fysikkens historie

Spørsmålet om hva stoff er ble antagelig formet nokså sent og først i religiøs sammenheng.

Stoff som fysisk problem og forsøk på å gi dette en fysisk besvarelse opptok Thales fra Milet i Lilleasia, som levde omkring 600 fvt. Han kalles ofte naturvitenskapens far og innledet den perioden på 700–800 år som gjerne kalles oldtiden i fysikkens historie. Den første delen av denne perioden frem til Aristoteles (384–322 fvt.) var preget av spekulativ naturfilosofi. Thales mente at sammenhengen i naturen kunne forstås ut fra antagelsen om vann som urstoffet eller det siste prinsipp: Alt kommer fra vann og vender tilbake til vann.

Vel 100 år senere fremsatte Empedokles læren om de fire elementene jord, vann, luft og ild som urstoff, og om kjærlighet og hat som kreftene som virket mellom disse elementene. Aristoteles sluttet seg til denne teorien, og den ble rådende i fysikken i nesten 2000 år.

I motsetning til denne teorien stod atomteorien, som først kjennes fra Levkippos (rundt 500 fvt.) og som ble utviklet videre av hans elev Demokrit (cirka 460–370 fvt.).

Motsetningen mellom de to teoriene: materien som bestående av udelelige minstepartikler i et tomt rom eller som dannet av urstoff eller elementer som fordeler seg kontinuerlig overalt i rommet, finner man igjen mange ganger i fysikkens historie, blant annet i teorier for lys, varme og elektrisitet. Moderne feltteori og kvanteteori kan oppfattes som en syntese av de to teoriene.

Fra tiden før Aristoteles må også Pytagoras nevnes. Selv om det i første rekke er som matematiker han huskes, har hans harmonilære ikke bare preget akustikken, men den inneholder også elementer som man finner igjen i kvantefysikken.

I tiden etter Aristoteles ble naturfilosofien mer matematisk og teknisk preget. Arkimedes, som er kalt den første fysiker, formulerte omkring 250 fvt. loven for oppdrift i væsker og oppdaget vektstangprinsippet. Heron fra Alexandria (rundt 100 fvt.) gjorde en rekke oppfinnelser hvor damp eller oppvarmet luft brukes som drivstoff. Han konstruerte vannur, og han formulerte loven for lysets refleksjon på omtrent samme måte som den kjennes fra Fermats prinsipp. Æraen avsluttes med Klaudios Ptolemaios (70–147 evt.) som i et 13 bind stort verk sammenfattet datidens astronomiske viten. Han var en av de få oldtidsfysikerne som utførte eksperimenter, idet han søkte å finne lover for lysets brytning. Han bygde i denne sammenheng på Evklids geometri og gikk også, som Evklid og i motsetning til Aristoteles, ut fra at lys var stråler som ble sendt ut fra øyet.

Årene fra 150 til cirka 1000 var en død periode i fysikkens historie. Fornyelsen kom først gjennom araberne, som fra år 700 begynte å yte betydelige bidrag til matematikken og etter hvert også til naturvitenskapen. Som den betydeligste fysikeren regnes Ibn al-Haitham (965–1039). Han tilbakeviste teorien om lys som sendes ut fra øyet og hevdet at lys brukte tid for å forplante seg. Han regnes som grunnlegger av optikken.

Som den første store talsmann for den eksperimentelle metode i fysikken regnes den engelske munken Roger Bacon (1214–1292). Også han gjorde betydelige arbeider innen optikken. På grunn av sin kritiske holdning til godtatte teorier, og på grunn av sine ferdigheter i å frembringe merkelige optiske illusjoner ved hjelp av speil og linser, ble han beskyldt for kjetteri og trolldom. Han ble holdt i fangenskap i mange år og fikk liten innflytelse i samtiden.

