modello Standard della fisica particellare dgli anni settanta, che descrive con successo tutte le particelle elementari osservate fino a quel momento. Nel 1964, fu scoperta da James Watson Cronin and Val Fitch la simmetria CP.
La meccanica quantistica fornisce anche gli strumenti teorici per la fisica della materia condensata, la cui branca puù ampia è la fisica dello stato solido. essa studia il comportamento fisico dei solidi e dei liquidi, inclusi fenomeni come strutture cristalline, semiconduttività, e superconduttività. Fra i pionieri della fisica della materia condensata c'è Felix Bloch, che creò una descrizione in meccanica quantistica del comportamento degli elettroni in strutture cristalline nel 1928. Il transistor fu sviluppato dai fisici John Bardeen, Walter Houser Brattain e William Bradford Shockley nel 1947 presso i Bell Telephone Laboratories.
I due temi del XX secolo, relatività generale e meccanica quantistica, sembrano incompatibili. La relatività generale descrive l'universo nella scala di misura di pianeti e sistemi solari mentre la meccanica quantistica opera su scale subatomiche. Questa competizionbe è oggi attaccata dalla teoria delle stringhe, che considera lo spaziotempo compsto, non di punti, ma di oggeti monodimensionali, le stringhe appunto. Le stringhe hanno proprietà simili alle comuni stringhe che conoscamo (es. tensione e vibrazione). Le teorie sono promettenti, ma non hanno ancora effetti rilevabili. La ricerca della verifica sperimentale della teoria delle stringhe è tuttora in corso.
Le Nazioni Unite hanno dichiarato l'anno 2005, il centenario dell'annus mirabilis di Einstein, Anno Internazionale della Fisica.
