היסטוריה של הפיזיקה עד המאה ה-20

פיזיקה הינה חקר הטבע, וביתר פירוט חקר תופעות הטבע המדידות, כגון תנועתם של כוכבים בשמים, דינמיקה של גופים על פני כדור הארץ, תנועת נוזלים, חום ועוד.

התפתחות הפיזיקה הביאה לשינויים משמעותיים בעולם החומרי, במתמטיקה בפילוסופיה, ודרך פיתוח הטכנולוגיה, גם לשינויים חברתיים. הפיזיקה הניסויית החלה בימי הביניים, עם ניסויים באופטיקה, דינמיקה וסטטיקה. המהפכה המדעית, שהחלה באמצע המאה ה-16 ונמשכה לתוך המאה ה-17, נחשבת לקו הגבול בין החשיבה המדעית הישנה לפיזיקה הקלאסית. הפיכתה של הפיזיקה למדע נפרד מ"פילוסופיית הטבע" החלה עם מהפכה זו. תחילת המאה ה-20 מסמנת קו גבול חדש עם פיזיקה מודרנית יותר.

ההיסטוריה של הפיזיקה קשורה באופן הדוק להתפתחות ענפים מדעיים נוספים, במיוחד המתמטיקה והכימיה; התפתחויות בפיזיקה דחפו ליצירת תורות מתמטיות כגון החשבון האינפינטיסמלי, שבתורן היו חיוניות להתפתחות הפיזיקה; תגליות בכימיה כגון המצאת הטבלה המחזורית, היו צעדים חשובים בדרך לגילויים בפיזיקה (במקרה זה של גילוי מבנה האטום ושל תורת הקוונטים) שבתורם נתנו בסיס מתמטי לכימיה.

[עריכה] פרהיסטוריה והעת העתיקה

אלוהים בורא את האור, ביום הראשון לבריאה. תחריט של גוסטב דורה

מאז ימי קדם, ניסו בני האדם להבין את התנהגות היקום, והעלו שאלות רבות אודותיו:

• מדוע עצמים שאינם נתמכים נופלים לארץ?
• מדוע יש לחומרים שונים תכונות שונות?
• מהי צורת כדור הארץ?
• כיצד מתנהגים עצמים שמימיים כמו השמש, הירח והכוכבים, ומדוע?

עדות לכך היא שבכל התרבויות הקדומות ישנן מיתולוגיות המכילות את סיפור בריאת העולם וכן סיפורים המספקים הסברים לתופעות טבע שונות. לדוגמה, במיתולוגיה היוונית תנועת השמש מוסברת בכך שאל השמש (אפולו) נע כל יום בשמים במרכבה עשויה אש, וכן שברקים הנם כלי המלחמה של זאוס מלך האלים.

תחום אחד שבו רוב התרבויות הקדומות הצטיינו היה אסטרונומיה. לחקר הכוכבים הייתה משמעות דתית רחבה בנוסף לחשיבות מעשית. על פי מיקומי הכוכבים יכלו חקלאים לקבוע במדויק את עונות השנה. כך לדוגמה האתר סטונהנג' שבאנגליה שנבנה בין המאה ה-25 למאה ה-20 לפנה"ס, שימש על פי כמה תאוריות לתצפיות אסטרונומיות, והציר המרכזי שלו בנוי כך שהשמש תזרח דרכו ביום הארוך בשנה. גם הפירמידה הגדולה של גיזה המתוארכת לאמצע האלף השלישי לפנה"ס, ולהבדיל הפירמידות של המאיה מראות על ידע אסטרונומי נרחב של בוניהם. הניצנים של האסטרונומיה המערבית החלו במסופוטמיה. כישוריהם החשבוניים של הבבלים איפשרו להם למדוד את המרחק לירח בדיוק מרשים. בימיו של נבוכדנצר (747-733 לפנה"ס) החל להתבצע תיעוד שיטתי של תנועת הכוכבים, שאיפשר להם לגלות מחזוריות שונות, כגון מחזוריות של 18 שנה בין ליקויי הירח. תיעוד זה שימש את תלמי כאלף שנים מאוחר יותר, בבואו לתת מודל מתמטי לתנועת הכוכבים.

[עריכה] יוון העתיקה

שער מהדורה בעברית שיצאה בעידוד הגר"א (האג, תק"ם 1780)

יוון העתיקה, הנחשבת ערש התרבות המערבית, העלתה תרומות חשובות להתפתחות הפיזיקה במישורים רבים. הפילוסופיה העשירה שהתפתחה ביוון הציעה שפע של תורות והשקפות לגבי מהות העולם ומרכיביו. התרומה הגדולה ביותר של הפילוסופיה היוונית (לעומת הפילוסופיה ההודית לדוגמה, שהייתה אולי עשירה אף יותר ברעיונות והשקפות עולם), הייתה בשיטה המדעית, על פיה ניתן להכריע בין תפיסות שונות על סמך טיעונים מבוססי היגיון. פילוסופים שונים הציגו תפיסות עולם מתחרות, כך לדוגמה: הפילוסוף פרמנידס (520 ל-430 לפנה"ס) טען שהיקום מוכרח להיות הומוגני, כלומר החומר חייב למלא את היקום בצורה אחידה לגמרי ומכאן שלא ייתכן מקום לשינוי ולתנועה (כל השינויים שאותם אנו רואים הינם אשליה של החושים). הפילוסוף דמוקריטוס הציג את התפיסה לפיה היקום בנוי מיחידות בניין יסודיות שלהם הוא קרא "אטומים". הפילוסוף אפלטון הציג תפישה לפיה המציאות הינה השתקפות של עולם נעלה יותר, 'עולם האידאות' שאותו חוקרת המתמטיקה. תלמידו של אפלטון, אריסטו שלל את גישותיו של אפלטון והציג תורה מטאפיזית שהפכה למקובלת בעולם המערבי במשך מאות השנים הבאות.

