Fizica este o ştiinţă a naturii care studiază structura materiei, proprietăţile generale, legile de mişcare, formele de existenţă a materiei, precum şi transformările reciproce ale acestor forme.

         Fizica este înrudită cu celelalte ştiinţe ale naturii:

-         chimia se ocupă de interacţiunea atomilor de a forma molecule;

-         geografia modernă studiază fizica pământului (geofizica);

-         astronomia are legătură cu fizica stelelor şi a spaţiului interstelar;

-         biofizica şi biochimia studiază aceleaşi tipuri de legi.

Idei despre lumea fizicii datează din antichitate, dar, ca obiect de studiu, fizica a apărut la sfârşitul secolului al XIX-lea.

În antichitate, babilonienii şi egiptenii au observat mişcările planetelor, au prezis eclipsele, dar nu au reuşit să găsească legile care guvernează mişcările planetelor.

Civilizaţia greacă a adăugat foarte puţin la descoperirile anterioare, pentru  că au admis, fără a critica, ideile celor doi filosofi Platon şi Aristotel, care nu acceptau experimentele practice.

La Alexandria, Arhimede a făcut numeroase mecanisme practice. A inventat mecanismul pârghiei şi cel al înşurubării, a descoperit principiul măsurării densităţii corpurilor solide prin scufundarea lor în lichide.

Astronomul grec Aristarchus din Samos a măsurat proporţia distanţelor de la Pământ la Soare şide la Pământ la Lună.

Eratosthenes, matematician, astronom şi geograf, a determinat circumferinţa Pământului şi a desenat o hartă a stelelor; astronomul Hipparchus a descoperit succesiunea echinocţiilor; matematicianul şi geograful Ptolemeu a propus sistemul de mişcare planetară, în care Pământul era în centru, iar Soarele, Luna şi stelele se învârteau pe orbite circulare în jurul lui.

În perioada Evului Mediu, s-a încercat avansarea cercetărilor în ştiinţele naturii, dar nu s-a reuşit.

În timpul Renaşterii, s-au făcut încercări pentru a interpreta comportamentul stelelor.

Filosoful Nicolaus Copernicus a susţinut că planetele se mişcă în jurul Soarelui – sistemul heliocentric. El era convins că orbitele planetelor sunt circulare.

Astronomul german Johannes Kepler a confirmat teoria heliocentrică.

Galileo Galilei şi-a construit un telescop şi începând cu 1609, a confirmat sistemul heliocentric, prin observarea planetei Venus. El a descoperit suprafaţa neregulată a Lunii, primii patru sateliţi luminoşi ai lui Jupiter, pete pe Soare, multe stele din Calea Lactee.

În secolul al XVII-lea, Isaac Newton a enunţat principiile mecanicii, a formulat legea gravităţii universale, a separat lumina albă în culori, a propus teoria propagării luminii, a inventat calculul integral şi deferenţial. Prin descoperirile sale, a acoperit o suprafaţă enormă în ştiinţele naturii. A fost capabil să arate că atât legea lui Kepler a mişcării planetare cât şi descoperirile lui Galilei despre corpurile căzătoare sunt urmarea combinării celei de-a II-a legi a mişcării cu legea gravitaţiei dată de el. A prezis apariţia cometelor, a explicat efectul Lunii în producerea mareelor şi succesiunea echinocţiilor.

Principalele ramuri ale fizicii sunt: mecanica, electricitatea şi magnetismul, termodinamica, fizica atomică şi moleculară, mecanica cuantică, fizica nucleară.

Mecanica 

Legile lui Newton au dus la dezvoltarea mecanicii. Newton a avut o contribuţie majoră în descrierea forţelor în natură, în special a forţelor gravitaţionale.

Fizicienii de astăzi ştiu că mai există trei forţe fundamentale, în afară de cea a gravitaţiei: forţele electromagnetice, forţele de interacţiune nucleară şi forţele radioactivităţii.

Forţele gravitaţionale guvernează mişcarea planetelor şi poate fi responsabilă de posibilul colaps gravitaţional, care este ultimul ciclu din viaţa unei stele.

Masa gravitaţională a unui corp este proprietatea care determină răspunsul la orice forţă exercitată asupra corpului.

Forţa gravitaţiei este cea mai slabă dintre cele patru forţe ale naturii referitoare la particulele elementare.

În ciuda importanţei macroscopice, forţa gravitaţională rămâne slabă şi de aceea, corpurile trebuie să fie foarte mari ca să fie simţite de alt corp.

Legea gravitaţiei universale a fost dedusă din observaţiile mişcărilor planetelor, înainte de a fi verificate experimental. Demonstraţia experimentală a fost făcută de Henry Cavendish în 1771.

Matematicianul elveţian Leonhard Euler a formulat, pentru prima oară, ecuaţia mişcării pentru corpurile rigide, în timp ce Newton a lucrat cu mase concentrate într-un punct, care acţionau ca particule.

