היסטוריה של הפיזיקה עד המאה ה-20

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

ערך זה עוסק בהיסטוריה של הפיזיקה הקלאסית, שהתפתחה עד לראשית המאה ה-20.

תוכן עניינים 1 פרהיסטוריה והעת העתיקה 2 יוון העתיקה 3 ימי הביניים 4 המהפכה המדעית (המאה ה-16 וה-17) 4.1 ביסוס המדע על ניסוי 4.2 כדור הארץ והשמש 4.3 המכניקה הניוטונית 4.4 הנגזרת והאינטגרל 4.5 המצאת הטלסקופ - מבט חדש אל השמים 4.6 הולדת האופטיקה המודרנית 4.7 מהות האור 4.8 מאלכימיה לכימיה 4.9 הולדת תורת ההסתברות 4.10 מדענים חשובים נוספים של התקופה 5 המאה ה-18 5.1 דניאל ברנולי 5.2 לפלס ולגראנז' 5.3 חוק שימור המסה 5.4 מדענים חשובים נוספים של התקופה 6 המאה ה-19 6.1 המהפכה התעשייתית והולדת התרמודינמיקה (סוף המאה ה-18 ותחילת המאה ה-19) 6.2 הולדת האלקטרודינמיקה (המאה ה-19) 6.3 המכניקה ההמילטונית 6.4 המכניקה הסטטיסטית 6.5 החיפוש אחר האתר 6.6 גאומטריות לא אוקלידיות 6.7 קרניים קתודיות וגילוי האלקטרון 6.8 התורה האטומית 6.9 מדענים ותגליות חשובות נוספות 6.10 סוף המאה ה-19, סוף הפיזיקה?

[עריכה] פרהיסטוריה והעת העתיקה

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 הבריאה, וכן סיפורים המספקים הסברים לתופעות טבע שונות. לדוגמה, במיתולוגיה היוונית תנועת השמש מוסברת בכך שאל השמש 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, וגם חשיבות מעשית. על פי מיקומי הכוכבים יכלו חקלאים לקבוע במדויק את עונות השנה. כך לדוגמה האתר סטונהנג' באנגליה שנבנה בין המאה ה-25 למאה ה-20 לפנה"ס, שימש על פי כמה תאוריות בשביל תצפיות אסטרונומיות, והציר המרכזי שלו בנוי כך שהשמש תזרח דרכו ביום הארוך בשנה. גם הפירמידה הגדולה של גיזה המתוערכת לאמצע האלף השלישי לפנה"ס, ולהבדיל הפירמידות של המאיה מראות על ידע אסטרונומי נרחב של בוניהם. הניצנים לאסטרונומיה המערבית החלו במסופוטמיה. כישוריהם החשבוניים של הבבלים אפשרו 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

ליוון העתיקה, הנחשבת ערש התרבות המערבית, תרומות חשובות להתפתחות הפיזיקה בכמה מישורים. הפילוסופיה העשירה שהתפתחה ביוון, הציעה שפע של תורות והשקפות לגבי מהות העולם ומרכיביו. אולי התרומה הגדולה ביותר של הפילוסופיה היוונית (לעומת הפילוסופיה ההודית לדוגמה, שהייתה אולי עשירה אף יותר ברעיונות והשקפות עולם), הייתה בשיטה המדעית שפותחה ביוון על פיה ניתן להכריע בין תפיסות שונות על סמך טיעונים מבוססי היגיון. 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 (וכל השינויים שאותם אנו רואים הינם אשליה של החושים). אומנם תורה זאת לבטח לא תואמת את המציאות, פיזיקאים עד היום מתמודדים עם טיעונים דומים לאלו שהעלה פרמנידס בבואם להסביר מדוע צפיפות החומר ביקום אינה קבועה, דבר המאפשר יצירתם של כוכבים וגלקסיות, או לדוגמה מדוע אין כמויות זהות של חומר ואנטי חומר ביקום.

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

הישגיהם הנרחבים של היוונים בגאומטריה איפשרו להם לאמת מודלים שונים של היקום עם תצפיות אסטרונומיות (למידע נוסף ראו הערך המודל הגאוצנטרי). המודל שהוכח כמוצלח ביותר לתיאור תנועתם של כוכבי הלכת נקרא מודל האפיציקלות (epicycles). על פי מודל זה כוכבים נעים בעיגולים מסביב לנקודות, שהנקודות עצמם נעות בעיגולים סביב כדור הארץ. מודל זה הוצע לראשונה כנראה על ידי אפולוניוס מפרגה (המאה השלישית לפנה"ס), ופותח ושוכלל על ידי אישים כגון היפרכוס מניסאה ואריסטו. ככל שהמודל שוכלל יותר כך מצד אחד הוא התאים טוב יותר לתצפיות האסטרונומיות, ומאידך הוא הפך למסובך יותר ויותר. 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 כל ימי הביניים ועד לתקופת הרנסאנס.

למרות שבמיתולוגיה היוונית כדור הארץ מתואר כשטוח, וכך לדוגמה באחד ממסעותיו הרקולס הגיע עד לקצה העולם, היו מדענים יוונים שידעו שכדור הארץ הוא למעשה כדור. ארטוסתנס, שחי במאה השלישית לפנה"ס אף הצליח למדוד את היקף כדור הארץ על ידי מדידת של השוני באורך הצל במקומות שונים באותה שעה. 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, דבר שגרם לו להאמין שהוא יוכל להגיע להודו בזמן סביר.

דמות חשובה נוספת היא 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. שיטת המיצוי שפיתח ארכימדס הייתה למעשה הבסיס לחשבון האינפיניטסימלי, תורה שפותחה רק כעבור 2000 שנה, ונהייתה כלי מרכזי בפיזיקה.

