fyzika -Physics

Různé příklady fyzikálních jevů

Fyzika je přírodní věda , která studuje hmotu , její základní složky , její pohyb a chování v prostoru a čase a související entity energie a síly . Fyzika je jednou z nejzákladnějších vědních disciplín, jejímž hlavním cílem je pochopit, jak se vesmír chová. Vědec, který se specializuje na oblast fyziky, se nazývá fyzik .

Fyzika je jednou z nejstarších akademických disciplín a díky zahrnutí astronomie možná nejstarší . Přes většinu posledních dvou tisíciletí byly fyzika, chemie , biologie a určitá odvětví matematiky součástí přírodní filozofie , ale během vědecké revoluce v 17. století se tyto přírodní vědy ukázaly jako jedinečné výzkumné snahy samy o sobě. Fyzika se protíná s mnoha mezioborovými oblastmi výzkumu, jako je biofyzika a kvantová chemie , a hranice fyziky nejsou pevně definovány . Nové myšlenky ve fyzice často vysvětlují základní mechanismy studované jinými vědami a navrhují nové cesty výzkumu v těchto a jiných akademických disciplínách takový jako matematika a filozofie .

Pokroky ve fyzice často umožňují pokroky v nových technologiích . Například pokroky v chápání elektromagnetismu , fyziky pevných látek a jaderné fyziky vedly přímo k vývoji nových produktů, které dramaticky změnily moderní společnost, jako je televize , počítače , domácí spotřebiče a jaderné zbraně ; pokroky v termodynamice vedly k rozvoji industrializace ; a pokroky v mechanice inspirovaly vývoj počtu .

Dějiny

Slovo „fyzika“ pochází ze starověké řečtiny : φυσική (ἐπιστήμη) , romanizovánophysikḗ (epistḗmē) , což znamená „znalost přírody“.

Starověká astronomie

Starověká egyptská astronomie je zřejmá v památkách, jako je strop Senemutovy hrobky z 18. dynastie Egypta .

Astronomie je jednou z nejstarších přírodních věd . Rané civilizace pocházející z doby před rokem 3000 př. n. l., jako jsou Sumerové , starověcí Egypťané a civilizace z údolí Indu , měly prediktivní znalosti a základní povědomí o pohybech Slunce, Měsíce a hvězd. Hvězdy a planety, o kterých se věřilo, že představují bohy, byly často uctívány. Zatímco vysvětlení pozorovaných poloh hvězd byla často nevědecká a postrádala důkazy, tato raná pozorování položila základ pozdější astronomii, protože bylo zjištěno, že hvězdy procházejí velkými kruhy po obloze, což však nevysvětluje polohu hvězd. planety .

Podle Asgera Aaboea lze počátky západní astronomie nalézt v Mezopotámii a veškeré západní snahy o exaktní vědy pocházejí z pozdně babylonské astronomie . Egyptští astronomové zanechali památky ukazující znalost souhvězdí a pohybů nebeských těles, zatímco řecký básník Homér psal o různých nebeských objektech ve své Iliadě a Odyssei ; pozdější řečtí astronomové poskytli jména, která se dodnes používají, pro většinu souhvězdí viditelných ze severní polokoule .

Přírodní filozofie

Přírodní filozofie má svůj původ v Řecku během archaického období (650 – 480 př. n. l.), kdy předsokratovští filozofové jako Thales odmítali nenaturalistická vysvětlení přírodních jevů a prohlašovali, že každá událost má přirozenou příčinu. Navrhovali myšlenky ověřené rozumem a pozorováním a mnohé z jejich hypotéz se v experimentu osvědčily; například, atomismus se nalézal být správný přibližně 2000 roků poté, co to bylo navrhováno Leucippus a jeho žák Democritus .

Středověké evropské a islámské

Západořímská říše padla v pátém století a to mělo za následek pokles intelektuálních aktivit v západní části Evropy. Naproti tomu Východořímská říše (také známá jako Byzantská říše ) odolávala útokům barbarů a pokračovala v rozvoji různých oborů učení, včetně fyziky.

V šestém století vytvořil Isidor z Milétu důležitou kompilaci Archimedových děl, která jsou kopírována v Archimedově palimpsestu .

Ibn Al-Haytham (Alhazen) kresba
Ibn al-Haytham (asi 965–c. 1040), Kniha optiky I, [6,85], [6,86]. Kniha II, [3.80] popisuje jeho experimenty s camerou obscurou .

V Evropě šestého století John Philoponus , byzantský učenec, zpochybnil Aristotelovo učení fyziky a zaznamenal jeho nedostatky. Zavedl teorii impulsu . Aristotelova fyzika nebyla zkoumána, dokud se neobjevil Philoponus; na rozdíl od Aristotela, který založil svou fyziku na verbální argumentaci, Philoponus spoléhal na pozorování. O Aristotelově fyzice Philoponus napsal:

Ale to je zcela mylné a náš názor může být potvrzen skutečným pozorováním účinněji než jakýmkoli slovním argumentem. Pokud totiž necháte spadnout ze stejné výšky dvě závaží, z nichž jedno je mnohonásobně těžší než druhé, uvidíte, že poměr časů potřebných k pohybu nezávisí na poměru závaží, ale že rozdíl v čase je velmi malý. A tak, pokud rozdíl ve váze není značný, to znamená, že jedna je, řekněme, dvojnásobek druhé, nebude rozdíl v čase žádný, nebo jinak neznatelný rozdíl, i když rozdíl v hmotnosti je o není zanedbatelné, přičemž jedno tělo váží dvakrát tolik než druhé

Philoponova kritika aristotelských principů fyziky sloužila jako inspirace pro Galilea Galileiho o deset století později, během vědecké revoluce . Galileo ve svých dílech podstatně citoval Philopona, když tvrdil, že aristotelská fyzika byla chybná. V roce 1300 Jean Buridan , učitel na fakultě umění na univerzitě v Paříži, vyvinul koncept impulsu. Byl to krok k moderním myšlenkám setrvačnosti a hybnosti.