את שיאה של שיטה מדעית זו ניתן לראות במתמטיקה שפותחה ביוון העתיקה, ובעיקר בגאומטריה. במאה השלישית לפנה"ס פרסם אוקלידס את הספר "יסודות", שכלל 13 כרכים שבהם רוב רובו של הידע שאגרו היוונים בגאומטריה. כל משפט בספר מוכח על סמך המשפטים הקודמים, וכל 13 הכרכים מתבססים על חמש אקסיומות בלבד המהוות משפטי יסוד.

היוונים הקדמונים העלו לראשונה את הרעיון שהמתמטיקה יכולה לתאר את המציאות הפיזית. פיתגורס ותלמידיו גילו קשר בין אורכו של מיתר וצליל המופק ממנו, ובהשפעת תגלית זו האמינו שהמציאות כולה ניתנת לביטוי מתמטי ופיתחו תורה מיסטית סביב מושג המספר. השקפה זו נדחתה בימי הביניים, אך שבה ועלתה החל מהמאה ה-16 וניתן לראות את השפעתה על קפלר, שניסה לתאר את המציאות בלשון המתמטיקה, ושילב בעבודותיו רעיונות מיסטיים הקרובים לתורה הפיתגוראית.

הישגיהם הנרחבים של היוונים בגאומטריה איפשרו להם לעמת מודלים שונים של היקום עם תצפיות אסטרונומיות (ראו גם: המודל הגאוצנטרי). המודל שהוכח כמוצלח ביותר לתיאור תנועתם של כוכבי הלכת נקרא מודל האפיציקלות (epicycles). על פי מודל זה, כוכבים נעים במעגלים מסביב לנקודות הנעות בעצמן במעגלים סביב כדור הארץ. מודל זה הוצע לראשונה ככל כנראה על ידי אפולוניוס מפרגה (המאה השלישית לפנה"ס), ופותח ושוכלל על ידי היפרכוס מניסאה ואריסטו. ככל שהמודל שוכלל יותר, הוא התאים טוב יותר לתצפיות האסטרונומיות, אך מאידך הוא הפך למסובך יותר. המודל הגיע לשיא שיכלולו בעבודותיו של תלמי, שחי באלכסנדריה במאה השניה לספירה. את עבודותיו האסטרונומיות סיכם תלמי בספר "אלמגסט "(למעשה זהו שמו של התרגום הערבי של הספר), וספר זה הפך לבסיס של האסטרונומיה במשך ימי הביניים ועד לתקופת הרנסאנס.

איור של תלמי

למרות שבמיתולוגיה היוונית כדור הארץ מתואר כשטוח ואף מתואר כי באחד ממסעותיו הגיע הרקולס עד לקצה העולם, היו מדענים יוונים ששיערו שכדור הארץ הוא עגול. ארטוסתנס, שחי במאה השלישית לפנה"ס, הצליח לקבוע את היקף כדור הארץ על ידי מדידת השינוי באורך הצל במקומות שונים באותה השעה. הערכתו הייתה גדולה בכ-15% מערכו הידוע של ההיקף. ישנה גרסה על פיה על מדידות אלו הסתמך כריסטופר קולומבוס בבואו להקיף את העולם, אלא שטעות חישוב גרמה לו לחשוב שכדור הארץ קטן יותר מהיקפו האמיתי, ולכן להאמין שיוכל להגיע להודו בזמן סביר.

אחת הדמויות החשובות ביותר להתפתחות הפיזיקה הייתה ארכימדס, הגאון היווני שחי בסירקוזה במאה השלישית לפנה"ס ונחשב לאחד מגדולי המתמטיקאים בכל הזמנים. ארכימדס חקר בין השאר את תורת המנופים, ואת חוקי הציפה (הקרויים על שמו). שיטת המיצוי שפיתח ארכימדס הייתה למעשה הבסיס לחשבון האינפיניטסימלי, תורה שפותחה רק כעבור 2000 שנה, והייתה לכלי מרכזי בפיזיקה.

ארכימדס: "תנו לי נקודת אחיזה ואוכל להזיז את העולם"

אריסטו היה המדען החשוב ביותר של העת העתיקה. התאוריה הפיזיקלית של תנועה ארצית שפיתח עתידה הייתה לשלוט בכיפה, בשינויים קלים, במשך כאלף שנים עד למהפכה המדעית. אריסטו סבר שכל הדברים בעולם הם תערובות של ארבעה יסודות: אדמה, מים, אוויר ואש. הרעיון העומד בבסיסה של תורת התנועה של אריסטו הוא שגופים שואפים להגיע למקומם הטבעי - גופים כבדים, העשויים בעיקר מיסודות האדמה והמים, שואפים להגיע לאדמה וגופים קלים, שעיקרם אש ואוויר, שואפים להגיע למעלה . אצל אריסטו מנוחה ותנועה הן שתי תופעות פיזיקליות שונות לחלוטין, ואי אפשר לראות באחת מהן מקרה פרטי של השנייה. התאוריה שפיתח אריסטו הסבירה בצורה משכנעת מגוון רחב מאוד של תופעות, למשל מדוע נוצה נופלת לאט יותר מאבן. עם זאת, היא התקשתה להסביר התמדה של חפצים בניגוד לכיוון תנועתם הטבעי, למשל התמדה של חץ הנורה למעלה. אריסטו טען כי וואקום אינו אפשרי בטבע, ולכן אוויר ממלא את הוואקום מתחת לחץ ודוחף אותו מעלה. הסבר זה נתפש על ידי ממשיכי דרכו כלא משכנע.

