היסטוריה של הפיזיקה עד המאה ה-20

"הנס היווני"

יוון העתיקה, ערש התרבות המערבית, העלתה תרומות חשובות להתפתחות הפיזיקה במישורים רבים. הפילוסופיה העשירה שהתפתחה ביוון הציעה שפע של תורות והשקפות לגבי מהות העולם ומרכיביו. הפילוסופיה היוונית הייתה הראשונה שדגלה בהסבר נטורליסטי, ובהשקפה שניתן להכריע בין תאוריות שונות על סמך טיעונים מבוססי היגיון.

בעיית השינוי

שתי תפיסות עולם מתחרות שלטו בכיפה ביוון העתיקה. תפיסה אחת טענה שהעולם קבוע ובלתי משתנה והשנייה שהעולם בשינוי מתמיד. כך לדוגמה, פרמנידס (520–430 לפנה"ס) טען שהחומר חייב למלא את היקום בצורה אחידה לגמרי ומכאן שלא ייתכן מקום לשינוי ולתנועה. השינויים שאנו רואים הם אשליה. תלמידו זנון הציג שורה של טיעונים מתמטיים שהראו לכאורה ששינוי בלתי אפשרי. לעומתו, הרקליטוס, שלו מיוחס המשפט "אינך יכול לטבול באותו נהר פעמיים", טען שהעולם בשינוי מתמיד. תלמידו דמוקריטוס טען שהיקום בנוי מיחידות בניין יסודיות הקרויות "אטומים", המתחברים ומתנתקים זה מזה בלי הרף.

אפלטון ועולם האידאות

אפלטון הציג פילוסופיה מתוחכמת ששילבה מרכיבים מפילוסופיות השינוי ופילוסופיות המצב הקבוע. אפלטון טען שהמציאות הנראית לעין, שבה שינוי אפשרי, היא השתקפות של עולם נעלה יותר ובלתי משתנה הקרוי 'עולם האידאות'. כך, עצם בעולם, כגון שולחן, הוא חיקוי לא מושלם של השולחן הקיים בעולם האידאות.

התפתחות המתמטיקה והשפעתה על הפיזיקה

ביוון העתיקה עברה המתמטיקה התפתחות של ממש. המתמטיקה האינטואיטיבית של ימי קדם, המבוססת על ניסוי וטעייה הפכה לריגורזית. במתמטיקה ובגאומטריה בפרט פותחו סטנדרטים חדשים של הוכחה המבוססים על גזירה לוגית של משפטים מאקסיומות, במקום הסתפקות בהדגמה של נכונות המשפט באמצעים אמפיריים. שיטה זו, שאינה אמפירית, תרמה להתפתחות המתמטיקה ואגב כך להתפתחות הפיזיקה.
היוונים הקדמונים העלו לראשונה את הרעיון שהמתמטיקה יכולה לתאר את המציאות הפיזית, ובכך הניחו את התשתית לפיזיקה כפי שהיא מוכרת כיום. פיתגורס ותלמידיו גילו קשר בין אורכו של מיתר וצליל המופק ממנו, ובהשפעת תגלית זו האמינו שהמציאות כולה ניתנת לביטוי מתמטי ופיתחו תורה מיסטית סביב מושג המספר. השקפה זו נדחתה בימי הביניים, אך שבה ועלתה החל מהמאה ה-16 וניתן לראות את השפעתה על יוהאנס קפלר, שניסה לתאר את המציאות בלשון המתמטיקה, ושילב בעבודותיו רעיונות מיסטיים הקרובים לתורה הפיתגוראית.
ארכימדס, שחי בסירקוזה במאה השלישית לפנה"ס ונחשב לאחד מגדולי המתמטיקאים בכל הזמנים, חקר בין השאר את תורת המנופים, ואת חוקי הציפה (הקרויים על שמו). שיטת המיצוי שפיתח ארכימדס הייתה למעשה הבסיס לחשבון האינפיניטסימלי, תורה שפותחה כעבור 2000 שנה, והייתה לכלי מרכזי בפיזיקה.

התפתחות האסטרונומיה

הישגיהם הנרחבים של היוונים בגאומטריה איפשרו להם לעמת מודלים שונים של היקום עם תצפיות אסטרונומיות. את הבסיס לתוכנית המחקר היוונית באסטרונומיה הניח אפלטון, אשר טען, בצורה שעלתה בקנה אחד עם התצפיות, שהכוכבים הקבועים הם חלק מכדור חיצוני מושלם הנע בתנועה מעגלית אחידה מסביב לארץ. אולם, כמה גרמי שמים (כוכבי לכת) סוטים מתנועה זו ולעיתים נעים לאחור. מושפע מהרעיונות הפיתגוראים על מרכזיות המתמטיקה בעולם, אפלטון ייסד תוכנית מחקר "להציל את התופעות", כלומר להסביר את תנועתם של כוכבי הלכת באמצעות שילוב מעגלים הנעים במהירות אחידה.
אאודקסוס מקנידוס, תלמידו של אפלטון, אשר הקים מצפה כוכבים על גדות הנילוס, הציג מודל של היקום לפיו כוכבי הלכת נעים סביב הארץ על גבי 26 כדורים (spheres) מקוּנָנים (nested) ומסתובבים, שציריהם נטויים ביחס זה לזה. בספרו 'על השמים' (De Caelo), שהפך לטקסט לימוד מרכזי במהלך ימי הביניים פיתח אריסטו (384 לפנה"ס-322 לפנה"ס) את המודל ושכללו לכדי 55 כדורים. אריסטו נתן לכדורים ממשות פיזיקלית, וטען שהם אכן עשויים קריסטל, ואינם רק מכשיר מתמטי.
מודל אחר התבסס לא על כדורים מקוננים אלא על שלושה מכשירים גאומטריים, האפיציקל, הדפרנט והאקואנט. את האפיציקל הציג לראשונה אפולוניוס מפרגה (המאה השלישית לפנה"ס), והוא פותח ושוכלל על ידי היפרכוס מניקאה. ככל שהמודל שוכלל יותר, הוא התאים טוב יותר לתצפיות האסטרונומיות, אך מאידך הוא הפך למסובך יותר. המודל הגיע לשיא שיכלולו בעבודותיו של תלמי, שחי באלכסנדריה במאה השנייה לספירה. את עבודותיו האסטרונומיות סיכם תלמי בספר "אלמגסט"(למעשה זהו שמו של התרגום הערבי של הספר), וספר זה הפך לבסיס של האסטרונומיה במשך ימי הביניים ועד לתקופת המהפכה המדעית.
המודלים המקובלים באסטרונומיה היוונית היו מודלים גאוצנטרים, שבהן השמש והכוכבים סובבים סביב הארץ. מודלים אלו הצליחו להסביר את כל התופעות הנצפות פרט לשינוי בעוצמת ההארה של מספר כוכבי לכת במהלך השנה. אריסטכוס בן סאמוס (המאה השלישית לפנה"ס) הציע מודל הליוצנטרי, שבו הארץ סובבת סביב השמש, שיכול להסביר זאת. אולם, מודל זה לא התקבל מארבע סיבות: ראשית, המודל לא היה מפותח מתמטית כמו מתחריו הגאוצנטריים. שנית, לא היה הסבר מדוע הארץ נראית במנוחה, ולמה, אם היא נעה, לא ניתקים ממנה עצמים במעופה. שלישית, אם הארץ משנה את מיקומה ביחס לכוכבים הקבועים, היינו מצפים להבחין בפרלקסה, אולם האסטרונומים היוונים לא הבחינו בתופעה זו (כיום ידוע שהכוכבים הקבועים נמצאים במרחק רב הרבה יותר ממה ששיערו היוונים, ולכן הפרלקסה קטנה מאוד, וניתן להבחין בה רק באמצעות טלסקופים משוכללים). רביעית, הארץ נתפשה כמקום מושבם של האלים והאדם.
אף על פי שבמיתולוגיה היוונית כדור הארץ מתואר כשטוח ואף מתואר כי באחד ממסעותיו הגיע הרקולס עד לקצה העולם, היו מדענים יוונים ששיערו שכדור הארץ הוא עגול. ארטוסתנס, שחי במאה השלישית לפנה"ס, הצליח לקבוע את היקף כדור הארץ על ידי מדידת השינוי באורך הצל במקומות שונים באותה השעה. הערכתו הייתה גדולה בכ-15% מערכו הידוע של ההיקף.

