Σύγχρονη Φυσική/Εισαγωγικά

Από Βικιβιβλία
Μετάβαση σε: πλοήγηση, αναζήτηση

Γενικά για τη Φυσική[επεξεργασία]

Διάφορα παραδείγματα από φυσικά φαινόμενα

Η Φυσική[1] είναι η επιστήμη που ασχολείται με τη μελέτη της ύλης[2], της κίνησής της μέσα στο χώρο και στο χρόνο, μαζί με τις σχετικές ποσότητες όπως η ενέργεια και η δύναμη[3]. Σύμφωνα με έναν ευρύτερο ορισμό, η Φυσική είναι η γενική ανάλυση της φύσης, που συνδέεται με τη προσπάθεια για κατανόηση της συμπεριφοράς του σύμπαντος[4][5][6]

Η Φυσική είναι μια από τις παλαιότερες ακαδημαϊκές ενασχολήσεις, ίσως και η παλαιότερη, εφόσον περιλαμβάνει και την Αστρονομία[7]. Τουλάχιστον τις τελευταίες δυο χιλιετηρίδες, η φυσική αποτέλεσε το ένα τμήμα της φυσικής φιλοσοφίας, μαζί με τη Χημεία, κάποιους κλάδους των Μαθηματικών και τη Βιολογία. Αλλά κατά τη διάρκεια της Επιστημονικής Επανάστασης του 16ου αιώνα, οι φυσικές επιστήμες αναδειχθεί από μόνες τους ως μοναδικά ερευνητικά προγράμματα[8]. Η Φυσική διασταυρώνεται με πολλούς διεπιστημονικούς τομείς έρευνας, όπως της Βιοφυσικής, της Φυσικοχημείας και της Κβαντικής Χημείας, και επιπλέον τα όρια της Φυσικής δεν είναι αυστηρά καθορισμένα. Νέες ιδέες στη Φυσική συχνά εξηγούν θεμελιώδεις μηχανισμούς σε άλλες επιστήμες, ενώ ανοίγουν νέες λεωφόρους για την έρευνα σε τομείς των Μαθηματικών και της Φιλοσοφίας.

Η Φυσική επιπλέον κάνει σημαντικές συνεισφορές στην ανάπτυξη νέων τεχνολογιών που προκύπτουν από θεωρητικές καινοτομίες. Για παράδειγμα, τα βήματα που έγιναν στην κατανόηση του Ηλεκτρομαγνητισμού ή της Πυρηνικής Φυσικής οδήγησαν άμεσα στην ανάπτυξη νέων προϊόντων που έχουν μεταβάλλει δραματικά (θετικά και αρνητικά) τη σύγχρονη κοινωνία, ακόμη και σε σύγκριση με τις λίγο παλαιότερες, όπως π.χ. η τηλεόραση, οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές, οι οικιακές συσκευές, αλλά και τα πυρηνικά όπλα. Η ανάπτυξη της Θερμοδυναμικής έπαιξε μεγάλο ρόλο στη βιομηχανοποίηση. Επιπλέον, η εξέλιξη της Μηχανικής ενέπνευσε την ανάπτυξη της Υπολογιστικής.

Οι σημαντικότεροι ιστορικοί σταθμοί στην εξέλιξη της Φυσικής[επεξεργασία]

'
1895 Ακτίνες Χ Wilhelm Conrad Röntgen
1896 Ραδιενέργεια Henri Becquerel
1900 Κβάντα Max Karl Ernst Ludwig Planck
1905 Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας Albert Einstein
1913 Ατομικό πρότυπο του Bohr Niels Bohr
1913 Κοσμική ακτινοβολία Victor Francis Hess
1915 Γενική Θεωρία της Σχετικότητας Albert Einstein
1925 Θεωρία υλοκυμάτων Louis de Broglie
1926 Κβαντομηχανική Erwin Schrödinger, Pascual Jordan, Werner Heisenberg
1927 Αρχή της απροσδιοριστίας Werner Heisenberg
1932 Νετρόνιο James Chadwick
1932 Πρότυπο ατομικού πυρήνα Werner Heisenberg
1932 Ποζιτρόνιο Carl David Anderson
1932 Νετρίνο Wolfgang Pauli
1935 Μεσόνιο Hideki Yukawa
1939 Σχάση ουρήνων ουρανίου Otto Hahn-Fritz Strassmann
1942 Πυρηνικός αντιδραστήρας Enrico Fermi
1956 Αντιπρωτόνιο Emilio G. Segrè
1958 Πυρηνικός συντονισμός Rudolf Mössbauer