[עריכה] ימי הביניים

התקופה שבין המאה ה-5 למאה ה-16 לספירה קרויה במערב בשם ימי הביניים, ומציינת את התקופה שבין העת העתיקה ו[הרנסאנס]]. בתקופה זאת חלו בארצות ערב התקדמויות משמעותיות שהניחו את הבסיס לפיסיקה הכוללות את המצאת האופטיקה, ביסוס השיטה המדעית מבוססת הניסוי, התפתחויות בחקר המכניקה והאסטרונומיה, פיתוח ענפי מתמטיקה וכן פיתוח תחומים במתמטיקה כגון האלגברה והטריגונומטריה, שעלהם עתידה הפיסיקה להתבסס. תקופה זאת באירופה נחשבת כתקופה של קיפאון מדעי,תקופה שבה הכנסייה שלטה על סדר היום הציבורי והמחקר המדעי הצטמצם לכדי העתקה ולימוד של כתבי הקודש וכתביהם של חכמי יוון העתיקה (בעיקר כתביו של אריסטו). מאידך, בתקופה זו הפכה ההשכלה הציבורית לרווחת יותר, הוקמו האוניברסיטאות הראשונות ויותר מדענים החלו להיות מועסקים באוניברסיטאות ובחצרות של נסיכים ומלכים. כמו כן, החל חקר האלכימיה ממנה עתידה לצמוח הכימיה, וחלו התפתחויות טכנולוגיות רבות הקשורות לשימוש באבק שרפה, בתותחים, במשקפיים ובטכנולוגיות הקשורות לספנות ונווטות ולמעשה נוצקו היסודות שיאפשרו את הפריחה הגדולה שתחל בתקופת הרנסאנס.

[עריכה] המצאת האופטיקה

המדען הערבי-פרסי איבן אל-היית'אם‏‏^[1] (965-1039 ידוע במערב תחת הכינוי 'אלחזם') נחשב לאבי האופטיקה. אל-היית'אם קרא הצליח להראות שהראייה מתבססת על קרני אור הפוגעים בעצמים ומהם מגיעים לעין, ואיננה קשורה כלל לקרני אור היוצאות מהעין. הוא הצליח להוכיח בעזרת ניסויים שקרני אור נעים בקוים ישרים, וכן ביצע מדידות של חוקי השבירה (חוק סנל) וההחזרה של אור. הוא גם המציא את מכשיר הקמרה אובסקורה. את תוצאותיו פירסם בספרים רבים שהחשבו בינהם הוא 'ספר האופטיקה' שתורגם גם ללטינית. בזכות תגליות אלו ואחרות אל היית'אם נחשב למדען הגדול ביותר בתקופת ימי הביניים.

אל-הייתאם והפילוסוף הערבי אבן סינא (980 - 1037) טענו שלאור חייבת להיות מהירות סופית, ואבו ריהאן בירוני (Abū Rayhān Bīrūnī 973-1048 ) היה הראשון להראות שמהירות האור גדולה הרבה יותר ממהירות הקול.

קוטב אל-דין אל שירזי (1236-1311) וקמל אל-דין אל פאריסי (1260-1320) היו הראשונים לתת הסבר נכון להיווצרות הקשת בענן.

[עריכה] השיטה המדעית מבוססת הניסוי

אל היית'אם כתב רבות על הצורך לבסס את המדע על ניסוי. הניסוי שבו הוא הראה שהאור נע בקוים ישרים מהווה דוגמא קלסית לשיטה זאת.

	מחפשים את האמת למען האמת עצמה. אלה העוסקים בחיפוש אחר כל דבר למען עצמו אינם מתעניינים בדברים אחרים. מציאת האמת קשה, והדרך אליה דרך חתחתים...
-- אלהאזן (איבן אל-היית'אם)[2]

איבן אל-היית'אם, 965-1039, בצרה

גם המדען האנגלי רוג'ר בייקון כתב רבות על נושא זה:

	אם במדעים אחרים אנו צריכים להגיע לוודאות ללא ספק ולאמת ללא טעויות, אזי אנו חייבים לבסס את המקורות לידע על מתמטיקה
-- אופוס מאגוס ספר 1 פרק 4

[עריכה] מכניקה ואסטרונומיה

אל-היית'אם ומדענים ערבים נוספים שיערו את חוק המשיכה בין מסות, שהתגלה מאוחר יותר על ידי גלילאו גליליי ואייזק ניוטון. אל היית'אם כתב רבות בספריו על הצורך בשיטה מדעית המבוססת על ניסוי.

[עריכה] התפתחויות במתמטיקה

אחת התרומות החשובות של המדע הערבי הייתה שכלולן של האלגברה והטריגונומטריה על ידי אבו ג'עפר מחמד אל ח'ואריזמי (על שמו קרוי המונח אלגוריתם). מקור המילה אלגברה היא בכותרת ספרו של אל ח'ואריזמי חיסאב אל-ג'אבר ואל-מוקאבלה ("חשבון ההשלמה וההקבלה"). האלגברה עתידה להיות כלי מרכזי בהתפתחות המתמטיקה והפיזיקה.

