Πειραματική φυσική

Πειραματική φυσική είναι το μέρος της φυσικής που περιλαμβάνει την επιστημονική παρατήρηση και καταγραφή των φυσικών φαινομένων και τη διενέργεια πειραμάτων. Δεν αποτελεί κλάδο της φυσικής, αλλά απλώνεται σε όλους τους κλάδους της. Οι τεχνικές της ποικίλλουν και τα πειράματα μπορεί να είναι από πολύ απλά, όπως εκείνα στα οποία πρωτοπόρησε ο Γαλιλαίος, μέχρι εξαιρετικά πολύπλοκα, όπως αυτά που διεξάγονται στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων.

Χαρακτήρας
Οι πειραματικοί φυσικοί ασχολούνται με την απόκτηση δεδομένων, τις μεθόδους με τις οποίες αυτά παράγονται, καθώς και με τη λεπτομερή σύλληψη ([πέρα από τα απλά νοητικά πειράματα), την οργάνωση και τη διεξαγωγή εργαστηριακών πειραμάτων. Συχνά αντιπαραβάλλονται ως αντιθετικό ζεύγος με τους θεωρητικούς φυσικούς, οι οποίοι ασχολούνται με την πρόβλεψη και την ερμηνεία της συμπεριφοράς της φύσεως, και όχι με την απόκτηση εμπειρικών δεδομένων. Παρά το ότι η πειραματική και η θεωρητική φυσική απασχολούνται με διαφορετικές πλευρές της έρευνας για τη φύση, μοιράζονται τον ίδιο στόχο της κατανοήσεως και έχουν μια συμβιωτική σχέση μεταξύ τους. Η πειραματική φυσική παρέχει δεδομένα σχετικά με τον φυσικό κόσμο, τα οποία μπορούν να αναλυθούν προκειμένου να κατανοηθούν, ενώ η θεωρητική παρέχει ερμηνείες για τα δεδομένα αυτά και έτσι προσφέρει ιδέες για την καλύτερη απόκτηση των πιο χρήσιμων δεδομένων και την καλύτερη διάταξη των πειραμάτων.

Η αντιπαράθεση ανάμεσα στην πειραματική και τη θεωρητική πλευρά της φυσικής εκφράσθηκε από τον Τζέιμς Κλερκ Μάξγουελ ως εξής: «Μόνο αφού επιχειρήσουμε να φέρουμε το θεωρητικό μέρος της εκπαιδεύσεώς μας σε επαφή με το πρακτικό αρχίζουμε να έχουμε μια εμπειρία των συνεπειών αυτού που ο Φάραντεϊ έχει αποκαλέσει «νοητική αδράνεια»: όχι μόνο τη δυσκολία τού να αναγνωρίσουμε, ανάμεσα στα υλικά αντικείμενα μπροστά μας, την αφηρημένη σχέση την οποία έχουμε μάθει από βιβλία, αλλά και την αποσπώσα την προσοχή προσπάθεια να μεταθέσουμε τον νου από τα σύμβολα στα αντικείμενα, και μετά από τα αντικείμενα πίσω στα σύμβολα. Αυτό ωστόσο είναι το αντίτιμο που πρέπει να πληρώνουμε για νέες ιδέες.»
James Clerk Maxwell: «Introductory Lecture on Experimental Physics», The Scientific Papers of James Clerk Maxwell, 1890, τόμος 2

Ιστορία
Η πειραματική φυσική ως ξεχωριστό μέρος της φυσικής θεμελιώθηκε κατά την περίοδο από την Αναγέννηση και μετά στην Ευρώπη, στη λεγόμενη Επιστημονική επανάσταση, από φυσικούς όπως ήταν ο Γαλιλαίος, ο Κρίστιαν Χόυχενς, ο Γιοχάνες Κέπλερ, ο Πασκάλ και ο Νεύτων. Στις αρχές του 17ου αιώνα ο Γαλιλαίος έκανε εκτεταμένη χρήση του πειραματισμού προκειμένου να επικυρώσει φυσικές θεωρίες, γεγονός που αποτελεί την κεντρική ιδέα της σύγχρονης επιστημονικής μεθόδου. Ο Γαλιλαίος έλεγξε με επιτυχία αρκετές θεωρίες στη δυναμική, όπως τον νόμο της αδρανείας, που αργότερα θα διατυπωνόταν ως ο «πρώτος νόμος του Νεύτωνα». Στο βιβλίο του Γαλιλαίου Διάλογος για δύο νέες επιστήμες, τα πρόσωπα του διαλόγου Σιμπλίκιος και Σαλβιάτι συζητούν για την κίνηση ενός πλοίου (ως κινούμενου πλαισίου αναφοράς) και για την πλήρη «αδιαφορία» του φορτίου του πλοίου για την κίνησή του πλοίου. Ο Χόυχενς παρετήρησε την κίνηση μιας βάρκας σε ένα κανάλι και από αυτή την παρατήρηση διετύπωσε μια πρώιμη μορφή της διατηρήσεως της ορμής.The Beginnings of Modern Science, επιμ. Rene Taton, Basic Books, 1958, 1964. Ακόμα και ο Νεύτων στο κατεξοχήν θεωρητικό έργο του Philosophiae Naturalis Principia Mathematica διετύπωσε τους θεμελιώδεις νόμους του μετά τη διαπίστωση ότι συμφωνούν με το πείραμα και την παρατήρηση.

