Physics history of the word

Physics is the natural science of matter, involving the study of matter,^[a] its fundamental constituents, its motion and behavior through space and time, and the related entities of energy and force.^[2] Physics is one of the most fundamental scientific disciplines, with its main goal being to understand how the universe behaves.^[b][3][4][5] A scientist who specializes in the field of physics is called a physicist.

Physics is one of the oldest academic disciplines and, through its inclusion of astronomy, perhaps the oldest.^[6] Over much of the past two millennia, physics, chemistry, biology, and certain branches of mathematics were a part of natural philosophy, but during the Scientific Revolution in the 17th century these natural sciences emerged as unique research endeavors in their own right.^[c] Physics intersects with many interdisciplinary areas of research, such as biophysics and quantum chemistry, and the boundaries of physics are not rigidly defined. New ideas in physics often explain the fundamental mechanisms studied by other sciences^[3] and suggest new avenues of research in these and other academic disciplines such as mathematics and philosophy.

Advances in physics often enable advances in new technologies. For example, advances in the understanding of electromagnetism, solid-state physics, and nuclear physics led directly to the development of new products that have dramatically transformed modern-day society, such as television, computers, domestic appliances, and nuclear weapons;^[3] advances in thermodynamics led to the development of industrialization; and advances in mechanics inspired the development of calculus.

History

The word «physics» originates from Ancient Greek: φυσική (ἐπιστήμη), romanized: physikḗ (epistḗmē), meaning «knowledge of nature».^[8][9][10]

Ancient astronomy

Astronomy is one of the oldest natural sciences. Early civilizations dating back before 3000 BCE, such as the Sumerians, ancient Egyptians, and the Indus Valley Civilisation, had a predictive knowledge and a basic awareness of the motions of the Sun, Moon, and stars. The stars and planets, believed to represent gods, were often worshipped. While the explanations for the observed positions of the stars were often unscientific and lacking in evidence, these early observations laid the foundation for later astronomy, as the stars were found to traverse great circles across the sky,^[6] which could not explain the positions of the planets.

According to Asger Aaboe, the origins of Western astronomy can be found in Mesopotamia, and all Western efforts in the exact sciences are descended from late Babylonian astronomy.^[11] Egyptian astronomers left monuments showing knowledge of the constellations and the motions of the celestial bodies,^[12] while Greek poet Homer wrote of various celestial objects in his Iliad and Odyssey; later Greek astronomers provided names, which are still used today, for most constellations visible from the Northern Hemisphere.^[13]

Natural philosophy

Natural philosophy has its origins in Greece during the Archaic period (650 BCE – 480 BCE), when pre-Socratic philosophers like Thales rejected non-naturalistic explanations for natural phenomena and proclaimed that every event had a natural cause.^[14] They proposed ideas verified by reason and observation, and many of their hypotheses proved successful in experiment;^[15] for example, atomism was found to be correct approximately 2000 years after it was proposed by Leucippus and his pupil Democritus.^[16]

Medieval European and Islamic

The Western Roman Empire fell in the fifth century, and this resulted in a decline in intellectual pursuits in the western part of Europe. By contrast, the Eastern Roman Empire (also known as the Byzantine Empire) resisted the attacks from the barbarians, and continued to advance various fields of learning, including physics.^[17]

In the sixth century, Isidore of Miletus created an important compilation of Archimedes’ works that are copied in the Archimedes Palimpsest.

In sixth-century Europe John Philoponus, a Byzantine scholar, questioned Aristotle’s teaching of physics and noted its flaws. He introduced the theory of impetus. Aristotle’s physics was not scrutinized until Philoponus appeared; unlike Aristotle, who based his physics on verbal argument, Philoponus relied on observation. On Aristotle’s physics Philoponus wrote:

But this is completely erroneous, and our view may be corroborated by actual observation more effectively than by any sort of verbal argument. For if you let fall from the same height two weights of which one is many times as heavy as the other, you will see that the ratio of the times required for the motion does not depend on the ratio of the weights, but that the difference in time is a very small one. And so, if the difference in the weights is not considerable, that is, of one is, let us say, double the other, there will be no difference, or else an imperceptible difference, in time, though the difference in weight is by no means negligible, with one body weighing twice as much as the other^[19]

Philoponus’ criticism of Aristotelian principles of physics served as an inspiration for Galileo Galilei ten centuries later,^[20] during the Scientific Revolution. Galileo cited Philoponus substantially in his works when arguing that Aristotelian physics was flawed.^[21][22] In the 1300s Jean Buridan, a teacher in the faculty of arts at the University of Paris, developed the concept of impetus. It was a step toward the modern ideas of inertia and momentum.^[23]

Islamic scholarship inherited Aristotelian physics from the Greeks and during the Islamic Golden Age developed it further, especially placing emphasis on observation and a priori reasoning, developing early forms of the scientific method.

Although Aristotle’s principles of physics was criticized, it is important to identify his the evidence he based his views off of.  When thinking of the history of science and math, it is notable to acknowledge the contributions made by older scientists. Aristotle’s science was the backbone of the science we learn in schools today. Aristotle published many biological works including The Parts of Animals, in which he discusses both biological science and natural science as well. It is also integral to mention the role Aristotle had in the progression of physics and metaphysics and how his beliefs and findings are still being taught in science classes to this day. The explanations that Aristotle gives for his findings are also very simple. When thinking of the elements, Aristotle believed that each element (earth, fire, water, air) had its own natural place. Meaning that because of the density of these elements, they will revert back to their own specific place in the atmosphere.^[24] So, because of their weights, fire would be at the very top, air right underneath fire, then water, then lastly earth. He also stated that when a small amount of one element enters the natural place of another, the less abundant element will automatically go into its own natural place. For example, if there is a fire on the ground, if you pay attention, the flames go straight up into the air as an attempt to go back into its natural place where it belongs. Aristotle called his metaphysics «first philosophy» and characterized it as the study of «being as being».^[25] Aristotle defined the paradigm of motion as a being or entity encompassing different areas in the same body. ^[25]Meaning that if a person is at a certain location (A) they can move to a new location (B) and still take up the same amount of space. This is involved with Aristotle’s belief that motion is a continuum. In terms of matter, Aristotle believed that the change in category (ex. place) and quality (ex. color) of an object is defined as «alteration». But, a change in substance is a change in matter. This is also very close to our idea of matter today.

He also devised his own laws of motion that include 1) heavier objects will fall faster, the speed being proportional to the weight and 2) the speed of the object that is falling depends inversely on the density object it is falling through (ex. density of air).^[26] He also stated that, when it comes to violent motion (motion of an object when a force is applied to it by a second object) that the speed that object moves, will only be as fast or strong as the measure of force applied to it.^[26] This is also seen in the rules of velocity and force that is taught in physics classes today. These rules are not necessarily what we see in our physics today but, they are very similar. It is evident that these rules were the backbone for other scientists to come revise and edit his beliefs.

The most notable innovations were in the field of optics and vision, which came from the works of many scientists like Ibn Sahl, Al-Kindi, Ibn al-Haytham, Al-Farisi and Avicenna. The most notable work was The Book of Optics (also known as Kitāb al-Manāẓir), written by Ibn al-Haytham, in which he conclusively disproved the ancient Greek idea about vision and came up with a new theory. In the book, he presented a study of the phenomenon of the camera obscura (his thousand-year-old version of the pinhole camera) and delved further into the way the eye itself works. Using dissections and the knowledge of previous scholars, he was able to begin to explain how light enters the eye. He asserted that the light ray is focused, but the actual explanation of how light projected to the back of the eye had to wait until 1604. His Treatise on Light explained the camera obscura, hundreds of years before the modern development of photography.^[27]

The seven-volume Book of Optics (Kitab al-Manathir) hugely influenced thinking across disciplines from the theory of visual perception to the nature of perspective in medieval art, in both the East and the West, for more than 600 years. Many later European scholars and fellow polymaths, from Robert Grosseteste and Leonardo da Vinci to René Descartes, Johannes Kepler and Isaac Newton, were in his debt. Indeed, the influence of Ibn al-Haytham’s Optics ranks alongside that of Newton’s work of the same title, published 700 years later.

The translation of The Book of Optics had a huge impact on Europe. From it, later European scholars were able to build devices that replicated those Ibn al-Haytham had built and understand the way light works. From this, important inventions such as eyeglasses, magnifying glasses, telescopes, and cameras were developed.

Classical

Physics became a separate science when early modern Europeans used experimental and quantitative methods to discover what are now considered to be the laws of physics.^{[28][page needed]}

Major developments in this period include the replacement of the geocentric model of the Solar System with the heliocentric Copernican model, the laws governing the motion of planetary bodies (determined by Kepler between 1609 and 1619), Galileo’s pioneering work on telescopes and observational astronomy in the 16th and 17th Centuries, and Isaac Newton’s discovery and unification of the laws of motion and universal gravitation (that would come to bear his name).^[29] Newton also developed calculus,^[d] the mathematical study of continuous change, which provided new mathematical methods for solving physical problems.^[30]

The discovery of new laws in thermodynamics, chemistry, and electromagnetics resulted from research efforts during the Industrial Revolution as energy needs increased.^[31] The laws comprising classical physics remain very widely used for objects on everyday scales travelling at non-relativistic speeds, since they provide a very close approximation in such situations, and theories such as quantum mechanics and the theory of relativity simplify to their classical equivalents at such scales. Inaccuracies in classical mechanics for very small objects and very high velocities led to the development of modern physics in the 20th century.

Modern

Modern physics began in the early 20th century with the work of Max Planck in quantum theory and Albert Einstein’s theory of relativity. Both of these theories came about due to inaccuracies in classical mechanics in certain situations. Classical mechanics predicted that the speed of light depends on the motion of the observer, which could not be resolved with the constant speed predicted by Maxwell’s equations of electromagnetism. This discrepancy was corrected by Einstein’s theory of special relativity, which replaced classical mechanics for fast-moving bodies and allowed for a constant speed of light.^[32] Black-body radiation provided another problem for classical physics, which was corrected when Planck proposed that the excitation of material oscillators is possible only in discrete steps proportional to their frequency. This, along with the photoelectric effect and a complete theory predicting discrete energy levels of electron orbitals, led to the theory of quantum mechanics improving on classical physics at very small scales.^[33]

Quantum mechanics would come to be pioneered by Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger and Paul Dirac.^[33] From this early work, and work in related fields, the Standard Model of particle physics was derived.^[34] Following the discovery of a particle with properties consistent with the Higgs boson at CERN in 2012,^[35] all fundamental particles predicted by the standard model, and no others, appear to exist; however, physics beyond the Standard Model, with theories such as supersymmetry, is an active area of research.^[36] Areas of mathematics in general are important to this field, such as the study of probabilities and groups.

Philosophy

In many ways, physics stems from ancient Greek philosophy. From Thales’ first attempt to characterize matter, to Democritus’ deduction that matter ought to reduce to an invariant state the Ptolemaic astronomy of a crystalline firmament, and Aristotle’s book Physics (an early book on physics, which attempted to analyze and define motion from a philosophical point of view), various Greek philosophers advanced their own theories of nature. Physics was known as natural philosophy until the late 18th century.^[e]

By the 19th century, physics was realized as a discipline distinct from philosophy and the other sciences. Physics, as with the rest of science, relies on philosophy of science and its «scientific method» to advance our knowledge of the physical world.^[38] The scientific method employs a priori reasoning as well as a posteriori reasoning and the use of Bayesian inference to measure the validity of a given theory.^[39]

The development of physics has answered many questions of early philosophers but has also raised new questions. Study of the philosophical issues surrounding physics, the philosophy of physics, involves issues such as the nature of space and time, determinism, and metaphysical outlooks such as empiricism, naturalism and realism.^[40]

Many physicists have written about the philosophical implications of their work, for instance Laplace, who championed causal determinism,^[41] and Erwin Schrödinger, who wrote on quantum mechanics.^[42][43] The mathematical physicist Roger Penrose has been called a Platonist by Stephen Hawking,^[44] a view Penrose discusses in his book, The Road to Reality.^[45] Hawking referred to himself as an «unashamed reductionist» and took issue with Penrose’s views.^[46]

Core theories

Physics deals with a wide variety of systems, although certain theories are used by all physicists. Each of these theories was experimentally tested numerous times and found to be an adequate approximation of nature. For instance, the theory of classical mechanics accurately describes the motion of objects, provided they are much larger than atoms and moving at a speed much less than the speed of light. These theories continue to be areas of active research today. Chaos theory, a remarkable aspect of classical mechanics, was discovered in the 20th century, three centuries after the original formulation of classical mechanics by Newton (1642–1727).

These central theories are important tools for research into more specialized topics, and any physicist, regardless of their specialization, is expected to be literate in them. These include classical mechanics, quantum mechanics, thermodynamics and statistical mechanics, electromagnetism, and special relativity.

Classical

Classical physics includes the traditional branches and topics that were recognized and well-developed before the beginning of the 20th century—classical mechanics, acoustics, optics, thermodynamics, and electromagnetism. Classical mechanics is concerned with bodies acted on by forces and bodies in motion and may be divided into statics (study of the forces on a body or bodies not subject to an acceleration), kinematics (study of motion without regard to its causes), and dynamics (study of motion and the forces that affect it); mechanics may also be divided into solid mechanics and fluid mechanics (known together as continuum mechanics), the latter include such branches as hydrostatics, hydrodynamics, aerodynamics, and pneumatics. Acoustics is the study of how sound is produced, controlled, transmitted and received.^[47] Important modern branches of acoustics include ultrasonics, the study of sound waves of very high frequency beyond the range of human hearing; bioacoustics, the physics of animal calls and hearing,^[48] and electroacoustics, the manipulation of audible sound waves using electronics.^[49]

Optics, the study of light, is concerned not only with visible light but also with infrared and ultraviolet radiation, which exhibit all of the phenomena of visible light except visibility, e.g., reflection, refraction, interference, diffraction, dispersion, and polarization of light. Heat is a form of energy, the internal energy possessed by the particles of which a substance is composed; thermodynamics deals with the relationships between heat and other forms of energy. Electricity and magnetism have been studied as a single branch of physics since the intimate connection between them was discovered in the early 19th century; an electric current gives rise to a magnetic field, and a changing magnetic field induces an electric current. Electrostatics deals with electric charges at rest, electrodynamics with moving charges, and magnetostatics with magnetic poles at rest.

Modern

Classical physics is generally concerned with matter and energy on the normal scale of observation, while much of modern physics is concerned with the behavior of matter and energy under extreme conditions or on a very large or very small scale. For example, atomic and nuclear physics study matter on the smallest scale at which chemical elements can be identified. The physics of elementary particles is on an even smaller scale since it is concerned with the most basic units of matter; this branch of physics is also known as high-energy physics because of the extremely high energies necessary to produce many types of particles in particle accelerators. On this scale, ordinary, commonsensical notions of space, time, matter, and energy are no longer valid.^[50]

The two chief theories of modern physics present a different picture of the concepts of space, time, and matter from that presented by classical physics. Classical mechanics approximates nature as continuous, while quantum theory is concerned with the discrete nature of many phenomena at the atomic and subatomic level and with the complementary aspects of particles and waves in the description of such phenomena. The theory of relativity is concerned with the description of phenomena that take place in a frame of reference that is in motion with respect to an observer; the special theory of relativity is concerned with motion in the absence of gravitational fields and the general theory of relativity with motion and its connection with gravitation. Both quantum theory and the theory of relativity find applications in many areas of modern physics.^[51]

Fundamental concepts in modern physics

• Causality
• Covariance
• Action
• Physical field
• Symmetry
• Physical interaction
• Statistical ensemble
• Quantum
• Wave
• Particle

Difference

While physics itself aims to discover universal laws, its theories lie in explicit domains of applicability.

Loosely speaking, the laws of classical physics accurately describe systems whose important length scales are greater than the atomic scale and whose motions are much slower than the speed of light. Outside of this domain, observations do not match predictions provided by classical mechanics. Einstein contributed the framework of special relativity, which replaced notions of absolute time and space with spacetime and allowed an accurate description of systems whose components have speeds approaching the speed of light. Planck, Schrödinger, and others introduced quantum mechanics, a probabilistic notion of particles and interactions that allowed an accurate description of atomic and subatomic scales. Later, quantum field theory unified quantum mechanics and special relativity. General relativity allowed for a dynamical, curved spacetime, with which highly massive systems and the large-scale structure of the universe can be well-described. General relativity has not yet been unified with the other fundamental descriptions; several candidate theories of quantum gravity are being developed.

Relation to other fields

Prerequisites

Mathematics provides a compact and exact language used to describe the order in nature. This was noted and advocated by Pythagoras,^[52] Plato,^[53] Galileo,^[54] and Newton.

Physics uses mathematics^[55] to organise and formulate experimental results. From those results, precise or estimated solutions are obtained, or quantitative results, from which new predictions can be made and experimentally confirmed or negated. The results from physics experiments are numerical data, with their units of measure and estimates of the errors in the measurements. Technologies based on mathematics, like computation have made computational physics an active area of research.

Ontology is a prerequisite for physics, but not for mathematics. It means physics is ultimately concerned with descriptions of the real world, while mathematics is concerned with abstract patterns, even beyond the real world. Thus physics statements are synthetic, while mathematical statements are analytic. Mathematics contains hypotheses, while physics contains theories. Mathematics statements have to be only logically true, while predictions of physics statements must match observed and experimental data.

The distinction is clear-cut, but not always obvious. For example, mathematical physics is the application of mathematics in physics. Its methods are mathematical, but its subject is physical.^[56] The problems in this field start with a «mathematical model of a physical situation» (system) and a «mathematical description of a physical law» that will be applied to that system. Every mathematical statement used for solving has a hard-to-find physical meaning. The final mathematical solution has an easier-to-find meaning, because it is what the solver is looking for.^{[clarification needed]}

Pure physics is a branch of fundamental science (also called basic science). Physics is also called «the fundamental science» because all branches of natural science like chemistry, astronomy, geology, and biology are constrained by laws of physics.^[57] Similarly, chemistry is often called the central science because of its role in linking the physical sciences. For example, chemistry studies properties, structures, and reactions of matter (chemistry’s focus on the molecular and atomic scale distinguishes it from physics). Structures are formed because particles exert electrical forces on each other, properties include physical characteristics of given substances, and reactions are bound by laws of physics, like conservation of energy, mass, and charge. Physics is applied in industries like engineering and medicine.

Application and influence

Applied physics is a general term for physics research, which is intended for a particular use. An applied physics curriculum usually contains a few classes in an applied discipline, like geology or electrical engineering. It usually differs from engineering in that an applied physicist may not be designing something in particular, but rather is using physics or conducting physics research with the aim of developing new technologies or solving a problem.

The approach is similar to that of applied mathematics. Applied physicists use physics in scientific research. For instance, people working on accelerator physics might seek to build better particle detectors for research in theoretical physics.

Physics is used heavily in engineering. For example, statics, a subfield of mechanics, is used in the building of bridges and other static structures. The understanding and use of acoustics results in sound control and better concert halls; similarly, the use of optics creates better optical devices. An understanding of physics makes for more realistic flight simulators, video games, and movies, and is often critical in forensic investigations.

With the standard consensus that the laws of physics are universal and do not change with time, physics can be used to study things that would ordinarily be mired in uncertainty. For example, in the study of the origin of the earth, one can reasonably model earth’s mass, temperature, and rate of rotation, as a function of time allowing one to extrapolate forward or backward in time and so predict future or prior events. It also allows for simulations in engineering that drastically speed up the development of a new technology.

But there is also considerable interdisciplinarity, so many other important fields are influenced by physics (e.g., the fields of econophysics and sociophysics).

Research

Scientific method

Physicists use the scientific method to test the validity of a physical theory. By using a methodical approach to compare the implications of a theory with the conclusions drawn from its related experiments and observations, physicists are better able to test the validity of a theory in a logical, unbiased, and repeatable way. To that end, experiments are performed and observations are made in order to determine the validity or invalidity of the theory.^[58]

A scientific law is a concise verbal or mathematical statement of a relation that expresses a fundamental principle of some theory, such as Newton’s law of universal gravitation.^[59]

Theory and experiment

Theorists seek to develop mathematical models that both agree with existing experiments and successfully predict future experimental results, while experimentalists devise and perform experiments to test theoretical predictions and explore new phenomena. Although theory and experiment are developed separately, they strongly affect and depend upon each other. Progress in physics frequently comes about when experimental results defy explanation by existing theories, prompting intense focus on applicable modelling, and when new theories generate experimentally testable predictions, which inspire the development of new experiments (and often related equipment).^[60]

Physicists who work at the interplay of theory and experiment are called phenomenologists, who study complex phenomena observed in experiment and work to relate them to a fundamental theory.^[61]

Theoretical physics has historically taken inspiration from philosophy; electromagnetism was unified this way.^[f] Beyond the known universe, the field of theoretical physics also deals with hypothetical issues,^[g] such as parallel universes, a multiverse, and higher dimensions. Theorists invoke these ideas in hopes of solving particular problems with existing theories; they then explore the consequences of these ideas and work toward making testable predictions.

