Fizika, kaip mokslas, formavosi šimtmečiais. Jos istorija – tai nuolatinių ieškojimų, atradimų ir kartais klaidų kelias, vedęs prie dabartinio pasaulio supratimo. Šiame straipsnyje apžvelgsime svarbiausius fizikos raidos etapus, prisiminsime žymiausius mokslininkus ir jų idėjas, bei atrasime, kokį pėdsaką fizikos istorijoje paliko Lietuva. Taip pat aptarsime mokslo ir technologijų poveikį mūsų gyvenimui ir planetai.
Svarbiausi fizikos atradimai: kas pakeitė mūsų pasaulį?
Fizikos istorija kupina revoliucinių idėjų, pakeitusių ne tik mokslą, bet ir visą civilizaciją. Trumpai apžvelkime kelis svarbiausius etapus ir asmenybes, kurie padėjo pamatus mūsų dabartiniam supratimui:
- Antika: Jau senovės graikai, pavyzdžiui, Archimedas (III a. pr. Kr.), domėjosi mechanikos ir hidrostatikos dėsniais, suformulavo svirties taisyklę ir kūno plūdrumo dėsnį (Archimedo jėga). Jų darbai rėmėsi stebėjimais ir loginiais samprotavimais.
- Mokslinė revoliucija (XVI-XVII a.): Šis laikotarpis žymi eksperimentinio metodo įsigalėjimą. Galilėjus Galilėjus (1564–1642) atliko garsiuosius kūnų kritimo eksperimentus, paneigdamas Aristotelio teiginius, ir pirmasis panaudojo teleskopą dangaus kūnams stebėti, kas patvirtino heliocentrinę Visatos sandarą. Jo darbai padėjo pamatus klasikinei mechanikai.
- Izaokas Niutonas (1643–1727): Viena svarbiausių figūrų fizikos istorijoje. Savo veikale „Matematiniai gamtos filosofijos pagrindai“ (lot. Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica) jis suformulavo:
- Tris judėjimo dėsnius, aprašančius jėgos ir judėjimo ryšį: $$ \sum \vec{F} = 0 \Leftrightarrow \vec{v} = \text{const} $$ (Pirmasis dėsnis - inercija) $$ \vec{F} = m\vec{a} $$ (Antrasis dėsnis - pagrindinis dinamikos dėsnis) $$ \vec{F}{12} = -\vec{F}{21} $$ (Trečiasis dėsnis - veiksmo ir atoveiksmio dėsnis)
- Visuotinės traukos dėsnį, paaiškinantį tiek obuolio kritimą, tiek planetų judėjimą: $$ F = G \frac{m_1 m_2}{r^2} $$ Niutonas taip pat padarė svarbių atradimų optikoje (šviesos skaidymas, dalelinė prigimtis). Jo darbai sukūrė vientisą klasikinės mechanikos ir gravitacijos teoriją, dominavusią kelis šimtmečius.
- XVIII-XIX a.: Termodinamikos ir Elektromagnetizmo amžius: Pradėta giliau tyrinėti šilumą (termodinamika), suformuluoti jos dėsniai (pvz., energijos tvermės dėsnis šiluminiuose procesuose). Ypač reikšmingi buvo elektros ir magnetizmo tyrimai. Maiklas Faradėjus (1791–1867) atrado elektromagnetinės indukcijos reiškinį – kintantis magnetinis laukas kuria elektrinį lauką (elektrovarą), kas yra elektros generatorių veikimo pagrindas. Džeimsas Klerkas Maksvelas (1831–1879) matematiškai aprašė ir suvienijo visus tuo metu žinotus elektrinius ir magnetinius reiškinius į vientisą elektromagnetinio lauko teoriją (Maksvelo lygtys). Ši teorija numatė elektromagnetinių bangų egzistavimą ir parodė, kad šviesa taip pat yra elektromagnetinė banga. Tai padėjo pamatus radijo, televizijos ir kitų ryšio technologijų atsiradimui.
- XX a.: Moderniosios fizikos gimimas: XIX a. pabaigoje ir XX a. pradžioje atsirado reiškinių (pvz., šiluminis spinduliavimas, fotoefektas), kurių klasikinė fizika negalėjo paaiškinti. Tai paskatino naujų teorijų atsiradimą:
- Kvantinė teorija: Maksas Plankas (1900 m.) iškėlė hipotezę, kad energija spinduliuojama ir sugeriama porcijomis – kvantais. Albertas Einšteinas (1905 m.) pritaikė šią idėją paaiškinti fotoefektą, įvesdamas fotono sąvoką. Vėliau Nilsas Boras, Ervinas Šrėdingeris, Verneris Heisenbergas ir kiti sukūrė kvantinę mechaniką, aprašančią mikropasaulio (atomų, molekulių, elementariųjų dalelių) dėsnius.