Το 1798 ο Μπέντζαμιν Τόμσον (γνωστός και ως Κόμης Ράμφορντ) απέδειξε πειραματικώς τη μετατροπή του μηχανικού έργου σε θερμότητα, ενώ το 1847 ο Τζέιμς Πρέσκοτ Τζάουλ διετύπωσε τον νόμο της διατηρήσεως της ενέργειας, με τη μορφή της θερμότητας και της μηχανικής ενέργειας, βασιζόμενος και πάλι στο πείραμα.

Πέρα από την κλασική μηχανική και τη θερμοδυναμική, ένα άλλο μεγάλο αντικείμενο πειραματικών αναζητήσεων ήταν η φύση του ηλεκτρισμού. Παρατηρήσεις που είχαν γίνει τον 17ο και τον 18ο αιώνα από επιστήμονες όπως οι Μπόυλ, Στήβεν Γκρέυ και Βενιαμίν Φραγκλίνος έθεσαν ένα θεμέλιο για περαιτέρω έρευνες. Οι παρατηρήσεις αυτές οδήγησαν επίσης στη βασική κατανόηση του ηλεκτρικού φορτίου και του ηλεκτρικού ρεύματος.

Ο πρώτος που πρότεινε μια συσχέτιση του ηλεκτρισμού με τον μαγνητισμό ήταν ο Χανς Κρίστιαν Έρστεντ όταν παρετήρησε την απόκλιση μιας βελόνας πυξίδας από ένα γειτονικό ηλεκτρικό ρεύμα. Στις αρχές της δεκαετίας του 1830 ο Μάικλ Φάραντεϊ είχε αποδείξει ότι το μαγνητικό πεδίο και το ηλεκτρικό ρεύμα μπορούσαν να γεννήσουν το ένα το άλλο. Το 1864 ο Τζέιμς Κλερκ Μάξγουελ παρουσίασε στη Βασιλική Εταιρεία ένα σύνολο εξισώσεων που περιέγραφαν ποσοτικά αυτή τη σχέση ηλεκτρισμού και μαγνητισμού, με την πρόβλεψη ότι το φως είναι ηλεκτρομαγνητικό κύμα. Αρχίζοντας με την αστρονομία, οι αρχές της φυσικής φιλοσοφίας αποκρυσταλλώθηκαν έτσι δια του πειράματος και της παρατηρήσεως σε θεμελιώδεις φυσικούς νόμους, που διατυπώθηκαν επισήμως και βελτιώθηκαν κατά τους επόμενους αιώνες.

Σήμερα η έρευνα στην πειραματική φυσική έχει αλλάξει τελείως χαρακτήρα σε σχέση με τον 19ο αιώνα. Αντί για τα απλά πειράματα που ο Φάραντεϊ μπορούσε να εκτελεί μόνος του στο σπίτι του, οι πειραματικοί φυσικοί εργάζονται πλέον σχεδόν πάντοτε σε μεγάλες ομάδες και σε μεγάλες εγκαταστάσεις, συνήθως κρατικές εξαιτίας του τεράστιου κόστους κατασκευής, αλλά και λειτουργίας.

