ભૌતિકવિજ્ઞાન (Physics)

નૈસર્ગિક કે પ્રાયોગિક પરિસ્થિતિમાં દ્રવ્ય અથવા પદાર્થ (matter) અને ઊર્જાની આંતરક્રિયાથી નીપજતી ભૌતિક ઘટનાઓનો અભ્યાસ કરવા માટેનું એક મૂળભૂત પ્રાકૃતિક વિજ્ઞાન (natural science). આ વૈજ્ઞાનિક અભ્યાસ, સમય અને અવકાશની ભૂમિકા પર કરવામાં આવે છે. ભૌતિકવિજ્ઞાન એ ભૌતિકીય વિજ્ઞાનો(physical sciences)નું એક પાયાનું અંગ ગણાય છે. સામાન્યપણે આ વિષયનો થોડોઘણો પરિચય દરેકને પોતપોતાના તેમજ અન્યના શાળા-કૉલેજના અભ્યાસ દરમિયાન થતો હોય છે. અખબારો અથવા માધ્યમોમાં ચમકતા વિજ્ઞાનસમાચારોમાં થતા ન્યૂક્લિયર બૉંબ, અવકાશી ઉપગ્રહો, સૌરઊર્જા, લેઝરશસ્ત્રક્રિયા જેવા ઉલ્લેખો પ્રત્યક્ષ કે પરોક્ષપણે ભૌતિકવિજ્ઞાનનું દર્શન કરાવે છે.

દ્રવ્ય : ભૌતિકવિજ્ઞાન કુદરતી ઘટનાઓને લગતી સમજ કેળવવાનો પ્રયત્ન કરે છે. તેના થોડા નમૂના જોઈએ : પ્રકાશ, આકાશ ભૂરું દેખાય છે અને સૂર્યાસ્ત તેમજ સૂર્યોદય રક્તવર્ણા હોય છે. તે ઘટનાઓ, ઝળહળતા સૂરજ અને ટમટમતા તારાઓની અગાધ શક્તિનું રહસ્ય, આપણી આસપાસના પદાર્થોથી રચના, હવા વાયુ છે, પાણી પ્રવાહી છે. તો લોઢું, લાકડું વગેરે ઘન છે તે બાબતો, આપણા જીવનમાં અનિવાર્યપણે વણાઈ ગયેલી વીજળીની ઉત્પત્તિ અને ઊર્જાના સંદર્ભમાં માનવીનું ભાવિ, સંદેશાવ્યવહાર, મોસમની આગાહી વગેરેમાં ઉપયોગી કૃત્રિમ ઉપગ્રહોની કાર્યપદ્ધતિ વગેરે.

આવા અનેક પ્રશ્નોના ઉકેલ ભૌતિકવિજ્ઞાનના અભ્યાસમાંથી મળે છે. ભૌતિકવિજ્ઞાનીઓ (physicists) હરહંમેશ મૂળભૂત તેમજ પ્રાયોજિત સંશોધનોમાં ખૂંપેલા રહે છે. તેના સીધા કે આડકતરા પરિપાક રૂપે પ્રૌદ્યોગિકીય (technological) પ્રગતિ થાય છે, જેના વડે માનવીનું જીવન વધુ ને વધુ સરળ અને સમૃદ્ધ બને છે. આમ છતાં ભૌતિકશાસ્ત્ર એ વિશુદ્ધ વિજ્ઞાન (pure science) રહ્યું છે. પ્રકૃતિને વધુ ને વધુ ઊંડાણથી જાણવા-સમજવાનો પ્રયત્ન તેના પાયામાં રહેલો છે. આ સંબંધે જે બુનિયાદી જાણકારી મળવા પામી છે, તે માનવજાતનું એક સાંસ્કૃતિક નજરાણું ગણાય છે. પરમાણુ અને અણુની વાત લઈએ તો સદીઓથી માનવીના મનમાં એક કલ્પના રમતી હતી કે તમામ સ્થૂળ પદાર્થો આખરે અતિસૂક્ષ્મ કણોના બન્યા હોવા જોઈએ. છેલ્લાં સોએક વર્ષ દરમિયાન પદાર્થના મૂળ ઘટકો એવા પરમાણુ (atom) તેમજ અણુ(molecule)નો ખ્યાલ સ્પષ્ટ થયો છે. આ સદીના એક વિચક્ષણ ભૌતિકવિજ્ઞાની રિચાર્ડ ફાઇનમૅને યોગ્ય રીતે જ કહ્યું હતું કે સંયોગોવશાત્ માણસજાતનું તમામ વૈજ્ઞાનિક જ્ઞાન નષ્ટ થઈ જાય અને આવનારી પેઢીને ફક્ત કોઈ એક જ જ્ઞાનનો વારસો આપવાનો હોય તો તેમાં અવશ્યપણે પરમાણુવાદ(Atomic Theory)નું જ્ઞાન આપી જવાનું પસંદ કરવામાં આવે. આજે અલબત્ત પરમાણુ-અણુની આંતરિક રચનાની માહિતી પણ પ્રાપ્ત થઈ છે. દરેક પરમાણુને નાભિ (nucleus) હોય છે, જેમાં પ્રોટૉન તથા ન્યૂટ્રૉન રહેલાં હોય છે. ન્યૂટ્રૉન કે પ્રોટૉન અંતિમ કણો નથી, એમાં પણ ક્વાર્ક રચના (quark structure) હોય છે. આમ અવપરમાણુ-કણો (subatomic particles) પ્રોટૉન, ન્યૂટ્રૉન, ઇલેક્ટ્રૉન, મેસૉન વગેરે મૂળગત રીતે ક્વાર્ક અને લેપ્ટૉન(leptone)માં વિભાજિત થાય છે. અતિ આધુનિક વિજ્ઞાન તો ક્વાર્કની પણ અંદર પ્રવેશવા મથી રહેલ છે. તેની વિગતોમાં ન ઊતરીએ તોપણ આજે દ્રવ્ય કે પદાર્થની રચનાનું જે ચિત્ર ઊપસે છે તે આ પ્રમાણેનું છે : પરમાણુ-નાભિ કે જે પ્રોટૉન તથા ન્યૂટ્રૉનથી બને છે એ પરમાણુના કેન્દ્રમાં રહેલ અતિસૂક્ષ્મ અને ખૂબ જ દળદાર ભાગ છે. ન્યૂક્લિયસને ધન વિદ્યુતભાર હોય છે અને તે યોગ્ય સંખ્યામાં ઇલેક્ટ્રૉન સાથે મળીને એક તટસ્થ પરમાણુ રચે છે. શુદ્ધ સ્વરૂપનાં રાસાયણિક તત્વો કે જે સાદામાં સાદા પદાર્થો છે (દા.ત., સોનું, ચાંદી, તાંબું, પારો વગેરે) તેઓ માટે પરમાણુ એ બંધારણીય એકમ છે. પરમાણુઓ જોડાઈને અણુઓ રચે છે. કેટલાક વાયુઓ (દા.ત., H₂, O₂, N₂ વગેરે) દ્વિપરમાણુક (diatomic) હોય છે અને તેમાં અણુઓ બંધારણીય એકમો તરીકે વર્તે છે. પાણી (H₂O), મીઠું (NaCl), ખાંડ જેવાં રાસયણિક સંયોજનોમાં પણ અણુ એક સૂક્ષ્મતમ મૂળ એકમ છે. પરંતુ તેમાં એક અણુ બે કે તેથી વધુ જુદા જુદા પરમાણુઓનાં બંધન (Bonding) દ્વારા બને છે. એથી આગળ વધીએ તો પરમાણુઓ (તેમજ અણુઓ પણ) ઘણી મોટી સંંખ્યામાં પાસે પાસે ક્રમબદ્ધ ગોઠવાઈને વિવિધ પ્રકારના ઘન પદાર્થોની સ્ફટિક રચના બનાવે છે. ઘન પદાર્થો અસ્ફટિકીય પણ હોઈ શકે. પ્રવાહીમાં પદાર્થોના અણુ કે પરમાણુઓ પરસ્પરના બંધનમાંથી કંઈક અંશે મુક્ત બને છે, તો વાયુ-સ્વરૂપમાં તેઓ તદ્દન મુક્ત બની જાય છે. પ્લાઝમા વળી એવું સ્વરૂપ છે કે જેમાં થોડાઘણા તટસ્થ પરમાણુઓ ઉપરાંત આયનો(વિદ્યુતભારિત પરમાણુઓ) તેમજ મુક્ત ઇલેક્ટ્રૉનનો જમેલો જામે છે. સામાન્ય વ્યવહારમાં મનુષ્યની આસપાસના પદાર્થો ઘન, પ્રવાહી કે વાયુ અવસ્થાઓમાં જોવા મળે છે. આપણે જ્યાં રહીએ છીએ તે ધરતી, મહાસાગરો અને વાતાવરણ પણ આ સ્વરૂપનાં ઉદાહરણો છે. એ સઘળું મળીને એક પૃથ્વી ગ્રહ રચે છે. આવા નવેક ગ્રહો તેમજ તેઓના ઉપગ્રહો, ધૂમકેતુઓ ઇત્યાદિ મળીને સૌરમંડળ રચે છે; જેના કેન્દ્રમાં સૂર્ય છે. આપણી ર્દષ્ટિને વધુ વિશાળ બનાવતાં જણાય છે કે સૂર્ય તો એક સામાન્ય તારો છે. આવા નાનામોટા 10¹¹ જેટલી સંખ્યાના તારાઓનો સમૂહ તે આપણી આકાશગંગા (Milky Way) કે મંદાકિની વિશ્વ છે. અતલ અફાટ અવકાશમાં અનેકાનેક તારાવિશ્ર્વો (galaxies) રહેલ છે અને તેઓ એકબીજાંથી દૂર ને દૂર જવા મથે છે. આમ સમસ્ત બ્રહ્માંડ (universe) એટલે તમામ તારાવિશ્વો અને આંતરતારાકીય અવકાશ મળીને જે રચાય છે તે સ્થૂળ પદાર્થોનું તંત્ર – ભલેને નાનો પથ્થર હોય કે મોટી નિહારિકા હોય – અંતે તો એ પરમાણુ અણુઓ તેમજ અવપરમાણુક કણો થકી જ બને છે. આમ, ‘अणोः अणीयान् महतो महीयान्’ની પૌરાણિક કલ્પના આજના ભૌતિકવિજ્ઞાનમાં સાકાર થાય છે. વળી સજીવ પદાર્થો પણ આખરે તો પરમાણુ અણુઓથી બને છે. સચરાચરનું આવું વૈજ્ઞાનિક વિશ્વરૂપ-દર્શન આપવામાં જ ભૌતિકશાસ્ત્રની પ્રમુખ સિદ્ધિ રહેલ છે.

