Sejarah fizik

Fizik awal

Sejak zaman purba, manusia telah mencuba memahami tindakan-tindakan jirim: mengapa objek-objek yang tidak disangga akan jatuh ke atas tanah, mengapa bahan-bahan yang berbeza mempunyai tindakan yang berbeza, dan lain-lain lagi. Juga merupakan tanda tanya ialah sifat alam semesta seperti bentuk Bumi dan tindakan jasad-jasad cakerawala seperti Matahari dan Bulan.
Pada zaman purba, tindakan-tindakan dan sifat-sifat dunia biasanya diterangkan melalui tindakan dewa-dewa. Akhirnya, penjelasan yang mengagak-agak telah dicadangkan; bagaimanapun kebanyakannya kini didapati salah, tetapi ini hanya merupakan sebahagian daripada sifat-sifat usaha penjelasan sistematik, dan teori-teori mekanik kuantum dan kerelatifan yang moden juga dianggap hanya sebagai "teori-teori yang masih belum dibuktikan salah". Teori-teori fizik pada zaman purba biasanya dikemukakan dari segi falsafah, dan jarang ditentusahkan melalui ujian uji kaji yang sistematik.

Sumbangan India

Di Lothal (k.k. 2400 SM), kota pelabuhan kuno bagi peradaban Harappa, barang-barang cangkerang bertindak sebagai kompas untuk mengukur sudut-sudut 8-12 bahagian ufuk dan langit dalam angka kandungan 40–360 darjah, selain daripada digunakan untuk menentukan kedudukan bintang-bintang.  Pada akhir zaman Veda (k.k. abad ke-9 SM hingga ke-6 SM), ahli astronomi Yajnavalkya dalam karyanya, Shatapatha Brahmana, merujuk kepada konsep heliosentrisme yang awal yang mengatakan bahawa Bumi adalah bulat, dengan Matahari merupakan "pusat sfera-sfera". Beliau mengukur jarak-jarak antara Bulan dan Mahahari dengan Bumi sebagai 108 kali diameter cakerawala-cakerawala tersebut. Ukuran ini dekat sahaja dengan nilai-nilai moden sebanyak 110.6 untuk Bulan dan 107.6 untuk Matahari. 
Orang-orang India pada zaman Veda mengelaskan dunia kebendaan kepada lima unsur yang asas, iaitu tanah, api, udara, air dan eter/ruang.  Sejak dari abad ke-6 SM, mereka merumuskan teori-teori atom yang bersistem, mulai dengan Kanada dan Pakudha Katyayana. Ahli-ahli atomisme India mempercayai bahawa setiap atom merupakan satu hingga sembilan unsur, dengan setiap unsur mempunyai sehingga 24 sifat. Mereka mengembangkan teori-teori yang terperinci tentang bagaimana atom-atom boleh menggabung, bertindak balas, bergetar, bergerak. dan melakukan tindakan-tindakan yang lain. Di samping itu, mereka juga mengembangkan teori-teori yang teliti tentang bagaimana atom-atom boleh membentuk molekul dedua yang bergabung pula untuk membentuk molekul yang lebih besar, dan bagaimana zarah-zarah pada mula-mulanya bergabung dalam pasangan dan kemudiannya berkumpul dalam tiga pasangan yang merupakan unit jirim nampak yang terkecil.  Ini menyamai struktur teori atom moden yang dua atau tiga kuark (dianggap sebagai zarah yang paling asas) bergabung untuk mencipta kebanyakan bentuk jirim yang biasa. Mereka itu juga mencadangkan kemungkinan untuk membelah atom yang kini diketahui merupakan sumber tenaga atom.