Electricitate şi magnetism

Deşi grecii antici ştiau proprietăţile electrostatice ale chihlimbarului, iar chinezii au făcut magneţi încă din 2700 î.Chr., experimentarea şi înţelegerea electricităţii şi a fenomenelor magnetice nu s-au realizat până la sfârşitul secolului XVIII. În 1785, fizicianul francez Augustin de Coulomb a confirmat, experimental, că sarcinile electrice se atrag şi se resping, conform unei legi similare cu cea a gravitaţiei. O particulă încărcată cu sarcină pozitivă, atrage o particulă încărcată cu sarcină negativă şi au tendinţa de a accelera una spre cealaltă. În 1800, fizicianul italian Alessandro Volta a descoperit bateria chimică.

Fizicianul german Georg Simon Ohm a descoperit existenţa unei proporţionalităţi simple şi constante între curentul continuu şi puterea electromotoare dată de baterie, cunoscută drept rezistenţa circuitului.

Concepţia istorică de magnetism, bazată pe existenţa unei perechi de poli încărcaţi cu sarcini opuse, a apărut în secolul al XVII-lea, datorită muncii lui Augustin de Coulomb.

Prima conexiune între magnetism şi electricitate a apărut ca urmare a experimentelor făcute de fizicianul şi chimistul olandez Hans Christian Oersted, care, în 1819, a descoperit că acul magnetic poate fi influenţat de o sârmă din apropiere, încărcată cu sarcină electrică.

Andre Marie Amper a arătat, experimental, că două fire electrice se atrag ca doi poli magnetici.

În 1831, Michael Faraday descoperă că, fără a fi conectat la o baterie, curentul electric poate fi indus într-un fir.

În 1887, Heinrich Rudolf Hertz, fizician german, a avut succes în generarea unor unde electromagnetice care se propagau în spaţiu cu viteza luminii. Aceste unde au fost produse cu ajutorul curentului electric. Astfel, s-au pus bazele radioului, radarului, televiziunii şi a altor forme de telecomunicaţie.

Propagarea lineară a luminii era cunoscută din antichitate. Grecii antici credeau că lumina este corpusculară. În secolul XVII, Isaac Newton a dat o teorie bazată pe proprietatea corpusculară a luminii. Robert Hooke – fizician şi Christiaan Huygens – astronom, matematician şi fizician, au propus o teorie de undă, dar nu s-a putut face nici un experiment pentru a demonstra oricare dintre cele două teorii, până la demonstraţia de interfaţă a luminii, realizată de Thomas Young, în prima parte a secolului XIX. O altă demonstraţie a fost făcută de fizicianul francez Fresnel, în favoarea teoriei de undă.

Termodinamica

A început să fie demonstrată de fizicieni în secolul XIX:

-         William Thomson (legea I a termodinamicii);

-         Nicolas Leonard Sadi Carnot (legea a II-a a termodinamicii, 1824);

-         Joseph Louis Gay-Lussac şi Jacques Alexandre Cezar-Charles (transformarea izobară, izocoră şi izotermă şi adiabată).

Teoria cinetică

Conceptul modern al atomului a fost propus de chimistul şi fizicianul britanic John Dalton în 1808.

Teoria lui Dalton a fost continuată şi definită de fizicianul şi chimistul italian Amedeo Avogadro în 1811, dar nu a fost acceptată decât peste 50 ani, când a pus bazele teoriei cinetice a gazelor.

În 1880, cele mai multe fenomene puteau fi explicate de mecanica newtoniană, teoria electromagnetică a lui Maxwel, termodinamică şi statistica mecanică a lui Boltzmann. 

Probleme precum determinarea proprietăţilor eterului şi explicaţia spectrului de radiaţii din solide şi gaze erau necunoscute. Aceste fenomene au pus baza unei revoluţii ştiinţifice. Au fost făcute o serie de descoperiri remarcabile ale ultimului deceniu al secolului al XIX-lea: descoperirea razelor X de către W. C. Roentgen în 1895; descoperirea electronului de către J. J. Thomson în 1895; a radioactivităţii de către A.H. Becquerel în 1896 şi a efectului fotoelectric de către Hertz, W. Hallwachs şi P.E. Alenard în perioada 1887-1889.

Toate aceste descoperiri au fost explicate în primii 30 de ani ai secolului XX prin teoria cuantică şi teoria relativităţii, punând bazele fizicii moderne.

Fizica modernă

Teoria relativităţii

În 1905, Albert Einstein a formulat teoria relativităţii. El a continuat şi definitivat experimentul făcut de Michelson-Morley.

În 1915, Einstein generalizează ipoteza sa şi formulează teoria generală a relativităţii, care se aplică tuturor sistemelor ce se accelerează unul faţă de celălalt.

Teoria cuantică

Spectrul emis de corpuri luminate a fost pentru prima dată explicat de fizicianul Max Planck.

Planck a făcut presupunerea că moleculele pot emite unde electromagnetice.

