Vi har tidligere skrevet om hvorfor velge fysikk på videregående, og kort om de såkalte "revolusjonene" innen fysikk. Med revolusjoner mener vi banebrytende teorier og felt innenfor fysikk som har lagt grunnlaget for det vi vet om fysikk i dag. I denne artikkelen får du en innføring i de ulike emnene i fysikk, og når de ble oppdaget.
Fysikk fram til 1600-tallet.
Siden antikken har det vært virksomhet innen fysikk. Det gjelder Europa, Midt-Østen og Øst-Asia. Mye dreide seg om å forstå planet- og månebevegelser samt stjernene, ved hjelp av geometri og enkel matematikk.
Aristoteles verdensbilde der alt består av jord, luft, ild eller vann, var rådende. Utviklingen i Europa tok lang tid som følge av motstand fra kirkelig hold. Kirkens syn var at jorda (som Gud hadde skapt) måtte være universets sentrum. Alt som stred mot dette ble betraktet som kjetteri. Det kan nevnes at i datidens teologi var en hovedaktivitet å beskrive «de sju himler».
Revolusjon 1: Newton og Descartes 1700-1800 tallet
Dette markerer det store skillet. Matematikk i form av matematisk analyse ble introdusert som redskap av Newton og Descartes. Newtons tre lover og forklaring av tyngdekraft ble publisert. Newtons lover gjelder fortsatt, men det er unntak for fenomener der hastigheten nærmer seg lyshastigheten, samt i kosmologi og på atomnivå. Teoriene ble knyttet til observasjoner.
Dette førte til en eksplosiv utvikling av fysikken i Europa, det samme for matematikken.
Newtons beskrivelse av solsystemet og mekanikk generelt står ved lag den dag i dag.
Revolusjon 2: Utvikling av termodynamikken som del av den industrielle revolusjon, 1800-tallet.
Newtons mekanikk beskriver bevegelse, krefter, arbeid og energi i et mekanisk system med veldefinerte legemer og konstant temperatur.
Hvordan ville lovene se ut for et system som består av gass, væske og der avkjøling/oppvarming og transport finner sted?
Lovene og teoriene som styrer dette ble utviklet på 1800-tallet, for en stor del drevet fram av den store nyskapningen: dampmaskinen.
Den fundamentale nyvinningen var beskrivelsen av hvordan termisk energi/temperaturforskjeller kan omdannes til mekanisk arbeid.
Revolusjon 3: Utvikling av elektromagnetismen – 1900-2000 tallet.
Parallelt med utvikling av termisk fysikk foregikk også intens forskning på elektromagnetisme.
I år 1800 oppfant Volta det første elektriske batteri. Året etter ble det vist at lys hadde en bølgenatur. I 1821 ble den første elektriske motor bygget, og Ohm påviste sammenhengen mellom strøm, spenning og motstand i en elektrisk krets.
I 1831 ble det påvist hvordan magneter i bevegelse induserer elektrisk strøm: dette er basis for elektromotorer og generatorer – det er nøkkelen til el-produksjon i Norge.
Her må også nevnes Maxwell, som etablerte 4 berømte ligninger som beskriver forbindelsen mellom elektriske og magnetiske felt.
Revolusjon 4: Relativitetsteorien – 1900 tallet.
Fram til ca år 1900 ble det gjort målinger av lysets hastighet. En ting var vanskelig å forstå: hastigheten var den samme enten man beveger seg mot lyset eller fra lyset.
Einstein postulerte at lyshastigheten (c) er den samme uansett hvordan målingen foregår og at lyshastigheten i vakuum er den høyeste oppnåelige hastighet.
Dette resulterte i den spesielle relativitetsteorien (SRT), som forklarer hvordan målinger av lengde, tid, hastighet avhenger av hvordan observatøren beveger seg.
Videre utledet han den berømte ligningen som forbinder masse og energi: e=mc2.
Resultatene er fundamentale og revolusjonerende – men: de har liten betydning for vårt daglige liv på jorda. (Ett unntak: For å sikre nøyaktig GPS posisjon må relativitetsteorien benyttes.)
Einsteins arbeid ble videreført med den generelle relativitetsteorien (GRT) noen år seinere. Denne utvider beskrivelsen til også å gjelde systemer som utsatt for akselerasjon/gravitasjon.
Revolusjon 5: Atomfysikk, kvantemekanikk, kjernefysikk – 20. århundre
Rundt år 1900 var det intens aktivitet for å forstå materien på mikroskopisk nivå.
Den rådende teorien var at materien kan sammenlignes med en julekake, der elektroner med negativ ladning bever seg i en «deig» med positive ladninger.
Rutherford gjennomførte et forsøk der gull ble bombardert av heliumkjerner. Heliumkjernene ble spredt og avbøyd på en slik måte at eneste logiske forklaring var at de kolliderte med små, men massive kuler. Dette førte til teorien om at atomer består av en liten, positiv ladet kjerne, omgitt av en sky av elektroner.
Videre viste andre forsøk der atomer bombarderes av lys med ulik frekvens, at dette førte til at elektroner ble frigjort fra atomene: MEN – bare for visse verdier av frekvensen!
Tolkningen var at elektronene i et atom bare kan ha visse, diskrete, verdier: altså er energien kvantisert! Videre ble det klart å betrakte lyset som partikler (ikke bølger) fører til den mest adekvate beskrivelsen.
Dette er altså opphavet til kvantemekanikken, og ble starten på en heftig utvikling av metoder, likninger og ikke minst teknologi.
Tilbake til atomkjernen: tidlig på 1900 tallet påviste man protonet (positivt ladet) og nøytronet (nøytralt). Enhver atomkjerne består av et antall protoner og et annet antall nøytroner. Antall protoner bestemmer atomets kjemiske egenskaper.
Videre studier viste også at noen (tunge) atomer kan spaltes (fisjon), en prosess der det kan frigjøres enorm energi. Dette er opphavet til kjernekraft og kjernevåpen.
I den andre del av skalaen kan lette atomer smelte sammen – fusjon. Dette frigjør enorme energimengder, og det er denne energien som gir oss lys og varme fra sola.
I tillegg til de tre «vanlige» elementærpartiklene, (proton, nøytron, elektron) er det også påvist en rekke andre, i tillegg til at de tre nevnte viser seg ikke å være elementære: de består av ulike kombinasjoner av kvarker.
I tillegg kommer: utvikling i halvlederteknologi, materialteknologi, strålingsteknologi og ikke minst datamaskinteknologi. Alt dette gjør det mulig å bære med oss i lomma avanserte apparat som var gjenstand for grunnforskning for 50 år siden, og å løse vanskelige problem ved hjelp av datamaskiner som er tilgjengelige for alle.
