Fizik
Fizik, Maddenin farklı biçimlerini, bu biçimlerin özelliklerini ve geçirdikleri dönüşümleri inceleyen bilim dalı. Fiziğin eski Yunanistan'da doğuşundan başlayarak geç Rönesans Avrupası'nda yeniden canlanışına, XIX. ve XX. yy'larda hızla gelişmesine kadar uzanan süreçte, fizikçiler tarafından araştırılan olguların genişliği ve bu olgularla ilgili kavrayışın derinliği sürekli artmıştır (Bk. FİZİK TARİHİ). Bu bilim dalının gelişme sürecinde fizikçiler, bütün uzay ve zamanda geçerli olan enerjinin korunumu yasası gibi genel yasalar bulmuşlardır.
MADDE VE GEÇİRDİĞİ DÖNÜŞÜMLER
Başlangıçta madde terimi, katilar ve sıvılar gibi duyularla algılanan ve ağırlık gibi özellikleri olan şeyleri belirtiyordu. Ama fiziğin alanı genişledikçe, madde kavramının kapsamı da genişlemiştir. Günümüzde gazların (Bk. GAZ) yanı sıra, dış uzaydaki ve bilim laboratuvarlarında ulaşılan yaklaşık vakumlar (Bk. VAKUM) da madde kapsamına girmektedir. Bazıları kütle ve belirli konum özelliklerinden yoksun olmakla birlikte, bireysel atomaltı parçacıklar, günümüzde maddenin en temel yapıtaşları sayılmaktadır (Bk. TEMEL PARÇACIKLAR). Enerji ve momentum gibi niteliklerin alışverişi yoluyla, bilinen madde tipleriyle etkileşime giren her şey, günümüzde geniş biçimde "madde" diye tanımlanmaktadır.
Maddenin fizikçiler tarafından incelenen ilk dönüşümü, "mekanik" adı verilen fizik dalının incelediği hareketti. Hareket yasaları, gök cisimlerinin hareketlerine fiziksel bir açıklama getiren İsaac Newton tarafından XVII.yy'da belirlendi. XIX. yy'da sözgelimi bir sıvı donup katılaştığında oluşan fiziksel biçim değişiklikleri de fiziğin inceleme alanına alındı. Bu tür durum değişiklikleri, "termodinamik" adı verilen fizik dalı tarafından incelenir. Maddenin biçiminde ortaya çıkan değişiklikler, sözgelimi hidrojen ile oksijen birleşip suyu oluşturduğunda gerçekleşen değişiklikler, genellikle, fizikten çok kimyanın konusu sayılır. Ama bu ayrım biraz keyfi bir ayrımdır; çünkü fizik alanında doğan düşünceler, genellikle kimyada kullanılır.
Atomaltı parçacıklar arasında yeni dönüşümler bulunmuştur. Bir parçacık türü, başka bir parçacığa dönüşebilir; parçacıklar yaratılabilir ya da yok edilebilir. "Kuvantum alan kuramı" denilen fizik kuramı (Bk. KUVANTUM MEKANİĞİ) kullanılarak yapılan atomaltı parçacık tanımlarında, bu parçacık yaratma ve yok etme işlemleri, bütün öbür dönüşümlere çıkış noktası oluşturan temel olaylar sayılır.
MİKROFİZİK VE MAKROFİZİK
Fizik, önceki satırlarda da belirtildiği gibi, ele alınan konuya göre alt dallara ayrılır. En geniş ayrım, atomaltı parçacıklar ile bu parçacıkların atomlardaki, moleküllerdeki birleşimlerini inceleyen mikrofizik ile günlük yaşantımızda iç içe olduğumuz, atomaltı parçacıkların bir araya gelmesiyle oluşmuş büyük birimleri inceleyen makrofizik arasındaki ayrımdır.
Bu iki bölümde, farklı deney yöntemleri kullanılır. Mikrofizikte, incelenen nesne, çoğunlukla dolaylı olarak gözlenir; sözgelimi, atomaltı parçacıkların geçiş işaretlerini gözlemek için detektörler kullanılır. Sonuç olarak, gözlemlerin yorumu için kapsamlı kuramsal çözümlemeler gerekir. Bireysel atomaltı sistemlerin çoğu, yalnızca kısa süreyle incelenebilir. Bu nedenle, mikroskopik bir olguyu uzun süre ayrıntılı olarak, hattâ fizik yasasının olanak verdiği ölçüde izlemek çok güçtür. Oysa makrofizik alanında, olgular çoğunlukla doğrudan gözlemlenebilir ve olan bitenleri belirlemek için, daha az kuramsal çözümleme gerekir. Üstelik, bireysel sistemler genellikle uzun süre gözlemlenebildiği için, bunların evrimi çözümlenebilir ve çoğunlukla önceden kestirilebilir.
Geçerli yasalar bakımından da mikrofizik ile makrofizik arasında farklar vardır. Mikrofizikte temel yasalar, istatistiksel tanımlamalar yapan kuvantum mekaniği yasalarıdır. Bu yasalar yalnızca, radyoaktif bozunmalar gibi bireysel olaylarla ilgili olasılıkların önceden kestirilmesine olanak sağlar. Makrofizikteyse, Newton'ın hareket yasaları gibi temel yasalar kesindir ve ilke olarak, bireysel olaylar konusunda doğru öngörülerde bulunulabilir. Yine de, bazı makroskopik sistemlerde, çok sayıda nesneyi tek tek ele almanın güçlüğünden dolayı, istatistiksel yöntemlerin kullanılması gerekir.
FİZİK YÖNTEMLERİ
Öbür bilimler gibi fizik de, çeşitli bilimsel yöntemlerden yararlanır. Fiziğin uzun bir tarihçesi olduğu için, bu yöntemler arasındaki ayrımlar belirginleşmiştir.
Deneysel fizik. XVI. yy. Avrupası'nda fizik yeniden canlandığı zaman, Galilei ve başka araştırmacılar bu alana önemli bir yeni öğe eklediler: Gözlem ve deneyin, doğayla ilgili bilgi edinmek için ana kaynaklar olduğunu ısrarla savundular. William Gilbert gibi ilk fizikçiler, doğal olgularla ilgili gözlemleri temel alırlarken, deneyler yoluyla daha hızlı ilerleme sağlanabileceği çok geçmeden ortaya çıktı. Bu deneyler, araştırılan olguların bazı yönlerini belirginleştiren durumların önceden hazırlanmasını kapsar. Sözgelimi, elektrik ve magnetizmayla ilgili buluşların çoğu, deneyler yoluyla yapılmıştır.
Genellikle deneylerin amacı, bir gerecin üstüniletken haline geldiği sıcaklık gibi, özgül sayısal veriler elde etmektir. Bazen, alınan sonucun niteliksel yanı ağır basar ve deney, yepyeni olguların tanınmasına yol açar. Fizikçiler, doğanın özgül yanlarını araştırmak için çok çeşitli teknikler uygularlar. Bunların birçoğunda, fizik alanındaki önemli buluşların ürünleri olan araçlar kullanılır; parçacık hızlandırıcılar, lazerler ve nükleer magnetik rezonans detektörleri gibi XX. yy'da bulunmuş araçlar bunlara örnek gösterilebilir.