Islámské stipendium zdědilo aristotelskou fyziku od Řeků a během islámského zlatého věku ji dále rozvinulo, zvláště kladlo důraz na pozorování a apriorní uvažování, rozvíjelo rané formy vědecké metody .

Základní způsob fungování dírkové komory

Nejpozoruhodnější inovace byly v oblasti optiky a vidění, které pocházely z prací mnoha vědců jako Ibn Sahl , Al-Kindi , Ibn al-Haytham , Al-Farisi a Avicenna . Nejpozoruhodnějším dílem byla Kniha optiky (také známá jako Kitāb al-Manāẓir), kterou napsal Ibn al-Haytham, ve které přesvědčivě vyvrátil starověkou řeckou představu o vizi, ale také přišel s novou teorií. V knize představil studii fenoménu camera obscura (jeho tisíc let stará verze dírkové komory ) a dále se ponořil do toho, jak oko samotné funguje. Pomocí pitev a znalostí předchozích učenců se mu podařilo začít vysvětlovat, jak světlo vstupuje do oka. Tvrdil, že světelný paprsek je zaostřený, ale skutečné vysvětlení toho, jak světlo promítané do zadní části oka muselo počkat až do roku 1604. Jeho Pojednání o světle vysvětlilo cameru obscuru, stovky let před moderním rozvojem fotografie.

Sedmidílná Kniha optiky ( Kitab al-Manathir ) po více než 600 let nesmírně ovlivnila myšlení napříč obory od teorie vizuálního vnímání až po povahu perspektivy ve středověkém umění, a to jak na Východě, tak na Západě. Mnoho pozdnějších evropských učenců a kolegů polymaths, od Roberta Grosseteste a Leonardo da Vinci k René Descartes , Johannes Kepler a Isaac Newton , byl v jeho dluhu. Vliv Optiky Ibn al-Haythama se skutečně řadí vedle vlivu Newtonova díla stejného názvu, vydaného o 700 let později.

Překlad Knihy optiky měl na Evropu obrovský dopad. Z toho byli pozdější evropští učenci schopni postavit zařízení, která replikovala ta, která sestrojil Ibn al-Haytham, a pochopili, jak světlo funguje. Z toho byly vyvinuty důležité vynálezy, jako jsou brýle, lupy, dalekohledy a fotoaparáty.

Klasický

Galileo Galilei ukázal moderní ocenění pro správný vztah mezi matematikou, teoretickou fyzikou a experimentální fyzikou.
Sir Isaac Newton (1643–1727), jehož zákony pohybu a univerzální gravitace byly hlavními milníky v klasické fyzice

Fyzika se stala samostatnou vědou, když brzy moderní Evropané používali experimentální a kvantitativní metody k objevu toho, co je nyní považováno za zákony fyziky .

Mezi hlavní pokroky v tomto období patří nahrazení geocentrického modelu Sluneční soustavy heliocentrickým Koperníkovským modelem , zákony ovládající pohyb planetárních těles (určené Keplerem v letech 1609 až 1619), Galileova průkopnická práce na dalekohledech a pozorovací astronomie v 16. a 17. století a Newtonův objev a sjednocení zákonů pohybu a univerzální gravitace (to by neslo jeho jméno). Newton také vyvinul počet , matematickou studii o změně, která poskytla nové matematické metody pro řešení fyzikálních problémů.

Objev nových zákonů v termodynamice , chemii a elektromagnetice vyplynul z větších výzkumných snah během průmyslové revoluce , protože energetické potřeby rostly. Zákony klasické fyziky zůstávají velmi široce používány pro objekty na každodenních měřítcích, které se pohybují nerelativistickými rychlostmi, protože v takových situacích poskytují velmi blízkou aproximaci a teorie jako kvantová mechanika a teorie relativity se zjednodušují na své klasické ekvivalenty v takových situacích. váhy. Nepřesnosti v klasické mechanice pro velmi malé objekty a velmi vysoké rychlosti však vedly k rozvoji moderní fyziky ve 20. století.

Moderní

Max Planck (1858–1947), tvůrce teorie kvantové mechaniky
Albert Einstein (1879–1955), jehož práce na fotoelektrickém jevu a teorii relativity vedly k revoluci ve fyzice 20.

Moderní fyzika začala na počátku 20. století prací Maxe Plancka v kvantové teorii a teorií relativity Alberta Einsteina . Obě tyto teorie vznikly kvůli nepřesnostem klasické mechaniky v určitých situacích. Klasická mechanika předpovídala měnící se rychlost světla , která nemohla být vyřešena s konstantní rychlostí předpovídanou Maxwellovými rovnicemi elektromagnetismu; tento rozpor byl opraven Einsteinovou teorií speciální relativity , která nahradila klasickou mechaniku pro rychle se pohybující těla a umožňovala konstantní rychlost světla. Záření černého tělesa představovalo další problém klasické fyziky, který byl opraven, když Planck navrhl, že buzení hmotných oscilátorů je možné pouze v jednotlivých krocích úměrných jejich frekvenci; toto, spolu s fotoelektrickým jevem a kompletní teorií předpovídající jednotlivé energetické hladiny elektronových orbitalů , vedlo k přebírání teorie kvantové mechaniky z klasické fyziky ve velmi malých měřítcích.

