התפתחות הפיזיקה במאה ה-20

שנת הפלאות ותורת היחסות

בשנת 1905, אלברט איינשטיין, אז פקיד במשרד פטנטים בברן, פרסם ארבעה מאמרים שלכל אחד מהם תהיה השפעה עצומה על התפתחות הפיזיקה. אחד המאמרים הסביר את האפקט הפוטואלקטרי והיה אבן דרך חשובה בתורת הקוונטים. מאמר נוסף נגע לתנועה בראונית והיה אבן דרך חשובה בהתפתחות המכניקה הסטטיסטית. שני המאמרים הנוספים יצרו למעשה תורה חדשה בפיזיקה: תורת היחסות. 
כאמור, כבר במאה ה-19 נעשו ניסיונות רבים להבין את תכונות האתר, כשהמפורסם בהם הוא ניסוי מייקלסון-מורלי שבו נעשה ניסיון למדוד את מהירות כדור הארץ ביחס לאתר. בניסוי לא התגלה שום הבדל בין תנועת אור במקביל לכדור הארץ לבין תנועה בניצב לו. הנדריק לורנץ נתן הסבר לתוצאות הניסוי, אם מניחים כי הגופים הנעים מתכווצים בכיוון התנועה. ההסבר המתקבל יותר על הדעת ניתן על ידי איינשטיין, והוא כי מהירות האור זהה לכל צופה, בין אם הוא ניצב או מקביל לתנועה.
איינשטיין הניח שהאתר אינו קיים, ומשתמע מכך שמהירות האור קבועה בכל מערכת ייחוס. דבר זה סותר את המכניקה הניוטונית; לפי תאוריה זו, איש הנמצא ברכבת ומאיר בפנס רואה את האור מהפנס נע במהירות האור, ואילו צופה הנמצא על הקרקע רואה את האור נע במהירות האור בתוספת מהירות הרכבת. איינשטיין הסיק מכך שיש לתקן את חוקי התנועה של ניוטון. בסדרה של ניסויי מחשבה, הוא הראה שגופים הנעים במהירויות קרובות למהירות האור, נראים עבור צופה מהצד כאילו אורכם קטן, משך הזמן של תנועתם קצר יותר ומסתם גדלה. אחת התוצאות המפתיעות ביותר של איינשטיין היה שישנו קשר בין אנרגיה למסה, שמתבטא בנוסחה המפורסמת E=mc². הישג נוסף של התורה הוא הבאת הסבר עמוק לקשר שבין חשמל ומגנטיות; אלקטרונים הזורמים במתכות נעים במהירויות קרובות מאוד למהירות האור, ולכן עבור גופים נייחים הם נראים מכווצים יותר - אפקט זה יוצר את השדות המגנטיים. איינשטיין גם סיפק הסבר אינטואיטיבי לתורתו, והוא כי הזמן הוא מימד רביעי (אך נמדד ביחידות מדומות), ותנועה במהירות גבוהה שקולה לסיבוב במרחב-זמן. תורה זאת נקראת היום תורת היחסות הפרטית.
בשנים הבאות שקד איינשטיין על הרחבה של תורת היחסות כדי לכלול גופים מאיצים וכן על מנת להסביר את הכבידה. התוצאה של עבודה זו היא יסודה של תורת היחסות הכללית ב-1915. בתורה זו הראה איינשטיין שגופים בעלי מסה מעקמים את המרחב, וכך נוצרת המשיכה. המשוואות של תורת היחסות הכללית מהוות את הבסיס לקוסמולוגיה המודרנית.
תורת היחסות מקובלת היום על הרוב המוחלט של הקהילה המדעית, אולם תהליך קבלתה לא היה פשוט. בגרמניה שלפני מלחמת העולם השנייה התורה נחשבה "פיזיקה יהודית" והיו לה מתנגדים רבים. הוועדה לחלוקת פרס נובל התלבטה במשך שנים רבות האם להעניק את הפרס לאיינשטיין, מכיוון שרבים מחבריה האמינו שתורת היחסות איננה נכונה. לבסוף הוחלט להעניק לאיינשטיין את הפרס ב-1921, על עבודתו בהסבר האפקט הפוטואלקטרי ולא על תורת היחסות. 
במאי 1919 יצא צוות בראשותו של ארתור אדינגטון לחזות בליקוי חמה שהתרחש בברזיל באותה שנה. על פי תורת היחסות הכללית, האור של הכוכבים שמאחורי השמש אמור להיות מוסט מכיוון שהמסה של השמש מעקמת את המרחב. הצוות של אדינגטון טען שהצליח למדוד את השינוי במיקום הנראה של הכוכבים, אם כי למעשה תוצאותיו לא היו חד משמעיות. פרסום מדידה זאת הפכה את תורת היחסות למקובלת בקרב מרבית הקהילה. המדידה גם סייעה להפוך את איינשטיין למפורסם ולכוכב תרבות בין לילה.