I de neste 200–300 årene ble det gjort en rekke tekniske oppdagelser og oppfinnelser. Briller kom i bruk fra cirka år 1300. På denne tiden ble kruttet oppfunnet, og papir kom i bruk. Kjennskap til kompasset fra rundt år 1200 ledet til interesse for magnetisme. Kristoffer Columbus påviste i 1492 variasjon i den magnetiske misvisning. Georg Hartmann (1489–1564) oppdaget den magnetiske inklinasjon (1544) og William Gilbert fant loven for magnetisk tiltrekning (1600). Leonardo da Vinci (1452–1519) studerte mekanikk og optikk og er kjent som en tidlig talsmann for den eksperimentelle metode.

Galileo Galilei (1564–1642) innførte den eksperimentelle metode i fysikken, blant annet ved studiet av fallbevegelsen. Han står derfor som den egentlige grunnlegger av den nyere tids fysikk.

På Galileis tid viste det seg en stigende interesse for naturvitenskap over hele Europa. Universitetenes lærestoler i filosofi ble besatt med naturvitenskapsmenn eller det ble opprettet spesielle professorater i naturvitenskap. I flere land ble det også dannet vitenskapelige selskaper med det formål å utveksle kunnskaper og fremme vitenskapen. Med støtte av fyrsten av Toscana dannet Galileis elever i 1657 Accademia del Cimento i Firenze. The Royal Society i London ble offisielt stiftet i 1662 etter å ha eksistert mer uformelt siden 1645. I 1665 startet utgivelsen av Philosophical Transactions of the Royal Society som siden har kommet ut regelmessig og som ble et mønster for vitenskapelige tidsskrifter.

På 1600-tallet var interessen i første rekke rettet mot mekanikk og optikk. Evangelista Torricelli oppfant barometeret (1642) og påviste variasjoner i lufttrykket. Også Blaise Pascal, Otto von Guericke og Robert Boyle gjorde viktige undersøkelser av trykk i væsker og gasser. Robert Hooke huskes best for sin lov om elastisk utvidelse (1679), men er også kjent for fargestudier og for bidrag til mekanikken. Willebrord van Rojen Snell (Snellius) hadde alt i 1621 formulert loven for lysbrytning, og Christiaan Huygens fremsatte i 1678 sin teori for utbredelse av lysbølger.

Slutten av 1600-tallet er fremfor alt preget av Isaac Newton (1642–1727). Han fant i 1666 bevegelseslovene og gravitasjonsloven, og beskrev disse oppdagelsene i sitt verk Philosophiae naturalis principia mathematica fra 1687. I 1672 fremsatte han korpuskularteorien for lys.

I århundret som fulgte ble mekanikken sterkt matematisk preget. I eksperimentell fysikk begynte man å vie elektriske fenomener større oppmerksomhet. Tidlige arbeider av von Guericke og Boyle hadde ikke ført til noen forståelse av hva elektrisitet var. I 1729 påviste Stephen Gray forskjellen mellom isolatorer og ledere, og Charles du Fay fremsatte i 1734 hypotesen om to slags elektrisitet, mens Benjamin Franklin antok at det bare var en slags elektrisitet som det enten var overskudd eller mangel på. Han innførte i den forbindelse betegnelsene positiv og negativ elektrisitet (1747). Ved slutten av 1700-tallet fant Charles Augustin de Coulomb loven for elektriske og magnetiske krefter og Luigi Galvani og Alessandro Volta oppdaget elektrisk strøm og oppfant det elektriske (galvaniske) element.

På begynnelsen av 1800-tallet påviste Thomas Young lysets interferens og forklarte dette ut fra bølgeteorien, noe som ledet til fornyet interesse for optikken. Lyshastigheten, som tidligere var bestemt astronomisk (Ole Rømer i 1676; James Bradley i 1728) kunne nå bestemmes ved interferensmålinger i laboratoriet (Hippolyte L. Fizeau, 1849). Av fundamental betydning var Albert Michelsons påvisning i 1881 av at lyshastigheten i forhold til Jorden var uavhengig av Jordens bevegelsestilstand.