Kuramsal fizik. XIX. yy. sonlarına kadar, deneysel ve kuramsal fizik arasında açık bir ayrım yoktu. Ama XX. yy. başlarında bir tür işbölümü ortaya çıktı. Sözgelimi Max Planck ve Albert Einstein gibi bilim adamları, bütünüyle kuramsal çalışma yapan fizikçilerdi. Deney yapmak için hiçbir ciddi girişimde bulunmadılar; onun verine, çalışmalarını, doğadaki geniş alanları aydınlatan genel ilkeler aramaya yönelttiler.
Kuramsal fiziğin amaçlarından biri, kuvantum mekaniği yasaları gibi iyi bilinen yasaların, özgül fizik sistemleriyle ilgili yansımalarını belirlemektir. Daha yüksek bir düzeyde, kuramsal fizikçiler, çeşitli olguları kapsayan genel yasalar ararlar ve bu yasalara dayanarak yeni olguları öngörmeye çalışırlar. Kuramsal fiziğin bu doğrultuda elde ettiği büyük başarılar arasında, Clark Maxwell'in radyo dalgalarını öngören elektromagnetizma kuramı ve Paul Dirâc'ın karşıparçacıkları öngören görelilikçi kuvantum kuramı (Bk. KARŞIMADDE) sayılabilir. Kuramsal fizikçiler, çalışmalarında çoğunlukla yüksek matematikten yararlanırlar; bu matematiğin yardımıyla, geliştirdikleri kuramların sonuçlarını belirlemeye ya da bazen, genel görelik kuramında olduğu gibi, sonuçları kuramların doğru biçimine yöneltmeye çaba gösterirler.
Simülasyonlar. Yakın dönemde, fiziğin bazı alanlarında yeni bir teknik kullanılmaya başlanmıştır; bu teknik, hem kuramın hem de deneyin özelliklerini taşıyan, nesnelerin bilgisayarlı modelini oluşturmak ve süreçlerin benzerini (simülasyon) yapmaktır (Bk. BİLGİSAYARLA MODELCİLİK). Karmaşık deneysel olgularla ilgili simülasyon (benzerini yapma) çalışmalarında, belirli kuramlar uygulandığında gözlemlenecek şeyleri çıkarsamak için bilgisayarlar kullanılır. Beklentilerin doğru olup olmadığını anlamak için, sonuçlar ile somut veriler karşılaştırılır. Karmaşık kuramların simülasyonlarında, kuramın basitleştirilmiş bir çeşidi, bilgisayar hesaplamalarıyla çözümlenir. Elde edilen sonuç, kuramın bütün olarak ifade ettiği şeylerle ilgili yeni anlayışlar kazanılmasına katkıda bulunur. Simülasyon uygulamalarının yaygınlaşması, fizikte kuram ile deney arasındaki standart ayrımı gün geçtikçe azaltmaktadır.
FİZİKTE TEMEL DÜŞÜNCELER
Fizik alanındaki buluşlar, doğal olguların çoğunun birkaç temel kavramla ve yasayla anlaşılabileceğini göstermiştir. Bunların bazıları günlük makroskopik olgularda, bazılarıysa yalnızca mikroskopik dünyada ortaya çıkar.
Parçacıklar. Dünyanın, hareket halindeki küçük nesnelerden oluştuğu düşüncesinin geçmişi, eski Yunanistan'a, Leukippos ve Demokritos'un atom kuramlarına kadar uzanır. Söz konusu küçük nesneler "parçacıklar" ("tanecikler" de denir) diye adlandırılır. Parçacıkların, elektrik yükü, kütle gibi bazı değişmez özellikleri ve konum, enerji gibi değişken özellikleri vardır. Karmaşık nesneler, bir ya da daha çok parçacık tipinin birleşmesinden oluşur. Karmaşık nesnelerin özelliklerinde ya da davranışında gerçekleşen değişiklikler, bunları oluşturan parçacıkların uzay içindeki hareketlerinden ya da değişken özelliklerinde ortaya çıkan başka değişikliklerden ileri gelir. Kuvantum kuramına göre, aynı parçacığın farklı örneklerinin, sözgelimi iki elektronun, değişmez özellikleri aynı olduğu için, bunlar birbirinden ayırt edilemez. Kuvantum kuramı, parçacıkların dalgayı andıran yepyeni bir davranışı bulunduğunu da ileri sürmektedir.
Uzam ve zaman. Fiziksel nesnelerin içinde hareket ettikleri bir alan olarak uzam kavramı, Eskiçağ'da ortaya atılmış bir düşünce olan boşluk düşüncesinden doğmuştur. Eski fizikçiler, zamanın herhangi bir özelliği bulunmadığını düşünüyorlardı. Rönesans'ta ve daha sonra sağlanan gelişmeler, uzamın, fizikte kavrandığı gibi, süreklilik, geometri, üçboyutluluk, vb. özellikleri bulunduğunun anlaşılmasına yol açtı. Başlangıçta bu özellikler, değişmez kabul edildi; ama Einstein'ın çalışmalarıyla fizikçiler, içerdiği maddeye bağlı olarak uzamın özelliklerinin değişebileceğini kavradılar.
İnsanların algısından bağımsız varlığı bulunan bir akış olarak düşünülen zaman, fiziksel değişikliklerin gerçekleşmesi için gerekli görünmektedir. Eski fizikçiler zamanın herhangi bir özelliği bulunduğunu düşünmüyorlardı; ama daha sonra, zamanın görünür tekboyutluluğu gibi bilinen olguların, somut bir varlıkla ilgili olduğu kavrandı. Yine, genel görelilik kuramına göre, zamanın bazı özellikleri, madde içeriğine bağlı olarak değişir. Einstein, geliştirdiği özel görelilik kuramında, zaman ile uzam arasında önemli bir bağlantı belirlemiştir; buna göre, uzam ve zaman aralıklarına ilişkin öngörüler, gözlemcinin hareketine bağlıdır. Bu düşünceden yararlanan Hermann Minkowski, üçboyutlu uzam ve tekboyutlu zamanla ilgili ayrı düşüncelerin yerine, dörtboyutlu uzam-zaman sürekliliği düşüncesini ortaya koymuştur.
Hareket ve evrim yasaları. Birçok fizik yasası, sistemlerin zamanla nasıl değiştiğini tanımlar. Bu yasalar, çoğunlukla, bir niceliğin öbür niceliklere göre değişme oranını gösteren diferansiyel denklemlerdir. Bu denklemler çözülerek, daha sonraki bir zamanda değişen nicelik, kendisinin ve başka niceliklerin daha erken bir zamandaki değerleri açısından hesaplanabilir. Bunlara, "ilksel koşullar" adı verilir. İlksel koşullar kesin olarak bilinirse, sistemin zaman içinde evrimi önceden kestirilebilir. Bu evrim, ilksel koşullara son derece duyarlı olabilir ve olabilecek küçük bir belirsizlik, sistemin evriminde hızla büyük bir belirsizliğe yol açabilir.
Korunum ve bakışım yasaları. Neyin aynı kaldığını bilmek, neyin değiştiğini bilmek kadar önemlidir. Bunun yanıtını, bir sistem evrimleşirken zaman içinde değişmez kalan nicelikleri belirten yasalar verir (Bk. KORUNUM YASALARI). Açısal momentumun ve elektrik yükünün korunumu yasaları buna örnek gösterilebilir. Enerji dışında, korunan niceliklerin çoğunun yalnızca bir biçimi vardır; ama korunan nicelik, sistemin bir öğesinden öbürüne taşınabilir. Korunum yasalarının kaynaklandığı olgu, fiziksel sistemleri tanımlayan yasaların, sistemlere farklı açılardan bakıldığında değişmeden kalmasıdır. Görelilik kuramında ve kuvantum fiziğinde çok büyük rol oynayan bu tür bakışım düşünceleri, yasaların sınırlandırılmasında ve sonuçlarının çıkarsanmasında kullanılır.