מגנטיות

המצפן הומצא בסין והעדות הכתובה הראשונה לגביו מגיעה מטקסט של שן קואו (Shen Kuo) משנת 1088. שן קואו (1031–1095), מדען, אסטרונום ואיש אשכולות סיני ביסס לראשונה את ההבדל בין הקוטב הצפוני הגאוגרפי לקוטב הצפוני המגנטי. נוסף לעבודה זאת, קואו היה מתמטיקאי פורה ופיתח נוסחאות רבות שזכו לשימוש בטריגונומטריה, ובחשבון אינפינטיסמלי. בנוסף הוא ביצע מספר ניסויים באופטיקה, העיר על כך שדמויות מתהפכות כאשר מביטים עליהם דרך מראות קמורות.

אסטרונומיה

רישומים של תנועת הכוכבים נעשו בסין החל מהמאה ה-6 לפנה"ס. במאה ה-4 לפנה"ס החל קיטלוג של קבוצות הכוכבים, ובמאה הראשונה לספירה, ז'אנג הנג (Zhang Heng 78–139) קטלג 2500 כוכבים, ומעל 100 קבוצות כוכבים.
במאה ה-13 פעל בסין האסטרונום הגדול גו שוג'ינג (1231–1316). הוא הקים 27 מצפי כוכבים, חישב את אורך השנה כ-365.2425 יום (כלומר רק 26 שניות פחות מהערך המקובל היום) וביסס בשנת 1281 את לוח השנה הסיני.
הטקסט ההודי המוקדם ביותר המוקדש לאסטרונומיה הוא ה"Vedānga Jyotiṣa" שפורסם בסביבות 1200 לפנה"ס. הטקסט מתאר את תנועת הכוכבים לצרכים דתיים ואסטרולוגיים. בעקבות כיבוש הודו על ידי אלכסנדר מוקדון הושפעה האסטרונומיה ההודית מהאסטרונומיה היוונית. במאה ה-5 לספירה פעל המתמטיקאי אסטרונום אריאבהטה (476-550 לסה"נ). אריאבהטה המציא את שיטת הספירה העשרונית (השיטה הנהוגה היום לייצוג מספרים), ותרם תרומות רבות לפיתוח הטריגונומטריה, ולשימוש בטריגונומטריה לצורך תיאור תנועת כוכבי הלכת. הוא גם חקר את ליקויי השמש והירח, וחישב את אורך השנה. במאה ה-6 וה-7 העיר אוג'ן שימשה כמרכז מתמטיקאי ואסטרונומי, אשר גדול מלומדיו היה ברחמגופטה (Brahmagupta 598–668). ברחמגופטה תרם תרומות רבות לאלגברה ולטריגונומטריה, ובענף האסטרונומיה נתן שיטות לחישוב מיקומי כוכבים וטען שכדור הארץ עגול ונע. בשנת 770 לספירה הוזמן מלומד מאוג'ן לחצר החליף מנצור על מנת ללמד את האסטרונומיה והמתמטיקה ההודית, והוא הביא איתו את כתביו של ברחמגופטה שתורגמו לערבית.

הולדת האופטיקה

האופטיקה בצורתה המודרנית נולדה בעקבות עבודותיהם של מדענים איסלמיים ביניהם אבן סינא (980–1037), אבו ריהן אל-בירוני (973–1048), קטב אל שירזי (1236 – 1311), קמל אל דין אל פריסי (1260–1320) ומעל כולם מעבודותיו של אבן אל-היית'ם.
אבן אל-היית'ם נחשב למדען הגדול ביותר של התקופה. אל היית'ם ומדענים מוסלמים נוספים היו הראשונים לתת את ההסבר המקובל היום לראייה: שקרני האור יוצאות מהשמש פוגעות בעצמים ולאחר מכן מגיעות לעין (זאת בניגוד להסברים המקובל ביוון העתיקה שהאור יוצא מהעיניים). אל היית'ם הראה שהאור נע בקוים ישרים, ואל בירוני היה הראשון לגלות שמהירות האור גדולה בהרבה ממהירות הקול. אל היית'ם ואבן סינא מדדו את חוקי ההחזרה והשבירה של האור, ואל שירזי יחד עם אל פריסי היו הראשונים לתת את ההסבר הנכון לתופעת הקשת בענן, הסבר המבוסס על חוקי השבירה של האור. אל היית'ם המציא את הקמרה אובסקורה ואת תגליותיו בתחום האור פרסם בספר בשם ספר האופטיקה שנחשב יחד עם הפרינקיפיה של ניוטון לאחד הספרים המשפיעים ביותר בהיסטוריה של הפיזיקה.

אסטרונומיה

מדענים איסלמיים היו הראשונים לבסס את האסטרונומיה כמדע בפני עצמו, הנפרד מהפילוסופיה הטבעית והנפרד מאסטרולוגיה. מבחינה דתית הקוראן מעודד את המוסלמים לחקור את הכוכבים כדי לאפשר להם לנווט טוב יותר, ואכן מדענים איסלמיים שיכללו מכשירים לצפייה בכוכבים (כגון האצטרולב) לצורכי ניווט ואכן עד היום לרבים מהכוכבים המשמשים לניווט ישנם שמות ערביים. חקר תנועת הכוכבים, ובעיקר חקר תנועת הירח שימשו גם לקביעת ראש החודש (שהוגדר באסלאם כיום ההופעה של ירח בצורת מגל).
מלומדים איסלמיים תרגמו לערבית את עבודותיהם של אסטרונומים פרסיים, הודיים ויוונים. העבודה החשובה ביותר באסטרונומיה עד לאותה תקופה, עבודתו של תלמי תורגמה לערבית תחת השם 'אלמגסט' (שהפך לשם המקובל לספר זה עד ימינו – מכיוון שהטקסט המקורי אבד), ומלומדים ערבים ניתחו את תצפיותיו ואת מודל האפיציקלים שלו בעזרת הכלים של הטריגונומטריה שפותחו בהודו ושוכללו בארצות ערב, שהפכו את החישובים לפשוטים יותר. בנוסף הוקמו מצפי כוכבים בבגדאד, בדמשק ובמאה ה-13 הוקם מצפה כוכבים חשוב בעיר מראגה שבצפון איראן. בין הגילויים הניסיוניים החשובים היו העדויות הראשונות לסטיות מהמודל של תלמי, שהתגלו על ידי איבן אל שטיר, ועדויות ראשונות לכך שכדור הארץ מסתובב סביב ציר שהתגלו על ידי נסיר א-דין א-טוסי ועלי אל קושג'י מהמצפה במראגה. בזכות תגליות אלו ואחרים התקופה נקראת גם 'מהפכת מראגה', מהפכה שהניחה את היסודות ל'מהפכה הקופרניקאית'.
בצד התאורטי מדענים איסלמיים נחשבים למייסדים של האסטרופיזיקה, בכך שהם החלו לטעון שהחלל צפוף פחות מהאויר, החלו להתגלות ממצאים לכך שהכוכבים אינם מוצקים, ושאותם כוחות המאפיינים תנועה על גבי כדור-הארץ מאפיינים גם את תנועת הכוכבים. אל-היית'אם ומדענים ערבים נוספים שיערו את חוק המשיכה בין מסות, שהתגלה מאוחר יותר על ידי גלילאו גליליי ואייזק ניוטון.