Prinsip kerelatifan (harus tidak dikelirukan dengan teori kerelatifan Einstein) telah wujud dalam bentuk peringkat permulaan sejak dari abad ke-6 SM dalam konsep falsafah India kuno, "sapekshavad ", yang secara harfiahnya membawa pengertian "teori kerelatifan " dalam bahasa Sanskrit.
Aliran fikiran Samkhya dan Vaisheshika mengembangkan teori-teori cahaya antara abad ke-6 SM dan abad ke-5 SM. Menurut aliran fikiran Samkhya, cahaya ialah salah satu daripada lima unsur "tersirat" yang asas (yang membentuk unsur-unsur kasar) dan yang dianggap sebagai selanjar. Aliran fikiran Vaisheshika mentakrifkan gerakan dari segi gerakan atom-atom fizik yang tak seketika . Sinar-sinar cahaya dianggap sebagai suatu pancaran atom-atom api  yang tinggi halajunya, dan yang boleh menonjolkan ciri-ciri yang berbeza, bergantung kepada kelajuan and susunan zarah-zarahnya. Mazhab-mazhab Dignāga (abad ke-5) dan Dharmakirti (abad ke-7) Buddhisme mengembangkan suatu teori cahaya yang terdiri daripada zarah-zarah tenaga yang serupa dengan konsep foton yang moden.
A. L. Basham, ahli kaji India veteran yang berkebangsaan Australia, menyimpul bahawa "penjelasan-penjelasan mereka terhadap struktur fizikal dunia adalah bijak dan imaginatif, dengan sebahagian besarnya serasi dengan penemuan-penemuan fizik moden."
Pada tahun 499, Aryabhata, ahli matematik-astronomi India, mengajukan suatu model yang terperinci tentang sistem suria kegravitian heliosentrik. Model itu menyatakan bahawa planet-planet berputar pada paksi masing-masing dan menyebabkan siang serta malam, serta mengelilingi Matahari mengikut orbit-orbit elips dan dengan itu, menyebabkan tahun. Model itu juga mengatakan bahawa planet-planet dan Bulan tidak mempunyai cahaya sendiri tetapi memantulkan cahaya Matahari. Aryabhata juga menjelaskan dengan tepat tentang sebab-sebab gerhana suria serta gerhana qamari dan meramalkan waktunya, selain daripada menentukan jejari orbit-orbit planet yang mengelilingi Matahari, dan mengukur panjangnya hari, tahun sidereus, serta diameter dan lilitan Bumi. Dalam karyanya Brahma Sputa Siddhanta pada tahun 628, Brahmagupta mengenal pasti graviti sebagai suatu daya penarikan dan faham akan hukum kegravitian.
Suatu sumbangan India yang amat penting ialah angka Hindu-Arab. Fizik moden tidak mungkin akan wujud tanpa sebuah sistem aritmetik yang mudah yang memungkinkan pengiraan angka-angka yang besar. Sistem angka kedudukan (sistem angka Hindu-Arab) moden dan nombor sifar dikembangkan buat pertama kali di India, bersama-sama fungsi-fungsi trigonometri sinus dan kosinus. Perkembangan-perkembangan matematik itu, bersama-sama dengan perkembangan fizik India, diterimaguna oleh Kekalifahan Islam dan kemudian tersebar ke Eropah dan kawasan-kawasan lain di dunia.