- Reliatyvumo teorija: Albertas Einšteinas (1905 m. – specialioji, 1915 m. – bendroji) sukūrė teorijas, pakeitusias Niutono erdvės, laiko ir gravitacijos sampratą. Specialioji reliatyvumo teorija nagrinėja judėjimą greičiais, artimais šviesos greičiui, ir atskleidė masės bei energijos sąryšį ($$ E = mc^2 $$). Bendroji reliatyvumo teorija aprašė gravitaciją kaip erdvėlaikio iškreipimą dėl masės ir energijos. Šios teorijos atvėrė kelią į branduolio fizikos, elementariųjų dalelių fizikos ir kosmologijos tyrimus.
Vaizdinė medžiaga: Šioje skiltyje būtų naudinga interaktyvi laiko juosta, kurioje būtų pažymėti svarbiausi etapai, mokslininkai (su portretais) ir jų pagrindiniai atradimai bei svarbiausi veikalai.
Lietuvos fizikų indėlis: nuo K. Semenavičiaus iki lazerių
Nors Lietuva nėra didelė šalis, jos mokslininkai taip pat prisidėjo prie fizikos mokslo plėtros, ypač tam tikrose srityse:
- Kazimieras Semenavičius (apie 1600 – apie 1651): Lietuvos Didžiosios Kunigaikštystės bajoras, karys ir inžinierius. Savo 1650 m. išleistame veikale „Didysis artilerijos menas, pirmoji dalis“ (lot. Artis Magnae Artilleriae pars prima) jis ne tik aprašė to meto artilerijos technologijas, bet ir pateikė daugiapakopių raketų, raketinio kuro ir raketų stabilizavimo sparneliais idėjas. Nors jo darbai ilgą laiką buvo primiršti, dabar jis laikomas vienu iš raketų technikos pradininkų pasaulyje.
- Fizika Vilniaus universitete: Senajame Vilniaus universitete fizika dėstyta nuo pat jo įkūrimo, tačiau kaip savarankiškas mokslas su eksperimentiniais tyrimais pradėjo formuotis vėliau. Reikšmingų darbų čia nuveikė įvairių laikotarpių mokslininkai.
- XX-XXI a. pasiekimai: Ypač reikšmingi Lietuvos fizikų darbai po Antrojo pasaulinio karo. Vilniaus universitete ir Fizikos institute (dabar Fizinių ir technologijos mokslų centro dalis) susiformavo stiprios mokslinės mokyklos:
- Teorinė fizika: Prof. Adolfo Jucio sukurta daugiaelektronių atomų teorija ir jos metodai tapo pasaulinio lygio pasiekimu.
- Puslaidininkių fizika: Prof. Jurgio Viščako ir prof. Povilo Brazdžiūno pradėti tyrimai išvystė stiprią puslaidininkių fizikos mokyklą, tyrusią medžiagų elektrines ir optines savybes.
- Lazerių fizika: Remiantis puslaidininkių tyrimais ir kvantinės elektronikos žiniomis, Lietuvoje buvo sukurti pirmieji lazeriai. Šiandien Lietuva yra pasaulyje pripažinta kaip aukštųjų technologijų lazerių šalis. Tokios įmonės kaip „Ekspla“, „Light Conversion“, „Šviesos konversija“ kuria ir gamina pažangiausius ultratrumpųjų impulsų lazerius, naudojamus mokslo tyrimuose, pramonėje ir medicinoje visame pasaulyje.
Vaizdinė medžiaga: Būtų vertinga pamatyti Kazimiero Semenavičiaus knygos „Artis Magnae Artilleriae pars prima“ titulinio lapo ar iliustracijų nuotraukas, taip pat šiuolaikinių Lietuvos lazerių ar laboratorijų vaizdus.
Fizika, technologijos ir visuomenė: nauda ir atsakomybė
Fizikos atradimai yra daugelio technologijų, be kurių neįsivaizduojame savo gyvenimo, pagrindas.
- Nauda: Elektra, radijas, televizija, kompiuteriai, internetas, mobilieji telefonai, medicininė diagnostika (rentgenas, MRT, ultragarsas), transportas (nuo automobilių iki lėktuvų ir kosminių laivų) – visa tai remiasi fizikos dėsniais. Fizikos žinios padeda kurti naujas medžiagas, efektyvesnius energijos šaltinius, tobulinti gamybos procesus. Fizikos mokslas yra svarbus Europos Sąjungos mokslinių tyrimų ir inovacijų programose (pvz., „Horizontas Europa“), siekiant spręsti globalias problemas.