Fotoelectricitatea

Principalele aspecte ale fenomenului de fotoelectricitate sunt:

-         energia fiecărui fotoelectron depinde de frecvenţa luminii şi nu de intensitate;

-         rata emisiei de electroni depinde de intensitatea luminii şi nu de frecvenţă;

-         fotoelectronii sunt emişi imediat ce lumina atinge suprafaţa de emisie.

Aceste observaţii nu au putut fi explicate prin teoria electromagnetică a lui Maxwell.

Einstein a presupus în 1905 că lumina poate fi absorbită numai în fotoni. Fotonul dispare complet în procesul de absorbţie, iar toată energia lui se duce la un electron din metal. Cu această presupunere, Einstein a extins teoria cuantică dată de Planck, dând o importanţă deosebită dualităţii undă-particulă a luminii. Pentru aceasta, în 1921, Einstein a primit Premiul Nobel în fizică.

Razele X

Au fost descoperite de Roentgen şi au fost prezentate, în 1912, ca radiaţii electromagnetice de lungime foarte scurtă, de către fizicianul Max Theodor Felix von Lane şi colaboratorii săi.

Mecanismul producerii razelor X s-a arătat a fi un efect cuantic. În 1914, fizicianul britanic Henry Gwin-Jeffreis Moseley a folosit spectrograma de raze X pentru a dovedi că numărul atomic al elementelor este acelaşi cu poziţia sa în tabelul periodic al elementelor.

Mecanica cuantică modernă

A fost cercetată şi demonmstrată pentru prima dată între anii 1923-1930: Louis Victor (1923), Clinton Joseph Davisson, Lester Halbert Germer şi George Paget Thomson (experimentele din 1927) precum şi Werner Heisenberg, Max Born, Ernst Pascual Jordan şi Erwin Schrödinger.

Dezvoltarea fizicii din 1930 până în prezent

Dezvoltarea fizicii s-a bazat pe descoperirile fundamentale realizate până în 1930 şi pe evoluţia ulterioară a tehnologiei.

Radiaţiile cosmice

Au fost descoperite în 1911 de Victor Franz Hess. Acestea au fost cercetate mai bine odată cu lansarea în spaţiu a unui satelit artificial în 1959.

Fizica nucleară

În 1931, fizicianul american Harold Clayton Urey descoperă izotopul de hidrogen şi fabrică apa grea.

Fizicienii francezi Irene şi Frederic Joliot-Curie produc pentru prima oară nuclee radioactive artificiale (1933-1934).

Fizicianul englez Otto Robert Frisch a descoperit că unele nuclee de uraniu pot fi divizate în două, fenomen numit fisiune nucleară. În acelaşi timp, o energie enormă este eliberată, împreună cu o parte de neutroni. Aceste rezultate susţineau posibilitatea unei reacţii în lanţ, obţinută de Fermi şi colaboratorii săi în 1942, când a intrat în funcţiune primul reactor nuclear. Dezvotarea tehnologiei a fost foarte rapidă, astfel încât în 1945 a fost realizată bomba nucleară de către fizicianul american Robert-Oppenhelmer. În 1956, în Marea Britanie intră în funcţiune primul reactor nuclear pentru producerea energiei electrice.

Studiind energia stelelor, s-a dovedit că în interiorul acestora au loc o serie de reacţii nucleare, la temperaturi de milioane de grade. S-a observat, astfel, că patru nuclee de hidrogen se transformă într-un nucleu de heliu. Acest proces s-a numit fusiune nucleară. Aşa s-a creat bomba cu hidrogen, care s-a detonat, pentru prima oară, în 1952 şi s-a demonstrat a fi mai puternică decât bomba cu fisiune. Pentru realizarea temperaturii de fusiune, este necesară o bombă cu fisiune.

În 1993, la Universitatea Princeton s-a produs, într-un mediu controlat, reacţia de fusiune în scopul obţinerii energiei electrice.

Plasma

Plasma este orice substanţă (gaz, de obicei) ai cărei atomi au unul sau mai mulţi electroni pierduţi. Electronii detaşaţi rămân în volumul de gaz neionizat. Ionizarea poate avea loc dacă este introdusă energie în concentraţie mare.

Plasma este găsită, de exemplu, în surse de lumină umplute cu gaz (neoane) şi în spaţiul interstelar, unde hidrogenul este ionizat de radiaţii.

Lasere

Laserul, o descoperire recentă şi importantă, este prescurtarea de la “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiations”.

Laserul poate conţine gaze, lichide şi solide drept substanţă lucrătoare.

Un număr mare de atomi este ridicat la un nivel de energie foarte mare şi sunt forţaţi să elibereze această energie simultan, producând o lumină continuă. O tehnică similară este folosită în producerea microundelor.

Utilizarea laserului a fost dezvoltată în perioada 1950-1960 de către americanii Gordon-Gould şi Charles Hard Townes ş.a.

Laserul este astăzi foarte folosit în cercetare, comunicaţii, medicină, navigaţie, metalurgie, fusiune şi tăierea precisă a metalelor.