Δευτέρα, 27 Φεβρουαρίου 2012 16:09

φυσική

Written by
Rate this item
(0 votes)
φυσική. Πειραματική επιστήμη που μελετά τη δομή και τις ιδιότητες της ύλης καθώς και τους νόμους που ρυθμίζουν την κίνησή της και τις διάφορες αλληλεπιδράσεις.
Αν και η μελέτη της φύσης προκάλεσε το ενδιαφέρον των φιλοσόφων της αρχαίας Ελλάδας, παρ’ όλα αυτά δεν είναι δυνατόν να γίνει λόγος για φ. κατά την εποχή εκείνη, με την αυστηρή σύγχρονη έννοια του όρου, και αυτό γιατί, ενώ οι αρχαίοι Έλληνες κατόρθωσαν να ανακαλύψουν τη διάρθρωση της λογικής επαγωγικής απόδειξης (και επομένως να σημειώσουν μεγάλες επιτυχίες στα μαθηματικά), δεν υιοθέτησαν τη μέθοδο των πειραματικών αποδείξεων, επάνω στην οποία βασίζεται η φυσική επιστήμη. Αυτό, όμως, δεν σημαίνει ότι από την ελληνική φιλοσοφική σκέψη λείπουν εντελώς έννοιες και υποθέσεις που αφορούν τους διάφορους τομείς της φ. Αρκεί να σκεφτεί κανείς την έννοια της δύναμης, που αποτελεί ένα από τα θεμέλια της φιλοσοφίας του Εμπεδοκλή, του Αναξαγόρα και του Δημόκριτου, ή τις θεωρίες περί κίνησης του Αριστοτέλη, τις θεωρίες περί ορμής του Ίππαρχου και αργότερα του Ιωάννη του Φιλόπονου. Πρόκειται, όμως, πάντοτε για θεωρίες, στις οποίες ανεμειγνύονται φυσικές γνώσεις με μεταφυσικές έννοιες. Εξαίρεση αποτελούν τα πεδία της οπτικής, της ακουστικής και της στατιστικής, στα οποία οι αρχαίοι Έλληνες πέτυχαν αποτελέσματα αναμφισβήτητης αξίας. Αρκεί να αναφερθούν τα Οπτικά και τα Κατοπτρικά του Ευκλείδη (εάν είναι πράγματι έργα του), οι πρώτες πειραματικές παρατηρήσεις των πυθαγορείων για τη σχέση μεταξύ ήχων και αριθμών, και κυρίως το θεμελιώδες έργο του Αρχιμήδη, που έθεσε τις βάσεις της στατικής και της υδροστατικής. Οι επιστήμονες της τελευταίας αλεξανδρινής περιόδου, και κυρίως ο Ήρων ο Αλεξανδρεύς, είναι ίσως εκείνοι που πλησίασαν περισσότερο στην κυρίως πειραματική μέθοδο, αλλά οι ιστορικές και κοινωνικές συνθήκες της εποχής κατά την οποία έζησαν έστρεψαν το ενδιαφέρον τους στην ανακάλυψη παιχνιδιών για να ψυχαγωγούν τους άρχοντες ή να προκαλούν κατάπληξη στα πλήθη και στην πράξη δεν βοήθησαν στην ανάπτυξη της φ.
Η γενική κρίση του ευρωπαϊκού πολιτισμού, που ακολούθησε την παρακμή του κλασικού ελληνορωμαϊκού κόσμου, επέφερε στο πεδίο των φυσικών μελετών μια στασιμότητα, που διήρκεσε περισσότερο από μία χιλιετία. Οι επιστήμονες του Μεσαίωνα πίστεψαν κυρίως στην τέχνη, ίσως στη μυστική εκείνη τέχνη που επικαλείται τις υπερφυσικές δυνάμεις και περιορίζεται στη μεταμόρφωση των σωμάτων ή στη δημιουργία νέων χωρίς συγκεκριμένη μέθοδο, προχωρώντας με απόπειρες χωρίς μεθοδικότητα και με εμπειρικά μέσα για να εμπιστευθεί την επιτυχία στη μεγαλοφυΐα του καλλιτέχνη ή στην ικανότητα του τεχνίτη. Και μόνο στις αρχές της νεότερης εποχής, όταν στους τεχνικούς παρουσιάστηκαν μεγάλα προβλήματα, όπως η παρέκκλιση ποταμών, η ευθυβολία του πυροβολικού, η υπερωκεάνια ναυσιπλοΐα, εγκαταλείφθηκε υποχρεωτικά ο εμπειρισμός και ήταν πλέον απαραίτητη η φιλοσοφική εκείνη επανάσταση που στις αρχές του 17ου αι. έφερε στην πρώτη γραμμή το πρόβλημα της μεθόδου και άνοιξε τον δρόμο για την πειραματική επιστήμη.

