Η ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΗΣ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ…

Από τον Αριστοτέλη στον Αϊνστάιν!Από τον Αριστοτέλη στον Αϊνστάιν!

Η ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΗΣ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΑΠΟ ΤΟΝ ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΗ… ΣΤΟΝ ΑΙΝΣΤΑΙΝ

Από την εποχή που ο άνθρωπος εμφανίστηκε πάνω στη Γη άρχισε να αναρωτιέται για το πώς δημιουργήθηκε ο ίδιος και ο κόσμος στον οποίο ζει καθώς και για το ποιες δυνάμεις και νόμοι διέπουν τα φυσικά φαινόμενα που παρατηρεί γύρω του.

Οι αρχαίοι Έλληνες, ήταν ιστορικά οι πρώτοι άνθρωποι που επιχείρησαν μια διεξοδική έρευνα του Σύμπαντος, βασιζόμενοι στον ορθολογισμό και χωρίς να επιζητήσουν τη βοήθεια της διαίσθησης, της έμπνευσης ή της αποκάλυψης, και γι’ αυτό ονομάστηκαν φιλόσοφοι.

Η ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΗΣ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΑΠΟ ΤΟΝ ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΗ… ΣΤΟΝ ΑΙΝΣΤΑΙΝ

Ο πιο γνωστός εκπρόσωπος της πρώτης τάσης στην αρχαία Ελλάδα ήταν ο Πλάτωνας, μαθητής του μεγάλου Σωκράτη, ενώ ο πιο γνωστός εκπρόσωπος της δεύτερης ήταν ο Αριστοτέλης, μαθητής του Πλάτωνα. Όσοι ακολούθησαν το δρόμο του Αριστοτέλη, ονομάστηκαν φυσικοί φιλόσοφοι, και η μελέτη των φαινομένων της φύσης συνεχίστηκε να ονομάζεται Φυσική Φιλοσοφία. Η σύγχρονη έκφραση που χρησιμοποιείται στη θέση της, Φυσική Επιστήμη ή απλά Επιστήμη δεν καθιερώθηκε πρόσφατα, αλλά μόλις τον δέκατο ένατο αιώνα η λέξη Φυσική, στην αρχική της έννοια ,περιλάμβανε όλους του κλάδους των φυσικών επιστημών.

Τι πίστευε ο Αριστοτέλης; Ο Αριστοτέλης υποστήριζε ότι κέντρο

του Σύμπαντος είναι η Γη και ότι τα βασικά είδη της ύλης, τα οποία ονόμαζε "στοιχεία", ήταν τέσσερα: το χώμα, το νερό, ο αέρας και η φωτιά. Καθένα από τα στοιχεία είχε τη φυσική του θέση στο Σύμπαν. Το στοιχείο "χώμα", το οποίο περιέχεται σε όλα τα στερεά σώματα γύρω μας, είχε για φυσική θέση το κέντρο του Σύμπαντος. Έτσι όλη η στερεή ύλη συγκεντρώθηκε στο κέντρο του Σύμπαντος και δημιούργησε τον κόσμο στον οποίο ζούμε.

Συνεπώς, η Φυσική του Αριστοτέλη… … είναι ποιοτική και καθόλου

ποσοτική. Πίστευε ότι η ποσοτικοποίηση της φυσικής είναι αδύνατη και γι  αυτό το λόγο δεν πραγματοποίησε πειράματα. Όσον αφορά την κίνηση που εδώ μας ενδιαφέρει βασίστηκε στις αισθήσεις και ποτέ δεν διανοήθηκε να προχωρήσει σε «νοητά πειράματα» όπως πρώτος έκανε ο Γαλιλαίος το 17ο αιώνα. Η Αριστοτελική θεωρία της κίνησης, απλοϊκή και κατανοητή, δεν άντεξε στον πειραματικό έλεγχο και γι αυτό το λόγο κατέρρευσε.

Σύμφωνα με αυτή, ελαφρά αντικείμενα, όπως φτερά, φύλλα και νιφάδες χιονιού πέφτουν αργά, ενώ οι πέτρες και τα τούβλα πέφτουν γρήγορα. Αν με B παραστήσουμε το βάρος ενός σώματος και με v την ταχύτητα πτώσης του, τότε η υπόθεση της φυσικής θέσης εκφράζεται μαθηματικά με τη σχέση:

v = ds/dt = k B Ενώ βέβαια σήμερα γνωρίζουμε ότι η

μαθηματική σχέση που περιγράφει σωστά το φαινόμενο είναι o δεύτερος νόμος του Νεύτωνα

g = d2s/dt2 = [1/m] B.

Είμαστε ακίνητοι τελικά ή μήπως έτσι νομίζουμε;

Ένα από τα πρώτα φαινόμενα που απασχόλησαν τα ανήσυχα πνεύματα των αρχαίων Ελλήνων φυσικών φιλοσόφων ήταν η ΚΙΝΗΣΗ.

