fizika

fizika (grč. φυσıϰή, od φυσıϰός: prirodan, naravan), prirodna znanost koja se bavi materijom, gibanjem, energijom i međudjelovanjem. Fizikalni zakoni izražavaju se u matematičkom obliku. U fizici su eksperiment (istraživanje pojava pod uvjetima koji se kontroliraju što je više moguće) i teorija (opis fizikalnih pojava u obliku pojednostavnjenih matematičkih modela) komplementarni. Fizikalni pokusi rezultiraju mjerenjima, koja se zatim uspoređuju s računatim rezultatima što ih daje teorija. Teorija koja dobro pretkazuje rezultate pokusa u nekom širem području čini fizikalne zakone. Međutim, fizikalni zakoni su podložni promjenama, zamjenama ili ograničenjima, ako kasniji točniji i opsežniji pokusi pokažu da je to potrebno. Cilj je fizike pronalaženje zakona koji opisuju tvar, gibanja i energiju, od malenih (mikroskopskih) subatomskih udaljenosti (→ subatomske čestice), na ljestvici iz svakodnevnoga života (makroskopskoj), sve do najvećih udaljenosti (na ekstragalaktičkoj ljestvici).

Fizika se dijeli na područja kao što su mehanika, elektromagnetizam, optika, termodinamika, fizika čvrstoga stanja, nelinearna fizika, nuklearna fizika, fizika elementarnih čestica, fizika gravitacije, fizika kondenzirane tvari, kvantna optika, atomska i molekularna fizika, fizika teških iona, fizika plazme, kvantna kromodinamika itd. Prva četiri područja spadaju u klasičnu fiziku, kojoj je osnova razvijena prije XX. stoljeća. U XX. st. razvijene su kvantna fizika koja vrijedi na razini atoma i relativistička fizika, koja je povezana s gibanjem velikim brzinama.

Budući da fizika istražuje fundamentalna pitanja prirode, ona utječe na druge znanosti, filozofiju kao i na opći pogled na svijet, primjenjuje se u tehnologiji i medicini. Fizikalna se otkrića koriste u tehničkim inovacijama npr. otkrića svojstva tranzistora omogućila su razvoj računala i robota, tj. informatičku revoluciju; otkriće rendgenskog zračenja i njegova raspršenja na molekulama omogućila su veliki napredak medicine i otkriće genetske šifre, tj. razvoj moderne molekularne biologije; otkriće lasera omogućilo je modernizaciju industrije jer su laseri izvanredno prikladno oruđe za kompjutorski upravljanu obradbu materijala, primjenu u medicini itd.

Fizika omogućuje razvoj moderne tehnologije, a bolja tehnika i instrumentacija omogućuju razvoj fizike. Matematika je jedno od osnovnih oruđa u fizici, a s razvojem računala šire se mogućnosti korištenja matematičkih metoda u fizici.

Uloga fizike u drugim znanostima rezultirala je formiranjem interdisciplinarnih znanstvenih područja kao što su astrofizika, geofizika, biofizika, fizikalna geodezija, kompjutorska fizika, psihofizika, ekonofizika itd.

Utjecaj fizike na filozofiju u vezi je s konceptualnom osnovom percepcije i razumijevanja prirode. Zato se fizika dugo vremena nazivala prirodnom filozofijom (po grčkoj riječi φυσıϰός) i do XVIII. st. nije bila jasno izdvojena kao zasebna znanstvena disciplina. Na primjer, determinizam kao filozofska doktrina da je svemir sličan nekom složenom stroju koji radi strogo kauzalno i kojemu je budućnost u potpunosti određena njegovim sadašnjim stanjem i silama koje u njemu djeluju, ima svoj korijen u Newtonovoj mehanici. Neki filozofski smjerovi (→ materijalizam; naturalizam; empirizam) promatraju fiziku kao model filozofskoga istraživanja. U tom je smislu ekstreman logički pozitivizam sa stavom da bitne postavke treba formulirati jezikom fizike. Iako se ne temelje na sustavnim promatranjima i kvantitativnim provjeravanjima, neke su zamisli antičkih filozofa (primjerice atomska građa tvari ili razumijevanje Zemlje kao planeta) potvrđene kasnijim otkrićima. Način na koji je Arhimed, putem provjere pokusima, došao do formulacije zakona poluge i uzgona tekućina, oživljen je u renesansi.

Povijest fizike

Temelje fizike postavili su u XVI. i XVII. st. Galileo Galilei i Isaac Newton otkrivanjem zakona mehanike. Postavio je tri zakona gibanja (s pomoću kojih se i danas proučavaju gibanja tijela u svakodnevnim uvjetima), formulirao je i zakon gravitacije (koji egzaktno objašnjava zamršena gibanja planeta). Procvat otkrića iz toga doba vodi u razvoj klasične fizike, koja uz mehaniku obuhvaća i termodinamiku, optiku, akustiku te elektromagnetizam.