Μεθοδολογία της φυσικής. Η γέννηση της φ. ως σύγχρονης επιστήμης συνέπεσε χρονικά με τη γέννηση της πειραματικής μεθόδου. Έτσι, στον Γαλιλαίο και στους μεγάλους μεθοδολόγους του 17ου αι. οφείλεται η ανακάλυψη της δυνατότητας που έχει ο άνθρωπος να αναπαράγει ορισμένα φυσικά φαινόμενα, αφού πρώτα απομονώσει μερικές ιδιαίτερες πλευρές τους, για να μελετήσει τα αποτελέσματα που προκαλούν σε αυτά προκαθορισμένες και ελεγχόμενες μεταβολές του εξωτερικού περιβάλλοντος.
Το πείραμα χαρακτηρίζεται από το ότι είναι αντικειμενικό, επαναλαμβάνεται δηλαδή με τα ίδια κάθε φορά αποτελέσματα, και ποσοτικό, επιτρέπει δηλαδή την ποσοτική μέτρηση των μεγεθών που μελετώνται, αφού οριστούν αυθαίρετες μονάδες μέτρησης για όλα τα ομογενή μεγέθη (π.χ. όλα τα μήκη, όλα τα χρονικά διαστήματα, τις μάζες κλπ.).
Όταν, με αφετηρία τα αποτελέσματα ενός πειράματος, είναι δυνατόν να διαπιστωθεί κάποια συσχέτιση μεταξύ ορισμένων φυσικών μεγεθών, καταλήγουμε στη διατύπωση μιας υπόθεσης, που, αφού αποδειχτεί ότι ισχύει για ικανοποιητικά γενικές συνθήκες, είναι δυνατόν να αποκτήσει την ισχύ πραγματικού φυσικού νόμου, όπως για παράδειγμα η μαθηματική αναλογία μεταξύ εφαρμοσμένης δύναμης και επιτάχυνσης (νόμος του Νεύτωνα) ή η σταθερότητα του γινομένου του όγκου ενός αερίου επί την πίεσή του (νόμος του Μπόιλ). Γι’ αυτό, ένας φυσικός νόμος αντιπροσωπεύει όχι μόνο τη σύνθεση μιας ολόκληρης σειράς πειραματικών παρατηρήσεων, από τη γενίκευση των οποίων εξάγεται ο νόμος, αλλά και ένα μέσο για την πρόβλεψη του αποτελέσματος άλλων πειραμάτων, για τα οποία ο νόμος αυτός ισχύει. Είναι σημαντικό το γεγονός ότι κάθε φυσικός νόμος χαρακτηρίζεται πάντα από μια περιοχή ισχύος, πέρα από τα όρια της οποίας δεν είναι εφαρμόσιμος. Μια θεωρία κρίνεται ικανοποιητική, εφόσον είναι σε θέση να δώσει μια πλήρη ερμηνεία των γνωστών πειραματικών γεγονότων και να προβλέψει άλλα, άγνωστα έως τότε. Όταν η επέκταση σε ανεξερεύνητα πεδία μιας φυσικής θεωρίας, που έχει εξαχθεί από πειράματα τα οποία έγιναν σε ένα ορισμένο πεδίο έρευνας, οδηγήσει σε σύγκρουση με τα αποτελέσματα νέων πειραμάτων, απαιτείται μια νέα σύνθεση, απ’ όπου θα προκύψει ένας γενικότερος νόμος, του οποίου ο προηγούμενος είναι μια προσέγγιση που ισχύει μόνο μέσα σε ορισμένα όρια.
