fysikkens historie

Fysik som erfaringsvidenskab — baseret på systematisk iagttagelse af naturfænomener — tog sin begyndelse omkring år 1600 med Galileo Galilei. Fysik, astronomi og matematik var ganske vist blevet dyrket intenst inden for rammerne af oldtidens græske videnskab, og astronomiske observationer blev allerede dengang udført i stort tal. Men fysik i den græske antik havde ikke sit udspring i systematiske iagttagelser af naturfænomener.

Med Galilei blev fysikkens udgangspunkt det systematiske eksperiment. Fra sine eksperimentelle undersøgelser af det frie fald kunne Galilei således som den første fastslå den korrekte sammenhæng mellem faldtiden og faldlængden, og disse resultater inspirerede ham til overvejelser over accelerationen i et legemes bevægelse.

I Galileis arbejder var spiren lagt til en generel analyse af mekanikken, som kunne omfatte både bevægelser på Jorden og himmellegemernes bevægelser.

Isaac Newton videreførte denne tanke i sit storværk Principia fra 1687. Newtons udgangspunkt var Johannes Keplers hypoteser om planetbevægelsen og Galileis faldlove, men Newton gik langt videre. Newtons mekanik drejer sig nemlig ikke blot om hastigheder og accelerationer, men også om kræfter, og den bliver dermed en dynamisk teori. Fra analyser af planet- og månebevægelser kunne Newton opstille sin berømte og universelle kraftlov for gravitationen, hvor kraften er omvendt proportional med kvadratet på afstanden mellem to legemer, og han kunne sandsynliggøre, at denne kraft bestemmer både himmellegemernes bevægelser og accelerationen i legemers frie fald på Jordens overflade.

Newtons mekanik er deterministisk i den forstand, at et simpelt mekanisk systems udvikling til en senere tid kan fastlægges entydigt ud fra startsituationens positioner og hastigheder med kendskab til de kræfter, der virker. Newton opfattede tid og rum som absolutte størrelser, og dette newtonske rum-tid-begreb kom til at præge fysikken i de to følgende århundreder. I dette lange tidsrum blev Newtons mekanik i det hele taget et fast holdepunkt i fysikkens tankesæt — lige til relativitetsteoriens og kvantemekanikkens fremkomst i begyndelsen af 1900-tallet.

I 1787 påviste Charles Coulomb, at kraften mellem to elektriske ladninger aftager med anden potens af ladningernes indbyrdes afstand, analogt til Newtons gravitationskraft. Fra sine eksperimenter kunne Coulomb også slutte sig til et matematisk udtryk for den magnetiske kraft, men han mente, at de elektriske og de magnetiske kræfter var af helt forskellig natur. Det kom derfor som en overraskelse, da H.C. Ørsted i 1820 påviste, at der var en magnetisk virkning uden om en elektrisk strøm i en metaltråd. Hermed var elektromagnetismen født. Ørsteds opdagelse blev hurtigt fulgt op, bl.a. af André Marie Ampère, som indså, at elektriske strømme i to metaltråde måtte påvirke hinanden via en elektromagnetisk vekselvirkning. Gennem Ampères og hans samtidiges arbejder blev elektriske og magnetiske virkninger for første gang samlet i en fælles matematisk form.

I 1831 opdagede Michael Faraday en elektromagnetisk effekt, der er den modsatte af Ørsteds: Ved bevægelse af en permanent magnet kan man inducere en elektrisk strøm i en metaltråd — en opdagelse, som Faraday udmøntede til praksis gennem opfindelsen af en elektrisk dynamo.

Faradays opdagelse af den elektromagnetiske induktion var en inspiration for James Clerk Maxwell, som bragte samtlige århundredets fundamentale opdagelser inden for elektromagnetismen til en foreløbig syntese. I Maxwells formulering er feltbegrebet centralt: En elektrisk ladning frembringer et felt i hvert punkt af det omgivende rum, og de elektromagnetiske processer fremkommer ved en lokal virkning af dette felt snarere end ved en fjernvirkning mellem ladningerne i rummet. Det var en triumf for Maxwells teori, at den kunne forklare lyset som et elektromagnetisk fænomen og give en korrekt forudsigelse af lysets udbredelseshastighed. I 1888 kunne Heinrich Rudolph Hertz frembringe og registrere radiobølger som forudsagt af Maxwells teori.

Maxwells navn er knyttet til endnu en nyudvikling i fysikken: den statistiske mekanik. Maxwell beskrev hastighedsfordelingen i luftarters komplicerede, siksakagtige molekylbevægelser med et simpelt matematisk udtryk, som fik grundlæggende betydning for forståelsen af luftarters fysiske egenskaber.

Ludwig Boltzmann bragte den statistiske mekanik et stort skridt videre ikke mindst ved sin påvisning af sammenhængen mellem den termodynamiske entropi og molekylbevægelsernes statistik.