ΔΗΛΑΔΗ;;;

Ελληνιστική και Ρωμαϊκή Εποχή Οι φυσικές επιστήμες

συνέχισαν να αναπτύσσονται από τους φυσικούς φιλοσόφους του ελληνικού πνεύματος (Έλληνες ή απλά ελληνοσπουδασμένους) και στην ελληνιστική περίοδο, τόσο στη μητροπολιτική Ελλάδα όσο και, κυρίως, στην περιφέρεια. Μεγάλα πνευματικά κέντρα της εποχής υπήρξαν ιδιαίτερα η Μεγάλη Ελλάδα (Νότια Ιταλία και Σικελία), η Αίγυπτος και η Συρία.

Τι καινούριο παρουσιάζεται στην έρευνα αυτή την εποχή;

Αξίζει μάλιστα να σημειωθεί ότι την εποχή αυτή αρχίζει να εμφανίζεται δειλά η πρώτη προσπάθεια εισαγωγής του πειράματος με διπλό στόχο: πρώτον τη συλλογή αποτελεσμάτων για τη διατύπωση φυσικών νόμων και δεύτερον τον έλεγχο των θεωριών.

Eureka…Eureka!!! Ο Αρίσταρχος, που γεννήθηκε στη Σάμο

και έζησε στην Αλεξάνδρεια (310 – 230 π.Χ.), μέτρησε τις αποστάσεις Γης-Σελήνης και Γης-Ηλίου καθώς και το λόγο των ακτίνων των δύο αυτών σωμάτων.

Ο Αρχιμήδης έζησε στις Συρακούσες (287-212 π.Χ.) και η σπουδαιότερη ανακάλυψή του ήταν η πειραματική κατανόηση του φαινομένου της άνωσης.

Το φαινόμενο της άνωσης… Ο Αρχιμήδης έζησε

στις Συρακούσες (287-212 π.Χ.) και η σπουδαιότερη ανακάλυψή του ήταν η πειραματική κατανόηση του φαινομένου της άνωσης.

Η προσφορά των Ρωμαίων Οι Ρωμαίοι έδιναν μεγαλύτερη σημασία

στην πρακτική πλευρά της ζωής παρά στην κατανόηση της φύσης και των νόμων της.

Η περίπτωση του Βιτρουβίου και του Λουκρητίου.

Ο Βιτρούβιος (πρώτος αιώνας π.Χ.) κωδικοποίησε τις απόψεις των Ελλήνων για τη Μετεωρολογία και ο Λουκρήτιος (95 – 55 π.Χ.), μεταξύ άλλων, υιοθέτησε και διέδωσε την ατομική θεωρία του Δημόκριτου, ενεργώντας ως «γέφυρα» μεταξύ Δημόκριτου και Ντάλτον, δηλαδή του πρώτου εισηγητή της ατομικής θεωρίας και αυτού που επανέφερε την ιδέα των ατόμων στη σύγχρονη Φυσική.

Βυζαντινή εποχή- Ο Φιλόπονος Σήμερα γνωρίζουμε ότι

ο Φιλόπονος ήταν ο πρώτος που πρότεινε τη διενέργεια ενός πειράματος για τη μέτρηση του χρόνου πτώσης αντικειμένων με διαφορετικό βάρος.

Αναγέννηση Η κατάσταση

στασιμότητας άλλαξε ριζικά με την Αναγέννηση. Οι άνθρωποι άρχισαν να αναζητούν το καινούργιο σε όλες τις δραστηριότητές τους και στο γενικό αυτόν κανόνα δεν αποτέλεσαν εξαίρεση οι φυσικές επιστήμες.

Ο Γαλιλαίος… Ιδρυτής της σύγχρονης Επιστήμης

θεωρείται από όλους αδιαμφισβήτητα ο Γαλιλαίος (Galileo Galilei, 1564-1642), επειδή ήταν ο πρώτος που εισήγαγε επίσημα το πείραμα στην επιστημονική σκέψη.

Aνακάλυψε ότι.. ότι η Σελήνη έχει βουνά, ότι η

Αφροδίτη έχει φάσεις, όπως η Σελήνη, και ότι γύρω από τον πλανήτη Δία περιφέρονται τέσσερις δορυφόροι. Η καθεμιά από τις τρεις παραπάνω παρατηρήσεις ίσως και να μπορούσε να ερμηνευθεί με τη βοήθεια της Αριστοτελικής θεωρίας ότι η Γη αποτελεί το κέντρο του ηλιακού συστήματος, όμως οι τρεις μαζί, σε συνδυασμό και με τις παρατηρήσεις του Κοπέρνικου και τους υπολογισμούς του Κέπλερ, τον έπεισαν ότι κέντρο του ηλιακού συστήματος ήταν ο Ήλιος.

ΟΙ ΒΑΣΙΚΕΣ ΥΠΟΘΕΣΕΙΣ ΤΟΥ ΓΑΛΙΛΑΙΟΥ ΓΙΑ ΤΗΝ ΚΙΝΗΣΗ ΚΑΙ ΤΗΝ ΒΑΡΥΤΗΤΑ

Σύμφωνα με την παράδοση ο Γαλιλαίος εκτελώντας πειράματα ελεύθερης πτώσης από τον πύργο της Πίζας κατέληξε στο συμπέρασμα ότι: «κάθε σώμα που αφήνεται να πέσει υπό την επίδραση του βάρους του αποκτά ίδια σταθερή επιτάχυνση, ανεξάρτητα της μάζας του, και σε κάθε στιγμή η απόσταση που διανύει είναι ανάλογη του τετραγώνου του παρελθόντος χρόνου».