התפתחויות בתחומים סמוכים

מתמטיקה – אחת התרומות החשובות של המדע הערבי הגיעו מפיתוח ענפים במתמטיקה שלהם הייתה חשיבות רבה בהתפתחות הפיזיקה. אבו ג'עפר מחמד אל ח'ואריזמי (על שמו קרוי המונח אלגוריתם) נחשב למייסד האלגברה, ומקור המילה אלגברה היא בכותרת ספרו של אל ח'ואריזמי חיסאב אל-ג'אבר ואל-מוקאבלה ("חשבון ההשלמה וההקבלה"). בנוסף המלומדים הערביים למדו את ספריו של אריאבהטה, מלומד הודי, ומהם למדו את השיטה העשרונית לכתיבת מספרים, וכן את מדע הטריגונומטריה – שאותו הם שיכללו.
אלכימיה – מלומדים ערביים העמיקו בחקר האלכימיה, ענף שבו על ידי ערבוב חומרים שאפו להפוך מתכות פשוטות לזהב, וכן ליצור את אבן החכמים – תרופה שתאפשר חיי נצח. האלכימיה מייסודה כללה שילוב של שיטות מדעיות יחד עם אמונות טפלות ומיסטיקה, אך היא יצקה את הבסיס לכימיה המודרנית. שיטות העבודה והחומרים שהתגלו בעבודותיהם של אלכימאים הפכו לכלים מרכזיים בפיזיקה.

ימי הביניים באירופה

התקופה שבין המאה ה-5 למאה ה-16 לספירה קרויה במערב בשם ימי הביניים, ומציינת את התקופה שבין העת העתיקה והרנסאנס. תקופה זאת באירופה נחשבת כתקופה של קיפאון מדעי, בה הכנסייה שלטה על סדר היום הציבורי והמחקר המדעי הצטמצם לכדי העתקה ולימוד של כתבי הקודש וכתביהם של חכמי יוון העתיקה (בעיקר כתביו של אריסטו). מאידך, בתקופה זו הפכה ההשכלה הציבורית לרווחת יותר, הוקמו האוניברסיטאות הראשונות ויותר מדענים החלו להיות מועסקים באוניברסיטאות ובחצרות של נסיכים ומלכים. כתבים ערביים הכוללים את האלמגסט, את ספר האופטיקה של אבן אל-היית'ם ונוספים תורגמו ללטינית, ויחד איתם הגיעו לאירופה תורות כמו האופטיקה, האלכימיה, האלגברה והטריגונומטריה. כמו כן חלו התפתחויות טכנולוגיות רבות הקשורות לשימוש באבק שרפה, בתותחים, במשקפיים ובטכנולוגיות הקשורות לספנות ונווטות ולמעשה נוצקו היסודות שיאפשרו את הפריחה הגדולה שתחל בתקופת הרנסאנס.

תפיסת העולם התאולוגית-קוסמולוגית באירופה של ימי הביניים

במאה ה-13 הכניסה הכנסייה הקתולית את הפיזיקה של אריסטו במסגרת השקפתה התאולוגית. התאולוג תומאס אקווינס שילב את התאוריות הקוסמולוגיות האריסטוטליות בתאולוגיה של הכנסייה. בימי הביניים סמכותה האינטלקטואלית של הכנסייה הקתולית הייתה בלתי מעורערת. היא דגלה בהשקפת עולם קוהרנטית וכוללנית, שבה משולבים יסודות פיזיקליים-אריסטוטליים ורעיונות תאולוגיים. היקום האריסטוטלי קיבל מקום ומשמעות החורגים בהרבה מתוכנו הקוסמולוגי. השמים נתפסו כמקום משכנו של האל, מרכז האדמה כמקום משכנו של השטן, והאדם נמצא בתווך – שם מקומו, על פי השקפת הכנסייה, על מהותו של האדם ויכולת הבחירה בין טוב לרע. מהפכה בתחום האסטרונומיה, אם כן, הייתה צריכה להיות בהכרח בעלת השלכות עמוקות גם על התאולוגיה. באותה תקופה שימשו התורות הללו כבסיס האידאולוגי של המשטרים הקיימים. סמכותו של מלך, למשל, נתפסה כנובעת במישרין מרצון האל. ערעור יסודות התאולוגיה היה אפוא בעל משמעות והשלכות מהפכניות חברתיות ופוליטיות.

ביסוס המדע על ניסוי

בימי הביניים באירופה הלימוד המדעי התבסס בעיקר על למידה של כתביהם של הפילוסופים של יוון העתיקה, ובראשותם אריסטו, ועל תיאור ניסויי מחשבה המבוססים על ניסיון יומיומי. מדענים איסלמיים, ובראשם אבן אל-היית'ם טענו שיש להשתמש בניסויים על מנת לבסס תפיסות מדעיות.
ביסוס המדע על ניסוי הוא אחד הרעיונות המרכזיים שבוססו במהלך המהפכה המדעית. הסמל המפורסם ביותר לשיטה זאת היה גלילאו גליליי. בניסוי מפורסם (אם כי יש טענות שהניסוי מעולם לא התבצע באמת) של השלכת עצמים מהמגדל הנטוי בפיזה, הוא הראה שבנפילה חופשית, גופים בעלי משקלים שונים מגיעים לארץ בו זמנית. ניסוי זה סתר את התאוריה של אריסטו שהייתה מקובלת באותם ימים, לפיה ככל שמסתו של גוף גדולה יותר כך הוא יגיע מהר יותר לקרקע. גליליי תמך בתורתו של קופרניקוס, לפיה כדור הארץ מסתובב סביב השמש ולא להפך, תאוריה שסתרה את עמדת הכנסייה. בשל כך הועלה למשפט, ונגזר עליו מאסר ממושך שלבסוף הומתק למאסר בית. משפט זה מסמל יותר מכל את הקרע שהחל להתהוות בין המדע לבין הדת. אירוע נוסף שהיה חשוב לביסוסה של השיטה המדעית החדשה הוא הופעתם של כוכבים חדשים בשמים בשנים 1540 ו-1604. תופעה זאת, שמוסברת היום על ידי התפוצצות סופרנובות, הייתה בעלות משמעות מיוחדת מכיוון שהיא סתרה את התורה של אריסטו, לפיה הספירה העליונה ביותר של הכוכבים היא מושלמת ולא ייתכנו בה שינויים.

