Back

ⓘ פיזיקה




                                               

שחלוף

                                               

קוהרנטיות

פיזיקה
                                     

ⓘ פיזיקה

פִיזִיקָה היא ענף במדעי הטבע החוקר את חוקי היסוד של הטבע כפי שהם באים לידי ביטוי בכל מערכת הניתנת לתצפית, בכדור הארץ ובחלל. הנושאים בהם עוסקת הפיזיקה כוללים תנועת עצמים, התנהגות החומר, חקר האנרגיה והשפעת חוקי טבע מסוימים על רצף המרחב והזמן. מדע הפיזיקה מתפתח על ידי תצפיות וממצאים, המגובשים לכדי תאוריות וחוקים המתוארים לרוב בשפה של משוואות לוגיות. ככל שיש יותר תצפיות ומתקבלים יותר ממצאים מביצוע של ניסויים, עשויות התאוריות הללו להתעדכן ולהשתכלל.

נהוג לחלק את הפיזיקה לשני תחומים עיקריים:

  • הפיזיקה הקלאסית, הכוללת תחומים כמו: מכניקה, תרמודינמיקה ואלקטרומגנטיות. תחומים אלו מהווים את היסוד להבנת תחומים מודרניים יותר.
  • הפיזיקה המודרנית שהתחומים העיקריים בה הם מכניקת הקוונטים, תורת היחסות, פיזיקה גרעינית, פיזיקה של חומר מעובה, ביופיזיקה, פיזיקת חלקיקים ופיזיקה סטטיסטית. תחומים אלו מהווים את רוב פעילותם ומחקרם של הפיזיקאים בימינו.

ההבחנה בין פיזיקה מודרנית לבין קלאסית אינה קשיחה וברורה. לדוגמה תורת הכאוס שפותחה בעיקר בחצי השני של המאה ה-20 מסתמכת על הנחות יסוד של פיזיקה קלאסית בלבד ועדיין מהווה תחום מחקר מודרני ופעיל. מכניקה סטטיסטית שעוזרת רבות בחקר מודרני של מערכות רבות חלקיקים בעלי התנהגות קוונטית החלה את דרכה במאה ה-19, הרבה לפני תורת היחסות ומכניקת הקוונטים.

הפיזיקה קרובה מאוד למדעי טבע אחרים, במיוחד כימיה, מדע הפרודות והתרכובות הכימיות שהן יוצרות ביחד. הכימיה נסמכת על תחומים רבים בפיזיקה, ובפרט מכניקת הקוונטים, תרמודינמיקה ואלקטרודינמיקה. פיזיקה אטומית ופיזיקה מולקולרית נמצאות על התפר בין הפיזיקה לכימיה.

                                     

1.1. תולדות הפיזיקה העת העתיקה

מתחילת ההיסטוריה האנושית, ניסה האדם להבין את התנהגות החומר: מדוע עצמים נופלים לקרקע באין תמיכה, מדוע לחומרים שונים יש תכונות שונות, וכן הלאה. גם אופי היקום היה מסתורי, כמו צורת כדור הארץ והתנהגות גופים שמימיים, כמו השמש והירח. מספר תאוריות הוצעו, רובן היו שגויות. תאוריות אלו נוסחו ברובן במונחים פילוסופיים או מטאפיזיים, ומעולם לא אומתו בניסויים שיטתיים. יש יוצאים מן הכלל: לדוגמה, ההוגה היווני ארכימדס מצא תיאורים כמותיים נכונים רבים במכניקה והידרוסטטיקה.