ઊર્જા : ઉપરના ફકરાઓમાં દ્રવ્ય શું છે તેનો ઉત્તર મળે છે. ભૌતિક જગતનું બીજું મહત્વનું પાસું છે ઊર્જા. ભૌતિકવિજ્ઞાનમાં, કાર્ય કરવાની ક્ષમતાને ઊર્જા કહે છે. પદાર્થ ગતિમાં હોય તો તે ગતિ-ઊર્જા (kinetic energy) ધરાવે છે. પદાર્થની સ્થિતિને કારણે સ્થિતિ-ઊર્જા (potential energy) ઉદભવે છે. ગરમી કે ઉષ્મા એ પણ ઊર્જાનું સ્વરૂપ છે. તેનાં અન્ય સ્વરૂપ છે રાસાયણિક ઊર્જા, ન્યૂક્લિયર ઊર્જા, પ્રકાશ તેમજ ધ્વનિઊર્જા વગેરે. આઇન્સ્ટાઇનના સાપેક્ષવાદ મુજબ દ્રવ્ય પણ ઊર્જાનું એક સ્વરૂપ ગણાય. દ્રવ્ય (m) અને ઊર્જા(E)ને જોડતું પ્રસિદ્ધ સમીકરણ છે :

અત્રે આપેલ સારણી 1માં સ્થૂળજગતના નાનામોટા પદાર્થોનો એક તુલનાત્મક માપક્રમ જોવા મળશે.

 

E = mc², જેમાં c = હવા કે શૂન્યાવકાશમાં પ્રકાશની ઝડપ = 3 x 10⁸ m/sec.

ઊર્જાના ભિન્ન ભિન્ન પ્રકારોનું એકબીજામાં રૂપાંતર શક્ય છે, જેમાં અલબત્ત ઉષ્માયાંત્રિકી(thermodynamics)ના બે નિયમો જળવાય તે અનિવાર્ય છે. હકીકતે સ્થૂળ વિશ્વની તમામ ઘટનાઓ ઊર્જાના અંદરોઅંદરના ફેરફારો જ દર્શાવે છે. અવપરમાણુક કણોની સૃષ્ટિમાં દ્રવ્ય અને ઊર્જાનાં અન્યોન્યમાં રૂપાંતરો પણ થયાં કરે છે. દા.ત., ન્યૂક્લિયર બૉંબના વિસ્ફોટમાં યુરેનિયમ નાભિના અતિ અલ્પ ભાગનું ઉપર્યુક્ત સમીકરણ પ્રમાણે ઊર્જામાં પરિવર્તન થતાં વિસ્ફોટ થાય છે. જ્યારે ન્યૂક્લિયર પાવર સ્ટેશનમાં લગભગ આવી જ રીતે પ્રાપ્ત થતી ઊર્જાને નિયંત્રણ હેઠળ વિદ્યુતશક્તિમાં ફેરવીને સારા ઉપયોગમાં લેવામાં આવે છે.

ઊર્જાના જુદા જુદા પ્રકારોમાં ઉષ્માનું સ્થાન વિશિષ્ટ છે. પદાર્થમાં રહેલી ઉષ્મા શક્તિ એ તેના પરમાણુ-અણુઓની (અસ્તવ્યસ્ત) ગતિની ઊર્જા છે. શિયાળામાં આપણે ઠંડીનો પ્રતિકાર કરવા બે હાથ ઘસીએ છીએ ત્યારે આપણાથી થતા યાંત્રિક કાર્ય(mechanical work)નું ઘર્ષણને લીધે ઉષ્મામાં રૂપાંતર થાય છે. યાંત્રિક કાર્ય પૂરેપૂરું (100 %) ઉષ્મામાં ફેરવાઈ શકે છે; પરંતુ આદર્શ પરિસ્થિતિમાં પણ ઉષ્માનું પૂર્ણત: યાને કે 100 % રૂપાંતર યાંત્રિક કાર્યમાં થઈ શકે નહિ. આ કથન ઉષ્માયાંત્રિકીનો બીજો નિયમ દર્શાવે છે. આથી ઉષ્મા એ નિમ્ન કક્ષાની ઊર્જા ગણાય. સામાન્ય વ્યવહારમાં જ્યારે આપણે પાણી ગરમ કરવા માટે વિદ્યુતહીટર (heater) વાપરીએ છીએ ત્યારે જાણ્યે-અજાણ્યે તેમાં વિદ્યુત-ઊર્જા(જે શ્રેષ્ઠ પ્રકારની ઊર્જા છે.)નો ઉષ્મા રૂપે વ્યય થઈ જાય છે. સ્નાન વગેરે કામોમાં જ્યારે પાણીની જરૂર પડે ત્યારે વિદ્યુત-ઊર્જા ન વાપરતાં, સૌર-ઊર્જા કે બળતણ-ગૅસનો ઉપયોગ કરવો વધુ ઉચિત છે.