[עריכה] התפתחות המדע באירופה

במאה ה-13 הכניסה הכנסייה את הפיסיקה של אריסטו במסגרת השקפתה התיאולוגית. התאולוג תומס אקווינוס שילב את התאוריות הקוסמולוגיות האריסטוטליות בתיאולוגיה של הכנסייה. בימי הביניים סמכותה האינטלקטואלית של הכנסייה הקתולית היתה בלתי מעורערת. היא דגלה בהשקפת עולם קוהרנטית וכוללנית, שבה משולבים יסודות פיסיקליים-אריסטוטליים ורעיונות תיאולוגיים. היקום האריסטוטלי קיבל מקום ומשמעות החורגים בהרבה מתוכנו הקוסמולוגי. השמיים נתפסו כמקום משכנו של האל, מרכז האדמה כמקום משכנו של השטן, והאדם נמצא בתווך- שם מקומו, על פי השקפת הכנסייה על מהותו של האדם ויכולת הבחירה בין טוב לרע. מהפכה בתחום האסטרונומיה, אם כן, היתה צריכה להיות בהכרח בעלת השלכות עמוקות גם על התיאולוגיה. באותה תקופה שימשו התורות הללו כבסיס האידאולוגי של המשטרים הקיימים. סמכותו של מלך, למשל, נתפסה כנובעת במישרין מרצון האל. ערעור יסודות התיאולוגיה היה אפוא בעל משמעות והשלכות מהפכניות חברתיות ופוליטיות.

[עריכה] המהפכה המדעית (המאה ה-16 וה-17)

גלילאו גליליי

תקופת הרנסאנס, שהחלה באיטליה במאה ה-14, הייתה תקופה של תחייה והתחדשות בכל ענפי התרבות, הרוח והמדע. המהפכה המדעית הייתה בראש ובראשונה מהפכה בשיטת המחקר המדעי: ביסוס המדע על ניסוי ועל תורות מתמטיות. בתחום הפיזיקה, חל שינוי בתפישת העולם; תנועת הכוכבים הוסברה בעזרת מודל לפיו כדור הארץ סובב את השמש ולא ההפך (ראו גם: המודל ההליוצנטרי). עבודותיהם של גלילאו גליליי ואייזק ניוטון ביססו את המכניקה והדינמיקה; נוסדה האופטיקה המודרנית, בעיקר בזכות עבודותיהם של יוהנס קפלר, ניוטון וכריסטיאן הויגנס; הומצאו המצאות רבות, ביניהן הטלסקופ, המיקרוסקופ ושעון המטוטלת, שלהן תהיה השפעה רבה על התפתחות הפיזיקה; כמו כן, חלו התפתחויות בשאר תחומי המדע - הביולוגיה, הכימיה, האלכימיה ומדעי הרפואה, שלהם תהיינה השפעות עקיפות אך משמעותיות על התפתחות הפיזיקה.

בכל רחבי אירופה, החל מ-1500, היה מפץ של פעילות אינטלקטואלית, כתוצאה ממכבש הדפוס שהכפיל את מספרם ואת המגוון של ספרים בתפוצה כללית. אנשים יכלו כעת ללמוד ממקור ראשון יותר טקסטים מאשר אי פעם. הפרסום מחדש בוונציה של הספרים המקוריים של ארכימדס עורר גל חדש של מחקר מתמטי, ומעתה והלאה עבודותיהם של חוקרים היו נגישות לעמיתיהם בארצות אחרות תוך מספר חודשים. הדפוס יצר שינוי ניכר ביותר ביעילות של התקשורת המדעית. אנשים שגרו במקומות רחוקים זה מזה יכלו מעתה לשתף פעולה. לפני 1500, גם אם הושגו הישגים מדעיים ומתמטיים הם לא הפכו לנחלת הכלל ולכן אבדו, אך החל מ-1550 לערך, החל תהליך של האחדת הידע וחוקר בתחום מסוים בתקופה זו קרא את החומר הרלוונטי לעבודתו שפורסם על ידי אחרים, דבר שאפשר לו להמשיך את מחקריו מעמדה עדכנית, ולא מאפס או כמעט מאפס.

[עריכה] ביסוס המדע על ניסוי

בימי הביניים הלימוד המדעי התבסס בעיקר על למידה של כתביהם של הפילוסופים של יוון העתיקה, ובראשותם אריסטו, ועל תיאור ניסויי מחשבה המבוססים על ניסיון יומיומי. בתקופת המהפכה המדעית חל שינוי תפיסתי לפיו יש לבסס את המדע מעל הכול על ניסויים. הסמל המפורסם ביותר לשיטה זאת היה גלילאו גליליי. הניסוי המפורסם ביותר שלו התבצע (אם כי יש טענות שהניסוי מעולם לא התבצע באמת) במגדל הנטוי בפיזה, ובו הראה שבנפילה חופשית, גופים בעלי משקלים שונים מגיעים לארץ בו זמנית. ניסוי זה סתר את התאוריה של אריסטו שהייתה מקובלת באותם ימים, לפיה ככל שמסתו של גוף גדולה יותר כך הוא יגיע מהר יותר לקרקע. גליליי תמך בתורתו של קופרניקוס, לפיה כדור הארץ מסתובב סביב השמש ולא להפך, תאוריה שסתרה את עמדת הכנסייה. בשל כך הועלה למשפט, ונגזר עליו מאסר ממושך שלבסוף הומתק למאסר בית. משפט זה מסמל יותר מכל את הקרע שהחל להתהוות בין המדע לבין הדת. אירוע נוסף שהיה חשוב לביסוסה של השיטה המדעית החדשה הוא הופעתם של כוכבים חדשים בשמים בשנים 1540 ו-1604. תופעה זאת , שהוסברה על ידי התפוצצות סופרנובות, הייתה בעלות משמעות מיוחדת מכיוון שהיא סתרה את התורה של אריסטו, לפיה הספירה העליונה ביותר של הכוכבים היא מושלמת ולא ייתכנו בה שינויים.