Alanlar. Birbirinden belli bir uzaklıkta bulunan iki nesne arasındaki elektriksel ve magnetik güçlerin (kuvvetlerin), iki aşamalı bir süreçle oluşan güçler olarak düşünülmesinin yararlı olacağını, XIX. yy. fizikçilerinin çalışmaları ortaya koymuştur. Her nesne, çevresindeki uzamı etkiler ve bu değişen uzam koşulu, öbür nesne üstünde bir güç oluşturur. Bu etkinin gerçekleştiği uzam, elektriksel ya da magnetik alan içeren bir uzam olarak tanımlanır. Maxwell, elektromagnetizma kuramının tümünü, elektrik yüklerinin ve magnetik alanların karşılıklı etkilerini tanımlayan dört denklemle özetlemeyi başarmıştır. Maxwell'in çalışmalarından çıkan bir sonuca göre, alanlar, kendilerini yaratan yüklerden kopabilir ve uzamda yol alabilirler. XX. yy'da alan kuramı ile kuvantum mekaniğinin birleştirilmesi, günümüze kadar yapılmış en temel doğa tanımlaması olan kuvantum alan kuramının ortaya konmasını sağlamıştır. İstatistiksel ortalamalar. Birçok öğesel nesne içeren sistemlerde, hareket denklemlerinin çözümüyle ilgili matematiksel sorunlar güçlük yaratır. Sık sık kullanılan seçenek bir yöntem, sistemin bileşenlerinin yalnızca ortalama davranışının hesaplanmasından oluşur. Bu yaklaşım, XIX. yy. sonlarında Maxwell, Ludwig Boltzmann ve Josiah Willard Gibbs'in geliştirdikleri, "istatistiksel mekanik" adı verilen fizik dalında kullanılır. Bu bilimciler, önceleri bağımsız bir dal olan termodinamikten elde edilen sonuçların birçoğunun, Newton'un gaz mekaniğine istatistik akılyürütme yöntemi uygulanarak çıkarsanabileceğini ortaya koymuşlardır. İstatistiksel mekanik, kuvantum kuramıyla tanımlanan sistemlere de uygulanmıştır; bu uygulamada kullanılan istatistik tipi, özdeş atomaltı parçacıkların ayırt edilemezliğini kabul etmek zorundadır.
Kuvantumlama. Kuvantum öncesi fizikte, fiziksel niceliklerin sürekli değişen büyüklükleri bulunduğu varsayılıyordu. Günümüzde atomaltı parçacıklara oranla bayağı cisimlerin büyüklüğü dikkate alınarak, birçok nicelik için bunun bir yanılgı olduğu kabul edilmektedir. Kuvantum kuramına göre, bazı nicelikler yalnızca, çoğu kez basit tamsayılarla tanımlanan belirli kesikli (diskret) değerler alırlar. Bu kesiklilik ve ilgili matematik kuralları, "kuvantumlama" diye adlandırılır. Bir sistemin kuvantum tanımı, çoğunlukla, uygun kuvantumlama kurallarının katkısıyla, ilgili Newton tanımlamasından elde edilebilir.
GÜNÜMÜZDE VE GELECEKTE FİZİK
Fizik, birçok doğrultuda genişlemesini sürdürmektedir. Karmaşık sistemlerin evrimi ve düzenin gelişmesi, günümüzdeki ilgi alanlarıdır. İlk evren ile atomaltı parçacıkların özellikleri arasındaki ilişki de başka bir yoğun araştırma alanıdır. Genel görelilik kuramı ile kuvantum kuramının kaynaştırılabileceği umuduyla, kuvantum alan kuramının yerine yeni bir tanımlama koyma çabaları, ciddi olarak İncelenmektedir. Aynı zamanda, taramalı elektron mikroskopu (Bk. ELEKTRON MİKROS-KOPU) gibi deneysel teknikler, günümüzde fizikçilerin maddeleri atom düzeyinde gözlemlemelerine olanak sağlamaktadır. Fiziğin gelişmesi, yalnızca maddesel dünyayla ilgili fikirlerde köklü değişikliklere yol açmakla kalmamış, laboratuvar buluşlarına dayanan teknoloji aracılığıyla toplumu da dönüşüme uğratmıştır. Bu maddede fizik, hem bir bilgi alanı olarak, hem de o bilgileri üreten ve ileten uygulama olarak ele alınacaktır. Fizik bilimi, Rönesans'ın son dönemi ile XIX. yy'ın sonu arasındaki dönemde klasik biçimini kazanmıştır. 1900 yılı, klasik fizik ile modern fizik arasında, deyim yerindeyse, sınırı oluşturur.
FİZİK UYGULAMASI
Aristoteles geleneğinde fizik, genel olarak doğanın incelenmesini belirtiyordu; kapsamlı olmasının yanı sıra edebi ve nitelikseldi; deney önermiyor, matematiğe dayanmıyordu. Geometrik optik, mekanik ve hidrostatik, uygulamalı matematiğin dallarıydı.
Fiziğin kapsamına ilişkin aristotelesçi anlayış, XVIII.yy'a kadar Batı üniversitelerinde egemen oldu Bu arada, okulların dışında farklı bir anlayış gelişmekteydi. Asıl mesleği hekimlik olan Wİlliam Gilbert'ın De magnete (Magnetizma Üstüne 1600) adlı yapıtı, bu anlayış sonucunda ortaya çıktı ve fizik tarihinde birbiriyle bağlantılı, uzun süreli ve tekrar tekrar doğrulanmış deneyleri anlatan ilk kitap oldu. O tarihten sonra, magnetizma çok sevilen bir araştırma alanı haline geldi; üstelik yalnızca pratik amaçlarla kullanılmıyor, "doğal büyü"de de, yani saklanmış mekanizmalarla şaşırtıcı etkiler yaratma uygulamalarında da kullanılıyordu. Olağandışı şeylere ilgi duyan kişilerin XVII. yy'da kurdukları akademilerde ya da müzelerde bu tür büyünün seçkin bir yeri vardı. Söz konusu kişilerin oyunları çoğunlukla deney anlamına geliyordu. Yaptıkları uygulamaların birçoğu, sözgelimi ortaklaşa çalışmalar ve göz alıcı gösteriler, 1660 yıllarında Londra'da ve Paris'te kurulan ilk ulusal bilim akademilerinde gerçekleştirildi. Yapılan büyüler (ya da deneyler), yeni mekanik felsefenin ilkelerine göre açıklanıyordu; bu felsefenin başlıca yol göstericisi ve dayanağı, Rene Descartes'ın Principia Philosophiae (Felsefenin İlkeleri, 1644) adlı yapıtıydı. Okuyucu, Descartes'ın kurduğu sistemin yararlarını görmek için, onun ilginç modellerini ya da metafiziğini benimsemek zorunda değildi. Önde gelen mekanikçi filozoflardan Robert Böyle, bu yararları şöyle açıkladı: Aristoteles'in şemasıyla karşılaştırıldığında, parçacık (cisimcik) kuramı (korpuskülarizm), fiziksel olgular konusunda yalın, kapsamlı, yararlı ve anlaşılır açıklamalar sunar; daha ileri gelişmenin temelini oluşturur. Descartes'ın vurguladığı başka bir yarar daha vardı: Genişleme ve hareket üstüne kurduğu fizik, üstü örtülü biçimde matematikseldi.