 Τρέχοντα πειράματα 
Μερικά παραδείγματα μεγάλων σύγχρονων εγκαταστάσεων πειραματικής φυσικής είναι τα εξής:

 HERA, επιταχυντής σωματιδίων που συγκρούει ηλεκτρόνια ή ποζιτρόνια με πρωτόνια. Είναι μέρος του DESY και βρίσκεται στο Αμβούργο της Γερμανίας.
 Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC). Είναι ο ισχυρότερος επιταχυντής σωματιδίων παγκοσμίως και βρίσκεται στις εγκαταστάσεις του CERN, στα σύνορα Γαλλίας-Ελβετίας κοντά στη Γενεύη. Η κατασκευή του ολοκληρώθηκε το 2008, αλλά έγινε πλήρως λειτουργικός τον Μάρτιο του 2010.
 Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων με Συμβολόμετρο Λέιζερ (LIGO), μεγάλης κλίμακας πείραμα φυσικής και παρατηρητήριο για την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων από το απώτερο διάστημα. Σήμερα έχει εγκαταστάσεις σε δύο θέσεις: κοντά στο χωριό Λίβινγκστον της Λουιζιάνας και στο Χάνφορντ, κοντά στην πόλη Ρίτσλαντ της Πολιτείας Ουάσινγκτον. Σημείωσε την πρώτη στην ιστορία ανίχνευση των κυμάτων αυτών στις 14 Σεπτεμβρίου 2015.
 Διαστημικό τηλεσκόπιο Τζέιμς Γουέμπ (JWST), που εκτοξεύθηκε το 2021. Είναι ο «διάδοχος» του Διαστημικού τηλεσκοπίου Χαμπλ και παρατηρεί στο εγγύς υπέρυθρο φως. Ως κυριότεροι στόχοι του JWST αναφέρονται η κατανόηση των αρχικών σταδίων της ιστορίας του Σύμπαντος, με τη δημιουργία των πρώτων γαλαξιών, και η παρατήρηση της γενέσεως αστέρων και πλανητών.

 Μερικά γνωστά πειράματα 
Μερικά σημαντικά πειράματα φυσικής είναι τα εξής:

 Αντιδραστήρας του Σικάγου (Chicago Pile-1)
 Πείραμα των δύο σχισμών
 Εκκρεμές του Φουκώ
 Πειράματα ελέγχου των ανισοτήτων Μπελ
 Πείραμα του Κάβεντις
 Πείραμα των Μάικελσον και Μόρλεϋ
 Προσδιορισμός της ταχύτητας του φωτός από τον Rømer
 Πειράματα του Ράδερφορντ
 Πείραμα των σταγονιδίων λαδιού
 Πείραμα Στερν-Γκέρλαχ
 Πείραμα του Φιζώ
 Πείραμα Φρανκ-Χερτς
 Πείραμα του χαρταετού
 Πείραμα του Χόουμστεϊκ
 Πείραμα νετρίνων Cowan-Reines
 Πείραμα Davisson-Germer
 Πείραμα του Eötvös
 Gravity Probe B
 Πείραμα Hafele-Keating
 Πείραμα του Torricelli
 Πείραμα Wu

 Πειραματικές τεχνικές 
Μερικές γνωστές πειραματικές τεχνικές και μέθοδοι στη φυσική είναι οι:

 Ελλειψομετρία
 Επεξεργασία σήματος
 Κλωβός Φαραντέι
 Κρυσταλλογραφία
 Μικροσκοπία σάρωσης σήραγγας
 Πυρηνικός μαγνητικός συντονισμός (NMR)
 Συμβολομετρία
 Φασματοσκοπία
 Φασματοσκοπία ακτίνων Χ
 Φασματοσκοπία Ράμαν
 Ψύξη με λέιζερ
 Ανελαστική σκέδαση νετρονίων

 Διακεκριμένοι πειραματικοί φυσικοί 
Διάσημοι πειραματικοί φυσικοί στην Ιστορία είναι μεταξύ άλλων και οι εξής (με χρονολογική σειρά):