Experimental physics expands, and is expanded by, engineering and technology. Experimental physicists who are involved in basic research design and perform experiments with equipment such as particle accelerators and lasers, whereas those involved in applied research often work in industry, developing technologies such as magnetic resonance imaging (MRI) and transistors. Feynman has noted that experimentalists may seek areas that have not been explored well by theorists.^[62]

Scope and aims

Physics covers a wide range of phenomena, from elementary particles (such as quarks, neutrinos, and electrons) to the largest superclusters of galaxies. Included in these phenomena are the most basic objects composing all other things. Therefore, physics is sometimes called the «fundamental science».^[57] Physics aims to describe the various phenomena that occur in nature in terms of simpler phenomena. Thus, physics aims to both connect the things observable to humans to root causes, and then connect these causes together.

For example, the ancient Chinese observed that certain rocks (lodestone and magnetite) were attracted to one another by an invisible force. This effect was later called magnetism, which was first rigorously studied in the 17th century. But even before the Chinese discovered magnetism, the ancient Greeks knew of other objects such as amber, that when rubbed with fur would cause a similar invisible attraction between the two.^[63] This was also first studied rigorously in the 17th century and came to be called electricity. Thus, physics had come to understand two observations of nature in terms of some root cause (electricity and magnetism). However, further work in the 19th century revealed that these two forces were just two different aspects of one force—electromagnetism. This process of «unifying» forces continues today, and electromagnetism and the weak nuclear force are now considered to be two aspects of the electroweak interaction. Physics hopes to find an ultimate reason (theory of everything) for why nature is as it is (see section Current research below for more information).^[64]

Research fields

Contemporary research in physics can be broadly divided into nuclear and particle physics; condensed matter physics; atomic, molecular, and optical physics; astrophysics; and applied physics. Some physics departments also support physics education research and physics outreach.^[65]

Since the 20th century, the individual fields of physics have become increasingly specialised, and today most physicists work in a single field for their entire careers. «Universalists» such as Einstein (1879–1955) and Lev Landau (1908–1968), who worked in multiple fields of physics, are now very rare.^[h]

The major fields of physics, along with their subfields and the theories and concepts they employ, are shown in the following table.

Field	Subfields	Major theories	Concepts
Nuclear and particle physics	Nuclear physics, Nuclear astrophysics, Particle physics, Astroparticle physics, Particle physics phenomenology	Standard Model, Quantum field theory, Quantum electrodynamics, Quantum chromodynamics, Electroweak theory, Effective field theory, Lattice field theory, Gauge theory, Supersymmetry, Grand Unified Theory, Superstring theory, M-theory, AdS/CFT correspondence	Fundamental interaction (gravitational, electromagnetic, weak, strong), Elementary particle, Spin, Antimatter, Spontaneous symmetry breaking, Neutrino oscillation, Seesaw mechanism, Brane, String, Quantum gravity, Theory of everything, Vacuum energy
Atomic, molecular, and optical physics	Atomic physics, Molecular physics, Atomic and molecular astrophysics, Chemical physics, Optics, Photonics	Quantum optics, Quantum chemistry, Quantum information science	Photon, Atom, Molecule, Diffraction, Electromagnetic radiation, Laser, Polarization (waves), Spectral line, Casimir effect
Condensed matter physics	Solid-state physics, High-pressure physics, Low-temperature physics, Surface physics, Nanoscale and mesoscopic physics, Polymer physics	BCS theory, Bloch’s theorem, Density functional theory, Fermi gas, Fermi liquid theory, Many-body theory, Statistical mechanics	Phases (gas, liquid, solid), Bose–Einstein condensate, Electrical conduction, Phonon, Magnetism, Self-organization, Semiconductor, superconductor, superfluidity, Spin,
Astrophysics	Astronomy, Astrometry, Cosmology, Gravitation physics, High-energy astrophysics, Planetary astrophysics, Plasma physics, Solar physics, Space physics, Stellar astrophysics	Big Bang, Cosmic inflation, General relativity, Newton’s law of universal gravitation, Lambda-CDM model, Magnetohydrodynamics	Black hole, Cosmic background radiation, Cosmic string, Cosmos, Dark energy, Dark matter, Galaxy, Gravity, Gravitational radiation, Gravitational singularity, Planet, Solar System, Star, Supernova, Universe
Applied physics	Accelerator physics, Acoustics, Agrophysics, Atmospheric physics, Biophysics, Chemical physics, Communication physics, Econophysics, Engineering physics, Fluid dynamics, Geophysics, Laser physics, Materials physics, Medical physics, Nanotechnology, Optics, Optoelectronics, Photonics, Photovoltaics, Physical chemistry, Physical oceanography, Physics of computation, Plasma physics, Solid-state devices, Quantum chemistry, Quantum electronics, Quantum information science, Vehicle dynamics

Nuclear and particle

Particle physics is the study of the elementary constituents of matter and energy and the interactions between them.^[66] In addition, particle physicists design and develop the high-energy accelerators,^[67] detectors,^[68] and computer programs^[69] necessary for this research. The field is also called «high-energy physics» because many elementary particles do not occur naturally but are created only during high-energy collisions of other particles.^[70]

Currently, the interactions of elementary particles and fields are described by the Standard Model.^[71] The model accounts for the 12 known particles of matter (quarks and leptons) that interact via the strong, weak, and electromagnetic fundamental forces.^[71] Dynamics are described in terms of matter particles exchanging gauge bosons (gluons, W and Z bosons, and photons, respectively).^[72] The Standard Model also predicts a particle known as the Higgs boson.^[71] In July 2012 CERN, the European laboratory for particle physics, announced the detection of a particle consistent with the Higgs boson,^[73] an integral part of the Higgs mechanism.

Nuclear physics is the field of physics that studies the constituents and interactions of atomic nuclei. The most commonly known applications of nuclear physics are nuclear power generation and nuclear weapons technology, but the research has provided application in many fields, including those in nuclear medicine and magnetic resonance imaging, ion implantation in materials engineering, and radiocarbon dating in geology and archaeology.

Atomic, molecular, and optical

Atomic, molecular, and optical physics (AMO) is the study of matter–matter and light–matter interactions on the scale of single atoms and molecules. The three areas are grouped together because of their interrelationships, the similarity of methods used, and the commonality of their relevant energy scales. All three areas include both classical, semi-classical and quantum treatments; they can treat their subject from a microscopic view (in contrast to a macroscopic view).

Atomic physics studies the electron shells of atoms. Current research focuses on activities in quantum control, cooling and trapping of atoms and ions,^[74][75][76] low-temperature collision dynamics and the effects of electron correlation on structure and dynamics. Atomic physics is influenced by the nucleus (see hyperfine splitting), but intra-nuclear phenomena such as fission and fusion are considered part of nuclear physics.

Molecular physics focuses on multi-atomic structures and their internal and external interactions with matter and light. Optical physics is distinct from optics in that it tends to focus not on the control of classical light fields by macroscopic objects but on the fundamental properties of optical fields and their interactions with matter in the microscopic realm.

Condensed matter

Condensed matter physics is the field of physics that deals with the macroscopic physical properties of matter.^[77][78] In particular, it is concerned with the «condensed» phases that appear whenever the number of particles in a system is extremely large and the interactions between them are strong.^[79]

The most familiar examples of condensed phases are solids and liquids, which arise from the bonding by way of the electromagnetic force between atoms.^[80] More exotic condensed phases include the superfluid^[81] and the Bose–Einstein condensate^[82] found in certain atomic systems at very low temperature, the superconducting phase exhibited by conduction electrons in certain materials,^[83] and the ferromagnetic and antiferromagnetic phases of spins on atomic lattices.^[84]

Condensed matter physics is the largest field of contemporary physics. Historically, condensed matter physics grew out of solid-state physics, which is now considered one of its main subfields.^[85] The term condensed matter physics was apparently coined by Philip Anderson when he renamed his research group—previously solid-state theory—in 1967.^[86] In 1978, the Division of Solid State Physics of the American Physical Society was renamed as the Division of Condensed Matter Physics.^[85] Condensed matter physics has a large overlap with chemistry, materials science, nanotechnology and engineering.^[79]

Astrophysics

Astrophysics and astronomy are the application of the theories and methods of physics to the study of stellar structure, stellar evolution, the origin of the Solar System, and related problems of cosmology. Because astrophysics is a broad subject, astrophysicists typically apply many disciplines of physics, including mechanics, electromagnetism, statistical mechanics, thermodynamics, quantum mechanics, relativity, nuclear and particle physics, and atomic and molecular physics.^[87]

The discovery by Karl Jansky in 1931 that radio signals were emitted by celestial bodies initiated the science of radio astronomy. Most recently, the frontiers of astronomy have been expanded by space exploration. Perturbations and interference from the earth’s atmosphere make space-based observations necessary for infrared, ultraviolet, gamma-ray, and X-ray astronomy.

Physical cosmology is the study of the formation and evolution of the universe on its largest scales. Albert Einstein’s theory of relativity plays a central role in all modern cosmological theories. In the early 20th century, Hubble’s discovery that the universe is expanding, as shown by the Hubble diagram, prompted rival explanations known as the steady state universe and the Big Bang.

The Big Bang was confirmed by the success of Big Bang nucleosynthesis and the discovery of the cosmic microwave background in 1964. The Big Bang model rests on two theoretical pillars: Albert Einstein’s general relativity and the cosmological principle. Cosmologists have recently established the ΛCDM model of the evolution of the universe, which includes cosmic inflation, dark energy, and dark matter.

Numerous possibilities and discoveries are anticipated to emerge from new data from the Fermi Gamma-ray Space Telescope over the upcoming decade and vastly revise or clarify existing models of the universe.^[88][89] In particular, the potential for a tremendous discovery surrounding dark matter is possible over the next several years.^[90] Fermi will search for evidence that dark matter is composed of weakly interacting massive particles, complementing similar experiments with the Large Hadron Collider and other underground detectors.

IBEX is already yielding new astrophysical discoveries: «No one knows what is creating the ENA (energetic neutral atoms) ribbon» along the termination shock of the solar wind, «but everyone agrees that it means the textbook picture of the heliosphere—in which the Solar System’s enveloping pocket filled with the solar wind’s charged particles is plowing through the onrushing ‘galactic wind’ of the interstellar medium in the shape of a comet—is wrong.»^[91]

Current research

Research in physics is continually progressing on a large number of fronts.

In condensed matter physics, an important unsolved theoretical problem is that of high-temperature superconductivity.^[92] Many condensed matter experiments are aiming to fabricate workable spintronics and quantum computers.^[79][93]

In particle physics, the first pieces of experimental evidence for physics beyond the Standard Model have begun to appear. Foremost among these are indications that neutrinos have non-zero mass. These experimental results appear to have solved the long-standing solar neutrino problem, and the physics of massive neutrinos remains an area of active theoretical and experimental research. The Large Hadron Collider has already found the Higgs boson, but future research aims to prove or disprove the supersymmetry, which extends the Standard Model of particle physics. Research on the nature of the major mysteries of dark matter and dark energy is also currently ongoing.^[94]

Although much progress has been made in high-energy, quantum, and astronomical physics, many everyday phenomena involving complexity,^[95] chaos,^[96] or turbulence^[97] are still poorly understood. Complex problems that seem like they could be solved by a clever application of dynamics and mechanics remain unsolved; examples include the formation of sandpiles, nodes in trickling water, the shape of water droplets, mechanisms of surface tension catastrophes, and self-sorting in shaken heterogeneous collections.^[i][98]

These complex phenomena have received growing attention since the 1970s for several reasons, including the availability of modern mathematical methods and computers, which enabled complex systems to be modeled in new ways. Complex physics has become part of increasingly interdisciplinary research, as exemplified by the study of turbulence in aerodynamics and the observation of pattern formation in biological systems. In the 1932 Annual Review of Fluid Mechanics, Horace Lamb said:^[99]

I am an old man now, and when I die and go to heaven there are two matters on which I hope for enlightenment. One is quantum electrodynamics, and the other is the turbulent motion of fluids. And about the former I am rather optimistic.

Education

Career

See also

Notes

References

Sources

External links

• Physics at Quanta Magazine
• Usenet Physics FAQ – FAQ compiled by sci.physics and other physics newsgroups
• Website of the Nobel Prize in physics – Award for outstanding contributions to the subject
• World of Physics – Online encyclopedic dictionary of physics
• Nature Physics – Academic journal
• Physics – Online magazine by the American Physical Society
• Physics/Publications at Curlie – Directory of physics related media
• The Vega Science Trust – Science videos, including physics
• HyperPhysics website – Physics and astronomy mind-map from Georgia State University
• Physics at MIT OpenCourseWare – Online course material from Massachusetts Institute of Technology
• The Feynman Lectures on Physics

Историческое развитие физики A Колыбель Ньютона, названная в честь физика Исаака Ньютона

Физика — это раздел науки, предметы объектами изучения которого являются материя и энергия. Открытия физики находят применение в естественных науках и в технологиях, поскольку материя и энергия являются составляющими мирами. Некоторые другие области изучения — более ограниченные по своему охвату — можно рассматривать как отрасли, которые отделились от физики и стали самостоятельными науками. Сегодняшнюю физику можно условно разделить на классическую физику и современную физику.

Содержание

• 1 Древняя история
  • 1.1 Древняя Греция
  • 1.2 Индия и Китай
  • 1.3 Исламский мир
  • 1.4 Средневековая Европа
• 2 Научная революция
  • 2.1 Николай Коперник
  • 2.2 Галилео Галилей
  • 2.3 Рене Декарт
  • 2.4 Исаак Ньютон
  • 2.5 Другие достижения
    • 2.5.1 Ранняя термодинамика
• 3 развития 18
  • 3.1 Механика
  • 3.2 Термодинамика
• 4 XIX
  • 4.1 Механика
  • 4.2 Электромагнетизм
  • 4.3 Законы термодинамики
  • 4.4 Статистическая механика (фундаментальная новый подход к науке))
  • 4.5 Другие события
• 5 ХХ век: рождение современной физики
  • 5.1 Радиационные эксперименты
  • 5.2 Теория относительности Альберта Эйнштейна
    • 5.2.1 Специальная теория относительности
    • 5.2. 2 Общая теория относительности
  • 5.3 Квантовая механика
• 6 Современная физика и физика элементарных частиц
  • 6.1 Квантовая теория поля
  • 6.2 Единые теории поля
  • 6.3 Стандарт Модель
  • 6.4 Космология
  • 6.5 Бозон Хиггса
• 7 Физические науки
• 8 Публикации по семенной физике
• 9 См. Также
• 10 Примечания
• 11 Ссылки
  • 11.1 Источники
• 12 литература
• 13 Внешние ссылки

Древняя история

Элементы того, что стало физикой, были взяты в основном из астрономии, оптики и механики, которые методологически объединены изучением геометрии. Эти математические дисциплины начались в античности у вавилонян и эллинистических писателей, таких как Архимед и Птолемей. Древняя философия, тем временем, включая то, что называлось «физикой » — была сосредоточена на объяснении природы с помощью таких идей, как Аристотель четыре типа «причин» «.

Древняя Греция

Движение к рациональному пониманию природы началось по крайней мере с архаического периода в Греции (650–480 до н.э. ) с Философы-досократы. Философ Фалес Милетский (VII-VI вв. До н.э.), прозванный «Отцом науки» за отказ принять различные сверхъестественные, религиозные или мифологические объяснения природных явлений, провозгласил, что все событие имело естественную причину., Фалес также добился прогресса в 580 г. до н. Э., Предположив, что вода является основным элементом, экспериментируя с притяжением между магнитами и натертым янтарем и сформулировав первое записанное космологии. Анаксимандр, известный своей прото- эволюционной теорией, оспорил идеи Ф алеса и предположил, что строительным блоком всей материи является не вода, а вещество под названием апейрон.. Около 500 г. до н.э. Гераклит предположил, что единственным основным законом, регулирующим Вселенную, был принцип изменения и ничто не остается в одном и том же состоянии бесконечно. Это наблюдение сделало его одним из первых ученых области античной физики, рассмотрел роль времени во Вселенной, ключевую и иногда спорную концепцию в современной и современной физике. Ранний физик Левкипп (эт. первая половина V века нашей эры) категорически выступал против идей прямого божественного вмешательства во вселенную, предлагая вместо этого, что природные явления имел естественную причину. Левкипп и его ученик Демокрит были первыми, кто разработал теорию атомизма, идею о том, что все целиком состоит из различных, неделимых элементов, называемых атомами.

Аристотелем. (384–322 до н.э. )

В классический период в Греции (VI, V и IV века до н.э.) и в эллинистические времена, Натурфилософия постепенно превратилась в захватывающую и спорную область исследований. Аристотель (греч : Ἀριστοτέλης, Аристотелес) (384 — 322 г. до н. э.), ученик Платон продвигал идею о том, что наблюдение физических явлений может в конечном итоге привести к открытию управляющих ими естественных законов. Труды Аристотеля охват физику, метафизику, поэз., театр, музыка, логика, риторика, лингвистика, политика, правительство, этика, биология и зоология. в котором указывается к такому направлению исследований как «Физика» — в 4 веке нашей эры Аристотель основал систему, известную как аристотелевская физика. Он попытался объяснить такие идеи, как движение (и гравитация ) с помощью теории четырех элементов. Аристотель считал, что вся состоит из эфира или некоторых комбинаций четырех элементов: земли, воды, воздуха и огня. Согласно Аристотелю, эти четыре земных элемента могут быть перемещены к своему естественному месту, поэтому камень падает вниз к центру космоса, а пламя поднимается вверх к окружности. В конце концов, аристотелевская физика стала популярной на протяжении многих веков в Европе, оказывая влияние на научные и схоластические разработки Средневековья. Она была основной научной парадигмой в Европе до времен Галилео Галилея и Исаака Ньютона.

В начале классической Греции знания о том, что Земля сферическая («круглая») было обычным явлением. Около 240 г. до н.э., в результате плодотворного эксперимента, Эратосфен (276–194 г. до н.э.) точно оценил его окружность. В отличие от геоцентрических взглядов Аристотеля, Аристарх Самосский (греч. : Ἀρίσταρχος; c.310 — c.230 до н.э.) представил явный аргумент в пользу гелиоцентрической модели Солнечной системы, то есть для размещения Солнца, а не Земли, в его центре. Селевк из Селевкии, последователь гелиоцентрической теории Аристарха, утверждал, что Земля вращалась вокруг своей оси, которая, в свою очередь, вращалась вокруг Солнца. Хотя аргументы, которые он использовал, были потеряны, Плутарх которые объявил, что Селевк был первым, кто доказал гелиоцентрическую систему рассуждениями.

Древнегреческий математик Архимед, известный своими идеями относительно механики жидкости и плавучести.

. В III веке до н.э. греческий математик Архимед Сиракузский (греч. : Ἀρχιμήδης (287–212 г. до н.э.) — обычно считается величайшим математиком — заложил основы гидростатики, статики и рассчитал математику, лежащую в основе рычага. Ведущий ученый античности Архимед также разработал сложные системы. Винт Архимеда лежит в основе современной гидротехники, а его военные машины помогли сдержать армию в Первой Пунической войне. теории в практических изобретениях. плавучести, также известный как принцип Архимеда. использовать метод истощения для вычислений площади под дугой параболы с суммированием бесконечного ряда и дал удивительно точное приближение pi. Он также определил спираль , носящую его имя, формулу для систему вращения и изобретательную систему для выражения очень больших чисел. Он также разработал принципы состояния равновесия и тяжести, идеи, которые повлияли на ученых, Галилея и Ньютона.

Гиппарх (190–120 гг. До н.э.), уделял особое внимание астрономии и математике, использовал сложные геометрические методы для отображения движений звезд и планет, даже предсказывая время солнечных затмений случится. Кроме того, он добавил расчеты расстояния Солнца и Луны от Земли, основанные на его усовершенствованиях км наблюдения, используемым в то время. Еще одним из самых известных ранних физиков был Птолемей (90–168 гг. Н. Э.), Один из ведущих умов времен Римской империи. Птолемей был автором нескольких научных трактатов, по крайней мере три из которых были непреходящее значение более поздней исламской и европейской европейской науки. Первый — это астрономический трактат, ныне известный как Альмагест (по-гречески Ἡ Μεγάλη Σύνταξις, «Великий трактат», используемые Μαθηματικὴ Σύνταξις, «Математический трактат»). Второй — География, который представляет собой подробное описание географических знаний о греко-римском мире.

Большая часть накопленных знаний о древнем мире была утеряна. Даже от произведений самых известных мыслителей сохранилось несколько фрагментов. Хотя он написал по меньшей мере четырнадцать книг, прямых работ Гиппарха не сохранилось. Из 150 известных аристотелевских работ только 30, и некоторые из них представляют собой «не более чем конспекты лекций».

Индия и Китай

Индо-арабская система счисления. Надписи на указах Ашоки (3 век до н.э.) показывают, что эта система счисления использовалась имперскими Маурьями.

. Важные физические и математические традиции также существовали в древнем Китае и индийские науки.

Звездные карты китайского полимата Су Сун 11 века являются старейшими известными ксилографическими картами звездного неба. дожить до наших дней. В этом примере, 1092 году, используется цилиндрическая проекция.