ઊર્જાની વાત નીકળે ત્યારે વિવિધ પ્રકારનાં વિદ્યુતચુંબકીય વિકિરણો(electromagnetic radiations)નો ઉલ્લેખ જરૂરી બને છે. પ્રકાશ એ એક પ્રકારનું વિદ્યુતચુંબકીય વિકિરણ છે. વ્યાપકપણે આ વિકિરણો અર્દશ્ય પ્રકારનાં પણ હોઈ શકે. વિદ્યુતચુંબકીય વર્ણપટ કે જે વિવિધ વિકિરણોની તરંગલંબાઈ (λ) અથવા આવૃત્તિ(f)ના ક્રમમાં ગોઠવણી છે તેના જુદા જુદા ભાગોનો એક ચિતાર સામેની આકૃતિમાં મળે છે. ર્દશ્ય પ્રકાશમાં ‘જાનીવાલીપિનાલા’(VIBGYOR)ના ક્રમ મુજબના મુખ્ય સાત રંગો હોય છે અને તે અનુસાર તરંગલંબાઈ આશરે 4000 Å (એન્ગસ્ટ્રૉમ)થી 7000Å ના ગાળામાં હોય છે. તેનાથી વધતી તરંગલંબાઈ મુજબ અનુક્રમે અધોરક્ત (યાને કે ઉષ્માકિરણો) માઇક્રોતરંગો અને રેડિયો-તરંગો આવે છે. તો બીજી બાજુ, જાંબલી બાદ વધતી આવૃત્તિ મુજબ અનુક્રમે પારજાંબલી, ક્ષ-કિરણો અને ગૅમા-કિરણો આવે છે. સમગ્ર વર્ણપટના જુદા જુદા ભાગોના અનેક ઉપયોગો, વિજ્ઞાન તેમજ ટૅકનૉલૉજીની અનેકવિધ શાખાઓમાં પુષ્કળ પ્રમાણમાં થવા લાગ્યા છે.

ધ્વનિ પણ સંગત (longitudinal) તરંગો રૂપે પ્રસરતી ઊર્જા છે. જેમ માણસની આંખ અમુક જ વિકિરણ(પ્રકાશ)ને જોઈ શકે છે તેમ માણસના કાન અમુક મર્યાદા(– આવૃત્તિમાં 20 hertzથી 20 kilo hertz)ના ધ્વનિને જ પારખી શકે છે, પરંતુ આ કુદરતી મર્યાદાને ઓળંગીને અર્દશ્ય પ્રકાશ તેમજ અશ્રાવ્ય ધ્વનિનો અભ્યાસ કરવાનાં સાધનો ભૌતિકવિજ્ઞાને માનવજાતને ભેટ આપેલ છે. અહીં નોંધીએ કે સંગીતના સાત સ્વરો એ સાત ચોક્કસ આવૃત્તિના ધ્વનિ-તરંગો હોય છે.

ભૌતિકવિજ્ઞાનનાં મુખ્ય વિષયાંગો : ભૌતિકવિજ્ઞાનનાં વિષયાંગો વ્યાપક અર્થમાં બે ગણી શકાય : (અ) સૈદ્ધાંતિક (theoretical) ભૌતિકશાસ્ત્ર, અને (બ) પ્રાયોગિક (experimental) ભૌતિકશાસ્ત્ર. આધુનિક યુગમાં આ ઉપરાંત સંગણક ભૌતિકશાસ્ત્ર(computational physics)નો ખ્યાલ પણ પ્રચલિત બન્યો છે. પરંતુ મોટેભાગે ઉપર્યુક્ત બે વિભાગો અનુસાર ભૌતિકવિજ્ઞાનીઓ પણ પોતાની ઓળખ સૈદ્ધાંતિક અથવા પ્રાયોગિક ભૌતિકવિજ્ઞાની તરીકે આપતા હોય છે. આ વિજ્ઞાનની કાર્યપદ્ધતિ એવી છે કે પ્રયોગશાળામાં બનતી ઘટનાઓને જુદી જુદી ભૌતિક રાશિઓના સ્વરૂપમાં માત્રાત્મક (quantitative) રીતે અવલોકવામાં આવે છે. તે અવલોકનો પરથી કોઈ વ્યાપક નિયમ કે વર્તણૂક (behaviour) તારવી શકાય છે. આવો નિષ્કર્ષ જો સાચો હોય તો તેના આધારે થતી સૈદ્ધાંતિક આગાહીને પ્રાયોગિક રીતે પુરવાર કરી શકાય છે. જો કોઈ સિદ્ધાંત કે વાદ(theory)ને પ્રયોગોનું અનુમોદન ન મળે તો તે બાબત એ બંને રીતે એક પડકાર બની જાય છે. ફરી બંને પ્રકારના ભૌતિકશાસ્ત્રીઓમાં એક જાતનું આત્મમંથન થવા લાગે છે અને તેમાંથી નવી શોધખોળનો જન્મ થાય છે. ભૌતિકશાસ્ત્રના ઇતિહાસમાં ઘણા કિસ્સાઓ એવા છે કે જેમાં કોઈ બાબતની આગાહી પહેલાં સિદ્ધાંતોને આધારે કરવામાં આવી હોય અને ત્યારબાદ કાળજીપૂર્વકના પ્રયોગો પરથી તેની સાબિતી મળી હોય.

સારણી 2 : ભૌતિકવિજ્ઞાનનાં વિષયાંગો : એક રૂપરેખા : ભૌતિકવિજ્ઞાન

માળખારૂપ વાદો અથવા સિદ્ધાંતો (framework theories)	દ્રવ્ય-સંરચના સિદ્ધાંતો (structure theories of matter)	પ્રયુક્તિઓ, પ્રયોજિત ભૌતિકવિજ્ઞાન (devices, applied physics)
રૂઢિગત ગતિવિજ્ઞાન (classical mechanics)	-કણ-ભૌતિકવિજ્ઞાન (particle physics)	-ઇલેક્ટ્રૉનિક્સ તેમજ સંદેશાવ્યવહાર, કમ્પ્યૂટર સાધનસામગ્રી (hardware)
ક્વૉન્ટમ ગતિવિજ્ઞાન (quantum mechanics)	-પરમાણુ અને અણુ- ભૌતિકશાસ્ત્ર	-પદાર્થવિજ્ઞાન (materials science)
ઉષ્મા અને થર્મોડાઇનૅમિક્સ	-ઘન અવસ્થા તેમજ સંઘનિત (condensed) દ્રવ્ય-ભૌતિકશાસ્ત્ર	-સૌર-ઊર્જા તેમજ પ્રયોજિત ઊર્જાવિજ્ઞાન (applied energy science)
આંકડાકીય ગતિવિજ્ઞાન (statistical mechanics)	-પ્લાઝમા ભૌતિકશાસ્ત્ર	-અવકાશભૌતિકશાસ્ત્ર (space physics)
તરંગો, પ્રકાશ અને વિદ્યુત-ચુંબકત્વ	-ખ-ભૌતિકશાસ્ત્ર (astrophysics) વગેરે	ભૂ-ભૌતિકશાસ્ત્ર
સાપેક્ષવાદ	–	વાતાવરણ તેમજ હવામાનશાસ્ત્ર વગેરે
ક્ષેત્ર-સિદ્ધાંતો (field theories) વગેરે	–	–

ભૌતિકવિજ્ઞાનના બે મુખ્ય પ્રકારોમાં કેવાં કેવાં ભૌતિકતંત્રો(physical systems)નો અભ્યાસ કરવામાં આવે છે તેના આધારે ભૌતિકવિજ્ઞાન વિવિધ શાખાઓમાં વિભાજિત થાય છે. સારણી 2માં આ અંગેની એક રૂપરેખા આપવામાં આવી છે.

આ વિજ્ઞાનમાં મુખ્યત્વે જુદી જુદી પરિસ્થિતિ હેઠળ કણ કે પદાર્થ(અથવા સમગ્ર તંત્ર)ની ગતિનું વિશ્લેષણ કરીને તથ્યો તારવવામાં આવે છે. રૂઢિગત ગતિવિજ્ઞાન મોટા પદાર્થોની સામાન્ય ગતિ(વેગ – V < < C)નો અભ્યાસ છે. જો વેગ V એ Cની નિકટનો હોય તો સાપેક્ષવાદની જરૂર પડે. વળી, સૂક્ષ્મ કણોની સૃષ્ટિનું યોગ્ય વર્ણન કરવા માટે ક્વૉન્ટમ ગતિવિજ્ઞાનનો ઉપયોગ કરવો પડે. ખ-ભૌતિકશાસ્ત્રના સવાલોમાં આ તમામને કામે લગાડવાના રહે. વધુમાં પદાર્થ-કણ(તંત્ર)ની ગતિ અને સ્થિતિ પાછળ જે નૈસર્ગિક બળો (forces of Nature) કાર્યરત હોય છે, તેના મુખ્ય ચાર પ્રકાર છે : ગુરુત્વાકર્ષણ, વિદ્યુતચુંબકીય બળ, મંદ ન્યૂક્લિયર બળ અને તીવ્ર ન્યૂક્લિયર બળ.