כדור הארץ והשמש

את ראשיתה של המהפכה המדעית נהוג לראות בעבודותיו של ניקולאוס קופרניקוס (1473-1543). קופרניקוס נתן מודל לתנועת כוכבי הלכת, לפיו השמש נמצאת במרכזה של מערכת השמש, וכדור הארץ ושאר כוכבי הלכת נעים סביבה במעגלים. מודל זה נקרא המודל ההליוצנטרי, לעומת המודלים הגאוצנטרים שקבעו שכדור הארץ נמצא במרכז היקום. ספרו של קופרניקוס, "על תנועתם של גרמי השמים" (De revolutionibus orbium coelestium), התפרסם רק לאחר מותו.
המודל ההליוצנטרי שהציע קופרניקוס התבסס על מערכת האפיציקלים שעליה היה מבוססים המודלים הגאוצנטרים, ולמעשה היה מסובך יותר מהם משום שהכיל יותר אפיציקלים. השוני המהותי מהמודלים הגאוצנטרים, בנוסף לכך שהשמש הייתה במרכז ולא הארץ, היה שהכוכבי הלכת תמיד במרכזו של מעגל ולא בנקודה אחרת בתוך מעגל, מה שנתפס על ידי קופרניקוס כהנחה לא תקינה.
יוהנס קפלר (1571-1630) הושפע מקופרניקוס והציע מודל הליוצנטרי משלו. קפלר שנולד והתחנך בגרמניה, התקבל לחצרו של האסטרונום טיכו ברהה בפראג. טיכו היה האסטרונום הגדול ביותר בתקופה שקדמה לטלסקופ. קפלר סבר שמסלולי כוכבי הלכת תואמים את חמש הצורות הגאומטריות המושלמות, אך הוא מעולם לא הצליח ליישב את ההשערה הזאת בדיוק מספיק עם המדידות. משום כך פנה אל טיכו שברשותו היו המדידות המדויקות ביותר של המרחקים אל הכוכבים שהיו בנמצא באותה עת. טיכו קיבל את קפלר בחמימות לחצרו, אך חשש לתת לו גישה אל הנתונים מכיוון שהוא לא האמין במודל ההליוצנטרי (טיכו האמין בתפיסה שהכוכבים נעים סביב השמש, אך השמש נעה סביב כדור-הארץ).
לאחר שרשרת של ויכוחים מרים, קיבל קפלר גישה אל הנתונים שנאספו לגבי התנועה של מאדים. בתחילה הכריז קפלר שהוא יצליח לפענח את הנתונים תוך חודשיים, ואולם המלאכה דרשה ממנו שבע שנים, ולבסוף הביאה אותו למסקנה שמסלוליהם של הכוכבים סביב השמש אינם מעגליים אלא אליפטיים. בכך נפטר קפלר ממערכת האפיציקלים המסובכת. בנוסף, הוא גילה שבתנועתם סביב השמש, הכוכבים מכסים שטחים שווים במרווחי זמן שווים – ומכאן שככל שהכוכבים קרובים יותר לשמש – כך מהירותם גדלה. כמו כן גילה שזמן המחזור של כוכבים יחסי לחזקה של המרחק שלהם מהשמש, ומכאן שככל שמרחקם של כוכבי הלכת מהשמש גדל, כך זמן המחזור שלהם גדול יותר. חוקים אלו ידועים היום בתור שלושת החוקים של קפלר.

הדינמיקה של גלילאו

גלילאו גליליי (1564–1642) היה אחד המדענים הראשונים לחקור את הדינמיקה לעומק. הוא גילה, בין השאר, שתנועה של גופים בנפילה חופשית היא פרבולית, וכן שזמן המחזור של מטוטלות אינו תלוי במשרעת (אמפליטודה) שלהן.
בצעירותו ניסה גלילאו לתת ביטוי מתמטי לפיזיקת האימפטוס, שהתפתחה מהפיזיקה של אריסטו. אולם, מושג האימפטוס, שלא התיישב היטב עם הפיזיקה האריסטוטלית, היה מבולבל וקשה לכימות. כדי לתת ביטוי מתמטי לתופעות הטבע, גלילאו ויתר עליו לחלוטין ובנה תחתיו תורה חדשה של תנועת עצמים על פני כדור הארץ, שהחליפה את תורת התנועה של אריסטו. הרעיון העומד בבסיסה של תורת התנועה של אריסטו הוא שגופים שואפים להגיע למקומם הטבעי. לעומת זאת, העיקרון שעומד בבסיסה של תורת התנועה החדשה של גלילאו הוא עיקרון ההתמדה.
עיקרון ההתמדה אומר שגוף נע כלשהו ימשיך בתנועתו כל עוד אין פועלים עליו כוחות חיצוניים. זה ההבדל היסודי בין תורת התנועה של גלילאו לזו של אריסטו: אצל אריסטו תנועה תמיד זקוקה לסיבה, כלומר לכוח מניע. לעומתו טוען גלילאו שתנועה, או לפחות המשך התנועה, אינה זקוקה לסיבה – התנועה נמשכת מאליה כל עוד לא מתערבים בה מבחוץ. מה שזקוק לסיבה הוא שינוי התנועה. הגוף הנזרק מספינה נעה נע יחד איתה לפני זריקתו. לפיכך, נוסף על תנועתו מעלה ומטה בעקבות הזריקה ובהשפעת הכובד, הוא גם ימשיך לנוע קדימה במהירות זהה למהירות הספינה. בסופו של דבר ישוב הגוף וייפול בנקודת הזריקה על הסיפון, ממש כפי שהיה עושה בספינה נחה, ומכאן שאין תוצאות הניסוי יכולות ללמדנו אם הספינה "באמת" נעה או נחה.
באופן דומה אפשר לטעון שגם תוצאות ניסויים של זריקת גופים על פני כדור הארץ אינם מושפעים מתנועתו. לפי אריסטו שינוי זקוק תמיד לסיבה, וההבדל בין תורת התנועה שלו לזו של גלילאו וניוטון הוא בשאלה מהו שינוי. אצל גלילאו וניוטון אין הבדל עקרוני בין מנוחה לבין תנועה בקו ישר ובמהירות קבועה, ולפיכך אפשר לראות מנוחה כתנועה במהירות אפס. אצל אריסטו, לעומת זאת, מנוחה ותנועה הן שתי תופעות פיזיקליות שונות לחלוטין, ולפיכך אי אפשר לראות באחת מהן מקרה פרטי של השנייה. במסגרת תורת התנועה החדשה של גלילאו, אפשר, אפוא, לקבל את השערת קופרניקוס האומרת שהארץ נעה במהירות עצומה, אף על פי שבניסויים שאנו עורכים איננו חשים בתוצאותיה של תנועה זו.
בשנת 1862 אסטרונום אנגלי בשם אדמונד היילי (1656-1742) שהיה ידוע בעיקר בזכות גילוי של כוכב השביט הנושא את שמו, החל להתעניין בחוקי קפלר. הוא ניסה לראות האם ניתן להשתמש ברעיונות של גלילאו על דינמיקה בשביל להסביר את תנועת הכוכבים ואת חוקי קפלר. כאשר הוא נכשל הוא נסע לבקר את ניוטון על מנת לשכנע אותו לחפש הסבר תאורטי לחוקים הללו. לתדהמתו, גילה היילי שניוטון כבר פתר את הבעיה אך לא פרסם את תוצאותיו. היילי מיהר לשכנע את ניוטון לפרסם את עבודותיו ואף מימן את פרסום הספר "עקרונות מתמטיים של פילוסופיית הטבע".

המכניקה הניוטונית

בשנה שבה מת גלילאו נולד מי שנחשב ליורשו וגם לאחד הפיזיקאים והמתמטיקאים החשובים ביותר בכל הזמנים: אייזק ניוטון (1643–1727). ניוטון הניח את היסודות לדינמיקה עם שלושת חוקיו הידועים: החוק הראשון טוען שאם על גוף לא פועלים כוחות, הוא ינוע במהירות קבועה הן בגודלה והן בכיוונה (מקרה פרטי הוא מהירות קבועה השווה לאפס, כלומר הגוף נמצא במנוחה מוחלטת); החוק השני קושר את השינוי בתנועה של גוף לכוחות שפועלים עליו (); החוק השלישי קובע כי כוח שגוף אחד מפעיל על השני, יגרור כוח תגובה של הגוף השני השווה בגודלו ומנוגד בכיוונו. ניוטון שיער שכל הגופים מושכים אחד את השני והכוח גדל ככל שהמרחק ביניהם קטן, הידוע כיום ככח הכבידה (גרוויטציה).
בעזרת שלושת חוקיו וחוק הכבידה, הסביר ניוטון את כל התופעות הניסיוניות אותן גילו גלילאו וקפלר וכן מגוון עצום של תופעות. אבן הכותרת של הישגיו הייתה הפתרון של הבעיה הדו-גופית: ניוטון הצליח להראות שמסלול של כוכב סביב השמש צריך להיות אליפטי, ולהוכיח באופן תאורטי את שלושת החוקים של קפלר. את העבודות האלו הוא פרסם בספר "היסודות המתמטיים של פילוסופיית הטבע".
מתוך חוקי ניוטון נובעים כמה מהמושגים המרכזיים בפיזיקה: שימור התנע, שימור התנע הזוויתי ושימור אנרגיה. מתוך חוקי ניוטון עולה השקפת עולם דטרמיניסטית, שאומנם נוסחה לראשונה רק במאה ה-18, והיא שמתוך ידיעה של המיקומים ושל המהירויות של כל הגופים ברגע נתון, אזי ניתן לנבא את תנועתם החל מרגע זה והלאה, וכמו כן ניתן לחשב מה הייתה תנועתם בעבר.
חוקי ניוטון הפכו לאבן הבסיס של הפיזיקה ב-300 השנים שלאחר מכן, עד היווצרותן של תורת היחסות ומכניקת הקוונטים.