Η προσφορά του Γαλιλαίου Προσέφερε δύο

σημαντικές υπηρεσίες στην επιστήμη: τη θεμελίωση του τμήματος της Μηχανικής που ονομάζεται Κινηματική και την επιβεβαίωση της ηλιοκεντρικής θεωρίας.

Στην Πάντοβα πραγματοποίησε ακόμη το μεγαλύτερο μέρος των πειραμάτωνΜηχανικής:

Εισήγαγε μία μέθοδο μελέτης κίνησης, η οποία βασίζεται σε δύο νέες ιδέες

(α) την περιγραφή της θέσης ενός σώματος ως προς ένα σύστημα αναφοράς, με τη βοήθεια των συντεταγμένων, την οποία διατύπωσε με αυστηρά μαθηματικό τρόπο

(β) τους κανόνες μετασχηματισμού της θέσης και της ταχύτητας ενός σώματος, όταν αλλάζουμε σύστημα αναφοράς, από το αρχικό σύστημα σε ένα άλλο πουκινείται με ταχύτητα v0 ως προς το πρώτο, δηλαδή x' = x – vt και v´ = v + v0 .

Την ίδια εποχή με το Γαλιλαίο, ο Κέπλερ… διατυπώνει

μαθηματικές - ποσοτικές σχέσεις για την κίνηση των πλανητών.  

Ο Ισαάκ Νεύτων- ο πατέρας της Δυναμικής!

Ως εξαιρετικός μαθηματικός, ανακάλυψε τις έννοιες της παραγώγου και του ολοκληρώματος, οι οποίες αποτελούν τη βάση του Απειροστικού Λογισμού (Calculus),

ως εξαιρετικός φυσικός, χρησιμοποίησε αυτές τις έννοιες στην διατύπωση των νόμων της κίνησης υπό την επίδραση δύναμης.

Η Μηχανική του Νεύτωνα βασίζεται σε τρία αξιώματα: Κάθε σώμα, στο οποίο δεν ασκούνται

δυνάμεις, εξακολουθεί να μένει ακίνητο ή να κινείται ευθύγραμμα και ομαλά.

Η μεταβολή της ορμής είναι ανάλογη της κινητήριας δύναμης και κατά τη διεύθυνση αυτής.

Σε κάθε δράση αντιτίθεται πάντα μία ίση και αντίθετη αντίδραση.

Και; Έγραψε διαφορικές εξισώσεις που περιγράφουν την κίνηση…

Εισαγωγή στη θεωρία της Παγκόσμιας έλξης . Η θεωρία της βαρύτητας του Νεύτωνα οδήγησε

στη διατύπωση του νόμου της Παγκόσμιας Έλξης. Ενώ η θεωρία του για τη βαρύτητα αποδείχθηκε στη συνέχεια από τον Αϊνστάιν ότι είναι σωστή μόνο προσεγγιστικά, ως το όριο της Γενικής Θεωρίας Σχετικότητας για μικρές μάζεςκαι ταχύτητες, η εξίσωση F = dp/dt για την κίνηση (με τον τρόπο που την είχε γράψει αυτός και όχι όπως συνηθίζεται να γράφεται σήμερα) αποδείχθηκε σωστή ακόμη και στο πλαίσιο της Ειδικής Θεωρίας της Σχετικότητας!

Ταυτόχρονα… Λύθηκε το πρόβλημα της κίνησης

των πλανητών γύρω από τον Ήλιο.

Η θεωρία της βαρύτητας θεμελιώθηκε αξιωματική υιοθέτηση του νόμου της δύναμης που ακολούθησε ο ίδιος, και με ένα άλλο αξίωμα, το οποίο εισήγαγε ο Γκάους. Σύμφωνα με το αξίωμα αυτό η τιμή του ολοκληρώματος της επιτάχυνσης της βαρύτητας, g, πάνω σε μια κλειστή επιφάνεια S ισούται με τη μάζα που περιβάλλεται από αυτήν την επιφάνεια επί την παγκόσμια σταθερά της βαρύτητας, δηλαδή

∫g dS = π GM

Ο Χόιχενς…-Ένας αντίπαλος του Νεύτωνα.

Εισήγαγε την έννοιας της ροπής αδρανείας, η οποία παίζει ρόλο αντίστοιχο με αυτόν της μάζας στην εξίσωση της περιστροφικής κίνησης ενός στερεού σώματος. Πέρα από αυτό, ο Χόιχενς είχε δύο άλλες βασικές συνεισφορές στη θεμελίωση της Μηχανικής:

(α) διατύπωσε την αρχή της διατήρησης της ορμής ενός συστήματος σωμάτων και, με τη βοήθειά της, διατύπωσε τους νόμους που περιγράφουν την κρούση δύο σωμάτων και

(β) υπολόγισε τη φυγόκεντρο δύναμη στην ομαλή κυκλική κίνηση και, με τη βοήθεια αυτού του αποτελέσματος, κατανόηση τη επίδραση του γεωγραφικού πλάτους στην τιμή της επιτάχυνσης της βαρύτητας, g(φ), στην επιφάνεια της Γης.