[עריכה] ימי הביניים

ימי הביניים נחשבים באירופה 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 (ובעיקר בכתביו של אריסטו). למעשה באלף השנים המיוחסות לימי הביניים קמו מדענים ספורים בעלי שיעור קומה, ובראשם רוג'ר בייקון. מצד שני בתקופה זאת ההשכלה הציבורית הפכה לרווחת יותר ויותר, הוקמו האוניברסיטאות הראשונות ויותר ויותר מדענים החלו להיות מועסקים באוניברסיטאות ובחצרות של נסיכים ומלכים. כמו כן החל חקר האלכימיה, שממנה עתידה לצמוח הכימיה, וחלו התפתחויות טכנולוגיות רבות הקשורות לשימוש באבק שרפה, בתותחים, במשקפיים ובטכנולוגיות הקשורות לספנות ונווטות. כך שלמעשה נוצקו היסודות שיאפשרו את הפריחה הגדולה שתחל בתקופת הרנסאנס. בנוסף בימי הביניים החל המהפך בשיטה המדעית שלפיו האופן להכריע בין תאוריות שונות היא על דרך הניסוי, תפיסה שאליה רוג'ר בייקון הטיף בלהט.

בארצות ערב היו ימי הביניים תקופה של פריחה מדעית חסרת תקדים. אוצרות המדע של העת העתיקה תורגמו לערבית (וחלק גדול מהם מצא את דרכם לאירופה דרך התרגום הערבי), והמחקר בפיזיקה ובמתמטיקה נמשך ביתר שאת. המדען הגדול ביותר בתקופה היה כנראה אבן אל חיתם (המאה ה- 11 לספירה). אבן אל חיתם ביסס את השיטה המדעית המסתמכת על ניסויים. הוא נתן את הבסיס לאופטיקה כאשר גילה את חוקי השבירה של קרני אור (חוק סנל), גילה את הקמרה אובסקורה, ונתן תאוריה לפיה האור נישא על ידי חלקיקים קטנים בעלי מהירות סופית אשר מגיעים מהשמש ומוחזרים מאובייקטים לפני שהם מגיעים לעינינו. אל חיתם ומדענים ערבים נוספים שיערו את חוק המשיכה בין המסות, שהתגלה מאוחר יותר על ידי גלילאו וניוטון.

אולי התרומה החשובה ביותר של המדע הערבי הייתה המצאת האלגברה והטריגונומטריה, המיוחסת לאבו ג'עפר מחמד אל ח'ואריזמי (שעל 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] המהפכה המדעית (המאה ה-16 וה-17)

תקופת הרנסאנס, שהחלה באיטליה במאה ה-14, הייתה תקופה של תחייה והתחדשות בכל ענפי התרבות, הרוח והמדע. בין שיאה של התקופה ניתן למנות את יצירתו הספרותית של ג'ובאני בוקאצ'ו (הספר דקאמרון), כתביו המדיניים של מקיאבלי, ובאומנות של אישים כגון מיכלאנג'לו ולאונרדו דה וינצ'י. במאה ה-15 נוספו שני אירועים מכוננים שחוללו מהפך תרבותי וחברתי באירופה: המצאת הדפוס על ידי יוהן גוטנברג, וגילוי אמריקה ב-1492 על ידי כריסטופר קולומבוס. כל אלה הכשירו את הקרקע למהפכה המדעית. המהפכה המדעית הייתה בראש ובראשונה מהפכה בשיטת המחקר המדעי: ביסוס המדע על ניסוי ועל תורות מתמטיות. כמו כן בפיזיקה במהלך המהפכה המדעית חל שינוי בתפישת העולם, תנועת הכוכבים הוסברה בעזרת מודל שלפיו כדור הארץ מסתובב סביב השמש ולא ההפך. עבודותיהם של גלילאו גלילאי ואייזק ניוטון ביססו את המכניקה והדינמיקה; נוסד מדע האופטיקה המודרנית בעיקר בזכות עבודותיהם של יוהנס קפלר, ניוטון וכריסטיאן הויגנס; הומצאו המצאות כגון הטלסקופ, המיקרוסקופ ושעון המטוטלת שלהם תהיה השפעה עצומה על התפתחות הפיזיקה; כמו כן חלו התפתחויות גם בשאר תחומי המדע: הביולוגיה, הכימיה והאלכימיה, ומדעי הרפואה שלהם תהיה השפעות עקיפות אבל משמעותיות על התפתחות הפיזיקה.

[עריכה] ביסוס המדע על ניסוי

בראש ובראשונה המהפכה המדעית הייתה שינוי בתפיסה המדעית. 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 ולפיו יש לבסס את המדע מעל הכול על ניסוי. הסמל המפורסם ביותר לשיטה זאת היה גלילאו גלילאי. הניסוי המפורסם ביותר שלו התבצע (או שלא: יש טענות שהניסוי מעולם לא התבצע באמת) במגדל הנטוי בפיזה, ובו הוא הראה שבנפילה חופשית גופים בעלי משקלים שונים מגיעים לארץ בו זמנית. ניסוי זה סתר את התאוריה של אריסטו שהייתה מקובלת באותם ימים ולפיה ככל שגוף שוקל יותר כך הוא יגיע מהר יותר לאדמה. גלילאו מפורסם לא פחות מכיוון שתמיכתו בתורתו של קופרניקוס, שלפיה כדור הארץ מסתובב סביב השמש ולא להפך, עמדה שסתרה את עמדת הכנסייה. תמיכתו זו העלתה אותו על הכוונת של האינקויזיציה, הוא נחקר, הועמד 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 בשנת 1540 ו 1604 של כוכבים חדשים בשמים. תופעה זאת , שהיום אנו יודעים שמקורה ב סופרנובות, הייתה בעלות משמעות מיוחדת מכיוון שהיא סתרה את התורה של אריסטו, לפיה בספרה העליונה ביותר של כוכבים, הכול מושלם ואין שום שינויים.