ભૌતિકવિજ્ઞાનનો ટૂંકો ઇતિહાસ : જ્ઞાન-વિજ્ઞાનની અન્ય શાખાઓ જેવી કે ગણિતશાસ્ત્ર, રસાયણશાસ્ત્ર, ધાત્વિકી (metallurgy) વગેરેની તુલનામાં ભૌતિકશાસ્ત્ર કંઈક અંશે આધુનિક વિજ્ઞાન છે અને તેના વિકાસથી અન્ય શાખાઓ પણ નવપલ્લવિત બની છે. સ્થૂળ જગત વિશેના વિચારોને શરૂઆતમાં નૈસર્ગિક તત્ત્વજ્ઞાન (natural philosophy) કહેવામાં આવેલ. તેમાં કોઈ સૈદ્ધાંતિક વિચાર કે કલ્પનાને પ્રાયોગિક સમર્થન હોવું જરૂરી ગણાતું ન હતું. ભૌતિકવિજ્ઞાનનો આરંભ ગૅલિલિયો અને ન્યૂટનના સમયથી થયો ગણાય. ભૌતિકવિજ્ઞાનની વિકાસગાથાના સીમા-સ્તંભનો ચિતાર સમયાનુક્રમમાં સારણી 3માં જોવા મળશે.

સારણી 3 : ભૌતિકવિજ્ઞાનની વિકાસગાથા : એક સમયાનુક્રમ

(અત્રે કોઈ એક સમયગાળાની અંદરની વિગતોમાં અનુક્રમ હંમેશાં જાળવેલ નથી.)
ઈ. પૂ. (આશરે) 500	-પરમાણુની કલ્પના, ગ્રીસમાં ડિમોક્રિટસ, પ્લેટો અને એરિસ્ટૉટલ તેમજ ભારતમાં કણાદના વિચારો.
287-212	-આર્કિમિડિઝની શોધખોળો.
ઈસવીસન 476	-આર્યભટ્ટના પૃથ્વીની ભ્રમણગતિ વિશેના ખ્યાલો.
1500-1600	-લિયૉનાર્દો દ્ વિન્ચી (કલાકાર તેમજ વિજ્ઞાની). -કૉપરનિકસનો સૌરકેન્દ્રીય (heliocentric) સિદ્ધાંત.
1601-1700	-કૅપ્લરના ગ્રહીય ગતિના નિયમો. -ગૅલિલિયો, ન્યૂટન વગેરે દ્વારા ભૌતિકવિજ્ઞાનનો પ્રારંભ.
1701-1800	-ફ્રૅન્ક્લિનનો ‘આકાશી વીજળી એ વિદ્યુતભાર છે’ તે દર્શાવતો પ્રયોગ. -વાયુના ગતિવાદની ધારણાઓ, ગતિવિજ્ઞાન અથવા યંત્રશાસ્ત્ર(mechanics)નો વિકાસ, જેમ્સ વૉટનું વરાળયંત્ર (steam engine).
1801-1850	-પ્રકાશના વ્યતિકરણ, વિવર્તન વગેરે ઘટનાઓની શોધો. -ડાલ્ટનનો પરમાણુવાદ અને એવોગેડ્રોનો ‘અણુ’- (molecule) નો ખ્યાલ. -ઊર્જા-સંરક્ષણ તેમજ ઉષ્માગતિશાસ્ત્રના નિયમો. યંત્રો તથા ઇજનેરી વિકાસમાં ક્રાંતિનો આરંભ.
1851-1900	-પ્રકાશના વેગ Cનું પ્રયોગશાળામાં માપન, વર્ણપટનો અભ્યાસ, મૅક્સવેલનો વિદ્યુતચુંબકીયવાદ, જેમાં વિદ્યુત અને ચુંબકત્વનું એકીકરણ સાધવામાં આવ્યું. હટ્ર્ઝના તરંગો. વીજળીનો દીવો શોધાયો. યુરોપમાં માર્કોની અને ભારતમાં જગદીશચંદ્ર બોઝે રેડિયો-તરંગોનું ટ્રાન્સમિટર બનાવ્યું. ફોટોઇલેક્ટ્રિક ઘટના તેમજ કાળા પદાર્થ દ્વારા ઉત્સર્જન અંગેનો પ્રાયોગિક અભ્યાસ. વાયુઓમાં ઓછા દબાણે વિદ્યુતવિભારનો અભ્યાસ. જે. જે. થૉમ્સને ઇલેક્ટ્રૉન કણની સ્પષ્ટ ઓળખ આપી. -‘વિજ્ઞાનમાં જાણવા જેવું સઘળું હવે આવી ગયું છે’ તે સમયનું એક મંતવ્ય. પ્લાન્ક્ધાો ક્વૉન્ટમવાદ.
1901-1930	-એક ખૂબ જ સર્જનાત્મક તબક્કો. ‘ફોટૉન’ની સંકલ્પના, વિકિરણની દ્વૈત-પ્રકૃતિનો ખ્યાલ આવ્યો. આઇન્સ્ટાઇનનો વિશિષ્ટ અને ત્યારબાદ વ્યાપક બનેલો સાપેક્ષવાદ રજૂ થયો. ડાયૉડ, ટ્રાયૉડ અને વાલ્વ-ઇલેક્ટ્રૉનિક્સની શરૂઆત. -રધરફૉર્ડે પરમાણુનાભિ(nucleus)ની શોધ કરી અને પરમાણુનો નમૂનો (model) આપ્યો. -બોહ્રનો પરમાણુ નમૂનો પરમાણુઓના વિગતવાર ગુણધર્મો, વર્ણપટ વગેરે સમજવામાં ગૂંચવાડો ચાલુ રહ્યો. -ક્ષ-કિરણો દ્વારા સ્ફટિકોનો અભ્યાસ. -દ-બ્રૉગ્લી પરિકલ્પના. ઇલેક્ટ્રૉનને ‘સ્પિન’ હોવા વિશે અનુમાન. -બોઝ-આઇન્સ્ટાઇન તેમજ ફર્મી-ડિરાક સ્ટેટિસ્ટિક્સ. હાઇઝનબર્ગનો અનિશ્ચિતતા સિદ્ધાંત. શ્રૉડિન્જરનું તરંગ-સમીકરણ અને ક્વૉન્ટમ-ગતિકીય વિચારધારાનો આરંભ થયો. ડિરાકનું સાપેક્ષવાદી ક્વૉન્ટમ મિકૅનિકલ સમીકરણ. પરમાણુ-અણુઓની રચના તેમજ ગુણધર્મો સમજવામાં પ્રગતિ. -ટૅલિવિઝન તેમજ ઇલેક્ટ્રૉન માઇક્રોસ્કોપની શોધ. મેઘનાદ સહાનું ઉષ્મીય આયનીકરણ સમીકરણ. હબ્બલનાં અવલોકનો, વિસ્તરતા વિશ્વ(expanding universe)નો ખ્યાલ અને ખ-ભૌતિકશાસ્ત્ર (astro-physics)નો આરંભ. -પ્રો. સી. વી. રામનને 1930માં ‘રામન અસર’ બદલ નોબેલ પારિતોષિક.
1931-1960	-કણ-પ્રવેગકો (accelerators), મૂળભૂત કણોની શોધો. ન્યૂક્લિયર બળો તેમજ નાભિની આંતરિક રચના વિશે જાણકારી. ન્યૂક્લિયર વિખંડન (fission) અને સંલયન (fusion) તેમજ થર્મોન્યૂક્લિયર પ્રક્રિયાઓની સમજ કેળવાઈ. પરમાણુ તેમજ અણુ વર્ણપટોના અભ્યાસમાં ઊંડાણ; ખ-ભૌતિકશાસ્ત્રમાં પ્રગતિ. બીજું વિશ્વયુદ્ધ એક પ્રકારે છૂપો આશીર્વાદ નીવડ્યું. રડાર (radar), માઇક્રોવેવ્ઝ વગેરેમાં શોધખોળો થઈ. ન્યૂક્લિયર (fission) બાબ તથા હાઇડ્રોજન બાબ દ્વારા વિશ્વના અસ્તિત્વને ખતરો. -આર્થર સી. ક્લાર્કે કૃત્રિમ ઉપગ્રહો દ્વારા વિશ્વવ્યાપી સંદેશા-વ્યવહારની આગાહી કરી. ટ્રાન્ઝિસ્ટરની શોધ. અતિસંવાહકતાની સૈદ્ધાંતિક સમજણ. ક્વૉન્ટમ ઇલેક્ટ્રૉડાઇનૅમિક્સ તથા ક્ષેત્ર-સિદ્ધાંતો(field theories)નો વિકાસ, મૂળભૂત કણોના પરિવારમાં વધારો. મેઝર (maser) તેમજ લેઝર(laser)ની શોધો.
1961-1990	-મૂળભૂત કણોની આંતરિક રચના સમજાવતો ‘ક્વાર્ક’ (quark) કણોનો ખ્યાલ. ઇલેક્ટ્રૉનિક્સમાં ધૂમ પ્રગતિ. માઇક્રોપ્રોસેસરની શોધ અને પ્રયુક્તિઓનું સૂક્ષ્મીકરણ (miniaturization). રંગીન ટી.વી.નો તેમજ ઉપગ્રહ-યુગનો ભારતમાં પ્રવેશ. મૂળભૂત નૈસર્ગિક બળો(forces of nature)ના એકીકરણ- (unification)ની દિશામાં મહત્ત્વનું કદમ, પણ હજી આજેય આ બાબતે આઇન્સ્ટાઇનનું મહાસ્વપ્ન અધૂરું છે. -અવકાશ-વિજ્ઞાનનો આરંભ અને ઝડપી વિકાસ. ભારતે પણ એ દિશામાં ડગલાં ભરવા માંડ્યાં. ભારતમાં રામનસહાબોઝભાભાવિક્રમ સારાભાઈ વગેરે વિજ્ઞાનીઓની પેઢીનો અસ્ત. 1983માં મૂળ ભારતીય પ્રો. ચંદ્રશેખરને નોબેલ પુરસ્કાર. ઊર્જા-કટોકટી અને સૌરઊર્જા વગેરેની ઉપયોગિતા તરફ ધ્યાન દોરાયું. ઊંચા તાપમાને અતિસંવાહકતા. અદ્ભુત અણુ ‘ફુલૅરિન’(fullerenes)ની શોધ થઈ. ઓઝોન છિદ્ર (ozone hole) ધ્યાન પર આવ્યું. -ગ્રીનહાઉસ-અસરની તથા વૈશ્ર્વિક તાપવૃદ્ધિ(global warming)ની ગંભીરતા સમજાવા લાગી. -‘Scanning Tunneling Microscope’ વડે એકલદોકલ પરમાણુની છબિ લેવાનું શક્ય બન્યું.
1991–1999	ભૌતિકવિજ્ઞાનના ઉપયોગ દ્વારા કમ્પ્યૂટર અને ઇન્ફોર્મેશન ટેક્નૉલોજીમાં ક્રાંતિનો પ્રારંભ. પ્લાઝમા અવસ્થાનો સઘન અભ્યાસ. પદાર્થવિજ્ઞાન- (materials science)માં પ્રગતિ. ઝૂમખાં ગુચ્છા (clusters) અને નેનો (nano) કણોનો અભ્યાસ. અવકાશી ઉપગ્રહ-પ્રયોગશાળા દ્વારા થતાં અવલોકનો પરથી બ્રહ્માંડનાં રહસ્યો ઉકેલવામાં પ્રગતિ. અતિનીચા તાપમાને પરમાણુઓ શીત-પિંજરમાં પકડાયા (cooling & trapping of atoms). બોઝ-આઇન્સ્ટાઇન સંઘનન(condensation)ની કલ્પના વર્ષો બાદ પ્રયોગશાળામાં સાકાર થઈ.