Kendisinden önce Galileo Galilei'nin yaptığı gibi, Descartes da karma matematiğe göre düzenlenmiş bir fizik istiyordu. Bu iki bilgin, böyle bir fiziğin bazı öğelerini geliştirmeyi başardılar; ama geniş bir olgu alanının niceliklerini belirlemenin üstesinden ikisi de gelemedi. Bunu başarabilen ilk kişi, Principia Mathematica Philosophiae Naturalis (Doğa Felsefesinin Matematiksel İlkeleri, 1687) adlı çalışmasıyla Sir İsaac Newton oldu. Newton ilkelerinin Satürn'ün uydularından Yer üstünde salınan sarkaçlara kadar uzanan kapsamı ve ulaştığı sonuçların kesinliği, çağdaşlarını şaşkınlığa düşürmekle birlikte Newton'un bu başyapıtında, kapsamlı, eksiksiz bir fiziğin modelini görmelerini sağlayamadı. Yapıt, matematiksel bir tanımlama olarak Principia Philosophiae kadar başarılı olmakla birlikte, Descartes'ın amacına sadık kalanlar tarafından fizik olarak başarılı bulunmadı: Ya yerçekimi ilkesi, yani evrendeki bütün parçacıkların karşılıklı hızlanması, Newton'un çoğunlukla yaptığı gibi, matematiksel bir tanımlama olarak ele alınıyordu ve fizikten hiç söz edilmiyordu ya da cisimlerin uzaktan birbirini etkileyebileceği varsayımı benimseniyordu. İkinci durumda, çağdaş XVII. yy. fizikçisine göre. Descartes'ın doğa felsefesini kurtarmış olduğu kavranamaz, büyüsel açıklamalara geri dönülmüş oluyordu.
XVIII. yy'da fizikçiler, gerek Newton'ın, gerek karşıtlarının, uzaktan etkili olan güçleri (kuvvetleri) fizik kapsamına almaktan kaygı duymalarına neden olan kuşkulardan kurtuldular. Fizikçiler, bu güçlerin gerçek niteliği konusunda hiçbir şey bilmeseler bile, bu güçler, hesaplamada ve akılyürütmede yine de yararlıydı; bir fizikçinin dediği gibi, birazcık deneyim, "bunları evcilleştirmek" için yeterliydi. Bu araçsalcılık 1750'den sonra yayılmaya başladı. Fizikteki kuramları, genel, niteliksel, anlaşılabilir ilkelere uygunlukları temel alınarak değil, ayrı ayrı olgulara ilişkin ölçümlerle niceliksel uygunluk temel alınarak seçme geleneği benimsendi.
Fiziğin kurumsallaşması. XVIII. yy'ın ikinci yarısında, uzun süredir akademilerin uygulamakta oldukları gösteriye dayanan deney, üniversitelerdeki fizik derslerine girdi. Bu gösterilerin çoğu, pratik nedenlerden dolayı, modern anlamdaki fizikle ilgiliydi. 1750'ye gelindiğinde, fizikçilerin artık biyolojiyle ve kimyayla ilgili sorumlulukları kalmamıştı; bunun yerine fizikçiler, bir dizi aracın bakımını yapma, çoğunlukla da masrafını karşılama sorumluluğunu üstlendiler. 1780 yıllarında öğretim amacıyla kullandıkları donanım için kurumsal destek görmeye başladılar: Aygıtlar için bir bütçe, bir onarımcı, depolama ve bakım Kolaylıkları, derslikler sağlandı. Yüzyılın sonunda, profesörlerin oldukça önemli bir bölümü, çalıştıkları kurumlardan araç-gereç ve araştırma yardımı almaya başlamışlardı.
Fizik öğretiminin ilkelerini değiştirme girişimi, bu dalın hem içinden, hem de dışından geldi: İçerde, modernlik yanlısı profesörler, Newton'ın düşüncelerini özümlemeye ve ücretli eğitim gösterileriyle fizik öğretimini (ve kendilerini) zenginleştirmeye çalıştılar; dışardaysa, aydın yöneticiler, deneysel fiziğin devlet çarkının döndürülmesine yardımcı olabileceğine inanarak, skolastik ilkelerin ve "yararsız her şeyin" bir kenara atılması için üniversitelere baskı yaptılar.
Bu arada, madencilik, mühendislik ve topçuluk öğretimi yapılan okullarda fiziğin önemi arttı. Bu okulların en gelişmişi olan, 1793'te Paris'te kurulmuş Ecole Polytechnique, gerek üniversitelerde, gerek teknik okullarda öğretim programlarının düzeyinin yükseltilmesine esin kaynağı oldu. Almanya'da teknik yüksekokullar ("Tecnische Hochschulen") kuruldu ve sayıları 1900'de onbeşi buldu.
Üniversitelerdeki "fizik kurulları", XIX. yy'da fizik enstitülerine dönüştürüldü. Bu dönüşüm iki aşamada gerçekleşti. Önce, üniversite, yeni başlayan öğrencilere laboratuvar eğitimi verme yükümlülüğünü kabul etti; sonra ileri düzeydeki öğrenciler ve fakülte için, araştırma olanakları sağladı (ilk aşama, yaklaşık 1850'de, İkincisi yüzyılın sonuna doğru başladı). Fizik alanında üretken çalışmalar vapılan belli başlı ülkelerde (İngiltere, Fransa, Almanya ve ABD) 1900'de benimsenen ilkeye göre, üniversite fizik enstitüleri, istekli ortaöğretim öğretmenlerine, hekimlere ve mühendislere kuramsal ve uygulamalı öğretim vermekle yükümlü oldukları gibi, ileri düzeydeki fizik öğrencilerinin araştırma yapabilmeleri için yer, araç ve malzeme sağlamakla da yükümlüydüler. 1900'e gelindiğinde, dünyanın çeşitli ülkelerinde, 1100 fizikçinin görev yaptığı yaklaşık 160 akademik fizik enstitüsü vardı. Bu enstitülerin, GSMH'nin yüzdesi olarak hesaplanan harcamaları, İngiltere, Fransa, Almanya ve ABD'de aşağı yukarı aynıydı. Akademik fizikçiler, sanayinin, hükümetin ve ordunun teknik eğitim görmüş personele gereksinmesinin arttığını belirterek, hükümet ve özel bağışçılar üstündeki baskılarını sürdürdüler. Bu baskıyı yalnızca bireysel sözcüler değil, XIV. yy'ın ilgi çekici bir yenildi olan meslek dernekleri de uygulamaktaydı. Fizikçilerin her zaman seçkin bir rol oynadıkları, bilimi ilerletmeyi amaç alan ulusal derneklerinin ilki, 1820 yıllarında Almanya'da kuruldu. 1845'ten başlayarak, fizikçiler de ulusal meslek dernekleri kurdular.
