Povijest fizike

. physis, priroda), unutar koje se istražuje i tuma

i materijalna stvarnost: struktura i odnosi osnovnih sastojaka materije, na osnovi iskustvenih

injenica i teorijskih istraživanja. Te se spoznaje oblikuju u shvatljive principe (po

etne nazore), tzv. zakone fizike, koji se definiraju egzaktnim matemati

kim aparatom.

ala je svu materijalnu stvarnost, no ve

su se u anti

ko doba iz ove “prafizike” odvojile grane unutar kojih se prou

avaju posebni problemi: medicina, astronomija, kemija, geologija, biologija, a u novije vrijeme razli

ite grane tehnike. I danas je fizika, u užem smislu, osnova svih grana prirodnih znanosti te je teško postaviti oštru granicu između fizike kao osnovne znanosti i znanstvenih disciplina proizašlih iz nje.

nik zvao fizik, u engleskom je physician lije

nik, physic lijek, ljekarstvo, fizika je physics, u francuskom je le physique vanjština (tjelesna), a la physique je fizika.
Današnja fizika obuhva

a: klasi

ku fiziku i elektrodinamiku, nadalje teoriju relativnosti, atomsku i nuklearnu fiziku te fiziku subatomskih

estica (koja opet obuhva

a niz specijaliziranih grupa).

esto međusobno isprepli

u i utje

u jedan na drugi.

u prapovijesno doba

ovjek je stjecao prva empirijska fizikalna znanja. On je nau

io da upotrebljava npr. polugu iako nije znao zakon na kojemu se temelji njezina uporaba. Fizikalna znanja empirijski su se stjecala i u prvim civilizacijama: Egiptu, Babilonu i Kini. Iako se tih empirijskih znanja dosta nakupilo, ipak su ona interpretirana tek u staroj Gr

koj.

inom znanja, pokušao je na

i me đusobnu povezanost pojava, a tvrdio je da je sve proizišlo iz jednoga prvotnog po

ela – vode. Prapo

elo su tražili i drugi Grci, pa se tako kao prapo

elo isticao zrak ili vatra. Empedokle (V. st. prije Krista) smatrao je da su

etiri prapo

ela: zemlja, voda, zrak i vatra, od kojih svako može imati i

etiri kvalitete: toplo, vlažno, hladno i suho. Pitagorejci su napravili razliku između nebeskog podru

ja, koje je savršeno i nepromjenljivo, i zemaljskog, u kojemu je sve promjenljivo i nesavršeno. Tako je za ta dva podru

ja vrijedila i razli

ita fizika. Demokrit je, naprotiv, smatrao da se cijeli svijet sastoji od dvaju dijelova: punog i praznog. Puni se sastoji od malih

estica koje su nedjeljive i nazivaju se atomi. Svi fizikalni procesi nastaju zbog neprekidnog skupljanja i razdvajanja atoma.

5

Prema Empedoklu, tijela se razdvajaju ili spajaju mržnjom i ljubavlju. To su u biti sile, ali su shva

ene u psihološkom smislu. Silu je i Platon (427. 347. g. prije Krista) shva

ao u psihološkom smislu. Prema Platonu, postoji tendencija da se sli

no spoji sa sli

nim. Zbog toga i po

ela, zemlja, voda, zrak i vatra, zauzimaju svoja mjesta. Aristotel (384. 322.g. prije Krista), sli

no Platonu, uzimao je da po

ela teže svom prirodnom mjestu i takvo gibanje naziva se prirodnim gibanjem. Sva druga gibanja su nasilna i potje

u uvijek od sile kojoj je uzrok u prvom pokreta

u. Tako je za nasilna gibanja uvijek potrebna sila bez obzira na to kakvo je gibanje. Prostor je za Aristotela ograni

en i pun. Aristotel prihva

a razliku zemaljskog i nebeskog podru

ja za koja vrijede razli

ite fizike. Aristotelova fizika bila je kvalitativna i spekulativna, ali je imala velik utjecaj na razvoj znanosti. Arhimed (287. 212.), za razliku od Aristotela, uveo je u fiziku kvantitativne odnose. Prvi je dao matemati

ki zakon za polugu i matemati

ki formuliran zakon koji je kasnije nazvan Arhimedov zakon.