Louis J. M. Daguerre oppfant fotografiet i 1839, og Gustav R. Kirchhoff og Robert Wilhelm Bunsen grunnla spektralanalysen i 1859. I 1885 fant Johann J. Balmer formelen for hydrogenatomets spektrallinjer og la dermed grunnlaget for spektralanalysens anvendelse i atomfysikken.

Elektrisitet og magnetisme var viktige forskningsområder gjennom hele 1800-tallet. I 1819 oppdaget Hans Christian Ørsted den elektriske strøms magnetiske virkninger og la grunnlaget for elektromagnetisme og elektrodynamikk. Arbeider av Thomas Johann Seebeck (termoelektrisitet), André Marie Ampère (induksjonsloven) og fremfor alt de eksperimentelle arbeidene til Michael Faraday fulgte. James Clerk Maxwell sammenfattet kunnskapene om elektromagnetiske fenomener i det som nå kalles Maxwells teori for elektromagnetisme (1863–1867) der kronen på verket er Maxwells ligninger.

Også termodynamikken ble i hovedsak utformet på 1800-tallet. Oppfinnelsen av dampmaskinen (Denis Papin i 1690; Thomas Newcomen i 1711; James Watt i 1769) var i prinsippet en videreføring av Herons arbeider. Som i oldtiden regnet man fremdeles med varme som et eget stoff. Også Nicolas L. S. Carnot bygde i sine grunnleggende arbeider i termodynamikk (1824) på denne antagelsen, men kom senere til at varme måtte være knyttet til bevegelse i stoffet. Varmens evne til å utføre arbeid og sammenhengen mellom varme og energi ble klargjort ved målingene til James P. Joule, L. Volding og Julius R. von Mayer i 1840-årene.

Atomhypotesen som John Dalton fremsatte 1805, vakte til å begynne med størst interesse blant kjemikere, men fikk fra omkring 1850 også betydning for den videre utviklingen av termodynamikken. Arbeider av Rudolph J. E. Clausius (termodynamikkens andre hovedsetning, 1850, entropi, 1862), James Clerk Maxwell (kinetisk gassteori, 1860) og Ludwig Boltzmann (sammenhengen mellom entropi og tilstandssannsynlighet, 1872) med flere viste at termodynamikk fundamentalt sett var statistisk mekanikk, hvor mekanikkens lover ble anvendt på store mengder atomer eller molekyler.

I løpet av 1800-tallet var den klassiske fysikken brakt til en harmonisk avslutning på alle felter. Newtons mekanikk, Maxwells elektrodynamikk og Boltzmanns termodynamikk var i prinsippet fullstendige og avsluttede teorier. I lys av disse teoriene var Daltons atomteori blitt bekreftet. Lys var elektriske bølger beskrevet ved Maxwells teori.

Mulighetene for tekniske fremskritt var store. Blant annet hadde Maxwells teori ført til forutsigelse av radiobølger, og Gustav Hertz hadde i 1887 påvist at det var mulig å overføre signaler ved hjelp av slike bølger.

Omkring 1900 ble det klart at grunnforskningen i fysikk likevel ikke var avsluttet. Oppdagelsen av elektronet (Joseph John Thomson, 1896), av radioaktivitet (Henri Becquerel, 1896), og grunnstoffomdanning (Ernest Rutherford, 1903) viste at atomet ikke var udelelig. I 1900 viste Max Planck at loven for utstråling fra svarte legemer kunne forklares hvis man antok at elektromagnetisk stråling var kvantisert, og i 1905 forklarte Albert Einstein den fotoelektriske effekt ved å innføre lyskvant. Samme år utformet han den spesielle relativitetsteorien, som brøt radikalt med Newtons forestillinger om tid og rom som absolutte begreper, men som viste seg å være i samsvar med Maxwells teori for elektromagnetisme.

I 1915 fullførte Albert Einstein den generelle relativitetsteorien. Dette er en teori for tid, rom og gravitasjon. Ifølge denne teorien er det vi oppfatter som gravitasjon, en virkning av det fire-dimensjonale tidsrommets krumning. Moderne kosmologi, beskrivelse av universet i stor skala, er basert på denne teorien.