Fizik, bir yandan dışa doğru gelişirken, bir yandan da uygulamalı matematiğin fiziksel kollarının kesin olarak kazanılmasıyla, içten de gelişti. Yaklaşık 1860'tan sonra, matematiksel yanı ağır basan dalları ele alarak bunların birliğini ve aralarındaki ilişkileri vurgulayan bir uzmanlık dalı, yani kuramsal fizik ortaya çıktı. 1900'e gelindiğinde, kuramsal fizik kürsülerinin sayısı 50'yi buldu (çoğu Almanya'daydı). Gene aynı dönemde, fizik ile astronomi, biyoloji, yerbilim ve kimya arasındaki sınırlar boyunca, önemli yeni dallar ortaya çıkıp, gelişti. Fiziğin içeriği ve amacı. Kuramcıların başvurdukları biçim, mekanik indirgemeydi. XVIII. yy. sonundaki amacın (elektriksel akışkanlar gibi özel maddeler tarafından taşınan kuvvetlere kadar fiziksel olguların izini sürme amacı), yerini, yaklaşık 1850'ye doğru, korpuskülarizmin yeniden gözden geçirilmiş bir biçimi aldı. Yenigeliştirilen enerjinin korunumu ve güçlerin birbirine çevrilebilirliği öğretisi, bütün fiziksel işlemlerin aynı ilkeye indirgenebilmesi umudunu doğurdu. Fizikçiler, Boyle'un gösterdiği nedenlerin aşağı yukarı aynını göstererek, mekanikle ilgili kavramları temel aldılar; ışık, ısı, elektrik ve mıknatıslık olgularını, bir mekanizma olarak işlev gördüğü ileri sürülen varsayımsal bir "esir"in (ruhun) gerilimleri ve zorlanmaları açısından açıklamaya çalıştılar.
Bu programın uzak amacı, elektromagnetik etkileşmelere aracılık eden ve ışığı ileten aynı "esir" içinde, kalıcı, minik girdaplardan, maddeyi oluşturan girdap atomu gibi bir modele ulaşmaktı. Fransız Fizik Derneği başkanı, 1900'de Uluslararası Fizik Kongresi'ni, "Descartes'ın ruhu modern fiziğin üstünde dolaşıyor ya da daha iyi bir deyişle, modern fiziğin yol gösterici ışığı odur" sözleriyle açtığında, herhalde girdap atomu düzofların üstün yeteneğine meydan okuyordu. Descartes'ın getirdiği açıklamaya göre, Ay'ı taşıyan yersel girdap, mıknatısların ve Yer'in iç yapısını oluşturan yiv gözeneklerden kolayca geçebilecek biçimde biçimlenmiş cisimcikler (parçacıklar) içeriyordu. Özel parçacıklar, mıknatısların çevresindeki ve Yer'in yakınındaki girdaplarda birikiyor, pusula iğnelerini yönlendiriyor, magnetik çekme ve itmeye ortam sağlıyordu. Bu tuhaf betimleme, kıta Avrupa'sında magnetizma konusunda yapılan kuramsal çalışmalara 1750'ye kadar egemen oldu. Bu arada, Newton'ın görüşlerini benimseyenler yerçekimi yasasına benzeyen bir magnetik güç yasası bulmaya çalıştılar; ama başaramadılar. Bunun neden Newton'ın uyguladığı işlemi, yani makroskopik ivmeyi elde etmek için varsayımsal mikroskopik kuvvetler birleştirme işlemini uygulamamalarıydı. 1785'te Charles A. Coulomb, varsayılan magnetik akışkanların öğelen arasındaki magnetik gücün yasalarını ortaya kovdu. Güçlerin denetim altına alınıp kullanılması, Newton'ın yöntemleri konusundaki anlayışın gelişmesi ve kutupları belli olan yapay mıknatıslar üretme tekniği, Coulomb'a büyük ölçüde yardımcı olmuştur.
Gilbert, elektriksel çekimi magnetizmadan ayırt etme sürecinde, elektrikle ilgili araştırmaları başlattı. Francis Hauksbee, yeni ve daha güçlü bir jeneratör olan çam tüpü 1706'da kullanıma sununcaya kadar, bu konu bölük pörçük bir gelişme gösterdi. Bu aygıtı kullanan Stephen Gray ve C. F. Dufay, elektrik iletimini buldular; cam ve reçine elektriklenmelerinin kurallarını ortaya koydular. 1740 yıllarında elektrostatik makinesi ile Leyden şişesinin bulunması ve salon oyunlarında kullanılmasıyla, elektrik daha geniş bir kesimin ilgisini çekmeye başladı. Yıldırımın, doğanın oynadığı bir elektrik oyunu olduğunun 1751'de gösterilmesi, elektriğin ününü daha da pekiştirdi.
1750'ye kadar, fizikçiler tarafından benimsenen elektrik kuramı Gilbert'ın kuramından farksızdı: Elektrikli cisimlerin sürtülmesi, bunların elektriksel bir madde ya da "esir" yaymalarına neden olur; bu da. ya doğrudan doğruya ya da havayı harekete geçirerek, çekme ve itme olaylarına yol açar. Ne var ki, bu kuram, yüklerin işlevlerini ve alanlarını birbirine karıştırmaktaydı. Leyden şişesinin bulunması (1745), bu karışıklığın kaynağını değilse de, kendisini açıklığa kavuşturdu. Benjamin Franklin'in belki de Leyden şişesinden yararlanmadan geliştirdiği artı ve eksi elektrik kuramı, bu olguyu açıklamayı başaran ilk kuram oldu. Franklin'in ileri sürdüğüne göre, Leyden şişesi içinde biriken elektriksel madde (artı yük), şişenin dibi boyunca uzaktan etki göstererek öbür elektriksel maddeyi yere doğru itiyor, bu da eksi yüke neden oluyordu. Böylece, uzak güçler kavramı elektrik kuramına girmiş oldu. Söz konusu güçlerin etkisi, F.U.T. Aepinus (1759), Henry Cavendish 1771) ve Coulomb (1785) tarafından ölçüldü; CouIomb, varsayımsal elektriksel madde(leri)nin ya da akışkandasın öğeleri arasındaki gücün, uzaklığın karesi olarak azaldığını gösterdi (akışkanların sayısı konusundaki belirsizliğin nedeni, o zamanlar birçok fizikçinin, 1759'da Robert Symmer tarafından ortaya atılan kuramı yeğlemeleriydi; bu kuram, Franklin'in kuramındaki elektriksel madde yokluğunun ya da negatif elektriğin verine, ikinci bir elektriksel akışkanın varlığını koyuyordu). Temel elektrik gücü, yerçekimi gücüyle aynı yasaya uyduğu için, potansiyel kuramının matematiği, elektrikçiler tarafından kullanılmayı bekliyordu. Elektrostatiğin ölçümü, XIX. yy. başında, özellikle Simeon Denis Poisson'un çalışmalarıyla başarıldı.
1800'de Alessandro Volta, sürekli elektrik üreten bir aygıt bulduğunu açıkladı; bu aygıt, yuvarlak gümüş, çinko ve ıslak karton levhalarının üst üste konulmasından oluşuyordu. İlk pil (batarya) olan bu buluş, iki yeni geniş alanın doğmasına yol açtı: Sir Humphry Davy'nin alkali metalleri yalıtmasıyla ilk çarpıcı sonuçlarını veren elektrokimya; Gilbert'ın 1600'de atmış olduğu temelin geliştirilmesine dayanan elektromagnetizma.