‘Δεν πολεμάς το σκοτάδι με σκοτάδι. Μόνο με το φως μπορείς...’

Αποδείχτηκε από το Νεύτωνα με μια σειρά ιστορικά πειράματα ότι το λευκό φως είναι μείγμα των επτά βασικών χρωμάτων της ίριδας.

Το πείραμα του Νεύτωνα βασίστηκε στην ιδιότητα ενός πρίσματος να διαθλά κατά διαφορετική γωνία τα διάφορα χρώματα.

Κατέληξε στο συμπέρασμα ότι τα χρώματα της ίριδας είναι βασικά ενώ το λευκό φως δεν είναι βασικό, αλλά αποτελείται από μείγμα χρωμάτων.

Από τύχη όλα αλλάζουν στη επιστήμη… Ο Φραουνχόφερ, με έκπληξή του διαπίστωσε ότι,

όταν χρησιμοποιούσε για πηγή φωτός το φως του Ήλιου, δεν έπαιρνε μόνο το συνεχές φάσμα, που όλοι γνώριζαν από την εποχή του Νεύτωνα, αλλά και σκοτεινές γραμμές, οι οποίες δεν είχαν γίνει αντιληπτές λόγω της μικρής διακριτικής ικανότητας των πρισμάτων που ήταν διαθέσιμα μέχρι τότε. Αυτό θα αποτελέσει αργότερα τη βάση για την κβαντική ερμηνεία του φαινόμενου.

Τόμας Γιανγκ… Άγγλος φυσικός Τόμας Γιαγκ

(Thomas Young, 1773-1829) απέδειξε αδιαμφισβήτητα την κυματική φύση τουφωτός, πραγματοποιώντας το γνωστό πείραμα των δύο σχισμών, κατά το οποίο φως από δύο σχισμές συμβάλλει σε μια οθόνη απέναντι από αυτές και δημιουργεί κροσσούς συμβολής. Με τη βοήθεια της θεωρίας του Χόιχεν υπολόγισε την απόσταση μεταξύ δύο κροσσών ως συνάρτηση της απόστασης μεταξύ των δύο σχισμών και της απόστασης της οθόνης από αυτές.

Κυματική οπτική… Η μαθηματική θεμελίωση της

κυματικής Οπτικής έγινε από τον Φρενέλ.

Αποφάσισε να επιλέξει για τρίτη φορά ένα πρόβλημα Οπτικής, αυτό της περίθλασης του φωτός από έναν αδιαφανή κυκλικό δίσκο. Το αποτέλεσμά του είχε απρόσμενα μεγάλη επίδραση στη Φυσική, αφού αποτέλεσε την οριστική απόδειξη ότι το φως είναι κυματικό φαινόμενο.

Μηχανική-Οπτική-Ηλεκτρομαγνητισμός.

Η αρχή του Φερμά (Pierre de Fermat, 1601-1665),συνδεει την αναλυτική Μηχανική με την Οπτική.

Με το αξίωμα που διατυπώνει γίνεται αργότερα κατανοητό ότι το φως είναι ένα είδος ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.

Σημαντικές εφευρέσεις πάνω στον ηλεκτρισμό. Σημαντική πρόοδος στη μελέτη των ηλεκτρικών φαινομένων άρχισε

μετά την εφεύρεση της πρώτης μηχανής παραγωγής στατικού ηλεκτρισμού από τον Όττο φον Γκέρικε (Otto von Guericke, 1602-1686).

Στη συνέχεια ανακαλύφθηκε η ηλέκτριση δι’ αγωγής, παρατηρώντας ότι οι ηλεκτρικές ιδιότητες μιας ηλεκτρισμένης (με τριβή) γυάλινης ράβδου μπορούν να μεταφερθούν στο φελλό και στο ξύλο, αν αυτά έρθουν σε επαφή με τη ράβδο από τον του Άγγλου Στίβεν Γκρέι (Stephen Grey, 1666-1736).

Λίγο αργότερα ανακάλυφθηκε από το Σαρλ Ντιφέ (Charles du Fay, 1698-1739) η διαφορά μεταξύ θετικού και αρνητικού ηλεκτρισμού. Τους ονόμασε υαλώδη καιρητινώδη, αντίστοιχα, επειδή εμφανιζόταν με την τριβή του γυαλιού ή τουκεχριμπαριού.

Η προσφορά του Βενιαμίν Φραγκλίνου…

Τελευταίος στη σειρά των επιστημόνων που συνεισέφεραν στην πειραματική θεμελίωση των ιδιοτήτων του ηλεκτρισμού ήταν ο Αμερικανός Βενιαμίν Φραγκλίνος (Benjamin Franklin, 1706-1790).