הולדת האופטיקה המודרנית

הניסיון לשכלל טלסקופים הביא גם למחקר על אופן פעולתם. את הבסיס לאופטיקה המודרנית נהוג לראות בספרו של קפלר: "Astronomiae Pars Optica" (החלק האופטי של אסטרונומיה). ניוטון הראה באמצעות ניסוי מפורסם עם שתי מנסרות שהאור הלבן למעשה מורכב מכל צבעי הקשת, וכאשר אור נשבר בזכוכית, זווית השבירה שונה לכל צבע. בעקבות כך הוא פיתח טלסקופ המבוסס על החזרה של אור, באמצעות מראות כדוריות (ולא על עדשות השוברות אור).

מהות האור

כריסטיאן הויגנס הגה תורה על פיה האור הוא גל, והסביר את השבירה של האור בתנועה של חזית הגל כאשר היא עוברת בין חומרים (תווכים) שונים. לעומתו, ניוטון קידם תורה על פיה האור מורכב מחלקיקים. בעזרת תיאור זה קל יותר להבין את תופעת ההחזרה של האור על ידי מראות (אך קשה יותר להבין את תופעת השבירה). תורתו של ניוטון הפכה למקובלת, עד שב-1801 הוכיח תומאס יאנג בניסוי שני הסדקים שהאור הוא גל. בתחילת המאה ה-20, עם עבודותיו של אלברט איינשטיין והולדת מכניקת הקוונטים, הסתבר שהאור הוא למעשה שילוב של השניים - גל וחלקיק.

צעדים ראשונים בחשמל

תופעות אלקטרוסטטיות היו ידועות ליוונים הקדמונים, והם נקראים על שם המילה היוונית לענבר, שכן כאשר משפשפים חומרים בענבר מבחינים בתופעות חשמליות. תופעת המגנטיות מוזכרת כבר בכתבים סיניים המתוארכים למאה ה-4 לפנה"ס, ובעת העתיקה נעשה בתופעה שימוש לצורך בניית מצפנים. המחקרים של ויליאם גילברט מהמאה ה-17, על חשמל ומגנטיות נחשבים למחקרים המעמיקים הראשונים בתופעות אלו. גילברט פרסם את מחקריו בספר: "המגנט ועיניים מגנטיות ועל המגנט העצום כדור הארץ" (De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure) ובו תיאר ניסיונות על מודל של כדור הארץ לו קרא "'טרלה". בין השאר, הוא טען שכדור הארץ מתנהג כמו מגנט ענק וזו הסיבה שמצפנים מצביעים תמיד אל הצפון. הוא גם חקר רבות את תופעת החשמל הסטטי, שאותו ייצר בעזרת אבני ענבר. גילברט טען נחרצות שחשמל ומגנטיות אינם פנים שונות של אותה תופעה, אולם טענה זו הופרכה שנים רבות מאוחר יותר במחקריהם של מייקל פאראדיי וג'יימס קלרק מקסוול על אלקטרומגנטיות.

הידרוסטטיקה

רוברט בויל (1627–1691) היה פיזיקאי ואלכימאי אירי הידוע בעיקר בזכות גילוי חוק בויל הקושר את הנפח של גז עם הטמפרטורה והלחץ שלו. חקר גם את תפקידו של האוויר בהתפשטות קול, את ההתרחבות של המים בעת קפיאתם וכן מחקרים על גבישים וחשמל.
בלז פסקל (1623-1662) היה מתמטיקאי ופיזיקאי צרפתי, אשר בנוסף על עבודותיו בתורת ההסתברות, חקר רבות התנהגות של נוזלים ועבודותיו למעשה ייסדו את ענף ההידרודינמיקה. המציא את המנוף ההידראולי והמשאבה ההידראולית. כיום יחידת מידה ללחץ קרויה על שמו. המציא גם את אחת ממכונות החישוב הראשונות.

תגליות חשובות נוספות

משאבת הוואקום הומצאה בשנת 1650 על ידי אוטו פון גריקה (1602–1686). הוא גם הראשון שהשתמש בברומטר כדי לבצע מדידות מטאורולוגיות. ניסויים בוואקום עתידים לשחק תפקיד משמעותי בהתפתחות הפיזיקה, ולאפשר את גילויים של האלקטרון, של מבנה הגרעין ושל החלקיקים האלמנטריים. הוואקום עתיד גם לאפשר המצאות טכנולוגיות כגון הנורה החשמלית, הדיודות הראשונות (שהיו מבוססות על שפופרות קתודיות) ואת מסכי הטלוויזיה הראשונים (CRT).
אלסטיות היא תופעה שנחקרה לראשונה לעומק על ידי רוברט הוק (1635–1703). הוא גילה את החוק הנושא את שמו, הקושר את הכוח שמפעיל קפיץ עם אורכו. המציא ושיכלל מכשירים רבים כגון מאזני קפיץ מיקרוסקופיים וכן מכשירים לחיזוי מזג אוויר. ידוע גם בזכות מחקריו בביולוגיה הכוללים את גילוי התאים.

מתמטיקה

במאה ה-17 חלו מספר פריצות דרך משמעותיות במתמטיקה, שלהן הייתה השפעה חשובה גם על התפתחות הפיזיקה.
רנה דקארט (1596–1650) היה אחד הפילוסופים והמתמטיקאים החשובים בכל הזמנים, שהצליח למעשה לאחד את הגאומטריה עם האלגברה בעזרת המצאת מה שנקרא כיום מערכת צירים קרטזית. בכך ייסד את הגאומטריה האנליטית. כהוקרה על עבודתו, מערכת הצירים הסטנדרטיות נקראת על שמו השיטה הקרטזית. הגאומטריה האנליטית בתורה אפשרה את המצאת החשבון האינפיניטסמלי.
כיום מגדירים מהירות כנגזרת של המיקום, ותאוצה מוגדרת כנגזרת של המהירות, כלומר הנגזרת השנייה של המיקום. חוקיו של ניוטון נותנים למעשה את משוואות התנועה של גופים, הקושרות את מיקום הגופים אל הנגזרת השנייה של המיקום, הנקראות משוואות דיפרנציאליות. אולם, המונח "נגזרת" לא היה קיים באותם זמנים, ולא הכלים המתמטיים להתמודד איתו; לכן נוצר צורך לפתח ענף חדש במתמטיקה שיעסוק במונחים אלו: החשבון האינפיניטסימלי. ענף זה אכן פותח על ידי ניוטון, ובמקביל, וככל הנראה באופן בלתי תלוי גם על ידי הגרמני גוטפריד וילהלם לייבניץ (1646 – 1716). במהלך השנים הבאות התפתח ויכוח מר וארסי בין השניים (שהיו חלוקים בנושאים רבים בתחומי המדע, הפילוסופיה והתאולוגיה) לגבי זכות הראשונים על פיתוח התורה, דבר שייצר קרע גדול בין המדענים האנגלים והאירופים במהלך עשרות השנים הבאות, ולמעשה לפגיעה בהתקדמותו של המדע האנגלי.
תורת ההסתברות המודרנית פותחה בעקבות עבודותיהם של פייר דה פרמה, בלז פסקל וכריסטיאן הויגנס. תורת ההסתברות אומנם פותחה כענף מתמטי טהור, אך היא עתידה למלא תפקיד מכריע בהתפתחות הפיזיקה: היא נותנת את הבסיס למכניקה סטטיסטית ולתרמודינמיקה.