Mέτρηση και φυσικά μεγέθη[επεξεργασία]

Η σημασία της μέτρησης[επεξεργασία]

«Οι αριθμοί καθορίζουν την τάξη και την αρμονία στο σύμπαν.»

Πυθαγόρας

«...όταν μπορείς να μετρήσεις εκείνο για το οποίο μιλάς και να το εκφράσεις με αριθμούς, ξέρεις κάτι γι' αυτό. Όταν όμως δεν μπορείς να το εκφράσεις με αριθμούς, η γνώση σου είναι ελλειπής. Πιθανόν να βρίσκεσαι στην αρχή της γνώσης, αλλά η σκέψη σου δεν έχει προχωρήσει στο επίπεδο της επιστήμης, οποιοδήποτε κι αν είναι το αντικείμενό σου.»

William Thomson, 1st Baron Kelvin

Η σημασία της μέτρησης για την επιστήμη είναι πολύ μεγάλη. Συχνά στην Ιστορία της Επιστήμης μικρές αλλά σημαντικές διαφορές ανάμεσα στη θεωρία της και ακριβείς πειραματικές μετρήσεις οδήγησαν στη διατύπωση ακριβέστερων και γενικότερων θεωριών, συμβάλλοντας έτσι καθοριστικά στην εξέλιξή της.

Φυσικά μεγέθη, πρότυπα και μονάδες μέτρησης[επεξεργασία]

Δομικοί λίθοι της Φυσικής τα φυσικά μεγέθη ή φυσικές ποσότητες. Με τη βοήθειά τους καθορίζονται οι νόμοι της Φυσικής. Μεταξύ άλλων είναι: η δύναμη, ο χρόνος, η ταχύτητα, η πυκνότητα, η θερμοκρασία, το ηλεκτρικό φορτίο, η μαγνητική επιδεικτικότητα, κ.ά.. Ορισμένοι από τους όρους αυτούς χρησιμοποιούνται και στην καθημερινή ζωή, όχι όμως συνήθως με το ακριβές επιστημονικό τους νόημα.
Επειδή η Φυσική ως επιστήμη έχει ανάγκη τη μέγιστη δυνατή ακρίβεια, τα βασικά φυσικά μεγέθη πρέπει να μπορούν να οριστούν με σαφήνεια και ακρίβεια. Επίσης πρέπει να έχουν ορισθεί σαφώς αλλά και να έχει βρεθεί επαρκώς ακριβής μέθοδος μέτρησής τους. Ο ορισμός τους αποτελείται από ένα σύνολο από εργαστηριακές διαδικασίες που έχουν ως αποτέλεσμα πάντα την παραγωγή ενός αριθμού και μιας μονάδας μέτρησής του, κάθε φορά που πραγματοποιείται μέτρηση αυτού του μεγέθους. Οι διαδικασίες είναι πιθανό να περιέχουν και μαθηματικούς υπολογισμούς.
Τα φυσικά μεγέθη διαχωρίζονται βασικά σε δυο μεγάλες κατηγορίες: τα θεμελιώδη και τα παράγωγα. Ο διαχωρισμός αυτός στην πραγματικότητα είναι θέμα αυθαίρετης επιλογής και μπορεί να διαφέρει σε διαφορετικά συστήματα μέτρησης.
Πάντως σε ένα συγκεκριμένο σύστημα μέτρησης:

  • Θεμελιώδη ονομάζονται τα φυσικά μεγέθη που ορίζονται αυτόνομα με έναν αριθμό (ή διάνυσμα) και μια μονάδα μέτρησης.
    • Ο αριθμός των θεμελιωδών μεγεθών σε ένα σύστημα πρέπει να είναι ο ελάχιστος δυνατός για να οριστούν και όλα τα άλλα φυσικά μεγέθη.
    • Η διαδικασία ορισμού τους περιλαμβάνει την επιλογή ενός προτύπου και μιας διαδικασίας μέτρησης ομοειδών φυσικών μεγεθών με αυτό ή ακριβή παράγωγά του.
      • Το ιδανικό πρότυπο κάθε θεμελιώδους μεγέθους πρέπει να έχει τα ακόλουθα δυο, φαινομενικά αντικρουόμενα, χαρακτηριστικά:
        1. Προσιτότητα.
        2. Σταθερότητα.
  • Παράγωγα ονομάζονται τα φυσικά μεγέθη που ορίζονται με τη βοήθεια άλλων και μια μαθηματική σχέση που τα συνδέει.

Στην προσπάθειά μας για την μελέτη των φυσικών φαινομένων, σημαντικό στοιχείο είναι η καταγραφή και η μέτρηση των δεδομένων που προκύπτουν κατά τις πειραματικές μετρήσεις. Για τη διατυπώση των φυσικών νόμων χρειάζεται να περιγράψουμε το μέγεθος διαφόρων ποσοτήτων, όπως είναι το μήκος, η μάζα και ο χρόνος. Εκτός όμως από αυτό, είναι εξαιρετικά χρήσιμο και βόλικο να έχουμε μια κοινή αναφορά στα μεγέθη αυτών των ποσοτήτων, ανεξάρτητα από την χώρα που βρισκόμαστε.

Εισαγωγικά[επεξεργασία]

Ας φανταστούμε ότι κάνουμε ένα πείραμα για την μελέτη της βαρύτητας. Κατα το πείραμά μας αυτό θα χρησιμοποιήσουμε ένα μήλο, το οποίο αφήνουμε να πέσει στη γη από ένα συγκεκριμένο ύψος. Ποιες ποσότητες θα ήταν λοιπόν χρήσιμο να μετρήσουμε για να περιγράψουμε πλήρως το φαινόμενο; Μία απάντηση θα ήταν ο χρόνος που χρειάζεται το σώμα για να πέσει στη γη. Κάποιος άλλος θα πρόσθετε και το ύψος απ'το οποίο το αφήνουμε να πέσει, ενώ κάποιος άλλος θα τόνιζε και τη σημασία της μάζας. Καθώς όμως θελήσουμε να καταγράψουμε αυτές τις πληροφορίες προκύπτει το ερώτημα του πώς θα γίνει αυτό;

Κάθε μέγεθος το περιγράφουμε σε σύγκριση με κάποιο άλλο. Για παράδειγμα, θα μπορούσαμε να πάρουμε ένα ξύλο απ'το έδαφος και να λέγαμε ότι το ύψος που αφήσαμε ήταν 20 φορές το μήκος του ξύλου. Κατά αυτή την επιλόγη προκύπτουν όμως δύο θέματα στα οποία θα πρέπει να δώσουμε ιδιαίτερη προσοχή. Το πρώτο είναι, τι θα γινόταν αν το μέγεθος του ξύλου διαλέξαμε είναι πολυ μικρό για να περιγράψουν το ύψος από το οποίο το αφήσαμε. Για παράδειγμα, αν αφήναμε το μήλο απ'την κορυφή ενός ουρανοξύστη το ύψος θα ισούταν με ένα πολύ μεγάλο πολλαπλάσιο του μήκους του ξύλου, συνεπώς θα μας δυσκόλευε στην μέτρηση. Προκύπτει έτσι η αναγκαιότητα για μια μονάδα μέτρησης που θα μας διευκόλυνε τόσο στα μικρά όσο και στα μεγάλα μεγέθη, σύμφωνα πάντα με το τι μεγέθη μετράμε πιο συχνά. Το δεύτερο θέμα είναι ότι το μέγεθος που επιλέγουμε ως μέτρο αναφοράς θα πρέπει να παραμένει σταθερό και να μην μεταβάλλεται με βάση εξωτερικούς παράγοντες. Στο παράδειγμά μας με το ξύλο, αυτό θα συστέλλοταν και θα διαστέλλοταν ανάλογα με τις αλλαγές της θερμοκρασίας. Αυτή η αλλαγή μπορεί να είναι μικρή αλλά υπολογοσίμη αν, για παράδειγμα, θέλαμε να μετρήσουμε την ακτίνα του ατόμου. Άρα ακόμα μια παράμετρος που θα πρέπει να λάβουμε υπόψιν μας είναι αυτή της ακρίβειας.