В индийской философии Махариши Канада был первым, кто систематически развил теорию атомизма около 200 г. до н.э., хотя некоторые авторы отводил ему более раннюю эпоху в VI веке до эры. В дальнейшем он был разработан буддийскими атомистами Дхармакирти и Дигнагой в 1-м тысячелетии нашей эры. Пакудха Каччаяна, индиец 6-го века до нашей эры философии и современник Гаутамы Будды также выдвинул идеи об атомном строении материального мира. Эти философы считали, что другие элементы (кроме эфира), физически осязаемы и, следовательно, заменяют собой крошечные частицы материи. Последняя крохотная частица материи, которую невозможно было подразделить дальше, была названа Парману. Эти философы считали неразрушимым и, следовательно, вечным. Буддисты считали атомы крошечными объектами, невидимыми невооруженным глазом, которые исчезают в одно мгновение. Школа философов Вайшешика считала, что атом — это просто точка в простран. Он также был первым, кто изобразил отношения между движением и приложенной силой. Индийские теории об атоме очень абстрактны и связаны с философией, поскольку они основывались на логике, а не на личном опыте или экспериментах. В индийской астрономии, Арьябхата в Арьябхатия (499 г. н.э.) использует вращение Земли, а Нилаканта Сомаяджи (1444–1544) из школы астрономии и математики Керала полугелиоцентрическую модель, напоминающую систему Тихона.

Исследование магнетизма в Древнем мире. Китай восходит к IV веку до нашей эры. (в Книге Мастера Дьявольской долины). Основным участником этой области был Шен Куо (1031–1095), эрудит и государственный деятель, который первым описал магнитно-стрелочныйас, инструмент для навигации, а также комп. для концепции истинного севера. В области оптики Шен Куо независимо разработал камеру-обскура.

Исламский мир

Ибн аль-Хайтам (ок. 965–1040).

В 7-15 веках научный прогресс происходил в мусульманском мире. Многие классические произведения на индийском, ассирийском, сасанидском (персидском) и греческом, включая работы Аристотеля, были переведены на арабский. Важный вклад внес Ибн аль-Хайтам (965–1040), арабский ученый, который считается основоположником современной оптики. Птолемей и Аристотель предположили, что свет либо светит из глаз, чтобы освещать объекты, либо что «» исходят от самих объектов, тогда как аль-Хайтам (известный под латинским названием «Альхазен») предположил, что свет распространяется к глазу в лучах из разных точек. на объекте. Работы Ибн аль-Хайс и Абу Райхана Бируни (973–1050), персидского ученого, в конечном итоге перешли в Западную Европу, где их изучали такие ученые, как Роджер Бэкон и Витело.

Ибн аль-Хайтам и Бируни были ранними сторонними средствами научного метода. Ибн аль-Хайсам считается «отцом современного научного метода» из-за его акцента на экспериментальных данных и воспроизводимости их результатов. Самый ранний методический подход к экспериментам в современном понимании прослеживается в работах Ибн аль-Хайтама, который ввел индуктивно-экспериментальный метод достижения результатов. Бируни представил ранние научные методы для нескольких различных областей исследования в 1020-х и 1030-х годах, включая ранний экспериментальный метод для механики. Методология Бируни напоминает современный научный метод, особенно в том, что он делает упор на повторяющиеся эксперименты.

Ибн Сина (980–1037), известный как «Авиценна», был эрудитом из Бухар (в настоящее время Узбекистан ), внесший важный вклад в физику, оптику, философию и медицину. Он опубликовал свою теорию движения в Книге исцеления (1020), где утверждал, что метатель придает снаряду импульс, и считал, что это временное достоинство, что снизилось даже в вакууме. Он считал это постоянным, требующим внешних сил, таких как сопротивление воздуха, чтобы рассеять его. Ибн Сина проводил различие между «силой» и «наклоном» (называемым «милым») и утверждал, что приобретенный объект может быть использован, объект находится в оппозиции своему естественному движению. Он пришел к выводу, что продолжение связано с наклоном, передаваемым объектом, и этот объект будет находиться в движении до тех пор, пока сообщение не будет израсходован. Он также утверждал, что снаряд в вакууме не остановится, если на него не воздействовать. Эта концепция движения соответствует первому закону движения Ньютона, инерции, который гласит, что движущийся объект будет оставаться в движении, если на него не действует внешняя сила. Эта идея, расходящаяся с аристотелевской точкой зрения, была позже описана как «импульс » Джоном Буриданом, на которого повлияла Книга исцеления Ибн Сины.

Страница из Алгебра.

ал-Хваризми Омар Хайям (1048–1131), персидский ученый, вычислил продолжительность солнечного года и уступил лишь долю секунды по сравнению с нашими современными расчеты. Он использовал это, чтобы составить календарь, который считается более точным, чем григорианский календарь, появившийся 500 лет спустя. Он одним из первых великих научных деятелей в мире, например, который убедил суфийского богослова в том, что мир вращается вокруг оси.

Хибат Аллах Абу’л-Баракат аль-Багдаади (ок. 1080-1165) принял и модифицировал теорию Ибн Сины о движении снаряда. В своем «Китаб аль-Мутабар» Абу’л-Баракат утвержден, что движущийся придает сильный наклон (миль касри) движущемуся, и что это уменьшается по мере того, как движущийся объект удаляется от движущегося. Он также использует объяснение ускорения падающих телом последовательных последовательных приращений мощности с последовательными приращениями . Согласно Шломо Пайнс, теория движения Аль-Багдаади была «старейшим отрицанием фундаментального закона Аристотеля [а именно, что постоянная сила производит равномерное движение], [и, таким образом, является] ожиданием в неопределенном виде основного закона классической механики [а именно, что приложенная сила непрерывно вызывает ускорение] «. Жан Буридан и Альберт Саксонский позже Сообщились на Абу’л-Бараката, объясняя, что ускорение падающего тела вызывает его возрастающим импульса.

Ибн Баджах (ок. 1085–1085). 1138), известный в Европе как «Avempace», предположил, что для каждой силы всегда есть сила реакции . силы равны, это было предшественником третьего закона движения Ньютона, который гласил, что для каждого действия существует равное и противоположное противодействие, Ибн Баджах был критиком Птолемея и работал над созданием новой теории скорости, которая заменила бы теорию, выдв инутую Аристотелем. Два будущих философа поддержали теории, созданные Avempacean Dynamics, известные как Avempacean Dynamics. Этими философами были Фома Аквинский, католический священник, и Джон Дунс Скот. Галилей продолжил принимать формулу Авемпаса, «что скорость данного объекта есть разница в движущей силе этого объекта и сопротивлении движущейся среды ».

Насир ад-Дин ат-Туси (1201–1274), персидский астроном и математик, умерший в Багдаде, написал Казначейство астрономии, удивительно точной таблицы движения планет, которая реформировала существующую планетную модель римского астронома Птолемея, описывая равномерное круговое движение всех планет по их орбитам. Эта работа привела к более позднему открытию одним из его учеников, что планеты на самом деле имеют эллиптическую орбиту. Позднее Коперник в значительной степени опирался на работы ад-Дина ат-Туси и его учеников, но без признания. Постепенное разрушение системы Птолемея подготовило почву для революционной идеи о том, что Земля действительно вращается вокруг Солнца (гелиоцентризм ).

Средневековая Европа

Осведомленность о древних произведениях вернулась на Запад через переводы с арабского на латинский. Их повторное введение в сочетании с иудео-исламскими теологическими комментариями оказало большое влияние на средневековых философов, таких как Фома Аквинский. Европейские ученые-схоласты, стремившиеся примирить философию древних классических философов с христианским богословием, провозгласили Аристотеля величайшим мыслителем древнего мира. В тех случаях, когда они прямо не противоречили Библии, аристотелевская физика становилась основой физических объяснений европейских церквей. Количественная оценка стала ключевым элементом средневековой физики.

Основываясь на аристотелевской физике, схоластическая физика описывала вещи как движущиеся в соответствии с их сущностной природой. Небесные объекты описывались как движущиеся по кругу, потому что совершенное круговое движение считалось врожденным свойством объектов, которые существовали в неповрежденном царстве небесных сфер. теория импульса, предшественница концепций инерции и импульса, была разработана в аналогичных направлениях средневековыми философами, такими как Иоанн Филопон и Жан Буридан. Движения под лунной сферой рассматривались как несовершенные, и поэтому нельзя было ожидать, что они будут демонстрировать постоянное движение. Более идеализированное движение в «подлунном» царстве могло быть достигнуто только с помощью уловки, и до 17 века многие не считали искусственные эксперименты действенным средством познания мира природы. Физические объяснения в подлунной сфере вращались вокруг тенденций. Камни содержали элемент Земля, а земные объекты имели тенденцию двигаться по прямой линии к центру Земли (и Вселенной в аристотелевской геоцентрическойточка зрения).

Научная революция

В течение XVI и XVII веков в Европе произошел большой прогресс научного прогресса, известный как научная революция. Недовольство старыми философскими подходами началось раньше и вызвало другие изменения в обществе, такие как протестантская реформация, но революция в науке началась, когда натурфилософы начали настойчивую атаку на схоластической философской Программа и предполагал, что математические описательные схемы, заимствованные из таких областей, как механика и астрономия, могут фактически дать универсальные характеристики движения и другие концепции.

Николай Коперник

Польский астроном Николай Коперник (1473–1543) запомнился разработкой гелиоцентрической модели Солнечной системы.

Прорыв в астрономии был сделан польским астрономом Николаем Коперником (1473–1543), когда в 1543 году он привел убедительные аргументы в пользу гелиоцентрической модели Солнечная система, якобы как средство для более точной визуализации таблиц, отображающих движение планет, и для упрощения их создания. В гелиоцентрических моделях Солнечной системы Земля вращается вокруг Солнца вместе с другими телами в Земной галактике, противоречие согласно греко-египетскому астроному Птолемею (II век н.э.; см. Выше)), , чья система поместила Землю в центр Вселенной и принята на протяжении более 1400 лет. Греческий астроном Аристарх Самосский (c.310 — c.230 до н.э.) предположил, что Земля вращается вокруг Солнца, но рассуждения Коперника привели к прочному всеобщему сообществу этой «революционной» идеи. Книга Коперника, излагающая теорию (De Revolutionibus orbium coelestium, «О вращении небесных сфер»), была опубликована незадолго до его смерти в 1543 году и, как сейчас принято считать, знаменует собой начало современного астрономия. научной революции. Новая перспектива Коперника, наряду с точными наблюдениями, сделанными Тихо Браге, позволила немецкому астроному Иоганну Кеплеру (1571–1630) определить свои законы относительно движения планет, которые используются сегодня.

Галилео Галилей

Галилео Галилей, ранний сторонник современного научного мировоззрения и метода. (1564–1642)

Итальянский математик, астроном и физик Галилео Галилей ( 1564–1642) известен своей поддержкой коперниканизма, своими астрономическими открытиями, эмпирическими экспериментами и усовершенствованием телескопа. Как математик, роль Галилея в университетской культуре его эпохи была подчинена трем основным темам обучения: право, медицина и теология. (что было связано с философией). Галилей, однако, что описательный анализ технических дисциплин требует философского интереса, особенно потому, что математический анализ астрономических наблюдений — в частности, анализ Коперником относительных движений Солнца, Земли, Луны и планет. — указали на то, что утверждение философов о природе вселенной ошибочные. Галилей также проводил механические эксперименты, настаивая на том, что само движение — независимо от того, было ли оно создано «естественным» или «искусственным» (то есть преднамеренно) — имеет универсально согласованные характеристики, которые можно описать математически.

Первые исследования Галилея в Пизанском университете были связаны с медициной, но вскоре его привлекли математика и физика. В 19 лет он обнаружил (и подтвердил ) изохронную природу маятника, когда с помощью своего пульса он рассчитал время колебаний качающейся лампы. в соборе Пизы и обнаружил, что он оставался неизменным для каждого независимо от амплитуды качания. Вскоре он известен благодаря изобретению гидростатических весов и трактату о центре тяжести твердый тел. Во время преподавания в Пизанском университете (1589–1592 гг.) Он начал время инициировать свои эксперименты по изучению движения тел, которые привели к результатам, противоречащим общепринятым учениям Аристотеля, что сильный антагонизм. Он обнаружил, что тела не падают со скоростью , пропорциональной их весу. Знаменитая история, в которой Галилей, как говорится, сбросил грузы с Пизанской башни, является апокрифом, но он обнаружил, что путь снаряда — это парабола, и ему приписывают выводы, которые предвосхитили законы движения Ньютона (например, понятие инерции ). Среди них то, что сейчас называется относительной Галилея, первое точно сформулированное утверждение о свойствах и времени за пределами трехмерной геометрии.

Составной монтаж, сравнивающий Юпитер (левая сторона) и его четыре галилеевых спутника (сверху вниз: Io, Европа, Ганимед, Каллисто ).

Галилей был назван «от современной наблюдательная астрономия «,» отец современной физики «,» отец «и» отец современной науки «. Согласно Стивен Хокинг,« Галилей, возможно, в большей Согласно религиозной ортодоксии, геоцентрическое или тихоническое понимание Солнечной системы, поддержка Галилеем гелиоцентризм вызвала споры, и его судила инквизиция. Обнаруженный «яростно подозреваемым в ереси», он был вынужден отречься и потратил остаток своей жизни unde г дома шний арест.

Вклад Галилея в наблюдательную астрономию включает телескопическое подтверждение фаз Венеры ; его открытие в 1609 году четырех спутников Юпитера (получивших название «галилеевыны »); и наблюдение и анализ солнечный пятен. Галилей также занимался прикладной наукой и техникой, изобретая, среди прочего, военный компас. Его открытие спутников Юпитера было опубликовано в 1610 году и помог ему получить положение математика и философа при Медичи дворе. Таким образом, он должен участвовать в философии аристотелевской традиции и получил широкую аудиторию для своих публикаций, таких как Рассуждения и математические демонстрации о двух новых науках (опубликованные за границей после его ареста за публикацию Диалог о двух главных мировых системах ) и Пробирный. Интерес Галилея к экспериментам и формулированию математических описаний сделал эксперименты неотъемлемой части натурфилософии. Эта традиция в сочетании с нематематическим акцентом на сбор «экспериментальных историй» философскими реформистами, такими как Уильям Гилберт и Фрэнсис Бэкон, за годы до этого привлекла значительное количество последователей. до и после смерти Галилея, включая Евангелиста Торричелли и участников Accademia del Cimento в Италии; Марин Мерсенн и Блез Паскаль во Франции; Христиан Гюйгенс в Нидерландах; и Роберт Гук и Роберт Бойл в Англии.

Рене Декарт

Рене Декарт. (1596–1650)

Французский философ Рене Декарт (1596–1650) имел хорошие связи и влиятельные внутри экспериментальных философских сетей того времени. Однако у Декарта была более амбициозная программа, которая была направлена ​​на полную замену схоластической философской традиции. Ставя под сомнение реальность, интерпретируемую через органы чувств, Декарт стремился восстановить философские объяснительные схемы, сводя все воспринимаемые явления к тому, что их можно отнести к движению невидимого моря «корпускул». (Примечательно, что он уберег человеческую мысль и Бога от своей схемы, считая их отделенными от физической вселенной). Предлагая эту философскую основу, Декарт предположил, что различные виды движения, такие как движение планет и движение земных объектов, не принципиально различны, а являются просто разные проявления бесконечной цепи корпускулярных движений, подчиняющихся универсальным принципам. Особенно влиятельными были его объяснения круговых астрономических движений в терминах вихревого движения корпускул в визу (Декарт утверждал, в соответствии с верованиями, если не методы, схоластов, что вакуум не может существовать.), И его объяснение гравитации в терминах корпускул, толкающих объекты вниз.

Декарт, как и Галилей, был убежден в важности математического объяснения, и он и его последователи были ключевыми фигурами в развитии математики и геометрии в 17 веке. В картезианских математических описаний движения утверждается, что все математические формулировки должны быть оправданы с точки зрения прямого воздействия, и эту позицию занимали Гюйгенс и немецкий философ Готфрид Лейбниц,, следуя за картузианская традиция разработала собственную философскую альтернативу схоластике, которую он изложил в своей работе 1714 года Монадология. Декарта называют «отцом современной философии», и последующая западная философия является ответом на его сочинения, которые внимательно изучаются по сей день. В частности, он продолжает оставаться стандартным текстом на философских факультетах различных университетов. Столь же очевидно влияние Декарта на математику; в его честь была названа декартова система координат, позволяющая выражать алгебраические уравнения в виде геометрических фигур в двумерной системе координат. Он считается отцом аналитической геометрии, моста между алгеброй и геометрией, важной для открытия исчисления и <392.>анализ.

Исаак Ньютон

Сэр Исаак Ньютон. (1642–1727)

Конец 17 — начало 18 века ознаменовались достижениями физика Кембриджского университета и математик сэр Исаак Ньютон (1642-1727). Ньютон, член Королевского общества Англии, объединил свои собственные открытия в механике и астрономии с более ранними открытиями, чтобы создать единую систему для описания устройства Вселенной. Ньютон сформулировал три закона движения, которые сформулировали взаимосвязь между движением и объектами, а также закон всемирного тяготения, последний из которых может использоваться для объяснения поведения не только падающих тел. на Земле, а также на планетах и ​​других небесных телах. Чтобы прийти к своим результатам, Ньютон изобрел одну из форм совершенно новой области математики: исчисление (также независимо изобретенное Готфридом Лейбницем ), которое должно было стать важным инструментом во многих областях. позднее развитие большинства разделов физики. Открытия Ньютона изложены в его Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica («Математические принципы естественной философии»), публикация которого в 1687 году положила начало современному периоду механики и астрономии.

Ньютон смог опровергнуть декартовскую механическую традицию, согласно которой все движения следует объяснять с учетом непосредственной силы, проявляемой корпускулами. Используя свои три закона движения и закон всемирного тяготения, Ньютон исключил идею о том, что объекты следовали путям, определяемым естественными формами, и вместо этого продемонстрировал, что не только регулярно наблюдаемые пути, но и все будущие движения любого тела могут быть вычислены математически на основе знания их существующее движение, их масса и силы, действующие на них. Однако наблюдаемые небесные движения не совсем соответствовали ньютоновской трактовке, и Ньютон, который также глубоко интересовался теологией, воображал, что Бог вмешался, чтобы обеспечить постоянную стабильность солнечной системы.

Готфрид Лейбниц. (1646–1716)

Принципы Ньютона (но не его математические трактовки) вызвали споры у континентальных философов, которые обнаружили у него отсутствие метафизического объяснения движения и гравитация с философской точки зрения неприемлема. Примерно с 1700 года между континентальной и британской философскими традициями открылся ожесточенный разрыв, который разжигали горячие, продолжающиеся и злобно личные споры между последователями Ньютона и Лейбница относительно приоритета перед аналитическими методами исчисления ,. каждый из которых развивался независимо. Первоначально на континенте преобладали картезианские и лейбницевские традиции (что привело к преобладанию лейбницевской системы обозначений исчисления везде, кроме Великобритании). Сам Ньютон в частном порядке оставался обеспокоенным отсутствием философского понимания гравитации, в то же время настаивая в своих трудах на том, что нет необходимости делать выводы о ее реальности. По мере развития XVIII века континентальные натурфилософы все чаще соглашались с готовностью ньютоновцев отказаться от онтологических метафизических объяснений математически описанных движений.

Ньютон построил первый действующий телескоп-отражатель и разработал теорию цвета, опубликованную в Opticks, на основе наблюдения, что призма разлагает белый свет на множество цветов, образующих видимый спектр.. В то время как Ньютон объяснил, что свет состоит из крошечных частиц, конкурирующая теория света, объясняющая его поведение в терминах волн, была представлена ​​в 1690 году Христианом Гюйгенсом. Однако вера в механистическую философию в сочетании с репутацией Ньютона означала, что волновая теория имела относительно небольшую поддержку до 19 века. Ньютон также сформулировал эмпирический закон охлаждения, изучил скорость звука, исследовал степенной ряд, продемонстрировал обобщенную биномиальную теорему и разработал метод аппроксимации корней функции. Его работа над бесконечными рядами была вдохновлена ​​десятичными знаками Саймона Стевина. Что наиболее важно, Ньютон показал, что действия объектов на Земле и небесных тел регулируются одним и тем же набором естественных законов, которые не были ни капризными, ни злонамеренными. Демонстрируя соответствие между законами движения планет Кеплера и его теорией гравитации, Ньютон также устранил последние сомнения в гелиоцентризме. Объединив все идеи, выдвинутые во время научной революции, Ньютон фактически заложил фундамент современного общества в области математики и естественных наук.

Другие достижения

Другие разделы физики также привлекли внимание в период научной революции. Уильям Гилберт, придворный врач королевы Елизаветы I, в 1600 г. опубликовал работу по магнетизму, описывая, как сама Земля ведет себя как гигантский магнит. Роберт Бойль (1627–91) изучил поведение газов, заключенных в камеру, и сформулировал газовый закон , названный в его честь ; он также внес вклад в физиологию и создание современной химии. Еще одним важным фактором научной революции был рост научных обществ и академий в разных странах. Самые ранние из них были в Италии и Германии и просуществовали недолго. Более влиятельными были Королевское общество Англии (1660) и Академия наук Франции (1666). Первый был учрежден частным учреждением в Лондоне и включал таких ученых, как Джон Уоллис, Уильям Браункер, Томас Сиденхэм, Джон Мэйоу и Кристофер Рен (внесший вклад не только в энергию, но также в астрономию и анатомию); последний в правительственном правительстве учреждение и включал в качестве иностранного члена голландца Гюйгенса. В 18 важных королевских академии были созданы в Берлине (1700 г.) и Санкт-Петербурге (1724 г.). Общество и академии предоставили возможности для публикации и обсуждения результатов во время и после научной революции. В 1690 году Джеймс Бернулли показал, что циклоида является решением проблемы таутохронов; в следующем году, в 1691 году, Иоганн Бернулли показал, что цепь, свободно подвешенная к двум точкам, образует контактную сеть, кривую с самым низким возможным центром тяжести Доступна любая цепь, подвешенная между двумя фиксированными точками. Затем в 1696 году он показал, что циклоида — это решение проблемы брахистохрона.

