Fizyka -Physics

Różne przykłady zjawisk fizycznych

Część serii na
Fizyka
Nauka podstawowa
Indeks Zarys Słowniczek Historia ( oś czasu )
Gałęzie Akustyka Astrofizyka Fizyka atomowa Biofizyka Fizyka klasyczna Elektromagnetyzm Geofizyka Mechanika Współczesna fizyka Fizyka nuklearna Optyka Termodynamika
Badania Fizyk ( lista ) Lista nagród z fizyki Lista czasopism Lista nierozwiązanych problemów
Portal fizyczny  Kategoria
v t mi

Fizyka jest nauką przyrodniczą , która bada materię , jej podstawowe składniki , jej ruch i zachowanie w czasie i przestrzeni oraz powiązane jednostki energii i siły . Fizyka jest jedną z najbardziej podstawowych dyscyplin naukowych , której głównym celem jest zrozumienie, jak zachowuje się wszechświat . Naukowiec specjalizujący się w dziedzinie fizyki nazywany jest fizykiem .

Fizyka jest jedną z najstarszych dyscyplin akademickich , a poprzez włączenie astronomii być może najstarszą . Przez większość minionych dwóch tysiącleci fizyka, chemia , biologia i niektóre gałęzie matematyki były częścią filozofii przyrody , ale podczas rewolucji naukowej w XVII wieku te nauki przyrodnicze pojawiły się jako jedyne w swoim rodzaju przedsięwzięcia badawcze. Fizyka przecina się z wieloma interdyscyplinarnymi dziedzinami badań, takimi jak biofizyka i chemia kwantowa , a granice fizyki nie są sztywno określone . Nowe idee w fizyce często wyjaśniają podstawowe mechanizmy badane przez inne nauki i sugerują nowe kierunki badań w tych i innych dyscyplinach akademickich, takich jak matematyka i filozofia .

Postępy w fizyce często umożliwiają postęp w nowych technologiach . Na przykład postęp w zrozumieniu elektromagnetyzmu , fizyki ciała stałego i fizyki jądrowej doprowadził bezpośrednio do rozwoju nowych produktów, które radykalnie zmieniły współczesne społeczeństwo, takich jak telewizja , komputery , sprzęt AGD i broń jądrowa ; postępy w termodynamice doprowadziły do ​​rozwoju industrializacji ; postępy w mechanice zainspirowały rozwój rachunku różniczkowego .

Historia

Słowo „fizyka” pochodzi ze starożytnej greki : φυσική (ἐπιστήμη) , latynizowanej :  physikḗ (epistḗmē) , co znaczy „wiedza o naturze”.

Starożytna astronomia

Astronomia starożytnego Egiptu jest widoczna w zabytkach, takich jak sufit grobowca Senemuta z XVIII dynastii Egiptu .

Astronomia jest jedną z najstarszych nauk przyrodniczych . Wczesne cywilizacje sprzed 3000 roku p.n.e., takie jak Sumerowie , starożytni Egipcjanie i cywilizacja Doliny Indusu , posiadały wiedzę predykcyjną i podstawową świadomość ruchów Słońca, Księżyca i gwiazd. Gwiazdy i planety, uważane za symbolizujące bogów, były często czczone. Chociaż wyjaśnienia dotyczące obserwowanych pozycji gwiazd były często nienaukowe i pozbawione dowodów, te wczesne obserwacje położyły podwaliny pod późniejszą astronomię, ponieważ odkryto, że gwiazdy przemierzają wielkie koła po niebie, co jednak nie wyjaśniało pozycji gwiazd. planety .

Według Asgera Aaboe , początki zachodniej astronomii można znaleźć w Mezopotamii , a wszystkie zachodnie wysiłki w naukach ścisłych wywodzą się z późnobabilońskiej astronomii . Astronomowie egipscy pozostawili pomniki ukazujące wiedzę o konstelacjach i ruchach ciał niebieskich, podczas gdy grecki poeta Homer pisał o różnych obiektach niebieskich w swoich Iliadzie i Odysei ; późniejsi greccy astronomowie podali nazwy, które są używane do dziś, dla większości gwiazdozbiorów widocznych z półkuli północnej .

Filozofia naturalna

Filozofia przyrody ma swoje początki w Grecji w okresie archaicznym (650 p.n.e. – 480 p.n.e.), kiedy to przedsokratyczni filozofowie , tacy jak Tales , odrzucali nienaturalistyczne wyjaśnienia zjawisk naturalnych i głosili, że każde zdarzenie ma przyczynę naturalną. Zaproponowali idee zweryfikowane przez rozum i obserwację, a wiele ich hipotez okazało się skutecznymi eksperymentami; na przykład atomizm okazał się poprawny około 2000 lat po tym, jak został zaproponowany przez Leucypa i jego ucznia Demokryta .

Średniowieczny europejski i islamski

Zachodnie Cesarstwo Rzymskie upadło w V wieku, co spowodowało upadek intelektualnych poszukiwań w zachodniej części Europy. Natomiast Cesarstwo Wschodniorzymskie (znane również jako Cesarstwo Bizantyjskie ) oparło się atakom barbarzyńców i nadal rozwijało różne dziedziny nauki, w tym fizykę.

W VI wieku Izydor z Miletu stworzył ważną kompilację dzieł Archimedesa, które są kopiowane w Palimpseście Archimedesa .

Ibn al-Haytham (ok. 965–ok. 1040), Księga Optyki Księga I, [6.85], [6.86]. Księga II, [3.80] opisuje jego eksperymenty z camera obscura .