[עריכה] כדור הארץ והשמש

את ראשיתה של המהפכה המדעית נהוג לראות בעבודותיו של ניקולאוס קופרניקוס (1473-1543). קופרניקוס נתן מודל לתנועת כוכבי הלכת שלפיו השמש נמצאת במרכזה של מערכת השמש, וכדור הארץ ושאר כוכבי הלכת נעים סביבה במעגלים. אומנם מודל זה עדיין לא היה מושלם: הוא עדיין לא תאם בצורה מדויקת את התצפיות, היה לו יתרון משמעותי על מודל האפיציקלות (שהוסבר בסעיף יוון העתיקה) ששוכלל בידי תלמי בכך שהוא היה הרבה יותר פשוט. מודל זה נקרא המודל ההליוצנטרי, לעומת המודלים הגאוצנטרים שקבעו שכדור הארץ נמצא במרכז היקום. קופרניקוס כנראה היה מודע לבעיתיות שתהיה לכנסייה עם התורה שלו, ולכן ספרו "על תנועתם של גרמי השמים" (De revolutionibus orbium coelestium) התפרסם רק לאחר מותו.

מי שהשלים את המודל של קופרניקוס היה יוהאנס קפלר ‏ (1571-1630). קפלר שנולד והתחנך בגרמניה, הצליח להתקבל לחצרו של האסטרונום הגדול טיכו ברהה בפראג. טיכו 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 טיכו נתן לקפלר גישה אל הנתונים שהוא אסף לגבי התנועה של מאדים. למרות שבתחילה קפלר הכריז שהוא יצליח לפענח את הנתונים תוך חודשיים, המלאכה דרשה ממנו שבע שנים אבל 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. הוא גם גילה שזמן המחזרו של כוכבים פרופורציוני לחזקה של המרחק שלהם מהשמש, ומכאן שככל שכוכבים רחוקים יותר מהשמש כך זמן המחזור שלהם (אורך שנה) גדול יותר. חוקים אלו ידועים היום בתור שלושת החוקים של קפלר. לראשונה יכלה האנושות לחשב במדויק את תנועותיהם העתידיות של כל כוכבי הלכת בשמי הלילה.

את הבסיס התאורטי לחוקי קפלר מצא אייזק ניוטון, ועל כך בפיסקה הבאה.

[עריכה] המכניקה הניוטונית

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. 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 שטוען שאם על גוף לא פועלים כוחות הוא יכול להיות לא רק במנוחה, אלא גם להיות בתנועה אם היא קבועה הן בגודלה והן בכיוונה; החוק השני שקושר את השינוי בתנועה של גופים לכוחות שפועלים עליהם, והחוק השלישי הקובע שכוח שגוף אחד מפעיל על השני, יגרור כוח שווה בגודלו ומנוגד בכיוונו שהגוף השני יפעיל בתגובה. כמו כן ניוטון שיער שכל הגופים מושכים אחד את השני והכוח גדול יותר ככל שהם קרובים יותר, מה שקרוי היום כח הכבידה (גרויטציה). בעזרת שלושת חוקיו בתוספת הגרויטציה ניוטון הסביר את כל התופעות הניסיוניות שאותם גילו גלילאו וקפלר, ומגוון עצום של תופעות. חוקים אלו הפכו לאבן הבסיס של הפיזיקה בחמש מאות השנים הקרובות עד להופעתם של תורת היחסות והקוונטים. מאז עבודתו ניוטון מציאת חוקים פשוטים המסבירים מגוון עצום של תופעות הפכה להיות הגביע הקדוש של הפיזיקה התאורטית. אבן הכותרת של השגיו היה הפתרון של הבעיה הדו גופית: ניוטון הצליח להראות שמסלול של כוכב סביב השמש צריך להיות אכן אליפטי, ולהוכיח באופן תאורטי את שלושת החוקים של קפלר. את העבודות האלו הוא פרסם בספר היסודות המתמטיים של פילוסופיית הטבע.

[עריכה] הנגזרת והאינטגרל

היום אנו מגדירים מהירות בתור הנגזרת של המקום, ותאוצה מוגדרת בתור הנגזרת של המהירות, כלומר הנגזרת השניה של המקום. חוקיו של ניוטון למעשה נותנים את משואות התנועה של גופים, הקושרים את מיקום הגופים אל הנגזרת השנייה של המיקום, ומשואות כאלה נקראות משוואות דיפרנציאליות. אלא שהמונח נגזרת, לא היה קיים באותם זמנים, וגם לא הכלים להתמודד איתו. לכן היה צורך בהולדת ענף חדש במתמטיקה שיעסוק במונחים אלו: החשבון האינפיניטסימלי. ענף זה אכן פותח על ידי ניוטון, ובמקביל גם על ידי הפילוסוף הגרמני גוטפריד וילהלם לייבניץ (1646 – 1716). במהלך השנים הבאות התפתח ויכוח מר וארסי בין השניים (שהיו חלוקים בנושאים רבים בתחומי המדע, הפילוסופיה והתאולוגיה) לגבי הקדימות בפיתוח התורה, דבר שייצר קרע גדול בין המדענים האנגלים והאירופים במהלך עשרות השנים הבאות, ולמעשה לקיפאון של המדע האנגלי.

[עריכה] המצאת הטלסקופ - מבט חדש אל השמים

במאה ה- 16 הומצא בהולנד הטלסקופ. לאחר שגלילאו גלילאי שמע על כך הוא מיהר לפתח טלסקופ לעצמו, וכנראה שהוא היה המדען הראשון שהשתמש בטלסקופ על מנת להביט בכוכבים. דבר זה הוביל לשרשרת של גילויים חדשים: גלילאו היה הראשון לראות את הירחים של צדק, הטבעות של שבתאי וכתמי השמש. השימוש במכשירים אופטיים בשביל להביט אל השמיים שינה את פני האסטרונומיה.