המאה ה-18

המאה ה-18 נתנה את הבמה לתנועת עידן האורות. תנועה זו כללה אנשי רוח, פילוסופים ומדענים (ביניהם דני דידרו, תומאס ג'פרסון, עמנואל קאנט, ברוך שפינוזה ווולטייר). מבחינה מדעית, סמלה של התקופה היה ייסודה של האנציקלופדיה המודרנית הראשונה בצרפת, שנקראה האנציקלופדיה הגדולה.
במאה ה-18 באירופה המשיכו מדענים גדולים כגון פייר סימון לפלס וז'וזף לואי לגראנז' את פיתוח החשבון האינפינטיסמלי ואת השלכותיו על הפיזיקה. דניאל ברנולי הניח את היסודות להידרודינמיקה ולאווירודינמיקה. במאה ה-18 התגלו לראשונה גזים אטומיים, החמצן והמימן, ונוסח לראשונה חוק שימור המסה על ידי אנטואן לבואזיה ובמקביל על ידי מיכאיל לומונוסוב.

מכניקה אנליטית

מאז עבודותיהם של ניוטון ולייבניץ, התפתחות החשבון האינפיניטיסמלי והפיזיקה היו קשורות בקשר חזק זו לזו. בעיות פיזיקליות היו הזרז לפיתוחן של תורות מתמטיות ואלו מצידן הביאו להבנה עמוקה יותר של הפיזיקה. אחד מגדולי מדעני התקופה היה פייר סימון לפלס (1749–1829), שנחשב ל"ניוטון הצרפתי". בספרו בן חמשת הכרכים "Mécanique Céleste", הפך לפלס את המכניקה הניוטונית מבוססת גאומטריה, למבוססת על חשבון אינפיניטסימלי. על שמו נקראת היום משוואת לפלס שבעזרתה השתמש כדי לתאר את השדה שיוצר כח הכבידה, וכיום היא המשוואה המרכזית באלקטרוסטטיקה. הנגזרת השנייה המרחבית, קרויה על שמו הלפלסיאן. לפלס ידוע גם בזכות המצאת טרנספורם לפלס שיחד עם טרנספורם פורייה (על שם ז'אן-בטיסט ז'וזף פורייה (1768–1830)) הפכו לכלים מתמטיים חשובים מאוד בפיזיקה. ללפלס היו עבודות רבות נוספות גם באסטרונומיה, בהסתברות ובהידרודינמיקה.
ז'וזף לואי לגראנז' (1736–1813) היה מתמטיקאי ואסטרונום איטלקי. יחד עם לאונרד אוילר הוא פיתח שיטה הנקראת חשבון וריאציות. שיטה זאת משמשת לפתרון בעיות אופטימיזציה. לגראנז' הבין שאת הפיזיקה כולה ניתן לראות כבעיה של אופטימיזציה. לדוגמה, באופטיקה ניתן להבין את חוקי השבירה וההחזרה באופן שהאור בוחר במסלול המהיר ביותר מנקודת ההתחלה אל נקודת הסיום. באופן דומה הצליח לגראנז' להראות שהמסלולים של גופים במכניקה גם הם פותרים בעיה של אופטימיזציה והגודל שאותו הם מנסים לצמצם נקרא כיום על שמו, לגראנז'יאן. בכך ייסד לגראנז' את המכניקה האנליטית. אחד היתרונות של המכניקה האנליטית הוא פתרון בעיות הכוללות אילוצים. את עבודתו המשיך ויליאם רואן המילטון (1805-1865). עם ניסוח מתקדם אף יותר של חוקי המכניקה, שעתידה להיות חשובה מאוד להתפתחות תורת הקוונטים. ללגראנז' היו מחקרים רבים גם בתחומי האסטרונומיה ובתורת המספרים.

מכניקת הזורמים

מכניקת הזורמים (fluid dynamics) היא התחום בפיזיקה העוסק בתנועה של גזים ונוזלים. ראשיתה של מכניקת הזורמים נמצאת בעבודותיו של ארכימדס במאה ה-4 לפנה"ס, אשר גילה את חוק הציפה הקרוי על שמו, ובעבודותיהם של המדענים המוסלמים אל בירוני ואל חזני (מאה ה-11 וה-12 לספירה). במאה ה-17 תחום זה זכה להתעניינות מחודשת בזכות עבודותיו של הפיזיקאי האיטלקי אוונג'ליסטה טוריצ'לי (1608-1647).
במאה ה-18 מכניקת הזורמים זכתה לניסוח שלה המוכר היום, בזכות עבודותיהם של לאונרד אוילר ודניאל ברנולי (1700–1782), פיזיקאי ומתמטיקאי הולנדי, שעבד רוב ימיו בשווייץ. ברנולי היה הראשון לקשור את תורת ההסתברות עם הפיזיקה ובכך ליצור ענף חדש בפיזיקה: המכניקה הסטטיסטית (שבתורה עתידה להיות הבסיס לתרמודינמיקה שתפותח רק בסוף המאה). ברנולי השתמש ברעיונות אלו בשביל לתאר את התנועה של נוזלים וגזים, וידוע היום בעיקר בזכות החוק הקרוי על שמו. חוק זה מהווה למעשה את הבסיס לאווירודינמיקה ולהתפתחות מדע התעופה.
לאונרד אוילר (1707-1783) כתב את משוואות התנועה של זורמים, הקרויות היום על שמו. משוואות אלו היוו הכללה של חוקי ניוטון לרצף, והוא ניתח אותם בעזרת הכלים של המכניקה האנליטית.

חשמל

ניסוי העפיפונים: בנג'מין פרנקלין (1706–1790) מדינאי, איש רוח ומדע אמריקני. הוא ידוע בעיקר כאחת מהדמויות המרכזיות במלחמת העצמאות האמריקנית ואחד ממנסחי חוקת ארצות הברית. פרנקלין היה מדען חוקר בתחום החשמל; הניסוי המפורסם ביותר שלו היה ניסוי העפיפונים שבו הוא הצליח להראות שברקים הם למעשה התפרקויות של זרם חשמלי.