Για την μέτρηση των μεγεθών έχει καθιερωθεί να χρησιμοποιούμε δύο στοιχεία, την ποσότητα και την ποιότητα. Το πρώτο χαρακτηρίζει το πόσο μεγάλο είναι το μέγεθος. Το δεύτερο αναφέρεται στο χαρακτήρα του μεγέθους που μετράμε και αναφέρει την μονάδα με την οποία συγκρίνεται το μέγεθος. Χρησιμοποιούμενα σε συνδυασμό μας δίνουν τα χαρακτηριστικά του μεγέθους. Για παράδειγμα, λέμε ότι ένα σώμα έχει μάζα 10 kg. Το 10 αποτελεί την ποσότητα και το χιλιόγραμμο την ποιότητα. Αυτό σημαίνει ότι αν συγκρίνουμε το σώμα με την μονάδα του χιλιογράμμου είναι 10 φορές βαρύτερο.

Το Διεθνές Σύστημα Μονάδων (SI)[επεξεργασία]

Για την μέτρηση των μεγεθών καθιερώθηκε ένα κοινά αποδεκτό σύστημα μονάδων, που έχει ως στόχο την καλύτερη επικοινωνία και επεξεργασία δεδομένων μεταξύ ανθρώπων από άλλες χώρες. Το σύστημα αυτό ονομάζεταιSystéme International και συνήθως χρησιμοποιούμε τη συντομογραφία SI. Χρησιμοποιεί εφτά θεμελιώδη μεγέθη, από τα οποία μπορούν να παραχθούν όλα τα άλλα.

Οι θεμελιώδεις μονάδες στο SI
Μέγεθος Όνομα Σύμβολο
Μήκος μέτρο m
Μάζα χιλιόγραμμο kg
Χρόνος δευτερόλεπτο s
Ένταση ηλεκτρικού ρεύματος αμπέρ A
Θερμοκρασία κέλβιν K
Ποσότητα ύλης μολ mol
Ένταση ακτινοβολίας καντέλλα cd

Μάζα[επεξεργασία]

Εικόνα κατασκευασμένη με υπολογιστή του Διεθνούς Πρότυπου Χιλιογράμμου. Δίπλα του ένα χάρακας σε ίντσες για σύγκριση.

Μονάδα μάζας στο S.I είναι το χιλιόγραμμο. Ορίζεται ότι ισούται με την μάζα ενός κυλίνδρου κατασκευασμένου από κράμα ιριδίου και λευκόχρυσου που φυλάσσεται στο Διεθνές Γραφείο Μέτρων και Σταθμών στο Sévres της Γαλλίας.

Το κράμα το οποίο χρησιμοποιείται είναι 90% λευκόχρυσος και 10% ιρίδιο. Το ύψος του και η διάμετρός του είναι 39,17 mm (φτιάχτηκε έτσι ώστε να ελαχιστοποιηθεί η επιφάνεια του κυλίνδρου). Έχουν φτιαχτεί αντίγραφα αυτού του πρωτοτύπου για να χρησιμεύσουν ως πρότυπα για άλλες χώρες, τα οποία συγκρίνονται με το αρχικό περίπου κάθε 40 χρόνια.