Ο Φραγκλίνος διαπίστωσε πειραματικά ότι τα δύο είδη του ηλεκτρισμού που είχε βρει ο Ντιφέ ήταν στην πραγματικότητα απλώς αντίθετα, αφού όταν έρχονται σε επαφή σώματα ηλεκτρισμένα με διαφορετικό είδος ηλεκτρισμού, προκαλείται σπινθήρας καιτα σώματα παύουν να είναι ηλεκτρισμένα. Έτσι κατέληξε στο σωστό συμπέρασμα ότι σε ένα σώμα υπάρχουν, υπό κανονικές συνθήκες, ίσες ποσότητες από καθένα από τα δύο είδη ηλεκτρισμού.

Ο νόμος της ηλεκτροστατικής έλξης: Κουλόμπ

Ο Νόμος του Κουλόμπ που διατυπώθηκε από τον Γάλλο φυσικό Σαρλ Ογκυστέν ντε Κουλόμπ, αναφέρεται τόσο στον μαγνητισμό όσο και στον ηλεκτρισμό, και είναι αυτός που παρέχει το μέτρο της ασκούμενης κάθε φορά δύναμης μεταξύ δύο ποσοτήτων μαγνητισμού ή ηλεκτρισμού αντίστοιχα.

Θεωρώντας δύο σημειακές ποσότητες μαγνητισμού m1 και m2 και ότι βρίσκονται μεταξύ τους σε μια απόσταση r, τότε σύμφωνα με τον "Νόμο του Κουλόμπ":

Το μέτρο της δύναμης (ελκτικής ή απωστικής) που ασκείται μεταξύ των δύο σημειακών ποσοτήτων μαγνητισμού είναι ανάλογο προς το γινόμενο αυτών και αντιστρόφως ανάλογο προς το τετράγωνο της μεταξύ τους απόστασης.

Μεταξύ φορτισμένων σωματιδίων που βρίσκονται ακίνητα (ή σχεδόν ακίνητα), αναπτύσσονται ηλεκτρικές δυνάμεις που προκαλούνται από αυτά και ονομάζονται ηλεκτροστατικές.

.

Κίρχοφ …ποιος μπορεί να προβλέψει τι θα ακολουθήσει;

Ο Κίρχοφ διατύπωσε τους τρεις γνωστούς σήμερα νόμους της φασματοσκοπίας.

Και οι τρεις νόμοι ερμηνεύονται πολύ απλά από την κβαντική θεωρία, ο τρίτος όμως έχει ιδιαίτερη σημασία, επειδή καθοδήγησε τον Πλανκ (Max Karl Ernst Ludwig Planck, 1858-1947) στη μαθηματική διατύπωση της φασματικής κατανομής τουφωτός που εκπέμπει το μελανό σώμα, γεγονός που αποτέλεσε και την απαρχή της κβαντικής θεωρίας.

Ηλεκτρικό ρεύμα… Κατασκευάστηκε από τον

Αλεσάντρο Βόλτα η πρώτη ηλεκτρική στήλη η οποία αποτέλεσε τον προγονό της μπαταρίας, του οργάνου πάνω στο οποίο βασίστηκε η μελέτη των ηλεκτρικών ρευμάτων για πολλές δεκαετίες πριν από την εφεύρεση της ηλεκτρικής γεννήτριας από τον Φαραντέι.

Η συμβολή του Φαραντέι… Ερεύνησε το φαινόμενο της ηλεκτρόλυσης. Η βασική συνεισφορά του Φαραντέι στη Φυσική ήταν η

πειραματική θεμελίωση του Ηλεκτρομαγνητισμού, πάνω στην οποία στηρίχθηκε ο Μάξγουελ για να διατυπώσει την θεωρητική-μαθηματική περιγραφή του.

Οι νόμοι του Φαραντέι βοήθησαν στην αποδοχή της ατομικής θεωρίας, που είχε διατυπώσει ο σύγχρονος του Φαραντέι Άγγλος χημικός Τζον Ντάλτον (John Dalton, 1766-1844) αλλά καθοδήγησαν τη σκέψη μεταγενέστερων φυσικών στη διατύπωση του ατομικού μοντέλου και στην ανακάλυψη του ηλεκτρονίου.

Νέες εφαρμογές στο ηλεκτρικό ρεύμα! Πολύ σημαντικότερη εφαρμογή

του ηλεκτρικού ρεύματος, πέρα από την ηλεκτρόλυση, ήταν η ανακάλυψη του φαινομένου της δημιουργίας μαγνητικού πεδίου από κινούμενα φορτία από Δανό καθηγητή της Φυσικής Χανς Κρίστιαν Έρστεντ.

Λίγο αργότερα ο Αραγκό διατυπώσε το νόμο που περιγράφει τη δύναμη η οποία εξασκείται μεταξύ δύο ρευμάτων. Καταρχήν έκανε τη σημαντική διαπίστωση ότι η μαγνητική δύναμη μπορεί να αναπτυχθεί όχι μόνο μεταξύ ρεύματος και μετάλλου αλλά και μεταξύ δύο ρευμάτων.