સૂપર કોમ્પ્યૂટરનો ભારતમાં પ્રવેશ :

ક્વૉન્ટમ ગતિવિજ્ઞાનના પાયાના પ્રશ્નોએ ચર્ચા જગાવી. લેઝર અને ક્વૉન્ટમ ઑપ્ટિક્સમાં પ્રગતિ.

નવાં ખેડાણો જેવાં કે અરેખીય (nonlinear) ઘટનાઓ, અસ્ત-વ્યસ્તતા અને ખંડકો (chaos and fractals).

છ પ્રકારના ક્વાર્ક અને છ પ્રકારના લેપ્ટૉનની શોધ પૂરી થતાં મૂળભૂત કણની રચનાના પ્રમાણભૂત નમૂના(standard model)નો સ્પષ્ટ સ્વીકાર. ભૌતિકવિજ્ઞાનીઓના દાયકાઓ જૂના સ્વપ્નસમાન ન્યૂક્લિયર સંલયન(fusion)થી પ્રયોગશાળામાં નિયંત્રણ હેઠળ ઊર્જા પ્રાપ્ત કરવાનું કાર્ય હજુ સંપન્ન થયું નથી.

1999માં સૈદ્ધાંતિક ભૌતિકશાસ્ત્રીઓ જીરાર્ડસ્ટ હૂફ્ટ અને માર્ટિનસ વેલ્ટમનને ‘ક્વૉન્ટમ સ્ટ્રક્ચર ઑવ્ ઇલેક્ટ્રૉવિક ઇન્ટરઍક્શન’નાં સંશોધનો માટે નોબેલ પુરસ્કાર.

સમયનું ભૌતિક અર્થઘટન : ‘સમય’, ‘વખત’, ‘કાળ’ વગેરે શબ્દો મનુષ્યના મનમાં એક અવ્યક્ત સંવેદન અથવા ભાવ ઉત્પન્ન કરે છે. બાળપણથી જ મનુષ્ય આ શબ્દો ઉપયોગ દ્વારા સમજતો આવ્યો છે. જે બાબતને સેકન્ડ, મિનિટ, કલાક, દિવસ કે વર્ષ, શતાબ્દી, સહસ્રાબ્દી (millennium) વગેરે મારફત માપવામાં આવે છે તે સમયના અંતરાલો (intervals) છે; જેના સંદર્ભે ઘટનાઓનો ઉલ્લેખ થતો રહે છે. પરંતુ સાદી ભાષામાં એમ કહી શકાય કે, જ્યારે અન્ય કશું જ ન બનતું હોય ત્યારે પણ જે ઘટના ઘટતી રહે છે તે છે સમય.

વળી, રમૂજની બાબત એ છે કે મનુષ્ય સમય માપવા માટે ગતિનો ઉપયોગ કરે છે અને ગતિ માપવા માટે સમય(ના અંતરાલ)નો ઉપયોગ કરે છે !! સમયના અંતરાલો માપવા માટે પ્રાચીનકાળથી સૂર્ય, ચન્દ્રની ગતિ, ઋતુઓ વગેરેનો ઉપયોગ થતો આવ્યો છે. રોજિંદા જીવનમાં મનુષ્યે સૌપ્રથમ રેત-ઘડી, સૌર-ચંદો (sun dial) વગેરેની મદદ લીધી. ત્યારબાદ સાદું લોલક સમયનું પ્રહરી બન્યું. અને હવે તો ક્વાર્ટ્ઝ-ક્લૉકથી માંડીને પરમાણુ-ઘડી (atomic clock) સુધીની ટૅકનૉલૉજિકલ પ્રગતિ થયેલ છે. ભૌતિકશાસ્ત્રમાં જે જે ઘટનાઓનો અભ્યાસ કરવામાં આવે છે તેને અનુરૂપ સમયગાળાનો વ્યાપ અતિસૂક્ષ્મ(10^–24 સેકન્ડ)થી માંડીને અબજો વર્ષો સુધીનો હોઈ શકે. આ વ્યાપ અંગે થોડી વિગતો સારણી 4માં મળશે.