[עריכה] הולדת האופטיקה המודרנית

הניסיון לשכלל טלסקופים הביא גם למחקר על אופן פעולותם. 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, ושכאשר 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 גלים, והסביר את השבירה של האור בתנועה של חזית הגל כאשר היא עוברת בין חומרים שונים. לעומתו ניוטון קידם תורה על פיה האור מורכב על ידי חלקיקים. בעזרת תיאור זה קל הרבה יותר להבין את תופעת ההחזרה של האור על ידי מראות (למרות שיותר קשה להבין את השבירה של האור). תורתו של ניוטון הפכה למקובלת עד שב-1801 הוכיח תומאס יאנג בניסוי שני הסדקים, שהאור הינו גל. לבסוף, בתחילת המאה ה-20 עם עבודותיו של אלברט איינשטיין והולדת מכניקת הקוונטים, הסתבר שהאור הוא למעשה שילוב של השניים - גל וחלקיק.

[עריכה] מאלכימיה לכימיה

אלכימיה היא עיסוק שחציו התבסס על מדע וחציו על אמונות טפלות ומיסטיקה שמטרותיו העיקריות היו הפיכת עופרת לזהב, ומציאת תרופה לחיי נצח. האלכימיה רווחה מאוד בתקופת ימי הביניים, וחלק ניכר מהשיטות והידע שנצבר באלכימיה הפך לבסיס של הכימיה והרוקחות היום. בעקבות המהפכה המדעית, החלו מדענים לזקק את האלכימיה מהאמונות הטפלות ולתת לה בסיס מדעי, ובכך ניתן לראות את תחילתה של הכימיה המודרנית - דבר זה ניכר בעיקר בעבודותיו של רוברט בויל. להתפתחות הכימיה תהיה השפעה ניכרת על התפתחות הפיזיקה וכנ"ל גם בכיוון השני.

[עריכה] הולדת תורת ההסתברות

במאה ה- 17 פותחה לראשונה תורת ההסתברות המודרנית בעקבות עבודותיהם של פייר דה פרמה, בלז פסקל וכריסטיאן הויגנס. תורת ההסתברות אומנם פותחה בתור ענף מתמטי טהור אך היא עתידה למלא תפקיד מכריע בהתפתחות הפיזיקה: היא נותנת את הבסיס למכניקה סטטיסטית ולתרמודינמיקה.

[עריכה] מדענים חשובים נוספים של התקופה

ויליאם גילברט (1544 - 1603) היה רופא אנגלי ופילוסוף ויש הרואים בו את אבי הנדסת החשמל או את אבי החשמל. את עבודותיו בנושא החשמל והמגנטיות הוא פרסם בספר: "המגנט ועיניים מגנטיות ועל המגנט העצום כדור הארץ" (De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure) ובו הוא מתאר ניסיונות על מודל של כדור הארץ לו הוא קרא 'טרלה'. בין השאר הוא טען שכדור הארץ מתנהג כמו מגנט ענק וזו הסיבה שמצפנים מצביעים אל הצפון. הוא גם חקר רבות חשמל סטטי שאותו הוא ייצר בעזרת אבני ענבר. ענבר ביוונית נקרא אלקטרון וזו הסיבה שנושאי המטען החשמלי קרויים עד היום אלקטרונים. בנוסף גילברט טען שחשמל ומגנטיות הם פנים שונות של אותה תופעה, תגלית שאומתה רק שנים רבות מאוחר יותר במחקריהם של מייקל פאראדיי וג'יימס קלרק מקסוול.

טיכו ברהה (1546 - 1601), כפי שהוזכר היה האסטרונום הבכיר של התקופה שלפני השימוש בטלסקופ, ותצפיותיו המדויקות שימשו את קפלר בהבנת מסלולי הכוכבים סביב השמש.

רנה דקרט (1596 - 1650) אחד הפילוסופים והמתמטיקאים החשובים בכל הזמנים. דקרט הצליח למעשה לאחד את הגאומטריה עם האלגברה בעזרת המצאת מה שקרוי היום מערכת צירים קרטזית (קרויה על שמו). בכך הוא ייסד את הגאומטריה האנליטית, שבעצמה מהווה את הבסיס לחשבון האינפיניטיסמלי שיימצאו ניוטון ולייבניץ דור אחד מאוחר יותר.

אוטו פון גריק (1602 - 1686) מדען, ממציא ופוליטיקאי גרמני, שהמציא ב-1650 את משאבות הואקום הראשונות ובכך ייסד את מדע הואקום. הוא גם הראשון שהשתמש בברומטר בשביל מדידות מטאורולוגיות. ניסויים בואקום עתידים לשחק תפקיד משמעותי בהתפתחות הפיזיקה, ולאפשר את גילויים של האלקטרון, של מבנה הגרעין ושל החלקיקים האלמנטריים. הואקום עתיד גם לאפשר המצאות טכנלוגיות כגון הנורה החשמלית, הדיודות הראשונות (שהיו מבוססות על שפופרות קטודיות), ועל מסכי הטלוויזיה הראשונים (CRT).

כריסטיאן הויגנס (1629 - 1695), מדען הולנדי - הוזכר למעלה כבר בזכות בניית תורה שעל פיה האור מורכב על ידי גלים. הוא ידוע בעיקר בזכות המצאת שעון המטוטלת שהיווה פריצת דרך גדולה ביכולת מדידת הזמן. הוא גם ביצע עבודות אסטרונומיות רבות, בין השאר הוא גילה שהטבעות של שבתאי למעשה מורכבות מאבנים. הויגנס פרסם את הספר הראשון העוסק בתורת ההסתברות, כפי שיורחב בהמשך.

