Физика -Physics

Различные примеры физических явлений

Часть серии о
Физика
Фундаментальная наука
Индекс Контур Глоссарий История ( хронология )
ветви Акустика Астрофизика Атомная физика Биофизика Классическая физика Электромагнетизм Геофизика Механика Современная физика Ядерная физика Оптика Термодинамика
Исследовательская работа Физик ( список ) Список наград по физике Список журналов Список нерешенных проблем
Портал физики  Категория
в т е

Физика -- это естественная наука , изучающая материю , ее фундаментальные составляющие , ее движение и поведение в пространстве и времени , а также связанные с ними сущности энергии и силы . Физика — одна из самых фундаментальных научных дисциплин, главная цель которой — понять, как ведет себя Вселенная . Ученый, специализирующийся в области физики, называется физиком .

Физика — одна из старейших академических дисциплин и, возможно, самая старая , благодаря включению в нее астрономии . На протяжении большей части последних двух тысячелетий физика, химия , биология и некоторые разделы математики были частью натурфилософии , но во время научной революции 17 века эти естественные науки стали самостоятельными уникальными исследовательскими начинаниями. Физика пересекается со многими междисциплинарными областями исследований, такими как биофизика и квантовая химия , и границы физики не определены жестко . Новые идеи в физике часто объясняют фундаментальные механизмы, изучаемые другими науками , и предлагают новые направления исследований в этих и других академических дисциплинах, таких как математика и философия .

Достижения в физике часто способствуют развитию новых технологий . Например, прогресс в понимании электромагнетизма , физики твердого тела и ядерной физики привел непосредственно к разработке новых продуктов, которые резко изменили современное общество, таких как телевидение , компьютеры , бытовая техника и ядерное оружие ; успехи термодинамики привели к развитию индустриализации ; а достижения в механике вдохновили на развитие исчисления .

История

Слово «физика» происходит от древнегреческого : φυσική (ἐπιστήμη) , латинизированного :  physikḗ (epistḗmē) , что означает «знание природы».

Древняя астрономия

Древнеегипетская астрономия проявляется в таких памятниках, как потолок гробницы Сенемута времен восемнадцатой династии Египта .

Астрономия – одна из древнейших естественных наук . Ранние цивилизации, существовавшие до 3000 г. до н.э., такие как шумеры , древние египтяне и цивилизация долины Инда , обладали предсказательными знаниями и базовыми сведениями о движении Солнца, Луны и звезд. Часто поклонялись звездам и планетам, которые, как считалось, представляли богов. Хотя объяснения наблюдаемых положений звезд часто были ненаучными и не имели достаточных доказательств, эти ранние наблюдения заложили основу для более поздней астрономии, поскольку было обнаружено, что звезды пересекают большие круги по небу, что, однако, не объясняло положения звезд. планеты .

Согласно Асгеру Аабое , истоки западной астрономии можно найти в Месопотамии , и все усилия Запада в области точных наук произошли от поздневавилонской астрономии . Египетские астрономы оставили памятники, показывающие знание созвездий и движения небесных тел, в то время как греческий поэт Гомер писал о различных небесных объектах в своих «Илиаде» и « Одиссее» ; позже греческие астрономы дали имена, которые используются до сих пор, для большинства созвездий, видимых из Северного полушария .

Натурфилософия

Натурфилософия берет свое начало в Греции в архаический период (650 г. до н.э. - 480 г. до н.э.), когда досократические философы , такие как Фалес , отвергали ненатуралистические объяснения природных явлений и провозглашали, что каждое событие имеет естественную причину. Они предлагали идеи, проверенные разумом и наблюдениями, и многие из их гипотез подтвердились на опыте; например, атомизм оказался правильным примерно через 2000 лет после того, как он был предложен Левкиппом и его учеником Демокритом .

Средневековая европейская и исламская

Западная Римская империя пала в пятом веке, что привело к упадку интеллектуальных занятий в западной части Европы. Напротив, Восточная Римская империя (также известная как Византийская империя ) сопротивлялась нападениям варваров и продолжала развивать различные области знаний, включая физику.

В шестом веке Исидор Милетский создал важную компиляцию произведений Архимеда, которые скопированы в Палимпсесте Архимеда .

Ибн аль-Хайтам (ок. 965–1040), Книга оптики , книга I, [6.85], [6.86]. Книга II, [3.80] описывает его эксперименты с камерой-обскурой .