 Αρχιμήδης (περ. 287 π.Χ. – περ. 212 π.Χ.)
 Αλχαζέν (965-1039)
 Αλ-Μπιρούνι (973-1043)
 Αλ Χαζίνι (ακμ. 1115-1130)
 Γαλιλαίος Γαλιλέι (1564-1642)
 Εβαντζελίστα Τορριτσέλλι (1608-1647)
 Ρόμπερτ Μπόιλ (1627-1691)
 Κρίστιαν Χόυχενς (1629-1695)
 Ρόμπερτ Χουκ (1635-1703)
 Ισαάκ Νεύτων (1643-1727)
 Όλε Ρέμερ (1644-1710)
 Στήβεν Γκρέυ (1666-1736)
 Βενιαμίν Φραγκλίνος (1706-1790)
 Λάουρα Μπάσσι (1711-1778)
 Χένρι Κάβεντις (1731-1810)
 Τζόζεφ Πρίστλυ (1733-1804)
 Ουίλιαμ Χέρσελ (1738-1822)
 Αλεσάντρο Βόλτα (1745-1827)
 Μπέντζαμιν Τόμσον (1753-1814)
 Τζων Ντάλτον (1766-1844)
  Τόμας Γιανγκ (1773-1829)
 Καρλ Φρίντριχ Γκάους (1777-1855)
 Χανς Κρίστιαν Έρστεντ (1777-1851)
 Χάμφρι Ντέιβι (1778-1829)
 Ωγκυστέν Φρενέλ (1788-1827)
 Μάικλ Φάραντεϊ (1791-1867)
 Τζέιμς Πρέσκοτ Τζάουλ (1818-1889)
 Γουίλιαμ Τόμσον, Λόρδος Κέλβιν (1824-1907)
 Ερνστ Μαχ (1838-1916)
 Τζον Ουίλιαμ Στρατ, βαρόνος Ρέιλη (1842-1919)
 Βίλχελμ Κόνραντ Ρέντγκεν (1845-1923)
 Καρλ Φέρντιναντ Μπράουν (1850-1918)
 Ανρί Μπεκερέλ (1852-1908)
 Άλμπερτ Αβραάμ Μάικελσον (1852-1931)
 Χάικε Κάμερλιν Όνες (1853-1926)
 Τζόζεφ Τζον Τόμσον (1856-1940)
 Χάινριχ Χερτζ (1857-1894)
 Τζάγκαντις Τσάντρα Μπόσε (1858-1937)
 Πιερ Κιουρί (1859-1906)
 Ουίλιαμ Χένρι Μπραγκ (1862-1942)
 Μαρία Κιουρί (1867-1934)
 Ρόμπερτ Άντριους Μίλικαν (1868-1953)
 Έρνεστ Ράδερφορντ (1871-1937)
 Λίζε Μάιτνερ (1878-1968)
 Μαξ φον Λάουε (1879-1960)
 Κλίντον Τζόζεφ Ντέιβισον (1881-1958)
 Χανς Γκάιγκερ (1882-1945)
 Τσαντρασεκάρα Ράμαν (1888-1970)
 Ουίλιαμ Λώρενς Μπραγκ (1890-1971)
 Τζέιμς Τσάντγουικ (1891-1974)
 Άρθουρ Χόλι Κόμπτον (1892-1962)
 Πιοτρ Καπίτσα (1894-1984)
 Τζον Ντάγκλας Κόκροφτ (1897-1967)
 Πάτρικ Μπλάκετ (1897-1974)
 Ουκιτσίρο Νακάγια (1900-1962)
 Ενρίκο Φέρμι (1901-1954)
 Έρνεστ Ορλάντο Λόρενς (1901-1958)
 Γουόλτερ Χάουζερ Μπράταιην (1902-1987)
 Πάβελ Τσερενκόφ (1904-1990)
 Αβραάμ Αλιχάνοφ (1904-1970)
 Καρλ Ντέιβιντ Άντερσον (1905-1991)
 Φέλιξ Μπλοχ (1905-1983)
 Ερνστ Ρούσκα (1906-1988)
 Τζον Μπαρντίν (1908-1991)
 Γουίλλιαμ Μπράντφορντ Σόκλεϋ (1910-1989)
 Ντόροθι Κρόουφουτ Χότζκιν (1910-1994)
 Λούις Άλβαρεζ (1911-1988)
 Σιεν-Σιούγκ Βου (1912-1997)
  Γουίλις Λαμ (1913-2008)
 Τσαρλς Χαρντ Τάουνς (1915-2015)
 Ρόζαλιντ Φράνκλιν (1920-1958)
 Όουεν Τσάμπερλεϊν (1920-2006)
 Νικολάς Μπλομπέργκεν (1920-2017)
 Βέρα Ρούμπιν (1928-2016)
 Μίλντρεντ Ντρέσσελχάους (1930-2017)
 Ράινερ Βάις (1932-2025)
 Κάρλο Ρούμπια (γενν. 1934)
 Σερζ Αρός (γενν. 1944)
 Αλαίν Ασπέ (γενν. 1947)
 Γκερτ Μπίνις (γενν. 1947)
 Λένε Χάου (γενν. 1959)

 Δείτε επίσης
 Φυσική
 Πείραμα
 Παρατήρηση
 Μέτρηση

Παραπομπές

Πειραματικη φυσικη