સારણી 4 : સમય અંતરાલો

(સેકન્ડમાં)
1018	બ્રહ્માંડની ઉંમર ( ≅10 અબજ વર્ષ)
1015	પૃથ્વીની ઉંમર (≅ 5 અબજ વર્ષ)
1012	રેડિયો-એક્ટિવ C14નો અર્ધજીવનકાળ
109	માનવીનું સરેરાશ આયુષ્ય
106	1 દિવસ (86,400 સેકન્ડ)
103	સૂર્યના પ્રકાશને પૃથ્વી પર પહોંચતાં લાગતો સમય (≅ 8 મિનિટ)
1 સેકન્ડ	આશરે 25 સેમી.ના સાદા લોલકનો આવર્તકાળ. માણસના રક્ત-
	ધબકાર(pulse)નો ગાળો
10–3	ધ્વનિતરંગોનો આવર્તકાળ
10–6	મ્યૂઑન-કણોનું આયુષ્ય
10–9	રેડિયો-તરંગોનો આવર્તકાળ
10–12	અણુમાં પરમાણુ-નાભિનાં સ્પંદન-ભ્રમણનો આવર્તકાળ
10–15	પરમાણુમાં ઇલેક્ટ્રૉનની ગતિનો આવર્તકાળ
10–24	પ્રકાશની ઝડપે પરમાણુ-નાભિને પાર કરવા લાગતો સમય
10–43	પ્લાન્ક સમય

સમયનું મૂળભૂત અર્થઘટન કરવા માટે ભૌતિકશાસ્ત્રમાં જુદી જુદી સંકલ્પનાઓને ધ્યાનમાં લેવામાં આવે છે. આઇઝેક ન્યૂટને તેના પ્રસિદ્ધ પુસ્તક ‘Pricipia’માં લખ્યું હતું કે ‘નિરપેક્ષ સાચો અને ગણિતીય સમય આપોઆપ સ્વપ્રકૃતિ મુજબ અને અન્ય કોઈ બાબત પર આધાર રાખ્યા સિવાય વહેતો રહે છે.’ ન્યૂટને સમય(ના અંતરાલ)ને નિરપેક્ષ તથ્ય ગણેલ. હવે આ ખ્યાલમાં પરિવર્તન આવેલ છે. સાપેક્ષવાદમાં સમય, અવકાશ અને દ્રવ્ય એ ત્રણેય મૂળભૂત બાબતોનો આધાર અવલોકનકારની ગતિ પર રહે છે. આમ સાપેક્ષવાદ મુજબ પ્રકાશની શૂન્યાવકાશમાં ઝડપ C (= 3×10¹⁰ સેમી./સેકન્ડ) એ જ માત્ર નિરપેક્ષ સાર્વત્રિક બાબત છે. બે ઘટનાઓના સમયનો ગાળો બધી સંદર્ભફ્રેમો માટે એક સમાન હોતો નથી.

સમયને લગતો બ્રહ્માંડલક્ષી (cosmic) ખ્યાલ હબ્બલના નિયમ તેમજ વિસ્તરતા વિશ્વને આધારે મળે છે. હાલનાં અવલોકનો મુજબ તમામ તારાવિશ્વો એકબીજાંથી દૂર ને દૂર જતાં જાય છે. સમયના ક્રમમાં પાછળ જઈએ તો શરૂઆતમાં બધું જ દ્રવ્ય બિંદુવત્ હશે અને ભૂતકાળની કોઈ ક્ષણે એક ‘મહાવિસ્ફોટ’ (big bang) દ્વારા વિશ્વનો જન્મ થયો હશે એમ માની શકાય. પ્રાથમિક ર્દષ્ટિએ જન્મની આ ક્ષણને t = 0 ગણી શકાય. ‘મહાવિસ્ફોટ’ સિદ્ધાંતની આધુનિક સમજ શી છે તે ચર્ચામાં ન ઊતરીએ તોપણ એક બાબત સ્પષ્ટ બને છે કે તે દ્વારા સમયની ‘દિશા’ અથવા સમયના એક નિર્દેશક તીર(arrow)ની વિભાવના પ્રકટ થાય છે. સામાન્ય માનવીની ર્દષ્ટિએ પણ સમયની દિશા ભૂતકાળથી વર્તમાનમાં થઈને ભવિષ્ય તરફની ગણાય છે. તેનાથી ઊંધી સમયની દિશાને અભૌતિકીય (unphysical) ગણવામાં આવે છે. સમયના તીર(arrow of time)ની વિભાવના થર્મોડાઇનૅમિક્સના બીજા નિયમ તેમજ એન્ટ્રોપીના ખ્યાલ પરથી પણ નીપજે છે. આ નિયમ મુજબ સમસ્ત વિશ્વ થર્મોડાઇનૅમિક્સ પ્રણાલી તરીકે ઉત્ક્રાંત (evolve) થાય છે. આ ઉત્ક્રાંતિની દિશા સહજપણે સમયના તીરની દિશાનું સૂચન કરે છે. થોડાં વર્ષો પૂર્વે સ્ટીફન હૉકિંગ નામના પ્રસિદ્ધ ખગોળવિજ્ઞાનીએ આવા ગૂઢ ખ્યાલોને આવરી લેતું પુસ્તક ‘અ બ્રીફ હિસ્ટરી ઑવ્ ટાઇમ’ લખ્યું હતું, જે ખૂબ જ લોકપ્રિય અને શ્રેષ્ઠ વેચાણ ધરાવતું (best seller) પુસ્તક પુરવાર થયું હતું.

ભૌતિકવિજ્ઞાનમાં ગણિત : ભૌતિકવિજ્ઞાનમાં ગણિત એ સાંકેતિક ભાષા દ્વારા વૈજ્ઞાનિક ખ્યાલો અને નિયમોની સંક્ષિપ્ત તેમજ સાર્વત્રિક રજૂઆત કરવા માટેનું એક સબળ માધ્યમ છે. ગણિત દ્વારા ભૌતિકવિજ્ઞાનને સંખ્યાઓ તેમજ સંજ્ઞાઓ ઉપરાંત જુદાં જુદાં વિધેયો, કલનશાસ્ત્ર, વિકલ તથા સંકલ સમીકરણો તેમજ શ્રેણિઓ ઉપરાંત યામાક્ષતંત્રો (co-ordinate system) તથા નિશ્ચાયકો, શ્રેણિકો આદિનો એક પ્રચુર ખજાનો પ્રાપ્ત થાય છે; જેનો ભરપૂર ઉપયોગ પણ થતો રહે છે. ભૌતિકવિજ્ઞાન અને ગણિત બંનેએ પરસ્પરની પ્રગતિમાં મહત્વનું પ્રદાન કરેલ છે. હવે તો ગણિતની આધુનિક સંકલ્પનાઓ જેવી કે સદિશ અવકાશ (vector space), સમૂહો (groups) વગેરેને પણ ભૌતિકશાસ્ત્રમાં પ્રાયોજિત કરવામાં આવે છે. વળી સંખ્યાકીય અને આંકડાશાસ્ત્રીય રીતો(numerical and statistical methods)નું પણ અહીં એક વિશિષ્ટ સ્થાન હોય છે.

જ્ઞાનની બંને મહાન શાખાઓ ભૌતિકવિજ્ઞાન તથા ગણિતશાસ્ત્રમાં આર્કિમિડિઝ અને ન્યૂટનનાં નામો આદરપૂર્વક લેવામાં આવે છે. તદુપરાંત જે ગણિતીઓએ ભૌતિકશાસ્ત્રમાં પણ પ્રદાન કરેલ છે, તેમાં રેને દ્ કાર્તે, ઓયલર, લાગ્રાન્જ, જેકોબી, ગાઉસ, લાપ્લાસ, ફુરિયે વગેરે નામો અગ્રગણ્ય છે. ભૌતિકવિજ્ઞાનમાં નિયમો રજૂ કરવા માટે ગણિતની ઉપયોગિતાનાં થોડાં ઉદાહરણો જોઈએ. આ ઉદાહરણો ગાણિતીય સમીકરણોના ભૌતિક અર્થઘટનનો પણ ખ્યાલ આપે છે.