לעומת זאת, דווקא בתחום האסטרונומיה גילו הקדמונים דיוק רב בביצוע תצפיות אחרי מסלולים של כוכבים ותיעוד תצפיות אלה. האסטרונומיה הייתה מפותחת ברוב התרבויות הגדולות, לרבות מצרים העתיקה, בבל העתיקה, סין, הודו ויוון העתיקה. האסטרונום היווני תלמי אף הציע מודל מתמטי-גאומטרי שהסביר בצורה נאה את תנועת הכוכבים כפי שנצפית בשמיים. אף על פי שהיה שגוי, מודל זה היה כה מוצלח מבחינה אמפירית שהוא שלט בכיפה עד להופעתו של המודל הקופרניקני. חשיבותו של המודל היווני לתנועת כוכבי הלכת היא השימוש במתמטיקה לצורך הפיזיקה, לא רק ככלי תיאורי גרידא אלא כביטוי כמותי לחוקי הטבע, שמהם אף אפשר לחזות תופעות שניתנות לצפייה על ידי ביצוע חישובים מתאימים על פרטי המודל.

                                     

1.2. תולדות הפיזיקה הפיזיקה כמדע

בשלהי המאה ה־16 גלילאו היה הראשון שהשתמש בניסוי כדי לאמת תאוריות פיזיקליות, שהוא העיקרון המנחה של השיטה המדעית. גלילאו ניסח ובדק בהצלחה מספר תוצאות בדינמיקה, ובמיוחד חוק התנע. ב־1687 ניוטון פרסם את ספרו "היסודות המתמטיים של פילוסופית הטבע" Principia Mathematica, המתאר שתי תאוריות פיזיקליות שלמות ומצליחות: חוקי התנועה של ניוטון, מהם נובעת המכניקה הקלאסית; וחוק הכבידה של ניוטון, המתאר את הכוח היסודי של הכבידה. שתי התאוריות התאימו היטב לניסויים. המכניקה הקלאסית הורחבה מאוד על ידי לגראנז, המילטון ואחרים, שיצרו ניסוחים, עקרונות ותוצאות חדשות. חוק הכבידה הביא לפיתוח שדה האסטרופיזיקה, המתאר תופעות אסטרונומיות בעזרת תאוריות פיזיקליות.

החל מן המאה ה־18, פותחה התרמודינמיקה על ידי בויל, יאנג ואחרים. בשנת 1733, ברנולי השתמש בטיעונים סטטיסטיים עם מכניקה קלאסית כדי להשיג תוצאות תרמודינמיות, והניח את היסוד למכניקה סטטיסטית. בשנת 1798, תומפסון הדגים המרת עבודה מכנית לחום, וב־1847 גאול ניסח את חוק שימור האנרגיה, בצורת חום ובצורת אנרגיה מכנית.

התנהגות החשמל והמגנטיות נחקרה על ידי פאראדיי, אוהם ואחרים. ב־1855 מקסוול איחד את שתי התופעות לתורה יחידה של אלקטרומגנטיות, המתוארת על ידי משוואות מקסוול. ניבוי של תורה זו היה שהאור הוא גל אלקטרומגנטי.

בשנת 1895 רנטגן גילה את קרני ה־X, שהתגלו כקרינה אלקטרומגנטית בתדר גבוה. רדיואקטיביות התגלתה על ידי אנרי בקרל, ונחקרה עוד על ידי פייר ומארי קירי, ואחרים. זה הניח את הבסיס לשדה הפיזיקה הגרעינית.

קיומו של האטום הוצע ב־1808 על ידי דלטון. ב־1897 גילה גיי תומסון את האלקטרון, החלקיק היסודי הנושא זרם חשמלי במעגלים. ב־1904 הוא מציע את הדגם הראשון של האטום.

                                     

1.3. תולדות הפיזיקה המאה ה-20 ואילך

הפיזיקה עברה מהפך כללי במאה ה-20. תורת היחסות שינתה את תפיסת הזמן והמרחב, ואת הבנת כוח הכבידה. תורת הקוונטים שינתה את התפיסה של פילוסופיה מכניסטית, ואת ההפרדה בין גלים לחלקיקים, ולאחר מכן המודל הסטנדרטי הכליל את התגובות הבסיסיות ביותר הידועות כיום בין חלקיקים. כתוצאה מההבנה הפיזיקלית של הטבע נוצרו חידושים טכנולוגיים רבים אשר שינו באופן מהותי את חיי היום-יום של בני האדם.