מנועי הקיטור והמהפכה התעשייתית

כבר במאה הראשונה לספירה, הומצאה המכונה הראשונה המונעת בידי קיטור. מכונה זאת נקראה כדור איאולוס ופותחה על ידי הרון מאלכסנדריה. היא כללה כדור מלא במים, שממנו יוצאים צינורות. כאשר מחממים את הכדור מלמטה, הקיטור הנפלט ממנו גורם לכדור להסתובב. במאה ה-17 אוטו פון גריקה המציא את משאבת הוואקום הראשונה, ובהתבסס על תכנוניו יצרו רוברט הוק ורוברט בויל את משאבת האוויר הראשונה. המצאות אלו הובילו בתורם לגילוי חוק הגזים האידיאלים, וכן להמצאתם של מנועי הקיטור.
מנוע הקיטור הראשון, שהושפע מרעיונות של דני פפן, נבנה בשנת 1697 על ידי תומאס סייוורי. תומאס ניוקומן שיכלל את המנוע בשנת 1712 עם המצאת המנוע האטמוספירי. מנועים אלו זכו לשימושים מסחריים, בעיקר לשאיבת מים ממכרות פחם. מי שקידם את מנועי הקיטור יותר מכל היה ג'יימס ואט (1736 – 1819). ואט החל את דרכו המדעית כאשר התאפשר לו להקים בית מלאכה קטן באוניברסיטת גלאזגו. לאוניברסיטה היה דגם של מכונת הקיטור של ניוקומן, ואט שיכלל אותו והמכונה הייתה הראשונה שהפכה את מכונות הקיטור לכלכליות ושימושיות למגוון רחב של יישומים. יחידת המידה להספק נקראת על שמו. מכונות הקיטור של ואט וממשיכיו זכו במהרה למגוון עצום של יישומים, בעיקר לשאיבת מים, להנעת אמצעי תחבורה (רכבות ואוניות) ולהנעת מכונות לייצור טקסטיל. המצאות אלו חוללו את המהפכה התעשייתית שלה הייתה השפעה עצומה על התפתחות החברה והכלכלה וכן על התפתחות המדע. המדע נתן את הכלים לפיתוח מכונות יעילות יותר, ומצד שני נהנה מהתוצרים שלהם.
על אף שהמכונות של ואט כבר הפכו לכלכליות, היעילות שלהן הייתה נמוכה: הן ניצלו רק כ-2 אחוז מהאנרגיה שהושקעה בהן. בד בבד עם הניסיונות לשכלל את מכונות הקיטור, החלה לעלות שאלת היעילות המקסימלית שמכונות יכולות להפיק. השאלה הזאת הטרידה בין השאר את מנוחתו של סאדי קרנו (1796–1832), אז מהנדס צבאי בשירותו של נפוליאון בונפרטה. עבודתו התאורטית "הרהורים על כוחה המניע של האש", שהתפרסמה בשנת 1824, הובילה לייסודו של ענף חדש בפיזיקה: התרמודינמיקה.
על מנת להסביר תופעות כימיות כמו התלקחות ופיזיקליות כמו החום, נפוצו במאה ה-17 תאוריות הפלוגיסטון ותאוריית הקלוריק שנחשבות היום למיושנות. על פי תאוריית הפלוגיסטון, שפורסמה לראשונה על ידי יואכים בכר בשנת 1667, בנוסף לארבעת היסודות של החומר (מים, אש, אוויר ואדמה – זוהי תורה שמקורה ביוון העתיקה ועדיין הייתה מקובלת על חלק מהקהילה המדעית במאה ה-18) ישנו גם יסוד חמישי הקשור לבעירה, הקיים בגופים היכולים להתלקח. אנטואן לבואזייה (הנחשב לאבי הכימיה) הפריך את תאוריית הפלוגיסטון (כמו גם את תאוריית ארבעת היסודות) בכך שהראה שבעירה נובעת כתוצאה מתגובות כימיות הקשורות בחמצן. במקום הוא הציג את תאוריית הקלוריק הקובעת שישנו מעין נוזל בשם זה, האחראי על תופעת החום, אשר נוזל בין גופים חמים לקרים. תאוריה זאת הפכה למקובלת על רוב הקהילה המדעית ושימשה כבסיס לעבודותיו של קרנו.

התרמודינמיקה והמכניקה הסטטיסטית

כאמור המהנדס הצרפתי סאדי קרנו ניסה לתת הסבר כללי למהי הנצילות המרבית שניתן להפיק ממנועי קיטור. לשם כך הוא הגה מכונת קיטור אידיאלית, הקרויה על שמו מנוע קרנו, וחישב את היעילות שלה. לאחר מכן הוא הצליח להראות, באמצעות הסתמכות על ההפיכות של המכונה ועל אי ההיתכנות של מכונת תנועה נצחית (פרפטאום מובילה), שלא תיתכן מכונה יעילה יותר. קרנו עבד במסגרת תורת הקלוריק שראתה בחום ישות חומרית דמוית נוזל הזורמת מגוף חם לגוף קר.
המילה תרמודינמיקה מקורה במחקריו של ויליאם תומסון (לורד קלוין) (1824–1907) על נצילותם של מנועי קיטור. תומפסון, בנואה פאול אמיל קלפרון (1799–1864), ורודולף קלאוזיוס (1822–1888) קראו תיגר על תורת הקלוריק והציגו את המושגים אנרגיה, אנטלפיה ואנטרופיה. כמו כן, הם הציגו את החוק השני של התרמודינמיקה הקובע שבמערכת סגורה האנטרופיה תמיד תגדל. בשנת 1798 הדגים בנג'מין תומפסון המרת עבודה מכנית לחום, ובשנת 1847 ניסח ג'יימס ג'ול את חוק שימור האנרגיה, בצורת חום ובצורת אנרגיה מכנית. בכך נוסד ענף התרמודינמיקה המודרנית.
קלאוזיוס יחד עם ג'יימס מקסוול פיתחו תורה המסבירה את התנהגותם של גזים, על פי ההנחה שהגז מורכב ממספר רב של חלקיקים הנמצאים בשיווי משקל. בעשותם כך הם נתנו הסבר לחוקי התרמודינמיקה המבוסס על תורת ההסתברות. לודוויג בולצמן ביסס במקביל אליהם תאוריה דומה ולכן התפלגות המהירויות של אטומים בגז קרויה היום התפלגות מקסוול בולצמן. עבודות אלו יחד עם עבודותיהם של ויליאם גיבס ואמדאו אבוגדרו יצרו את הבסיס של המכניקה הסטטיסטית.
ויליאם תומסון אחראי לאחת מפריצות הדרך המחשבתיות החשובות בהיסטוריה של הפיזיקה בכך שהוא השתמש בתרמודינמיקה בשביל לחקור את השמש. תומסון טען שמכיוון שהשמש פולטת קרינה אזי היא מתקררת. מתוך עוצמת הקרינה של השמש, כפי שהיא נמדדת בכדור הארץ, חישב תומסון את קצב הקרור של השמש והגיע למסקנה שהטמפרטורה של פני השמש לפני 30 אלף שנים הייתה גדולה משמעותית מהטמפרטורה הנוכחית שלה. אומדן זה עמד בסתירה לממצאים גאולוגיים המעריכים את גיל כדור הארץ במאות מיליוני שנה, וכן להערכה של צ'ארלס דרווין המבוססת על תורת האבולוציה לפיה לקח לחיים מיליוני שנים להתפתח. הטעות של תומסון הייתה בכך שלשמש יש מנגנון חימום פנימי, המבוסס על תגובות גרעיניות, ולכן קצב הקירור של השמש קטן בהרבה. מאידך עבודה זאת יצרה את הבסיס שממנו התפתחה האסטרופיזיקה המודרנית.