I 1913 fremsatte Niels Bohr sin atomteori, som både forklarte Balmers formel for hydrogenatomets spektrallinjer og var i samsvar med Ernest Rutherfords påvisning av atomkjernen (1911). Ifølge Bohrs atomteori beveget elektronene i atomene seg i strid med den klassiske fysikkens lover, men teorien bygde for øvrig i stor utstrekning på klassiske forestillinger, for eksempel at elektronene beveger seg rundt atomkjernene langs bestemte partikkelbaner.

Et helt nytt syn på materien brøt frem ved Louis de Broglies hypotese om materiebølger fra 1924. Året etter utformet Werner Heisenberg matrisemekanikken, som sammen med Erwin Schrödingers bølgemekanikk og Enrico Fermis kvantestatistikk, begge fra 1926, kom til å danne det viktigste teoretiske grunnlaget for kvantemekanikken. Dermed var det også lagt et nytt grunnlag for den fysiske beskrivelse og oppfatning av materien. I den nye beskrivelsen inngikk Schrödingers bølgefunksjon, som ifølge Max Born skulle tolkes som en sannsynlighetsamplitude, og Werner Heisenbergs usikkerhetsrelasjon som fundamentale begreper. Innen filosofien førte de nye begrepene til en revurdering av kausalitetsprinsippet samtidig som relativitetsteorien førte til en revurdering av det klassiske rom- og tidsbegrep.

I 1930 konstruerte Paul A. M. Dirac en kvantemekanikk som er i overensstemmelse med den spesielle relativitetsteorien. Denne beskriver blant annet elektronets spinn på en korrekt måte, og forutsier eksistensen av antipartikler. Antipartikler til elektronet, kalt positronet, ble eksperimentelt oppdaget av Carl David Anderson i 1931.

Etter at Bohr hadde fremsatt sin atommodell, fremstod kjernefysikk som et nytt og spennende forskningsfelt. I 1919 påviste Rutherford at kjernereaksjoner kunne frembringes kunstig, men en bedre forståelse av kjernens oppbygning fikk man først etter James Chadwicks oppdagelse av nøytronet i 1932.

I de følgende årene fulgte en rekke oppdagelser: fremstilling av nye radioaktive nuklider (Enrico Fermi, Frédéric Joliot, 1933–1940), spalting av urankjernen (Otto Hahn og Fritz Strassmann, 1938), kontrollert frigjøring av kjerneenergi i reaktor (Enrico Fermi, 1942) og fremstilling av atombomben (1945, se kjernevåpen).

I 1935 fremsatte Hideki Yukawa sin teori om mesoner og la dermed grunnlaget for elementærpartikkelfysikken som et nytt forskningsfelt. Etter 1950 har dette feltet hatt en dominerende plass innen grunnforskningen i fysikk. Nær knyttet til utviklingen av elementærpartikkelfysikken står i perioden etter 1950 utviklingen innen den teoretiske fysikk hvor kjennskap til nye symmetriprinsipper har spilt en stor rolle, og hvor målet fremdeles er å finne frem til en enhetlig teori, det vil si en teori hvor alle krefter eller vekselvirkninger i materien fremstår som en følge av samme universelle prinsipp. Både Einstein og Heisenberg var i mange år av sine liv opptatt av å finne en enhetlig teori for gravitasjon og elektromagnetisme uten å lykkes.

I midten av 1960-årene fremsatte Sheldon Lee Glashow, Abdus Salam og Steven Weinberg en enhetlig teori for elektromagnetisk og svak vekselvirkning. Denne teorien for elektrosvak vekselvirkning er siden eksperimentelt understøttet.

I 1980-årene ble det utviklet en tilsvarende teori, kvantekromodynamikk, for sterk vekselvirkning.