Ved slutningen af 1800-tallet var klassisk mekanik og elektromagnetisme hver for sig bragt i en tilsyneladende afrundet form. De to begrebsbygninger udviste dog grundlæggende forskelle: Den ene var en mekanisk partikelteori, den anden en feltteori. Og der var vanskeligheder et andet sted, nemlig ved den teoretiske forståelse af den elektromagnetiske stråling fra et absolut sort legeme, "hulrumsstrålingen", som dengang var vidtgående udforsket eksperimentelt.

År 1900 fremsatte Max Planck imidlertid en strålingslov, som kunne forklare de eksperimentelle data, men som indeholdt et nyt, ganske "uklassisk" element. I Plancks teori for strålingen optræder et endeligt antal individuelle resonatorer, hvis energi er produktet af strålingens frekvens og en universel naturkonstant. Med denne begrebsdannelse var grunden lagt til kvantemekanikken. Naturkonstanten fik siden Plancks navn.

Albert Einstein tog et langt skridt videre, da han i 1905 undersøgte den såkaldte fotoelektriske effekt og kunne slutte, at lysstrømmen i fotoeffekten må beskrives som en strøm af partikler (fotoner), hvis energi er produktet af lysets frekvens og Plancks konstant.

I året 1905 publicerede Einstein også sin specielle relativitetsteori, som opløste en alvorlig vanskelighed i klassisk fysik. Forsøg havde dengang vist, at lysets hastighed ikke afhænger af iagttagerens egen bevægelse i modstrid med den newtonske mekanik. Og man var klar over, at det er umuligt at forene Maxwells feltligninger for elektromagnetisme med klassisk mekanik. Einstein omdefinerede nu begreberne rum og tid, og han antog, at lysets hastighed er en universel naturkonstant i alle fysiske systemer. Hans relativitetsteori blev et opgør med flere uudtalte forudsætninger i den klassiske fysik, og han kunne vise, at Newtons mekanik kun er gyldig for hastigheder, der er små i forhold til lyshastigheden. Den specielle relativitetsteoris forudsigelser er i dag bekræftet af en mangfoldighed af eksperimenter.

Ti år efter den specielle relativitetsteori tog Einstein det næste store skridt i form af den almene relativitetsteori, hvori han opstillede et sæt feltligninger for gravitationen. Det var en triumf for den almene relativitetsteori, at den hurtigt kunne efterprøves eksperimentelt: Ved en solformørkelse observeredes i 1919, at lys fra stjerner afbøjes i Solens tyngdefelt. Ligeledes kunne det nøjagtige forløb af planeten Merkurs banebevægelse ikke forstås med Newtons mekanik, hvorimod Einsteins teori stemte fint med observationerne.

Relativitetsteorien indebar en omvæltning af fysikernes tankesæt, også selvom den klassiske mekanik stadig er gyldig som et grænsetilfælde af den nye teori.

Det samme gælder kvanteteorien, som den i en foreløbig form blev fremsat af Niels Bohr, da han i 1913 forklarede stabiliteten af det simpleste atom, brintatomet. Bohr postulerede dristigt og overraskende eksistensen af skarpt adskilte, stationære tilstande i atomet, og i hans teori sker lysudsendelse fra atomet kun ved elektronovergang mellem sådanne tilstande, og lyset udsendes som kvanter, ikke ved kontinuerte processer. Plancks konstant indgår som et centralt element i teorien, hvis styrke ikke mindst lå i dens evne til korrekt at reproducere vigtige, spektroskopiske data.

Mens klassisk fysik i princippet er strengt kausal med en entydig sammenhæng mellem årsag og virkning, er der elementer af ikke-kausalitet i den nye kvantefysik. Kimen hertil blev allerede lagt i Bohrs tidlige atomteori, hvori elektronens kvantespring mellem stationære tilstande ikke kan gives en kausal forklaring.

I den senere udvikling af kvantemekanikken, som især skyldes Werner Heisenberg, blev ikke-kausaliteten og den tilhørende statistiske sandsynlighedsbeskrivelse et centralt element.

Heisenbergs arbejder fulgte efter nogle år i begyndelsen af 1920'erne, da det viste sig, at Bohrs oprindelige teori ikke kunne reproducere de finere detaljer i atomspektret, ligesom den heller ikke slog til over for atomer med flere end to partikler. I 1925 formulerede Heisenberg en ny og mere slagkraftig kvantemekanik, som byggede på matrixalgebra. Samtidig med Heisenbergs matrixmekanik havde Erwin Schrödinger formuleret en såkaldt bølgemekanik, hvori en partikels tilstand beskrives ved en bølgefunktion. Bølgefunktionens ændring i tiden beskrives ved en differentialligning, den såkaldte Schrödingerligning. Heisenbergs og Schrödingers teorier viste sig dog hurtigt at være matematisk ækvivalente.