Οι δύο φάσεις της πειραματικής ανάλυσης και της θεωρητικής σύνθεσης ανέπτυσσαν βαθμιαία δική τους τεχνική και μεθοδολογία στο μέτρο που η συνεχής αύξηση του αριθμού των πεδίων έρευνας απαιτούσε από τους επιστήμονες όλο και μεγαλύτερη εξειδίκευση.Με την καθιέρωση της μαθηματικής-πειραματικής μεθόδου στις επιστημονικές του έρευνες, ο Γαλιλαίος έθεσε τις βάσεις για τη γέννηση της φυσικής ως σύγχρονης επιστήμης· στη φωτογραφία, ο Γαλιλαίος σε προσωπογραφία του Γιοστ Σούστερμαν (Πινακοθήκη Ουφίτσι, Φλωρεντία). Οι νόμοι της κίνησης που διατύπωσε το 1687 ο Ισαάκ Νεύτων, αφού πέρασαν από το στάδιο της υπόθεσης στο στάδιο της απόδειξης μέσω των πειραμάτων, απέκτησαν ισχύ πραγματικών φυσικών νόμων· στη φωτογραφία, ο Άγγλος φυσικός Ισαάκ Νεύτων σε προσωπογραφία του Βιτσέντσο Μιλιόνε (Δημοτικό Μουσείο, Ρώμη).

Η κλασική φυσική. Η υποδιαίρεση της φ. στα θεμελιώδη καθιερωμένα κεφάλαια (μηχανική, ακουστική, θερμότητα, οπτική, ηλεκτρομαγνητισμός) αντανακλά τη μορφή που είχε πάρει η επιστήμη αυτή κατά το τέλος του 19ου αι. και χαρακτηρίζει τη συστηματοποίηση μιας κληρονομιάς γνώσεων που είχαν δημιουργηθεί κατά τη διάρκεια περίπου 3 αιώνων, σχετικά με τους νόμους οι οποίοι, με μια μερική σύνθεση μέσα σε κάθε κεφάλαιο χωριστά, ερμηνεύουν και περιγράφουν τις ιδιότητες των μακροσκοπικών σωμάτων. Η συγκεκριμένη κληρονομιά αποτελεί αυτό που αποκαλείται κοινώς κλασική φ., η οποία περιγράφει και ερμηνεύει όλα εκείνα τα φαινόμενα στα οποία δεν εμφανίζονται ταχύτητες συγκρίσιμες με αυτήν του φωτός ή σωμάτια πολύ μικρής μάζας (περίπου ατομικών διαστάσεων). Με άλλα λόγια, οι νόμοι της κλασικής φ. εκφράζουν τις ιδιότητες σωμάτων που αποτελούνται από εξαιρετικά μεγάλο αριθμό ατόμων, ηλεκτρονίων ή φωτονίων, και κινούνται με μη σχετικιστικές ταχύτητες. 
Πιο συγκεκριμένα, οι νόμοι της μηχανικής (βλ. λ.) ρυθμίζουν την ισορροπία και την κίνηση σωμάτων με μάζα πολύ μεγάλη ως προς εκείνη των ατόμων και είναι επομένως το θεμέλιο όλων των αναρίθμητων τεχνολογικών εφαρμογών, στις οποίες συμμετέχουν τα σώματα αυτά, είτε με την κίνησή τους (από το εκκρεμές έως τους πυραύλους) είτε με την ηρεμία τους (από τη ζυγαριά έως τα φράγματα). Ακόμα και η μελέτη των παραμορφώσεων των υλικών σωμάτων ανήκει στην κλασική μηχανική, εφόσον αγνοεί εντελώς την πραγματική εσωτερική δομή των σωμάτων, αλλά ερευνά τη συμπεριφορά τους με τη συσχέτιση