אלקטרודינמיקה

סוף המאה ה-18 והמאה ה-19 ראו את הולדת וההתפתחות המהירה של תורת החשמל והמגנטיות. את הכוח החשמלי הקושר שני גופים גילה שארל-אוגוסטן דה קולון (1736–1806), בשנת 1784. בשנת 1800 המציא אלסנדרו וולטה (1745–1827), פיזיקאי איטלקי, את הסוללה החשמלית, וזאת איפשרה מעתה לבצע ניסויים מעמיקים בחשמל. מעבר לחשיבות היישומית הרבה שלה, הסוללה גם הראתה כיצד ניתן להפוך אנרגיה כימית לאנרגיה חשמלית, ומעתה הגילגולים השונים של אנרגיה חשמלית, הקשרים בין חשמל למגנטיות, לחום, ולאפקטים כימיים ולאור ימשיכו לרתק את העולם המדעי. את המונחים מתח, זרם והתנגדות ניסח גאורג אוהם (1789–1854), שעל שמו קרוי היום חוק אוהם. הנס כריסטיאן ארסטד (1777–1851) היה הראשון להבחין בקשר בין חשמל למגנטיות. ארסטד הבחין שכאשר הוא מעביר זרם בקרבת מגנט, הזרם גורם למחט של המגנט לסטות הצידה.
פריצות הדרך המשמעותיות ביותר בתחום באו בעקבות עבודותיו של המדען האנגלי מייקל פאראדיי (1791–1867). חסר השכלה גבוהה רשמית בתחום, החל פאראדיי להתעניין בחשמל לאחר ששמע על הניסויים של ארסטד הקושרים חשמל עם מגנטיות. הוא גילה בצורה אמפירית כי זרם חשמלי יוצר סביבו שדות מגנטיים. פאראדיי היה אחד המדענים הראשונים שהשתמש ברעיון של שדות על מנת לתאר את חוקי החשמל. הוא המציא את המנוע החשמלי הראשון, וניסח את חוק ההשראה הנושא את שמו.
ג'יימס קלרק מקסוול (1831–1879) החל את דרכו כתלמיד של פאראדיי. מקסוול היה מצויד בהשכלה מתמטית אקדמית טובה יותר מזאת של מורהו, וזאת איפשרה לו לנסח את חוקי החשמל שגילו פאראדיי ואחרים בעזרת ארבע משוואות דיפרנציאליות, אשר נושאות את שמו, משוואות מקסוול. התוצאה המפתיעה ביותר של המשוואות היא המסקנה כי שדה חשמלי משתנה יוצר שדה מגנטי, ומכיוון ששדה מגנטי משתנה יוצר שדה חשמלי, אזי ישנו פתרון למשואות בצורה של גל אלקטרומגנטי, הנע במהירות האור. מכאן הסיק מקסוול שלמעשה האור הוא גל אלקטרומגנטי. הישג זה היה התגלית המדעית הגדולה של התקופה: איחוד של כל חוקי החשמל, המגנטיות והאופטיקה לתוך ארבע משוואות. התורה של מקסוול זכתה לאישוש ניסיוני עם המצאת הרדיו ב-1888 על ידי היינריך רודולף הרץ (1857–1894), וגילוי קרני ה-X על ידי וילהלם רנטגן (1845–1923) ב-1895.
לתגליות בתחום האלקטרודינמיקה הייתה השפעה עצומה על ההתפתחויות הטכנולוגיות, שהביאו לשינוי פניה של החברה, עם המצאות כגון המנוע החשמלי, הנורה החשמלית, הרדיו, הפטיפון ועוד.

המכניקה ההמילטונית

המכניקה ההמילטונית פותחה על ידי סר ויליאם רואן המילטון (1805–1865), מתמטיקאי ואסטרונום אירי. הוא המשיך את עבודותיו של לגראנז' בתחום המכניקה האנליטית והראה שניתן לנסח את חוקי המכניקה בדרך נוספת, על בסיס מה שקרוי היום משוואות המילטון, הנגזרות ממושג ההמילטוניאן שהכניס לשימוש. המשוואות היוו ניסוח מתמטי שונה בלבד, ולא הוסיפו שום דבר מהותי לגבי הבעיות שלפתרונן שמשו. עם זאת, תפקידן ההיסטורי היה מכריע, שכן שפכו אור חדש לגבי הדרך בה ניתן להכליל את המכניקה הקלאסית, ובכך ניתן לראות גם את משוואות המילטון בתור הקו המקשר מהמכניקה הקלאסית אל מכניקת הקוונטים המאוחרת יותר.

החיפוש אחר האתר

ניסוי שני הסדקים ב-1801 הראה מעל לכל ספק שהאור הוא גל. נותרה השאלה מהו התווך שנושא את האור, באותו אופן שתווך (למשל, האוויר) נושא את גלי הקול. התווך הזה זכה לשם אתר ונעשה מאמצים רבים על מנת למדוד תנועה של גופים יחסית לתווך זה. הניסוי המפורסם ביותר היה ניסוי מייקלסון-מורלי. הרעיון של הניסוי התבסס על ההנחה שרווחה באותם זמנים, לפיה כדור הארץ נע ביחס לאתר. על סמך תנועה יחסית זו, כך חשבו, ניתן יהיה למדוד את ההבדלים בין מהירות האור בכיוון תנועתו של כדור-הארץ לבין מהירותו בכיוון הניצב. הניסוי לא הצליח למדוד כל הבדל ביניהם. ניסיונות נוספים התבססו על תצפיות אסטרונומיות של הירחים של צדק וגם הם לא הצליחו להבחין בקיומו של האתר.

גאומטריות לא אוקלידיות

עד המאה ה-19 רווחה האמונה שהגאומטריה מייצגת תיאור של העולם ואמת בסיסית שאין אחרת לה. רבים ראו פגם אחד מרכזי בגאומטריה, והוא האקסיומה החמישית של אוקלידס, אקסיומת המקבילים, שנראתה מסורבלת ולא הכרחית. בתחילת המאה ה-19, שורה של מתמטיקאים החלו לבנות בנפרד ובאופן בלתי תלוי גאומטריות שבהן האקסיומה הזאת איננה מתקיימת; כלומר, גאומטריות שבהן דרך נקודה שלא על קו נתון, או שלא ניתן להעביר כלל מקבילים לקו, או שניתן להעביר קוים מקבילים רבים לקו הנתון. תורות אלו נקראות היום גאומטריה לא אוקלידית. ככל הנראה, הראשון שפיתח גאומטריות אלו היה קרל פרידריך גאוס, מגדולי המתמטיקאים בכל הזמנים, ובמקביל לו פיתחו את הגאומטריות הללו גם המתמטיקאי הרוסי ניקולאי איוונוביץ' לובצ'בסקי וקצין הצבא ההונגרי יאנוש בויאי. את אחת התרומות החשובות ביותר לנושא הניח תלמיד של גאוס, ברנרד רימן. תורות אלו שינו לגמרי את תפיסת המחשבה בקשר למהות של תורות מתמטיות, והייתה להן השפעה חשובה על התפתחות הפיזיקה. תורות אלו עתידות לשחק תפקיד מרכזי בתורת היחסות הכללית. השאלה האם היקום הוא שטוח שמתנהג על פי חוקי אוקלידס ממשיכה להעסיק קוסמולוגים עד ימינו.

סוף המאה ה-19: סוף הפיזיקה?

בסופה של המאה ה-19 בזכות הגילויים הגדולים של חוקי התרמודינמיקה, ובעיקר בזכות גילוי חוקי מקסוול, רווחה בקרב הפיזיקאים האמונה שלמעשה התגלו כבר כל החוקים הבסיסיים של הטבע, וכל מה שנותר לפיזיקאים לעשות למעשה הוא להבין את המשמעות של החוקים האלו עבור מקרים פרטיים.
אלא שהיו פיזיקאים שהיו מודעים לכך שהמלאכה לא לגמרי שלמה. בהרצאה מפורסמת בשנת 1900 טען לורד קלווין (ויליאם תומסון) כי ישנם שני עננים המעיבים על השמים היפים של הפיזיקה של המאה ה-19: ניסוי מייקלסון-מורלי (הבעיות במדידת תכונותיו של האתר), וכן הקושי להבין את תופעת קרינת הגוף השחור. הוא אמנם צפה את הבעיות אך המעיט כנראה בערכן משום שבאותה הרצאה אף טען כי "אין שום דבר חדש לגלות בפיזיקה כעת, כל הנותר הוא לבצע מדידות מדויקות יותר ויותר" ואף כי "קרני רנטגן הן תרמית". מה"ענן" הראשון שציין לורד קלווין נולדה תורת היחסות, ומה"ענן" השני נולדה מכניקת הקוונטים. שתי תאוריות אלו עתידות לשנות את הדרך שבה האדם מבין את העולם. בנוסף על כך, גילוי האלקטרון, הרדיואקטיביות ומבנה האטום תרמו לביסוסם של ענפים חדשים בפיזיקה: פיזיקה גרעינית ופיזיקה של חלקיקים אלמנטריים.