Ранняя термодинамика

Предшественник двигателя был разработан немецким ученым Отто фон Герике, который в 1650 году спроектировал и построил первый в мире вакуумный насос и создал первый в мире вакуум, известный эксперимент Магдебургские полушария. Он был вынужден создать вакуум, чтобы опровергнуть высказывание Аристотеля о том, что «Природа не терпит пустоты». Вскоре после этого ирландский физик и химик Бойль узнал о конструкции Герике и в 1656 году в сотрудничестве с английским ученым Робертом Гуком построил воздушный насос. Используя этот насос, Бойл и Гук заметили корреляцию давление-объем для газа: PV = k, где P = давление, V = объем, а k является константой: это соотношение известный как Закон Бойля. В то время считалось, что воздух — это система неподвижных частиц, а не система движущихся молекул. Концепция теплового движения появилась двумя веками позже. Таким образом, публикация Бойля в 1660 году говорит о механической концепции: пневматической рессоре. Позже, после изобретения термометра, температура свойства определить можно количественно. Этот инструмент дал Гей-Люссаку возможность вывести свой, который вскоре привел к закону идеального газа. Но еще до закона об идеальном газе сотрудник Бойля по имени Денис Папен построил в 1679 году костный варочный котел, который представляет собой закрытый сосуд с плотно закрывающейся крышкой, удерживающей пар до тех пор, пока не появится высокое давление. генерируется.

В более поздних конструкциях был реализован выпускной паровой клапан для предотвращения взрыва машины. Наблюдая за тем, как клапан ритмично перемещается вверх и вниз, Папен придумал поршневой и цилиндровый двигатель. Однако он не довел до конца своего замысел. Тем не менее, в 1697 году по проекту Папена инженер Томас Савери построил первый двигатель. Хотя эти первые двигатели были грубыми и неэффективными, они привлекли ведущие ученые того времени. Таким образом, до 1698 года и до изобретения Savery Engine использовались лошадиные силы для привода шкивов, прикрепленных к ведрам, поднимающим воду из затопленных соляных шахт в Англии. В последующие годы было построено больше вариаций паровых двигателей, таких как Newcomen Engine, а позже Watt Engine. Со временем эти ранние двигатели в окончании присвоения должности вместо лошадей. Таким образом, каждый двигатель начал ассоциироваться с определенным «лошадиных сил» в зависимости от того, сколько лошадей он заменил. Основная проблема с этими первыми двигателями заключалась в том, что они были медленными и неуклюжими, преобразовывая менее 2% входящего топлива в том числе. Другими словами, нужно было сжигать большое количество угля (или древесины), чтобы получить лишь небольшую часть производимой работы. Отсюда и возникла потребность в новой науке о динамике двигателя .

Развитие 18-го века

Алессандро Вольта. (1745–1827)

В течение 18-го века механика, основанная Ньютоном, была развита территория учеными по мере того, как все больше математиков изучали исчисление и выполняли его исходная формулировка. Применение математического анализа к проблемам движения было известно как рациональная механика или смешанная математика (позже она была названа классической механикой ).

Механика

Дэниел Бернулли. (1700–1782)

В 1714 году Брук Тейлор вывел основную частоту растянутого вибрирующая струна с точки ее натяжения и массы на единицу длины пути решения дифференциального уравнения . Швейцарский математик Даниэль Бернулли (1700–1782) провел математические исследования поведения газов, предвосхитив кинетическую теорию газов, разработанную более века спустя, и был упомянут как первый физик-математик. В 1733 году Даниэль Бернулли вывел основную частоту и гармоники висячей цепи, решив дифференциальное уравнение. В 1734 году Бернулли решил дифференциальное уравнение для упругого стержня, зажатого на одном конце. Трактовка Бернулли гидродинамики и его исследование потока жидкости были представлены в его работе 1738 года Hydrodynamica.

Рациональная механика имела дело в первую очередь с разработкой математических математических трактовок наблюдаемых движений., используя принципы Ньютона в качестве основы, подчеркивает повышение управляемости сложных вычислений и условия законных средств аналитического приближения. Типичный современный учебник издал Иоганн Батист Хорватия. К концу столетия аналитические подходы были достаточно строгими, чтобы проверить стабильность солнечной системы исключительно на основе теории Ньютона без ссылок на божественное вмешательство — даже в таких детерминированных трактовках таких простых систем, как Проблема трех тел в гравитации оставалась неразрешимой. В 1705 году Эдмонд Галлей предсказалость периода кометы Галлея, Уильям Гершель открыл Уран в 1781 году и Генри Кавендиш измерил гравитационную постоянную и определил массу Земли в 1798 году. В 1783 году Джон Мичелл предположил, что некоторые объекты могут быть настолько массивными, что даже свет не может выйти из них.

В 1739 году Леонард Эйлер решил обыкновенное дифференциальное уравнение для вынужденного гармонического осциллятора и заметил явление резонанса. В 1742 году Колин Маклорен открыл свои равномерно вращающиеся самогравитирующие сфероиды. В 1742 году Бенджамин Робинс опубликовал свои «Новые принципы артиллерийского дела», положившие начало аэродинамике. Британские работы, проводимые математиками, как Тейлор и Маклорен, в течение столетия отставали от континентального развития. Между тем, работа процветала в научных академиях на континенте, таких систем, как Бернулли, Эйлер, Лагранж, Лаплас и Лежандр. В 1743 году Жан ле Ронд д’Аламбер опубликовал свою Traite de Dynamique, в которой он представил концепцию обобщенных сил для ускорения систем и систем с ограничениями и применил новую идею предлагаемые работы для решения динамической задачи, известная теперь как принцип Даламбера, как соперник второго закона движения Ньютона. В 1747 году Пьер Луи Мопертюи применил минимальные принципы к механике. В 1759 году Эйлер решил дифференциальное уравнение в частных производных для вибрации прямоугольного барабана. В 1764 году Эйлер исследовал уравнение в частных производных для вибрации кругового барабана и нашел одно из решений функции Бесселя. В 1776 году Джон Смитон опубликовал статью об экспериментах, связанных с мощностью, работой, импульсом и кинетической энергией, а также в поддержке сохранение энергии. В 1788 году Жозеф Луи Лагранж представил уравнения движения Лагранжа которые в «Mécanique Analytique», в всякой механике была организована вокруг принципа предлагаемой работы. В 1789 году Антуан Лавуазье излагает закон сохранение массы. Рациональная механика, разработанная в 18 веке, получила блестящее отражение в работе Лагранжа 1788 года, так и в книге «Небесная механика (1799–1825)» Пьера-Симона Лапласа.

Термодинамика

В 18 век термодинамика разработан на основе теорий невесомых «невесомых жидкостей», таких как тепло («калорийность»), электричество и флогистон (который был быстро опровергнут как концепция, следующая за идентификацией Лавуазье газа кислорода в конце века). Предположим, что эти концепции реальными жидкостями, их течение можно было проследить с помощью механических устройств или химических факторов. Эта традиция экспериментов привела к разработке новых видов экспериментального оборудования, таких как лейденская банка ; и новые виды измерительных приборов, такие как калориметр, и улучшенные версии старых, такие как термометр. Эксперименты также привели к появлению новых концепций, таких как Университета Глазго экспериментатора Джозефа Блэка о скрытой теплоте и филадельфийский интеллектуал Бенджамин Франклин характеризует электрическую жидкость протекающую между местами как концепция переинтерпретируется в терминах положительных и отрицательных зарядов ). Франклин также показал, что молния — это электричество в 1752 году.

Общепринятая теория тепла 18 века рассматривала его как свою жидкость, называемую калорийной ; хотя позднее было показано, что эта теория ошибочна, ученые, занимающиеся тем не менее важным развитием теории, в том числе Джозеф Блэк (1728–1799) и Генри Кавендиш (1731–1810). Этой теории калорийности, разработанной в основном химиками, противостояла менее принятая теория временного Ньютона, согласно которой возникает из-за движения частиц вещества. Эта механическая теория получила поддержку в 1798 году в экспериментах графа Рамфорда (Бенджамин Томпсон ), которые представляют прямую связь между теплотой и механической энергией.

Хотя в начале 18 века было признано, что открытие абсолютных теорий электростатической и магнитной силы, родственных принципов движения Ньютона, будет важным достижение, так и не последовало. Как недавно созданный Королевский институт в Лондоне, стала более распространенной и усовершенствованной в первые годы XIX века в таких местах, как недавно созданный . Наиболее повлияло на аналитическое использование потока тепла французским математиком Жозефом Фурье, опубликованное в 1822 году. Джозеф Пристли электрический закон обратных квадратов в 1767 году, а Шарль-Огюстен де Кулон ввел закон обратных квадратов для электростатики в 1798 году.

К концу века члены Французской академии наук этой достигли явного господства в области. В то же время сохранилась экспериментальная традиция, заложенная Галилеем и его последователями. Королевское общество и Французская академия наук были главными центрами выполнения и отчетности об экспериментальной работе. Эксперименты в области механики, оптики, магнетизма, статического электричества, химии и физиологии не были четко различимы друг от друга в течение 18 века., но появлялись различия в пояснительных схемах и как следствие в дизайне экспериментов. Например, химические экспериментаторы отвергли попытки навязать схему абстрактных ньютоновских сил химической химии и вместо этого сосредоточились на выделении и классификации химических веществ и факторов.

XIX век

Механика

В 1821 году Уильям Гамильтон начал свой анализ характерной функции Гамильтона. В 1835 г. он сформулировал канонические уравнения движения Гамильтона.

В 1813 г. Питер Эварт поддержал сохранение энергии в своей статье «О мере движущейся силы». В 1829 году Гаспар Кориолис ввел термины работа (сила, умноженная на расстояние) и кинетическая энергия со значениями, которые они имеют сегодня. В 1841 г. Юлиус Роберт фон Майер, ученый-любитель, написал статью о сохранении энергии, хотя его отсутствие академической подготовки привело к ее отклонению. В 1847 г. Герман фон Гельмгольц сформулировал закон сохранения энергии.

Электромагнетизм

Майкл Фарадей. (1791–1867)

В 1800 году Алессандро Вольта изобрел электрическую батарею (известную как гальваническая батарея ) и, таким образом, улучшил способ изучения электрических токов. Год спустя Томас Янг испытал волновую природу света, получив сильную экспериментальную поддержку в работе Огюстена-Жана Френеля, и принцип интерференции. В 1820 году Ганс Кристиан Эрстед обнаружил, что проводник с током порождает магнитную силу, его, и через неделю после открытия Эрстеда достигло Франция Андре-Мари Ампер обнаружил, что два параллельного электрического тока будут друг на друга силы. В 1821 году Майкл Фарадей построил двигатель с электрическим приводом, а Георг Ом сформулировал свой закон электрического сопротивления в 1826 году, выразивь взаимосвязь между напряжением, током и сопротивлением в электрической цепи..

В 1831 году Фарадей (и Джозеф Генри ) открыл обратный эффект, производство электрического тока или тока посредством магнетизма — известного как электромагнитная индукция ; эти два открытия лежат в основе электродвигателя и электрогенератора соответственно.

Законы термодинамики

Уильям Томсон (лорд Кельвин). (1824–1907)

В XIX веке количественно связь между теплотой и механической энергией была установлена ​​Юлиус Роберт фон Майер и Джеймс Прескотт Джоуль, которые измерили механический эквивалент тепла в 1840-х годах. В 1849 году Джоуль опубликовал результаты своих экспериментов (включая эксперимент с гребным колесом), которые показывают, что это система энергии, и этот факт был принят в 1850-х годах. Связь между теплом и энергией важна для развития паровых машин, и в 1824 году была опубликована экспериментальная и теоретическая работа Сади Карно. Карно уловил некоторые идеи термодинамики в обсуждении эффективности идеализированного двигателя. Работа Сади Карно послужила для формулировки первого закона термодинамики — повторной формулировки сохранения энергии, который был сформулирован около 1850 года Уильямом Томсоном, позже известный как лорд Кельвин, и Рудольф Клаузиус. Лорд Кельвин, распространивший понятие абсолютного нуля для газов на все вещества в 1848 году, опирался на инженерную теорию Лазара Карно, Сади Карно и Эмиля Клапейрона — а также эксперименты Джеймса Прескотта Джоуля по взаимозаменяемости механических, химические, термические и электрические формальные работы — сформулировать первый закон.

Кельвин и Клаузиус также сформулировали формули второй термодинамики, который изначально был сформулирован в терминах факта, что тепло не перетекает самопроизвольно от более холодного тела к более горячему. Другие формулировки последовали быстро (например, закон второй был изложен в влиятельной работе Томсона и Питера Гатри Тейта «Трактат о естественной философии»), и Кельвин, в частности, понял некоторые общие значения закона. Второй Закон заключен в том, что идея о том, что газы состоят из движущихся молекул, подробно обсуждалась Даниэлем Бернулли в 1738 году, но потеряла популярность и была возрождена Клаузиусом в 1857 году. В 1850 году Ипполит Физо и Леон Фуко измерил скорость света в воде и обнаружил, что она медленнее, чем в воздухе, что подтверждает волновую модель света. В 1852 году Джоуль и Томсон продемонстрировали, что быстро расширяющийся газ охлаждается, что позже было названо эффектом Джоуля-Томсона или эффектом Джоуля-Кельвина. Герман фон Гельмгольц выдвигает идею тепловой смерти вселенной в 1854 году, в том же году, когда Клаузиус установил важность dQ / T (теорема Клаузиуса ) (правда, количество еще не назвал).

Статистическая механика (принципиально новый подход к науке)

Джеймс Клерк Максвелл. (1831–1879)

В 1859 году Джеймс Клерк Максвелл открыл закон распределения молекулярных скоростей. Максвелл показал, что электрические и магнитные поля распространяются наружу от своего источника со скоростью, равной скорости света, и что свет является одним из нескольких видов электромагнитного излучения, отличающимся от других только частотой и длиной волны. В 1859 году Максвелл разработал математику распределения скоростей молекул газа. Волновая теория света была широко принята ко времени работы Максвелла по электромагнитному полю, и впоследствии изучение света, электричества и магнетизма было тесно связано. В 1864 году Джеймс Максвелл опубликовал свои статьи по динамической теории электромагнитного поля и заявил, что свет является электромагнитным явлением, в 1873 году в публикации Максвелла «Трактат об электричестве и магнетизме». Эта работа опиралась на теоретические работы немецких теоретиков, таких как Карл Фридрих Гаусс и Вильгельм Вебер. Инкапсуляция тепла в движении частиц и добавление электромагнитных сил к ньютоновской динамике создали чрезвычайно прочную теоретическую основу для физических наблюдений.

Предсказание о том, что свет представляет собой передачу энергии в форме волны через «светоносный эфир », и кажущееся подтверждение этого предсказания студентом Гельмгольца Генрихом Герцем ‘ Обнаружение в 1888 году электромагнитного излучения было большим триумфом физической теории и повысило вероятность того, что вскоре могут быть разработаны еще более фундаментальные теории, основанные на поле. Экспериментальное подтверждение теории Максвелла было предоставлено Герцем, который в 1886 году создал и обнаружил электрические волны и подтвердил их свойства, в то же время предвосхитив их применение в радио, телевидении и других устройствах. В 1887 году Генрих Герц открыл фотоэлектрический эффект . Вскоре после этого начались исследования электромагнитных волн, и многие ученые и изобретатели проводили эксперименты над их свойствами. В середине и конце 1890-х годов Гульельмо Маркони разработал радиоволновую систему беспроводной телеграфии (см. изобретение радио ).

Атомная теория вещества была снова предложена в начале 19 века химиком Джоном Далтоном и стала одной из гипотез кинетико-молекулярной теории газов, разработанной Клаузиусом и Джеймсом. Клерк Максвелл объяснил законы термодинамики.

Людвиг Больцман. (1844-1906)

Кинетическая теория, в свою очередь, привела к революционному подходу к науке, статистической механике Людвига Больцмана (1844–1906) и Джозайя Уиллард Гиббс (1839–1903), который изучает статистику микросостояний системы и использует статистику для определения состояния физической системы. Связав статистическую вероятность определенных состояний организации этих частиц с энергией этих состояний, Клаузиус переосмыслил диссипацию энергии как статистическую тенденцию перехода молекулярных конфигураций во все более вероятные и все более дезорганизованные состояния (придумав термин «»). энтропия «для описания дезорганизации состояния). Статистическая и абсолютная интерпретации второго закона термодинамики создают спор, который продлится несколько десятилетий (приводя аргументы, такие как «демон Максвелла »), и который не будет считаться окончательно разрешенным до тех пор, пока поведение атомов было твердо установлено в начале 20 века. В 1902 году Джеймс Джинс обнаружил масштаб длины, необходимый для роста гравитационных возмущений в статической почти однородной среде.

Другие события

В 1822 году ботаник Роберт Браун обнаружил броуновское движение : частицы пыльцы в воде, претерпевающие движение в результате их бомбардировки быстрыми потоками. движущиеся атомы или молекулы в жидкости.

В 1834 году Карл Якоби открыл свои равномерно вращающиеся самогравитирующие эллипсоиды (эллипсоид Якоби ).

В 1834 году Джон Рассел наблюдал нераспадающуюся уединенную водную волну (солитон ) в Union Canal около Эдинбурга и использовал резервуар для воды для изучения зависимости скорости одиночных волн на воде от амплитуды волны и глубины воды. В 1835 г. Гаспар Кориолис теоретически исследовал механическую эффективность водяных колес и вывел эффект Кориолиса. В 1842 году Кристиан Доплер предложил эффект Доплера.

. В 1851 году Леон Фуко показал вращение Земли с помощью огромного маятника (Маятник Фуко ).

В первой половине века в механике сплошных сред были достигнуты важные успехи, а именно: формулировка законов упругости для твердых тел и открытие Навье – Стокса. уравнения для жидкостей.

ХХ век: рождение современной физики

Мария Склодовская-Кюри. (1867–1934)

В конце XIX века физика достигла такой точки, когда классическая механика могла справляться с очень сложными задачами, включающими макроскопические ситуации; термодинамика и кинетическая теория были хорошо установлены; геометрическую и физическую оптику можно понять в терминах электромагнитных волн; и законы сохранения энергии и импульса (и массы) были широко приняты. Эти и другие достижения были настолько глубокими, что было общепризнано, что все важные законы физики были открыты и что отныне исследования будут направлены на выяснение мелких проблем и, в частности, на улучшение методов и измерений. Однако примерно в 1900 г. возникли серьезные сомнения в полноте классических теорий — например, триумф теорий Максвелла был подорван из-за уже начавших проявляться неадекватностей — и их неспособности объяснить определенные физические явления, такие как распределение энергии в излучение черного тела и фотоэлектрический эффект, в то время как некоторые теоретические формулировки приводили к парадоксам, когда доводились до предела. Выдающиеся физики, такие как Хендрик Лоренц, Эмиль Кон, Эрнст Вихерт и Вильгельм Вин, считали, что некоторая модификация уравнений Максвелла может стать основой всех физических законов. Эти недостатки классической физики никогда не могли быть устранены, и требовались новые идеи. В начале 20 века в мире физики произошла крупная революция, которая привела к новой эре, которую обычно называют современной физикой.

Радиационные эксперименты

Дж. Дж. Томсон (1856–1940) открыл электрон и изотопию, а также изобрел масс-спектрометр. Он был удостоен Нобелевской премии по физике в 1906 году.

В 19 веке экспериментаторы начали обнаруживать неожиданные формы излучения: Вильгельм Рентген произвел сенсацию своим открытием Рентген в 1895 г.; в 1896 г. Анри Беккерель обнаружил, что определенные виды материи сами по себе испускают излучение. В 1897 г. Дж. Дж. Томсон открыл электрон, а новые радиоактивные элементы, обнаруженные Мари и Пьером Кюри, подняли вопросы о предположительно неразрушаемом атоме и природе материи.. Мари и Пьер придумали термин «радиоактивность » для описания этого свойства вещества и выделили радиоактивные элементы радий и полоний. Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди идентифицировали две формы излучения Беккереля с электронами и элементом гелием. Резерфорд идентифицировал и назвал два типа радиоактивности и в 1911 году интерпретировал экспериментальные данные как показывающие, что атом состоит из плотного, положительно заряженного ядра, окруженного отрицательно заряженными электронами. Однако классическая теория предсказывала, что эта структура должна быть нестабильной. Классическая теория также не смогла успешно объяснить два других экспериментальных результата, появившихся в конце 19 века. Одним из них была демонстрация Альберта А. Майкельсона и Эдварда В. Морли, известная как Майкельсона-Морли, которая показала, что, похоже, не является предпочтительной системой отсчета в состоянии покоя по сравнению с гипотетическим светоносным эфирным явлением для описания электромагнитных явлений. Исследования радиации и радиоактивного распада продолжали оставаться в центре внимания физических и химических исследований в течение 1930-х годов, когда открытие ядерного деления Лизой Мейтнер и Отто Фриш открыло путь к практическому использованию того, что стало называться «атомной» энергией.