μεταξύ τάσεων (εφαρμοσμένες δυνάμεις) και ελαστικών ή πλαστικών ιδιοτήτων. Γι’ αυτό και η ακουστική (βλ. λ.), ως κεφάλαιο που μελετά τη μετάδοση των ηχητικών (ελαστικών) κυμάτων σε ένα μέρος που μπορεί να παραμορφώνεται, είναι δυνατόν να θεωρηθεί συμπληρωματικό τμήμα της μηχανικής. Οι νόμοι του ηλεκτρισμού (βλ. λ.) περιγράφουν ανάλογα τις αμοιβαίες επιδράσεις ηλεκτρικών φορτίων που αποτελούνται από πολύ μεγάλο αριθμό ηλεκτρονίων (το ρεύμα ενός μικροαμπέρ ισοδυναμεί με ροή 6 τρισεκατομμυρίων ηλεκτρονίων ανά δευτερόλεπτο), ενώ οι κλασικοί νόμοι του ηλεκτρομαγνητισμού (βλ. λ.), και ειδικότερα οι εξισώσεις του Μάξγουελ, περιγράφουν τη διάδοση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων που εκπέμπονται από τα φορτία αυτά (π.χ. φως, ερτζιανά κύματα κλπ.), χωρίς την εισαγωγή της έννοιας του φωτονίου (κβάντο ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας). Η κλασική οπτική (βλ. λ.), τόσο η γεωμετρική (βάση της οποίας αποτελεί η έννοια της φωτεινής ακτίνας) όσο και η κυματική (που αντικαθιστά την ακτίνα με το κύμα), είναι δυνατόν να συμπεριληφθεί, από εννοιολογική άποψη, στο κεφάλαιο του ηλεκτρομαγνητισμού, αν και στην πράξη η οπτική αδιαφορεί για την ηλεκτρομαγνητική φύση του φωτός και περιορίζεται στη μελέτη της μετάδοσής του. Τέλος, οι νόμοι της θερμότητας(βλ. λ.) και της θερμοδυναμικής (βλ. λ.), που αντιπροσωπεύουν κατά κάποια έννοια το τυπικότερο παράδειγμα νόμων, περιγράφουν τις συνολικές ιδιότητες υλικών μεγάλου αριθμού σωματίων, εφόσον τα ίδια τα φυσικά μεγέθη που αναφέρονται σε αυτά (πίεση, θερμοκρασία, θερμότητα, εντροπία κλπ.) δεν αντιπροσωπεύουν παρά τις μέσες στατιστικές τιμές των μεγεθών (ταχύτητα, κινητική ενέργεια) των επιμέρους σωματίων.
Από αυτή την εξαιρετικά συνοπτική εικόνα της κλασικής φ., είναι προφανές γιατί η χημεία αναπτύχθηκε ως εντελώς χωριστή επιστήμη, καθώς, αν δεν είναι γνωστή η εσωτερική διάρθρωση των ατόμων, δεν είναι κατ’ αρχήν δυνατόν να ερμηνευθούν οι διαφορετικές ιδιότητες των απλών χημικών στοιχείων, που ανάγονται ακριβώς στον διαφορετικό αριθμό και στην κίνηση των ηλεκτρονίων μέσα στα άτομα που αποτελούν τα στοιχεία. Εξάλλου, μόνο σε μοριακό επίπεδο είναι δυνατή η ερμηνεία των χημικών φαινομένων (μετατροπή μιας ουσίας σε μια άλλη) με την ορολογία φυσικών νόμων (νόμων δηλαδή που ρυθμίζουν τη διάσπαση και την επανασύνθεση των μορίων).