W VI wieku w Europie bizantyjski uczony John Philoponus zakwestionował naukę fizyki Arystotelesa i zauważył jej wady. Wprowadził teorię impetu . Fizyka Arystotelesa nie została zbadana, dopóki nie pojawił się Filopon; w przeciwieństwie do Arystotelesa, który oparł swoją fizykę na argumentacji werbalnej, Filopon oparł się na obserwacji. O fizyce Arystotelesa Filopon pisał:

Jest to jednak całkowicie błędne, a nasz pogląd może być skuteczniej potwierdzony przez rzeczywistą obserwację niż przez jakikolwiek argument słowny. Jeśli bowiem upuścisz z tej samej wysokości dwa ciężary, z których jeden jest wielokrotnie cięższy od drugiego, zobaczysz, że stosunek czasów wymaganych do ruchu nie zależy od stosunku ciężarów, ale że różnica z czasem jest bardzo mały. I tak, jeśli różnica wag nie jest znaczna, to znaczy, że jeden jest, powiedzmy, podwojony, to nie będzie różnicy, albo nie będzie zauważalna różnica w czasie, chociaż różnica w wadze jest o nie znaczy bez znaczenia, z jednym ciałem ważącym dwa razy więcej niż drugie

Krytyka Filopona dotycząca arystotelesowskich zasad fizyki była inspiracją dla Galileo Galilei dziesięć wieków później, podczas rewolucji naukowej . Galileusz cytował w swoich pracach Filoponusa, gdy argumentował, że fizyka Arystotelesa była wadliwa. W 1300 roku Jean Buridan , wykładowca na wydziale sztuki na uniwersytecie w Paryżu, rozwinął koncepcję impetu. Był to krok w kierunku nowoczesnych idei bezwładności i pędu.

Nauka islamska odziedziczyła fizykę arystotelesowską od Greków i w czasie Złotego Wieku Islamu rozwinęła ją dalej, kładąc szczególny nacisk na obserwację i rozumowanie a priori , rozwijając wczesne formy metody naukowej .

Podstawowy sposób działania kamery otworkowej

Najbardziej znaczące innowacje były w dziedzinie optyki i wizji, które pochodziły z prac wielu naukowców, takich jak Ibn Sahl , Al-Kindi , Ibn al-Haytham , Al-Farisi i Avicenna . Najbardziej godną uwagi pracą była The Book of Optics (znana również jako Kitāb al-Manāẓir), napisana przez Ibn al-Haythama, w której ostatecznie obalił on starożytną grecką koncepcję wizji, ale także przedstawił nową teorię. W książce przedstawił studium fenomenu camera obscura (swojej tysiącletniej wersji kamery otworkowej ) i zagłębił się w sposób działania samego oka. Korzystając z sekcji i wiedzy poprzednich uczonych, był w stanie wyjaśnić, w jaki sposób światło wpada do oka. Twierdził, że promień światła jest skupiony, ale faktyczne wyjaśnienie, w jaki sposób światło rzucane na tył oka musiało poczekać do 1604 roku. Jego Traktat o Świetle wyjaśniał działanie camera obscura, setki lat przed rozwojem współczesnej fotografii.

Siedmiotomowa Księga Optyki ( Kitab al-Manathir ) przez ponad 600 lat miała ogromny wpływ na myślenie w różnych dyscyplinach, od teorii percepcji wizualnej po naturę perspektywy w sztuce średniowiecznej, zarówno na Wschodzie, jak i na Zachodzie. Wielu późniejszych europejskich uczonych i kolegów po fachu, od Roberta Grosseteste'a i Leonarda da Vinci do René Descartes'a , Johannesa Keplera i Isaaca Newtona , było jego dłużnikami. Rzeczywiście, wpływ Optyki Ibn al-Haythama plasuje się obok dzieła Newtona o tym samym tytule, opublikowanego 700 lat później.

Tłumaczenie Księgi Optyki wywarło ogromny wpływ na Europę. Na jego podstawie późniejsi europejscy uczeni byli w stanie zbudować urządzenia, które były repliką tych, które zbudował Ibn al-Haytham, i zrozumieć, jak działa światło. Z tego powstały ważne wynalazki, takie jak okulary, lupy, teleskopy i aparaty fotograficzne.

Klasyczny

Galileo Galilei wykazał współczesne uznanie dla właściwego związku między matematyką, fizyką teoretyczną i fizyką eksperymentalną.

Sir Isaac Newton (1643-1727), którego prawa ruchu i powszechnej grawitacji były kamieniami milowymi w fizyce klasycznej

Fizyka stała się odrębną nauką, kiedy wcześni nowożytni Europejczycy wykorzystali metody eksperymentalne i ilościowe do odkrycia tego, co obecnie uważa się za prawa fizyki .

Główne osiągnięcia w tym okresie to zastąpienie geocentrycznego modelu Układu Słonecznego heliocentrycznym modelem Kopernika , prawa rządzące ruchem ciał planetarnych (określone przez Keplera w latach 1609-1619), pionierskie prace Galileusza nad teleskopami i astronomią obserwacyjną w XVI i XVII wiek oraz odkrycie i ujednolicenie przez Newtona praw ruchu i powszechnego ciążenia (które miały nosić jego imię). Newton opracował również rachunek różniczkowy , matematyczne badanie zmian, które dostarczyło nowych matematycznych metod rozwiązywania problemów fizycznych.

Odkrycie nowych praw termodynamiki , chemii i elektromagnetyzmu było wynikiem większych wysiłków badawczych w czasie rewolucji przemysłowej , gdy zapotrzebowanie na energię rosło. Prawa składające się na fizykę klasyczną są bardzo szeroko stosowane dla obiektów w skali codziennej poruszających się z nierelatywistycznymi prędkościami, ponieważ zapewniają bardzo bliskie przybliżenie w takich sytuacjach, a teorie takie jak mechanika kwantowa i teoria względności upraszczają do swoich klasycznych odpowiedników w takich sytuacjach. waga. Jednak niedokładności w mechanice klasycznej dla bardzo małych obiektów i bardzo dużych prędkości doprowadziły do ​​rozwoju współczesnej fizyki w XX wieku.

Nowoczesny

Max Planck (1858–1947), twórca teorii mechaniki kwantowej

Albert Einstein (1879–1955), którego prace nad efektem fotoelektrycznym i teorią względności doprowadziły do ​​rewolucji w fizyce XX wieku

Współczesna fizyka rozpoczęła się na początku XX wieku od prac Maxa Plancka z teorii kwantów i teorii względności Alberta Einsteina . Obie te teorie powstały z powodu niedokładności w mechanice klasycznej w pewnych sytuacjach. Mechanika klasyczna przewidziała zmienną prędkość światła , której nie można było ustalić przy stałej prędkości przewidzianej przez równania elektromagnetyzmu Maxwella; rozbieżność ta została skorygowana przez szczególną teorię względności Einsteina , która zastąpiła mechanikę klasyczną dla szybko poruszających się ciał i pozwoliła na stałą prędkość światła. Promieniowanie ciała doskonale czarnego stanowiło kolejny problem dla fizyki klasycznej, który został poprawiony, gdy Planck zaproponował, że wzbudzanie oscylatorów materiałowych jest możliwe tylko w dyskretnych krokach proporcjonalnych do ich częstotliwości; to, wraz z efektem fotoelektrycznym i kompletną teorią przewidującą dyskretne poziomy energetyczne orbitali elektronowych , doprowadziło do powstania teorii mechaniki kwantowej zastępującej fizykę klasyczną w bardzo małych skalach.

