Modern fizika
Modern fizika
Az eddigiekben tárgyalt ismeretek mindegyike már a 19. század végén az emberiség birtokában volt, úgy látszott, hogy a fizika minden lényeges kérdésre választ adott, csupán néhány apró probléma maradt megoldatlan. Az egyik ilyen homályos terület, a sugárzások keletkezésének és egyensúlyának vizsgálata vezetett a fizika 20. századi forradalmához. A Planck által bevezetett „kvantum” (=energiaadag) fogalma először a sugárzások leírásában, majd pedig a mechanikai és atomi rendszerek vizsgálatában bizonyult nélkülözhetetlenek. Ötletének lényege, hogy az energiaátadás nem folytonosan, tetszőleges kis adagokban történik, hanem van egy legkisebb, tovább immár oszthatatlan egység. Ez a legkisebb energiaegység fény estéven h×v-vel egyenlő, ahol h a Planck-állandó, v pedig a fény frekvenciája. E feltételezésből kiindulva teljesen új tudományág született, a kvantummechanika. A kvantumfeltételek alapján értelmezhetővé vált az atomok sugárzásának színképe, az elemek periódusos rendszerének addig csak tapasztalati törvényeken alapuló logikája. A fény esetében megismert kettős (részecske, ill. hullám) természet kiterjeszthető tömeggel bíró részecskékre is. Egy mozgó test hullámtermészete azonban csak atomi méretekben válik jelentőssé, így megszokott mértékskáláink esetében továbbra is a klasszikus mechanika törvényei maradnak érvényben. A kvantummechanika egyik legfontosabb és legtöbbet vitatott állítása a Heisenberg-féle határozatlansági összefüggés, amely szerint egyidejűleg, tehát egyszerre egy részecske helye is, sebessége is nem határozható meg tetszőleges pontossággal. Ez a jelenség tehát az atomok szintjén alapvetően valószínűségi jelleget ad a fizikai folyamatok leírásának.
A mikrorendszerek törvényeinek tanulmányozása egyben az atomok belső szerkezetének megismerését, az atomfizika kifejlődését jelentette. Századunk első harmadában alakult ki és bizonyosodott be az anyag mikroszkopikus szerkezetére vonatkozó képünk, a molekulák atomokból, az atomok pozitív töltésű protonokból, semleges neutronokból és negatív töltésű elektronokból állnak. A protonok és neutronok által alkotott atommag további, még kisebb részeit, az anyag legelemibb építőköveit a magfizika és a részecskefizika kutatja a nagy energiájú gyorsítók segítségével.
Az atomi rendszerekben megvalósuló mozgások (ilyeneket hoznak létre a gyorsítókban is) sokszor emberi léptékkel elképzelhetetlen sebességgel zajlanak le. Ilyen esetekben a leíráshoz elkerülhetetlen a relativitáselmélet alkalmazása. A relativitáselméletet Einstein századunk elején, a kísérleti tapasztalatokat messze megelőzve, pusztán elméleti úton dolgozta ki. A mozgások viszonylagosságának, relativitásának ténye már a klasszikus mechanikában is előfordult, de ott pl. a sebességek korlátlanul, hagyományos módon összegezhetők. A speciális relativitáselmélet szerint a hosszúságok és az időtartamok is függnek a megfigyelő és a mozgó test viszonylagos sebességétől: egy hozzá képest mozgó rendszer idejének múlását lassúbbnak, egy 1 m hosszú méterrúd hosszát 1 m-nél rövidebbnek látja a megfigyelő. Mindezek a jelenségek a legfeljebb fénysebességgel terjedő információátvitellel vannak kapcsolatban. Minden mozgás felső határsebessége ugyanis a fény légüres térbeli sebessége (c = 300 000 km/s). Az energia (E) és a tömeg (m) E = mc2 összefüggéssel kifejezett egyenértékűsége és egymásba átalakíthatósága is a relativitáselmélet következménye. (Ez a képlet azt jelenti, hogy adott tömegnek megfelelő energia egyenlő az adott tömeg szorozva a fénysebesség négyzetével.). A kísérletekkel igazolt speciális relativitáselmélet szerint nincs abszolút nyugvó koordináta-rendszer, amelyhez az összes többi mozgás viszonyítható volna. Hasonló megfogalmazású, de mégis mélyebb értelmű a gravitációs erőhatásokat is figyelembe vevő általános relativitáselmélet végkövetkeztetése: egy egyenletes gyorsulást végző, ill. egy gravitációs erőtérben lévő rendszer teljesen egyenértékű, a rendszeren belül végzett kísérletekkel nem állapítható meg köztük különbség. Az általános relativitáselméletnek a világegyetem kialakulását, a csillagok és csillagrendszerek fejlődését vizsgáló modellekben van különösen fontos szerepe.
Napjaink fizikájában jelentős helyet foglalt el a szilárdtest-fizika, amelynek a különféle szilárd anyagok szerkezetére, viselkedésére vonatkozó kutatási eredményei a gyakorlati életben is hatalmas változásokat okoztak. Ilyen forradalmi hatású felfedezés volt pl. az 50-es években a tranzisztor létrehozása, amit aztán egy új tudományág, az elektronika kialakulása követett, vagy a lézerek kifejlesztése a 60-as évek elején, amit szintén teljesen új tudományterületek (lézerfizika, nemlineáris optika) létrejötte kísért.