Теория относительности Альберта Эйнштейна

Альберт Эйнштейн (1879–1955), сфотографированный здесь примерно в 1905 году

В 1905 году 26- летний немецкий физик по имени Альберт Эйнштейн (тогда патентный служащий в Берне, Швейцария) показал, как измерения времени и пространства на них влияет на движение наблюдателем и тем, что отсутствует. Радикальная теория относительности Эйнштейна произвела революцию в науке. Хотя Эйнштейн представляет много других важных вкладов в науку, сама по себе теория относительности собой одно из величайших интеллектуальных достижений всех времен. Хотя концепция относительности не введена Эйнштейном, его главным вкладом было признание того, что скорость света в вакууме постоянна, то есть одинакова для всех наблюдателей, и абсолютной физической границей движения. Это не на повседневную жизнь человека, поскольку большинство движутся со скоростью, намного меньше, чем скорость света. Однако для объектов, движущихся со скоростью, близкой к скорости света, теория относительности показывает, что часы, связанные с этими объектами, будут идти медленнее, а длина объектов укорачивается в соответствии с измерениями наблюдателя на Земле. Эйнштейн также вывел знаменитое уравнение E = mc, которое выражает эквивалентность массы и энергии.

Специальная теория относительности

Эйнштейн предположил, что гравитация является результатом масс (или их эквивалентными энергиями ) искривлением («изгибом») пространства-времени, в котором они существуют, изменяя пути, по которым они следуют в нем.

Эйнштейн утверждал, что скорость света постоянна во всех законы электромагнетизма должны оставаться в силе независимо от системы отсчета — утверждение, которые делали эфир «излишним» для физической теории и утверждения, что наблюдения как наблюдатель двигался по отношению к измеряемому объекту (что стало называться «специальной теорией относительности »). Из этого также следовало, что масса и энергия были взаимозаменяемыми величинами в соответствии с уравнением E = mc. В другой статье, опубликованной в том же году, Эйнштейн утверждал, что электромагнитное излучение передается в дискретных количествах («квантов ») в соответствии с константой, которую физик-теоретик Макс Планк установил в. 1900 году. Формулировка теории распределения геометрическое положение тела — предположение, объясняющее странные свойства фотоэлектрического эффекта.

Специальная теория относительности — это формулировка взаимосвязи между физическими наблюдениями и концепции пространства и времени. Теория возникла из противоречий между электромагнетизмом и механикой Ньютона и оказала большое влияние на обе эти области. Первоначальный исторический вопрос заключен в том, имеет смысл обсуждать «эфир», переносящий электромагнитные волны, и против него, как это было безуспешно предпринято в эксперименте в эксперименте Морли. Эйнштейн опроверг эти и концепцию эфира в своей специальной теории относительности. Однако его основная формулировка не включает детальную электромагнитную теорию. Возникает вне вопроса: «Что такое время?» Ньютон в «Началах» (1686) дал однозначный ответ: «Абсолютное, истинное и математическое время, само по себе и исходя из собственной природы, равномерно без к чему-либо внешнему и другим путем.

Эйнштейн имел гений, чтобы подвергнуть ее сомнению, и обнаружил, что она была неполной, вместо этого каждый «наблюдатель» обязательно использует свою собственную шкалу времени, а Пространство и время наблюдения взаимосвязанными понятиями, фундаментально зависимыми от наблюдателя. Абсолютным остается постулат относительности Эйнштейна: «Основные факторы физики идентичности для двух наблюдателей, имеющие постоянную относительную скорость по отношению друг к другу».

Специальная теория относительности оказала г лубокое влияние на физику: начавшись как переосмысление теории электромагнетизма, она обнаружила новый закон симметрии природы, который теперь называется симметрией Пуанкаре, который заменил старую галилееву симметрию.

Специальная теория относительности оказала еще один длительный эффект на динамику. Хотя первоначально ему приписывали «объединение массы и энергии», стало очевидно, что релятивистская динамика установила четкое различие между массой покоя, что является инвариантным (независимым от наблюдателя) свойством. частицы или системы частиц, а также энергия и импульс системы. Последние два по отдельности сохраняются во всех ситуациях, но не инвариантны по отношению к разным наблюдателям. Термин масса в физике элементарных частиц претерпел семантическое изменение, и с конца 20 века он почти исключительно означает массу покоя (или инвариантную).

Общая теория относительности

К 1916 году Эйнштейн смог еще больше обобщить это, имея дело со всеми состояниями движения, включая неравномерное ускорение, что стало общей теорией относительности. В этой теории Эйнштейн также определил новую концепцию кривизны пространства-времени, которая описывает гравитационный эффект в каждой точке пространства. Фактически, искривление пространства-времени полностью заменило универсальный закон всемирного тяготения Ньютона. Согласно Эйнштейну, гравитационная сила в обычном смысле слова — это своего рода иллюзия, вызванная геометрией пространства. Наличие массы вызывает искривление пространства-времени в непосредственной близости от массы, и эта кривизна диктует путь пространства-времени, по которому должны следовать все свободно движущиеся объекты. На основе этой теории также было предсказано, что свет должен быть подвержен гравитации — все это было подтверждено экспериментально. Этот аспект теории относительности объяснил феномен огибания света вокруг Солнца, предсказал черные дыры, а также свойства космического микроволнового фонового излучения — открытие, сделавшее фундаментальные аномалии в классической гипотезе устойчивого состояния. За свои работы по теории относительности, фотоэлектрическому эффекту и излучению черного тела Эйнштейн получил Нобелевскую премию в 1921 году.

Постепенное принятие теорий относительности Эйнштейна и квантованной природы передачи света, а также теории Нильса Бора. Модель атома создала столько же проблем, сколько и решила, что привело к полномасштабным усилиям по восстановлению физики на новых фундаментальных принципах. Распространяя теорию относительности на случаи ускоряющихся систем отсчета («общая теория относительности ») в 1910-х годах, Эйнштейн постулировал эквивалентность инерционной силы ускорения и силы тяжести, что привело к выводу, что пространство искривленные и конечные по размеру, а также предсказание таких явлений, как гравитационное линзирование и искажение времени в гравитационных полях.

Квантовая механика

Макс Планк. (1858–1947)

Хотя теория относительности разрешила конфликт электромагнитных явлений, продемонстрированный Майкельсоном и Морли, второй теоретической проблемой было объяснение распределения электромагнитного излучения, испускаемого черным телом ; Эксперимент показал, что на более коротких волнах, ближе к ультрафиолетовому краю спектра, энергия приближалась к нулю, но классическая теория предсказывала, что она должна стать бесконечной. Это вопиющее несоответствие, известное как ультрафиолетовая катастрофа, было разрешено новой теорией квантовой механики. Квантовая механика — это теория элементов и субатомных систем. Приблизительно первые 30 лет 20 века укажите время зарождения и развития теории. Основные идеи квантовой теории были введены в 1900 году Максом Планком (1858–1947), который был удостоен Нобелевской премии по физике в 1918 году за открытие количественной энергии.. Квантовая теория (которая ранее полагалась на «соответствие» в больших масштабах между квантованным миром атома и непрерывностью «классического » мира) принята, когда Эффект Комптона установили, что свет несет импульс и может рассеиваться части, и когда Луи де Бройль утвержден, что материю можно рассматривать как волну во многом так же, как электромагнитные волны ведут себя как частицы (волна–цами двойственности частиц ).

Вернер Гейзенберг. (1901–1976)

В 1905 году Эйнштейн использовал квантовую теорию для объяснения фотоэлектрического эффекта, а в 1913 году датский физик Нильс Бор использовал ту же самую константа для объяснения стабильности атома Резерфорда, а также частот света, излучаемого газообразным водородом. Квантованная теория атома уступила место полномасштабной квантовой механике в 1920-х годах. Новые принципы «квантовой», а не «классической» механики, матрицы сформулированные в форме Вернером Гейзенбергом, Максом Борном и Паскуалем Иордания в 1925 г., были основаны на вероятностной взаимосвязи между дискретными «состояниями» и отрицательной возможностью причинной связи. Квантовая механика была широко развита Гейзенбергом, Вольфгангом Паули, Полем Дираком и Эрвином Шредингером, которые в 1926 году создали эквивалентную теорию, основанную на волнах; но «принцип неопределенности » Гейзенберга 1927 г. (указывающий на невозможность точного и одновременного измерения положения и импульса ) и «Копенгагенская интерпретация » квантовой механики (названная в честь Родной город Бора) продолжал отрицать возможность фундаментальной причины, хотя противники, такие как Эйнштейн, метафори утверждали, что «Бог не играет в кости со вселенной». Новая квантовая механика стала незаменимым инструментом в исследовании и объяснении явлений на атомном уровне. Также в 1920-х годах работа индийского ученого Сатиендра Нат Бозе по фотонам и квантовой механике использовила использовала для статистики Бозе — Эйнштейна, теории конденсат Бозе- Эйнштейна.

Теорема спин-статистика установила, что любая часть в квантовой механике может быть либо бозоном (статистически Бозе-Эйнштейн), либо фермион (статистически Ферми — Дирака ). Позже было обнаружено, что все фундаментальные бозоны передают силы, такие как фотон, передающий электромагнетизм.

Фермионы — это частицы, «электронные электронам и нуклонам», и обычные составляющие материи. Позже статистика Ферми-Дирака нашла множество других применений, от астрофизики (см. Вырожденное вещество ) до дизайна полупроводников.

Современная физика и физика элементарных частиц

Квантовая теория поля

A Диаграмма Фейнмана, представляющая (слева направо) образование фотона (синяя синусоида ) из аннигиляция электрона и его дополнительная античастицы, позитрона. Фотон становится парой кварк — антикварк и высвобождается глюон (зеленая спираль). Значок Ричарда Фейнмана в Лос-Аламосе

По мере того как философски настроенные люди продолжали спорить о фундаментальной природе Вселенной, квантовые теории продолжали создаваться, начиная с формулировки релятивистской квантовой теории Полом Дираком в 1928 году. Однако условные квантовать Теория электромагнетизма заблокирована на протяжении 1930-х годов техническими формулировками, имеющими бесконечные энергии. Эта ситуация не считалась разрешенной до тех пор, пока Вторая мировая война не закончилась, когда Джулиан Швингер, Ричард Фейнман и Син-Итиро Томонага независимо друг от друга. использует метод перенормировки, который позволил создать надежную квантовую электродинамику (QED).

Между тем, новые теории элементарных частиц распространилось с появлением идей квантования полей посредством «обменных сил », регулируемых обменом короткоживущих « Теория виртуальных частиц, которые существуют в соответствии с законами, управляющими неопределенностями, присущими квантовому миру. Примечательно, что Хидеки Юкава предположил, что положительные заряды ядра ядра удерживаются вместе мощной, но ближней силы, опосредованной частицы с массой между массой электрон и протон. Эта частица, «пион », была идентифицирована в 1947 году как часть того, что стало много частиц, обнаруженных после Второй мировой войны. Первоначально такие частицы были обнаружены как ионизирующее излучение, оставленное космическими лучами, но их все чаще стали требовать в более новых и более мощных ускорителях частиц.

За пределами физики элементарных частиц Основы Достижениями того времени были:

• изобретение лазера (1964 Нобелевская премия по физике );
• теоретические и экспериментальные исследования сверхпроводимости, особенно изобретение квантовая теория сверхпроводимости от Виталия Гинзбурга и Льва Ландау (Нобелевская премия по физике 1962 года) и, позднее, ее объяснение с помощью куперовских пар (Нобелевская премия по физике 1972 г.) Пара Купера был ранним примером квазичастиц.

теорий единого поля

Эйнштейн считал, что все фундаментальные взаимодействия в природе могут быть объяснены в единую теорию. Были многочисленными попытками «слить» несколько попытий. на из формулировок таких теорий (как и теорий поля в общем al) является калибровочной теорией, обобщением идеи симметрии. В конце концов, в Стандартной модели (см. Ниже) удалось объединить сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия. Все попытки объединить гравитацию с чем-то еще потерпели неудачу.

Стандартная модель

Стандартная модель .

Взаимодействие этих частиц посредством рассеяния и распада дало к новому фундаментальным квантовым теориям. Мюррей Гелл-Манн и Ювал Нееман привели в порядок эти новые частицы, классифицируя их по определенным качествам, начиная с того, что Гелл-Манн называл «Восьмеричный путь «. В то время как его дальнейшее развитие, кварковая модель , сначала кажется неадекватным для описания сильных ядерных взаимодействий, что привело к временному росту конкурирующих теорий таких как S-матрица, создание квантовой хромодинамики в 1970-х годах завершило набор фундаментальных и обменных частиц, который создал «стандартную модель », основанную на математике калибровочного инвариантность, которая успешно использует все силы, кроме гравитации, и которая остается общепринятой в своей области применения.

модель Стандартная группирует электрослабое взаимодействие теории и квантовой хромодинамики в структуре, обозначенную калибровочной группой SU (3) × SU (2) × U (1). объединение электромагнитных и слабых взаимодействий в стандартной модели принадлежит Абдусу Саламу, Стивену Вайнбергу и, рав, Шелдону Глэшоу.. Позже теория электрослабых частиц была подтверждена экспериментально (наблюдением нейтральных слабых токов ) и отмечена Нобелевской премией по физике 1979 года .

С 1970-х годов физика фундаментальных частиц дала представление о ранней Вселенной космология, особенно теория Большого взрыва, предложенная как следствие общей теории относительности Эйнштейна. Однако, начиная с 1990-х годов, астрономические наблюдения также поставили новые задачи, такие как необходимость новых объяснений галактической стабильности («темная материя ») и видимого ускорения расширения Вселенной. («темная энергия «).

Хотя суперсимметрия и найдены ожидаемые взаимодействия частиц при различных энергиях взаимодействия, никакой теории согласования общей теории относительности со Стандартной моделью, хотя суперсимметрия и Теория струн рассматривалась теоретиками как многообещающий путь вперед. Однако Большой адронный коллайдер, который начал работать в 2008 году, не смог найти никаких доказательств в поддержку суперсимметрии и теории струн.

Космология

Космология может сказать, что это стало серьезным вопросом исследования после публикации общей теории теории Эйнштейна в 1915 году, хотя она не вошла в научный мейнстрим до периода, известного как «золотой век общей теории относительности ».

Примерно десять лет спустя, в разгар того, что было названо «Великими дебатами », Хаббл и Слайфер представили расширение вселенной в 1920-е годы, измерения красных смещений доплеровских спектров галактических туманностей. Используя общую теорию относительности Эйнштейна, Лемэтр и Гамов сформулировали то, что стало как теория большого взрыва. Конкурент, названный теорией устойчивого состояния, был разработан Хойлом, Голдом, Нарликаром и Бонди.

Космический фоновое излучение было подтверждено в 1960-х годах Пензиасом и Уилсоном, и это открытие способствовало большому взрыву в ущерб устойчивости состояния. Более поздние работы были выполнены Smoot et al. (1989), среди других авторов, используя данные спутников Cosmic Background explorer (CoBE) и Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), которые уточнили эти наблюдения. 1980-е годы (то же самое десятилетие измерений COBE) также ознаменовались предложением теории инфляции Гутом.

. В последнее время проблемы темной материи и темной энергии поднялись на вершину повестки дня космологии..

Бозон Хиггса

Одна из возможных сигнатур бозона Хиггса от смоделированного столкновения протона и протона. Он почти сразу распадается на две струи из адронов и двух электронов, видимых линиями.

4 июля 2012 г. физики, работающие на Большом адронном коллайдере <90 в ЦЕРНе.>объявили, что они открыли новую субатомную частицу, очень похожую на бозон Хиггса, что является потенциальным ключом к пониманию того, почему элементарные частицы имеют массу, а также к существованию разнообразия и жизни во Вселенной. На данный момент некоторые физики называют это частицей, похожей на Хиггса. Джо Инкандела из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре сказал: «Это то, что может, в конце концов, быть одним из крупнейших наблюдений любых новых явлений в нашей области за последние 30 или 40 лет, начиная, например, с открытия кварков «. Майкл Тернер, a космолог из Чикагского университета и председатель совета физического центра, сказал:

«Это важный момент для физики элементарных частиц и перекресток — будет ли это высшая точка или первое из многих открытий, которые указывают нам на решение действительно серьезных вопросов, которые мы поставили? «

— Майкл Тернер, Чикагский университет

Питер Хиггс был одним из шести физиков, работающих в трех независимых группах, которые в 1964 году, изобрел понятие поля Хиггса («космическая патока»). Другими были Том Киббл из Имперского колледжа в Лондоне ; Карл Хаген из Рочестерского университета ; Джеральд Гуральник из Университета Брауна ; и Франсуа Энглер и Роберт Браут, оба из Université libre de Bruxelles.

Хотя их никогда не видели, поля, подобные Хиггсу, играют важную роль в теориях Вселенной и в теории струн. При определенных условиях, согласно странному объяснению эйнштейновской физики, они могут наполняться энергией, создающей антигравитационную силу. Такие поля были предложены в качестве источника огромного всплеска расширения, известного как инфляция, на раннем этапе развития Вселенной и, возможно, в качестве секрета темной энергии, которая теперь, похоже, ускоряет расширение Вселенной.

Физические науки

С ростом доступности и развития передовых аналитических методов в XIX веке, физика определялась в большей степени, если не больше, этими методами, чем поиском универсальных принципов движения и энергии, а также фундаментальная природа материи. Такие области, как акустика, геофизика, астрофизика, аэродинамика, физика плазмы, низкотемпературные физика и физика твердого тела объединили оптику, гидродинамику, электромагнетизм и механику как области физических исследований. В 20 веке физика также стала тесно связана с такими областями, как электрика, аэрокосмическая промышленность и материаловедение инженерия, и физики начали работать в государственных и промышленных лабораториях, как как в академической среде. После Второй мировой войны численность физиков резко увеличилась и сосредоточилась в Соединенных Штатах, тогда как в последние десятилетия физика стала более международным занятием, чем когда-либо в ее предыдущей истории.

Основные публикации по физике

См. Также

• История оптики
• История электротехники
• История электромагнетизма
• Список физиков
• Нобелевская премия по физике
• Список лауреатов Нобелевской премии по физике
• Хронология открытий в фундаментальной физике

Примечания

Ссылки

Источники

Дополнительная литература

• Бухвальд, Джед З. и Роберт Фокс, ред. Оксфордский справочник по истории физики (2014) 976pp; отрывок
• Байерс, Нина; Уильямс, Гэри (2006). Из тени: вклад женщин двадцатого века в физику. Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-82197-5 .
• Кроппер, Уильям Х. (2004). Великие физики: жизнь и времена ведущих физиков от Галилея до Хокинга. Издательство Оксфордского университета. ISBN 0-19-517324-4 .
• Уважаемый, Питер (2001). Революция в науке: европейское знание и его амбиции, 1500–1700 гг. Принстон: Издательство Принстонского университета. ISBN 0-691-08859-4 . OCLC 46622656..
• Гамов, Джордж (1988). Великие физики от Галилея до Эйнштейна. Dover Publications. ISBN 0-486-25767-3 .
• Хейлброн, Джон Л. (2005). Оксфордское руководство по истории физики и астрономии. Издательство Оксфордского университета. ISBN 0-19-517198-5 .
• Най, Мэри Джо (1996). Перед большой наукой: стремление к современной химии и физике, 1800–1940 гг. Нью-Йорк: Туэйн. ISBN 0-8057-9512-X . OCLC 185866968..
• Сегре, Эмилио (1984). От падающих тел до радиоволн: классические физики и их открытия. Нью-Йорк: У. Х. Фриман. ISBN 0-7167-1482-5 . OCLC 9943504..
• Сегре, Эмилио (1980). От рентгеновских лучей до кварков: современные физики и их открытия. Сан-Франциско: В. Х. Фриман. ISBN 0-7167-1147-8 . OCLC 237246197..
• Уивер, Джефферсон Х. (редактор) (1987). Мир физики. Саймон и Шустер. ISBN 0-671-49931-9 . CS1 maint: дополнительный текст: список авторов (ссылка ) Подборка из 56 статей, написано физиками. Комментарии и примечания Ллойда Моца и Дейла Макаду.
• де Хаас, Пол, «Исторические статьи по физике (20-й век)»

Внешние ссылки

• «Выбрано Работы об Исааке Ньютоне и его мысли » из The Newton Project.

The most curious mind out of all the species is the mind of homosapiens. Humans are always curious about the nature around them and the magic laws on which it functions. The sun always rises in the east and sets in the west, the moon appears at night and the sun appears in the day, and so on. All these questions not on make humans curious but make them think and discover about the different theories of nature and by doing so, humans soon started discovering physics in order to discover the world and its mystery. Let’s learn what is physics in more detail,

What is Physics?

