פיזיקה
|
עיינו גם בפורטל
פורטל הפיזיקה מהווה שער לחובבי הפיזיקה ולמתעניינים בתחום. בפורטל תוכלו למצוא מידע על פיזיקאים חשובים, על ענפי הפיזיקה, על תאוריות פיזיקליות ועוד. |
פִיזִיקָה (מהמילה היוונית φύסις, "פיסיס" – "טבע") 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 הטבע 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.
תולדות הפיזיקה
ערך מורחב – היסטוריה של 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.
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 כוחות היסוד 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 ג'אול 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 ג'וזף ג'ון תומסון את האלקטרון, החלקיק היסודי הנושא זרם חשמלי במעגלים. ב־1904 הוא מציע את הדגם הראשון של האטום.
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. היחסות דורשת טרנספורמציה שונה בין מסגרת ייחוס מאשר המכניקה הקלאסית; דבר זה הצריך את פיתוח המכניקה היחסותית. ב־1915 הרחיב איינשטיין את תורת היחסות הפרטית כדי להסביר את הכבידה עם תורת היחסות הכללית, המחליפה את חוק הכבידה של ניוטון.
בשנת 1911, רתרפורד הסיק מניסויי פיזור את קיומו של גרעין אטומי. נייטרונים, הרכיבים הנייטרליים בגרעין, התגלו ב־1932 על ידי צ'אדוויק.
החל בשנת 1900, פלאנק, איינשטיין, בוהר ואחרים פיתחו תורות קוונטיות. ב־1925 הייזנברג, וב־1926 שרדינגר ודיראק, ניסחו את מכניקת הקוונטים.
תגליות בולטות במאה ה-21
בעשורים האחרונים הושגו פריצות דרך משמעותיות המאששות תחזיות תיאורטיות ותיקות בפיזיקה:
- גלי כבידה: בשנת 2015 נמדדו לראשונה גלי כבידה על ידי גלאי ה-LIGO, אישור לתחזית של אלברט איינשטיין משנת 1916. גילוי זה פתח צוהר לאסטרונומיה מסוג חדש.
- חורים שחורים: בשנת 2019 פורסמה התמונה הראשונה של אופק אירוע של חור שחור בגלקסיה M87, צעד המהווה הוכחה ויזואלית לקיומם של עצמים אלו.
- מחשוב קוונטי: מחקרים בתחום האינפורמציה הקוונטית הובילו לפיתוח מעבדים הפועלים על פי עקרון הסופרפוזיציה, במטרה לפתור בעיות חישוביות מורכבות שהן מעבר ליכולתם של מחשבים קלאסיים.
תגליות פיזיקליות מרכזיות
כוחות היסוד בטבע
הפיזיקה המודרנית מסבירה את היקום באמצעות ארבעה כוחות יסודיים:
| הכוח | חלקיק נושא הכוח | טווח | עוצמה יחסית |
|---|---|---|---|
| הכוח הגרעיני החזק | גלואון | קצר מאוד (גרעין האטום) | 1 |
| הכוח האלקטרומגנטי | פוטון | אינסופי | 1/137 |
| הכוח הגרעיני החלש | בוזוני W ו-Z | קצר מאוד | 10⁻⁶ |
| כוח הכבידה | גרביטון (משוער) | אינסופי | 10⁻³⁸ |
רשימת תגליות ומונחים בולטים
- חוק הציפה – ארכימדס
- חוק המאזניים – ארכימדס
- ספקטרום – אייזק ניוטון, 1666
- חוק הכבידה – אייזק ניוטון, 1687
- שדה חשמלי
- משוואות מקסוול וגלים אלקטרומגנטיים – ג'יימס קלרק מקסוול
- רדיואקטיביות – מארי קירי
- ביקוע גרעיני
- הולוגרפיה – דניס גאבור, 1947
- קרני רנטגן – וילהלם רנטגן, 1895
- אלקטרון – ג'יי ג'יי תומסון, 1897
- E=mc² ותורת היחסות – אלברט איינשטיין, 1905; 1915.