Χρόνος[επεξεργασία]

Το δευτερόλεπτο ορίζεται ως η χρονική διάρκεια 9.192.631.770 ταλαντώσεων που κάνει ένα άτομο καισίου-133. Αυτός ο ορισμός αναφέρεται σε ένα άτομο σε θερμοκρασία 0 K (απόλυτο μηδέν) και χωρίς την ύπαρξη μαγνητικού πεδίου.

Μήκος[επεξεργασία]

Αρχικά το μέτρο ορίστηκε ως το 10-7 της απόστασης του Βόρειου Πόλου από τον Ισημερινό από τον μεσηβρινό που διέρχεται από το Παρίσι. Εγκαταλείφθηκε όμως, κυρίως λόγω της δυσχρηστίας του. Απο τότε έγιναν αρκετές αλλαγές στον ορισμό του, όταν τον Οκτώβριο του 1983 το Γενικό Συνέδριο Μέτρων και Σταθμών όρισε το μέτρο ως την απόσταση που διανύει το φως στο κενό στη διάρκεια 1/299.792.458 δευτερολέπτων.

Θερμοκρασία[επεξεργασία]

Η κλίμακα Κέλβιν χρησιμοποιήθηκε κυρίως λόγω της συσχέτισής της με την κλίμακα Κελσίου. Πιο αυστηρά, η κλίμακα Κέλβιν ορίζεται από δύο σημεία, του απολύτου μηδενός και του τριπλού σημείου του νερού. Το απόλυτο μηδέν είναι η χαμηλότερη θερμοκρασία που μπορεί να υπάρξει στη φύση και το τριπλό σημείο του νερού η θερμοκρασία όπου το νερό μπορεί να υπάρξει και στις τρεις καταστάσεις του - υγρό, στερεό και αέριο. Έτσι συνδέεται με την κλίμακα Κελσίου καθώς το απόλυτο μηδέν ορίζεται ως 0 Κ και -273.15 °C και το τριπλό σημείο του νερού ως 273.16 Κ και 0.01 °C. Ο τύπος μετατροπής από κλίμακα Κελσίου σε Κέλβιν είναι K = °C + 273.15 .

Ένταση ηλεκτρικού ρεύματος[επεξεργασία]

Η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος μετράται στο SI με αμπέρ. Το αμπέρ είναι η ένταση ενός σταθερού ρεύμαοτος το οποίο, αν διαρρέει δύο ευθείς παράλληλους αγωγούς απείρου μήκους και αμελητέας διατομής, και τοποθετηθούν ένα μέτρο μακριά στο κενό θα αναπτυχθεί μεταξύ των αγωγών μια δύναμη ίση με 2 10-7 N/m

Ένταση φωτοβολίας[επεξεργασία]

Σύμφωνα με το 16ο Γενικό Συμβούλιο Μέτρων και Σταθμών η καντέλα ορίστηκε ως ένταση φωτοβολίας σε μια ορισμένη κατεύθυνση μια φωτεινής πηγής που εκπέμπει μονοχρωματική ακτινοβολία συχνότητας 540 1012 Hz και έχει ένταση ακτινοβολίας σε αυτή την κατεύθυνση 1/683 watt ανά στερακτίνιο.

Ποσότητα ύλης[επεξεργασία]

Η ποσότητα ύλης στο SI μετράται με το μολ. Ένα μολ είναι η ποσότητα που περιέχει περίπου 6.02214 1023 οντότητες.
Δεν πρέπει να συγχέουμε την ποσότητα ύλης με την μάζα. Η ποσότητα ύλης σαν ποσότητα μοιάζει πιο πολύ με την ντουζίνα (δωδεκάδα). Μπορούμε για παράδειγμα να πούμε ότι έχουμε μια ντουζίνα αυγά και μια ντουζίνα μόρια. Το ίδιο και με την ποσότητα ύλης. Είναι προφανές λοιπόν ότι δύο μολ από διαφορετικά χημικά είδη δεν έχουν απαραίτητα την ίδια μάζα, αλλά περιέχουν τον ίδιο αριθμό βασικών σωματιδίων (δηλαδή ατόμων, μορίων ή ιόντων).