Pionierami mechaniki kwantowej byli Werner Heisenberg , Erwin Schrödinger i Paul Dirac . Z tych wczesnych prac i prac w pokrewnych dziedzinach powstał Model Standardowy fizyki cząstek elementarnych . Po odkryciu cząstki o właściwościach zgodnych z bozonem Higgsa w CERN w 2012 r., wydaje się, że istnieją wszystkie fundamentalne cząstki przewidywane przez model standardowy; jednak fizyka wykraczająca poza Model Standardowy , z teoriami takimi jak supersymetria , jest aktywnym obszarem badań. W tej dziedzinie ważne są ogólnie dziedziny matematyki, takie jak badanie prawdopodobieństw i grup .

Filozofia

Pod wieloma względami fizyka wywodzi się ze starożytnej filozofii greckiej . Od pierwszej próby scharakteryzowania materii dokonanej przez Talesa, po dedukcję Demokryta, że ​​materia powinna zredukować się do stanu niezmiennego, ptolemejską astronomię krystalicznego firmamentu oraz książkę Arystotelesa Fizykę (wczesną książkę o fizyce, w której próbowano analizować i definiować ruch z z filozoficznego punktu widzenia), różni greccy filozofowie wysuwali własne teorie natury. Fizyka była znana jako filozofia przyrody do końca XVIII wieku.

W XIX wieku fizyka została zrealizowana jako dyscyplina odrębna od filozofii i innych nauk. Fizyka, podobnie jak reszta nauki, opiera się na filozofii nauki i jej „metodzie naukowej”, aby poszerzyć naszą wiedzę o świecie fizycznym. Metoda naukowa wykorzystuje rozumowanie a priori , a także rozumowanie a posteriori i wnioskowanie bayesowskie do pomiaru słuszności danej teorii.

Rozwój fizyki dał odpowiedź na wiele pytań wczesnych filozofów, ale także postawił nowe pytania. Studium filozoficznych zagadnień związanych z fizyką, filozofia fizyki, obejmuje zagadnienia takie jak natura przestrzeni i czasu , determinizm , oraz poglądy metafizyczne, takie jak empiryzm , naturalizm i realizm .

Wielu fizyków pisało o filozoficznych implikacjach ich pracy, na przykład Laplace , który był orędownikiem determinizmu przyczynowego , i Schrödinger, który pisał o mechanice kwantowej. Fizyk matematyczny Roger Penrose został nazwany przez Stephena Hawkinga Platonistą , co Penrose omawia w swojej książce Droga do rzeczywistości . Hawking określił siebie jako „bezwstydnego redukcjonistę” i nie zgodził się z poglądami Penrose'a.

Podstawowe teorie

Chociaż fizyka zajmuje się szeroką gamą systemów, niektóre teorie są używane przez wszystkich fizyków. Każda z tych teorii była wielokrotnie testowana doświadczalnie i okazała się odpowiednim przybliżeniem natury. Na przykład teoria mechaniki klasycznej dokładnie opisuje ruch obiektów, pod warunkiem, że są one znacznie większe niż atomy i poruszają się z prędkością znacznie mniejszą niż prędkość światła. Teorie te nadal są obszarem aktywnych badań. Teoria chaosu , niezwykły aspekt mechaniki klasycznej, została odkryta w XX wieku, trzy wieki po pierwotnym sformułowaniu mechaniki klasycznej przez Newtona (1642-1727).

Te główne teorie są ważnymi narzędziami badań nad bardziej wyspecjalizowanymi tematami i oczekuje się, że każdy fizyk, niezależnie od specjalizacji, będzie w nich biegły. Należą do nich mechanika klasyczna, mechanika kwantowa, termodynamika i mechanika statystyczna , elektromagnetyzm i szczególna teoria względności.

Klasyczny

Fizyka klasyczna obejmuje tradycyjne gałęzie i tematy, które zostały rozpoznane i dobrze rozwinięte przed początkiem XX wieku – mechanikę klasyczną, akustykę , optykę , termodynamikę i elektromagnetyzm. Mechanika klasyczna zajmuje się ciałami, na które oddziałują siły i ciałami będącymi w ruchu i można ją podzielić na statykę (badanie sił działających na ciało lub ciała nie podlegające przyspieszeniu), kinematykę (badanie ruchu bez względu na jego przyczyny) i dynamika (badanie ruchu i sił, które na niego wpływają); mechanikę można również podzielić na mechanikę ciała stałego i mechanikę płynów (zwaną łącznie mechaniką ciągłości ), do której należą takie działy jak hydrostatyka , hydrodynamika , aerodynamika i pneumatyka . Akustyka to nauka o tym, jak dźwięk jest wytwarzany, kontrolowany, przesyłany i odbierany. Ważnymi współczesnymi gałęziami akustyki są ultradźwięki , badanie fal dźwiękowych o bardzo wysokiej częstotliwości poza zasięgiem ludzkiego słuchu; bioakustyka , fizyka nawoływań i słuchu zwierząt oraz elektroakustyka , manipulacja słyszalnymi falami dźwiękowymi za pomocą elektroniki.

Optyka, badanie światła , zajmuje się nie tylko światłem widzialnym, ale także promieniowaniem podczerwonym i ultrafioletowym , które wykazują wszystkie zjawiska światła widzialnego z wyjątkiem widzialności, np. odbicie, załamanie, interferencję, dyfrakcję, dyspersję i polaryzację światła . Ciepło jest formą energii , wewnętrzną energią posiadaną przez cząstki, z których składa się substancja; termodynamika zajmuje się związkami między ciepłem a innymi formami energii. Elektryczność i magnetyzm były badane jako jedna gałąź fizyki, odkąd na początku XIX wieku odkryto bliski związek między nimi; prąd elektryczny powoduje powstanie pola magnetycznego , a zmieniające się pole magnetyczne indukuje prąd elektryczny. Elektrostatyka zajmuje się ładunkami elektrycznymi w spoczynku, elektrodynamiką z ładunkami ruchomymi, a magnetostatyka z biegunami magnetycznymi w spoczynku.