Kvantová mechanika se stala průkopníky Wernera Heisenberga , Erwina Schrödingera a Paula Diraca . Z této rané práce a práce v příbuzných oborech byl odvozen Standardní model částicové fyziky . Po objevu částice s vlastnostmi konzistentními s Higgsovým bosonem v CERNu v roce 2012 se zdá, že existují všechny základní částice předpovězené standardním modelem a žádné jiné; nicméně, fyzika za standardním modelem , s teoriemi takový jako supersymmetry , je aktivní oblast výzkumu. Oblasti matematiky obecně jsou důležité pro tento obor, takový jako studium pravděpodobností a skupin .

Filozofie

Fyzika v mnoha ohledech vychází ze starověké řecké filozofie . Od Thalesova prvního pokusu charakterizovat hmotu až po Demokritovu dedukci, že hmota by se měla redukovat na neměnný stav, ptolemaiovskou astronomii krystalické nebeské klenby a Aristotelovu knihu Fyzika (raná kniha o fyzice, která se pokoušela analyzovat a definovat pohyb z z filozofického hlediska), různí řečtí filozofové prosazovali své vlastní teorie přírody. Fyzika byla známá jako přírodní filozofie až do konce 18. století.

V 19. století byla fyzika realizována jako disciplína odlišná od filozofie a ostatních věd. Fyzika, stejně jako zbytek vědy, spoléhá na filozofii vědy a její „vědeckou metodu“, aby posunula naše znalosti o fyzickém světě. Vědecká metoda zaměstnává apriorní uvažování stejně jako aposteriorní uvažování a použití bayesovské inference k měření platnosti dané teorie.

Rozvoj fyziky zodpověděl mnoho otázek raných filozofů, ale také vyvolal nové otázky. Studium filozofických otázek obklopujících fyziku, filozofie fyziky, zahrnuje záležitosti takový jako povaha prostoru a času , determinismus a metafyzické výhledy takový jako empirismus , naturalismus a realismus .

Mnoho fyziků psalo o filozofických důsledcích jejich práce, například Laplace , kdo bojoval za kauzální determinismus , a Schrödinger, kdo psal o kvantové mechanice. Matematický fyzik Roger Penrose byl Stephenem Hawkingem nazýván platonistou , což je názor, který Penrose popisuje ve své knize Cesta k realitě . Hawking o sobě hovořil jako o „nestydlém redukcionistovi“ a stavěl se proti Penrosovým názorům.

Základní teorie

Ačkoli se fyzika zabývá širokou škálou systémů, určité teorie používají všichni fyzici. Každá z těchto teorií byla mnohokrát experimentálně testována a bylo zjištěno, že je adekvátní aproximací přírody. Například teorie klasické mechaniky přesně popisuje pohyb objektů za předpokladu, že jsou mnohem větší než atomy a pohybují se mnohem menší než rychlost světla. Tyto teorie jsou i dnes oblastmi aktivního výzkumu. Teorie chaosu , pozoruhodný aspekt klasické mechaniky, byla objevena ve 20. století, tři století po původní formulaci klasické mechaniky Newtonem (1642–1727).

Tyto ústřední teorie jsou důležitými nástroji pro výzkum specializovanějších témat a očekává se, že v nich bude gramotný každý fyzik, bez ohledu na jeho specializaci. Patří mezi ně klasická mechanika, kvantová mechanika, termodynamika a statistická mechanika , elektromagnetismus a speciální teorie relativity.

Klasický

Klasická fyzika zahrnuje tradiční odvětví a témata, která byla uznávaná a dobře rozvinutá před začátkem 20. století – klasická mechanika, akustika , optika , termodynamika a elektromagnetismus. Klasická mechanika se zabývá tělesy, na která působí síly , a tělesy v pohybu a lze ji rozdělit na statiku (studium sil působících na těleso nebo tělesa nepodléhající zrychlení), kinematiku (studium pohybu bez ohledu na jeho příčiny) a dynamika (studium pohybu a sil, které jej ovlivňují); mechanika může být také rozdělena do mechaniky pevných látek a mechaniky tekutin (známé společně jako mechanika kontinua ), druhá zahrnuje takové větve jako hydrostatics , hydrodynamics , aerodynamics a pneumatics . Akustika je studium toho, jak je zvuk vytvářen, řízen, přenášen a přijímán. Důležitá moderní odvětví akustiky zahrnují ultrazvuk , studium zvukových vln velmi vysoké frekvence za rozsahem lidského sluchu; bioakustika , fyzika volání zvířat a sluchu, a elektroakustika , manipulace se slyšitelnými zvukovými vlnami pomocí elektroniky.