Ηλεκτρομαγνητισμός… Το φαινομενο του

ηλεκτρομαγνητισμου περιγραφηκε μαθηματικα από τον Αμπέρ (André Marie Ampère, 1775-1836).

Με τι ασχολήθηκε ο Μάξγουελ;

- Υιοθέτησε την έννοια του πεδίου, την οποία εισήγαγε στη Φυσική ο Φαραντέι, και την ενσωμάτωσε στη μαθηματική περιγραφή του Ηλεκτρομαγνητισμού.

αναγνώρισε την ηλεκτρομαγνητική φύση του φωτός,

εισήγαγε ένα βασικό διανυσματικό μέγεθος στη μαθηματική θεμελίωση του ηλεκτρομαγνητισμού, το οποίο τότε ονόμασε και αυτός ηλεκτροτονική κατάσταση αλλά σήμερα το ονομάζουμε διανυσματικό δυναμικό του μαγνητικού πεδίου.

Μετά από τη διατύπωση τωνεξισώσεων του Μάξγουελ, προκύπτει…

ότι για τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα δεν ισχύουν οι μετασχηματισμοί (χώρου και χρόνου) του Γαλιλαίου και, άρα, ο Ηλεκτρομαγνητισμός είναι ασύμβατος με τις βασικές αρχές της Κινηματικής!

Αποτελούν απλά συνέπεια της Ειδικής Θεωρίας της Σχετικότητας του Αϊνστάιν και, ειδικότερα, της νέας άποψης που εισήγαγε ο μεγάλος αυτός επιστήμονας για τη σύνδεση χώρου και χρόνου σε μια ενιαία γεωμετρική δομή, τον χωροχρόνο.

Αναλυτική ΜΗΧΑΝΙΚΗ!! Ο Λαγκράνζ εισήγαγε , μέσω της Αναλυτικής

Μηχανικής, την έννοια του δυναμικού. Ο Λαπλάς έγραψε την εξίσωση που συνδέει το

δυναμικό σε μια περιοχή του χώρου με τη μάζα σ’ αυτήν την

Ο Πουασόν επέκτεινε το αποτέλεσμα του Λαπλάς για την περίπτωση που η μάζα στην περιοχή αυτή δεν είναι μηδενική.

Σε 100 χρόνια από το θάνατο του Νεύτωνα… εμφανίστηκαν άλλες δύο θεωρίες Δυναμικής Μηχανικής!

Η βαθμωτή συνάρτηση του Λαγκράνζ παριστάνεται συνήθως με L και στις απλούστερες περιπτώσεις ισούται με τη διαφορά της κινητικής μείον τη δυναμική ενέργεια του συστήματος, οπότε παριστάνεται συμβολικά με τη σχέση

L = T − V. Η βαθμωτή συνάρτηση του

Χάμιλτον παριστάνεται συνήθως με H και στις απλούστερες περιπτώσεις ισούται με το άθροισμα της κινητικής και δυναμικής ενέργειας του συστήματος (δηλαδή με τη συνολική μηχανική ενέργεια), οπότε παριστάνεται συμβολικά με τη σχέση

H = T + V.

Όλα συνδέονται… Οι εξισώσεις του Λακγράνζ, του Λαπλάς και

του Πουασόν συνδέουν την επιτάχυνση της βαρύτητας με την κατανομή της ύλης μέσα από σχέσεις που περιέχουν ολοκληρώματα, οδηγώντας τους φυσικούς σε μια εναλλακτική θεμελίωση της θεωρίας της βαρύτητας.

Ο δρόμος προς την Κβαντομηχανική. Η Μηχανική του

Λαγκράνζ έχει εφαρμογή στη Γενική Θεωρία Σχετικότητας και η Μηχανική του Χάμιλτον στη Κβαντομηχανική.

ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ ΚΑΙ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ… τι σχέση έχουν με τη Φυσική;

Η έρευνα σε αυτόν το νέο κλάδο της Φυσικής αναπτύχθηκε κυρίως από χημικούς, αφού αρχικό αντικείμενό του ήταν, η θεωρητική ερμηνεία της φοράς των χημικών αντιδράσεων.

Μόνο μετά από τις επιτυχίες της Θερμοδυναμικής, προσπάθησαν οι φυσικοί να κατανοήσουν τη σχέση της με την υπόλοιπη Φυσική. Επειδή όλη η Θερμοδυναμική βασίζεται σε τρία αξιώματα, προέκυψε το ερώτημα τι σχέση έχουν αυτά με τα αξιώματα στα οποία βασίζεται η υπόλοιπη Φυσική και, ειδικότερα, αν τα αξιώματα της Θερμοδυναμικής μπορούν να αποδειχθούν με βάση τα αξιώματα της Μηχανικής.

Στο πλαίσιο αυτής της προσπάθειας, και μετά τη γενική αποδοχή της ατομικής σύστασης της ύλης, έγινε κατανοητό ότι η Θερμοδυναμική είναι στενά συνδεδεμένη με τη Φυσική των τελείων αερίων (στην οποία τα αέρια θεωρούνται ότι αποτελούνται από «σκληρά» σωματίδια, που αλληλεπιδρούν μόνο με ελαστικές κρούσεις).