Nowoczesny

Współczesna fizyka
${\ Displaystyle {\ kapelusz {H}} | \ psi _ {n} (t) \ rangle = ja \ hbar {\ Frac {\ częściowy} {\ częściowy t}} | \ psi _ {n} (t) \ zgrabny }$ ${\ Displaystyle G_ {\ mu \ nu} + \ Lambda g_ {\ mu \ nu} = {\ kappa} T_ {\ mu \ nu}}$ Równania pola Schrödingera i Einsteina
Założyciele Max Planck  · Albert Einstein  · Niels Bohr  · Max Born  · Werner Heisenberg  · Erwin Schrödinger  · Pascual Jordan  · Wolfgang Pauli  · Paul Dirac  · Ernest Rutherford  · Louis de Broglie  · Satyendra Nath Bose
Koncepcje Topologia  · Przestrzeń  · Czas  · Energia  · Materia  · Losowość pracy · Informacja · Entropia · Światło umysłu · Cząstka · Fala
Gałęzie Stosowane  · Eksperymentalne  · Teoretyczne Matematyczne  · Filozofia fizyki Mechanika kwantowa ( Kwantowa teoria pola  · Informacje kwantowe  · Obliczenia kwantowe ) Elektromagnetyzm  · Oddziaływanie słabe  · Oddziaływanie elektrosłabe Oddziaływanie silne Atomowe  · Cząstka  · Jądrowa Atomowa, molekularna i optyczna Materia skondensowana  · Statystyczne układy złożone  Dynamika nieliniowa · Biofizyka Neurofizyka Fizyka plazmy Szczególna teoria względności · Ogólna teoria względności Astrofizyka · Kosmologia Teorie grawitacji Grawitacja kwantowa · Teoria wszystkiego
Naukowcy Witten  · Röntgen  · Becquerel  · Lorentz  · Planck  · Curie  · Wien  · Skłodowska-Curie  · Sommerfeld  · Rutherford  · Soddy  · Onnes  · Einstein  · Wilczek  · Born  · Weyl  · Bohr  · Kramers  · Schrödinger  · de Broglie  · Laue  · Bose  · Compton  · Pauli  · Walton  · Fermi  · van der Waals  · Heisenberg  · Dyson  · Zeeman  · Moseley  · Hilbert  · Gödel  · Jordan  · Dirac  · Wigner  · Hawking  · PW Anderson  · Lemaître  · Thomson  · Poincaré  · Wheeler  · Penrose  · Millikan  · Nambu  · von Neumann  · Higgs  · Hahn  · Feynman  · Yang  · Lee  · Lenard  · Salam  · 't Hooft  · Veltman  · Bell  · Gell-Mann  · JJ Thomson  · Raman  · Bragg  · Bardeen  · Shockley  · Chadwick  · Lawrence  · Zeilinger  · Goudsmit  · Uhlenbeck
Kategorie Współczesna fizyka
v t mi

Fizyka klasyczna ogólnie zajmuje się materią i energią w normalnej skali obserwacji, podczas gdy większość współczesnej fizyki dotyczy zachowania materii i energii w ekstremalnych warunkach lub w bardzo dużej lub bardzo małej skali. Na przykład, badania fizyki atomowej i jądrowej mają najmniejszą skalę, w której można zidentyfikować pierwiastki chemiczne . Fizyka cząstek elementarnych jest na jeszcze mniejszą skalę, ponieważ dotyczy najbardziej podstawowych jednostek materii; ta gałąź fizyki jest również znana jako fizyka wysokich energii ze względu na niezwykle wysokie energie niezbędne do wytworzenia wielu rodzajów cząstek w akceleratorach cząstek . W tej skali zwykłe, zdroworozsądkowe pojęcia przestrzeni, czasu, materii i energii nie są już aktualne.

Dwie główne teorie współczesnej fizyki przedstawiają inny obraz pojęć przestrzeni, czasu i materii niż przedstawiany przez fizykę klasyczną. Mechanika klasyczna przybliża naturę jako ciągłą, podczas gdy teoria kwantowa zajmuje się dyskretną naturą wielu zjawisk na poziomie atomowym i subatomowym oraz komplementarnymi aspektami cząstek i fal w opisie takich zjawisk. Teoria względności zajmuje się opisem zjawisk zachodzących w układzie odniesienia będącym w ruchu względem obserwatora; szczególna teoria względności zajmuje się ruchem przy braku pól grawitacyjnych, a ogólna teoria względności z ruchem i jego związkiem z grawitacją . Zarówno teoria kwantów, jak i teoria względności znajdują zastosowanie we wszystkich dziedzinach współczesnej fizyki.

Podstawowe pojęcia we współczesnej fizyce

• Przyczynowość
• Kowariancja
• Akcja
• Pole fizyczne
• Symetria
• Interakcja fizyczna
• Zespół statystyczny
• Kwant
• Fala
• Cząstka

Różnica

Podstawowe dziedziny fizyki

Podczas gdy fizyka ma na celu odkrycie uniwersalnych praw, jej teorie leżą w wyraźnych dziedzinach zastosowania.

Konferencja Solvay z 1927 r., z udziałem wybitnych fizyków, takich jak Albert Einstein , Werner Heisenberg , Max Planck , Hendrik Lorentz , Niels Bohr , Marie Curie , Erwin Schrödinger i Paul Dirac

Mówiąc ogólnie, prawa fizyki klasycznej dokładnie opisują układy, których ważne skale długości są większe niż skala atomowa i których ruchy są znacznie wolniejsze niż prędkość światła. Poza tą dziedziną obserwacje nie są zgodne z przewidywaniami mechaniki klasycznej. Einstein stworzył ramy szczególnej teorii względności, które zastąpiły pojęcia absolutnego czasu i przestrzeni czasoprzestrzenią i pozwoliły na dokładny opis systemów, których składniki mają prędkości zbliżone do prędkości światła. Planck, Schrödinger i inni wprowadzili mechanikę kwantową, probabilistyczne pojęcie cząstek i interakcji, które umożliwiło dokładny opis skali atomowej i subatomowej. Później kwantowa teoria pola zunifikowała mechanikę kwantową i szczególną teorię względności. Ogólna teoria względności pozwoliła na dynamiczną, zakrzywioną czasoprzestrzeń, za pomocą której można dobrze opisać bardzo masywne systemy i wielkoskalową strukturę wszechświata. Ogólna teoria względności nie została jeszcze połączona z innymi podstawowymi opisami; powstaje kilka kandydujących teorii grawitacji kwantowej .

