היסטוריה של הפיזיקה

היסטוריה של הפיזיקה היא פירוט התהליכים והאירועים שבהם הועלו השאלות בתחומי הפיזיקה – חקר הטבע, ובמיוחד חקר תופעות הטבע המדידות, כגון תנועתם של כוכבים, דינמיקה של גופים על פני כדור הארץ, תנועת נוזלים, חום, אור וכיוצא באלה; כיצד התפתחו הכלים להתמודדות עם השאלות הללו – הכלים המחשבתיים והכלים הניסיוניים-טכנולוגיים, וכיצד התפתחו התורות הנותנות מענה לשאלות הללו, תורות המרכיבות את הפיזיקה המוכרת לנו כיום, וכן התורות אשר התגלו כבלתי נכונות ונחשבות היום כמיושנות. ערך מורחב – היסטוריה של הפיזיקה עד המאה ה-20 את הפיזיקה נהוג לחלק לפיזיקה קלאסית הכוללת את המכניקה הניוטונית, משוואות מקסוול והתרמודינמיקה, וזאת פותחה ברובה לפני 1900. בערך המורחב ניתן למצוא את ניצני הפיזיקה, ובעיקר האסטרונומיה שבימי קדם, את המהפכה המדעית (המאה ה-12 בארצות ערב והמאה ה-16 באירופה) ואת המשך התפתחות הפיזיקה עד לסוף המאה ה-19. ערך מורחב – התפתחות הפיזיקה במאה ה-20 בתחילת המאה ה-20 קרו שלוש מהפכות אשר שינו את פניה של הפיזיקה: הולדת תורת היחסות של איינשטיין, הולדת תורת הקוונטים וכן גילויה של הפיזיקה הגרעינית שהובילה מאוחר יותר לפיזיקה של חלקיקים ושל אנרגיות גבוהות. גילויים אלו הביאו לכך שהפיזיקה שנוצרה החל מהמאה ה-20 נחשבת לפיזיקה מודרנית, ועל התפתחותה ניתן לקרוא בערך המורחב. בסוף המאה ה-19 ידעה המכניקה הקלאסית של עולם הפיזיקה להתמודד עם בעיות מורכבות הקשורות למצבים מאקרוסקופיים; תרמודינמיקה ותאוריה קינטית היו מבוססות היטב, ניתן היה להבין אופטיקה גאומטרית ואופטיקה פיזית במונחים של גלים אלקטרומגנטיים, וחוקי שימור האנרגיה, המומנטום והמסה היו מקובלים בהרחבה אף הם. ההתפתחויות אלו היו עמוקות כל כך, עד כי מקובל היה לחשוב שכל החוקים החשובים בפיזיקה כבר התגלו, וכי מעתה המחקר יטפל בפתרון בעיות קטנות ונישתיות, ובמיוחד בשיפור השיטה והמדידה. עם זאת, בסביבות שנת 1900 התעוררו ספקות כבדים על שלמותן של התאוריות הקלאסיות - ניצחון המשוואות של מקסוול, למשל, התערער בזכות אי-דיוקים שהחלו להופיע - וחוסר יכולתם להסביר תופעות פיזיקליות מסוימות, כגון התפלגות קרינת גוף שחור והאפקט הפוטואלקטרי (שכעשרים שנה לאחר מכן זכה אלברט איינשטיין בפרס נובל על תרומתו בתחום), בעוד שכמה מהניסוחים התאורטיים הובילו לפרדוקסים. פיזיקאים בולטים כמו הנדריק לורנץ, אמיל כהן, ארנסט וויכרט ווילהלם ויין האמינו כי שינוי כלשהו במשוואות מקסוול עשוי לספק את הבסיס לכל החוקים הפיזיים. חסרונות אלה של הפיזיקה הקלאסית מעולם לא נפתרו, ונדרשו רעיונות חדשים כדי להביא לפתרונם. בתחילת המאה העשרים מהפכה גדולה זעזעה את עולם הפיזיקה, שהובילה לעידן חדש, הקרוי פיזיקה מודרנית. ערך מורחב – היסטוריה של מכניקת