- Atsakomybė ir etika: Technologijų pažanga kelia ir etinių klausimų bei iššūkių. Pavyzdžiui:
- Branduolinė energija: Teikia daug energijos be tiesioginių CO₂ emisijų, bet kelia pavojų dėl avarijų ir radioaktyvių atliekų. Branduolinio ginklo egzistavimas yra nuolatinė grėsmė žmonijai.
- Automatizacija ir dirbtinis intelektas: Nors didina efektyvumą, kelia klausimų dėl darbo vietų praradimo ir sprendimų priėmimo kontrolės.
- Aplinkos tarša: Daugelis technologijų, ypač susijusių su energijos gamyba ir transportu, teršia aplinką. Mokslininkai ir inžinieriai turi prisiimti atsakomybę už savo darbo pasekmes, o visuomenė turi diskutuoti ir spręsti, kaip etiškai ir saugiai naudoti mokslo pasiekimus.
Fizika ir darnus vystymasis: ieškant pusiausvyros
Darnus vystymasis – tai toks vystymasis, kuris tenkina dabarties poreikius, nesumažindamas ateities kartų galimybių tenkinti savuosius. Fizika vaidina lemiamą vaidmenį siekiant šio tikslo:
- Atsinaujinantys energijos šaltiniai: Saulės elementų (fotoefektas), vėjo turbinų (aerodinamika), hidroelektrinių (mechanika, hidrodinamika), geoterminės energijos (termodinamika) technologijų kūrimas ir tobulinimas.
- Energijos efektyvumas: Naujų, mažiau energijos vartojančių prietaisų (pvz., LED apšvietimas), geresnių termoizoliacinių medžiagų (šilumos perdavimo tyrimai) kūrimas.
- Aplinkos stebėsena ir taršos mažinimas: Fizikiniai metodai naudojami oro, vandens, dirvožemio taršai matuoti (spektroskopija, lazeriniai jutikliai), kuriamos technologijos teršalams filtruoti ar neutralizuoti.
- Žiedinė ekonomika: Fizika padeda kurti medžiagas, kurias lengviau perdirbti, ir procesus, kurie naudoja mažiau išteklių ir generuoja mažiau atliekų.
Vaizdinė medžiaga: Galima būtų panaudoti Sankey diagramas, vaizduojančias energijos srautus ir nuostolius įvairiuose procesuose (pvz., elektros energijos gamyboje ir perdavime), siekiant pabrėžti efektyvumo svarbą. [🔗 LFMA metodinė medžiaga apie Sankey diagramas]
Apibendrinimas
Fizikos istorija rodo nuolatinį žmogaus siekį pažinti pasaulį – nuo kasdienių reiškinių iki Visatos paslapčių. Svarbūs atradimai, kuriuos padarė tokie protai kaip Niutonas, Maksvelas, Einšteinas, Boras, pakeitė mūsų supratimą ir technologijas. Lietuva, nors ir nedidelė, taip pat įnešė savo indėlį, ypač lazerių fizikos srityje. Šiandien fizika yra neatsiejama nuo technologinės pažangos, tačiau kartu kelia ir etinės atsakomybės klausimus bei yra vienas svarbiausių įrankių siekiant darnaus vystymosi ir sprendžiant globalias aplinkos problemas.
Klausimai pamąstymui
- Kuo skyrėsi Archimedo ir Galilėjaus taikyti pasaulio pažinimo metodai? Koks metodas dominuoja šiuolaikinėje fizikoje?
- Kokį fizikos atradimą laikote pačiu svarbiausiu žmonijos istorijoje? Argumentuokite savo pasirinkimą.
- Pateikite pavyzdį technologijos, kuri turi ir akivaizdžią naudą, ir kelia etinių ar aplinkosauginių problemų. Kaip manote, koks galėtų būti šių problemų sprendimo kelias?
- Kokią matote Lietuvos fizikos mokslo ateitį? Kokiose srityse Lietuva galėtų pasiekti daugiausiai?
Kur ieškoti daugiau?
- Bendrosios fizikos istorijos apžvalgos:
- 🔗 Khan Academy (Physics library) (Anglų k., ieškoti specifinių temų istorijos)
- 🔗 AIP Physics History Center (Amerikos fizikos instituto istorijos centras, anglų k.)
- Apie Lietuvos fiziką:
- Apie Kazimierą Semenavičių: Ieškoti straipsnių Lietuvos istorijos portaluose ar enciklopedijose.
- Fizika ir visuomenė, etika: Ieškoti straipsnių mokslo populiarinimo žurnaluose ir portaluose (pvz., „Spectrum“, „Mokslas ir Gyvenimas“, tarptautiniai – „Scientific American“, „New Scientist“).