Związek z innymi dziedzinami

Ten przepływ lawy w kształcie paraboli ilustruje zastosowanie matematyki w fizyce — w tym przypadku prawo spadających ciał Galileusza .

Matematyka i ontologia są wykorzystywane w fizyce. Fizyka jest wykorzystywana w chemii i kosmologii.

Warunki wstępne

Matematyka zapewnia zwięzły i dokładny język używany do opisu porządku w przyrodzie. Zostało to odnotowane i zalecane przez Pitagorasa , Platona , Galileusza i Newtona.

Fizyka wykorzystuje matematykę do organizowania i formułowania wyników eksperymentalnych. Z tych wyników uzyskuje się precyzyjne lub szacunkowe rozwiązania lub wyniki ilościowe, na podstawie których można poczynić nowe przewidywania i eksperymentalnie potwierdzić lub zanegować. Wyniki eksperymentów fizycznych są danymi liczbowymi, wraz z ich jednostkami miary i szacunkami błędów pomiarów. Technologie oparte na matematyce, takie jak obliczenia , uczyniły z fizyki obliczeniowej aktywny obszar badań.

Rozróżnienie między matematyką a fizyką jest wyraźne, ale nie zawsze oczywiste, zwłaszcza w fizyce matematycznej.

Ontologia jest warunkiem wstępnym fizyki, ale nie matematyki. Oznacza to, że fizyka ostatecznie zajmuje się opisami rzeczywistego świata, podczas gdy matematyka zajmuje się abstrakcyjnymi wzorcami, nawet poza światem rzeczywistym. Tak więc zdania fizyczne są syntetyczne, podczas gdy zdania matematyczne są analityczne. Matematyka zawiera hipotezy, a fizyka teorie. Twierdzenia matematyczne muszą być tylko logicznie prawdziwe, podczas gdy przewidywania twierdzeń fizycznych muszą być zgodne z danymi obserwowanymi i doświadczalnymi.

Rozróżnienie jest jednoznaczne, ale nie zawsze oczywiste. Na przykład fizyka matematyczna to zastosowanie matematyki w fizyce. Jej metody są matematyczne, ale jej przedmiot jest fizyczny. Problemy w tej dziedzinie zaczynają się od „ matematycznego modelu sytuacji fizycznej ” (systemu) i „matematycznego opisu prawa fizycznego”, które zostanie zastosowane do tego systemu. Każde zdanie matematyczne używane do rozwiązywania ma trudne do znalezienia znaczenie fizyczne. Ostateczne rozwiązanie matematyczne ma łatwiejsze do znalezienia znaczenie, ponieważ właśnie tego szuka solwer.

Czysta fizyka jest gałęzią nauk podstawowych (zwanych również naukami podstawowymi). Fizyka jest również nazywana „ nauką podstawową”, ponieważ wszystkie gałęzie nauk przyrodniczych, takie jak chemia, astronomia, geologia i biologia, są ograniczone prawami fizyki. Podobnie chemia jest często nazywana nauką centralną ze względu na jej rolę w łączeniu nauk fizycznych. Na przykład chemia bada właściwości, struktury i reakcje materii (koncentracja chemii na skali molekularnej i atomowej odróżnia ją od fizyki ). Struktury powstają, ponieważ cząstki wywierają na siebie siły elektryczne, właściwości obejmują właściwości fizyczne danych substancji, a reakcje są związane prawami fizyki, takimi jak zasada zachowania energii , masy i ładunku . Fizyka znajduje zastosowanie w branżach takich jak inżynieria i medycyna.

Zastosowanie i wpływ

Fizyka klasyczna zaimplementowana w modelu inżynierii akustycznej dźwięku odbijającego się od dyfuzora akustycznego

Śruba Archimedesa , prosta maszyna do podnoszenia

Eksperymentuj za pomocą lasera

Fizyka stosowana to ogólne określenie badań fizyki, przeznaczone do konkretnego zastosowania. Program nauczania fizyki stosowanej zawiera zwykle kilka zajęć z dyscyplin stosowanych, takich jak geologia czy elektrotechnika. Zwykle różni się od inżynierii tym, że fizyk stosowany może nie projektować czegoś konkretnego, ale raczej posługuje się fizyką lub prowadzi badania fizyczne w celu opracowania nowych technologii lub rozwiązania problemu.

Podejście to jest podobne do podejścia stosowanego w matematyce . Fizycy aplikacyjni wykorzystują fizykę w badaniach naukowych. Na przykład osoby zajmujące się fizyką akceleratorów mogą dążyć do zbudowania lepszych detektorów cząstek do badań fizyki teoretycznej.

Fizyka jest intensywnie wykorzystywana w inżynierii. Na przykład statyka, poddziedzina mechaniki , jest wykorzystywana do budowy mostów i innych konstrukcji statycznych. Zrozumienie i wykorzystanie akustyki skutkuje kontrolą dźwięku i lepszymi salami koncertowymi; podobnie zastosowanie optyki tworzy lepsze urządzenia optyczne. Zrozumienie fizyki sprawia , że ​​symulatory lotu , gry wideo i filmy stają się bardziej realistyczne i często ma kluczowe znaczenie w śledztwach kryminalistycznych .

Przy standardowym konsensusie , że prawa fizyki są uniwersalne i nie zmieniają się w czasie, fizyka może być wykorzystywana do badania rzeczy, które normalnie byłyby pogrążone w niepewności . Na przykład, badając pochodzenie Ziemi , można rozsądnie modelować masę Ziemi, temperaturę i prędkość rotacji w funkcji czasu, co pozwala na ekstrapolację w przód lub wstecz w czasie, a tym samym przewidywanie przyszłych lub wcześniejszych wydarzeń. Pozwala także na symulacje inżynierskie, które drastycznie przyspieszają rozwój nowej technologii.