הקוונטים מקובל לציין את תחילתה של התאוריה הקוונטית בשני מאמרים, האחד של מקס פלאנק מ-1900 והשני של אלברט איינשטיין מ-1905, בהן הופיעה לראשונה ההשערה שהאנרגיה איננה גודל רציף, אלא משתנה בקפיצות לא רציפות, ומורכבת ממנות (קוונטות) בדידות. פלאנק ואיינשטיין הראו כיצד השערה זו מסבירה תופעות ידועות הקשורות בקרינת גוף שחור והאפקט הפוטואלקטרי. רעיון זה התפשט בהדרגה והוחל גם על תחומים אחרים. עד שנת 1925 התפרסמו כמה תאוריות המבוססות על קוונטיזציה בתחומים שונים הקשורים לתרמודינמיקה, קרינה אלקטרומגנטית, קיבול חום סגולי ומבנה האטום. תאוריות אלו נודעו לאחר מכן באופן קולקטיווי כ"תיאורית הקוונטים הישנה", והתאפיינו בערבוביה בין העקרונות הקוונטים החדשים והעקרונות הישנים מהפיזיקה הקלאסית, וזכו להצלחות לצד קשיים מרובים. הבעיות האמפיריות והתאורטיות חידדו את הצורך ביצירתה של תאוריה קוונטית חדשה, שתחליף כליל את הפיזיקה הקלאסית. המונח מכניקת הקוונטים נטבע על ידי מקס בורן ב-1924, והבסיס המתמטי שלה הונח בשנים 1925–1926 במספר צורות שהתגלו כשקולות, על ידי בורן ואחרים. התאוריה התגלתה כמהפכנית לא רק בקוונטיזציה ממנה צמחה, אלא בגם בהחלפתם של הדימויים הוויזואליים האינטואיטיביים של הפיזיקה הקלאסית במושגים מתמטיים מופשטים, ובהצבת מגבלות על יכולתנו לצפות בעולם ולבצע תחזיות. המשמעויות והפרשנויות למכניקת הקוונטים עוררו ויכוחים בקהילה המדעית מיד עם פרסומה, והם נמשכים בחלקם עד ימינו. כמה עמדות ואמירות מדיון זה הפכו מפורסמות בתרבות הפופולרית, כגון האמרה המבוססת על ציטוט של איינשטיין "אלוהים לא משחק בקוביות", והניסוי המחשבתי החתול של שרדינגר. מתקופת המהפכה המדעית התקיימו מספר תהליכים ארוכי טווח בחקר הפיזיקה. תהליך אחד מיזוג של כמה תחומים נפרדים למספר מצומצם של תאוריות. דברים שנראו בתחילה כתופעות נפרדות התבררו בהמשך כהיבטים שונים של אותו דבר. עבודתו של ניוטון על ספרו "פרינקיפיה" סיפקה את ההוכחה האמפירית הראשונה עבור האיחוד של כוחות שונים לכאורה: עבודותיו של גלילאו על משיכה ארצית, חוקי קפלר לתנועת כוכבי־הלכת, וההסבר עבור גאות ושפל, הוסברו כולן בצורה כמותית בידי חוק אחד ויחיד - חוק הכבידה האוניברסלי. כן התברר כי הקול והתנועה נחשבו בתחילה דברים שונים, עד שהתברר שקול הוא תנועה של אוויר. בהמשך התברר שגם חום ניתן להסביר מתוך חוקי התנועה עם התפתחות התרמודינמיקה. ב־1820 גילה הנס כריסטיאן ארסטד קשר מסוים בין חשמל למגנטיות שנחשבו עד אז לתופעות נפרדו. בכך החל עשורים שלמים של עבודה בשנת 1873 מיזג ג'יימס קלרק מקסוול את תיאור התופעות בתחום החשמל והמגנטיות יחד עם תיאור האור והאופטיקה, על פי הנחה כי אור הוא גלים אלקטרו-מגנטיים. בזמן זה היו בפיזיקה חוקי תנועה, חוקי כבידה, וחוקי