Η κλασική φ., επομένως, περιγράφει τη φύση διαμέσου δύο θεμελιωδών και διαφορετικών φυσικών οντοτήτων: από το ένα μέρος τα υλικά σωμάτια, που υπακούουν στους νόμους της μηχανικής του Νεύτωνα, και από το άλλο οι ηλεκτρομαγνητικές ακτινοβολίες, που μεταδίδονται με μορφή κυμάτων σύμφωνα με τους νόμους του Μάξγουελ. Η σχηματοποίηση αυτή της φύσης οδηγούσε, από επιστημονική άποψη, σε μια άκαμπτη και μηχανικά αιτιοκρατική αντίληψη των φυσικών φαινομένων, καθώς προϋπέθετε τη δυνατότητα εκτέλεσης μετρήσεων που να μην προκαλούν καμία διαταραχή στο φαινόμενο που παρατηρείται, κατά τρόπο που να είναι δυνατόν να καθοριστεί με απόλυτη ακρίβεια η τιμή των φυσικών μεγεθών που το περιγράφουν (π.χ. η θέση και η ταχύτητα ενός σωματίου ή η ένταση του ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου σε ένα ορισμένο σημείο του χώρου). Με άλλα λόγια, θεωρούσε δυνατή την πλήρη απομόνωση ενός αντικειμένου κατά τη χωροχρονική του εξέλιξη υπό την επίδραση και τις διαταραχές που προκαλεί το περιβάλλον, υπόθεση της οποίας η επέκταση από τα μικροσκοπικά φαινόμενα σε εκείνα της ατομικής κλίμακας έμελλε να αποδειχτεί εντελώς αυθαίρετη. Από την άλλη πλευρά, η κλασική σχηματοποίηση οδηγούσε στο συμπέρασμα ότι η τέλεια γνώση της φυσικής πραγματικότητας, με κάθε λεπτομέρεια και σε μια ορισμένη χρονική στιγμή, θα επέτρεπε την πρόβλεψη της μελλοντικής εξέλιξης για όλο το επόμενο χρονικό διάστημα με την επίλυση των εξισώσεων κίνησης (πράγμα θεωρητικά δυνατό, αν και προφανώς αδύνατο στην πράξη) και για όλα τα σώματα του σύμπαντος (αιτιοκρατία του Λαπλάς). Με άλλα λόγια, αυτό συνεπάγεται την παραδοχή ότι το μέλλον προκαθορίζεται εντελώς και αυστηρά από το παρόν, ότι δηλαδή η χρονική εξέλιξη κάθε φαινομένου δεν είναι παρά η βαθμιαία και αναγκαία πραγματοποίηση αμετάβλητων φυσικών νόμων.Ιστορική φωτογραφία του 1911 όπου διακρίνονται μερικές από τις μεγαλύτερες προσωπικότητες της σύγχρονης φυσικής: Μαξ Πλανκ (1), Χέντρικ Λόρεντς (2), Μαρί Κιουρί (3), Έρνεστ Ράδερφορντ (4) και Άλμπερτ Αϊνστάιν (5).

Η σύγχρονη φυσική. Η θεωρία της σχετικότητας (βλ. λ.), αν και δεν άλλαξε τη μηχανιστική αιτιοκρατία του κλασικού σχήματος, εισήγαγε μερικά ανανεωτικά στοιχεία βαθιάς εννοιολογικής σημασίας στην περιγραφή της φυσικής πραγματικότητας. Η θεωρία αυτή αποτελεί, ουσιαστικά, το πρώτο παράδειγμα κριτικής ανάλυσης των θεμελίων μιας φυσικής θεωρίας, που οδηγεί στην εξάλειψη εννοιών με αμιγώς μεταφυσική σημασία, οι οποίες δεν δέχονται ορισμό και μέτρηση διαμέσου πειραματικών παρατηρήσεων και αποτελούν, επομένως, αιτίες εσφαλμένων διατυπώσεων των προβλημάτων και πηγές αντιφάσεων. Εξαιτίας της θέσης αυτής, η θεωρία της σχετικότητας οδήγησε στην εγκατάλειψη της νευτώνειας αντίληψης περί του χώρου και του χρόνου, μεγέθη τα οποία θεωρούνταν απόλυτα και προϋπάρχοντα έξω από τα πραγματικά φαινόμενα, για να εισάγει στη θέση της την αναγνώριση της εξάρτησης του χρόνου από την κινητική κατάσταση της ύλης.