U drugoj polovici XIX. st. James Clerk Maxwell postavio je prvo ujedinjenje sila uvođenjem pojma fizikalnog polja (zaslugu za svoje djelo Maxwell daje svojemu prethodniku Michaelu Faradayu, koji je uveo silnice, a ovaj pak za to smatra zaslužnim Ruđera Josipa Boškovića i njegove točkaste izvore sila). Ondašnje ukupno znanje o elektricitetu i magnetizmu Maxwell sažimlje u četiri Maxwellove jednadžbe, koje mu potom omogućuju predviđanje postojanja elektromagnetskih valova (god. 1867. predlaže da je i vidljiva svjetlost elektromagnetski val). Maria Curie-Skłodowska otkrila je da se kemijski elementi mogu pretvarati jedni u druge i protumačila je radioaktivnost 1898.

Einsteinovom specijalnom teorijom relativnosti (1905) omogućeni su proračuni gibanja na velikim brzinama (blizu brzine svjetlosti) i započinje era moderne fizike (mijenjaju se osnovni pojmovi o prostoru i vremenu te se uvodi ekvivalentnost mase i energije). Albert Einstein formulira i opću teoriju relativnosti (1916), gdje gravitaciju opisuje zakrivljenošću prostora. No dok se ove teorije mogu promatrati kao nadogradnja klasične fizike (primjerice, specijalna relativnost kao objedinjenje mehanike i elektromagnetizma), dolazak kvantne mehanike istinska je revolucija.

Kvantna je mehanika utemeljena 1900., kada je Max Planck uveo diskontinuirana energijska stanja kako bi objasnio spektar zračenja crnog tijela. Tu diskontinuiranost Einstein (1905) prenosi i na samo zračenje. Kvantima elektromagnetskoga zračenja (fotona energije , gdje je h Planckova konstanta, a ν frekvencija elektromagnetskih valova) on objašnjava fotoelektrični efekt. Niels Bohr (1913) postavio je kvantnu teoriju atoma, koje se problemi rješavaju radovima Wolfganga Paulija (Paulijevo načelo), Wernera Karla Heisenberga (Heisenbergove relacije neodređenosti i matrična mehanika), Ervina Schrödingera (Schrödingerova jednadžba) i drugih. To je dovelo do razumijevanja većine atomskih i molekularnih pojava. Spajanje ideja kvantne teorije i teorije relativnosti (Paul Adrien Maurice Dirac, 1928) vodi na Diracovu relativističku valnu jednadžbu koja uključuje spin elektrona i finu strukturu spektralnih linija. Ona istodobno predviđa postojanje antičestice elektrona, pozitrona otkrivenog već koju godinu poslije (Carl Ddavid Anderson 1932). Dodatna iznenađenja (predviđanje tvorbe parova čestice i antičestice i anihilaciju tih parova uz emisiju gama-zračenja, kao i predviđanje električne polarizabilnosti vakuuma u jakim poljima) razjašnjena su formulacijom kvantne elektrodinamike kao renormalizabilne kvantne teorije polja (Richard Phillips Feynman, Julian Seymour Schwinger i Sin-Itiro Tomonaga). Ta će teorija, zbog izvanredno preciznog slaganja njezinih predviđanja s mjerenjima, postati uzorom za opis ostalih fundamentalnih međudjelovanja. Enrico Fermi oblikovao je teoriju slabog međudjelovanja 1932. Iste je godine otkriven i neutron, čime je započelo istraživanje atomske jezgre. Kvantna mehanika otkrivena na razini atoma našla je punu primjenu pri proučavanju nove, nuklearne sile, odgovorne za vezanje protona i neutrona u jezgrama atoma. Uz razumijevanje nuklearne spektroskopije i nuklearnih reakcija došlo se i do otkrića nuklearne fisije i fuzije sa zastrašujućim vojnim primjenama, ali i do objašnjenja podrijetla izvora energije zvijezda u fuzijskim reakcijama u unutrašnjosti zvijezda.

U fizici kondenzirane tvari razvijaju se poluvodiči i tranzistori, objašnjava se supravodljivost i dolazi do spoznaja o faznim prijelazima i neuređenim sustavima. Astronomija i kozmologija doživljavaju nov pogled, kroz »prizmu« velikog praska. Opažaju se kvazari i pulsari, ali i pozadinsko zračenje. Teleskopi na svemirskim letjelicama zbližavaju kozmologiju i fiziku čestica. Na sudarivačima čestica spoznata je kvarkovska struktura hadrona i omogućen razvoj kvantne kromodinamike. Razvoj računalstva dovodi do novih polja istraživanja kao što je teorija kaosa ili neuroznanost. S elektroslabom teorijom kvantna kromodinamika čini skladnu cjelinu poznatu kao standardna teorija čestica i sila. U današnjoj slici standardnoga kozmološkog modela dolazi do prožimanja tih dvaju standardnih modela u fizici ranoga svemira.