Ale istnieje również znaczna interdyscyplinarność , tak więc wiele innych ważnych dziedzin podlega wpływom fizyki (np. dziedziny ekonofizyki i socjofizyki ).

Badania

Metoda naukowa

Fizycy stosują metodę naukową, aby sprawdzić słuszność teorii fizycznej . Stosując metodyczne podejście do porównywania implikacji teorii z wnioskami wyciągniętymi z powiązanych z nią eksperymentów i obserwacji, fizycy są w stanie lepiej przetestować słuszność teorii w logiczny, bezstronny i powtarzalny sposób. W tym celu przeprowadza się eksperymenty i prowadzi obserwacje w celu ustalenia słuszności lub nieważności teorii.

Prawo naukowe to zwięzłe, werbalne lub matematyczne stwierdzenie relacji, które wyraża fundamentalną zasadę jakiejś teorii, takiej jak prawo powszechnego ciążenia Newtona.

Teoria i eksperyment

Astronauta i Ziemia spadają swobodnie . _

Błyskawica to prąd elektryczny .

Teoretycy dążą do opracowania modeli matematycznych, które zarówno zgadzają się z istniejącymi eksperymentami, jak i skutecznie przewidują przyszłe wyniki eksperymentów, podczas gdy eksperymentatorzy opracowują i przeprowadzają eksperymenty w celu przetestowania przewidywań teoretycznych i zbadania nowych zjawisk. Chociaż teoria i eksperyment rozwijane są oddzielnie, silnie oddziałują na siebie i zależą od siebie. Postęp w fizyce często pojawia się, gdy wyniki eksperymentalne nie dają się wyjaśnić istniejącymi teoriami, co skłania do intensywnego koncentrowania się na odpowiednim modelowaniu, oraz gdy nowe teorie generują eksperymentalnie testowalne prognozy , które inspirują rozwój nowych eksperymentów (i często powiązanego sprzętu).

Fizycy pracujący nad wzajemnym oddziaływaniem teorii i eksperymentu nazywani są fenomenologami , którzy badają złożone zjawiska obserwowane w eksperymencie i pracują nad powiązaniem ich z fundamentalną teorią .

Fizyka teoretyczna historycznie czerpała inspirację z filozofii; w ten sposób zunifikowano elektromagnetyzm. Poza znanym wszechświatem, dziedzina fizyki teoretycznej zajmuje się również zagadnieniami hipotetycznymi, takimi jak wszechświaty równoległe , wieloświat i wyższe wymiary . Teoretycy powołują się na te idee w nadziei na rozwiązanie konkretnych problemów za pomocą istniejących teorii; następnie badają konsekwencje tych pomysłów i pracują nad tworzeniem testowalnych prognoz.

Fizyka eksperymentalna rozwija się i rozszerza o inżynierię i technologię . Fizycy eksperymentalni, którzy zajmują się badaniami podstawowymi , projektują i przeprowadzają eksperymenty z urządzeniami, takimi jak akceleratory cząstek i lasery , natomiast ci, którzy zajmują się badaniami stosowanymi, często pracują w przemyśle, opracowując technologie, takie jak rezonans magnetyczny (MRI) i tranzystory . Feynman zauważył, że eksperymentatorzy mogą szukać obszarów, które nie zostały dobrze zbadane przez teoretyków.

Zakres i cele

Fizyka polega na modelowaniu świata przyrody za pomocą teorii, zwykle ilościowej. Tutaj ścieżka cząstki jest modelowana za pomocą matematyki rachunku różniczkowego , aby wyjaśnić jej zachowanie: zakres gałęzi fizyki znanej jako mechanika .

Fizyka obejmuje szeroki zakres zjawisk , od cząstek elementarnych (takich jak kwarki, neutrina i elektrony) po największe supergromady galaktyk. W tych zjawiskach zawarte są najbardziej podstawowe obiekty składające się na wszystkie inne rzeczy. Dlatego fizyka jest czasami nazywana „nauką podstawową”. Fizyka ma na celu opisanie różnych zjawisk występujących w przyrodzie w kategoriach prostszych zjawisk. Tak więc fizyka ma na celu zarówno połączenie rzeczy, które można zaobserwować u ludzi, z przyczynami źródłowymi, jak i połączenie tych przyczyn razem.

Na przykład starożytni Chińczycy zaobserwowali, że niektóre skały ( lodestone i magnetyt ) są przyciągane do siebie przez niewidzialną siłę. Efekt ten został później nazwany magnetyzmem, który został po raz pierwszy rygorystycznie zbadany w XVII wieku. Ale jeszcze zanim Chińczycy odkryli magnetyzm, starożytni Grecy wiedzieli o innych przedmiotach, takich jak bursztyn , które po nacieraniu futrem powodowałyby podobne niewidzialne przyciąganie między nimi. Zostało to również po raz pierwszy rygorystycznie zbadane w XVII wieku i zaczęło być nazywane elektrycznością. W ten sposób fizyka zaczęła rozumieć dwie obserwacje natury w kategoriach jakiejś pierwotnej przyczyny (elektryczności i magnetyzmu). Jednak dalsze prace w XIX wieku ujawniły, że te dwie siły były tylko dwoma różnymi aspektami jednej siły – elektromagnetyzmu. Ten proces „jednoczenia” sił trwa do dziś, a elektromagnetyzm i słabe oddziaływanie jądrowe są obecnie uważane za dwa aspekty oddziaływania elektrosłabego . Fizyka ma nadzieję znaleźć ostateczny powód (teorię wszystkiego), dlaczego natura jest taka, jaka jest (więcej informacji w sekcji Bieżące badania poniżej).

Pola badawcze

Współczesne badania w fizyce można ogólnie podzielić na fizykę jądrową i cząsteczkową; fizyka materii skondensowanej ; fizyka atomowa, molekularna i optyczna ; astrofizyka ; i fizyka stosowana. Niektóre wydziały fizyki wspierają także badania nad edukacją fizyki i działania na rzecz fizyki .

Od XX wieku poszczególne dziedziny fizyki stawały się coraz bardziej wyspecjalizowane i dziś większość fizyków pracuje w jednej dziedzinie przez całą swoją karierę. „Uniwersaliści” tacy jak Einstein (1879–1955) i Lev Landau (1908–1968), którzy pracowali w wielu dziedzinach fizyki, są obecnie bardzo rzadcy.