Optika, studium světla , se zabývá nejen viditelným světlem , ale také infračerveným a ultrafialovým zářením , které vykazuje všechny jevy viditelného světla kromě viditelnosti, např. odraz, lom, interference, difrakce, disperze a polarizace světla. . Teplo je forma energie , vnitřní energie, kterou mají částice, z nichž se látka skládá; termodynamika se zabývá vztahy mezi teplem a jinými formami energie. Elektřina a magnetismus byly studovány jako jediné odvětví fyziky od chvíle, kdy bylo na počátku 19. století objeveno důvěrné spojení mezi nimi; elektrický proud vyvolává magnetické pole a měnící se magnetické pole indukuje elektrický proud. Elektrostatika se zabývá elektrickými náboji v klidu, elektrodynamika pohybujícími se náboji a magnetostatika s magnetickými póly v klidu.

Moderní

Klasická fyzika se obecně zabývá hmotou a energií v normálním měřítku pozorování, zatímco velká část moderní fyziky se zabývá chováním hmoty a energie v extrémních podmínkách nebo ve velmi velkém nebo velmi malém měřítku. Například atomová a jaderná fyzika studuje hmotu v nejmenším měřítku, ve kterém lze identifikovat chemické prvky . Fyzika elementárních částic je v ještě menším měřítku, protože se zabývá nejzákladnějšími jednotkami hmoty; toto odvětví fyziky je také známé jako fyzika vysokých energií kvůli extrémně vysokým energiím nezbytným k výrobě mnoha typů částic v urychlovačích částic . V tomto měřítku již neplatí běžné, běžné představy o prostoru, čase, hmotě a energii.

Dvě hlavní teorie moderní fyziky prezentují odlišný obraz pojmů prostoru, času a hmoty, než jaký předkládá klasická fyzika. Klasická mechanika přibližuje přírodu jako spojitou, zatímco kvantová teorie se zabývá diskrétní povahou mnoha jevů na atomární a subatomární úrovni a komplementárními aspekty částic a vln při popisu takových jevů. Teorie relativity se zabývá popisem jevů, které se odehrávají v referenčním rámci , který je v pohybu vzhledem k pozorovateli; speciální teorie relativity se zabývá pohybem v nepřítomnosti gravitačních polí a obecná teorie relativity pohybem a jeho souvislostí s gravitací . Kvantová teorie i teorie relativity nacházejí uplatnění ve všech oblastech moderní fyziky.

Základní pojmy v moderní fyzice

Rozdíl

Základní obory fyziky

Zatímco fyzika si klade za cíl objevit univerzální zákony, její teorie leží v explicitních oblastech použitelnosti.

Volně řečeno, zákony klasické fyziky přesně popisují systémy, jejichž důležitá délková měřítka jsou větší než atomové měřítko a jejichž pohyby jsou mnohem pomalejší než rychlost světla. Mimo tuto doménu se pozorování neshodují s předpověďmi poskytovanými klasickou mechanikou. Einstein přispěl rámcem speciální teorie relativity, která nahradila představy o absolutním čase a prostoru časoprostorem a umožnila přesný popis systémů, jejichž součásti mají rychlosti blížící se rychlosti světla. Planck, Schrödinger a další zavedli kvantovou mechaniku, pravděpodobnostní představu částic a interakcí, která umožňovala přesný popis atomárních a subatomárních měřítek. Později kvantová teorie pole sjednotila kvantovou mechaniku a speciální teorii relativity. Obecná teorie relativity umožnila dynamický, zakřivený prostoročas, pomocí kterého lze dobře popsat vysoce masivní systémy a rozsáhlou strukturu vesmíru. Obecná teorie relativity dosud nebyla sjednocena s ostatními základními popisy; rozvíjí se několik kandidátských teorií kvantové gravitace .

Vztah k jiným oborům

Tento proud lávy ve tvaru paraboly ilustruje aplikaci matematiky ve fyzice – v tomto případě Galileův zákon padajících těles .
Ve fyzice se používá matematika a ontologie. Fyzika se používá v chemii a kosmologii.

Předpoklady

Matematika poskytuje kompaktní a přesný jazyk používaný k popisu řádu v přírodě. Toho si všimli a obhajovali Pythagoras , Platón , Galileo a Newton.

Fyzika používá matematiku k organizaci a formulaci experimentálních výsledků. Z těchto výsledků se získávají přesná nebo odhadovaná řešení, případně kvantitativní výsledky, z nichž lze vytvářet nové předpovědi a experimentálně je potvrdit nebo vyvrátit. Výsledky fyzikálních experimentů jsou numerická data s jejich měrnými jednotkami a odhady chyb v měření. Technologie založené na matematice, jako je výpočet , učinily z výpočetní fyziky aktivní oblast výzkumu.

Rozdíl mezi matematikou a fyzikou je jasný, ale ne vždy zřejmý, zejména v matematické fyzice.

Ontologie je předpokladem pro fyziku, ale ne pro matematiku. Znamená to, že fyzika se v konečném důsledku zabývá popisy skutečného světa, zatímco matematika se zabývá abstraktními vzory, dokonce i mimo skutečný svět. Fyzikální výroky jsou tedy syntetické, zatímco matematické výroky jsou analytické. Matematika obsahuje hypotézy, zatímco fyzika obsahuje teorie. Matematická tvrzení musí být pouze logicky pravdivá, zatímco předpovědi fyzikálních tvrzení musí odpovídat pozorovaným a experimentálním datům.

Rozdíl je jasný, ale ne vždy zřejmý. Například matematická fyzika je aplikace matematiky ve fyzice. Jeho metody jsou matematické, ale jeho předmět je fyzikální. Problémy v této oblasti začínají " matematickým modelem fyzikální situace " (systému) a "matematickým popisem fyzikálního zákona", který bude na tento systém aplikován. Každý matematický výrok použitý k řešení má těžko dohledatelný fyzikální význam. Konečné matematické řešení má snadněji dohledatelný význam, protože je to, co řešitel hledá.