1820'de Hans Christian Oersted, bir Volta pilinin kutuplarım birbirine bağlayan telin, magnetik bir iğneye güç uyguladığını buldu; bu buluşun ardından Michael Faraday, 1831'de, bir mıknatısın, kapalı bir tel devresinden akım geçmesine neden olabildiğini ortaya koydu. Elektromagnetik gücün harekete bağlı olması ve akım öğeleri arasındaki hat boyunca yer almaması, bu yeni buluşların uzak güçler şemasına yerleştirilmesini zorlaştırdı. Kıta Avrupa'sındaki bazı fizikçiler (önce Andre Marie Ampere, sonra da Wilhelm Eduard Weber ve Rudolf Clausius ile başkaları) göreli hızlara ve ivmelere bağlı güçleri kabul ettiler.
Elektriksel ve magnetik etkileşmelerin, makroskopik uzaklıklarda etkisini gösteren güçler kavramı kullanılmadan açıklanabileceği umudu, Coulomb'un çalışmalarından sonra da sürdü. Bu anlayışa uygun olarak, Faraday, elektromagnetik güçlerin yerini, elektriksel etkileşme içindeki cisimlerin arasında bulunan ortam olarak belirledi. Ne var ki, William Thomson (Lord Kelvin) ve James Clark Maxwell, onun öngörülerini Cambridge matematiği diliyle dile getirinceye kadar, yaptığı tanımlamayı kimse anlamadı. Sonuçta, Maxwell'ın elektrik, magnetizma ve ışık bireşimi ortaya çıktı. Birçok İngiliz fizikçisinin ve Heinrich Hertz'in elektromagnetik dalgaları belirlemelerinden (1887) sonra, bazı Avrupalı fizikçiler, alışılmış mekanik yasalarına uyan bir "esir" ortaya çıkarmaya çalıştılar; çünkü bu yasaların öngördüğü gerilimler ve zorlanmalar, Maxwell denklemleriyle dile getirilen olguları açıklayamıyordu.
1890 yıllarının başında, Hendrik Antoon Lorentz, başarılı bir uzlaşma sağladı: Elektromagnetik tedirginliklerin zaman içinde yayılmasını sağlayan "aracı esir" ya da "alan" düşüncesini İngilizlerden, alanın kaynakları olarak gördüğü elektrik yükleri kavramınıysa kıta Avrupa'sında geçerli kuramdan almıştı. Alanın mekanik bir sistem olarak ele alınması gerektiği (yani, olguları açıklamak için gerekli olan özelliklerle donatılması gerektiği) yolundaki anlayışı bir yana bırakan H.A. Lorentz, sözgelimi, Michelson-Morley deneyinin sonucunu açıklamak için, "esir" içinde yol alan nesnelerin, izledikleri hareket çizgisi boyunca büzüldükierini ileri sürdü. İçinde hareket eden nesneleri kısaltma yeteneği, "esir"in çözümlenememiş ve belki de çözümlenemeyecek özellikleri arasındadır.
Yüksüz (nötr) atomlarda elektrik yükleri bulunduğunu doğrulayan Zeeman etkisi ve alanın kaynağı olarak tanımlanabilecek elektronun yalıtılması, 1896-97'de, Lorentz'in yaklaşımına destek verdi. Elektron, havada duran birçok konuyu toparlayarak XIX.y.y. fiziğine çekidüzen kazandıran maddenin görünüşlerinin (eylemsizlik dahil), hareket halindeki elektriksel akışkan damlalarından kaynaklanıyor olabileceği düşüncesinin doğmasına yol açtı. Ama elektron, "esir"i kurtarmaya yetmedi. "Esir"e karşı hareketten kaynaklanan etkiler bulma çabalarının sürekli başarısızlığa uğraması, her şeyden önce de, hareket eden cisimlerin elektrodinamiğindeki, bazı bakışımsızlıklar, Albert Einstein'ın "esir" kavramını, dolayısıyla da Newton'un mutlak uzayının son kalıntısını, reddetmesine yol açtı.
Işık. XVII. yy'da optik çalışmaları, atmosferde kırılma gözlemlerinin düzeltilmesi ve teleskop tasarımlarının geliştirilmesi gibi astronomi sorunlarıyla yakından bağlantılıydı. Kepler, kırılma olayına iyi bir yaklaşım ortaya koyup, gözün geometrisini, merceklerin çalışmasını ve görüntünün terselmesini açıkladı. Descartes, teleskop mercekleri için en iyi biçimi hesapladı ve ilk olarak 1621 'de Willebrord'un tanımladığı kırılma yasasını buldu. Newton, teleskoplardaki renksel (kromatik) sapmayı düzeltmeye çalışırken, bir prizmanın farklı renklerdeki ışık ışınlarını farklı, ama niteleyici miktarlarda büktüğünü buldu. Bu buluş, ışık fiziğini karıştırdı.
Geleneksel kuram, beyaz ışığın türdeş olduğunu, renklerin katışkılardan ya da değişmelerden başka şey olmadıklarını kabul ediyordu. Newton, buluşundan yola çıkarak, renklerin ilksel ve türdeş oldukları sonucuna vardı; bunları oluşturan öğeleri "parçacıklar" diye betimledi. Bu model, alışılmış modelle de çatışıyordu. Sözgelimi, renkleri hiç kendine sorun etmeyen Christiaan Huygens, ışığın yayılmasını güzelce yorumlamıştı; çift kırılmayla ilgili bir açıklamayı da kapsayan bu yorum, ışığın, her yeri kaplayan bir ortam içindeki boylamasına dalgalardan oluştuğu varsayımına dayanıyordu.
Newton, günümüzde "ışık dalgalarının girişimi" diye adlandırılan olguları açıklamak için, bu kez optik bir "esir"e başvurmuştu. Ona göre, yayılan parçacıklar söz konusu "esir"i titreştiriyor, bu titreşimlerse, parçacıklara periyodik özellikler veriyordu. XVIII. yy'da fizikçilerin birçoğunun, Huygens tarzı bir dalga kuramını yeğlemelerine karşın, Newton'ın kuramıyla boy ölçüşebilecek bir kuram geliştirmeyi hiçbiri başaramadı. Optikteki ilerleme, temelde, Newton'ın araştırmadığı alanlarda, sözgelimi fotometri ve Newton'ın olanaksız saydığı merceklerdeki renksel sapmanın düzeltilmesi alanlarında gerçekleşti.
Newton'ın çalışmalarını yakından araştıran ve titreşimler kuramı konusunda uzman olan Thomas Young, XIX. yy'ın ilk yıllarında, Huygens'in kuramının nasıl niceleneceğini gösterdi; bazı girişim olaylarını açıklamayı başardı. Çok geçmeden, Augustin Jean Fresnel, Young'ın üst üste gelme ilkesine dayanarak, kapsamlı bir çözümleyici kuram geliştirdi. Isı ve elektrik kuramlarında varsayılan özel akışkanlara çok uygun düşen Newton'ın ışık parçacıkları, kutuplanma sorununu vurgulayan güçlü savunucular buldu. Newton'un kuramında, kutuplanma, parçacıkların farklı "taraflar"ına farklı özellikler yüklenerek açıklanıyordu; Young'ın dalgalarıysa, yalnızca (şiddete bağlı) genlik, periyot, faz (girişim) ve hızla (kirilim) tanımlanabiliyordu. Yaklaşık 1820'de Young ve Fresnel, birbirlerinden bağımsız olarak, ışık dalgalarındaki tedirginliklerin, dalgaların hareket doğrultusuna dik olarak etkili olduğu varsayımıyla, eksik olan serbestlik derecesini buldular: Kutuplanma etkileri, tedirginliğin, kutuplayan cismin optik eksenine yönelmesinden ileri geliyordu.