В шестом веке в Европе византийский ученый Иоанн Филопон подверг сомнению учение Аристотеля о физике и отметил его недостатки. Он ввел теорию импульса . Физика Аристотеля не подвергалась тщательному изучению, пока не появился Филопон; в отличие от Аристотеля, который основывал свою физику на словесных аргументах, Филопон полагался на наблюдение. О физике Аристотеля Филопон писал:

Но это совершенно ошибочно, и наше мнение может быть подтверждено фактическим наблюдением более эффективно, чем любым словесным аргументом. В самом деле, если вы бросите с одной и той же высоты два груза, один из которых во много раз тяжелее другого, то вы увидите, что отношение времени, необходимого для движения, не зависит от соотношения гирь, но что разница по времени очень мал. Итак, если разница в весе незначительна, т. е. один, скажем, вдвое больше другого, то разницы во времени не будет или разница незаметная, хотя разница в весе будет на нельзя пренебрегать, одно тело весит в два раза больше другого

Критика Филопона аристотелевских принципов физики послужила источником вдохновения для Галилео Галилея десять веков спустя, во время научной революции . Галилей существенно цитировал Филопона в своих работах, утверждая, что аристотелевская физика ошибочна. В 1300-х годах Жан Буридан , преподаватель факультета искусств Парижского университета, разработал концепцию импульса. Это был шаг к современным представлениям об инерции и импульсе.

Исламская наука унаследовала аристотелевскую физику от греков и во время Золотого века ислама развила ее дальше, уделяя особое внимание наблюдению и априорным рассуждениям, развивая ранние формы научного метода .

Основной принцип работы камеры-обскуры

Наиболее заметные инновации были в области оптики и зрения, которые пришли из работ многих ученых, таких как Ибн Сахл , Аль-Кинди , Ибн аль-Хайтам , Аль-Фариси и Авиценна . Наиболее заметной работой была «Книга оптики» (также известная как «Китаб аль-Маназир»), написанная Ибн аль-Хайтамом, в которой он окончательно опроверг древнегреческое представление о зрении, но также выдвинул новую теорию. В книге он представил исследование феномена камеры-обскуры (его тысячелетняя версия камеры- обскуры ) и углубился в то, как работает сам глаз. Используя вскрытие и знания предыдущих ученых, он смог начать объяснять, как свет попадает в глаз. Он утверждал, что световой луч сфокусирован, но реального объяснения того, как свет проецируется на заднюю часть глаза, пришлось ждать до 1604 года. В его « Трактате о свете» объяснялась камера-обскура за сотни лет до современного развития фотографии.

Семитомная «Книга оптики» ( Китаб аль-Манатир ) на протяжении более 600 лет оказала огромное влияние на мышление в различных дисциплинах, от теории визуального восприятия до природы перспективы в средневековом искусстве как на Востоке, так и на Западе. Многие более поздние европейские ученые и коллеги-эрудиты, от Роберта Гроссетеста и Леонардо да Винчи до Рене Декарта , Иоганна Кеплера и Исаака Ньютона , были в его долгу. Действительно, влияние «Оптики» Ибн аль-Хайтама стоит рядом с одноименным трудом Ньютона, опубликованным 700 лет спустя.

Перевод «Книги оптики » оказал огромное влияние на Европу. Благодаря этому более поздние европейские ученые смогли построить устройства, воспроизводящие те, которые построил Ибн аль-Хайтам, и понять, как работает свет. Благодаря этому были разработаны важные изобретения, такие как очки, увеличительные стекла, телескопы и камеры.

Классический

Галилео Галилей продемонстрировал современное понимание правильной связи между математикой, теоретической физикой и экспериментальной физикой.

Сэр Исаак Ньютон (1643–1727), чьи законы движения и всемирного тяготения стали важными вехами в классической физике .

Физика стала отдельной наукой, когда европейцы раннего Нового времени использовали экспериментальные и количественные методы для открытия того, что сейчас считается законами физики .

Основные события этого периода включают замену геоцентрической модели Солнечной системы гелиоцентрической моделью Коперника , законы, управляющие движением планетарных тел (определенные Кеплером между 1609 и 1619 годами), новаторские работы Галилея над телескопами и наблюдательной астрономией в 16 и 17 века, а также открытие и объединение Ньютоном законов движения и всемирного тяготения (которые впоследствии будут носить его имя). Ньютон также разработал исчисление , математическое исследование изменений, которое предоставило новые математические методы для решения физических задач.

Открытие новых законов в термодинамике , химии и электромагнетизме стало результатом активизации исследований во время промышленной революции по мере увеличения потребности в энергии. Законы, составляющие классическую физику, по-прежнему очень широко используются для объектов повседневного масштаба, движущихся с нерелятивистскими скоростями, поскольку они обеспечивают очень точное приближение в таких ситуациях, а такие теории, как квантовая механика и теория относительности , упрощаются до своих классических эквивалентов при таких скоростях. Весы. Однако неточности классической механики для очень малых объектов и очень высоких скоростей привели к развитию современной физики в 20 веке.

Современный

Макс Планк (1858–1947), создатель теории квантовой механики .

Альберт Эйнштейн (1879–1955), чьи работы по фотоэлектрическому эффекту и теории относительности привели к революции в физике 20 века.