ન્યૂટનના ગતિના નિયમો પૈકી બીજો નિયમ નીચેના સમીકરણથી વ્યક્ત થાય છે.

= m  …………………………………………………………………………………………………………..(1)

જેમાં બાહ્યબળ છે, m કોઈ દ્રવ્યમાન છે અને  તેને મળતો પ્રવેગ છે. અત્રે જો = 0 તો  = 0 કે જે જડત્વનો નિયમ દર્શાવે છે. વળી, કણને પ્રવેગ મળવાનું કારણ બળ  છે. આમ, સમીકરણ (1) એ કાર્યકારણ સંબંધ (cause-effect relationship) બતાવે છે.

સરળ આવર્ત ગતિ(simple harmonic motion)નું વિકલ સમીકરણ :

દોલન અથવા સ્પંદન કરતાં કોઈ કણ માટે સ્થાનાંતર X અને પુન:સ્થાપક બળ f વચ્ચે, જો સુરેખ સંબંધ f = –kx (‘k’ અચળાંક) શક્ય હોય તો તે ગતિને સરળ આવર્ત ગતિ કહે છે. આ સમીકરણને ઉપર્યુક્ત સમીકરણ(1)માં મૂકીને નીચે મુજબનું વિકલ સમીકરણ મેળવી શકાશે.

……………………………………………………………………………………………………..(2)

જ્યાં , કણની કોણીય આવૃત્તિ છે, ભૌતિકવિજ્ઞાનમાં આવતું આ એક સરળ અને વ્યાપક વિકલ સમીકરણ છે. આવું જ સમીકરણ ઊલટસૂલટ (a–c) પ્રવાહનું પણ નિરૂપણ કરી શકે, તો કોઈ અણુમાં પરમાણુઓના મર્યાદિત દોલનોને પણ વ્યક્ત કરી શકે.

મૅક્સવેલનાં વિદ્યુત-ચુંબકીય સમીકરણો, સંક્ષેપમાં તમામ વિદ્યુત-ચુંબકીય ઘટનાઓ અથવા નિયમોનું નિરૂપણ કરે છે. વિદ્યુત અને ચુંબકીય ક્ષેત્રો ની સાપેક્ષમાં આ સમીકરણો (cgsમાં) નીચે મુજબનાં છે :

………………………………………………………………………………………………………..(3a)

…………………………………………………………………………………………………………….(3b)

………………………………………………………………………………………………(4a)

………………………………………………………………………………………………..(4b)

અહીં ρ વિદ્યુતભાર-ઘનતા અને વિદ્યુતપ્રવાહ-ઘનતા છે.

આઇન્સ્ટાઇનના વિશિષ્ટ સાપેક્ષવાદનાં કેટલાંક સમીકરણો અત્રે ટાંકીએ તો,

………………………………………………………………………………………………………(5)

આ સમીકરણ દર્શાવે છે કે કોઈ યામાક્ષ(સંદર્ભ-ફ્રેમ)ની સાપેક્ષે સ્થિર જણાતા પદાર્થનું દ્રવ્યમાન m_o, એ તે જ પદાર્થ અચળ વેગ Vથી ગતિમાં જણાય તે સ્થિતિમાં દ્રવ્યમાન m કરતાં ભિન્ન હોય છે. આ પ્રમાણે l_o અને l એ કોઈ પદાર્થની (દા.ત., સળિયાની) સ્થિર અને ગતિમાન સંદર્ભમાં લંબાઈ હોય તો,

 …………………………………………………………………………………………………..(6)

ઉપર્યુક્ત બંને સમીકરણો એ નિષ્કર્ષ આપે છે કે કોઈ પણ પદાર્થનો વેગ V, તે પ્રકાશના વેગ C (= 3 x 10¹⁰ સેમી./સેકન્ડ) જેટલો થઈ શકે નહિ.

છેલ્લે દ્રવ્યમાન m અને તેને સમતુલ્ય ઊર્જા Eને જોડતું જગપ્રસિદ્ધ સમીકરણ પણ નોંધીએ તો –

E = mc² ……………………………………………………………………………………………………………..(7)

શ્રૉડિન્જરનું ક્વૉન્ટમ ગતિકીય સમીકરણ એ આધુનિક ભૌતિકવિજ્ઞાનનું પાયાનું સમીકરણ છે. કોઈ કણ કે તંત્ર માટે હેમિલ્ટોનિયન કારક(operator)ને H કહીએ તથા તેની ઊર્જા E હોય તો, સંકેતરૂપે

HΨ = EΨ ……………………………………………………………………………………………………………(8)

એ શ્રૉડિન્જરનું સમીકરણ છે. અત્રે Ψ એ તેનો ઉકેલ છે. વિધેય yને કણ(તંત્ર)નું તરંગવિધેય (wave function) કહેવાય છે. આ વિધેયનું અર્થઘટન મૅક્સ બૉર્ન નામના ભૌતિકશાસ્ત્રીએ આપ્યું હતું, જે મુજબ |Ψ()|² એ કણની નજીકના એકમ કદમાં હોવાની સંભાવના (probability) દર્શાવે છે. આમ, ક્વૉન્ટમ ગતિવિજ્ઞાન એક સંભાવનાત્મક જ્ઞાન છે. વધુમાં ઉમેરીએ કે, ઘણા કિસ્સાઓમાં શ્રોડિન્જર સમીકરણનો સુનિશ્ચિત (exact) ઉકેલ મળી શકતો નથી, એટલે કે દરેક કિસ્સામાં અહીં વિશુદ્ધ (pure) ગણિત કામ લાગતું નથી. આવા સંયોગોમાં સંખ્યાકીય ઉકેલ અથવા સન્નિકટ રીતો(approximation methods)નો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. સમસ્યાનો ઉકેલ કશો જ ન હોય તે કરતાં નજીકનો ઉકેલ (approximate solution) મળે તો ચલાવી લેવાય.

જે કેટલાક ખ્યાલોએ આજકાલ ભૌતિકવિજ્ઞાન તેમજ ગણિતમાં આગવું સ્થાન મેળવ્યું છે, તેમાં અરેખીયતા (nonlinearity), અસ્તવ્યસ્તતા (chaos) અને ખંડકો(fractals)નો ઉલ્લેખ કરીએ. ઉપર્યુક્ત સમીકરણ (2) એ એક રેખીય સમીકરણ છે. તેને અનુરૂપ બળનું સૂત્ર છે f = – kx, જે xમાં રેખીય છે. સ્થાનાન્તર xની સાપેક્ષે બળ fનું આ સૂત્ર મર્યાદિતપણે જ સાચું ઠરે છે. xનાં મોટાં મૂલ્યો માટે જો,

f = – c₁ x – c₂x² ………………………………………………………………………………………………………(9)

હોય તો બળ f, xની સાપેક્ષે અરેખીય વર્તણૂક દર્શાવે છે. હકીકતે રેખીય ચલન ભલે સરળ ઉકેલો આપતું હોય પણ તે આદર્શ સમાન હોઈને ભૌતિક વાસ્તવિકતા (physical reality) રજૂ કરતું નથી. ઘણાંખરાં તંત્રોની વર્તણૂક અરેખીય હોય છે; આમ, તેનો અભ્યાસ આપણને તંત્રની વધુ ઊંડી સમજ આપે છે વ્યાપકપણે, જેમાં g(x)

……………………………………………………………………………………………..(10)

એ xની બહુપદી છે, એ અરેખીય આવર્ત ગતિનું નિરૂપણ કરે છે. તેનો ઉકેલ સંખ્યાકીય અને આલેખીય (graphical) રીતોથી મેળવવામાં આવે છે.