Čistá fyzika je odvětvím základní vědy (také nazývané základní věda). Fyzika se také nazývá „ základní věda“, protože všechna odvětví přírodních věd, jako je chemie, astronomie, geologie a biologie, jsou omezena fyzikálními zákony. Podobně, chemie je často nazývána centrální vědou kvůli její roli v propojení fyzikálních věd. Například chemie studuje vlastnosti, struktury a reakce hmoty ( od fyziky ji odlišuje zaměření chemie na molekulární a atomové měřítko ). Struktury se tvoří, protože částice na sebe působí elektrickými silami, vlastnosti zahrnují fyzikální vlastnosti daných látek a reakce jsou vázány fyzikálními zákony, jako je zachování energie , hmoty a náboje . Fyzika se používá v průmyslových odvětvích, jako je strojírenství a lékařství.

Aplikace a vliv

Klasická fyzika implementovaná v akustickém inženýrském modelu zvuku odrážejícího se od akustického difuzoru
Experimentujte pomocí laseru

Aplikovaná fyzika je obecný termín pro fyzikální výzkum, který je určen pro konkrétní použití. Učební plán aplikované fyziky obvykle obsahuje několik tříd v aplikované disciplíně, jako je geologie nebo elektrotechnika. Obvykle se liší od inženýrství tím, že aplikovaný fyzik nemusí navrhovat něco konkrétního, ale spíše používá fyziku nebo provádí fyzikální výzkum s cílem vyvinout nové technologie nebo vyřešit problém.

Přístup je podobný přístupu aplikované matematiky . Aplikovaní fyzici využívají fyziku ve vědeckém výzkumu. Například lidé pracující na fyzice urychlovačů by se mohli snažit postavit lepší detektory částic pro výzkum v teoretické fyzice.

Fyzika se hojně využívá ve strojírenství. Například statika, podobor mechaniky , se používá při stavbě mostů a jiných statických konstrukcí. Pochopení a využití akustiky má za následek kontrolu zvuku a lepší koncertní sály; podobně použití optiky vytváří lepší optická zařízení. Pochopení fyziky umožňuje realističtější letecké simulátory , videohry a filmy a je často rozhodující při forenzních vyšetřováních.

Se standardním konsensem , že fyzikální zákony jsou univerzální a nemění se s časem, lze fyziku použít ke studiu věcí, které by se běžně utápěly v nejistotě . Například při studiu původu Země lze rozumně modelovat hmotnost Země, teplotu a rychlost rotace jako funkci času, což umožňuje extrapolovat dopředu nebo dozadu v čase, a tak předpovídat budoucí nebo předchozí události. Umožňuje také simulace ve strojírenství, které výrazně urychlují vývoj nové technologie.

Je zde ale také značná interdisciplinarita , takže fyzikou je ovlivněno mnoho dalších důležitých oborů (např. obory ekonofyzika a sociofyzika ).

Výzkum

Vědecká metoda

Fyzici používají vědeckou metodu k testování platnosti fyzikální teorie . Použitím metodického přístupu k porovnání důsledků teorie se závěry odvozenými z jejích souvisejících experimentů a pozorování jsou fyzici schopni lépe testovat platnost teorie logickým, nezaujatým a opakovatelným způsobem. Za tímto účelem se provádějí experimenty a pozorování, aby se určila platnost nebo neplatnost teorie.

Vědecký zákon je stručné slovní nebo matematické vyjádření vztahu, které vyjadřuje základní princip nějaké teorie, jako je Newtonův zákon univerzální gravitace.

Teorie a experiment

Astronaut i Země jsou oba ve volném pádu .

Teoretici se snaží vyvinout matematické modely , které se shodují se stávajícími experimenty a úspěšně předpovídají budoucí výsledky experimentů, zatímco experimentátoři vymýšlejí a provádějí experimenty k testování teoretických předpovědí a zkoumání nových jevů. Přestože teorie a experiment jsou vyvíjeny odděleně, silně se ovlivňují a vzájemně na sobě závisí. Pokrok ve fyzice často nastává, když experimentální výsledky odporují vysvětlení existujícími teoriemi, což vede k intenzivnímu zaměření na použitelné modelování, a když nové teorie vytvářejí experimentálně testovatelné předpovědi , které inspirují vývoj nových experimentů (a často souvisejícího vybavení).

Fyzikové , kteří pracují na souhře teorie a experimentu, se nazývají fenomenologové , kteří studují složité jevy pozorované v experimentu a snaží se je vztáhnout k základní teorii .

Teoretická fyzika se historicky inspirovala filozofií; elektromagnetismus byl tímto způsobem sjednocen. Kromě známého vesmíru se pole teoretické fyziky zabývá také hypotetickými problémy, jako jsou paralelní vesmíry , multivesmír a vyšší dimenze . Teoretici se odvolávají na tyto myšlenky v naději, že vyřeší konkrétní problémy s existujícími teoriemi; poté zkoumají důsledky těchto myšlenek a pracují na vytváření testovatelných předpovědí.