Sumbangan Yunani dan Keyunanian

Fizik barat bermula dengan ahli-ahli falsafah Yunani dan pra-Socrates seperti Thales, Anaximander, mungkin Pythagoras, Heraclitus, Anaxagoras, Empedocles, serta Philolaus, dengan banyak daripada mereka terlibat dalam berbagai-bagai aliran fikiran. Umpamanya, Anaximander dan Thales datangnya daripada aliran fikiran Miletus. Plato secara singkat dan Aristotle secara terperinci meneruskan kajian-kajian alam semula jadi dalam karya-karya mereka yang merupakan karya-karya lengkap terawal yang masih wujud mengenai falsafah semula jadi. Democritus, ahli sains sezaman yang menyokong aliran fikiran Atomisme, cuba mencirikan sifat jirim.
Akibat ketiadaan peralatan uji kaji termaju seperti teleskop dan peranti-peranti mengukur masa yang tepat, ujian uji kaji hipotesis fizik tidak dapat dimungkinkan atau tidak praktik. Bagaimanapun, terdapat kekecualian serta anakronisme: umpamanya Archimedes, pemikir Yunani, menerbitkan banyak pemerian kuantitatif yang tepat tentang mekanik dan juga hidrostatik ketika beliau, menurut sebuah cerita, menyedari bahawa tubuhnya mengalihkan isi padu air yang sama dengan isi padu tubuhnya apabila beliau masuk ke dalam takung mandi pada suatu hari. Lagi satu contoh yang unggul ialah Eratosthenes yang menyimpulkan bahawa Bumi berbentuk sfera, dan mengira dengan tepat lilitannya melalui penggunaan bayang-bayang kayu-kayu tegak untuk mengukur sudut-sudut bagi dua titik yang terletak jauh antara satu sama lain di permukaan Bumi. Ahli-ahli matematik Yunani juga mencadangkan pengiraan isi padu objek-objek seperti sfera dan kon dengan membahagikan objek menjadi cakera-cakera yang amat nipis dan menjumlahkan isi padu setiap cakera dengan menggunakan kaedah-kaedah yang seakan-akan kalkulus kamiran.
Pengetahuan moden tentang banyak gagasan fizik yang awal, dan takat yang gagasan-gagasan tersebut diuji kaji tidak lengkap. Hampir semua rekod langsung tentang gagasan-gagasan itu telah hilang ketika Perpustakaan Alexandria dimusnahkan pada sekitar tahun 400. Gagasan terunggul yang kita tahu tentang zaman ini ialah simpulan Aristarchus dari Samos bahawa Bumi ialah sebuah planet yang mengelilingi Matahari sekali setiap tahun, dan berputar pada paksi sendiri sekali setiap hari (dan dengan itu, menerangkan kewujudan musim, serta kitaran siang dan malam), dan bahawa bintang-bintang ialah matahari-matahari lain yang amat jauh yang juga mempunyai planet-planet sendiri (yang mungkin juga mempunyai hidupan.)
Penemuan mekanisme Antikythera menunjukkan pemahaman yang terperinci terhadap gerakan objek-objek astronomi, serta penggunaan rentetan gear yang mendahului mana-mana peradaban yang diketahui, kecuali China kuno.
Aeolipil Hero dari Alexandria, versi awal enjin stim, hanya merupakan suatu keanehan yang tidak dapat menyelesaikan masalah mengubah tenaga putaran menjadi bentuk yang lebih berguna, termasuk juga dengan menggunakan gear. Skru Archimedes masih digunakan pada hari ini untuk mengangkat air dari sungai-sungai untuk mengairi tanah ladang. Bagaimanapun, mesin-mesin mudah itu biasa sahaja, dengan kekecualian (sekurang-kurangnya) bukti Archimedes yang anggun tentang hukum tuil. Tanjakan telah digunakan buat beberapa milenium sebelum Archimedes untuk membina Piramid-piramid.
Malangnya, zaman penyelidikan terhadap sifat dunia akhirnya disekat oleh kecenderungan untuk menerima gagasan ahli-ahli falfasah, dan bukannya menyoal dan menguji gagasan-gagasan tersebut. Pythagoras sendiri dikatakan mencuba menyekat pengetahuan tentang kewujudan nisbah yang ditemui oleh sekolahnya kerana ia tidak selaras dengan nombor mistisismenya. Selama seribu tahun selepas kemusnahan Perpustakaan Alexandria, model Ptolemy (harus tidak dikelirukan dengan Ptolemy Mesir) yang menganggap sebuah alam semesta yang berpusat pada Bumi, dengan setiap planet mengorbit dalam bulatan kecil (dikenali sebagai epikitar) yang mengorbit pula dalam bulatan yang lebih besar (dikenali sebagai deferen), diterima sebagai kebenaran mutlak.