આ સંબંધમાં હવે અસ્તવ્યસ્તતા(chaos)નો ખ્યાલ પણ પ્રચલિત બન્યો છે. (તેનો સંદર્ભ વાયુમાં અણુ-પરમાણુઓની અસ્તવ્યસ્ત ગતિ સાથે નથી.) કોઈ ભૌતિકીય સમીકરણના ઉકેલની, તેની પ્રારંભિક શરતો સાપેક્ષે અતિશય સંવેદિતા(sensitivity)ને ‘અસ્તવ્યસ્તતા’ કહે છે. ખાસ કરીને અરેખીય સમીકરણો માટે, પ્રારંભિક શરતો(initial conditions)માં જો અલ્પ પણ પરિવર્તન આવે તો તેની અસરો દૂરગામી બને છે અને તંત્રની લાંબા ગાળાની (long term) વર્તણૂક તદ્દન બદલાઈ જાય છે. આને માટે રમૂજમાં કહેવાય છે કે જાણે કે મુંબઈમાં એક પતંગિયું સહેજ અમથી પાંખ ફફડાવે, તો તેની અસર ટોકિયોમાં મોટો ઝંઝાવાત પેદા કરે છે.

અસ્તવ્યસ્તતા સંબંધી ભૌમિતિક નિરૂપણમાંથી ખંડકો(fractals)ની સંકલ્પના જન્મે છે. ખંડકો એ એવા પદાર્થો કે આકૃતિઓ છે કે જે આપ-સમાન (self similar) હોય છે. આમ, ખંડકોનો એક નાનો ભાગ ભૌમિતિક રીતે સમગ્ર મૂળ પદાર્થ કે આકૃતિની લઘુ આવૃત્તિ (miniature) હોય છે.

ભૌતિકવિજ્ઞાનમાં સંશોધન અને અભ્યાસ (ભારતમાં તેમજ ગુજરાતમાં) : ભારતમાં તેમજ ગુજરાતમાં ભૌતિકવિજ્ઞાન એક મહત્વની વિજ્ઞાનની શાખા તરીકે સ્થાન પામેલ છે. આ સદીના પ્રારંભે સહા, રામન, બોઝ વગેરે ભૌતિકવિજ્ઞાનીઓનાં સંશોધનકાર્યો ભારતની જ યુનિવર્સિટીઓ કે સંસ્થાઓમાં થયાં હતાં. સદીની અધવચ્ચે એસ. ચન્દ્રશેખર જેવા વિજ્ઞાનીઓએ અમેરિકામાં સ્થાયી થવું પસંદ કર્યું તો હોમી ભાભા, વિક્રમ સારાભાઈ અને ત્યારપછી જયંત નારલીકર, જ્યૉર્જ સુદર્શન જેવા વિજ્ઞાનીઓ વિદેશવસવાટ બાદ દેશમાં સ્થાયી થઈને કાર્યરત બન્યા. ભાભા અને વિક્રમ સારાભાઈ ઉત્તમ સંસ્થા-સર્જક (institution builders) નીવડ્યા. દેશની સુપ્રસિદ્ધ સંશોધન-સંસ્થા, Tata Institute of Fundamental Research, મુંબઈ ખાતે આઝાદી મળ્યાનાં ત્રણેક વર્ષ પહેલાં શરૂ થઈ ચૂકી હતી. ભારતના સૌપ્રથમ વડાપ્રધાન જવાહરલાલ નહેરુની દીર્ઘર્દષ્ટિથી 1948માં Atomic Energy Commissionની સ્થાપના થઈ અને આજે વર્ષોથી મુંબઈની Bhabha Atomic Energy Research Centre સંસ્થા ઉચ્ચ કક્ષાનાં શુદ્ધ અને પ્રયોજિત સંશોધનોમાં પ્રવૃત્ત છે. ડૉ. વિક્રમ સારાભાઈ દેશના અવકાશ-વિજ્ઞાન કાર્યક્રમોના પિતામહ ગણાય છે. Indian Space Research Organization (ISRO) હેઠળની કેટલીયે સંસ્થાનાં કાર્યો દ્વારા આજે આપણે આપણા ઉપગ્રહો છોડીને ઉપયોગમાં લાવી શકીએ છીએ. Defence Research & Development Organization (DRDO) તે સંરક્ષણના હેતુઓને વરેલી સંસ્થા છે. આઝાદીના પ્રારંભથી જ Council of Scientific & Industrial Research (CSIR) કાર્યરત બનેલ છે. તેના દ્વારા દેશભરમાં સંખ્યાબંધ પ્રયોગશાળાઓ ચલાવવામાં આવે છે. ભારત સરકારમાં Department of Science & Technology (DST) હેઠળ ભૌતિકવિજ્ઞાન તેમજ અન્ય વિજ્ઞાનોને જરૂરી પ્રોત્સાહન આપવામાં આવે છે. આ સદીના લગભગ મધ્યભાગ સુધી ભૌતિકવિજ્ઞાનનાં આગવાં સંશોધનો દેશની યુનિવર્સિટીઓમાં થતાં હતાં. હવે રાષ્ટ્રીય પ્રયોગશાળાઓ (National Laboratories) તેમાં મોખરે રહે છે.

ભારતની તમામ યુનિવર્સિટીઓમાં સ્નાતક અને અનુસ્નાતક કક્ષાએ ભૌતિકવિજ્ઞાનનું શિક્ષણ અપાય છે. પુણે યુનિવર્સિટી જેવી કેટલીક વિદ્યાપીઠો અગ્રગણ્ય છે. દેશની યુનિવર્સિટીઓને UGC (નવી દિલ્હી) તરફથી સંશોધન તેમજ વિકાસ માટે અનુદાન મળતું રહે છે. તેના દ્વારા પુણેની Inter-University Centre for Astronomy and Astrophysics (IUCAA) જેવી સંસ્થાઓને પણ અનુદાન મળે છે. ભૌતિકવિજ્ઞાનમાં અભ્યાસ અને સંશોધન મૂળભૂત મહત્વ ધરાવે છે. માહિતીવિજ્ઞાન(Information Technology)ના જમાનામાં હવે વિગતવાર વૈજ્ઞાનિક માહિતી તો પુષ્કળ પ્રમાણમાં મળી શકે છે, પરંતુ તેને સમજી શકે અને તેનો સદુપયોગ કરી શકે તેવા માનવ સંસાધન (human resource) કેળવવા માટે ભૌતિકવિજ્ઞાનની પ્રસ્તુતતા હજી આજે પણ એટલી જ છે.

ગુજરાતની બધી યુનિવર્સિટીઓમાં ભૌતિકશાસ્ત્રમાં અભ્યાસ અને સંશોધન કાર્યક્રમો ચાલે છે. વળી, આ વિષયના અધ્યાપકો, Indian Physics Association (IPA), Indian Association for Physics Teachers (IAPT) જેવી સંસ્થાઓના નેજા હેઠળ વિવિધ શૈક્ષણિક પ્રવૃત્તિઓ કરતા રહે છે. યુનિવર્સિટી કક્ષાએ રાજ્યમાં વિવિધ સ્થળોએ જે specializations અપાય છે તેમાં Solid State Physics, Nuclear Physics, Electronics વગેરે મુખ્ય છે.

રાજ્યમાં અમદાવાદ ખાતે રાષ્ટ્રીય કક્ષાની ત્રણ પ્રયોગશાળાઓ ફિઝિકલ રિસર્ચ લૅબોરેટરી (PRL), ઇન્સ્ટિટ્યૂટ ઑવ્ પ્લાઝમા રિસર્ચ (IPR) અને સ્પેસ ઍપ્લિકેશન્સ સૅન્ટર (SAC–ISRO) આવેલ છે. અમદાવાદનું ‘વિક્રમ સારાભાઈ કમ્યૂનિટી સાયન્સ સેન્ટર’, રાજકોટનું ‘લોકવિજ્ઞાન કેન્દ્ર’ વગેરે સંસ્થાઓ વિજ્ઞાનશિક્ષણને સરળ તેમજ લોકભોગ્ય બનાવવામાં પ્રવૃત્ત છે.

કમલનયન ન. જોશીપુરા