רוברט בויל (1627 - 1691) פיזיקאי ואלכימאי אירי. ידוע בעיקר בזכות גילוי חוק בויל הקושר את הנפח של גז עם הטמפרטורה והלחץ שלו. חקר גם את תפקידו של האוויר בהתפשטות קול, את התרחבות של המים כאשר הם קופאים, וכן מחקרים על גבישים וחשמל.

רוברט הוק (1635 - 1703) מדען אנגלי, שהתמחה בתחומים רבים. הוא ערך מחקרים רבים באלסטיות, וגילה את החוק הנושא את שמו: חוק הוק הקושר את הכוח שמפעיל קפיץ עם אורכו. הוא המציא ושיכלל מכשירים רבים בגון מאזני קפיץ מיקרוסקופים וכן מכשירים לחיזוי מזג אוויר. הוא ידוע מאוד גם בזכות מחקריו בביולוגיה הכוללים את גילוי התאים, וכן בזכות יכולותיו הארכיטקטוניות ותפקידו הרב בשיפוץ לונדון לאחר השרפה הגדולה של 1666.

אדמונד האלי (1656-1742) אסטרונום אנגלי הידוע בעיקר בזכות גילוי של כוכב השביט הנושא את שמו. ב-1682 בעקבות התענינותו בחוקי קפלר, הוא נסע לבקר את ניוטון על מנת לשכנע אותו לחפש הסבר תאורטי לחוקים הללו. לתדהמתו האלי גילה שניוטון כבר פתר את הבעיה אבל לא פרסם את תוצאותיו. האלי מיהר לשכנע את ניוטון לפרסם את עבודותיו ואף מימן את פרסום הספר 'פרינקיפיה'.

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

[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, וולטייר) ולרעיונותיה הייתה השפעה עצומה על רעיונות המהפכה הצרפתית (1789) ועל חוקת ארצות הברית (1787). מבחינה מדעית סמלה של התקופה הייתה 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 משמעויותיו על הפיזיקה. דניאל ברנולי הניח את היסודות להידורדינמיקה ולאווירודינמיקה. במאה ה-18 התגלו לראשונה גזים אטומיים: החמצן והמימן, ונוסח לראשונה חוק שימור המסה על ידי לבואזיה ובמקביל על ידי לומונוסוב. בסוף המאה נולד ענף חדש בפיזיקה: התרמודינמיקה, אבל על כך יסופר בסעיף הבא.

[עריכה] 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 חוק ברנולי. חוק זה מהווה למעשה את הבסיס לכל מדע האווירודינמיקה, לכל התפתחות מדע התעופה.

[עריכה] לפלס ולגראנז'

מאז עבודותיהם של ניוטון ולייבניץ, התפתחות החשבון האינפינטיסמלי, והתפתחות הפיזיקה היו קשורות קשר חזק זו לזו. בעיות פיזיקליות היו הזרז לפיתוחן של תורות מתמטיות ואלו מצידן הביאו להבנה עמוקה יותר של הפיזיקה. אולי גדול מדעני התקופה היה פייר סימון לפלס (1749-1829), מי שנחשב ל'ניוטון הצרפתי'. לפלס בספרו בעל חמשת הכרכים "Mécanique Céleste", הפך את המכניקה הניוטונית מכזו המבוססת על 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, המופיעה במשוואה 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 חשובים מאוד בפיזיקה. ללפלס היו עבודות רבות נוספות גם באסטרונומיה, בהסתברות, ובהידרודינמיקה.

ז'וזף לואי לגראנז' (1736 - 1813) מתמטיקאי ואסטרונום איטלקי. יחד עם לאונרד אוילר הוא פיתח שיטה הנקראת חשבון וריאציות. שיטה זאת משמשת לפתור בעיות אופטימיזציה, לדוגמה מה תהיה צורתו של חוט שמחזיקים אותו בשתי קצותיו אך הוא איננו מתוח. 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: הלגראנז'יאן. בכך ייסד לגראנז' את המכניקה האנליטית. אחד היתרונות של המכניקה האנליטית היא בפתרון בעיות הכוללות אילוצים, לדוגמה למצוא את תנועתה של רכבת הרים, שבנויה כך שהיא חייבת לנוע על גבי מסילה. את עבודתו הזאת המשיך ויליאם רואן המילטון עם ניסוח מתקדם אף יותר של חוקי המכניקה, שעתידה להיות חשובה מאוד להתפתחות תורת הקוונטים. ללגראנז' היו מחקרים רבים גם באסטרונומיה ובתורת המספרים.

[עריכה] חוק שימור המסה

בעקבות גילויים של המימן על ידי הנרי קוונדיש (1731 - 1810), ושל החמצן על ידי ג'וזף פריסטלי (1733 - 1804) החל אנטואן לבואזיה ‏ (1743 - 1794) באופן שיטתי לפרק חומרים ולאסוף את כל הרכיבים הנוצרים. מחקרים אלו הביאו אותו לבסס את ההרכב הכימי של חומרים שונים, וגם לנסח את חוק שימור המסה הגורס שבכל ריאקציה כימית המשקל תמיד יישאר קבוע. 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] מדענים חשובים נוספים של התקופה

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

[עריכה] המאה ה-19

[עריכה] המהפכה התעשייתית והולדת התרמודינמיקה (סוף המאה ה-18 ותחילת המאה ה-19)

כבר במאה הראשונה לספירה, הומצאה המכונה הראשונה המונעת בידי קיטור. מכונה זאת נקראה כדור איאולוס ופותחה על ידי הרון מאלכסנדריה. היא כללה כדור המלא במים, שממנו יוצאים צינורות. כאשר הכדור מחומם מלמטה, הקיטור הנפלט ממנו גורם לכדור להסתובב. בתחילת המאה ה-18 מנועים המופעלים בידי קיטור, שהומצאו על ידי תומאס סייוורי ותומאס ניוקומן זכו לראשונה לשימושים מסחריים, בעיקר לשאיבת מים ממכרות פחם. מי שקידם את מנועי הקיטור יותר מכל היה ג'יימס ואט (1736–1819). ואט החל את דרכו המדעית כאשר התאפשר לו להקים בית מלאכה קטן באוניברסיטה של גלזגו. לאוניברסיטה היה דגם של מכונת הקיטור של ניוקומן, ואט מיהר לשכלל אותו והמכונה של ואט הפכה את מכונות הקיטור לכלכליות לראשונה למגוון רחב של יישומים. כיום יחידת המידה להספק נקראת על שמו.