Işık titreşimlerinin enine olduğu kuralına dayanan dalga kuramcıları, çok değişik olguları basit ve doğru olarak tanımlamayı başardılar. Bununla birlikte, titreşimleriyle ışığı oluşturduğunu ileri sürdükleri "aydınlatıcı esir"in bir modelini yapmakta güçlük çekiyorlardı. "Esiri" esnek bir katiya benzeten modeller (önerildi. Maxwell, ışık ile elektromagnetizma arasında ilişki kurduktan sonra, "esir"in görevleri daha da ağırlaştı ve belirsizleşti; sonunda Lorentz ve Einstein, kendi farklı yöntemleriyle, "esir"i mekaniğin boyunduruğundan kurtardılar.
Isı ve termodinamik. Aristotelesçi fizikte ısı, ateş öğesinin taşıdığı mekanik olmayan bir niteliğin, yani "sıcaklığın" varlığıyla ilişkiliydi. Cisimcik (parçacık) kuramını savunan düşünürler, bu betimlemeye bir ölçüde ya da bütünüyle karşı çıktılar; ısının, cisim parçalarının hızlı hareketinden ileri geldiği konusunda görüş birliği içindeydiler; ama özel bir ateş öğesinin varlığı konusunda anlaşamıyorlardı. Aristoteles'in kuramından sonra, yaygın biçimde benimsenen ilk kuramı, XVIII. yy'ın ilk çeyreğinde Hermann Boerhaave geliştirdi; bu kuram, alışılmadık, her yerde var olan, geniş bir "ateş maddesi" öngörüyor, bu maddenin uyarılmasının, ısıya ve aleve neden olduğunu ileri sürüyordu.
Fizikçiler, XVIII. yy'da büyük ölçüde geliştirilen termometrelerin yardımıyla, bu ateşin özelliklerini incelediler. G. W. Richmann, Fahrenheit termometreleriyle, "kalorimetrik karışım" formülünü belirledi (1747-48); bu formül, farklı cisimler birbiriyle temas ettirildiğinde, bunların içerdikleri farklı sıcaklıklardaki ateşin bir ara sıcaklıkta nasıl dengeye kavuştuğunu açıklıyordu. Richmann'ın formülünden beklenen sonuçlar ile deneylerden elde edilen değerler arasındaki uyumsuzlukları irdeleyen Joseph Black ve J. C. Wilcke, birbirlerinden bağımsız olarak, gizli ve özgül ısı kavramlarına ulaşmalarını sağlayan olguları buldular.
Yaklaşık 1790'da fizikçiler, "kalorik" adını verdikleri ısının maddesel temelinin korunduğu yolundaki varsayımın çözümleyici sonuçlarını düşünmeye başladılar. Kalorik kuram, fizikçilerin yalnızca mekanik ilkelerine dayanarak anlamak için boşuna uğraştıkları gazlardaki ısısız (adyabatik) süreçlere (sesin yayılması da dahil), doyurucu bir niceliksel açıklama getiriyordu. Başka bir matematiksel kalorik kuramı da ideal, tersinebilir bir ısı makinesinin verimliliği konusunda Sadi Carnot'nun 1824'te yaptığı çözümleme oldu; bu kuram, korunmuş bir ısı maddesi varsayımına dayanıyormuş gibi görünüyordu.
Joseph Fourier, kendi adıyla anılan trigonometri dizisini kullanarak ve ısının niteliğini belirtmeksizin geliştirdiği ısı iletimi kuramını, 1822'de yayınladı. Kont Benjamin Rumford'un savlarının inandırıcı olduğunu düşünenlerin kalorik kuramına yönelik saldırılarını da böylece savuşturmuş oldu. Rumford, perdahlanan top namlularının sürekli yüksek sıcaklıklarından yola çıkararak ısının sürtünmeyle oluştuğu ve korunan bir madde olamayacağı sonucuna ulaştı. Rumford'un niteliksel savları, o dönem için kalorik kuramını alt edemediyse de, bazı kuşkuların doğmasına gerekli ortam hazırladı: Carnot da kuşku duyanlar arasındaydı.
XVIII. yy'ın sonlarında fizikçiler, ışıkla, ısıyla ve elektrikle ilişkilendirdikleri akışkanların karşılıklı ilişkileri konusunda görüşler ileri sürdüler. Dalga kuramı, ışığın ve radyan ısının maddeden değil hareketten oluştuğunu ortaya koyduğunda, kalorik kuramının temelleri sarsıldı. Prescott Joule'ün 1840 yıllarında yaptığı deneyler, elektrik akımının ısı üretebildiğini ya da bir eJektrik motoru aracılığıyla mekanik iş yapabildiğini gösterdi, joule, ışık gibi, ısının da bir hareket durumu olduğu sonucuna vardı ve mekanik işin yarattığı ısıyı ölçmeyi başardı. Ne var ki, sesini duyurmakta güçlük çekti; bunun nedeni, yaptığı deneylerin çok hassas olması ve ulaştığı sonuçların, Carnot'nun sonuçlarını tehdit eder görünmesiydi.
İki ayrı ilkenin birbirine karıştırıldığını kavrayan Kelvin ve Clausius, 1850 yıllarının başlarında, birbirlerinden bağımsız olarak bu çatışmayı çözüme kavuşturdular. Isının, tüketilen ya da üretilen mekanik, elektriksel ya da kimyasal güç (yani, yeni terim kullanılırsa, "enerji") miktarıyla her zaman aynı orantıda yaratılabileceğini ve yok edilebileceğini ileri süren Joule'ün bu görüşü doğruydu (bu tez, birinci termodinamik yasası, yani enerjinin korunumu yasasıdır). Bununla birlikte, Carnot'nun ulaştığı sonuçlar da geçerliydi; bu sonuçlar, ısının korunumuna değil, ısı değişikliğinin gerçekleştiği sıcaklıkla ısının bölünmesinden çıkan değer olan entropinin korunumuna dayanıyordu. İkinci termodinamik yasasına göre, bütün doğal süreçlerde entropi ya hiç değişmez ya da artar.
Hermann Helmholtz'un ve öbür bilim adamlarının değerlendirmelerinden cesaret alan fizikçiler, en iyi bildikleri enerji biçimi olan mekanik enerjiyi, temel enerji olarak benimsediler ve öbür enerji biçimlerini ona göre tanımlamaya çalıştılar. Maxwell ve Ludwig Boltzmann, “mekanik ısı kuramı" adı verilen yeni bir fizik dalının temellerini attılar; bu dal, fiziksel çözümlemenin bütünleyici bir parçası olarak ilk kez istatistiksel yorumlara yer veriyordu. İlk başarılarını sağladıktan sonra, bu kuram, entropiyle ilgili mekanik betimlemenin üstüne kuruldu. Zamanda hiçbir doğrultusu (olmayan, mekanik denklemleri ile entropinin gelecekte azalmasını yasaklayan ikinci yasanın gerekleri arasındaki görünür karşıtlık, bazı fizikçilerin, mekanik indirgemenin başarılabileceğinden kuşku duymalarına neden oldu. 1890'a doğru, fiziksel kimyacı Wilhelm Ostwald'ın önderliğini yaptığı küçük, köktenci bir grup, atom kavramı da dahil bütün mekanik tanımlamaların reddedilmesini isteyecek kadar ileri gitti.