Interessen for atomkjernen og for å lete etter fundamentale partikler og prinsipper kom som en naturlig følge av Bohrs atomteori og kvantemekanikken. Interessen ble også rettet mot det å forstå materiens videre oppbygging som en konsekvens av atomets struktur. Dette førte til at skillet mellom de klassiske fysiske disiplinene ble brutt ned, mens nye skiller oppstod. Særlig etter 1950 er denne utviklingen blitt tydelig.

Situasjonen er nå omtrent den motsatte av hva den var før 1900. Den gang ble et fysisk fenomen betraktet som enten mekanisk, akustisk, optisk, elektromagnetisk eller termisk, og skillet mellom disiplinene var skarpt. Fysikerne som studerte fenomenene behersket som regel alle disiplinene. I våre dager skal ethvert fenomen fundamentalt sett beskrives ut fra de samme prinsipper. Fenomener som er beslektet, beskrives ofte ved hjelp av de samme metodene, og utgjør da et eget fagområde. Kunnskapsmengden innen hvert fagområde øker stadig. Fysikerne har derfor mer og mer måttet gi avkall på å beherske hele fysikken og i stedet konsentrere seg om ett bestemt felt.

Tid, rom og gravitasjon beskrives i den generelle relativitetsteorien, som er en «klassisk» teori, det vil si ikke kvantemekanisk. På elementærpartikkelnivå beskrives materien og de fundamentale kreftene – elektromagnetisme, fargekraft mellom kvarker og svak kjernekraft – av kvantefeltteorier i standardmodellen. Standardmodellen anses ikke som fullstendig, blant annet fordi den mangler en beskrivelse av gravitasjon. Det klassiske bildet av verden er kontinuerlig og det kvantemekaniske er diskontinuerlig. Det har vært arbeidet i mange år med å forene disse bildene i en kvantegravitasjonsteori. Men så langt har man ikke lykkes i å konstruere en allment akseptert slik teori. Det mest ambisiøse forsøket er superstrengteori, men denne teorien er verken fullført teoretisk eller bekreftet ved observasjoner.

De siste 90 årene er det gradvis blitt mer og mer klart at universet inneholder langt mer materie enn den synlige som består av protoner, nøytroner og elektroner. De ytre områdene av spiralgalaksene roterer så raskt at de for lengst ville ha løst seg opp dersom de ble holdt sammen bare av gravitasjonsfeltet som den vanlige materien lager. Fysikerne mener derfor at det er omtrent fem ganger mer såkalt mørk materie i universet enn synlig materie, men man har foreløpig ikke greid å identifisere den mørke materien. Et mye studert alternativ som kanskje kan bidra med svar, er teorien om supersymmetri. Der tilegnes alle elementærpartikler en supersymmetrisk partner som har et annet spinnkvantetall, men ellers like egenskaper.

I 1998 ble det oppdaget at universets ekspansjon øker farten. Den eneste kraften som har betydning for hvordan ekspansjonsfarten endres med tiden, er gravitasjon. Fysikerne har derfor konkludert med at fartsøkningen må skyldes frastøtende gravitasjon. Isaac Newtons gravitasjonsteori tillater bare tiltrekkende gravitasjon, men Albert Einsteins relativitetsteori tillater også frastøtende gravitasjon. Teorien sier også at et medium som vi ikke kan måle farten av, forårsaker frastøtende gravitasjon. Dette mediet er kalt universets mørke energi. En av kvantefysikkens konsekvenser er at det eksisterer en såkalt vakuumenergi overalt i universet. Hvis denne energien er slik at vi ikke kan måle fart i forhold til den, forårsaker den frastøtende gravitasjon. Mørk energi kan være kvantemekanisk vakuumenergi. Men forsøk på å beregne tettheten av denne har ikke lyktes, og det trengs kanskje en kvantegravitasjonsteori for å forstå fenomenet.

Beregninger basert på den observerte fartsøkningen av universets ekspansjon tyder på av den mørke energien utgjør omtrent 70 prosent av innholdet i universet, mens 25,5 prosent består av mørk materie. Synlig materie utgjør dermed bare 4,5 prosent. Det betyr at vi ikke har noen god forståelse av 95,5 prosent av universets innhold.