מכונות הקיטור של ואט וממשיכיו במהרה זכו למגוון עצום של יישומים, בעיקר לשאיבת מים, להנעת אמצעי תחבורה (רכבות ואוניות) ולהנעת מכונות לייצור טקסטיל. המצאות אלו חוללו את המהפכה התעשייתית שלה הייתה השפעה עצומה על התפתחות החברה והכלכלה וגם על התפתחות המדע. המדע נתן את הכלים לפיתוח מכונות יעילות יותר ויותר, ומצד שני נהנה מהתוצרים שלהם.

למרות שהמכונות של ואט כבר הפכו לכלכליות, היעילות שלהם הייתה נמוכה: הם ניצלו רק בסביבות 2 אחוז מהאנרגיה שהושקעה בהם. בד בבד עם הניסיונות לשכלל את מכונות הקיטור, החלה לעלות השאלה: מה היעילות המקסימלית שמכונות יכולות להפיק? על השאלה הזאת ענה סאדי קרנו (1796 - 1832), בניסוי מחשבה. קרנו, שהיה מהנדס צבאי בשירותו של נפוליאון בונפרטה, הגה מכונת קיטור אידאלית, הקרויה על שמו מנוע קרנו, וחישב את היעילות שלה. לאחר מכן הוא הצליח להראות, באמצעות הסתמכות על ההפיכות של המכונה ועל אי ההיתכנות של מכונת תנועה נצחית, שלא תיתכן מכונה יעילה יותר. קרנו עבד במסגרת תורת הקלוריק שראתה בחום ישות חומרית דמוית נוזל הזורמת מגוף חם לגוף קר.

את עבודותיו של קרנו המשיכו בנויט פאול אמיל קלפרון (1799-1864), רודולף קלאוזיוס (1822-1888) וויליאם תומסון (לורד קלוין) (1824-1907). הם קראו תיגר על תורת הקלוריק והציגו את המושגים אנרגיה ואנטרופיה. כמו כן, הם הציגו את החוק השני של התרמודינמיקה הקובע שבמערכת האנטרופיה תמיד תעלה. בשנת 1798, הדגים בנג'מין תומפסון המרת עבודה מכנית לחום, ובשנת 1847 ניסח ג'יימס ג'ול (ג'אול) את חוק שימור האנרגיה, בצורת חום ובצורת אנרגיה מכנית. בכך נוסד ענף התרמודינמיקה המודרנית.

[עריכה] הולדת האלקטרודינמיקה (המאה ה-19)

סוף המאה ה-18 והמאה ה-19 ראו את הולדת וההתפתחות המהירה של תורת החשמל והמגנטיות. את הכוח החשמלי הקושר שני גופים גילה שארל-אוגוסטן דה קולון (1736 - 1806), בשנת 1784. בשנת 1800 המציא אלסנדרו וולטה (1745 - 1827), פיזיקאי איטלקי, את הסוללה החשמלית, וזאת איפשרה מעתה לבצע ניסויים מעמיקים בחשמל, ואת כל ההתפתחויות. מעבר לחשיבות היישומית הרבה שלה, הסוללה גם הראתה כיצד ניתן להפוך אנרגיה כימית לאנרגיה חשמלית, ומעתה הגילגולים השונים של אנרגיה חשמלית, הקשרים בין חשמל למגנטיות, לחום, ולאפקטים כימיים ולאור ימשיכו לרתק את העולם המדעי. את המונחים של מתח חשמלי, זרם והתנגדות ניסח גאורג אוהם (1789 - 1854), שעל שמו קרוי היום חוק אוהם. הנס קריסטיאן אורסטד (1777 - 1851) היה הראשון להבחין בקשר בין חשמל למגנטיות. אורסטד הבחין שכאשר הוא מעביר זרם בקרבת מגנט, הזרם גורם למחט של המגנט ליטות הצידה.

פריצות הדרך המשמעותיות ביותר בתחום באו בעקבות עבודותיו של המדען האנגלי הגדול מייקל פאראדיי (1791 - 1867). פאראדי היה אחד המדענים הראשונים שבאו מדלת העם. פאראדי נולד בלונדון למשפחה ענייה ורכש את השכלתו כאשר הוא עבד בתור שוליה של כורך ספרים, מתוך קריאה של הספרים אותם הוא כרך. את הקריירה המדעית שלו הוא החל כאשר הוא התקבל לעבודה אצל בכיר המדענים האנגלים באותה תקופה האמפרי דייווי. פאראדי החל להתעניין בחשמל לאחר שהוא שמע על הניסויים של אורסטד הקושרים חשמל עם מגנטיות. פאראדי גילה במהרה באופן ניסוי שזרם חשמלי יוצר שדות מגנטיים הנעים בעיגולים סביבו. למעשה הוא אחד המדענים הראשונים שהחל להשתמש ברעיון של שדות על מנת לתאר את חוקי החשמל. במהרה הוא המציא את המנוע החשמלי הראשון, וגם גילה את חוק ההשראה הנושא את שמו.