אלקטרומגנטיות. בעבר הוגדרו ארבעה כוחות יסוד בפיזיקה - כוח הכבידה, הכוח האלקטרומגנטי, הכוח הגרעיני החזק, והכוח הגרעיני החלש. אך קיימת מגמה לנסות לאחד כוחות אלה. עד עתה, הפיזיקאים הצליחו לאחד את הכוח האלקטרומגנטי ואת הכוח הגרעיני החלש לכוח יחיד, הכוח האלקטרו-חלש. עיקר העבודה כעת הוא באיחוד הכוח האלקטרו-חלש עם הכרומודינמיקה הקוונטית, התורה המתארת את פעולתו של הכוח הגרעיני החזק. כוח מאוחד זה מכונה לעיתים "הכוח האלקטרו-חזק" או "הכוח האלקטרו-גרעיני". בנוסף, יש הסבורים כי ניתן יהיה לאחד גם את הכוח היסודי הרביעי - כוח הכבידה - במסגרת התאוריה של הכול. תהליך נוסף שהתקיים הוא היות הפיזיקה בסיס תאורטי לחקר של תחומי מדע אחרים. שיטות מחקר, כלים מתמטיים וכן גילויים בפיזיקה עצמה (כמו אופטיקה) שימש בהמשך תחומי מחקר אחרים כמו כימיה או ביולוגיה. במהלך המאה ה־19 ובתחילת המאה ה־20, ניכר בהדרגה כי תופעות שכיחות של כוחות - כוחות מגע, אלסטיות, צמיגות, חיכוך, לחץ - נבעו למעשה מפעולות גומלין חשמליות בין החלקיקים הקטנים ביותר של החומר. בשנות ה־20 המאוחרות של המאה ה־20, מכניקת הקוונטים החדישה הראתה כי קשרים כימיים בין אטומים הם דוגמאות לכוחות חשמליים (לפי קוואנטים). מכן כי באופן תאורטי לפחות ניתן להסביר את הכימיה באמצעות הפיזיקה, אם כי בפועל קיום של תהליכים רבים במקביל וקושי חישובי הופכים את הכימיה לתחום מחקר נפרד. תהליך אחר שמתקיים הוא הפרדות הקשר בין "השכל הישר" לבין הפיזיקה. כבר בתקופתו של קופרניקוס וניוטון הגיעו המדענים למסקנה שהיא כיום ידועה לכל, אבל נתפסה בעבר כבלתי הגיונית. אף על פי שנראה לנו שהשמש והכוכבים סובבים את כדור הארץ, מתברר שכדור הארץ סובב על צירו ומקיף את השמש - המודל ההליוצנטרי. המודל ההליוצנטרי הביא להכרה שהחושים אינם מייצגים נאמנה את המציאות. עם הזמן הפכו התיאורים הפיזיקליים לדברים שסותרים עוד ועוד את האינטואיציות והתפיסות היומיומיות שלנו. תורת היחסות הפרטית של איינשטיין הובילה לתוצאות מפתיעות שונות, אחת מהן היא שאין זמן ומרחב מוחלטים – ככל שמערכת ייחוס נעה במהירות גבוהה יותר (עם מהירות האור כחסם עליון), ממד האורך של המערכת בכיוון התנועה מתכווץ ביחס לצופה נייח, והזמן המקומי שלה מתקדם לאט יותר מנקודת מבטו של אותו צופה. בשנת 1915 הרחיב אלברט איינשטיין את תורת היחסות על מנת להתמודד עם מושג התאוצה, ובכך יצר את תורת היחסות הכללית, אשר אחד ההישגים החשובים שלה הוא הסבר של כח הכבידה מתוך התעקמות של המרחב-זמן. תורת היחסות הפרטית והכללית נענו בתגובות מעורבות של הקהילה המדעית לאחר פרסומם. בעוד מדענים חשובים כמו מקס פלאנק קיבלו את התורה בהתלהבות, רבים בקהילה הפיזיקלית שללו אותה מכל וכל. כמו כן במהלך המאה ה-19 ותחילת המאה ה-20 התברר