בשנת 1905 ניסח איינשטיין את תורת היחסות הפרטית, המאחדת את הזמן והמרחב לישות אחת, מרחב-זמן. הוא הגיע אל תורה זו מתוך התבוננות במשוואות מקסוול, ותוצאות ניסוי מייקלסון-מורלי. היחסות דורשת טרנספורמציה שונה בין מסגרות ייחוס מאשר המכניקה הקלאסית; דבר זה הצריך את פיתוח המכניקה היחסותית כתחליף למכניקה הקלאסית. בתחום המהירויות הנמוכות, שתי התאוריות תואמות. ב־1915 הרחיב איינשטיין את תורת היחסות הפרטית כדי להסביר את הכבידה עם תורת היחסות הכללית, המחליפה את חוק הכבידה של ניוטון. בתחום של מאסות ואנרגיות נמוכות, שתי התאוריות תואמות.

בשנת 1911, רתרפורד הסיק מניסויי פיזור את קיומו של גרעין אטומי, עם רכיבים בעלי מטען חשמלי חיובי, שכונו פרוטונים. נייטרונים, הרכיבים הנייטרליים בגרעין, התגלו ב־1932 על ידי צאדוויק.

החל בשנת 1900, פלאנק, איינשטיין, בוהר ואחרים פיתחו תורות קוונטיות כדי להסביר תוצאות ניסויים לא רגילות על ידי הצגת רמות אנרגיה בדידות. ב־1925 הייזנברג, וב־1926 שרדינגר ודיראק, ניסחו את מכניקת הקוונטים, שהסבירה את התאוריות הקוונטיות שקדמו לה. במכניקה קוונטית, תוצאות מדידות פיזיקליות הן הסתברותיות לחלוטין. התורה מסבירה את חישוב ההסתברויות האלו. היא מסבירה בהצלחה את התנהגות החומר בקנה מידה קטן מאוד.

מכניקה קוונטית מספקת גם את הכלים התאורטיים עבור פיזיקת מצב מוצק, החוקרת את ההתנהגות הפיזיקלית של חומר מעובה הכולל תופעות כגון מבנים גבישיים, מוליכות למחצה ומוליכות על. בין חלוצי פיזיקת המצב המוצק היה פליקס בלוך, שיצר תיאור של התנהגות האלקטרונים במבנים גבישיים על פי המכניקה הקוונטית ב־1928.

במהלך מלחמת העולם השנייה, נערכו מחקרים על ידי הצדדים בתחום הפיזיקה הגרעינית, על מנת ליצור פצצה גרעינית. המאמץ הגרמני, שהונהג בידי הייזנברג, לא הצליח, אך פרויקט מנהטן של בעלות הברית הגיע אל מטרתו. באמריקה, צוות בראשות פרמי השיג את תגובת השרשרת הגרעינית שנעשתה בידי אדם הראשונה מעולם בשנת 1942, וב־1945 נוסה הנשק הגרעיני לראשונה באתר טריניטי, סמוך לאלאמוגורדו, ניו מקסיקו.

תורת השדות הקוונטית נוסחה על מנת להרחיב את המכניקה הקוונטית כך שתהיה עקבית עם היחסות הפרטית. היא השיגה את מטרתה בשלהי שנות ה־40 של המאה ה־20, עם עבודתם של ריצרד פיינמן, גוליאן שווינגר, טומונאגה ודייסון. הם ניסחו את תורת האלקטרודינמיקה הקוונטית, המתארת את היחסים האלקטרודינמיים.

תורת השדות הקוונטית מספקת את המסגרת לפיזיקת החלקיקים המודרנית, החוקרת את הכוחות היסודיים ואת החלקיקים היסודיים. בשנת 1954 פיתחו יאנג ומילס אוסף של תאוריות שסיפקו את המסגרת עבור המודל הסטנדרטי. המודל הסטנדרטי, שהושלם בשנות השבעים, מתאר בהצלחה את כמעט כל החלקיקים היסודיים שנצפו עד כה.