Πολλαπλάσια και υποπολλαπλάσια[επεξεργασία]

Επειδή πολλά μεγέθη για να συγκριθούν με την πρότυπη μονάδα θέλουν πολύ μεγάλους ή πολύ μικρούς συντελεστές (όπως η απόστασης Γης-Ήλιου ή η ακτίνα του ατόμου) χρησιομοποιούμε δυνάμεις του 10 ώστε να διευκολυνθούμε στην γραφή αυτών των ποσοτήτων. Υπάρχουν πολλά πολλαπλάσια και υποπολλαπλάσια, τα κυριότερα από τα οποία δίνονται στον παρακάτω πίνακα.

Πίνακας 2 - Πολλαπλάσια και Υποπολλαπλάσια
Όνομα yotta- zetta- exa- peta- tera- giga- mega- kilo- hecto- deca-
Σύμβολο Y Z E P T G M k h da
Παράγοντας 1024 1021 1018 1015 1012 109 106 103 102 101
Όνομα deci- centi- milli- micro- nano- pico- femto- atto- zepto- yocto-
Σύμβολο d c m µ n p f a z y
Παράγοντας 10-1 10-2 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18 10-21 10-24

Χρησιμοποιούμενο το σύμβολο με την μονάδα μας δίνει το αντίστοιχο πολλαπλάσιο ή υποπολλαπλάσιο. Για παράδειγμα το 2,5 dm σημαίνει ότι έχουμε 2,510-1 m. Θα πρέπει να αποσαφηνιστεί όμως ότι το για την μάζα το ίδιο το χιλιόγραμμο (kg) σημαίνει ότι έχουμε χίλια γραμμάρια, δηλαδή 1 kg είναι 103 gr.

Διανύσματα[επεξεργασία]

Φυσικές σταθερές[επεξεργασία]

Συντελεστές μετατροπής μονάδων μέτρησης[επεξεργασία]

Άλλα παραρτήματα[επεξεργασία]

Σημειώσεις[επεξεργασία]

  1. Η λέξη προέρχεται από την ελληνική λέξη «φύση».
  2. Richard Feynman begins his Lectures with the atomic hypothesis, as his most compact statement of all scientific knowledge: "If, in some cataclysm, all of scientific knowledge were to be destroyed, and only one sentence passed on to the next generations ..., what statement would contain the most information in the fewest words? I believe it is ... that all things are made up of atoms – little particles that move around in perpetual motion, attracting each other when they are a little distance apart, but repelling upon being squeezed into one another. ..." R.P. Feynman, R.B. Leighton, M. Sands (1963). The Feynman Lectures on Physics. ISBN 0-201-02116-1.
  3. J.C. Maxwell (1878). Matter and Motion. D. Van Nostrand. ISBN 0-486-66895-9. “Physical science is that department of knowledge which relates to the order of nature, or, in other words, to the regular succession of events.”
  4. H.D. Young, R.A. Freedman (2004). University Physics with Modern Physics, 11th, Addison Wesley. “Physics is an experimental science. Physicists observe the phenomena of nature and try to find patterns and principles that relate these phenomena. These patterns are called physical theories or, when they are very well established and of broad use, physical laws or principles.”
  5. S. Holzner (2006). Physics for Dummies. Wiley. ISBN 0-470-61841-8. “Physics is the study of your world and the world and universe around you.”
  6. Note: The term 'universe' is defined as everything that physically exists: the entirety of space and time, all forms of matter, energy and momentum, and the physical laws and constants that govern them. However, the term 'universe' may also be used in slightly different contextual senses, denoting concepts such as the cosmos or the philosophical world.
  7. Evidence exists that the earliest civilizations dating back to beyond 3000 BCE, such as the Sumerians, Ancient Egyptians, and the Indus Valley Civilization, all had a predictive knowledge and a very basic understanding of the motions of the Sun, Moon, and stars.
  8. Francis Bacon's 1620 Novum Organum was critical in the development of scientific method.