Η κρίση της κλασικής φ. ως γενικής αντίληψης της πραγματικότητας άρχισε με την έναρξη της συστηματικής έρευνας για την ερμηνεία των μακροσκοπικών ιδιοτήτων των σωμάτων και των ακτινοβολιών τους, με βάση συγκεκριμένες υποθέσεις επί της μικροσκοπικής τους δομής και επί της φύσης και των ιδιοτήτων των σωματίων που τα αποτελούν. Αρχικά, η προσπάθεια αυτή στέφθηκε με την επιτυχία της κινητικής θεωρίας των αερίων στην ερμηνεία των νόμων των τελείων αερίων, με βάση την υπόθεση ότι τα αέρια αυτά αποτελούνται από έναν μεγάλο αριθμό μορίων σε αμοιβαία επίδραση κατά την άτακτη κίνησή τους (βλ. λ. αέριο). Ωστόσο, εάν εφαρμοστούν οι ίδιες στατιστικές μέθοδοι στη μελέτη της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που εκπέμπουν τα άτομα ενός σώματος που πυρακτώθηκε, προκύπτουν αποτελέσματα αντίθετα προς το πείραμα και κυριολεκτικά χωρίς νόημα, εάν δεν γίνει δεκτή η υπόθεση του Πλανκ ότι η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία εκπέμπεται και απορροφάται από τα άτομα με ασυνεχή τρόπο υπό μορφή φωτονίων. Η υπόθεση αυτή επιβεβαιώθηκε με πολλούς τρόπους, μεταξύ των οποίων ήταν και η επιτυχία της θεωρίας του Αϊνστάιν για το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Είναι, λοιπόν, απαραίτητο να αποδοθούν στα ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα τόσο ιδιότητες κυμάτων (που αποδεικνύονται με τα πειράματα συμβολής και περίθλασης) όσο και ιδιότητες σωματίων (βλ. λ. Κόμπτον, φαινόμενο) και να εγκαταλειφθεί η κλασική διαίρεση μεταξύ σωματίων, που κινούνται στον χώρο ακολουθώντας γεωμετρικές τροχιές, και ακτινοβολιών, των οποίων η χωροχρονική εξέλιξη εκδηλώνεται με τη μετάδοση κυμάτων. Επιπλέον, τα ίδια τα σωμάτια (π.χ. τα ηλεκτρόνια), εκτός από τις χαρακτηριστικές σωματιδιακές ιδιότητες (μάζα, ορμή, ενέργεια), παρουσιάζουν και ιδιότητες κυμάτων (φαινόμενα διάθλασης), οπότε γίνεται λόγος για τον κυματοσωματιδιακό δυϊσμό.
Οι νόμοι της κβαντικής μηχανικής επιλύουν ακριβώς το πρόβλημα του συμβιβασμού των φαινομένων αυτών, που φαινομενικά είναι αντιφατικά. Οι συνέπειες ενός τέτοιου θεωρητικού σχήματος ήταν ανατρεπτικές για ολόκληρο το έως τότε οικοδόμημα της φ. αλλά και της φιλοσοφίας των θετικών επιστημών. Οι επιστήμονες έπρεπε, πλέον, να παραιτηθούν από την αυστηρά αιτιοκρατική ερμηνεία των φυσικών φαινομένων για να δεχτούν μια πιθανοκρατική ερμηνεία τους. Τυπικό παράδειγμα της θεωρητικής αυτής άποψης είναι η αρχή της απροσδιοριστίας (βλ. λ.), βάσει της οποίας είναι αδύνατον να οριστούν με απεριόριστη ακρίβεια η θέση και συγχρόνως η ταχύτητα ενός σωματίου, εφόσον για να εντοπιστεί το σωμάτιο αυτό σε μια περιορισμένη περιοχή του χώρου, πρέπει οπωσδήποτε να μεταβληθεί η ταχύτητά του κατά μια ποσότητα (μέσα σε ορισμένα όρια). Ως εκ τούτου, είναι ανάγκη να περιγράφεται η εξέλιξη των φυσικών φαινομένων με μορφή πιθανοτήτων πραγματοποίησης των διαφόρων καταστάσεων και έπαψε πλέον να υφίσταται η ντετερμινιστική περιγραφή της φυσικής πραγματικότητας, την οποία είχε υποστηρίξει η κλασική φ.O κλάδος της πυρηνικής φυσικής προέκυψε μετά την ανακάλυψη της δομής του ατομικού πυρήνα και, μεταξύ άλλων, προσφέρει τεράστιες ποσότητες ενέργειας μέσω της πρόκλησης τεχνητών πυρηνικών μετατροπών· στη φωτογραφία, στιγμιότυπο από εργασίες σε αντιδραστήρα πυρηνικού εργοστασίου στην Τσεχία (φωτ. ΑΠΕ).
Read 351 times

Leave a comment

Make sure you enter all the required information, indicated by an asterisk (*). HTML code is not allowed.