W poniższej tabeli przedstawiono główne dziedziny fizyki wraz z ich poddziedzinami oraz stosowanymi przez nie teoriami i koncepcjami.

Jądrowa i cząstkowa

Symulowane zdarzenie w detektorze CMS w Wielkim Zderzaczu Hadronów , w którym możliwe jest pojawienie się bozonu Higgsa .

Fizyka cząstek to nauka o elementarnych składnikach materii i energii oraz o interakcjach między nimi. Ponadto fizycy cząstek elementarnych projektują i opracowują akceleratory wysokoenergetyczne, detektory i programy komputerowe niezbędne do tych badań. Pole to jest również nazywane „fizyką wysokich energii”, ponieważ wiele cząstek elementarnych nie występuje w sposób naturalny, ale powstaje tylko podczas wysokoenergetycznych zderzeń innych cząstek.

Obecnie oddziaływania cząstek i pól elementarnych opisuje Model Standardowy . Model uwzględnia 12 znanych cząstek materii ( kwarków i leptonów ), które oddziałują za pośrednictwem silnych , słabych i elektromagnetycznych oddziaływań podstawowych . Dynamika jest opisana w kategoriach cząstek materii wymieniających bozony cechowania ( odpowiednio gluony , bozony W i Z oraz fotony ). Model Standardowy przewiduje również cząstkę znaną jako bozon Higgsa. W lipcu 2012 r. CERN, europejskie laboratorium fizyki cząstek elementarnych, ogłosiło wykrycie cząstki zgodnej z bozonem Higgsa, integralną częścią mechanizmu Higgsa .

Fizyka jądrowa to dziedzina fizyki zajmująca się badaniem składników i interakcji jąder atomowych . Najbardziej znane zastosowania fizyki jądrowej to energetyka jądrowa i technologia broni jądrowej , ale badania znalazły zastosowanie w wielu dziedzinach, w tym w medycynie jądrowej i obrazowaniu metodą rezonansu magnetycznego, implantacji jonów w inżynierii materiałowej oraz datowaniu radiowęglowym w geologii i archeologii .

Atomowe, molekularne i optyczne

Fizyka atomowa, molekularna i optyczna (AMO) zajmuje się badaniem interakcji materia-materia i światło-materia w skali pojedynczych atomów i cząsteczek. Te trzy obszary są zgrupowane ze względu na ich wzajemne powiązania, podobieństwo stosowanych metod oraz podobieństwo odpowiednich skal energetycznych. Wszystkie trzy obszary obejmują zarówno zabiegi klasyczne, półklasyczne, jak i kwantowe ; mogą traktować swój temat z widzenia mikroskopowego (w przeciwieństwie do widoku makroskopowego).

Fizyka atomowa bada powłoki elektronowe atomów. Obecne badania koncentrują się na działaniach w zakresie sterowania kwantowego, chłodzenia i pułapkowania atomów i jonów, niskotemperaturowej dynamiki zderzeń oraz wpływu korelacji elektronów na strukturę i dynamikę. Jądro ma wpływ na fizykę atomową (patrz rozszczepienie nadsubtelne ), ale zjawiska wewnątrzjądrowe, takie jak rozszczepienie i fuzja , są uważane za część fizyki jądrowej.

Fizyka molekularna skupia się na strukturach wieloatomowych oraz ich wewnętrznych i zewnętrznych interakcjach z materią i światłem. Fizyka optyczna różni się od optyki tym, że skupia się nie na kontrolowaniu klasycznych pól świetlnych przez obiekty makroskopowe, ale na podstawowych właściwościach pól optycznych i ich interakcjach z materią w sferze mikroskopowej.

Skondensowana materia

Dane o rozkładzie prędkości gazu atomów rubidu , potwierdzające odkrycie nowej fazy materii, kondensatu Bosego-Einsteina

Fizyka materii skondensowanej to dziedzina fizyki, która zajmuje się makroskopowymi właściwościami fizycznymi materii. W szczególności dotyczy to faz „skondensowanych” , które pojawiają się, gdy liczba cząstek w układzie jest niezwykle duża, a interakcje między nimi są silne.

Najbardziej znanymi przykładami faz skondensowanych są ciała stałe i ciecze , które powstają w wyniku wiązania za pomocą siły elektromagnetycznej między atomami. Bardziej egzotyczne fazy skondensowane obejmują nadciecz i kondensat Bosego-Einsteina występujące w niektórych układach atomowych w bardzo niskiej temperaturze, fazę nadprzewodzącą wykazywaną przez elektrony przewodzące w niektórych materiałach oraz ferromagnetyczne i antyferromagnetyczne fazy spinów na sieciach atomowych .

Fizyka materii skondensowanej to największa dziedzina współczesnej fizyki. Historycznie fizyka materii skondensowanej wyrosła z fizyki ciała stałego, która jest obecnie uważana za jedną z jej głównych poddziedzin. Termin fizyka materii skondensowanej został najwyraźniej ukuty przez Philipa Andersona , kiedy w 1967 roku zmienił nazwę swojej grupy badawczej — wcześniej teoria ciała stałego . W 1978 roku Wydział Fizyki Ciała Stałego Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego został przemianowany na Wydział Fizyki Materii Skondensowanej . Fizyka materii skondensowanej w dużym stopniu pokrywa się z chemią, materiałoznawstwem , nanotechnologią i inżynierią.

Astrofizyka

Najgłębszy obraz Wszechświata w świetle widzialnym , Ultragłębokie Pole Hubble'a

Astrofizyka i astronomia to zastosowanie teorii i metod fizyki do badania struktury gwiazd , ewolucji gwiazd , początków Układu Słonecznego i powiązanych problemów kosmologii . Ponieważ astrofizyka jest szerokim tematem, astrofizycy zazwyczaj stosują wiele dyscyplin fizyki, w tym mechanikę, elektromagnetyzm, mechanikę statystyczną, termodynamikę, mechanikę kwantową, teorię względności, fizykę jądrową i cząsteczkową oraz fizykę atomową i molekularną.