Experimentální fyzika se rozšiřuje a rozšiřuje o inženýrství a technologie . Experimentální fyzici, kteří se podílejí na základním výzkumu , navrhují a provádějí experimenty se zařízeními, jako jsou urychlovače částic a lasery , zatímco ti, kteří se podílejí na aplikovaném výzkumu, často pracují v průmyslu a vyvíjejí technologie, jako je zobrazování magnetickou rezonancí (MRI) a tranzistory . Feynman poznamenal, že experimentalisté mohou hledat oblasti, které nebyly teoretiky dobře prozkoumány.

Rozsah a cíle

Fyzika zahrnuje modelování přírodního světa pomocí teorie, obvykle kvantitativní. Zde je dráha částice modelována pomocí matematiky počtu , aby se vysvětlilo její chování: oblast působnosti oboru fyziky známého jako mechanika .

Fyzika pokrývá širokou škálu jevů , od elementárních částic (jako jsou kvarky, neutrina a elektrony) až po největší superkupy galaxií. Mezi tyto jevy jsou zahrnuty nejzákladnější předměty, které tvoří všechny ostatní věci. Fyzice se proto někdy říká „základní věda“. Fyzika si klade za cíl popsat různé jevy vyskytující se v přírodě z hlediska jednodušších jevů. Fyzika si tedy klade za cíl jednak spojit věci pozorovatelné lidmi s hlavními příčinami, a pak tyto příčiny spojit dohromady.

Například staří Číňané pozorovali, že určité horniny ( magnetit a magnetit ) byly k sobě přitahovány neviditelnou silou. Tento efekt byl později nazván magnetismus, který byl poprvé důkladně studován v 17. století. Ale ještě předtím, než Číňané objevili magnetismus, starověcí Řekové věděli o jiných předmětech, jako je jantar , které při tření kožešinou mezi nimi způsobí podobnou neviditelnou přitažlivost. Toto bylo také nejprve důkladně studováno v 17. století a začalo být nazýváno elektřinou. Fyzika tak pochopila dvě pozorování přírody z hlediska nějaké základní příčiny (elektřina a magnetismus). Další práce v 19. století však odhalily, že tyto dvě síly byly jen dvěma různými aspekty jedné síly – elektromagnetismu. Tento proces „sjednocování“ sil pokračuje i dnes a elektromagnetismus a slabá jaderná síla jsou nyní považovány za dva aspekty elektroslabé interakce . Fyzika doufá, že najde konečný důvod (teorii všeho), proč je příroda taková, jaká je (další informace naleznete níže v části Aktuální výzkum ).

Výzkumné obory

Současný výzkum ve fyzice lze široce rozdělit na jadernou a částicovou fyziku; fyzika kondenzovaných látek ; atomová, molekulární a optická fyzika ; astrofyzika ; a aplikovaná fyzika. Některá oddělení fyziky také podporují výzkum ve výuce fyziky a osvětu v oblasti fyziky .

Od 20. století se jednotlivé obory fyziky stále více specializují a dnes většina fyziků pracuje v jediném oboru po celou svou kariéru. „Universalisté“ jako Einstein (1879–1955) a Lev Landau (1908–1968), kteří pracovali ve více oblastech fyziky, jsou nyní velmi vzácní.

Hlavní oblasti fyziky spolu s jejich podobory a teoriemi a koncepty, které používají, jsou uvedeny v následující tabulce.

Pole Podpole Hlavní teorie Koncepty
Jaderná a částicová fyzika Jaderná fyzika , jaderná astrofyzika , částicová fyzika , astročásticová fyzika , fenomenologie částicové fyziky Standardní model , kvantová teorie pole , kvantová elektrodynamika , kvantová chromodynamika , elektroslabá teorie , efektivní teorie pole , teorie mřížkového pole , kalibrační teorie , supersymetrie , velká sjednocená teorie , teorie superstrun , M-teorie , korespondence AdS/CFT Základní interakce ( gravitační , elektromagnetická , slabá , silná ), Elementární částice , Spin , Antihmota , Spontánní narušení symetrie , Neutrinová oscilace , Houpací mechanismus , Brána , Struna , Kvantová gravitace , Teorie všeho , Energie vakua
Atomová, molekulární a optická fyzika Atomová fyzika , Molekulární fyzika , Atomová a molekulární astrofyzika , Chemická fyzika , Optika , Fotonika Kvantová optika , kvantová chemie , kvantová informační věda Foton , Atom , Molekula , Difrakce , Elektromagnetické záření , Laser , Polarizace (vlny) , Spektrální čára , Casimirův jev
Fyzika kondenzovaných látek Fyzika pevných látek , Fyzika vysokého tlaku , Fyzika nízkých teplot , Fyzika povrchů , Fyzika nanometrů a mezoskopická , Fyzika polymerů BCS teorie , Blochův teorém , Teorie funkcionálu hustoty , Fermiho plyn , Fermiho teorie kapalin , Teorie mnoha těles , Statistická mechanika Fáze ( plyn , kapalina , pevná látka ), Bose-Einsteinův kondenzát , Elektrická vodivost , fonon , magnetismus , samoorganizace , polovodič , supravodič , supratekutost , spin ,
Astrofyzika Astronomie , astrometrie , kosmologie , gravitační fyzika , astrofyzika vysokých energií , planetární astrofyzika , fyzika plazmatu , sluneční fyzika , vesmírná fyzika , astrofyzika hvězd Velký třesk , Kosmická inflace , Obecná teorie relativity , Newtonův zákon univerzální gravitace , Lambda-CDM model , Magnetohydrodynamika Černá díra , Kosmické pozadí , Kosmická struna , Kosmos , Temná energie , Temná hmota , Galaxie , Gravitace , Gravitační záření , Gravitační singularita , Planeta , Sluneční soustava , Hvězda , Supernova , Vesmír
Aplikovaná fyzika Fyzika urychlovačů , Akustika , Agrofyzika , Fyzika atmosféry , Biofyzika , Chemická fyzika , Sdělovací fyzika , Ekonofyzika , Inženýrská fyzika , Dynamika tekutin , Geofyzika , Laserová fyzika , Fyzika materiálů , Lékařská fyzika , Nanotechnologie , Optika , Optoelektronika , Fotonika , Fyzikální chemie , Fotovolta Fyzikální oceánografie , Fyzika výpočtů , Fyzika plazmatu , Pevná zařízení , Kvantová chemie , Kvantová elektronika , Kvantová informační věda , Dynamika vozidel