[עריכה] כדור הארץ והשמש

מערכת השמש (לא בקנה מידה)

יוהנס קפלר

את ראשיתה של המהפכה המדעית נהוג לראות בעבודותיו של ניקולאוס קופרניקוס (1473-1543). קופרניקוס נתן מודל לתנועת כוכבי הלכת, לפיו השמש נמצאת במרכזה של מערכת השמש, וכדור הארץ ושאר כוכבי הלכת נעים סביבה במעגלים. מודל זה לא היה מושלם: הוא לא תאם בצורה מדויקת את התצפיות, אך היה לו יתרון משמעותי על מודל האפיציקלות ששוכלל בידי תלמי מכיוון שהיה פשוט יותר. מודל זה נקרא המודל ההליוצנטרי, לעומת המודלים הגאוצנטרים שקבעו שכדור הארץ נמצא במרכז היקום. ספרו של קופרניקוס, "על תנועתם של גרמי השמים" (De revolutionibus orbium coelestium), התפרסם רק לאחר מותו.

מי שהשלים את המודל של קופרניקוס היה יוהנס קפלר ‏(1571-1630). קפלר שנולד והתחנך בגרמניה, התקבל לחצרו של האסטרונום טיכו ברהה בפראג. ברהה היה האסטרונום הגדול ביותר בתקופה שקדמה לטלסקופ, וברשותו היו המדידות המדויקות ביותר של המרחקים אל הכוכבים שהיו בנמצא באותה עת. לאחר שרשרת של ויכוחים מרים, ברהה נתן לקפלר גישה אל הנתונים שאסף לגבי התנועה של מאדים. למרות שבתחילה הכריז קפלר שהוא יצליח לפענח את הנתונים תוך חודשיים, המלאכה דרשה ממנו שבע שנים, אך לבסוף הביאה אותו למסקנה שמסלוליהם של הכוכבים סביב השמש אינם מעגליים אלא אליפטיים. בנוסף, הוא גילה שבתנועתם סביב השמש, הכוכבים מכסים שטחים שווים במרווחי זמן שווים - ומכאן שככל שהכוכבים קרובים יותר לשמש - כך מהירותם גדלה. כמו כן גילה שזמן המחזור של כוכבים יחסי לחזקה של המרחק שלהם מהשמש, ומכאן שככל שמרחקם של כוכבי הלכת מהשמש גדל, כך זמן המחזור שלהם גדול יותר. חוקים אלו ידועים היום בתור שלושת החוקים של קפלר. בזכות חוקים אלו, יכלה לראשונה האנושות לחשב במדויק את תנועותיהם העתידיות של כל כוכבי הלכת בשמי הלילה.

בשנת 1862 אסטרונום אנגלי בשם אדמונד האלי (1656-1742) שהיה ידוע בעיקר בזכות גילוי של כוכב השביט הנושא את שמו, החל להתעניין בחוקי קפלר. כאשר הוא נכשל הוא נסע לבקר את ניוטון על מנת לשכנע אותו לחפש הסבר תאורטי לחוקים הללו. לתדהמתו, גילה האלי שניוטון כבר פתר את הבעיה אך לא פרסם את תוצאותיו. האלי מיהר לשכנע את ניוטון לפרסם את עבודותיו ואף מימן את פרסום הספר "עקרונות מתמטיים של פילוסופיית הטבע".

[עריכה] הדינמיקה של גלילאו

גלילאו גליליי (1564 –1642) היה אחד המדענים הראשונים לחקור את מדע הדינמיקה לעומק. הוא גילה, בין השאר, שתנועה של גופים בנפילה חופשית הינה פרבולית, וכן שזמן המחזור של מטוטלות אינו תלוי במשרעת (אמפליטודה) שלהן.

בצעירותו ניסה גלילאו לתת ביטוי מתמטי לפיסיקת האימפטוס, שהתפתחה מהפיסיקה של אריסטו. אולם, מושג האימפטוס, שלא התיישב היטב עם הפיסיקה האריסטוטלית, היה מבולבל וקשה לכימות. כדי לתת ביטוי מתמטי לתופעות הטבע, גלילאו וויתר עליו לחלוטין ובנה תחתיו תורה חדשה של תנועת עצמים על פני כדור הארץ, שהחליפה את תורת התנועה של אריסטו. הרעיון העומד בבסיסה של תורת התנועה של אריסטו הוא שגופים שואפים להגיע למקומם הטבעי. לעומת זאת, העיקרון שעומד בבסיסה של תורת התנועה החדשה של גלילאו הוא עיקרון ההתמדה.

עיקרון ההתמדה אומר שגוף נע כלשהו ימשיך בתנועתו כל עוד אין פועלים עליו כוחות חיצוניים. זה ההבדל היסודי בין תורת התנועה של גלילאו לזו של אריסטו: אצל אריסטו תנועה תמיד זקוקה לסיבה, כלומר לכוח מניע. לעומתו טוען גלילאו שתנועה, או לפחות המשך התנועה, אינה זקוקה לסיבה - התנועה נמשכת מאליה כל עוד לא מתערבים בה מבחוץ. מה שזקוק לסיבה הוא שינוי התנועה. הגוף הנזרק מספינה נעה נע יחד אתה לפני זריקתו. לפיכך, נוסף על תנועתו מעלה ומטה בעקבות הזריקה ובהשפעת הכובד, הוא גם ימשיך לנוע קדימה במהירות זהה למהירות הספינה. בסופו של דבר ישוב הגוף וייפול בנקודת הזריקה על הסיפון, ממש כפי שהיה עושה בספינה נחה, ומכאן שאין תוצאות הניסוי יכולות ללמדנו אם הספינה "באמת" נעה או נחה.