Ostwald'ın "enerjetik programı", çok az destek görmesine ve kısa süre sonra da çökmesine karşın, mekanik modellere yönelik saldırı, bir şeylerin habercisiydi. 1900 yıllarında yapılan başka çalışmalar (röntgen ışınlarının ve radyoaktivitenin bulunması; kuvantum kuramının ve görelilik kuramının geliştirilmesi) sonucunda fizikçiler, klasik fiziğin temelini oluşturan açık seçik uzay ve zaman betimlemelerine dayanmaktan, ilkede değilse de, uygulamada vazgeçmek zorunda kaldılar.
MODERN FİZİK
Fiziksel evrenin mekanik parçalardan oluşan bir yığın olduğu yolundaki anlayış, 1900'e doğru sarsıldı. Birinci Dünya Savaşı'nın patlak vermesinden önceki yıllarda, yeni deneysel olgular ortaya çıktı. Radyoaktiflikle ve röntgen x) ışınlarıyla ilgili ilk buluşları, Antoine Henri Becquerel ve Wilhelm Conrad Roentgen gerçekleştirdiler. Bu yeni olgular geniş biçimde incelendiyse de, röntgen ışınlarının oluşumuna ilişkin genel, kuramsal bir tanımlama, ancak 1913'te, Niels Bohr'un ilk atom kuramıyla ortaya kondu. Kuvantum mekaniğinin doğuşuyla, nötron ve nötrino gibi yeni temel parçacıkların bulunuşuyla ve parçacık hızlandırıcılar kullanılarak yapılan sayısız deneyle, radyoaktif bozunma olayı yavaş yavaş açıklığa kavuşturuldu.
XX. yy. fiziğinin en temel, kuramsal bireşimleri, görelilik ve kuvantum mekaniği kuramları, fizikçilerin çoğunun deneysel araştırmalarıyla yalnızca dolaylı olarak ilişkiliydi. Sözgelimi, Albert Einstein ve Wolfgang Pauli'nin inancına göre, deney, kuramın en son hakemi olmalıydı; ama kuramlarda düşgücünün oynadığı rol, deneysel verilerle yapılan herhangi bir tümevarımlı düzenlemeden çok daha fazlaydı. Yüzyılın ilk otuz yılında, fizikle ilgili yeni düşüncelerin, fizikçilerin çalışmalarının felsefi temellerini yeniden irdelemelerini gerektirdiği açıkça anlaşıldı. Bu nedenle, fizikçiler, halk arasında, evrenin karanlık gizlerini ortaya çıkarmaya çalışan aydın brahma rahipleri gibi görülmeye başlandılar. Fiziksel bilgileri yeniden düzenlemeye yönelik yoğun etkinlikler, 1920 yıllarında da sürdü. Bu on yılda, Pauli, Werner Kari Heisenberg, Max Born, Erwin Schrödinger ve Paul Dirac tarafından yeni, belirlenimci olmayan bir bilgi kuramı (epistemoloji) ve kuvantum mekaniği geliştirildi.
XX. yy'ın başındaki evren görüşü, günlük etkinlik biçimlerinin 1880 yıllarından başlayarak kalıplaşmış olduğu üniversite ortamlarında (özellikle Avrupa'nın Almanca konuşan ülkelerinde) yayıldı, iki dünya savaşı arasındaki dönemde, ABD, Japonya, Hindistan ve Arjantin gibi Avrupa dışındaki ortamlarda, birinci sınıf araştırma kurumlan gelişti. 1914 öncesindeki dünyada tohumları atılan yeni etkinlik biçimleri, sonunda belirginleşti. Clinton Davisson ve William Thomas Astbury (1898-1961) tarafından yapılan araştırmalar gibi fizik araştırmaları, optik, elektrik ve dokuma sanayilerinden geniş destek görmeye başladı. ABD'deki Ulusal Araştırma Konseyi ve özel vakıflar, özellikle de Rockefeller ve Carnegie vakıfları, pahalı ve zaman alıcı deneyleri parasal yönden desteklediler. Avrupa hükümetleri de, aralarında Kaiser Wiİlhelm Enstitüleri ve Potsdam'daki Einstein gözlemevi de bulunan özel araştırma kuruluşlarını desteklediler. 1930 yıllarında, "büyük fizik" diye adlandırılan olgu ortaya çıktı. Çok sayıda fizikçi, üniversitelerle dolaylı bağı bulunan özel laboratuvarlarda, karmaşık aygıtlar üstünde çalıştılar. Yeni kurumsal düzenlemelerin en önemli sonuçlarından biri olarak, fizikçilerin, bu bilim dalını hem kuramsal, hem de deneysel yönleriyle özümlemiş olan Enrico Fermi gibi fizikçilere öykünmeleri gün geçtikçe güçleşti. J. Robert Oppenheimer'ın ve Luis Walter Alvarez'in meslek yaşamlarını örnek almış başarılı fizikçiler, zamanlarının çoğunu gizli araştırma tasarılarına parasal kaynak sağlamak için bilimsel eğitim görmemiş kişileri ikna etmeye harcayan birer yönetici olup çıktılar.
1950 yıllarında, yani ABD'nin ve SSCB'nin termonükleer silahlar konusunda geniş araştırmalar yürüttükleri ve yapay uydular fırlattıkları yıllarda, hükümetlerin fizikçilere gösterdikleri büyük saygı, son yıllarda azalmıştır. Bu yeni gelişme, bir ölçüde, sürekli yeni uzmanlık dallarının ortaya çıkmasının sonucudur. Sözgelimi, tıpkı yaklaşık 1900'de fiziksel kimyanın, yer fiziğinin ve gök fiziğinin ana bilim dalından kopmaları gibi, yakın döneme kadar fizikçilerin çalışma alanına giren uygulamalı elektronik ve nükleer mühendislik de, bağımsız birer dala dönüşmüşlerdir. Aynı zamanda, Richard Phillips Feynman gibi birçok fizikçi, yaptıkları araştırmaların estetik değerine, pratik uygulamalarından daha çok önem vermeye başlamışlardır.
Son yıllarda fizikçiler, biyofizik, katı hal fiziği ve gök fiziği alanlarındaki çok önemli bilimlerarası bireşimlerin merkezinde yer almışlardır. DNA'nın çift sarmallı yapısının saptanması, karmaşık protein moleküllerinin laboratuvarda bireşiminin yapılması ve kalıtım mühendisliğinde sağlanan gelişmeler gibi bütün başarılar, spektroskopide, röntgen ışınlı billurbilimde ve elektron mikroskopunda algılanan ilerlemelere dayanmaktadır. Bilgiişlem alanındaki devrimin temelini oluşturan yarıiletkenler teknolojisine, katı hal fizikçileri öncülük etmişlerdir. Evrenin geniş ölçekli yapısına ve bileşenlerine ilişkin temel öngörüler, kuramsal fizikçilerin daha önce ortaya koymuş oldukları uyumlara dayanmaktadır. Ama bu arada, bu karşılıklı alışveriş, fiziği de etkilemiştir. Temel parçacıklarla ilgili yasalardan, tersinmez termodinamik süreçlerle ilgili yasalara kadar, ana fizik yasaları konusunda, yeni bir anlayışın doğmasını sağlamıştır. Bütün modern bilim dalları arasında, bir yandan yeni bilimsel ve toplumsal koşullara uyum sağlarken, bir yandan da halkın gözündeki imgesini yüksek tutmakta en başarılı bilim dalı, fizik olmuştur.