ג'יימס קלרק מקסוול (1831-1879) החל את דרכו כתלמיד של פאראדיי. מקסוול היה מצויד בהשכלה מתמטית עמוקה יותר מזאת של רבו, וזאת אפשרה לו לנסח את חוקי החשמל שגילו פאראדיי ואחרים בעזרת ארבע משוואות דיפרנציאליות, שקיום נושאות את שמו, משוואות מקסוול. התוצאה המפתיעה ביותר של המשואות היא שמכיוון ששדה חשמלי משתנה יוצר שדה מגנטי, ומכיוון ששדה מגנטי משתנה יוצר שדה חשמלי, אזי ישנו פתרון למשואות בצורה של גל אלקטרומגנטי, הנע במהירות האור. מכאן הסיק מקסוול שזוהי למעשה מהות האור: גל אלקטרומגנטי. השג זה היה התגלית המדעית הגדולה של התקופה: איחוד של כל חוקי החשמל, המגנטיות והאופטיקה לתוך ארבע משוואות פשוטות. התורה של מקסוול זכתה לאישוש ניסיוני עם המצאת הרדיו ב-1888 על ידי היינריך רודולף הרץ (1857-1894), וגילוי קרני ה-x על ידי וילהלם רנטגן (1845 - 1923) ב-1895.

לתגליות בתחום האלקטרודינמיקה הייתה השפעה עצומה על ההתפתחויות הטכנולוגיות, שהביאו לשינוי פניה של החברה, עם המצאות כגון המנוע החשמלי, הנורה החשמלית, הרדיו, הפטיפון וכו'.

[עריכה] המכניקה ההמילטונית

המכניקה ההמילטונית פותחה על ידי סר ויליאם רואן המילטון (1805-1865), מדען ואסטרונום אירי. הוא המשיך את עבודותיו של לגראנז' בתחום המכניקה האנליטית והראה שניתן לנסח את חוקי המכניקה בדרך נוספת, על בסיס מה שקרוי היום משוואות המילטון. נוסח זה של המכניקה בעל חשיבות רבה במכניקת הקוונטים.

[עריכה] המכניקה הסטטיסטית

המכניקה הסטטיסטית המוכרת לנו היום מבוססת על עבודותיהם של לודוויג בולצמן, אמדאו אבוגדרו, ג'יימס קלרק מקסוול (שהוזכר קודם עקב עבודותיו בתחום האלקטרודינמיקה) ואלברט איינשטיין (עבודתו על תנועה בראונית).

[עריכה] החיפוש אחר האתר

ניסוי שני הסדקים ב- 1801 הראה מעל לכל ספק שהאור הינו גל. נותרה השאלה מה התווך שנושא את האור, באותו אופן לדוגמה שהאוויר נושא את גלי הקול. התווך הזה זכה לשם אתר (פיזיקה) ונעשה מאמץ תצפיתי וניסיוני רב על מנת למדוד תנועה של גופים יחסית לטווח הזה. הניסוי המפורסם ביותר היה ניסוי מייקלסון-מורלי. הרעיון של הניסוי היה שמכיוון שכדור-הארץ נע במהירות גבוהה יחסית לאתר, אזי ניתן יהיה למדוד הבדלים בין מהירות האור בכיוון תנועתו של כדור-הארץ לבין מהירותו בכיוון הניצב. הניסוי לא הצליח למדוד הבדל כלשהוא. ניסוינות נוספים התבססו על תצפיות אסטרונומיות על הירחים של צדק.

[עריכה] גאומטריות לא אוקלידיות

עד המאה ה-19 רווחה האמונה שהגאומטריה מייצגת תאור של העולם, מייצגת אמת בסיסית שאין אחרת לה. אלא שרבים ראו פגם אחד מרכזי בגאומטריה והיא האקסיומה החמישית של אוקליד, אקסיומת המקבילים, שנראתה מסורבלת ולא הכרחית. בתחילת המאה ה-19 באופן בלתי תלוי שורה של מתמטיקאים החלו לבנות גאומטריות שבהם האקסיומה הזאת איננה מתקיימת, כלומר גאומטריות שבהם דרך נקודה שלא על קו נתון, או שלא ניתן להעביר כלל מקבילים לקו, או שניתן להעביר הרבה מאוד קוים מקבילים לקו הנתון, תורות אלו נקראות היום גאומטריה לא אוקלידית. הראשון ככל הנראה שפיתח גאומטריות אלו היה קרל פרידריך גאוס מגדולי המתמטיקאים בכל הזמנים, ויחד איתו פיתחו את הגאומטריות הללו גם המתמטיקאי הרוסי ניקולאי איוונוביץ' לובצ'בסקי וקצין הצבא ההונגרי יאנוש בולאי. את אחת התרומות החשובות ביותר תרם תלמיד של גאוס, ברנרד רימן תורות אלו שינו לגמרי את תפישת המחשבה בקשר למהות של תורות מתמטיות, והייתה להם השפעה חשובה על התפתחות הפיזיקה. תורות אלו עתידות לשחק תפקיד מרכזי בתורת היחסות הכללית. כמו כן השאלה האם היקום שלנו הוא שטוח: האם הוא מתנהג ע"פ חוקי אוקליד, ממשיכה להעסיק קוסמולוגים עד עצם היום הזה.