0.2 SREDNJOVJEKOVNA FIZIKA
Aristotelova prirodna filozofija, koja je uklju

ivala i fiziku, bila je op

enito prihva

ena u srednjem vijeku. Čak i Roger Bacon (oko 1214. 1292), koji je smatrao da je pokus mjerodavan za formiranje mišljenja o nekom znanstvenom problemu i koji je tražio da se u znanosti eksperimentira, bio je pristaša Aristotelove prirodne filozofije i svoje zaklju

ke donosio unutar nje. Ipak je u srednjem vijeku došlo do stanovitog napretka i do novih znanstvenih rezultata. Dana su rješenja u razli

itim fizikalnim podru

jima: optici, magnetizmu i u meteorologiji. Optika je doživjela izvanredni napredak tijekom srednjeg vijeka, osobito u razdoblju 1250. 1350. Zanimanje za opti

ke probleme inicirao je arapski u

enjak Ibn al Haitan (965. 1039), koji je izvršio izvanredan utjecaj na muslimanski Istok i latinski Zapad. Od opti

kih problema opet se najviše istraživao problem duge. Dietrich iz Freiberga, poznat i kao Theodoric, dao je rješenje postanka dviju duga koje je gotovo u potpunosti kasnije preuzeo Descartes. Problem plime uspješno je rješavan u srednjem vijeku, pa su Giacomo Dondi i Zadranin Federik Grisogono dali to

an opis pojave plime i njene kvantitativne odnose. U srednjem vijeku su rješavani i mnogi drugi fizikalni problemi, ali gotovo svi u okviru Aristotelove tzv. peripateti

ke prirodne filozofije.

u srednjem vijeku došlo je unutar te prirodne filozofije i do znatnih udaljavanja od Aristotelova gledišta. Ve

je Filoponos, koji je djelovao u prvoj polovini šestog stolje

a, smatrao da je dovoljno da se na po

etku gibanja utisne u tijelo sila koja mu održava gibanje, a da nije potrebno njezino stalno djelovanje izvana. Sli

no su tvrdili Ing Sin (980. 1037) i Jean Buridan (XIII.-XIV. st.). Prema Buridanu, tijelo dobiva na po

etku gibanja impetus koji održava gibanje tijela. U srednjem vijeku napravljen je velik napredak i u izu

avanju kinemati

kih svojstava gibanja. U tom pogledu osobito je važan Merton College u Engleskoj u razdoblju između 1328. i 1350. U tom koledžu uvedena je jasna distinkcija između dinamike i kinematike, definirano je jednoliko ubrzano gibanje kao ono gibanje u koje se jednaki prirasti brzine postižu u jednakim vremenskim razmacima, i dan je izraz za prijeđeni put kod jednoliko ubrzanoga gibanja.
U srednjem je vijeku u fiziku uveden i pojam kvantitativne promjene. U staroj Gr

koj promjena se promatrala kao kvaliteta, a u srednjem vijeku po

ela se promatrati

6
POVIJEST FIZIKE

promjena topline, intenzitet svjetla, promjena brzine, akceleracije i gusto

e, kao kvantitativna promjena. Neprekinutu promjenu brzine kod jednoliko ubrzanog gibanjaa grafi

ki je predo

ivao Nicole Oresme (1323. 1382).

0.3 KLASIČNA FIZIKA
Novi vijek je obilježen pojavom novih pogleda na materijalnu stvarnost. Ve

je Nikola Kuzanski u XV. stolje

u tvrdio da je prostor beskona

an, a to su krajem XVI. stolje

a prihva

ali Giordano Bruno (1548. 1600.) i Franjo Petriševi

s Cresa (1529. 1597.). Time je napušten Aristotelov pojam ograni

enog prostora.

u u

ke interpretacije bilo je uop

e zna

ajke renesanse.

ita od peripateti

ke, je po

etkom XVII. st. Galileo Galilei (1564. 642.). On je preuzeo sve rezultate koje su dobili prethodnici kritiziraju

i Aristotelovu prirodnu filozofiju. U prvom redu on, je prihvatio pojam impetusa i sve rezultate koje su dobili istraživa

i u Merton Collegeu. Njegova mehanika je temeljena na

isto matemati

kim na

ki izvodio svoje pou

ke iz nekih po

etnih tvrdnji, ali ih je potvrđivao i pokusom. Tako Galile izvodi poznati pou

ak da se prirasti putova kod jednoliko ubrzanoga gibanja odnose kao kvadrati proteklih vremena. Taj pou

ak Galilei je izvodio iz Oresmeovih i Buridanovih tvrdnji matemati

kim putem, ali i potvrđivao eksperimentalno. Galilei je dobro definirao gibanje koje je posljedica kosog izbacivanja tijela. On je držao da je to složeno gibanje. Osim toga, Galilei je kod slaganja gibanja upotrebljavao na

elo ustrajnosti iako ga nije dobro formulirao. Taj pojam strože je definirao Descartes. Galilejeva mehanika bila je samo kinematika, on nije htio raspravljati o sili, smatraju

i taj pojam nejasnim.
Rene′ Descartes (1596. 1650.) odbacio je pojam sile i umjesto njeg uveo pojam vrtloga. Naime, po Descartesu je prostor ispunjen eterom, a u tom eteru postoje vrtlozi koji su uzrok gibanja. Descartes je definirao i pojam održanja gibanja što je bio prvi zakon održanja jedne fizikalne veli

ine. Taj zakon zajedno s pojmom vrtloga postavio je Descartes u temelj svoje fizike. Pojam punog prostora i vrtloga u fluidima bili su važni u fizici XVIII. st.