Fizika u Hrvatskoj

Prve kritike Aristotelova shvaćanja svijeta u Hrvata javljaju se sredinom XVI. st. Andrija Dudić je u Raspravici o značenju kometa (1579) istaknuo da to što je paralaksa kometa manja od Mjesečeve paralakse potvrđuje da je komet udaljeniji od Zemlje nego Mjesec. Nikola Sagroević proučavao je plimu i oseku. Frane Petrić u Novoj sveopćoj filozofiji (1591) izložio je vlastitu prirodnofilozofijsku sliku svijeta. Faust Vrančić je u djelu Novi strojevi (1595) dao crteže svojih ili prerađenih tuđih izuma, te njihove opise. Marin Getaldić se u djelu Nekoliko napomena o paraboli (1603) bavio paraboličnim zrcalima, a 1608. konstruirao je parabolično zrcalo kojim se moglo rastaliti srebro. Markantun de Dominis se u djelu O zrakama vida i svjetlosti u prozirnom staklu i dugi (1611) bavio optikom, a u djelu Eurip ili rasprave o pritjecanju i ponovnom otjecanju mora (1624) plimom i osekom. Stjepan Gradić je u djelu Četiri fizikalno-matematičke rasprave (1680) pisao o upravljanju broda kormilom, ubrzanom gibanju, određivanju volumena i položaju Sjevernjače. Ruđer Josip Bošković napisao je više od stotine djela u kojima se bavio kometima, pomrčinama Sunca i Mjeseca, Sunčevim pjegama, teleskopima, građevinskom statikom, geodetskim mjerenjima, hidrotehnikom, strukturom tvari, mikroskopima, lećama, dugom, pijavicama, plimom i osekom, polarnom svjetlosti, Zemljinim oblikom i dr. Benedikt Stay je u poemi Šest knjiga filozofije izložene u stihovima (1744) iznio sustav Descartesove filozofije, a u Deset knjiga novije filozofije izložene u stihovima (1755., 1760., 1792) Newtonovu prirodoznanstvenu filozofiju. U XVIII. i XIX. stoljeću fizika se u Hrvatskoj slabije razvijala od drugih znanosti jer se smatralo da prirodne znanosti zbog nametanja realizma i empirizma dovode do materijalizma i da ne pomažu u obrazovnom procesu učenika. Jugoslavenska akademija znanosti i umjetnosti nije podupirala znanosti koje se nisu bavile nacionalnim temama poput fizike i matematike; u časopisu Rad JAZU do 1914. objavljeno je samo 27 članaka iz fizike. Franjo Josip Domin izvodio je pokuse s balonima, istraživao zvuk, statički elektricitet i njegovu primjenu u medicini. Bogoslav Šulek bavio se znanstvenim nazivljem (Prirodni zakonik za svakoga iliti popularna fizika: I. Silarstvo, 1873; II. Vesarstvo, 1875; III. Svjetlarstvo, 1876). Oton Kučera popularizirao je fiziku i astronomiju. Hrvatsko prirodoslovno društvo osnovano je 1885. pod nazivom Hrvatsko naravoslovno družtvo, a od 1886. istraživanja hrvatskih prirodoslovaca objavljuje u časopisu Glasnik Hrvatskoga naravoslovnoga družtva. Nikola Tesla je 1892. održao predavanje u Gradskoj vijećnici u Zagrebu i time je potaknuo inženjere u Hrvatskoj da izgrade i puste u pogon hidroelektranu za izmjeničnu struju na Krki 1896., samo nekoliko mjeseci nakon prve hidroelektrane za izmjeničnu struju na Niagari. Andrija Mohorovičić je proučavanjem pokupskoga potresa 1909. otkrio diskontinuitet u Zemljinoj kori (Mohorovičićev diskontinuitet). Gaja Alaga je u području strukture atomskih jezgara otkrio izborna pravila 1955 (Alagina pravila).

Nastava iz fizike

Isusovci su 1662. u Zagrebu otvorili trogodišnji filozofski tečaj, na drugoj godini kojega se predavala fizika. Kada je 1776. osnovana Zagrebačka kraljevska akademija znanosti, utemeljena je i prva katedra za fiziku, a vodio ju je Antun Kukec. Na Mudroslovnom fakultetu Sveučilišta u Zagrebu 1874. uveden je trogodišnji studij prirodnih znanosti i matematike, a prvi profesor fizike bio je Vinko Dvořák, docent Sveučilišta u Pragu. On je osnovao Fizikalni kabinet, iz kojega se poslije razvio Fizički zavod. Opremio je zbirku pokusa i uređaja iz fizike, a 1896., samo šest mjeseci nakon otkrića rendgenskih zraka, nabavio rendgenski uređaj. Studij fizike je 1885. proširen na četiri godine. Katedra za teorijsku fiziku uspostavljena je 1918. a prvi profesor teorijske fizike bio je Ladislav Stjepanek. Brz razvoj znanstveno-nastavnoga rada iz fizike počeo je 1946., izdvajanjem Prirodoslovno-matematičkoga fakulteta iz Filozofskoga fakulteta. Mladen Paić i Ivan Supek organizirali su gradnju Instituta Ruđer Bošković, a poslije i Instituta za fiziku Sveučilišta (danas Institut za fiziku). Od 1960. studij fizike uzdignut je na poslijediplomsku razinu.

fizika. Hrvatska enciklopedija, mrežno izdanje. Leksikografski zavod Miroslav Krleža, 2018. Pristupljeno 16.10.2018. <http://www.enciklopedija.hr/Natuknica.aspx?ID=19792>.