Αρχή διατήρησης της ενέργειας Το πρώτο "λογικό" συμπέρασμα της

ενεργειακής φύσης της θερμότητας σίγουρα είναι το λεγόμενο πρώτο θερμοδυναμικό αξίωμα, η αρχή της διατήρησης της ενέργειας, σύμφωνα με το οποίο η ενέργεια δεν μπορεί να δημιουργηθεί από το τίποτα ούτε και μπορεί να εξαφανιστεί.

Τζάουλ = θερμότητα… Βρήκε (το 1840) ότι η

θερμότητα που αναπτύσσεται σε ένα σύρμα, όταν αυτό διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα, είναι ανάλογη του τετραγώνου της εντάσεως του ρεύματος. Με αφορμή αυτό το αποτέλεσμα κατανόησε ότι η θερμότητα και οι άλλες μορφές του έργου μπορούν να μετατραπούν η μία στην άλλη με σταθερή αναλογία (η οποία φυσικά δεν είναι τίποτα περισσότερο από το μηχανικό ισοδύναμο της θερμότητας).

Παρόλα αυτά… Οι θεωρίες της κλασικής φυσικής (που

χαρακτηρίζουν το σύνολο των θεωριών του Νεύτωνα και του Maxwell) δεν μπόρεσαν να ερμηνεύσουν το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων έδειχναν ότι με φως ορισμένου μήκους κύματος, ο αριθμός των ηλεκτρονίων που εκπέμπονται (από την επιφάνεια μετάλλου) αυξάνεται ανάλογα με την ένταση του φωτός, η ενέργεια όμως που αποκτά κάθε εκπεμπόμενο ηλεκτρόνιο (hv) παραμένει η ίδια. Ο Einstein ανέλυσε συστηματικά το φυσικό αυτό φαινόμενο και κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η ενέργεια μιας φωτεινής δέσμης μεταφέρεται με τη μορφή εντοπισμένων πακέτων, που σήμερα είναι γνωστά ως «φωτόνια» ή «κβάντα φωτός».

΄΄ Η ταχύτητα του φωτός στο κενό είναι σταθερή για όλους τους παρατηρητές. ΄΄

Ο Αϊνστάιν έκανε το μεγάλο βήμα στην προσπάθεια ενοποίησης της Μηχανικής με τον Ηλεκτρομαγνητισμό, προτείνοντας μια εντελώς νέας θεωρία, που ονομάσθηκε Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας (ΕΘΣ), και συνδέει την κίνηση ενός σώματος σε ένα σύστημα αναφοράς Α, όπως την παρατηρεί κάποιος από ένα άλλο σύστημα Β, το οποίο κινείται ευθύγραμμα και ισοταχώς ως προς το Α.

H Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν ΑΝΑΤΡΕΠΕΙ το νόμο της βαρύτητας του Νεύτωνα.

Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν έμελλε να ήταν ο πρώτος που θα συνειδητοποιούσε ότι ίσως υπήρχαν περισσότερα πράγματα σχετικά με τη βαρύτητα από όσα είχε φανταστεί ο Νεύτωνας. Έπειτα από το annus mirabilis 1905, οπότε δημοσίευσε πέντε ιστορικές εργασίες, ο Αϊνστάιν επικεντρώθηκε στην επέκταση της θεωρίας της ειδικής σχετικότητας σε μια γενική θεωρία.

ΕΙΔΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ ΣΧΕΤΙΚΟΤΗΤΑΣ Η ΕΘΣ, όπως τη

διατύπωσε ο Αϊνστάιν, βασίζεται σε δύο αξιώματα:

Οι νόμοι της Φυσικής είναι ίδιοι σε όλα τα αδρανειακά συστήματα αναφοράς.

• Η ταχύτητα του φωτός στο κενό είναι η ίδια σε όλα τα αδρανειακά συστήματα αναφοράς.

ΧΩΡΟΧΡΟΝΟΣ Ένας ακίνητος

παρατηρητής βλέπει και διαφορετική διάρκεια ενός γεγονότος και διαφορετικά μήκη, από ό,τι βλέπει ένας κινούμενος παρατηρητής.

Τετραδιάστατος χωροχρόνος… Η απόσταση μεταξύ των δύο σημείων στον

τετραδιάστατο χωρόχρονο συμφωνα με τον Αϊνστάιν συμβολίζεται μεds και δίνεται από τη σχέσηds2 = c2dt2 – (dx2 + dy2 + dz2)όπου c είναι η ταχύτητα του φωτός. Έτσι ο Αϊνστάιν εισήγαγε στη Φυσική τηνεντελώς νέα ιδέα ότι χώρος και χρόνος δεν είναι δύο έννοιες ανεξάρτητες, αλλά συνδέονται στενά μέσα από την προηγούμενη σχέση.