ela jer se mogu dalje rastavljati. Oštru kritiku tih po

ela dao je Robert Boyle (1627. 1691). Umjesto tih po

ela, znanstvenici su sve više prihva

ali Demokritov atomizam koji je bolje odgovarao op

im atomisti

kim shva

anjima u matematici i fizici toga doba. Na temelju atomisti

kog shva

anja i Boyleove kritike tražio se tada model strukture tvari. Stvaranju tog modela pomogli su Boyleovi pokusi s plinovima, a plin je bio vrlo prikladan da se na njemu promotri model strukture tvari, jer se mogao stla

iti, a i ekspandirao je ako nije bio u tome sprije

en. Izneseno je više teorija koje se mogu podijeliti na one koje pretpostavljaju stati

ki model plina i one koje predlažu kinemati

ki.
Isaac Newton (1642. 1727.) dao je stati

ki model udaljenih

estica među kojima djeluje sila. Prema kinemati

kom modelu su

estice u silnoj uzbuđenosti te jure kroz

prostor ispunjen vrlo finim fluidom. Pod utjecajem Descartove fizike znanstvenici su držali da gibanje

estica dolazi od vrtloga u tom fluidu.
Peripateti

ka i atomisti

ka shva

anja odražavala su se i u XVII. st. i na shva

estice koje prenose svjetlost. Jedno i drugo gledište prihva

eno je u XVII. stolje

u. Descartes je prihvatio prirodu svjetla kao vala koji se širi kroz fluid, a Christian Huygens (1629. 1695) na tom je temelju izgradio svoju teoriju

estica tei na temelju toga zasnovao svoju korpuskularnu teoriju svjetlosti.
Newtonova mehanika. Newton je dovršio proces stvaranja nove prirodne filozofije, odnosno fizike. U prvom redu, on je na temelju Keplerovih gledišta o privla

enju među tijelima i drugih nastojanja u XVII. st. formulirao op

i zakon gravitacije. Iz njega je matemati

ki izveo Keplerove zakone i to je smatrao dokazom da je pretpostavka izre

ena zakonom gravitacije dobro izabrana. Newton je smatrao da taj zakon vrijedi i za mehaniku na Zemlji, pa da je uzrok padanja kamena u toj op

oj gravitaciji, a da on vrijedi i u nebeskim prostranstvima. Ipak, Newton nije odredio prirodu tog privla

enja budu

i da bi to tražilo da se postavljaju pretpostavke koje ne izlaze iz pokusa, što je on smatrao nedopustivim. Na temelju Galilejevih, Descartesovih i drugih gledišta XVII. st. formulirao je Newton na

elo ustrajnosti, zatim pou

ak da je promjena gibanja razmjerna sili koja je proizvodi i pou

ak da svakoj akciji odgovara isto tolika reakcija. Ta tri pou

ka Newton je postavio u temelj svoje mehanike i iz njih matemati

ki deduktivno izvodio ostale tvrdnje. Newtonova metoda je bila geometrijska i pod snažnim utjecajem Euklida. Newton je, osim tih pou

aka na po

etak postavio svoje mehanike i nekoliko pojmova koje je definirao, kao npr. masa, veli

ina gibanja, sila inercije i dr., a pojmove prostora, vremena i gibanja nije definirao smatraju

i ih potpuno poznatim. Prihvatio je od Giordana Bruna pojam beskona

nog prostora koji je homogen i nazivao ga apsolutnim prostorom. Vrijeme je također smatrao apsolutnim. Iako je sve tvrdnje Newton formulirao op

enito, ipak je mehaniku ograni

io samo na Sun

ev sustav. Proširenje Newtonove mehanike na cijeli svemir izvedeno je tek u XIX. stolje

u.
Analiti

ki oblik, pa je tako došlo do tzv. analiti

ke i racionalne mehanike. Ti su znanstvenici iz jedinstvenih na

ela izveli analiti

ki sva podru

ja mehanike.