                                     

2. תגליות פיזיקליות מרכזיות

  • נייטרון – גיימס צדוויק, הממלכה המאוחדת, 1932
  • חוק הכבידה – אייזק ניוטון, 1687
  • הולוגרפיה – דניס גאבור, 1947
  • E=mc² שקילות מסה ואנרגיה ותורת היחסות – אלברט איינשטיין, גרמניה, 1905; 1915.
  • חוק המאזניים – ארכימדס
  • פוזיטרון – אנטי-אלקטרון – קארל דייוויד אנדרסון, ארצות הברית, 1932
  • אלקטרון – גיי תומסון, הממלכה המאוחדת, 1897
  • ביקוע גרעיני
  • מהירות האור קבועה בכל מצב ולכן הזמן איננו קבוע – מייקלסון ומורלי, 1887
  • חוק הציפה – ארכימדס
  • חיזוי אנטי-חומר – פול דיראק, הממלכה המאוחדת, 1928
  • שדה חשמלי
  • קרני רנטגן – וילהלם רנטגן, גרמניה, 8 בנובמבר 1895
  • קוונטיזציה של אנרגיה – מקס פלאנק, גרמניה, 1900
  • קווארק – מארי גל-מאן, ארצות הברית, יובל נאמן, ישראל, 1969
  • פרוטון – ארנסט רתרפורד, הממלכה המאוחדת, 1918
  • רדיואקטיביות – מארי קירי
  • ספקטרום – אייזק ניוטון, 1666
  • משוואות מקסוול וגלים אלקטרומגנטיים – גיימס קלרק מקסוול
                                     

3. פיזיקה תאורטית

ערך מורחב – פיזיקה תאורטית

פיזיקה תאורטית או פיזיקה עיונית משתמשת במודלים מתמטיים ובהפשטת הפיזיקה בניסיון להבין את הטבע.

הפיזיקה המתמטית היא כלי מרכזי בתחום זה, על אף שישנן טכניקות נוספות בהן נעזרים. המטרה היא להבין, להסביר ולחזות תופעות פיזיקליות.

התקדמות המדע תלויה בדרך כלל בפעולה ההדדית בין הפיזיקה התאורטית והפיזיקה הניסויית. בחלק מהמקרים, דובקת הפיזיקה התאורטית בבסיס של המתמטיקה הקפדנית, בעוד היא נותנת משקל מועט לניסויים ותצפיות. למשל, בפיתוחו את תורת היחסות הפרטית, התעסק איינשטיין עם טרנספורמציות לורנץ שהשאירו את משוואות מקסוול קבועות, אולם לא התעניין באופן גלוי בניסוי מייקלסון-מורלי שעסק בתנועת כדור הארץ דרך האתר. מנגד, איינשטיין נשען על תהליך ניסויי נטול משוואות תאורטיות, בהסבירו את האפקט הפוטואלקטרי, דבר שזיכה אותו בפרס נובל.

                                     

4. כיווני מחקר עתידיים

ערך מורחב – בעיות פתוחות בפיזיקה

נכון לשנת 2018, המחקר מתקדם במספר גדול של תחומים בפיזיקה.

בפיזיקת המצב המוצק, הבעיה התאורטית הבלתי פתורה הגדולה ביותר כיום היא ההסבר למוליכות-על בטמפרטורות גבוהות. מאמצים רבים, ניסויים ברובם, מושקעים ביצירת ספינטרוניקה מעשית ומחשבים קוונטים.

בפיזיקת החלקיקים, העדויות הניסיוניות הראשונות לפיזיקה מעבר למודל הסטנדרטי החלו להופיע. החשובה מביניהן היא העדות שלנייטרינו יש מסה לא אפסית. נראה שתוצאות ניסויות אלו פתרו את בעיית הנייטרינו הסולארי הוותיקה בפיזיקה של השמש. הפיזיקה של נייטרינו מסיביים היא כרגע תחום בו מבוצעים מחקרים תאורטיים וניסויים רבים. בשנת 2008, מאיצי חלקיקים החלו בחקר אנרגיות בקנה מידה של טרה-אלקטרון-וולט טריליון אלקטרון-וולט, בו מקווים החוקרים למצוא עדויות לבוזון היגס ולבני זוג סופרסימטריים.