[עריכה] קרניים קתודיות וגילוי האלקטרון

כאשר מופעל מפל מתח גדול בין שני אלקטרודות סמוכות נוצר פריצה חשמלית ביניהן, תופעה הנראית דומה לברק (למעשה ברק הינו פריצה בין עננים הצוברים מתח רב לאדמה). כבר במאה ה-18 היו תצפיות לפיהן ככל שהאוויר דליל יותר, כך מתח יכול לפרוץ מרחקים גדולים יותר. בשנת 1838 מייקל פאראדיי הבחין לראשונה בתופעה של קרניים קתודיות: פאראדיי שאב שפופרת זכוכית, אשר בכל קצה שלו ישנה אלקטרודה. כאשר פאראדיי העביר זרם בין האלקטרודות (הנקראות אנודה וקתודה) הוא הבחין שנוצרת קרן אור המתחילה באנודה, עוברת דרך הריק, ומגיע עד הקתודה. היום אנחנו יודעים שהקרן נוצרת מכך שאלקטרונים נפלטים על ידי הקתודה, מואצים ומגיעים לבסוף אל האנודה, ובדרך כאשר הם מתנגשים בגז המועט שנותר בשפופרת הם מעוררים את האטומים ואלו פולטים קרינה. התגלית של פאראדיי יצרה עניין רב ונעשו ניסיונות רבים לאפיין את התופעה, שזכתה לשם קרניים קתודיות. לבסוף ג' ג' תומסון הצליח להראות שהוא מסוגל להטות את הקרניים בעזרת שדות חשמלייים, וגם בעזרת שדות מגנטיים. מתוך מדידת הטיות אלו תומפסון הצליח למדוד את היחס בין מטען החלקיקים בקרניים הקתודיות לבין המסה שלהם. תומפסון גילה שהקבוע שהתקבל קטן מאוד (מרמז על חלקיק מאוד קטן), ואוניברסלי: כלומר הוא איננו תלוי בתנאים ניסיוניים כמו הרכב הגז בשפופרת, הרכב האלטקרודות וכדומה. מכאן תומפסון הסיק את קיומו של חלקיק בסיסי בטבע, האלקטרון.

שפופרות קתודיות זכו למגוון עצום של שימושים. התופעה הבסיסית משמשת עד היום בנורות פולורצנטיות. שפופרות קתודיות עומדות בבסיסם של מסכי טלוויזיה מסוג CRT (מסכי הטלוויזיה המקוריים), ושל השפופרת ריק הראשונות. בנוסף ניסוים בשפופרות קתודיות הביאו לגילוי האפקט הפוטואלקטרי.

[עריכה] התורה האטומית

בתחילת המאה ה-19 החל ג'ון דלטון לבסס את התורה האטומית, שלפיה כל החומרים עשויים מאבני יסוד אטומיים, שלהם משקלים שונים. דלטון החל למדוד ולסווג את היסודות על פי משקליהם כאשר המימן הוא היסוד הקל ביותר. בעקבות עבודותיו של דלטון ושל אחרים התגלו במהלך המאה ה-19 מגוון רב של יסודות חדשים ותכונותיהם נחקרו לעומק.

באמצע המאה ה-19, כימאי רוסי בשם דמיטרי מנדלייב החל לכתוב ספר על כימיה, ובשביל הכתיבה הוא ניסה למצוא סדר במגוון העצום של הידע שנצבר. מנדלייב החל לסדר את היסודות הידועים ע"פ המשקלים האטומיים שלהם מצד אחד, ומצד שני לארגן אותם בטורים ע"פ תכונות דומות. דבר זה הביא אותו לגילויה של הטבלה המחזורית, שלהם תהיה השפעה אדירה על התפתחות הכימיה והפיזיקה.

[עריכה] מדענים ותגליות חשובות נוספות

• אפקט דופלר - בשנת 1842 המתמטיקאי האוסטרי כריסטיאן אנדראס דופלר ניסח לראשונה את אפקט דופלר, שלפיו התדירות של גל תלויה במהירות היחסית שבין מקור הגל לבין הצופה. דופלר ניסח את החוק עבור גלי קול, אך החוק נכון למגוון רחב של גלים, ובפרט לאפקט דופלר האופטי שיחק תפיקד חשוב בהתפתחות הפיזיקה. אדמונד האבל השתמש באפקט הדופלר על מנת למדוד את המהירות של גלקסיות יחסית לגלקסיה שלנו שהובילה אותו לחוק האבל. באפקט דופלר נעשה שימוש בקירור של אטומים על ידי לייזר, וכן במדידות המדויקות ביותר של תורת היחסות.

[עריכה] סוף המאה ה-19, סוף הפיזיקה?

בסופה של המאה ה-19 בזכות הגילויים הגדולים של חוקי התרמודינמיקה, ובעיקר בזכות גילוי חוקי מקסוול, רווחה בקרב הפיזקאים האמונה שלמעשה התגלו כבר כל החוקים הבסיסיים של הטבע, וכל מה שנותר לפיזיקאים לעשות למעשה הוא להבין את המשמעות של החוקים האלו עבור כל מיני מקרים פרטיים.

אלא שהיו פיזקאים שהיו מודעים לכך שהמלאכה לא לגמרי מלאה. בשנת 1900 נתן לורד קלווין (ויליאם תומסון) הרצאה מפורסמת בשם: Nineteenth-Century Clouds over the Dynamical Theory of Heat and Light. בהרצאה הזאת הוא טען שישנם שני עננים על השמיים היפים של הפיזיקה של המאה ה-19: ניסוי מייקלסון-מורלי (והבעיות במדידת תכונותיו של האתר), וכן הקושי להבין את תופעת קרינת גוף שחור. במדריך הטרמפיסט לגלקסיה מסופר שאלוהים בתחילה ברא עולם פשוט, אבל כאשר בני אדם מבינים לגמרי את כל חוקיו, אזי בבת אחת העולם נעלם ובן רגע נוצר עולם מסובך יותר. אירוע כזה קרה בסוף המאה ה-19. מהענן הראשון שציין לורד קלוויין נולדה תורת היחסות, ומהענן השני נולדה תורת הקוונטים. שתי תאוריות אלו עתידות לשנות את כל הדרך שבה אנו מבינים את העולם. בנוסף על כך גילוי האלקטרון, הרדיואקטיביות ומבנה האטום תרמו לביסוסם של ענפים חדשים בפיזיקה: פיזיקה גרעינית ופיזיקה של חלקיקים אלמנטריים.