i da nije u skladu s mnogim iskustvenim

injenicama (između ostaloga protivio se slu

aju skoka brzine pri sudaru dviju kuglica). Nastojanje da spasi taj zakon navelo je Dubrov

anina Ruđ er Boškovi

a (1711. 1787.) da dade sasvim novu teoriju o strukturi tvari. Po toj teoriji, sila je među

esticama u vrlo malim udaljenostima odbojna, zatim nekoliko puta mijenja predznak i u ve

im udaljenostima postaje privla

na. Ta su gledišta uvelike utjecala na razvoj fizike u XIX. st.
Iako je u XVII. st. dosta prihva

ena peripateti

ka koncepcija širenja svjetlosti kao vala, ipak je peripateti

ko tuma

e. Mnogi su znanstvenici opazili da se prolaskom svjetlosti kroz prizmu

dobiva niz razli

itih boja. Newton je, traže

i uzrok toj pojavi, na temelju mnogih pokusa zaklju

io da je bijela svjetlost sastavljena od niza boja koje je nazvao spektar. U XVIII. st. nije bilo mogu

e potvrditi koju teoriju svjetla treba prihvatiti. Međutim, kad je Thomas Young (1773. 1829.) oko 1800. otkrio interferenciju svjetlosti i valove svjetlosti usporedio s valovima zvuka i valovima vode, bila je valna teorija svjetlosti gotovo jednodušno prihva

ena.



Slika 0.1 Naslovna stranica Newtonovih Principa iz godine 1687., u kojima je prirodna filozofija – fizika prvi put sustavno postavljena
Grci su promatrali svijet kao cjelinu. Tako oni nisu nikada promatrali pojedini događaj ili proces izolirano od preostalog svemira. Pokusi u XVI. st. ponukali su u

enjake da usredoto

e svoju pozornost na konkretnu eksperimentalnu situaciju. Sve je više prevladavalo mišljenje da treba pažnju koncentrirati na mali broj okolnosti u izoliranoj situaciji. U takvom izoliranom sustavu ostajala su sa

uvana neka svojstva i veli

ine. Descartes je govorio o o

uvanju veli

ine gibanja, a Huygens je smatrao da je veli

ina mν², gdje je m masa a ν brzina tijela, konstantna u nekom zatvorenom sustavu. Leibniz je nazivao tu veli

inu živa sila.

9

FIZIKA – ODABRANA POGLAVLJA


Istraživanja toplinskih pojava. Atomisti

ka shva

ina znanstvenika, koja je prihva

ala atomisti

ku strukturu tvari, u to doba je zamišljala i da toplina dolazi od gibanja atomskih

estica. Daniel Bernoulli (1700. 1782.) dao je model plina na temelju pojma gibanja

estica. Uz takvo su shva

anje pristali i Euler, Lavoisier i Laplace.
Usprkos uspjeha te teorije, došlo je u njoj i do nekih teško

a. Naime, mehani

ka teorija topline bila je u biti kvalitativna i nesposobna da dade neke zadovoljavaju

e kvantitativne rezultate u prvoj polovini XVIII. st. Iz pokusa je izgledalo da postoji neki agens koji ne samo što djeluje na osjet opipa, a osje

a se kao temperatura tijela, nego izaziva i promjenu sastava tijela. Takav agens nađen je u okviru Descartesove prirodne filozofije. Tako je toplina shva

ena kao fluid karakteristi

an za toplinske procese. Ta teorija omogu

ila je kvantitativno mjerenje topline .

eve Teorije iz 1763, u kojoj je izložen potpuno nov pogled na materijalni svijet i pojave u njemu

ki atomisti tuma

ili mehani

kim kontaktom između objekta koje privla

eno i onog tijela koji je privu

en. Ta fizikalna veza je emisija koja potje

e od natrljanog jantara ili od magneta. U XVI. st. je William Gilbert prihvatio tu teoriju i zamislio da se oko natrljanog jantara ili oko magneta

10
POVIJEST FIZIKE

stvara neki efluvij. Kao atomisti

ka teorija topline i atomisti

ka teorija elektriciteta, ta je teorija zbog pokusa u XVIII. st. doživjela. modifikaciju. Za C. F. de Cisternay du Faya (Dufay) postoje dvije vrste elektriciteta, pa tako natrljano staklo odbija natrljano staklo, natrljani jantar odbija natrljani jantar, a natrljano staklo privla

i natrljani jantar. On je efluvij tuma

io kao vrtlog koji okružuje svaki elektri

ni objekt. To je potaklo na mišljenje da je i elektricitet fluid. B. Franklin je kona

no prihvatio postojanje samo jednog elektri

nog fluida kojega može biti više ili manje od normalnog. To je omogu

ilo kvantitativna mjerenja i pomoglo da C. A. Coulomb dođe do zakona koji nosi njegovo ime.