מבנה החומר - פיזיקה גרעינית ופיזיקת חלקיקים

המאה ה-20 הייתה מאה של פריצות דרך גדולות בהבנת החלקיקים היסודיים המרכיבים את היקום. היא החלה עם גילויו של האלקטרון, הרדיואקטיביות ומבנה גרעין האטום. המשך המחקר הוליד את הגילוי של הנייטרון ושלל חלקיקים חדשים. שנות ה-50 ושנות ה-60 היו תור זהב של גילויים ניסיוניים שהתבססו על מאיצי החלקיקים שנבנו בארצות הברית ובאירופה. התגליות הולידו ענפים חדשים בפיזיקה, פיזיקה גרעינית ופיזיקת חלקיקים, לצד פיתוחן של תורות כגון תורת השדות הקוונטית והמודל הסטנדרטי. זאת הייתה מאה של הצלחות יוצאות דופן בחיבור בין תאוריה לניסוי: ניסויים חדשים במהרה הולידו תאוריות, שבתורן ניבאו את גילויים של חלקיקים חדשים אשר אכן התגלו תוך זמן קצר.

גילויים ראשוניים

בשנת 1897 גילה ג'יי. ג'יי. תומסון את האלקטרון, החלקיק היסודי הנושא זרם חשמלי במעגלים. ב-1904 הוא הציע דגם לאטום, שבו המטען החיובי פרוש בצורה אחידה על פני האטום והאלקטרונים נעוצים בתוכו. מודל זה נקרא מודל עוגת הצימוקים.
בשנת 1911 הסיק ארנסט רתרפורד מניסויי פיזור שערך כי המטען החיובי מרוכז בנפח קטן מאוד בתוך האטום, הקרוי היום הגרעין. מתוך תגלית זו, וכן מתוך גילוי הרדיואקטיביות, השתמע שנוסף על הכוח החשמלי והכבידה קיימים עוד כוחות בטבע, חזקים יותר, אבל פועלים על פני מרחקים קצרים בלבד. כוחות אלו קראים היום הכוח הגרעיני החזק והחלש. תגליות אלו יצרו ענף חדש בפיזיקה: פיזיקה גרעינית. כמו כן, השיטה של רתרפורד לחקר הגרעין על ידי הפצצה של אטומים בחלקיקים מהירים, הפכה לשיטת הניסוי העיקרית בתחום זה עד היום.

שנות ה-30 וה-40


שנת 1932 הייתה שנה פלאית בתחום החלקיקים האלמנטריים: במעבדת קוונדיש בקיימברידג' התגלה הנייטרון, במעבדה סמוכה נעשה לראשונה שימוש במאיץ חלקיקים כדי לפרק פרוטון, ובתצפיות של קרינה קוסמית התגלה לראשונה אנטי-חומר.

פיזיקה גדולה

מלחמות העולם, ובעיקר פיתוחו של נשק גרעיני, הדגימו למעצמות העולם את החשיבות והיתרון בהשקעות ממשלתיות גדולות בפיזיקה ובייסודן של מעבדות לאומיות. בנוסף, הדרישות הניסיוניות בחקר של חלקיקים יסודיים, בחקר החלל ובחיפוש אחרי מקורות אנרגיה חלופיים החלו לדרוש מתקנים ניסיוניים גדולים יותר ותקציבים שהיו מעבר ליכולתן של מעבדות אקדמיות. כל זאת הביאו לייסודן של מעבדות לאומיות ובינלאומיות בארצות הברית, ברית המועצות, אירופה ויפן, אשר הביאו לפריצות דרך גדולות וגילויים של תחומי מחקר חדשים.