The word “science” has been originated from a word in the Latin dictionary named “Scientia” which means “to know”. Therefore, in one way, it can be said that science is nothing but to know the working of everything, from nature to machines. Under science, a category well known is nature science, which is the study of the physical world around humans. Physics, chemistry, biology, geology, all these fields lie under nature science.

A basic discipline of nature sciences is physics. Physics is also a word taken from the Latin dictionary which means nature. In Sanskrit, it is known as “Bhautiki” which is the physical world around. The definition of physics is not accurately present but it can be said that physics is the study of all basic laws of nature and their manifestation in a different phenomenon.

Physics as a whole explains the diverse physical phenomenon with respect to concepts and laws. For instance, from the falling off an apple on the ground and the law associated with it to the revolving of planets around the sun, to electromagnetism and its effects, physics defines it all. The major concept involved in physics is the use of basic approaches for bigger and complex problems, the process of solving a complex problem by breaking them into smaller parts is called reductionism. Then the act of unifying different laws is called unification.

History of Physics

The word science has been originated from a Latin word named “Scientia” which means “to know”. The word “Physics” has been originated from a Greek word named “Phusike” which means nature. In Sanskrit, physics is called “Vigyaan” which means “knowledge”, all of these words simply tell that physics is as old as the human species. Early civilizations like Egypt, India, Greece, etc, made a significant contribution in the field of physics. From the 16th century, Europe participated heavily and contributed. By the mid-twentieth century, science became an international enterprise and the rapid growth in the very field is on. The two major approaches in physics are already described above, they are unification and reductionism. 

Importance and application of physics

• The complex and bigger magnitude identities are explained using simpler theories.
• New devices are invented using the basic physics laws.
• The observations and experiments can be used to create new laws or to modify the existing laws.
• The ultimate aim is to find a unified set of laws that govern matter, energy, motion at both microscopic and macroscopic levels.

Scope and Excitement of Physics

The scope of physics can be majorly understood by looking at its sub-divisions. There are basically two types of studies in physics, macroscopic physics, and microscopic physics. Macroscopic physics deals with phenomena on a terrestrial, astronomical scale, while microscopic physics deals with the phenomenon on an atomic, molecular, or nuclear scale. The macroscopic study is done mostly in classical physics that includes subjects like mechanics, thermodynamics, etc. The microscopic study is the study of the structure of the atom, etc. Classical physics is unable to contribute in this field and currently, quantum theory is referred for the microscopic level studies.

Therefore, it can be said that the scope of physics is really very vast. The study covers a plethora of physical quantities like length, mass, time, energy, etc. From the study of smallest quantities (ranging up to 10^-30 or less) to the study of the quantities on an astronomical level (ranging up to 10²⁰ or more).

Fundamental forces in Nature

Force is seen and experienced on a daily basis and is available on both macroscopic and microscopic levels. At a macroscopic level, apart from gravitational force, several kinds of forces are experienced, for instance, muscular force, contact forces, the elongation or compression of elastics, etc. On a microscopic level, there are electric and magnetic forces, nuclear forces, etc. Although, it was further observed that most of the forces defined or explained are derived from four fundamental forces. The four fundamental forces in nature are,

• Gravitational Force: It is the mutual force that occurs between two objects by the virtue of their masses. Gravitational force is a universal force. The formula for gravitational force is,

F_G = (G M₁M₂)/r²

F_G = Gravitational force

M₁, M₂ = Masses1 and 2.

r = distance between the center of the masses.

• Electromagnetic force: It is the force that occurs between the charged particles. If the charges are at rest, the phenomenon of electric field occurs and if the charges are moving, both electric and magnetic field phenomenon occurs. Therefore, it is named electromagnetic force.
• Strong nuclear force: It is the strongest force among all four fundamental forces. This force binds the protons and neutrons in a nucleus. This force is charge independent, that is, it acts on proton-proton, proton-neutron, etc.
• Weak nuclear force: Weak nuclear force is not the weakest force among fundamental forces. It is not as weak as a gravitational force but is weaker than the electromagnetic force. This force is observed in only some nuclear processes, for example, β-decay of the nucleus.

Conceptual Questions

Question 1: Which of the four fundamental forces is the weakest and the strongest?

Answer: 

The weakest force in nature is the gravitational force and the strongest force in nature is the strong nuclear force.

Question 2: What are the laws of conservation in nature?

Answer:

Following are the laws of conservation in nature:

1. Law of conservation of mass.
2. Law of conservation of energy.
3. Law of conservation of momentum.
4. Law of conservation of charge.

Question 3: On what two things the scope of physics is defined?

Answer:

The two things on which the scope of physics is defined are unification and reductionism. Unification is the physics of unifying all laws. Whereas, reductionism is the process of solving complex problems by breaking them into simpler parts.

Question 4: What part of the study is not handled by the classical study of physics?

Answer:

The microscopic study of the physical world is not handled by classical physics. A new field termed quantum theory handles the study of physics at the microscopic level.

Question 5: Give an example of a weak nuclear force.

Answer:

The weak nuclear force is observed in a few nuclear processes. An example of a weak nuclear force is the β-decay of the nucleus.

As forms of science historically developed out of philosophy, physics (Greek: φύσις physis «nature») was originally referred to as natural philosophy, a term describing a field of study concerned with «the workings of nature».

Physics is a branch of science that was referred to as natural philosophy until the late 19th century. Currently, physics is traditionally defined as the study of matter, energy, and the relation between them. Physics is, in some senses, the oldest and most basic pure science; its discoveries find applications throughout the natural sciences, since matter and energy are the basic constituents of the natural world. The other sciences are generally more limited in their scope and may be considered branches that have split off from physics to become sciences in their own right. Physics today may be divided loosely into classical physics and modern physics.

Definition[]

Physics (from Greek φυσική (ἐπιστήμη), i.e. «knowledge of nature», from φύσις, physis, i.e. «nature»^{[1][2][3][4][5]}) is the natural science that involves the study of matter^[6] and its motion through space and time, along with related concepts such as energy and force.^[7] More broadly, it is the general analysis of nature, conducted in order to understand how the universe behaves.^[8][9][10]

Early history in Middle East and Mediterranean[]

Further information: Natural philosophy

Elements of what became physics were drawn primarily from the fields of astronomy, optics, and mechanics, which were methodologically united through the study of geometry. These mathematical disciplines began in Antiquity with the Babylonians and with Hellenistic writers such as Archimedes and Ptolemy. Meanwhile, philosophy, including what was called “physics”, focused on explanatory (rather than descriptive) schemes, largely developed around the Aristotelian idea of the four types of “causes”.

Ancient Mesopotamia[]

The origins of Western astronomy can be found in Mesopotamia (Iraq).^[11] In the course of the last few decades it has become increasingly clear that all Western efforts in the exact sciences are descendants in direct line from the work of the late Babylonian astronomers.^[11] Our knowledge of Sumerian astronomy is indirect, via the earliest Babylonian star catalogues dating from about 1200 BCE. The fact that many star names appear in Sumerian suggests a continuity reaching into the early Bronze Age.

Early attempts at philosophically explaining nature date back to the 8th and 7th centuries BC, when Babylonian astronomers developed an empirical approach to astronomy. They began studying natural philosophy dealing with the ideal nature of the universe, and began employing an internal logic within their predictive planetary systems.^[12]

In the 2nd century BC, the Babylonian astronomer Seleucus of Seleucia proposed a heliocentric model where the Earth rotated around its own axis, which in turn revolved around the Sun. Though the arguments he used were lost, Plutarch stated that Seleucus was the first to prove the heliocentric system through reasoning.

Ancient Mediterranean[]

Further information: Aristotelian physics

This move towards a more rational understanding of nature later influenced the Eastern Medierranean, particularly the Greeks and Phoenicians, at least since the Archaic Period (650 BC – 480 BC), with the Presocratics.

The Phoenician philosopher Thales (7th and 6th centuries BCE), sometimes anachronistically dubbed a «father of science» (in the philosophical sense) for refusing to accept various supernatural, religious or mythological explanations for natural phenomena, proclaimed that every event had a natural cause.^[13] Thales also made advancements in 580 BCE, suggesting that water is the basic element, experimenting with magnets and attraction to rubbed amber, and formulating cosmologies.

Accordingly, Leucippus (Greek: Λεύκιππος, first half of 5th century BC), refusing to accept various supernatural, religious or mythological explanations for natural phenomena, proclaimed that every event had a natural cause. He went on to develop the theory of atomism — the idea that everything is composed entirely of various imperishable, indivisible elements called atoms. This was elaborated in great detail by Democritus.

Aristotle (Greek: Ἀριστοτέλης, Aristotélēs) (384 BC – 322 BC), a student of Plato, promoted the concept that observation of physical phenomena could ultimately lead to the discovery of the natural laws governing them. He wrote the first work which refers to that line of study as «Physics» (Aristotle’s Physics). During the classical period (6th, 5th and 4th centuries BC) and in Hellenistic times, natural philosophy slowly developed into an exciting and contentious field of study.

Early in classical antiquity, that the earth is a sphere («round»), was generally known by all, and around 240 BCE, the Libyan astronomer Eratosthenes (276 BCE — 194 BCE) accurately estimated its circumference in Egypt. In contrast to Aristotle’s geocentric views, Aristarchus of Samos (Greek: Ἀρίσταρχος; 310 BC – ca. 230 BC) presented a heliocentric view of the solar system, placing the Sun, not the Earth, at the centre.

Many contributions were made by many thinkers, including the mathematician Archimedes (Greek: Ἀρχιμήδης) (c. 287 BC – c. 212 BC) of «Eureka!» fame, who defined the concept of the centre of gravity and created the field of statics, and the Egyptian astronomer Ptolemy (Claudius Ptolemaeus), who wrote scientific treatises in Alexandria that were later used as the basis of much later science.

Much of the accumulated knowledge of the ancient world was lost. Even of the works of the better known thinkers, few fragments survived. Although he wrote at least fourteen books, almost nothing of Hipparchus‘ direct work survived. Of the 150 reputed Aristotelian works, only 30 exist, and some of those are «little more than lecture notes». Though reinterpreted to fit theological concerns, both Jewish and Islamic scholarship preserved and developed some of the ancient knowledge that would otherwise have been lost. (See Judeo-Islamic philosophies (800 — 1400).)

Awareness of ancient works re-entered the West through translations from Arabic to Latin. Their re-introduction, combined with Judeo-Islamic theological commentaries, had a great influence on Medieval philosophers such as Thomas Aquinas. Scholastic European scholars, who sought to reconcile the philosophy of the ancient classical philosophers with Judeo-Christian theology, proclaimed Aristotle the greatest thinker of the ancient world. In cases where they didn’t directly contradict the Bible, Aristotelian physics became the foundation for the physical explanations of the European Churches.

Medieval Islamic physics[]

During the period of time known as the European Dark Ages (5th to 15th centuries), much scientific progress occurred in the Muslim world during what is known as the Islamic Golden Age. The scientific research of the Islamic scientists is often overlooked due to the conflict of the Crusades and «it’s possible, too, that many scholars in the Renaissance later downplayed or even disguised their connection to the Middle East for both political and religious reasons.»^[14]

The Islamic Abbasid caliphs gathered many classic works of antiquity and had them translated into Arabic. Islamic philosophers such as Al-Kindi (Alkindus), Al-Farabi (Alpharabius), Avicenna (Ibn Sina) and Averroes (Ibn Rushd) reinterpreted Hellenistic thought in the context of their religion. Important contributions were made by Ibn al-Haytham and Abū Rayhān al-Bīrūnī^[15][16] before eventually passing on to Western Europe where they were studied by scholars such as Roger Bacon and Witelo. Ibn Sina (980 – 1037), known by the Latin name Avicenna, was a medical researcher from Bukhara, Uzbekistan responsible for important contributions to the disciplines of physics, optics, philosophy and medicine. He is most famous for writing The Canon of Medicine, a text used to teach student doctors in Europe until the 1600s.

Important contributions were made by Ibn al-Haytham (965 – 1040), a mathematician from Basra, Iraq considered one of the founders of modern optics. Ptolemy and Aristotle theorised that light either shone from the eye to illuminate objects or that light emanated from objects themselves, whereas al-Haytham (known by the Latin name Alhazen) suggested that light travels to the eye in rays from different points on an object. The works of Ibn al-Haytham and Abū Rayhān al-Bīrūnī eventually passed on to Western Europe where they were studied by scholars such as Roger Bacon and Witelo.^[15][16] Omar Khayyám (1048–1131), an Iraqi scientist, calculated the length of a solar year to 10 decimal places and was only out by a fraction of a second when compared to our modern day calculations. He used this to compose a calendar considered more accurate than the Gregorian calendar that came along 500 years later. He is classified as one of the world’s first great science communicators – he is said to have convinced a Sufi theologist that the world turns on an axis. Muḥammad ibn Jābir al-Ḥarrānī al-Battānī (858 – 929), from Harran, Turkey, further developed trigonometry (first conceptualised in Ancient Greece) as an independent branch of mathematics, developing relationships such as tanθ = sinθ / cosθ. His driving force was to obtain the ability to locate Mecca from any given geographical point – aiding in Muslim rituals such as burial and prayer, which require participants to face the holy city, as well as making the pilgrimage to Mecca (known as the hajj).

Jābir ibn Hayyān (721 – 815) was a chemist and alchemist who, in his quest to make gold from other metals, discovered strong acids such as sulphuric, hydrochloric and nitric acids. He was the also first person to identify the only substance that can dissolve gold – aqua regis (royal water) – a volatile mix of hydrochloric and nitric acid. It is disputed whether Jabir was the first to use or describe distillation, but he was definitely the first to perform it in the lab using an alembic (from ‘al-inbiq’). The most famous Persian mathematician is considered to be Muḥammad ibn Mūsā al-Khwārizmī (780 – 850), who produced a comprehensive guide to the numbering system developed from the Brahmi system in India, using only 10 digits (0-9, the so-called «Arabic numerals»). Al-Khwarizmi also used the word algebra (‘al-jabr’) to describe the mathematical operations he introduced, such as balancing equations, which helped in several problems.

Furthermore, Nasir al-Din al-Tusi (1201–1274), an astronomer and mathematician from Baghdad, authored the Treasury of Astronomy, a remarkably accurate table of planetary movements that reformed the existing planetary model of Roman astronomer Ptolemy by describing a uniform circular motion of all planets in their orbits. This work led to the later discovery, by one of his students, that planets actually have an elliptical orbit. Copernicus later drew heavily on the work of al-Din al-Tusi and his students, but without acknowledgment.^[14] The gradual chipping away of the Ptolemaic system paved the way for the revolutionary idea that the Earth actually orbited the Sun (heliocentrism). Nasīr al-Dīn al-Tūsī also stated an early version of the law of conservation of mass, noting that a body of matter is able to change, but is not able to disappear.^[17] This is a fundamental concept underlying the laws of thermodynamics.

Ibn Bajjah (Avempace) (d. 1138) argued that there is always a reaction force for every force exerted, which Shlomo Pines views as «a precursor to the Leibnizian idea of force» which «underlies Newton’s third law of motion«,^[18] though he did not necessarily refer to the reaction force as being equal to the exerted force.^[19] His theory of motion had an important influence on later physicists like Galileo.^[20]

It has been noted that Al-Ghazali’s atomic theory of physical reality circa 1100 (related to atomism and occasionalism) anticipates some of the core principles of contemporary quantum physics (also known as quantum mechanics) by almost a millennium. In her 1993 paper, Causality Then and Now: Al Ghazali and Quantum Theory, the scholar Karen Harding stated:^[21]

«The extent of the commonalities is striking. For example, both deny that the regularities in the behavior of objects should be attributed to the existence of causal laws. Further, they agree that events in the world ate not strictly predictable. Both accept the idea that unexpected, unpredictable things can and do occur. According to al Ghazali’s explanation, God is omnipotent and involved in the world at every moment and can, therefore, cause anything to happen. The Copenhagen Interpretation of quantum theory says that it is impossible to predict the exact behavior of an object based on physical laws. As a result, while one might expect a lead ball to fall when it is dropped, there is a definite possibility that the ball will rise instead.»

In a 2003 paper, Ümit Yoksuloglu Devji and Eric L. Ormsby further elaborated on Harding’s comparative analysis between Al-Ghazali’s theory and contemporary quantum physics.^[22]

Hibat Allah Abu’l-Barakat al-Baghdadi (1080–1165) also suggested that motion is relative, writing that «there is motion only if the relative positions of the bodies in question change.»^[23] This anticipates some of the core principles of the theory of relativity.

Theory of impetus[]

Further information: Theory of impetus

Based on Aristotelian physics, Scholastic physics described things as moving according to their essential nature. Celestial objects were described as moving in circles, because perfect circular motion was considered an innate property of objects that existed in the uncorrupted realm of the celestial spheres. The theory of impetus, the ancestor to the concepts of inertia and momentum, was developed along similar lines by medieval philosophers, such as the Egyptian John Philoponus, the Persian Avicenna, and the French Jean Buridan. Motions below the lunar sphere were seen as imperfect, and thus could not be expected to exhibit consistent motion. More idealized motion in the “sublunary” realm could only be achieved through artifice, and prior to the 17th century, many did not view artificial experiments as a valid means of learning about the natural world. Physical explanations in the sublunary realm revolved around tendencies. Stones contained the element earth, and earthy objects tended to move in a straight line toward the centre of the earth (and the universe in the Aristotelian geocentric view) unless otherwise prevented from doing so.

In the 11th century, Avicenna developed an elaborate theory of motion in The Book of Healing, in which he made a distinction between the inclination and force of a projectile, and concluded that motion was a result of an inclination (mayl) transferred to the projectile by the thrower, and that projectile motion in a vacuum would not cease.^[24] The violent inclination he conceived was non-self-consuming, a permanent force whose effect is dissipated only as a result of external forces such as air resistance,^[24][25] making him «the first to conceive such a permanent type of impressed virtue for non-natural motion.»^[26] Avicenna’s concept of mayl is almost the opposite of the Aristotelian conception of violent motion and is reminiscent of the concept of inertia, known as Newton’s first law of motion, roughly equivalent to Jean Buridan‘s concept of impetus.^[27] Avicenna’s theory of mayl also attempted to provide a quantitive relation between the weight and velocity of a moving body, resembling the concept of momentum.^[28] Avicenna’s theory also holds that the object is pushed along by the air it displaces.^[29]

In the 12th century, Hibat Allah Abu’l-Barakat al-Baghdadi adopted and modified Avicenna’s theory on projectile motion. In his Kitab al-Mu’tabar, Abu’l-Barakat stated that the mover imparts a violent inclination (mayl qasri) on the moved and that this diminishes as the moving object distances itself from the mover.^[30] He was also the first to reject Aristotle’s law that a constant force produces uniform motion, as he realized that a force applied continuously produces acceleration, which is now considered «the fundamental law of classical mechanics.»^[31] He also described acceleration as the rate of change of velocity.^[32] Jean Buridan and Albert of Saxony later refer to Abu’l-Barakat in explaining that the acceleration of a falling body is a result of its increasing impetus.^[30]

In the 14th century, Jean Buridan rejected the Philoponan notion that the motive force, which he named impetus, dissipated spontaneously, and adopted the Avicennan impetus theory in which (i) it is only corrupted by the resistances of the medium and of gravity in the case of anti-gravitational motion, but would otherwise be permanently conserved in the absence of any resistances to motion, and in which (ii) gravity is also a downward projector and creator of downward impetus, unlike in the radically different Philoponan theory in which gravity neither creates not destroys impetus. The assimilation of the role of gravity in natural motion to the role of a projector that creates impetus just as it is created by a thrower in anti-gravitational violent motion was explicitly stated by Buridan’s pupil Dominicus de Clavasio in his 1357 De Caelo.

Early history in Far East[]

Further information: History of Indian science and technology and History of science and technology in China

Important physical and mathematical traditions also existed in ancient Chinese and Indian sciences.

India[]

File:Hindu-arabic1.jpg

Further information: History of Indian science and technology

In Indian philosophy, Kanada was the first to systematically develop a theory of atomism during the 6th century BCE,^[33][34] and it was further elaborated by the Buddhist atomists Dharmakirti and Dignāga during the 1st millennium CE.^[35] Pakudha Kaccayana, a 6th-century BCE Indian philosopher and contemporary of Gautama Buddha, had also propounded ideas about the atomic constitution of the material world. These philosophers believed that other elements (except ether) were physically palpable and hence comprised minuscule particles of matter. The last minuscule particle of matter that could not be subdivided further was termed Parmanu. The Indian concept of the atom was developed independently and prior to the development of the idea in the Greco-Roman world. These philosophers considered the atom to be indestructible and hence eternal. The Buddhists thought atoms to be minute objects unable to be seen to the naked eye that come into being and vanish in an instant. The Vaisheshika school of philosophers believed that an atom was a mere point in space. Indian theories about the atom are greatly abstract and enmeshed in philosophy as they were based on logic and not on personal experience or experimentation.

In Indian astronomy, Aryabhata‘s Aryabhatiya (499 CE) proposed the Earth’s rotation, while Nilakantha Somayaji (1444–1544) of the Kerala school of astronomy and mathematics proposed a semi-heliocentric model resembling the Tychonic system.