ניסיונות תאורטיים לאחד את מכניקת הקוונטים ואת תורת היחסות הכללית לתאוריה אחת של כבידה קוונטית, תוכנית הנמשכת כבר מעל חצי מאה, טרם נשאו פרי. המועמד המוביל כיום הוא תורת M ה-11 ממדית.

תופעות אסטרונומיות טרם הוסברו, כולל קיומן של קרניים קוסמיות באנרגיה אולטרה גבוהה ושיעורי סיבוב לא צפויים של גלקסיות. הוצעו תאוריות לפתרון בעיות אלו, כולל יחסות פרטית כפולה, דינמיקה ניוטונית מתוקנת, וקיומו של חומר אפל. בנוסף, התחזיות הקוסמולוגיות של העשורים האחרונים נסתרו על ידי עדויות חדשות לפיהן התפשטות היקום מאיצה.



                                     

5. לקריאה נוספת

  • פיינמן, QED התאוריה המוזרה של אור וחומר, הקיבוץ המאוחד, 1998
  • פול ג היואיט, פיזיקה לכל, מכון ברנקו וייס, 1997
  • פיינמן, The Character of Physical Law‏, Random House Modern Library‎‏, 1994, ISBN 0679601279
  • ספרי פיזיקה ומדריך לימודים באתר ויקיספרים.
  • אלברט איינשטיין וליאופולד אינפלד, התפתחות הפיזיקה החדשה - ממושגים ראשונים ועד יחסיות וקואנטים, ספרית פועלים, 1976
  • פרופ יורם קירש, ‏ יסודות הפיזיקה א, האוניברסיטה הפתוחה, 1999 הספר במיזם פא"ר קריאת הספר בתצוגה מלאה באתר "גוגל ספרים"
  • פרופ יורם קירש ומיכל בן-יעקב, ‏ יסודות הפיזיקה ב, האוניברסיטה הפתוחה, 1998 הספר במיזם פא"ר קריאת הספר בתצוגה מלאה באתר "גוגל ספרים"
  • יורם קירש, היקום על פי הפיזיקה המודרנית, תל אביב: עם עובד, 2006, ISBN 9651318201
  • פיינמן, Leighton, Sands, The Feynman Lectures on Physics, Addison-Wesley‏ 1970, 3 כרכים, כריכה רכה, ISBN 0201021153; כריכה קשה, מהדורת זיכרון, 1989, ISBN 0201500647
  • בריאן גרין, The Elegant Universe: Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory,‏ 464 עמודים, כריכה רכה, Vintage Books,‏ 2000, ISBN 0375708111; כריכה קשה, W.W. Norton & Company,‏ 2003, ISBN 0393058581
                                     

6. קישורים חיצוניים

  • אתר חדשות בתחום הפיזיקה באנגלית
  • הסברים על פיזיקה בשפה פשוטה באנגלית
  • התפתחות הפיזיקה במאה העשרים - באתר ה-American Physical Society באנגלית
  • פיזיקה, באתר אנציקלופדיה בריטניקה באנגלית
  • Eric Weisstein, Weisstein and Wolfram Research, Inc., and et al, World of Physics - אנציקלופדיה פיזיקלית מקוונת באנגלית
  • יואב בן-דב, מבוא לפיזיקה: היסטוריה, תאוריות ומושגים
  • מרכז מידע על פיזיקה באנגלית
  • Carl R. Nave, HyperPhysics - מפות מושגים בפיזיקה עם קישורים צולבים באנגלית
  • מילונים למונחי פיזיקה | פיזיקה 1930 | חשמל ומגנטיות 1976 | אופטיקה 1977 | מכניקה 1973 | אקוסטיקה 1985 | פיזיקה מודרנית 1993 | באתר האקדמיה ללשון
  • מדור פיזיקה באתר הידען הכולל מאמרים וחדשות בתחום הפיזיקה