ku strukturu tvari i zamislio da svaki atom okružuju ljuske s atmosferom topline i tako omogu

uju fizikalni kontakt među atomima. Nove informacije o strukturi tvari pribavili su pokusi s plinovima. Osobito su bili važni pokusi J. L. Gay-Lussaca, na temelju kojih je Amadeo Avogadro izgradio novi model strukture tvari. On je pretpostavio da su atomi rasuti u praznom prostoru i da se spajaju u molekule. Na temelju postulata koji je poznat kao Avogadrov zakon on je uspio objasniti gotovo sve kemijske rezultate poznate u njegovo doba.
Iako je Leibniz uveo pojam žive sile koja je u biti energija, ipak tada još nije bio poznat pojam energije uop

e. Lavoisier i Laplace poistovjetili su toplinu s Leibnizovim pojmom žive sile,

ime je uspostavljena korespondencija između topline i mehani

ke energije. Po

etkom XIX. st. na temelju mnogih pokusa postalo je jasno da mora postojati neko jedinstveno na

elo na kojemu se temelje mehani

ke i toplinske pojave, a 1842. g. Julius Robert Mayer (1814. 1878.) dokazao je da postoji op

a ekvivalencija i o

uvanje svih oblika energije. To je sve više upozoravalo na to da bi ipak morala biti vjerojatnija pretpostavka kineti

ke teorije topline nego fluida. Teoriju topline na temelju gibanja

estica dao je James Prescott Joule (1818. 1889.).
Pojam polja djelovanja. Po

etkom XIX. st. fizi

ari su pretežito vjerovali da postoji neko djelovanje na daljinu i postupali su s tim pojmom

isto formalno, ne pitaju

i se kakav je stvarni mehanizam tog djelovanja. Na takav na

in bi djelovala međusobno dva naelektrizirana tijela, magneti i tijela op

enito gravitacijskom silom. Ali zaobilaženje biti problema po

elo je sve više smetati daljem razvoju znanosti i bilo je nužno da se pronađe upravo taj mehanizam djelovanja sile. Michael Faraday (1791. 1867.) u po

etku je tražio taj mehanizam u Boškovi

evoj ideji središta sila. Međutim, Gilbertovi pokusi, koji su pokazali da se željezna piljevina postavlja na određene krivulje oko magneta, dopunili su tu po

etnu ideju. Nakon toga, Faraday je tvrdio da su magnetske crte sila realne iako nevidljive, i da one prenose međusobno djelovanje tijela. Te crte same po sebi nisu supstancija, ali nastaju zgušnjavanjem etera za koji je i Faraday uzimao da ispunja prostor i omogu

uje zra

ki nabijeno tijelo elekri

nim poljem.
Elektromagnetski valovi. Clerk Maxwell je našao matemati

ki oblik za Faradayeve eksperimentalne rezultate, posebno za njegove pokuse djelovanja magnetskog polja na elektri

no i obrnuto. Maxwell je dobio skup jednadžbi polja iz kojih je izvodio i takve rezultate koji još nisu bili provjereni eksperimentalno. Po Maxwellu, za neku dugu ravnu žicu koja vodi elektri

nu struju postoji u okolnom prostoru tzv. elektromagnetsko polje. Ako elektri

ni naboji u žici dobivaju akceleraciju, prema Maxwellovim

11

FIZIKA – ODABRANA POGLAVLJA

jednadžbama vidi se da je time odaslan u okolni prostor impuls neke energije i taj se širi brzinom svjetlosti. Ako struja u žici oscilira, valni

e se niz neprekidno širiti u svim smjerovima brzinom svjetlosti. Zbog toga je Maxwell zaklju

io da je svjetlost elektromagnetski val.

ava u blizini vidljivog dijela spektra. Iste je godine J. Ritter pustio da padne spektar Sunca na plo

u pokrivenu srebro-nitratom i opazio da se pocrnjenje širi prema ljubi

astom podru

ju spektra. Time je postalo jasno da vidljivo svjetlo predstavlja samo dio neprekidnog spektra elektromagnetskih valova. 1888. je Heinrich Hertz (1857 ...1894) pokazao da se oscilacijama iskre izmeđ u dviju kuglica spojenih na izvor struje stvara elektromagnetski val koji može proizvesti iskru između drugog para kuglica postavljenog na nekoj udaljenosti od prvih, pa je na taj na

in potvrdio Maxwellovu teoriju barem za frekvencije koje su razli

ite od frekvencija vidljivog svjetla.