China[]

Further information: History of science and technology in China

File:Su Song Star Map 1.JPG

The study of magnetism in Ancient China dates back to the 4th century BCE. (in the Book of the Devil Valley Master),^[36] A main contributor to this field was Shen Kuo (1031–1095), a polymath scientist and statesman who was the first to describe the magnetic-needle compass used for navigation, as well as discovering the concept of true north. In optics, Shen Kuo independently developed a camera obscura.^[37] The study of magnetism in China dates back to the 4th century BCE (in the Book of the Devil Valley Master),^[38] eventually leading to the invention of the compass.

Emergence of experimental method and mathematical physics[]

See also: Physics in medieval Islam, Experimental physics, Mathematical physics, History of optics, and Science in the Middle Ages

The use of empirical experiments ^[39] in geometrical optics dates back to second century Roman Egypt, where the Egyptian astronomer Ptolemy carried out several experiments on reflection, refraction and binocular vision.^[40] However, he either discarded or rationalized any empirical data that did not support his Platonic paradigm.^[41] Experiments did not hold any importance at the time, and empirical evidence was thus seen as secondary to general theory.^[42] The incorrect emission theory of vision thus continued to dominate optics through to the 10th century.

Ibn al-Haytham’s mathematical physics and physical optics[]

See also: Alhazen and Book of Optics

The turn of the second millennium saw the development of an experimental method emphasizing the role of experimentation as a form of proof for scientific inquiry together with the development of physical optics where mathematics and geometry were combined with the philosophical field of physics. The Iraqi physicist, Ibn al-Haytham (Alhazen), is considered a central figure in this shift in physics from a philosophical activity to an experimental and mathematical one, and the shift in optics from a mathematical discipline to a physical and experimental one.^{[43][44][45][46][47][48]}

Due to his positivist approach,^[49] his Doubts Concerning Ptolemy insisted on scientific demonstration and criticized Ptolemy’s confirmation bias and conjectural undemonstrated theories.^[50] His Book of Optics (1021) was the earliest successful attempt at unifying a mathematical discipline (geometrical optics) with the philosophical field of physics, to create the modern science of physical optics. An important part of this was the intromission theory of vision, which in order to prove, he developed an experimental method to test his hypothesis.^{[43][44][45][46][48][51]} He conducted various experiments to prove his intromission theory^[52] and other hypotheses on light and vision.^[53] The Book of Optics established experimentation as the norm of proof in optics,^[51] and gave optics a physico-mathematical conception at a much earlier date than the other mathematical disciplines.^[54] His On the Light of the Moon also attempted to combine mathematical astronomy with physics, a field now known as astrophysics, to formulate several astronomical hypotheses which he proved through experimentation.^[45] Ibn al-Haytham is today considered to be the «first theoretical physicist».^[55]

Scientific methodology[]

See also: History of scientific method

Muslim scientists placed a greater emphasis on experimentation than previous ancient civilizations (for example, Greek philosophy placed a greater emphasis on rationality rather than empiricism),^[56][57] which was due to the emphasis on empirical observation found in the Qur’an and Sunnah,^{[58][59][60][61]} and the rigorous historical methods established in the science of hadith.^[58] Muslim scientists thus combined precise observation, controlled experiment and careful records^[57] with a new^[56] approach to scientific inquiry which led to the development of the scientific method.^[51] In particular, the empirical observations and experiments of Ibn al-Haytham (Alhazen) in his Book of Optics (1021) is seen as the beginning of the modern scientific method,^[62] which he first introduced to optics and astrophysics.^[45][51][63]

Other early experimental methods were developed by Geber for alchemy and chemistry,^[64] by al-Kindi for the Earth sciences,^[65] and by Abū Rayhān al-Bīrūnī for astrophysics^[66] and mechanics.^[16] The most important development of the scientific method, the use of experimentation and quantification to distinguish between competing scientific theories set within a generally empirical orientation, was introduced by Muslim scientists.^{[56][67][68][69][70][71][72][73][74]}

Alhazenian method[]

Ibn al-Haytham, considered the «father of modern optics»,^[75] used the scientific method to obtain the results in his famous Book of Optics (1021). In particular, he combined observations, experiments and rational arguments to show that his modern intromission theory of vision, where rays of light are emitted from objects rather than from the eyes, is scientifically correct, and that the ancient emission theory of vision supported by Ptolemy and Euclid (where the eyes emit rays of light), and the ancient intromission theory supported by Aristotle (where objects emit physical particles to the eyes), were both wrong.^[76] It is known that Roger Bacon was familiar with Ibn al-Haytham’s work.

Ibn al-Haytham developed rigorous experimental methods of controlled scientific testing in order to verify theoretical hypotheses and substantiate inductive conjectures.^[77] Ibn al-Haytham’s scientific method was similar to the modern scientific method in that it consisted of the following procedures:^[78]

1. Observation
2. Statement of problem
3. Formulation of hypothesis
4. Testing of hypothesis using experimentation
5. Analysis of experimental results
6. Interpretation of data and formulation of conclusion
7. Publication of findings

An aspect associated with Ibn al-Haytham’s optical research is related to systemic and methodological reliance on experimentation (i’tibar) and controlled testing in his scientific inquiries. Moreover, his experimental directives rested on combining classical physics (‘ilm tabi’i) with mathematics (ta’alim; geometry in particular) in terms of devising the rudiments of what may be designated as a hypothetico-deductive procedure in scientific research. This mathematical-physical approach to experimental science supported most of his propositions in Kitab al-Manazir (The Optics; De aspectibus or Perspectivae) and gounded his theories of vision, light and colour, as well as his research in catoptrics and dioptrics. His legacy was further advanced through the ‘reforming’ of his Optics by Kamal al-Din al-Farisi (d. ca. 1320) in the latter’s Kitab Tanqih al-Manazir (The Revision of [Ibn al-Haytham’s] Optics).^[79][80]

The development of the scientific method is considered to be fundamental to modern science and some — especially philosophers of science and practicing scientists — consider earlier inquiries into nature to be pre-scientific. Some consider Ibn al-Haytham to be the «first scientist» for this reason.^[81]

Ibn al-Haytham also employed scientific skepticism and criticism, and emphasized the role of empiricism. He also explained the role of induction in syllogism, and criticized Aristotle for his lack of contribution to the method of induction, which Ibn al-Haytham regarded as superior to syllogism, and he considered induction to be the basic requirement for true scientific research.^[82]

The Book of Optics was the first book to emphasize the role of experimentation as a form of proof in scientific inquiry.^[83] He was also the first scientist to adopt a form of positivism in his approach, centuries before a term for positivism was coined. In his Book of Optics, he wrote that «we do not go beyond experience, and we cannot be content to use pure concepts in investigating natural phenomena», and that the understanding of these cannot be acquired without mathematics. After assuming that light is a material substance, he does not discuss its nature any further but confines his investigations to the diffusion and propagation of light. The only properties of light he takes into account are that which can be treated by geometry and verified by experiment, noting that energy is the only quality of light that can be sensed.^[49]

The concept of Occam’s razor is also present in the Book of Optics. For example, after demonstrating that light is generated by luminous objects and emitted or reflected into the eyes, he states that therefore «the extramission of [visual] rays is superfluous and useless.»^[84] In The Model of the Motions, Ibn al-Haytham also uses a form of Occam’s razor, where he employs only minimal hypotheses regarding the properties that characterize astronomical motions, as he attempts to eliminate from his planetary model the cosmological hypotheses that cannot be observed from Earth.^[85]

In his Aporias against Ptolemy (Doubts Concerning Ptolemy), Ibn al-Haytham commented on the difficulty of attaining scientific knowledge:

Truth is sought for itself [but] the truths, [he warns] are immersed in uncertainties [and the scientific authorities (such as Ptolemy, whom he greatly respected) are] not immune from error…^[46]

He held that the criticism of existing theories—which dominated this book—holds a special place in the growth of scientific knowledge:

Therefore, the seeker after the truth is not one who studies the writings of the ancients and, following his natural disposition, puts his trust in them, but rather the one who suspects his faith in them and questions what he gathers from them, the one who submits to argument and demonstration, and not to the sayings of a human being whose nature is fraught with all kinds of imperfection and deficiency. Thus the duty of the man who investigates the writings of scientists, if learning the truth is his goal, is to make himself an enemy of all that he reads, and, applying his mind to the core and margins of its content, attack it from every side. He should also suspect himself as he performs his critical examination of it, so that he may avoid falling into either prejudice or leniency.^[46]

Birunian and Avicennian methods[]

See also: Abū Rayhān al-Bīrūnī and Avicenna

Abū Rayhān al-Bīrūnī (973-1048) also introduced an early scientific method in nearly every field of inquiry he studied. For example, in his treatise on mineralogy, Kitab al-Jamahir (Book of Precious Stones), Al-Biruni is «the most exact of experimental scientists», while in the introduction to his study of India, he declares that «to execute our project, it has not been possible to follow the geometric method» and develops comparative sociology as a scientific method in the field.^[86] He was also responsible for introducing the experimental method into mechanics,^[16] and was one of the first to conduct elaborate experiments related to astronomical phenomena.^[87]

Al-Biruni’s scientific method was similar to the modern scientific method in many ways, particularly his emphasis on repeated experimentation. Biruni was concerned with how to conceptualize and prevent both systematic errors and random errors, such as «errors caused by the use of small instruments and errors made by human observers.» He argued that if instruments produce random errors because of their imperfections or idiosyncratic qualities, then multiple observations must be taken, analyzed qualitatively, and on this basis, arrive at a «common-sense single value for the constant sought», whether an arithmetic mean or a «reliable estimate.»^[88] He also introduced the method of checking tests during experiments.^[89]

In the Al-Burhan (On Demonstration) section of the The Book of Healing (1027), Avicenna discussed the philosophy of science and described an early scientific method of inquiry. He discusses Aristotle’s Posterior Analytics and significantly diverged from it on several points. Avicenna discussed the issue of a proper methodology for scientific inquiry and the question of «How does one acquire the first principles of a science?» He asked how a scientist would arrive at «the initial axioms or hypotheses of a deductive science without inferring them from some more basic premises?» He explains that the ideal situation is when one grasps that a «relation holds between the terms, which would allow for absolute, universal certainty.» Avicenna then adds two further methods for arriving at the first principles: the ancient Aristotelian method of induction (istiqra), and the method of examination and experimentation (tajriba). Avicenna criticized Aristotelian induction, arguing that «it does not lead to the absolute, universal, and certain premises that it purports to provide.» In its place, he develops «a method of experimentation as a means for scientific inquiry.»^[90]

In comparison to Avicenna’s scientific method where «general and universal questions came first and led to experimental work», al-Biruni developed scientific methods where «universals came out of practical, experimental work» and «theories are formulated after discoveries», like with inductivism.^[86] Due to differences between their scientific methods, al-Biruni referred to himself as a mathematical scientist and to Avicenna as a philosopher, during a debate between the two scholars.^[91]

Classical physics[]

See also: Classical physics and Scientific revolution

Galileo Galilei and the rise of physico-mathematics[]

Main article: Galileo Galilei

In the 17th century, natural philosophers began to mount a sustained attack on the Scholastic philosophical program, and supposed that mathematical descriptive schemes adopted from such fields as mechanics and astronomy could actually yield universally valid characterizations of motion. The Tuscan mathematician Galileo Galilei was the central figure in the shift to this perspective. As a mathematician, Galileo’s role in the university culture of his era was subordinated to the three major topics of study: law, medicine, and theology (which was closely allied to philosophy). Galileo, however, felt that the descriptive content of the technical disciplines warranted philosophical interest, particularly because mathematical analysis of astronomical observations—notably the radical analysis offered by astronomer Nicolaus Copernicus concerning the relative motions of the sun, earth, moon, and planets—indicated that philosophers’ statements about the nature of the universe could be shown to be in error. Galileo also performed mechanical experiments, and insisted that motion itself—regardless of whether that motion was natural or artificial—had universally consistent characteristics that could be described mathematically.

Galileo used his 1609 telescopic discovery of the moons of Jupiter, as published in his Sidereus Nuncius in 1610, to procure a position in the Medici court with the dual title of mathematician and philosopher. As a court philosopher, he was expected to engage in debates with philosophers in the Aristotelian tradition, and received a large audience for his own publications, such as The Assayer and Discourses and Mathematical Demonstrations Concerning Two New Sciences, which was published abroad after he was placed under house arrest for his publication of Dialogue Concerning the Two Chief World Systems in 1632.^[92][93]

Galileo’s interest in the mechanical experimentation and mathematical description in motion established a new natural philosophical tradition focused on experimentation. This tradition, combining with the non-mathematical emphasis on the collection of «experimental histories» by philosophical reformists such as William Gilbert and Francis Bacon, drew a significant following in the years leading up to and following Galileo’s death, including Evangelista Torricelli and the participants in the Accademia del Cimento in Italy; Marin Mersenne and Blaise Pascal in France; Christiaan Huygens in the Netherlands; and Robert Hooke and Robert Boyle in England.

The Cartesian philosophy of motion[]

Main article: René Descartes

The French philosopher René Descartes was well-connected to, and influential within, the experimental philosophy networks. Descartes had a more ambitious agenda, however, which was geared toward replacing the Scholastic philosophical tradition altogether. Questioning the reality interpreted through the senses, Descartes sought to re-establish philosophical explanatory schemes by reducing all perceived phenomena to being attributable to the motion of an invisible sea of “corpuscles”. (Notably, he reserved human thought and God from his scheme, holding these to be separate from the physical universe). In proposing this philosophical framework, Descartes supposed that different kinds of motion, such as that of planets versus that of terrestrial objects, were not fundamentally different, but were merely different manifestations of an endless chain of corpuscular motions obeying universal principles. Particularly influential were his explanation for circular astronomical motions in terms of the vortex motion of corpuscles in space (Descartes argued, in accord with the beliefs, if not the methods, of the Scholastics, that a vacuum could not exist), and his explanation of gravity in terms of corpuscles pushing objects downward.^[94][95][96]

Further information: Mechanical explanations of gravitation

Descartes, like Galileo, was convinced of the importance of mathematical explanation, and he and his followers were key figures in the development of mathematics and geometry in the 17th century. Cartesian mathematical descriptions of motion held that all mathematical formulations had to be justifiable in terms of direct physical action, a position held by Huygens and the German philosopher Gottfried Leibniz, who, while following in the Cartesian tradition, developed his own philosophical alternative to Scholasticism, which he outlined in his 1714 work, The Monadology.

Newtonian motion versus Cartesian motion[]

Main article: History of classical mechanics

In the late 17th and early 18th centuries, the Cartesian mechanical tradition was challenged by another philosophical tradition established by the Cambridge University mathematician Isaac Newton. Where Descartes held that all motions should be explained with respect to the immediate force exerted by corpuscles, Newton chose to describe universal motion with reference to a set of fundamental mathematical principles: his three laws of motion and the law of gravitation, which he introduced in his 1687 work Mathematical Principles of Natural Philosophy. Using these principles, Newton removed the idea that objects followed paths determined by natural shapes (such as Kepler’s idea that planets moved naturally in ellipses), and instead demonstrated that not only regularly observed paths, but all the future motions of any body could be deduced mathematically based on knowledge of their existing motion, their mass, and the forces acting upon them. However, observed celestial motions did not precisely conform to a Newtonian treatment, and Newton, who was also deeply interested in theology, imagined that God intervened to ensure the continued stability of the solar system.

Newton’s principles (but not his mathematical treatments) proved controversial with Continental philosophers, who found his lack of metaphysical explanation for movement and gravitation philosophically unacceptable. Beginning around 1700, a bitter rift opened between the Continental and British philosophical traditions, which were stoked by heated, ongoing, and viciously personal disputes between the followers of Newton and Leibniz concerning priority over the analytical techniques of calculus, which each had developed independently. Initially, the Cartesian and Leibnizian traditions prevailed on the Continent (leading to the dominance of the Leibnizian calculus notation everywhere except Britain). Newton himself remained privately disturbed at the lack of a philosophical understanding of gravitation, while insisting in his writings that none was necessary to infer its reality. As the 18th century progressed, Continental natural philosophers increasingly accepted the Newtonians’ willingness to forgo ontological metaphysical explanations for mathematically described motions.^[97][98][99]

Rational mechanics in the 18th century[]

The mathematical analytical traditions established by Newton and Leibniz flourished during the 18th century as more mathematicians learned calculus and elaborated upon its initial formulation. The application of mathematical analysis to problems of motion was known as rational mechanics, or mixed mathematics (and was later termed classical mechanics). This work primarily revolved around celestial mechanics, although other applications were also developed, such as the Swiss mathematician Daniel Bernoulli’s treatment of fluid dynamics, which he introduced in his 1738 work Hydrodynamica.^[100]

Rational mechanics dealt primarily with the development of elaborate mathematical treatments of observed motions, using Newtonian principles as a basis, and emphasized improving the tractability of complex calculations and developing of legitimate means of analytical approximation. A representative contemporary textbook was published by Johann Baptiste Horvath. By the end of the century analytical treatments were rigorous enough to verify the stability of the solar system solely on the basis of Newton’s laws without reference to divine intervention—even as deterministic treatments of systems as simple as the three body problem in gravitation remained intractable.^[101]

British work, carried on by mathematicians such as Brook Taylor and Colin Maclaurin, fell behind Continental developments as the century progressed. Meanwhile, work flourished at scientific academies on the Continent, led by such mathematicians as Daniel Bernoulli, Leonhard Euler, Joseph-Louis Lagrange, Pierre-Simon Laplace, and Adrien-Marie Legendre. At the end of the century, the members of the French Academy of Sciences had attained clear dominance in the field.^{[102][103][104][105]}

Physical experimentation in the 18th and early 19th centuries[]

At the same time, the experimental tradition established by Galileo and his followers persisted. The Royal Society and the French Academy of Sciences were major centers for the performance and reporting of experimental work, and Newton was himself an influential experimenter, particularly in the field of optics, where he was recognized for his prism experiments dividing white light into its constituent spectrum of colors, as published in his 1704 book Opticks (which also advocated a particulate interpretation of light). Experiments in mechanics, optics, magnetism, static electricity, chemistry, and physiology were not clearly distinguished from each other during the 18th century, but significant differences in explanatory schemes and, thus, experiment design were emerging. Chemical experimenters, for instance, defied attempts to enforce a scheme of abstract Newtonian forces onto chemical affiliations, and instead focused on the isolation and classification of chemical substances and reactions.^[106]

Nevertheless, the separate fields remained tied together, most clearly through the theories of weightless “imponderable fluids», such as heat (“caloric”), electricity, and phlogiston (which was rapidly overthrown as a concept following Lavoisier’s identification of oxygen gas late in the century). Assuming that these concepts were real fluids, their flow could be traced through a mechanical apparatus or chemical reactions. This tradition of experimentation led to the development of new kinds of experimental apparatus, such as the Leyden Jar and the Voltaic Pile; and new kinds of measuring instruments, such as the calorimeter, and improved versions of old ones, such as the thermometer. Experiments also produced new concepts, such as the University of Glasgow experimenter Joseph Black’s notion of latent heat and Philadelphia intellectual Benjamin Franklin’s characterization of electrical fluid as flowing between places of excess and deficit (a concept later reinterpreted in terms of positive and negative charges).

While it was recognized early in the 18th century that finding absolute theories of electrostatic and magnetic force akin to Newton’s principles of motion would be an important achievement, none were forthcoming. This impossibility only slowly disappeared as experimental practice became more widespread and more refined in the early years of the 19th century in places such as the newly established Royal Institution in London, where John Dalton argued for an atomistic interpretation of chemistry, Thomas Young argued for the interpretation of light as a wave, and Michael Faraday established the phenomenon of electromagnetic induction. Meanwhile, the analytical methods of rational mechanics began to be applied to experimental phenomena, most influentially with the French mathematician Joseph Fourier’s analytical treatment of the flow of heat, as published in 1822.^{[107][108][109]}

Thermodynamics, statistical mechanics, and electromagnetic theory[]

The establishment of a mathematical physics of energy between the 1850s and the 1870s expanded substantially on the physics of prior eras and challenged traditional ideas about how the physical world worked. While Pierre-Simon Laplace’s work on celestial mechanics solidified a deterministically mechanistic view of objects obeying fundamental and totally reversible laws, the study of energy and particularly the flow of heat, threw this view of the universe into question. Drawing upon the engineering theory of Lazare and Sadi Carnot, and Émile Clapeyron; the experimentation of James Prescott Joule on the interchangeability of mechanical, chemical, thermal, and electrical forms of work; and his own Cambridge mathematical tripos training in mathematical analysis; the Glasgow physicist William Thomson and his circle of associates established a new mathematical physics relating to the exchange of different forms of energy and energy’s overall conservation (what is still accepted as the “first law of thermodynamics”). Their work was soon allied with the theories of similar but less-known work by the German physician Julius Robert von Mayer and physicist and physiologist Hermann von Helmholtz on the conservation of forces.