Sumbangan Parsi dan Islam

Dengan pemeradaban dikuasai oleh Empayar Rom, banyak doktor Yunani menjalankan praktik mereka untuk golongan elit Rom tetapi malangnya, sains-sains fizik diketepikan. Selepas kejatuhan Empayar Rom, Eropah mengalami kemerosotan kebudayaan klasik. dan hampir semua penyelidikan saintifik dihentikan. Zaman itu digelarkan Zaman Kelam oleh sebilangan orang, walaupun cendekiawan-cendekiawan moden tidak menggunakan frasa ini.
Bagaimanapun di Timur Tengah, banyak ahli falsafah alam Yunani masih dapat memperoleh sokongan untuk kerja-kerja mereka, dan cendekiawan-cendekiawan Islam memperkembangkan hasil-hasil mereka dalam bidang astronomi dan matematik, sementara mengembangkan bidang-bidang baru seperti alkimia (kimia). Selepas orang-orang Arab menaklukkan Parsi, banyak ahli sains muncul di kalangan orang-orang Parsi. Mereka memeliharakan fizik Yunani yang beransur-ansur hilang di Eropah pada masa itu, dan mengkaji fizik India selepas menaklukkan sebahagian negara itu. Orang-orang Parsi serta orang-orang Arab kemudian membuat banyak perbaikan terhadap konsep-konsep India dan Yunani.
Mohammad al-Fazari, seorang ahli Parsi, mereka astrolab, alat astronomi dan komputer analog yang amat penting untuk menentukan lokasi dan meramalkan kedudukan-kedudukan Matahari, Bulan, planet-planet dan bintang-bintang. Muhammad ibn Musa al-Khwarizmi memberi namanya kepada apa yang kini digelarkan algoritma, dan mengembangkan algebra moden. Nama "algebra" berasal daripada al-jabr, sepatah perkataan Arab yang diambil daripada karyanya yang berjudul Hisab al-jabr w’al-muqabala.
Alhazen Abu Ali al-Hasan ibn al-Haytham (k.k. 965-1040), seorang ahli sains Parsi, mengembangkan sebuah teori umum yang menerangkan tentang penglihatan melalui geometri dan anatomi. Beliau menyatakan bahawa setiap titik di dalam kawasan atau objek yang disinari akan memancar sinar-sinar cahaya ke semua arah, tetapi hanya satu sinar tunggal daripada setiap titik yang mengenai mata secara tegak lurus dapat dilihat. Sebaliknya, sinar-sinar yang lain yang mengenai mata pada sudut yang lain tidak dapat dilihat. Alhazen mempergunakan kamera lubang jarum yang menghasilkan imej songsang untuk mendukung aliran hujahnya. Penemuannya bercanggah dengan teori penglihatan Ptolemy yang mengatakan bahawa objek-objek dapat dilihat melalui sinar-sinar yang datang daripada mata. Alhazen mempercayai bahawa sinar-sinar cahaya adalah arus-arus zarah halus yang bergerak pada kelajuan terhingga. Beliau memperbaik teori pembiasan cahaya Ptolemy, dan kemudiannya menemui hukum-hukum pembiasan.
Alhazen juga menjalankan uji-uji kaji terhadap penyebaran cahaya menjadi warna-warna juzuk. Karya utamanya, Kitab-at-Manazir, telah diterjemah ke dalam bahasa Latin pada Zaman Pertengahan, termasuk bukunya yang membincangkan warna-warna matahari terbenam. Beliau membincangkan dengan panjang lebar mengenai teori pelbagai fenomena fizik seperti bayang-bayang, gerhana, dan pelangi. Beliau juga mencuba menerangkan penglihatan binokular, dan memberikan penerangan yang tepat terhadap pertambahan saiz matahari dan bulan yang ketara ketika berhampiran dengan ufuk. Melalui penyelidikan-penyelidikan optiknya yang luas, Alhazen kini telah dianggap sebagai bapa optik moden.
Al-Haytham juga memperdebatkan dengan tepat bahawa manusia boleh nampak objek-objek hanya kerana sinar-sinar cahaya matahari telah dimantulkan oleh objek-objek itu ke dalam mata. Beliau juga mempercayai bahawa arus-arus zarah halus bergerak pada garis yang lurus, dan memahami bahawa cahaya harus bergerak dengan kelajuan yang amat tinggi tetapi terhingga. Al-Haytham juga memahami bahawa pembiasan adalah disebabkan oleh halaju cahaya yang berbeza di dalam bahan-bahan yang berbeza. Beliau juga mengkaji cermin-cermin sfera dan parabola, dan memahami bagaimana pembiasan kanta membenarkan imej-imej difokuskan serta dibesarkan. Al-Haytham juga berupaya mempergunakan matematik untuk menerangkan mengapa sebuah cermin sfera akan mewujudkan aberasi.
Perkembangan-perkembangan lain yang mustahak dalam sains Islam termasuk perkembangan sains penyedutan yang ketat, isnad atau "sokongan", serta perkembangan ijtihad, iaitu kaedah penyelidikan yang saintifik untuk membuktikan tuntutan-tuntutan yang salah dan yang juga boleh dipergunakan secara am untuk banyak jenis soalan. Kemajuan yang ketara dalam bidang perkaedahan telah dicapai, khususnya dengan menggunakan uji-uji kajian untuk membezakan antara teori-teori saintifik yang bersaingan dalam sebuah orientasi empirik yang umum.