באופן דומה אפשר לטעון שגם תוצאות ניסויים של זריקת גופים על פני כדור הארץ אינם מושפעים מתנועתו. לפי אריסטו שינוי זקוק תמיד לסיבה, וההבדל בין תורת התנועה שלו לזו של גלילאו וניוטון הוא בשאלה מהו שינוי. אצל גלילאו וניוטון אין הבדל עקרוני בין מנוחה לבין תנועה בקו ישר ובמהירות קבועה, ולפיכך אפשר לראות מנוחה כתנועה במהירות אפס. אצל אריסטו, לעומת זאת, מנוחה ותנועה הן שתי תופעות פיסיקליות שונות לחלוטין, ולפיכך אי אפשר לראות באחת מהן מקרה פרטי של השנייה. במסגרת תורת התנועה החדשה של גלילאו, אפשר אפוא לקבל את השערת קופרניקוס האומרת שהארץ נעה במהירות עצומה, למרות שבניסויים שאנו עורכים איננו חשים בתוצאותיה של תנועה זו.

[עריכה] המכניקה הניוטונית

אייזק ניוטון

בשנה שבה מת גלילאו נולד מי שנחשב ליורשו וגם לאחד הפיזיקאים והמתמטיקאים החשובים ביותר בכל הזמנים: אייזק ניוטון (1643–1727). ניוטון הניח את היסודות לדינמיקה עם שלושת חוקיו הידועים: החוק הראשון טוען שאם על גוף לא פועלים כוחות, הוא ינוע במהירות קבועה הן בגודלה והן בכיוונה (מקרה פרטי הוא מהירות קבועה השווה לאפס, כלומר הגוף נמצא במנוחה מוחלטת); החוק השני קושר את השינוי בתנועה של גוף לכוחות שפועלים עליו (); החוק השלישי קובע כי כוח שגוף אחד מפעיל על השני, יגרור כוח תגובה של הגוף השני השווה בגודלו ומנוגד בכיוונו. ניוטון שיער שכל הגופים מושכים אחד את השני והכוח גדל ככל שהמרחק ביניהם קטן, הידוע כיום ככח הכבידה (גרוויטציה).

בעזרת שלושת חוקיו וחוק הכבידה, הסביר ניוטון את כל התופעות הניסיוניות אותן גילו גלילאו וקפלר וכן מגוון עצום של תופעות. חוקים אלו הפכו לאבן הבסיס של הפיזיקה ב-500 השנים שלאחר מכן, עד היווצרותן של תורת היחסות ומכניקת הקוונטים. אבן הכותרת של הישגיו הייתה הפתרון של הבעיה הדו-גופית: ניוטון הצליח להראות שמסלול של כוכב סביב השמש צריך להיות אליפטי, ולהוכיח באופן תאורטי את שלושת החוקים של קפלר. את העבודות האלו הוא פרסם בספר "היסודות המתמטיים של פילוסופיית הטבע".

[עריכה] המצאת הטלסקופ

שרטוט של טלסקופ המבוסס על החזרת אור, כמו זה שפיתח ניוטון

ערך מורחב – טלסקופ

במאה ה-16 הומצא בהולנד הטלסקופ על ידי מדען ששמו אבד עם השנים (לאחר מכן ביקשו לעצמם מדענים ויצרני עדשות אחרים את זכות הראשונים על ההמצאה). גלילאו גליליי שמע על ההמצאה ומיהר לפתח מכשיר כזה בעצמו, וכנראה שהיה המדען הראשון שהשתמש בטלסקופ על מנת להביט בכוכבים. המצאה זו הובילה לשרשרת של גילויים חדשים: גלילאו היה הראשון לראות את הירחים של צדק, הטבעות של שבתאי וכתמי השמש. השימוש במכשירים אופטיים על מנת להביט אל השמיים שינה את פני האסטרונומיה.

[עריכה] הולדת האופטיקה המודרנית

הניסיון לשכלל טלסקופים הביא גם למחקר על אופן פעולתם. את הבסיס לאופטיקה המודרנית נהוג לראות בספרו של קפלר: "Astronomiae Pars Optica" (החלק האופטי של אסטרונומיה). ניוטון הראה באמצעות ניסוי מפורסם עם שתי פריזמות שהאור הלבן למעשה מורכב מכל צבעי הקשת, וכאשר אור נשבר בזכוכית, זווית השבירה שונה לכל צבע. בעקבות כך הוא הוא פיתח טלסקופ המבוסס על החזרה של אור, באמצעות מראות כדוריות (ולא על עדשות השוברות אור).

[עריכה] מהות האור

כריסטיאן הויגנס הגה תורה על פיה האור הוא גל, והסביר את השבירה של האור בתנועה של חזית הגל כאשר היא עוברת בין חומרים (תווכים) שונים. לעומתו, ניוטון קידם תורה על פיה האור מורכב מחלקיקים. בעזרת תיאור זה קל יותר להבין את תופעת ההחזרה של האור על ידי מראות (אך קשה יותר להבין את תופעת השבירה). תורתו של ניוטון הפכה למקובלת, עד שב-1801 הוכיח תומאס יאנג בניסוי שני הסדקים שהאור הינו גל. בתחילת המאה ה-20, עם עבודותיו של אלברט איינשטיין והולדת מכניקת הקוונטים, הסתבר שהאור הוא למעשה שילוב של השניים - גל וחלקיק.

[עריכה] צעדים ראשונים בחשמל

ויליאם גילברט

תופעות אלקטרוסטטיות היו ידועות ליוונים הקדמונים, והם נקראים על שם המילה היוונית לענבר, שכן כאשר משפשפים חומרים בענבר מבחינים בתופעות חשמליות. תופעת המגנטיות מוזכרת כבר בכתבים סיניים המתוארכים למאה ה-4 לפנה"ס, ובעת העתיקה נעשה בתופעה שימוש לצורך בניית מצפנים. המחקרים של ויליאם גילברט מהמאה ה-17, על חשמל ומגנטיות נחשבים למחקרים המעמיקים הראשונים בתופעות אלו. גילברט פרסם את מחקריו בספר: "המגנט ועיניים מגנטיות ועל המגנט העצום כדור הארץ" (De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure) ובו תיאר ניסיונות על מודל של כדור הארץ לו קרא "'טרלה". בין השאר, הוא טען שכדור הארץ מתנהג כמו מגנט ענק וזו הסיבה שמצפנים מצביעים תמיד אל הצפון. הוא גם חקר רבות את תופעת החשמל הסטטי, שאותו ייצר בעזרת אבני ענבר. בנוסף, טען גילברט שחשמל ומגנטיות הם פנים שונות של אותה תופעה, תגלית שאומתה רק שנים רבות מאוחר יותר במחקריהם של מייקל פאראדיי וג'יימס קלרק מקסוול.