כי האור ודברים כמו אלקטרונים מגלים התנהגות שמתאימה הן לגל והן לחלקיק, תופעה המכונה דואליות גל-חלקיק. מכניקת הקוונטים הביאה מספר רב של התנהגויות "אבסורדיות" לדוגמה היא אינה מאפשרת לחזות תוצאות של מדידה במדויק, אלא רק באופן הסתברותי. עקרון האי-ודאות טוען כי זוגות מסוימים של תכונות הם כאלה שלא ניתן לדעת במדויק את שתיהן בו זמנית. לדוגמה אם ניתן לדעת מיקום של חלקיק באופן מדויק בהכרח המידע לגבי התנע שלו יהיה בלתי מדויק. ריצ'רד פיינמן העיר כי אנשים רבים המקשיבים לפיזיקאי יתקשו להאמין כי הטבע מתנהג כפי שהוא מתנהג. שכן הדברים לא נראים הגיוניים. פיזיקאים למדו להתמודד עם בעיה זו - אין זה חשוב אם הם אוהבים תאוריה מסוימת או אם היא קלה להבנה או מסתדרת עם "השכל הישר" - אלא אם היא מצליחה לחזות מראש תוצאות של ניסויים. תאוריות כמו אלקטרודינמיקה קוונטית נראות כמו אבסורד מוחלט למוח הישר. אבל היא מתאימה במלואה לניסיון. פיינמן טוען כי הטבע הוא מוזר ואבסורדי - וכי ניתן להתענג על כך. תהליך נוסף שהתקיים הוא התחזקות השימוש בכלים מתמטיים מתקדמים וצורך גובר בכוח חישוב חזק. כדי לתאר את המכניקה הניוטונית, היה על ניוטון לפתח את התחום של חשבון אינפיניטסימלי. עם הזמן חלק גדל והולך בהכשרת פיזיקאים נדרש לפיתוח כלים מתמטיים כדי שיוכלו לבצע חישובים רבים ומסובכים במגוון כוחות הפועלים. כדי לתת תוצאות כמותיות של מכניקת הקוונטים נדרשו כלים מתמטיים נוספים כדי להתמודד עם כמות הולכת וגדלה של אפשרויות. ככל שמתרבים הכוחות והאינטראקציות בין חלקיקים שונים נדרשים הפיזיקאים למחשבים רבי עוצמה. תהליך נוסף שמתקיים הוא התפתחות הטכנולוגיה של הניסויים בפיזיקה. הפיזיקה אפשרה את התפתחות ההנדסה ושני התחומים יחד תרמו למכשירי מדידה מדויקים ומשוכללים יותר כמו טלסקופים משוכללים יותר המאפשרים בחינה מדויקת יותר של כוכבי לכת ושל תופעות אסטרונומיות שונות, מחקרי באמצעות גלאי-אלקטרונים או קרני-X, ומכשירים כמו מאיצי חלקיקים. תופעה נוספת היא צורך במכשור יקר ומסובך יותר לדוגמה בגלל מחקרים על חלקיקים באנרגיות גבוהות ובתנאים קיצוניים שונים. היסטוריה של שיטות המדידה היסטוריה של המתמטיקה המהפכה הקופרניקאית היסטוריה של האסטרונומיה היסטוריה של התרמודינמיקה היסטוריה של הכימיה שמואל סמבורסקי, המחשבה הפיזיקאלית בהתהוותה: מן הפילוסופיה הקדם סוקראטית עד הפיזיקה של הקוואנטים, מוסד ביאליק, 1987, באתר המרכז לטכנולוגיה חינוכית מדיה וקבצים בנושא היסטוריה של הפיזיקה בוויקישיתוף יואב בן-דב, מבוא לפיזיקה: היסטוריה, תאוריות ומושגים מאמרים נבחרים על ניוטון ומחשבתו המדעית, פרויקט ניוטון עבודות בפיזקה של המאה העשרים, פול האס Jon Agar, Science in the Twentieth Century and Beyond, Cambridge: Polity Press, 2012