Sumbangan Eropah Zaman Pertengahan

Pada abad ke-12, kelahiran universiti zaman pertengahan dan penemuan semula karya-karya para ahli falsafah melalui hubungan dengan orang-orang Arab semasa proses Reconquista dan Perang-perang Salib, memulakan penggiatan semula intelek Eropah.
Menjelang abad ke-13, pelopor-pelopor kaedah saintifik moden boleh dilihat daripada penekanan Robert Grosseteste terhadap matematik sebagai suatu cara untuk memahami alam semula jadi dan pendekatan empirisisme yang dikagumi oleh Roger Bacon.
Bacon menjalankan uji-uji kaji tentang optik, walaupun kebanyakannya serupa sahaja dengan apa-apa yang telah dijalankan dan sedang dijalankan oleh cendekiawan-cendekiawan Arab ketika itu. Bagaimanapun, beliau juga membuat suatu sumbangan yang utama kepada perkembangan sains di Eropah zaman pertengahan ketika beliau menulis kepada Paus untuk menggalakkan kajian sains semula jadi dalam kursus-kursus universiti dan menyusun banyak jilid yang mencatatkan keadaan pengetahuan saintifik tentang banyak bidang pada masa itu. Beliau memerihalkan penciptaan sebuah teleskop, tetapi tidak terdapat sebarang bukti yang kukuh bahawa beliau benar-benar membinanya. Bacon mencatatkan dengan terperinci cara uji-uji kajinya dilakukan supaya orang-orang yang lain dapat menjalankannya semula dan menguji keputusan-keputusannya secara berasingan — asas kaedah saintifik serta penerusan kerja penyelidik-penyelidik yang serupa, seperti Al Battani.
Pada abad ke-14, sesetengah cendekiawan seperti Jean Buridan dan Nicolas Oresme bermula untuk menyoal kebijaksanaan mekanik Aristotle. Khususnya, Buridan mengembangkan teori dorongan yang merupakan langkah pertama menujui konsep inersia yang moden. Sebaliknya, Oresme menunjukkan bahawa alasan-alasan yang dicadangkan oleh fizik Aristotle tentang gerakan Bumi tidak sah, dan mengemukakan alasan-alasan teori yang mengatakan bahawa Bumilah yang bergerak, dan bukannya langit. Dalam seluruh perdebatannya yang menyokong gerakan bumi, huraian Oresme adalah lebih jelas dan eksplisit, berbanding dengan Copernicus dua abad kemudian. Beliau juga merupakan orang pertama yang menganggap bahawa warna dan cahaya mempunyai sifat yang sama dan menemui kelengkungan cahaya yang disebabkan oleh pembiasan atmosfera — walaupun sehingga hari ini, penghargaan untuk kelengkungan cahaya tersebut diberikan kepada Hooke.
Pada abad ke-14, Eropah dilanda oleh Kematian Hitam yang mengakibatkan banyak pergolakan sosial. Walaupun pemberhentian sekejap ini, abad ke-15 memperlihatkan suatu perkembangan maju Zaman Pembaharuan Eropah yang berseni. Penemuan semula teks-teks kuno bertambah baik ketika banyak cendekiawan Rom Timur terpaksa melindungi diri di Barat selepas kejatuhan Constantinople pada tahun 1453. Pada waktu yang sama, perekaan pencetakan mendemokrasikan pembelajaran dan membenarkan penyebaran gagasan-gagasan baru dengan lebih cepat. Kesemua itu membuka jalan kepada Revolusi Saintifik yang juga boleh difahami sebagai suatu permulaan semula proses perubahan saintifik yang telah diberhentikan pada sekitar pertengahan abad ke-14.

Fizik moden

Revolusi saintifik yang bermula sejak dari akhir abad ke-16 lagi boleh dianggap sebagai suatu pemekaran Zaman Pembaharuan Eropah serta pintu gerbang peradaban moden. Ini disebabkan sebahagiannya oleh penemuan semula unsur-unsur kebudayaan Yunani, India, Cina, dan Islam yang dikekalkan dan dikembangkan lagi oleh dunia Islam dari abad ke-8 hingga abad ke-15. Karya-karya Islam itu kemudian diterjemahkan oleh paderi-paderi Kristian ke dalam bahasa Latin, umpamanya karya Almages.
Fizik moden yang bermula dengan hanya beberapa orang penyelidik kemudian berkembang menjadi suatu usaha yang masih diteruskan pada hari ini. Bermula dengan bidang astronomi, prinsip-prinsip falsafah semula jadi memperjelas hukum-hukum fizik yang asas yang dijelaskan dan diperbaik lagi pada abad-abad yang berikut. Menjelang abad ke-19, sains telah dibahagikan kepada banyak bidang dengan penyelidik-penyelidik yang khusus dan bidang fizik, walaupun cemerlang secara logik, tidak lagi dapat menuntut pemilikan tunggal ke atas seluruh bidang penyelidikan saintifik.