[עריכה] הידרוסטטיקה

רוברט בויל (1627 - 1691) היה פיזיקאי ואלכימאי אירי הידוע בעיקר בזכות גילוי חוק בויל הקושר את הנפח של גז עם הטמפרטורה והלחץ שלו. חקר גם את תפקידו של האוויר בהתפשטות קול, את ההתרחבות של המים בעת קפיאתם וכן מחקרים על גבישים וחשמל.

בלז פסקל (1623-1662) היה מתמטיקאי ופיזיקאי צרפתי, אשר בנוסף על עבודותיו בתורת ההסתברות, חקר רבות התנהגות של נוזלים ועבודותיו למעשה ייסדו את ענף ההידרודינמיקה. המציא את המנוף ההידראולי והמשאבה ההידראולית. כיום יחידת מידה ללחץ קרויה על שמו. המציא גם את אחת ממכונות החישוב הראשונות.

[עריכה] תגליות חשובות נוספות

משאבת הואקום הומצאה בשנת 1650 על ידי אוטו פון גריק (1602 - 1686). הוא גם הראשון שהשתמש בברומטר כדי לבצע מדידות מטאורולוגיות. ניסויים בוואקום עתידים לשחק תפקיד משמעותי בהתפתחות הפיזיקה, ולאפשר את גילויים של האלקטרון, של מבנה הגרעין ושל החלקיקים האלמנטריים. הוואקום עתיד גם לאפשר המצאות טכנלוגיות כגון הנורה החשמלית, הדיודות הראשונות (שהיו מבוססות על שפופרות קתודיות) ואת מסכי הטלוויזיה הראשונים (CRT).

חוק הוק

אלסטיות היא תופעה שנחקרה לראשונה לעומק על ידי רוברט הוק (1635 - 1703). הוא גילה את החוק הנושא את שמו, הקושר את הכוח שמפעיל קפיץ עם אורכו. המציא ושיכלל מכשירים רבים כגון מאזני קפיץ מיקרוסקופיים וכן מכשירים לחיזוי מזג אוויר. ידוע גם בזכות מחקריו בביולוגיה הכוללים את גילוי התאים.

[עריכה] התפתחויות בתחומים סמוכים

[עריכה] מתמטיקה

במאה ה-17 חלו מספר פריצות דרך משמעותיות במתמטיקה, שלהן הייתה השפעה חשובה גם על התפתחות הפיזיקה.

רנה דקרט (1596 - 1650) היה אחד הפילוסופים והמתמטיקאים החשובים בכל הזמנים, שהצליח למעשה לאחד את הגאומטריה עם האלגברה בעזרת המצאת מה שנקרא כיום מערכת צירים קרטזית. בכך ייסד את הגאומטריה האנליטית. כהוקרה על עבודתו, מערכת הצירים הסטנדרטיות נקראת על שמו השיטה הקרטזית . הגאומטריה האנליטית בתורה אפשרה את המצאת החשבון האינפיניטסמלי.

ערך מורחב – חשבון אינפיניטסימלי

כיום מגדירים מהירות כנגזרת של המיקום, ותאוצה מוגדרת כנגזרת של המהירות, כלומר הנגזרת השניה של המיקום. חוקיו של ניוטון נותנים למעשה את משוואות התנועה של גופים, הקושרות את מיקום הגופים אל הנגזרת השנייה של המיקום, הנקראות משוואות דיפרנציאליות. אולם, המונח "נגזרת" לא היה קיים באותם זמנים, ולא הכלים המתמטייים להתמודד איתו; לכן נוצר צורך לפתח ענף חדש במתמטיקה שיעסוק במונחים אלו: החשבון האינפיניטסימלי. ענף זה אכן פותח על ידי ניוטון, ובמקביל ובאופן בלתי תלוי גם על ידי הגרמני גוטפריד וילהלם לייבניץ (1646 – 1716). במהלך השנים הבאות התפתח ויכוח מר וארסי בין השניים (שהיו חלוקים בנושאים רבים בתחומי המדע, הפילוסופיה והתאולוגיה) לגבי זכות הראשונים על פיתוח התורה, דבר שייצר קרע גדול בין המדענים האנגלים והאירופים במהלך עשרות השנים הבאות, ולמעשה לקיפאון של המדע האנגלי.

תורת ההסתברות המודרנית פותחה בעקבות עבודותיהם של פייר דה פרמה, בלז פסקל וכריסטיאן הויגנס. תורת ההסתברות אומנם פותחה כענף מתמטי טהור, אך היא עתידה למלא תפקיד מכריע בהתפתחות הפיזיקה: היא נותנת את הבסיס למכניקה סטטיסטית ולתרמודינמיקה.

[עריכה] המאה ה-18

המאה ה-18 נתנה את הבמה לתנועת עידן האורות. תנועה זו כללה אנשי רוח, פילוסופים ומדענים (ביניהם דני דידרו, תומאס ג'פרסון, עמנואל קאנט, ברוך שפינוזה ווולטייר). מבחינה מדעית, סמלה של התקופה היה ייסודה של האנציקלופדיה המודרנית הראשונה בצרפת, שנקראה האנציקלופדיה הגדולה.