Odkrycie przez Karla Jansky'ego w 1931, że sygnały radiowe są emitowane przez ciała niebieskie, zapoczątkowało naukę radioastronomii . Ostatnio granice astronomii zostały rozszerzone dzięki eksploracji kosmosu. Perturbacje i zakłócenia z ziemskiej atmosfery sprawiają, że obserwacje z kosmosu są niezbędne dla astronomii w podczerwieni , ultrafiolecie , promieniach gamma i rentgenowskich .

Kosmologia fizyczna to nauka o powstawaniu i ewolucji wszechświata w jego największych skalach. Teoria względności Alberta Einsteina odgrywa centralną rolę we wszystkich nowoczesnych teoriach kosmologicznych. Na początku XX wieku odkrycie Hubble'a , że ​​wszechświat się rozszerza, jak pokazuje diagram Hubble'a , skłoniło do konkurencyjnych wyjaśnień znanych jako Wszechświat w stanie ustalonym i Wielki Wybuch .

Wielki Wybuch został potwierdzony sukcesem nukleosyntezy Wielkiego Wybuchu i odkryciem kosmicznego mikrofalowego tła w 1964 roku. Model Wielkiego Wybuchu opiera się na dwóch filarach teoretycznych: ogólnej teorii względności Alberta Einsteina i zasadzie kosmologicznej . Kosmolodzy opracowali niedawno model ewolucji wszechświata ΛCDM, który obejmuje kosmiczną inflację , ciemną energię i ciemną materię .

Przewiduje się, że w ciągu nadchodzącej dekady z nowych danych z Kosmicznego Teleskopu Fermiego Gamma-ray pojawią się liczne możliwości i odkrycia, które w znacznym stopniu zrewidują lub wyjaśnią istniejące modele Wszechświata. W szczególności w ciągu najbliższych kilku lat możliwy jest ogromny potencjał odkrycia otaczającej ciemną materię. Fermi będzie szukał dowodów na to, że ciemna materia składa się ze słabo oddziałujących masywnych cząstek , uzupełniając podobne eksperymenty z Wielkim Zderzaczem Hadronów i innymi podziemnymi detektorami.

IBEX już przynosi nowe odkrycia astrofizyczne : „Nikt nie wie, co tworzy wstęgę ENA (energetyczne neutralne atomy) ” wzdłuż szoku końcowego wiatru słonecznego , „ale wszyscy zgadzają się, że oznacza to podręcznikowy obraz heliosfery — w którym Otaczająca Układ Słoneczny kieszeń wypełniona naładowanymi cząsteczkami wiatru słonecznego przedziera się przez nadciągający „wiatr galaktyczny” ośrodka międzygwiazdowego w kształcie komety – to błąd”.

Obecne badania

Schemat Feynmana sygnowany przez RP Feynmana .

Typowe zjawisko opisane przez fizykę: magnes lewitujący nad nadprzewodnikiem demonstruje efekt Meissnera .

Badania w fizyce nieustannie rozwijają się na wielu frontach.

W fizyce materii skondensowanej ważnym nierozwiązanym problemem teoretycznym jest nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe . Wiele eksperymentów z materią skondensowaną ma na celu wytworzenie sprawnej spintroniki i komputerów kwantowych .

W fizyce cząstek elementarnych zaczęły pojawiać się pierwsze dowody doświadczalne dla fizyki wykraczające poza Model Standardowy. Wśród nich najważniejsze są wskazania, że ​​neutrina mają niezerową masę . Wydaje się, że te wyniki eksperymentalne rozwiązały długotrwały problem neutrin słonecznych , a fizyka masywnych neutrin pozostaje obszarem aktywnych badań teoretycznych i eksperymentalnych. Wielki Zderzacz Hadronów znalazł już bozon Higgsa, ale przyszłe badania mają na celu udowodnienie lub obalenie supersymetrii, która rozszerza Model Standardowy fizyki cząstek elementarnych. Obecnie trwają również badania nad naturą głównych tajemnic ciemnej materii i ciemnej energii.

Chociaż poczyniono znaczne postępy w fizyce wysokich energii, kwantowej i astronomicznej, wiele codziennych zjawisk obejmujących złożoność , chaos lub turbulencje jest nadal słabo poznanych. Złożone problemy, które wydają się być rozwiązane przez sprytne zastosowanie dynamiki i mechaniki, pozostają nierozwiązane; przykłady obejmują tworzenie się stosów piasku, węzłów w ściekającej wodzie, kształt kropel wody, mechanizmy katastrof napięcia powierzchniowego i samosortowanie w potrząsanych, niejednorodnych kolekcjach.

Te złożone zjawiska cieszą się rosnącym zainteresowaniem od lat 70. z kilku powodów, w tym dostępności nowoczesnych metod matematycznych i komputerów, które umożliwiły modelowanie złożonych systemów na nowe sposoby. Złożona fizyka stała się częścią coraz bardziej interdyscyplinarnych badań, czego przykładem są badania turbulencji w aerodynamice i obserwacje formowania się wzorców w układach biologicznych. W 1932 Annual Review of Fluid Mechanics Horace Lamb powiedział :

Jestem już starym człowiekiem, a kiedy umrę i pójdę do nieba, mam nadzieję na oświecenie w dwóch sprawach. Jednym z nich jest elektrodynamika kwantowa, a drugim turbulentny ruch płynów. A co do pierwszego jestem raczej optymistą.

Zobacz też

Uwagi

Bibliografia

Źródła

Zewnętrzne linki

• PhysicsCentral – portal internetowy prowadzony przez Amerykańskie Towarzystwo Fizyczne
• Physics.org – portal prowadzony przez Instytut Fizyki
• Usenet Physics FAQ – FAQ opracowane przez sci.physics i inne grupy dyskusyjne dotyczące fizyki
• Strona internetowa Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki – Nagroda za wybitny wkład w tematykę
• World of Physics – internetowy encyklopedyczny słownik fizyki
• Fizyka przyrody – czasopismo naukowe
• Fizyka – magazyn internetowy Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego
• Fizyka/Publikacje w Curlie – Katalog mediów związanych z fizyką
• Vega Science Trust – filmy naukowe, w tym fizyka
• Witryna HyperPhysics – mapa myśli o fizyce i astronomii z Georgia State University
• FIZYKA w MIT OCW – Materiał do kursów online z Massachusetts Institute of Technology