Jaderné a částicové

Simulovaná událost v CMS detektoru velkého hadronového urychlovače , představující možný výskyt Higgsova bosonu .

Částicová fyzika je studium elementárních složek hmoty a energie a vzájemných interakcí mezi nimi. Kromě toho fyzici částic navrhují a vyvíjejí vysokoenergetické urychlovače, detektory a počítačové programy nezbytné pro tento výzkum. Pole se také nazývá „fyzika vysokých energií“, protože mnoho elementárních částic se přirozeně nevyskytuje, ale vznikají pouze při vysokoenergetických srážkách jiných částic.

V současné době jsou interakce elementárních částic a polí popsány pomocí standardního modelu . Model zohledňuje 12 známých částic hmoty ( kvarků a leptonů ), které interagují prostřednictvím silných , slabých a elektromagnetických základních sil . Dynamika je popsána v termínech částic hmoty, které si vyměňují kalibrační bosony ( gluony , W a Z bosony a fotony ). Standardní model také předpovídá částici známou jako Higgsův boson. V červenci 2012 CERN, evropská laboratoř pro fyziku částic, oznámila detekci částice konzistentní s Higgsovým bosonem, nedílnou součástí Higgsova mechanismu .

Jaderná fyzika je oblast fyziky, která studuje složky a interakce atomových jader . Nejběžněji známé aplikace jaderné fyziky jsou výroba jaderné energie a technologie jaderných zbraní , ale výzkum poskytl uplatnění v mnoha oblastech, včetně těch v nukleární medicíně a zobrazování magnetickou rezonancí, implantaci iontů v materiálovém inženýrství a radiokarbonovém datování v geologii a archeologii . .

Atomové, molekulární a optické

Atomová, molekulární a optická fyzika (AMO) je studium interakcí hmota-hmota a světlo-hmota v měřítku jednotlivých atomů a molekul. Tyto tři oblasti jsou seskupeny kvůli jejich vzájemným vztahům, podobnosti použitých metod a shodnosti jejich příslušných energetických měřítek. Všechny tři oblasti zahrnují jak klasickou, semi-klasickou, tak kvantovou léčbu; mohou svůj předmět zpracovat z mikroskopického pohledu (na rozdíl od makroskopického pohledu).

Atomová fyzika studuje elektronové obaly atomů. Současný výzkum se zaměřuje na aktivity v oblasti kvantového řízení, chlazení a zachycování atomů a iontů, dynamiku nízkoteplotních srážek a vlivy elektronové korelace na strukturu a dynamiku. Atomová fyzika je ovlivněna jádrem (viz hyperjemné štěpení ), ale vnitrojaderné jevy jako štěpení a fúze jsou považovány za součást jaderné fyziky.

Molekulární fyzika se zaměřuje na víceatomové struktury a jejich vnitřní a vnější interakce s hmotou a světlem. Optická fyzika se od optiky liší tím, že se nezaměřuje na ovládání klasických světelných polí makroskopickými objekty, ale na základní vlastnosti optických polí a jejich interakce s hmotou v mikroskopické oblasti.

Zhuštěná hmota

Údaje o distribuci rychlosti plynu s atomy rubidia , potvrzující objev nové fáze hmoty, Bose-Einsteinův kondenzát

Fyzika kondenzovaných látek je obor fyziky, který se zabývá makroskopickými fyzikálními vlastnostmi hmoty. Zejména se týká „kondenzovaných“ fází , které se objevují vždy, když je počet částic v systému extrémně velký a interakce mezi nimi jsou silné.

Nejznámějšími příklady kondenzovaných fází jsou pevné látky a kapaliny , které vznikají spojením prostřednictvím elektromagnetické síly mezi atomy. Mezi exotičtější kondenzované fáze patří supratekutina a Bose-Einsteinův kondenzát nalezený v určitých atomových systémech při velmi nízké teplotě, supravodivá fáze vykazovaná vodivostními elektrony v určitých materiálech a feromagnetické a antiferomagnetické fáze spinů na atomových mřížkách .

Fyzika kondenzovaných látek je největší oblastí současné fyziky. Historicky fyzika kondenzovaných látek vyrostla z fyziky pevných látek, která je nyní považována za jednu z jejích hlavních podoborů. Termín fyzika kondenzovaných látek zjevně zavedl Philip Anderson , když v roce 1967 přejmenoval svou výzkumnou skupinu – dříve teorii pevných látek . V roce 1978 byla Divize fyziky pevných látek Americké fyzikální společnosti přejmenována na Divize fyziky kondenzovaných látek. . Fyzika kondenzovaných látek má velký přesah do chemie, materiálové vědy , nanotechnologie a inženýrství.