פיזיקה גדולה בארצות הברית לאחר מלחמת העולם השנייה

פרויקט מנהטן השאיר אחריו רשת של מעבדות לאומיות: המעבדה הלאומית לוס אלמוס, המעבדה הלאומית אוק רידג' והמעבדה הלאומית ארגון. לאלו צורפו המעבדה הלאומית לורנס ברקלי והמעבדה הלאומית ברוקהייבן שהוקמה בלונג איילנד בשנת 1947. כמו כן הוקמו שלוש רשויות ממשלתיות לתקצוב מעבדות אלו: המשרד למחקר של הצי (Office of Naval Research), הרשות הלאומית למדע (National Science Foundation) והוועדה לאנרגיה אטומית של ארצות הברית. פעולות אלו, ובנוסף ההכפלה בכמות המוסדות להשכלה גבוהה בארצות הברית, הפכו את ארצות הברית למובילה העולמית בתחום הפיזיקה, דבר שהתבטא בין היתר בכך שרוב פרסי נובל לפיזיקה בעשרות השנים הבאות יינתנו למדענים אמריקאיים. שיאה של ההשקעה האמריקאית במדע היה בשנות ה-60 וה-70. בשנת 1960 נבחר ג'ון קנדי לנשיאות והוא מינה פיזיקאים כיועצים בכירים שלו והכריז על המרוץ לחלל. בזכותו קיבלו הפיזיקאים חשיפה ציבורית רחבה. הוקמו שתי מעבדות לאומיות נוספות, המאיץ הליניארי של סטנפורד (SLAC) בהשקעה של 100 מיליון דולר ופרמילאב בהשקעה של 250 מיליון דולר.

פיזיקה גדולה בברית המועצות

מיד לאחר מלחמת העולם השנייה החלה ברית המועצות בפיתוח מואץ של תוכנית הגרעין שלה, שכללה מדענים מובילים כמו אנדריי סחרוב. בשנת 1957 הוקם בדובנה (Dubna) מאיץ חלקיקים המגיע לאנרגיה של 10 GeV, המאיץ בעל האנרגיה הגדולה ביותר לתקופתו (תואר שנחטף במהרה על ידי CERN). בשנת 1967 הוקם מאיץ חלקיקים בסרפוחוב (Serpukhov) המגיע לאנרגיה של 70 GeV. המדענים הרוסיים נחשבו למדענים מובילים בתחומים של תאוריה, פיתוח מאיצים ופיתוח גלאים.

פיזיקה גדולה באירופה

בשנות ה-50 וה-60 ארבע המעצמות האירופיות, גרמניה, אנגליה, צרפת ואיטליה, פיתחו כל אחת בנפרד מעבדות לאומיות; באנגליה נחנך בשנת 1963 מאיץ חלקיקים בשם "נימרוד" (Nimrod) המגיע לאנרגיה של 7 GeV; בצרפת הוקם בשנת 1957 סינכרוטרון בשם "Satune"; ובאיטליה הוקמה בשנת 1961 טבעת אחסון (Storage Ring) בשם "Ada". בגרמניה שלאחר המלחמה הוקם מכון מקס פלאנק, שהיה למעשה רשת של מעבדות לאומיות. בשנת 1964 הוקם ליד המבורג סינכרוטרון לאלקטרונים בשם Desy. בנוסף, ארבע המעצמות שיתפו פעולה בבניית מכון מחקר בינלאומי בשם CERN שהוקם בקרבת ז'נבה. המכון הוקם רשמית בשנת 1954 והפך במהרה למעבדה הגדולה והחשובה ביותר לחקר פיזיקת חלקיקים.

תורת השדות הקוונטית

תורת השדות הקוונטית נוסחה על מנת להרחיב את המכניקה הקוונטית כך שתהיה התאמה בינה לבין תורת היחסות הפרטית. היא השיגה את מטרתה בשלהי שנות ה־40, עם עבודתם של ריצ'רד פיינמן, ג'וליאן שווינגר, טומונגה ופרימן דייסון. הם ניסחו את תורת האלקטרודינמיקה קוונטית, המתארת את היחסים האלקטרודינמיים.
תורת השדות הקוונטית מספקת את המסגרת לפיזיקת החלקיקים המודרנית, החוקרת את כוחות היסוד והחלקיקים היסודיים. בשנת 1954 פיתחו ינג צ'ן נינג ורוברט מילס אוסף של תאוריות כוח שסיפקו את המסגרת עבור המודל הסטנדרטי. המודל הסטנדרטי, שהושלם בשנות ה־70, מתאר בהצלחה כמעט את כל החלקיקים היסודיים שנצפו עד כה, וגם את החלקיקים הכבדים והמרוכבים יותר שנתגלו מאז.