Αλλαγές στη Φυσική λόγω της ΕΘΣ: Ο κανόνας του Γαλιλαίου,vB = vA + VAB σύμφωνα με τον

οποίο η ταχύτητα ενός σώματος σε ένα αδρανειακό σύστημα αναφοράς Β ισούται με την ταχύτητα του σώματος σε ένα αδρανειακό σύστημα αναφοράς Α συν την ταχύτητα του συστήματος Β ως προς το Α, είναι μόνο προσεγγιστικός και ισχύει για ταχύτητες σημαντικά μικρότερες από την ταχύτητα τουφωτός. Όταν μία από τις ταχύτητες vA ή VAB προσεγγίζει την ταχύτητα του φωτός, η ακριβής σχέση,vB = (vA + VAB)/(1 + vAVAB/c2)1/2που προκύπτει από τα αξιώματα του Αϊνστάιν, δίνει άθροισμα πάντα μικρότερο απότην ταχύτητα του φωτός, c.

Γενική Θεωρία Σχετικότητας Σε αντίθεση με αυτό που ορίζει η ΕΘΣ "οι

νόμοι της Φυσικής θα πρέπει να είναι ίδιοι για όλους τους παρατηρητές, είτε αδρανειακούς είτε επιταχυνόμενους".

Γενική Θεωρία της Σχετικότητας (βαρύτητας) :

Αρχή της ισοδυναμίας: Η βαρύτητα επηρεάζει όλα τα αντικείμενα με τον ίδιο τρόπο. Δεν μπορεί να διακριθεί αν προέρχεται από την επιτάχυνση ή από ένα άλλο σώμα. Είναι μια φανταστική δύναμη, όπως και η φυγόκεντρος στην κυκλική κίνηση

Τι προκαλεί την επιτάχυνση; Η καμπύλωση του χωροχρόνου λέει στην ύλη πώς να κινηθεί

Τι προκαλεί την καμπυλότητα; Η ύλη / ενέργεια λέει στον χωροχρόνο πώς να καμπυλωθεί .

Η επιστήμη συνεχώς εξελίσσεται…

Όσον αφορά στην εξέλιξη της Μηχανικής, εμφανίστηκαν δύο μεγάλοι μαθηματικοί που άλλαξαν εντελώς τον τρόπο με το οποίο αυτή αντιμετωπίζει τη φύση,Πουανκαρέ και ο Κολμογκόρoφ (Andrey Nikolaevich Kolmogorov, 1903-1987).

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η βαρύτητα του Νεύτωνα αποδείχθηκε ότι είναι απλώς μια προσέγγιση της

Γενικής Θεωρίας Σχετικότητας του Αϊνστάιν.• Οι μετασχηματισμοί του Γαλιλαίου είναι μια προσέγγιση τωνμετασχηματισμών του Λόρεντς.• Ο νόμος F = mα του Νεύτωνα δεν ισχύει στην Ειδική Θεωρία Σχετικότητας,παρά μόνο αν θεωρήσει κανείς ότι η τιμή της μάζας εξαρτάται από τηδιεύθυνση και το μέτρο της ταχύτητας.• Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο έδειξε ότι το φως δεν είναι μόνο κυμάνσειςαλλά και σωματίδια, ανάλογα με το φαινόμενο που παρατηρεί κανείς.• Ο Ηλεκτρομαγνητισμός του Μάξγουελ αποδείχθηκε ότι ήταν το όριο μιαςγενικότερης θεωρίας, που περιλαμβάνει και μια δύναμη άγνωστη το 19οαιώνα, την ασθενή πυρηνική δύναμη.• Τέλος, η Θερμοδυναμική παρέμεινε το «ανώμαλο» σημείο της Φυσικής.Βρίσκει εφαρμογές στην Κλασική Φυσική, στη Γενική Θεωρία Σχετικότηταςκαι στην Κβαντομηχανική, αλλά κανείς δεν γνωρίζει γιατί περιγράφει με τόσηεπιτυχία κλάδους της Φυσικής που δεν συνδέονται μεταξύ τους.

Βιβλιογραφία http://www.stratos-theodosiou.gr/index.php?id=43 http://www.tmth.gr/sciencerelated/49-fysiki/402-thewria-sxetikotitas-

einstein-anatrepei-nomo-barutitas-newton http://users.uoa.gr/~nektar/science/history/

iwannhs_grammatikakhs_newton_h_8emeliwsh_ths_fysikhs.htm https://mail.google.com/mail/?hl=el&shva=1#inbox/13dada6f08579384?

compose=13e3d3b86bcfa3ad http://physicsgg.me/2013/03/30/%CE%B5%CE%BB%CE%B5%CF%8D

%CE%B8%CE%B5%CF%81%CE%B7-%CF%80%CF%84%CF%8E%CF%83%CE%B7-%CE%BA%CE%B1%CE%B9-%CE%B1%CF%80%CE%BB%CE%AE-%CE%BB%CE%BF%CE%B3%CE%B9%CE%BA%CE%AE/

http://www.tmth.gr/sciencerelated/49-fysiki/513-istoria-kai-exelixi-tvn-ideon-sti-fysiki

ΣΥΝΕΧΙΖΕΤΑΙ…