- קוונטיזציה של אנרגיה – מקס פלאנק, 1900
- פרוטון – ארנסט רתרפורד, 1918
- נייטרון – ג'יימס צ'דוויק, 1932
- חיזוי אנטי-חומר – פול דיראק, 1928
- פוזיטרון – קארל דייוויד אנדרסון, 1932
- קווארק – מארי גל-מאן ויובל נאמן, 1969
- מהירות האור קבועה – מייקלסון ומורלי, 1887
פיזיקה תאורטית
- ערך מורחב – פיזיקה תאורטית
פיזיקה תאורטית משתמשת במודלים מתמטיים בניסיון להבין את הטבע. המטרה היא להבין, להסביר ולחזות תופעות פיזיקליות. התקדמות המדע תלויה בדרך כלל בפעולה ההדדית בין הפיזיקה התאורטית והפיזיקה הניסויית.
פיזיקה יישומית וטכנולוגיה
הפיזיקה יישומית עוסקת בתרגום חוקי הטבע למכשירים וכלים בשירות האדם:
- אלקטרוניקה: חקר המוליכים למחצה אפשר את פיתוח הטרנזיסטור, העומד בלב המחשוב המודרני.
- רפואה: טכנולוגיות כגון MRI ו-CT מבוססות על עקרונות פיזיקליים של תהודה מגנטית וקרינה.
- ניווט: מערכות GPS נסמכות על תיקוני זמן הנובעים מתורת היחסות הכללית.
כיווני מחקר עתידיים
- ערך מורחב – בעיות פתוחות בפיזיקה
נכון לשנת 2018, המחקר מתקדם בתחומים רבים. בפיזיקת המצב המוצק, הבעיה המרכזית היא מוליכות-על בטמפרטורות גבוהות. בפיזיקת החלקיקים, מחפשים עדות לפיזיקה מעבר למודל הסטנדרטי. ניסיונות לאחד את מכניקת הקוונטים ואת תורת היחסות הכללית לכדי כבידה קוונטית טרם נשאו פרי.
היבטים מחשבתיים ותורניים
חקר הפיזיקה נחשב בעיני הוגים רבים ככלי להתבוננות בחוכמת הבורא המשתקפת בחוקי הטבע. כפי שמציין הרמב"ם (הלכות יסודי התורה ב, ב), דרך חקירת נפלאות הבריאה והבנת חוקי הטבע, מגיע האדם להכרה בחוכמה האינסופית של הבורא. מושג ה"כיוונון העדין" (Fine-tuning) בפיזיקה המודרנית משמש בסיס לדיונים על התכנון התבוני הקיים ביקום.
לקריאה נוספת
- 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" )
- אלברט איינשטיין וליאופולד אינפלד, התפתחות הפיזיקה החדשה - ממושגים ראשונים ועד יחסיות וקואנטים, ספרית פועלים, 1976
- פול ג' היואיט, פיזיקה לכל, מכון ברנקו וייס, 1997
- ספרי פיזיקה ומדריך לימודים באתר ויקיספרים.
- פיינמן, QED התאוריה המוזרה של אור וחומר, הקיבוץ המאוחד, 1998
- יורם קירש, היקום על פי הפיזיקה המודרנית, תל אביב: עם עובד, 2006, מסת"ב 9651318201
קישורים חיצוניים
- מדור פיזיקה באתר הידען
- יואב בן-דב, מבוא לפיזיקה: היסטוריה, תאוריות ומושגים
- התפתחות הפיזיקה במאה העשרים - APS (באנגלית)
- World of Physics - אנציקלופדיה פיזיקלית (באנגלית)
- HyperPhysics - מפות מושגים בפיזיקה (באנגלית)
- מילונים למונחי פיזיקה באתר האקדמיה ללשון: פיזיקה (1930) | פיזיקה מודרנית (1993)
- פיזיקה, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
הערות שוליים
פיזיקה35354023Q413