Taking his mathematical cues from the heat flow work of Joseph Fourier (and his own religious and geological convictions), Thomson believed that the dissipation of energy with time (what is accepted as the “second law of thermodynamics”) represented a fundamental principle of physics, which was expounded in Thomson and Peter Guthrie Tait’s influential work Treatise on Natural Philosophy. However, other interpretations of what Thomson called thermodynamics were established through the work of the German physicist Rudolf Clausius. His statistical mechanics, which was elaborated upon by Ludwig Boltzmann and the British physicist James Clerk Maxwell, held that energy (including heat) was a measure of the speed of particles. Interrelating the statistical likelihood of certain states of organization of these particles with the energy of those states, Clausius reinterpreted the dissipation of energy to be the statistical tendency of molecular configurations to pass toward increasingly likely, increasingly disorganized states (coining the term “entropy” to describe the disorganization of a state). The statistical versus absolute interpretations of the second law of thermodynamics set up a dispute that would last for several decades (producing arguments such as “Maxwell’s demon”), and that would not be held to be definitively resolved until the behavior of atoms was firmly established in the early 20th century.^[110][111]

Further information: history of thermodynamics

Meanwhile, the new physics of energy transformed the analysis of electromagnetic phenomena, particularly through the introduction of the concept of the field and the publication of Maxwell’s 1873 Treatise on Electricity and Magnetism, which also drew upon theoretical work by German theoreticians such as Carl Friedrich Gauss and Wilhelm Weber. The encapsulation of heat in particulate motion, and the addition of electromagnetic forces to Newtonian dynamics established an enormously robust theoretical underpinning to physical observations. The prediction that light represented a transmission of energy in wave form through a “luminiferous ether”, and the seeming confirmation of that prediction with Helmholtz student Heinrich Hertz’s 1888 detection of electromagnetic radiation, was a major triumph for physical theory and raised the possibility that even more fundamental theories based on the field could soon be developed.^{[112][113][114][115]} Research on the transmission of electromagnetic waves began soon after, with the experiments conducted by physicists such as Nikola Tesla, Jagadish Chandra Bose and Guglielmo Marconi during the 1890s leading to the invention of radio.

Modern physics[]

The emergence of a new physics circa 1900[]

The triumph of Maxwell’s theories was undermined by inadequacies that had already begun to appear. The Michelson-Morley experiment failed to detect a shift in the speed of light, which would have been expected as the earth moved at different angles with respect to the ether. The possibility explored by Hendrik Lorentz, that the ether could compress matter, thereby rendering it undetectable, presented problems of its own as a compressed electron (detected in 1897 by British experimentalist J. J. Thomson) would prove unstable. Meanwhile, other experimenters began to detect unexpected forms of radiation: Wilhelm Röntgen caused a sensation with his discovery of x-rays in 1895; in 1896 Henri Becquerel discovered that certain kinds of matter emit radiation on their own accord. Marie and Pierre Curie coined the term “radioactivity” to describe this property of matter, and isolated the radioactive elements radium and polonium. Ernest Rutherford and Frederick Soddy identified two of Becquerel’s forms of radiation with electrons and the element helium. In 1911 Rutherford established that the bulk of mass in atoms are concentrated in positively-charged nuclei with orbiting electrons, which was a theoretically unstable configuration. Studies of radiation and radioactive decay continued to be a preeminent focus for physical and chemical research through the 1930s, when the discovery of nuclear fission opened the way to the practical exploitation of what came to be called “atomic” energy.

Radical new physical theories also began to emerge in this same period. In 1905 Albert Einstein, then a Bern patent clerk, argued that the speed of light was a constant in all inertial reference frames and that electromagnetic laws should remain valid independent of reference frame—assertions which rendered the ether “superfluous” to physical theory, and that held that observations of time and length varied relative to how the observer was moving with respect to the object being measured (what came to be called the “special theory of relativity”). It also followed that mass and energy were interchangeable quantities according to the equation E=mc². In another paper published the same year, Einstein asserted that electromagnetic radiation was transmitted in discrete quantities (“quanta”), according to a constant that the theoretical physicist Max Planck had posited in 1900 to arrive at an accurate theory for the distribution of blackbody radiation—an assumption that explained the strange properties of the photoelectric effect. The Danish physicist Niels Bohr used this same constant in 1913 to explain the stability of Rutherford’s atom as well as the frequencies of light emitted by hydrogen gas.

Further information: History of special relativity

The radical years: general relativity and quantum mechanics[]

The gradual acceptance of Einstein’s theories of relativity and the quantized nature of light transmission, and of Niels Bohr’s model of the atom created as many problems as they solved, leading to a full-scale effort to reestablish physics on new fundamental principles. Expanding relativity to cases of accelerating reference frames (the “general theory of relativity”) in the 1910s, Einstein posited an equivalence between the inertial force of acceleration and the force of gravity, leading to the conclusion that space is curved and finite in size, and the prediction of such phenomena as gravitational lensing and the distortion of time in gravitational fields.

Further information: History of general relativity

The quantized theory of the atom gave way to a full-scale quantum mechanics in the 1920s. The quantum theory (which previously relied in the “correspondence” at large scales between the quantized world of the atom and the continuities of the “classical” world) was accepted when the Compton Effect established that light carries momentum and can scatter off particles, and when Louis de Broglie asserted that matter can be seen as behaving as a wave in much the same way as electromagnetic waves behave like particles (wave-particle duality). New principles of a “quantum” rather than a “classical” mechanics, formulated in matrix-form by Werner Heisenberg, Max Born, and Pascual Jordan in 1925, were based on the probabilistic relationship between discrete “states” and denied the possibility of causality. Erwin Schrödinger established an equivalent theory based on waves in 1926; but Heisenberg’s 1927 “uncertainty principle” (indicating the impossibility of precisely and simultaneously measuring position and momentum) and the “Copenhagen interpretation” of quantum mechanics (named after Bohr’s home city) continued to deny the possibility of fundamental causality, though opponents such as Einstein would assert that “God does not play dice with the universe”.^[116] Also in the 1920s, Satyendra Nath Bose‘s work on photons and quantum mechanics provided the foundation for Bose-Einstein statistics, the theory of the Bose-Einstein condensate, and the discovery of the boson.

Further information: history of quantum mechanics

Constructing a new fundamental physics[]

File:Renormalized-vertex.png

As the philosophically inclined continued to debate the fundamental nature of the universe, quantum theories continued to be produced, beginning with Paul Dirac’s formulation of a relativistic quantum theory in 1928. However, attempts to quantize electromagnetic theory entirely were stymied throughout the 1930s by theoretical formulations yielding infinite energies. This situation was not considered adequately resolved until after World War II ended, when Julian Schwinger, Richard Feynman, and Sin-Itiro Tomonaga independently posited the technique of “renormalization”, which allowed for an establishment of a robust quantum electrodynamics (Q.E.D.).^[117]

Meanwhile, new theories of fundamental particles proliferated with the rise of the idea of the quantization of fields through “exchange forces” regulated by an exchange of short-lived “virtual” particles, which were allowed to exist according to the laws governing the uncertainties inherent in the quantum world. Notably, Hideki Yukawa proposed that the positive charges of the nucleus were kept together courtesy of a powerful but short-range force mediated by a particle intermediate in mass between the size of an electron and a proton. This particle, called the “pion”, was identified in 1947, but it was part of a slew of particle discoveries beginning with the neutron, the “positron” (a positively-charged “antimatter” version of the electron), and the “muon” (a heavier relative to the electron) in the 1930s, and continuing after the war with a wide variety of other particles detected in various kinds of apparatus: cloud chambers, nuclear emulsions, bubble chambers, and coincidence counters. At first these particles were found primarily by the ionized trails left by cosmic rays, but were increasingly produced in newer and more powerful particle accelerators.^[118]

File:First Gold Beam-Beam Collision Events at RHIC at 100 100 GeV c per beam recorded by STAR.jpg

The interaction of these particles by “scattering” and “decay” provided a key to new fundamental quantum theories. Murray Gell-Mann and Yuval Ne’eman brought some order to these new particles by classifying them according to certain qualities, beginning with what Gell-Mann referred to as the “Eightfold Way”, but proceeding into several different “octets” and “decuplets” which could predict new particles, most famously the Error no link defined, which was detected at Brookhaven National Laboratory in 1964, and which gave rise to the “quark” model of hadron composition. While the quark model at first seemed inadequate to describe strong nuclear forces, allowing the temporary rise of competing theories such as the S-Matrix, the establishment of quantum chromodynamics in the 1970s finalized a set of fundamental and exchange particles, which allowed for the establishment of a “standard model” based on the mathematics of gauge invariance, which successfully described all forces except for gravity, and which remains generally accepted within the domain to which it is designed to be applied.^[116]

The “standard model” groups the electroweak interaction theory and quantum chromodynamics into a structure denoted by the gauge group SU(3)×SU(2)×U(1). The formulation of the unification of the electromagnetic and weak interactions in the standard model is due to Abdus Salam, Steven Weinberg and, subsequently, Sheldon Glashow. After the discovery, made at CERN, of the existence of neutral weak currents,^{[119][120][121][122]} mediated by the Error no symbol defined boson foreseen in the standard model, the physicists Salam, Glashow and Weinberg received the 1979 Nobel Prize in Physics for their electroweak theory.^[123]

While accelerators have confirmed most aspects of the standard model by detecting expected particle interactions at various collision energies, no theory reconciling the general theory of relativity with the standard model has yet been found, although “string theory” has provided one promising avenue forward. Since the 1970s, fundamental particle physics has provided insights into early universe cosmology, particularly the “big bang” theory proposed as a consequence of Einstein’s general theory. However, starting from the 1990s, astronomical observations have also provided new challenges, such as the need for new explanations of galactic stability (the problem of dark matter), and accelerating expansion of the universe (the problem of dark energy).

The physical sciences[]

With increased accessibility to and elaboration upon advanced analytical techniques in the 19th century, physics was defined as much, if not more, by those techniques than by the search for universal principles of motion and energy, and the fundamental nature of matter. Fields such as acoustics, geophysics, astrophysics, aerodynamics, plasma physics, low-temperature physics, and solid-state physics joined optics, fluid dynamics, electromagnetism, and mechanics as areas of physical research. In the 20th century, physics also became closely allied with such fields as electrical, aerospace, and materials engineering, and physicists began to work in government and industrial laboratories as much as in academic settings. Following World War II, the population of physicists increased dramatically, and came to be centered on the United States, while, in more recent decades, physics has become a more international pursuit than at any time in its previous history.

Timeline[]

Name	Living time	Contribution(s)	Location
Babylonian astronomers	BC 800-600	Babylonian astronomy	Iraq
Kanada	BC 600-500	Vaiśeṣika Sūtra	India
Aristotle	BC 384-322	Physicae Auscultationes	Greece
Archimedes	BC 287-212	BC 250, On Floating Bodies	Sicily
Ptolemaeus (Ptolemy)	AD 90-168	AD 150, Almagest, Geography, Apotelesmatika	Alexandria, Egypt
Aryabhata	476-550	499, Aryabhatiya	India
Ibn al-Haytham (Alhazen)	965-1040	1020, 1021, 1025, 1038, On the Light of the Moon, Book of Optics, Doubts Concerning Ptolemy, The Model of the Motions	Iraq & Egypt
Ibn Sina (Avicenna)	980-1037	1025, 1027, The Canon of Medicine, The Book of Healing	Persia
Abū Rayhān al-Bīrūnī	973-1048	1031, Masudic Canon, Book of Coordinates, Indica	Persia
Shen Kuo	1031–1095	1088, Dream Pool Essays	China
Copernicus	1473–1543	1543, On the Revolutions of the Celestial Spheres	Poland
Galileo	1564–1642	1632, Dialogue Concerning the Two Chief World Systems	Italy
Descartes	1596-1650	1641, Meditations on First Philosophy	France
Isaac Newton	1643-1727	1687, Mathematical Principles of Natural Philosophy	England
Michael Faraday	1791-1867	1839, 1844, Experimental Researches in Electricity, vols. i. and ii.	England
Maxwell	1831–1879	1873, Treatise on Electricity and Magnetism	United Kingdom
Einstein	1879-1955	1905, On the Electrodynamics of Moving Bodies	Germany

See also[]

• Atomic theory
• Famous physicists
• Nobel Prize in physics
• Physics in medieval Islam
• Theory of impetus

Notes[]

References[]

• Aristotle Physics translated by Hardie & Gaye
• Ben-Chaim, Michael (2004), Experimental Philosophy and the Birth of Empirical Science: Boyle, Locke and Newton, Aldershot: Ashgate, ISBN 0754640914, OCLC 53887772 57202497.
• Bertolini Meli, Domenico (1993), Equivalence and Priority: Newton versus Leibniz, New York: Oxford University Press.
• Biagioli, Mario (1993), Galileo, Courtier: The Practice of Science in the Culture of Absolutism, Chicago: University of Chicago Press, ISBN 0226045595, OCLC 185632037 26767743.
• Bos, Henk (1980), «Mathematics and Rational Mechanics», in Rousseau, G. S.; Porter, Roy, The Ferment of Knowledge: Studies in the Historiography of Eighteenth Century Science, New York: Cambridge University Press.
• Buchwald, Jed (1985), From Maxwell to Microphysics: Aspects of Electromagnetic Theory in the Last Quarter of the Nineteenth Century, Chicago: University of Chicago Press, ISBN 0226078825, OCLC 11916470.
• Buchwald, Jed (1989), The Rise of the Wave Theory of Light: Optical Theory and Experiment in the Early Nineteenth Century, Chicago: University of Chicago Press, ISBN 0226078868, OCLC 18069573 59210058.
• Buchwald, Jed (1994), The Creation of Scientific Effects: Heinrich Hertz and Electric Waves, Chicago: University of Chicago Press, ISBN 0226078884, OCLC 29256963 59866377.
• Darrigol, Olivier (2005), Worlds of Flow: A History of Hydrodynamics from the Bernoullis to Prandtl, New York: Oxford University Press, ISBN 0198568436, OCLC 237027708 60839424.
• Dear, Peter (1995), Discipline and Experience: The Mathematical Way in the Scientific Revolution, Chicago: University of Chicago Press, ISBN 0226139433, OCLC 32236425.
• Dijksterhuis, Fokko Jan (2004), Lenses and Waves: Christiaan Huygens and the Mathematical Science of Optics in the Seventeenth Century, Springer, ISBN 1402026978, OCLC 228400027 56533625
• Drake, Stillman (1978), Galileo at Work: His Scientific Biography, Chicago: University of Chicago Press, ISBN 0226162265, OCLC 185633608 3770650 8235076.
• Galison, Peter (1997), Image and Logic: A Material Culture of Microphysics, Chicago: University of Chicago Press, ISBN 0226279170, OCLC 174870621 231708164 36103882.
• Garber, Daniel (1992), Descartes’ Metaphysical Physics, Chicago: University of Chicago Press.
• Garber, Elizabeth (1999), The Language of Physics: The Calculus and the Development of Theoretical Physics in Europe, 1750-1914, Boston: Birkhäuser Verlag.
• Gaukroger, Stephen (2002), Descartes’ System of Natural Philosophy, New York: Cambridge University Press.
• Glick, Thomas F.; Livesey, Steven John; Wallis, Faith (2005), Medieval Science, Technology, and Medicine: An Encyclopedia, Routledge, ISBN 0415969301, OCLC 218847614 58829023 61228669
• Greenberg, John (1986), «Mathematical Physics in Eighteenth-Century France», Isis 77: 59–78, doi:10.1086/354039.
• Golinski, Jan (1999), Science as Public Culture: Chemistry and Enlightenment in Britain, 1760-1820, New York: Cambridge University Press.
• Gorini, Rosanna (October 2003), «Al-Haytham the man of experience. First steps in the science of vision» (pdf), Journal of the International Society for the History of Islamic Medicine 2 (4): 53–55, http://www.ishim.net/ishimj/4/10.pdf, retrieved on 25 September 2008.
• Guicciardini, Niccolò (1989), The Development of Newtonian Calculus in Britain, 1700-1800, New York: Cambridge University Press.
• Guicciardini, Niccolò (1999), Reading the Principia: The Debate on Newton’s Methods for Natural Philosophy from 1687 to 1736, New York: Cambridge University Press.
• Hall, A. Rupert (1980), Philosophers at War: The Quarrel between Newton and Leibniz, New York: Cambridge University Press.
• Heilbron, J. L. (1979), Electricity in the 17th and 18th Centuries, Berkeley: University of California Press.
• Hunt, Bruce (1991), The Maxwellians, Ithaca: Cornell University Press.
• Jungnickel, Christa; McCormmach, Russell (1986), Intellectual Mastery of Nature: Theoretical Physics from Ohm to Einstein, Chicago: University of Chicago Press.
• Kragh, Helge (1999), Quantum Generations: A History of Physics in the Twentieth Century, Princeton: Princeton University Press.
• Rashed, R.; Armstrong, Angela (1994), The Development of Arabic Mathematics, Springer, ISBN 0792325656, OCLC 29181926.
• Rashed, R.; Morelon, Régis (1996), Encyclopedia of the History of Arabic Science, 2, Routledge, ISBN 0415124107, OCLC 34731151 38122983 61834045 61987871.
• Rashed, R. (2007), «The Celestial Kinematics of Ibn al-Haytham», Arabic Sciences and Philosophy (Cambridge University Press) 17: 7–55, doi:10.1017/S0957423907000355.
• Sabra, A. I. (1989), Ibn al-Haytham, The Optics of Ibn al-Haytham, I, London: The Warburg Institute, pp. 90–1.
• Sabra, A. I. (1998), «Configuring the Universe: Aporetic, Problem Solving, and Kinematic Modeling as Themes of Arabic Astronomy», Perspectives on Science 6 (3): 288–330.
• Sabra, A. I.; Hogendijk, J. P. (2003), The Enterprise of Science in Islam: New Perspectives, MIT Press, pp. 85–118, ISBN 0262194821, OCLC 237875424 50252039.
• Schweber, Silvan (1994), QED and the Men Who Made It: Dyson, Feynman, Schwinger, and Tomonaga, Princeton: Princeton University Press.
• Shea, William (1991), The Magic of Numbers and Motion: The Scientific Career of René Descartes, Canton, MA: Science History Publications.
• Smith, A. Mark (1996), Ptolemy’s Theory of Visual Perception: An English Translation of the Optics with Introduction and Commentary, Diane Publishing, ISBN 0871698625, OCLC 185537531 34724889.
• Smith, Crosbie (1998), The Science of Energy: A Cultural History of Energy Physics in Victorian Britain, Chicago: University of Chicago Press.
• Smith, Crosbie; Wise, M. Norton (1989), Energy and Empire: A Biographical Study of Lord Kelvin, New York: Cambridge University Press.
• Thiele, Rüdiger (August 2005), «In Memoriam: Matthias Schramm, 1928–2005», Historia Mathematica 32 (3): 271–4, doi:10.1016/j.hm.2005.05.002.
• Thiele, Rüdiger (2005), «In Memoriam: Matthias Schramm», Arabic Sciences and Philosophy (Cambridge University Press) 15: 329–331.
• Toomer, G. J. (December 1964), «Review: Ibn al-Haythams Weg zur Physik by Matthias Schramm», Isis 55 (4): 463–465, doi:10.1086/349914.
• Tybjerg, Karin (2002), «Book Review: Andrew Barker, Scientiic Method in Ptolemy’s Harmonics«, The British Journal for the History of Science (Cambridge University Press) 35: 347–379, doi:10.1017/S0007087402224784.

Further reading[]

• “Selected Works about Isaac Newton and His Thought” from The Newton Project.
• Byers, Nina and Williams, Gary (2006), Out of the Shadows: Contributions of Twentieth-Century Women to Physics, Cambridge University Press, ISBN 0-521-82197-5
• Cropper, William H. (2004), Great Physicists: The Life and Times of Leading Physicists from Galileo to Hawking, Oxford University Press, ISBN 0-19-517324-4
• Dear, Peter (2001), Revolutionizing the Sciences: European Knowledge and Its Ambitions, 1500-1700, Princeton: Princeton University Press, ISBN 0691088594, OCLC 46622656.
• Gamow, George (1988), The Great Physicists from Galileo to Einstein, Dover Publications, ISBN 0-486-25767-3
• Heilbron, John L. (2005), The Oxford Guide to the History of Physics and Astronomy, Oxford University Press, ISBN 0-19-517198-5
• Nye, Mary Jo (1996), Before Big Science: The Pursuit of Modern Chemistry and Physics, 1800-1940, New York: Twayne, ISBN 080579512X, OCLC 185866968 34878783.
• Segrè, Emilio (1984), From Falling Bodies to Radio Waves: Classical Physicists and Their Discoveries, New York: W. H. Freeman, ISBN 0-7167-1482-5, OCLC 9943504.
• Segrè, Emilio (1980), From X-Rays to Quarks: Modern Physicists and Their Discoveries, San Francisco: W. H. Freeman, ISBN 0-7167-1147-8, OCLC 237246197 56100286 5946636.
• Weaver, Jefferson H. (editor) (1987), The World of Physics, Simon and Schuster, ISBN 0-671-49931-9 A selection of 56 articles, written by physicists. Commentaries and notes by Lloyd Motz and Dale McAdoo.
• Nina Byers and Gary Williams, ed., OUT OF THE SHADOWS:Contributions of 20th Century Women to Physics Cambridge University Press, 2006 ISBN 0-5218-2197-1
• “Muslims and Evolution of Physics” from english.islamstory.com.
• de Haas, Paul, «Historic Papers in Physics (20th Century)»