Astrofyzika

Nejhlubší snímek vesmíru ve viditelném světle, Hubble Ultra-Deep Field

Astrofyzika a astronomie jsou aplikací teorií a metod fyziky ke studiu hvězdné struktury , hvězdné evoluce , původu Sluneční soustavy a souvisejících problémů kosmologie . Protože astrofyzika je široký předmět, astrofyzici obvykle aplikují mnoho disciplín fyziky, včetně mechaniky, elektromagnetismu, statistické mechaniky, termodynamiky, kvantové mechaniky, relativity, jaderné a částicové fyziky a atomové a molekulární fyziky.

Objev Karla Janského v roce 1931, že rádiové signály jsou vysílány nebeskými tělesy, zahájil vědu radioastronomie . V poslední době byly hranice astronomie rozšířeny výzkumem vesmíru. Perturbace a interference ze zemské atmosféry činí vesmírná pozorování nezbytná pro astronomii v infračerveném , ultrafialovém , gama záření a rentgenovém záření .

Fyzická kosmologie je studium formování a vývoje vesmíru v jeho největších měřítcích. Teorie relativity Alberta Einsteina hraje ústřední roli ve všech moderních kosmologických teoriích. Na počátku 20. století Hubbleův objev, že vesmír se rozpíná, jak ukazuje Hubbleův diagram , podnítil konkurenční vysvětlení známá jako vesmír v ustáleném stavu a Velký třesk .

Velký třesk byl potvrzen úspěchem nukleosyntézy velkého třesku a objevem kosmického mikrovlnného pozadí v roce 1964. Model velkého třesku stojí na dvou teoretických pilířích: obecné relativitě Alberta Einsteina a kosmologickém principu . Kosmologové nedávno vytvořili model ΛCDM evoluce vesmíru, který zahrnuje kosmickou inflaci , temnou energii a temnou hmotu .

Očekává se, že z nových dat z Fermiho gama kosmického dalekohledu v nadcházejícím desetiletí vyplynou četné možnosti a objevy, které značně zrevidují nebo objasní stávající modely vesmíru. Zejména potenciál pro obrovský objev obklopující temnou hmotu je možný během několika příštích let. Fermi bude hledat důkazy, že temná hmota je složena ze slabě interagujících hmotných částic a doplní podobné experimenty s Velkým hadronovým urychlovačem a dalšími podzemními detektory.

IBEX již přináší nové astrofyzikální objevy: „Nikdo neví, co vytváří stuhu ENA (energeticky neutrálních atomů) “ podél koncového šoku slunečního větru , „ale všichni souhlasí, že to znamená učebnicový obrázek heliosféry – ve kterém Obalující kapsa Sluneční soustavy naplněná nabitými částicemi slunečního větru se prodírá uhánějícím „galaktickým větrem“ mezihvězdného média ve tvaru komety – to je špatně.“

Aktuální výzkum

Typický jev popsaný fyzikou: magnet levitující nad supravodičem demonstruje Meissnerův jev .

Výzkum ve fyzice neustále postupuje na mnoha frontách.

Ve fyzice kondenzovaných látek je důležitým nevyřešeným teoretickým problémem vysokoteplotní supravodivost . Mnoho experimentů s kondenzovanou hmotou má za cíl vyrobit funkční spintroniku a kvantové počítače .

V částicové fyzice se začaly objevovat první kusy experimentálních důkazů pro fyziku nad rámec standardního modelu. Mezi nimi jsou především náznaky, že neutrina mají nenulovou hmotnost . Zdá se, že tyto experimentální výsledky vyřešily dlouhodobý problém slunečních neutrin a fyzika masivních neutrin zůstává oblastí aktivního teoretického a experimentálního výzkumu. Velký hadronový urychlovač již našel Higgsův boson, ale budoucí výzkum má za cíl dokázat nebo vyvrátit supersymetrii, která rozšiřuje standardní model částicové fyziky. V současné době také probíhá výzkum podstaty hlavních záhad temné hmoty a temné energie.

Přestože ve vysokoenergetické, kvantové a astronomické fyzice bylo dosaženo velkého pokroku, mnoho každodenních jevů zahrnujících složitost , chaos nebo turbulence je stále špatně pochopeno. Složité problémy, které se zdají být vyřešeny chytrou aplikací dynamiky a mechaniky, zůstávají nevyřešeny; příklady zahrnují tvorbu pískovišť, uzlů ve stékající vodě, tvar vodních kapiček, mechanismy katastrof povrchového napětí a samotřídění v otřesených heterogenních sbírkách.

Těmto komplexním jevům se od 70. let 20. století věnuje rostoucí pozornost z několika důvodů, včetně dostupnosti moderních matematických metod a počítačů, které umožnily modelování složitých systémů novými způsoby. Komplexní fyzika se stala součástí stále více interdisciplinárního výzkumu, jehož příkladem je studium turbulence v aerodynamice a pozorování tvorby vzorů v biologických systémech. V 1932 Annual Review of Fluid Mechanics , Horace Lamb řekl:

Nyní jsem starý muž, a až zemřu a půjdu do nebe, jsou dvě věci, ve kterých doufám v osvícení. Jedním je kvantová elektrodynamika a druhým turbulentní pohyb tekutin. A v tom prvním jsem spíše optimista.

Viz také

Poznámky

Reference

Prameny

externí odkazy