Heisenbergs kvantemekanik indebærer en fundamental ubestemthed, for så vidt angår samtidig måling af en partikels sted og impuls. Det er udtrykt i hans berømte ubestemthedsrelation, hvor størrelsen af ubestemtheden er givet ved Plancks konstant. Med ubestemthedsrelationen er det principielt umuligt at opretholde en strengt deterministisk beskrivelse af fysiske fænomener på det atomare plan. Sammenhængen mellem denne naturbeskrivelse og Schrödingers bølgefunktion rummer ingen modsigelse, når bølgefunktionen gives en fysisk fortolkning i form af en sandsynlighedsbølge. Sandsynlighedsfortolkningen af bølgefunktionen er i dag almindeligt accepteret i fysikken ligesom kvantemekanikkens partikel-bølge-dualisme, som vedrører både materielle partikler og fotoner. Kvantemekanikkens forudsigelser er detaljeret afprøvet over for et overvældende antal eksperimentelle resultater, og teorien opfattes i dag som værende universelt gyldig.

Kort efter Heisenbergs formulering af matrixmekanikken tilføjede Wolfgang Pauli et væsentligt nyt element, nemlig det kvantemekaniske spin. I samme periode opstillede Paul Dirac en relativistisk konsistent kvantemekanik. Ud fra denne teori kunne han i 1931 postulere eksistensen af positronen (en "antielektron"). Denne og mange andre antipartikler er siden blevet påvist i eksperimenter.

Relativitetsteorien og kvantemekanikken blev konstruktive redskaber gennem resten af 1900-tallet. Store emneområder som faststoffysik og elementarpartikelfysik oplevede på dette grundlag en rivende udvikling, som endnu langtfra er afsluttet, og 1900-tallet kan således betegnes som en stor epoke i fysikkens historie. Men århundredets afgørende idéudviklinger skete i dets første tre årtier. Her blev de grundlæggende begreber skabt, som siden har vist sig at være bæredygtige for en vækst i vor viden om den fysiske natur, som kan synes grænseløs.

Det første egentlige danske bidrag til fysikken skyldes Rasmus Bartholin, der i 1669 opdagede lysets dobbeltbrydning i calcit og derved kom til at præge optikkens udvikling mod en forståelse af lysets natur. Hans svigersøn, Ole Rømer, fik, selvom han først og fremmest må regnes for astronom, også en markant placering i fysikkens historie gennem sin opdagelse i 1675-1676 af, at lyset udbreder sig med en endelig hastighed.

Den følgende tid frem til H.C. Ørsted frembød ikke væsentlige danske bidrag, selvom fysik eksisterede som universitetsfag, men Ørsteds opdagelse af elektromagnetismen i 1820 ændrede helt dette billede. Som fysiker og kemiker blev Ørsted verdenskendt, og hans indsats for fysikken i Danmark satte sig dybe spor igennem initiativet til oprettelsen af Den Polytekniske Læreanstalt i 1829.

Ud over Ørsteds indsats blev 1800-tallet præget af adskillige væsentlige bidrag, der ikke i alle tilfælde blev internationalt kendte. Stadsingeniør L.A. Colding målte varmens mekaniske ækvivalent, mens L.V. Lorenz, der var lærer ved officersskolen i København, opnåede verdensberømmelse ved at måle forholdet mellem termisk og elektrisk ledningsevne til at være proportionalt med den absolutte temperatur og ens for alle metaller.

I begyndelsen af 1900-tallet udførte Martin Knudsen banebrydende undersøgelser af luftarters egenskaber ved lave tryk, en indsats, hvis plads i fysikkens historie er markeret med Knudsen-tallet, der angiver forholdet mellem en luftarts fri middelvejlængde og beholderens udstrækning. Julius Hartmann, der var professor ved Den Polytekniske Læreanstalt fra 1929, gav et vigtigt bidrag til magnetohydrodynamikken; Hartmann-tallet karakteriserer således en viskøs, elektrisk ledende væske i et magnetfelt.

Fysikkens udvikling i Danmark i 1900-tallet ville have været dramatisk forskellig uden den epokegørende indsats, der skyldes Niels Bohr og den forskning, der fandt sted på Niels Bohr Institutet, som blev et internationalt centrum for kvantefysikken og dens anvendelser på atom-, kerne- og partikelfysik. Instituttets fornemme tradition inden for kernefysikken blev yderligere markeret med tildeling af Nobelprisen i 1975 til Aage Bohr og Ben Mottelson. Christian Møller, der var professor ved instituttet, ydede væsentlige bidrag til spredningsteori og til den almene relativitetsteori.

• fysik
• naturvidenskab
• modtagere af Nobelprisen i fysik