במאה ה-18 באירופה המשיכו מדענים גדולים כגון פייר סימון לפלס וז'וזף לואי לגראנז' את פיתוח החשבון האינפינטיסמלי ואת השלכותיו על הפיזיקה. דניאל ברנולי הניח את היסודות להידרודינמיקה ולאווירודינמיקה. במאה ה-18 התגלו לראשונה גזים אטומיים, החמצן והמימן, ונוסח לראשונה חוק שימור המסה על ידי אנטואן לבואזיה ובמקביל על ידי מיכאיל לומונוסוב.

[עריכה] ברנולי

דניאל ברנולי

דניאל ברנולי (1700 - 1782) היה פיזיקאי ומתמטיקאי הולנדי שעבד רוב ימיו בשווייץ. ברנולי היה הראשון לקשור את תורת ההסתברות עם הפיזיקה ובכך ליצור ענף חדש בפיזיקה: המכניקה הסטטיסטית (שבתורה עתידה להיות הבסיס לתרמודינמיקה שתפותח רק בסוף המאה). ברנולי חקר לעומק את חוקי התנועה של נוזלים וגזים, והיום ידוע בעיקר בזכות החוק הקרוי על שמו. חוק זה מהווה למעשה את הבסיס לכל מדע האווירודינמיקה ולהתפתחות מדע התעופה.

[עריכה] לפלס ולגראנז'

מאז עבודותיהם של ניוטון ולייבניץ, התפתחות החשבון האינפיניטיסמלי והפיזיקה היו קשורות בקשר חזק זו לזו. בעיות פיזיקליות היו הזרז לפיתוחן של תורות מתמטיות ואלו מצידן הביאו להבנה עמוקה יותר של הפיזיקה. אחד מגדולי מדעני התקופה היה פייר סימון לפלס (1749 - 1829), שנחשב ל"ניוטון הצרפתי". בספרו בן חמשת הכרכים "Mécanique Céleste", הפך לפלס את המכניקה הניוטונית ממבוססת גאומטריה, למבוססת על חשבון אינפיניטסימלי. על שמו נקראת היום משוואת לפלס שבעזרתה השתמש כדי לתאר את השדה שיוצר כח הכבידה, וכיום היא המשוואה המרכזית באלקטרוסטטיקה. הנגזרת השנייה המרחבית, קרויה על שמו הלפלסיאן. לפלס ידוע גם בזכות המצאת טרנספורם לפלס שיחד עם טרנספורם פורייה (על שם ז'אן בטיסט ז'וזף פורייה (1768 - 1830)) הפכו לכלים מתמטיים חשובים מאוד בפיזיקה. ללפלס היו עבודות רבות נוספות גם באסטרונומיה, בהסתברות ובהידרודינמיקה.

ז'וזף לואי לגראנז'

ז'וזף לואי לגראנז' (1736 - 1813) היה מתמטיקאי ואסטרונום איטלקי. יחד עם לאונרד אוילר הוא פיתח שיטה הנקראת חשבון וריאציות. שיטה זאת משמשת לפתרון בעיות אופטימיזציה. לגראנז' הבין שאת הפיזיקה כולה ניתן לראות כבעיה של אופטימיזציה. לדוגמה, באופטיקה ניתן להבין את חוקי השבירה וההחזרה באופן שהאור בוחר במסלול המהיר ביותר מנקודת ההתחלה אל נקודת הסיום. באופן דומה הצליח לגראנז' להראות שהמסלולים של גופים במכניקה גם הם פותרים בעיה של אופטימיזציה והגודל שאותו הם מנסים לצמצם נקרא כיום על שמו, לגראנז'יאן. בכך ייסד לגראנז' את המכניקה האנליטית. אחד היתרונות של המכניקה האנליטית הוא פתרון בעיות הכוללות אילוצים. את עבודתו המשיך ויליאם רואן המילטון עם ניסוח מתקדם אף יותר של חוקי המכניקה, שעתידה להיות חשובה מאוד להתפתחות תורת הקוונטים. ללגראנז' היו מחקרים רבים גם בתחומי האסטרונומיה ובתורת המספרים.

[עריכה] חוק שימור החומר

ערך מורחב – חוק שימור החומר

בעקבות גילויו של המימן על ידי הנרי קוונדיש (1731 - 1810), ושל החמצן על ידי ג'וזף פריסטלי (1733 - 1804), החל אנטואן לבואזיה ‏ (1743 - 1794) לפרק באופן שיטתי חומרים ולאסוף את כל הרכיבים הנוצרים. מחקרים אלו הביאו אותו לבסס את ההרכב הכימי של חומרים שונים, ולנסח את חוק שימור החומר, הגורס שבכל תגובה כימית, המסה היא קבועה וזהה בתחילת התגובה ובסופה. חוק זה נוסח באותה תקופה, במקביל על ידי המדען הרוסי מיכאיל לומונוסוב (1711 - 1765). מחקרים אלו היוו את הבסיס למדע הכימיה המודרנית, והייתה להם השפעה רבה גם על התפתחות הפיזיקה.

[עריכה] חשמל

ניסוי העפיפונים: בנג'מין פרנקלין (1706 - 1790) מדינאי, איש רוח ומדע אמריקני. הוא ידוע בעיקר כאחת מהדמויות המרכזיות במלחמת העצמאות האמריקנית ואחד ממנסחי חוקת ארצות הברית. פרנקלין היה מדען חוקר בתחום החשמל; הניסוי המפורסם ביותר שלו היה ניסוי העפיפונים שבו הוא הצליח להראות שברקים הם למעשה התפרקויות של זרם חשמלי.

[עריכה] המאה ה-19

[