Современная физика началась в начале 20 века с работы Макса Планка в области квантовой теории и теории относительности Альберта Эйнштейна . Обе эти теории возникли из-за неточностей классической механики в определенных ситуациях. Классическая механика предсказывала переменную скорость света , которую нельзя было разрешить с помощью постоянной скорости, предсказываемой уравнениями электромагнетизма Максвелла; это несоответствие было исправлено специальной теорией относительности Эйнштейна , которая заменила классическую механику для быстро движущихся тел и допускала постоянную скорость света. Излучение черного тела создало еще одну проблему для классической физики, которая была исправлена, когда Планк предположил, что возбуждение материальных осцилляторов возможно только дискретными шагами, пропорциональными их частоте; это, наряду с фотоэлектрическим эффектом и полной теорией, предсказывающей дискретные уровни энергии электронных орбиталей , привело к теории квантовой механики, заменяющей классическую физику в очень малых масштабах.

Квантовая механика была создана Вернером Гейзенбергом , Эрвином Шредингером и Полом Дираком . Из этой ранней работы и работы в смежных областях была получена Стандартная модель физики элементарных частиц . После открытия в ЦЕРН в 2012 году частицы со свойствами, соответствующими бозону Хиггса , все фундаментальные частицы , предсказанные стандартной моделью, и никакие другие, по-видимому, существуют; однако физика за пределами Стандартной модели с такими теориями, как суперсимметрия , является активной областью исследований. Области математики в целом важны для этой области, например, изучение вероятностей и групп .

Философия

Во многом физика восходит к древнегреческой философии . От первой попытки Фалеса охарактеризовать материю до вывода Демокрита о том, что материя должна быть сведена к инвариантному состоянию, птолемеевской астрономии кристаллического небосвода и книги Аристотеля « Физика » (ранняя книга по физике, в которой была предпринята попытка проанализировать и определить движение из с философской точки зрения), различные греческие философы выдвинули свои теории природы. Физика была известна как натурфилософия до конца 18 века.

К 19 веку физика осозналась как дисциплина, отличная от философии и других наук. Физика, как и вся остальная наука, полагается на философию науки и ее «научный метод» для расширения наших знаний о физическом мире. Научный метод использует априорные рассуждения , а также апостериорные рассуждения и использование байесовского вывода для измерения достоверности данной теории.

Развитие физики ответило на многие вопросы ранних философов, но также поставило новые вопросы. Изучение философских вопросов, окружающих физику, философия физики, включает в себя такие вопросы, как природа пространства и времени , детерминизм и метафизические воззрения, такие как эмпиризм , натурализм и реализм .

Многие физики писали о философских последствиях своей работы, например , Лаплас , отстаивавший каузальный детерминизм , и Шредингер, писавший о квантовой механике. Физик-математик Роджер Пенроуз был назван Стивеном Хокингом платоником , точка зрения, которую Пенроуз обсуждает в своей книге «Дорога к реальности» . Хокинг называл себя «бессовестным редукционистом» и не соглашался со взглядами Пенроуза.

Основные теории

Хотя физика имеет дело с широким спектром систем, некоторые теории используются всеми физиками. Каждая из этих теорий неоднократно подвергалась экспериментальной проверке и оказалась адекватным приближением к природе. Например, теория классической механики точно описывает движение объектов при условии, что они намного больше атомов и движутся со скоростью, намного меньшей скорости света. Эти теории продолжают оставаться областью активных исследований и сегодня. Теория хаоса , замечательный аспект классической механики, была открыта в 20 веке, через три столетия после первоначальной формулировки классической механики Ньютоном (1642–1727).

Эти основные теории являются важными инструментами для исследования более специализированных тем, и любой физик, независимо от его специализации, должен быть грамотным в них. К ним относятся классическая механика, квантовая механика, термодинамика и статистическая механика , электромагнетизм и специальная теория относительности.

Классический

Классическая физика включает традиционные разделы и разделы, получившие признание и развитие до начала 20 в.,— классическую механику, акустику , оптику , термодинамику, электромагнетизм. Классическая механика занимается телами, на которые действуют силы , и телами, находящимися в движении , и может быть разделена на статику (учение о силах, действующих на тело или тела, не подвергающиеся ускорению), кинематику (учение о движении без учета его причин) и динамика (изучение движения и сил, влияющих на него); Механика также может быть разделена на механику твердого тела и механику жидкости (известную вместе как механика сплошных сред ), последняя включает такие разделы, как гидростатика , гидродинамика , аэродинамика и пневматика . Акустика — это наука о том, как звук создается, контролируется, передается и принимается. Важные современные разделы акустики включают ультразвук , изучение звуковых волн очень высокой частоты за пределами диапазона человеческого слуха; биоакустика , физика криков и слуха животных, и электроакустика , манипулирование слышимыми звуковыми волнами с помощью электроники.

Оптика, наука о свете , занимается не только видимым светом , но также инфракрасным и ультрафиолетовым излучением , которые проявляют все явления видимого света, кроме видимости, например, отражение, преломление, интерференцию, дифракцию, дисперсию и поляризацию света. . Теплота есть форма энергии , внутренняя энергия, которой обладают частицы, из которых состоит вещество; термодинамика имеет дело с отношениями между теплом и другими формами энергии. Электричество и магнетизм изучаются как единая ветвь физики с тех пор, как в начале 19 в. была открыта тесная связь между ними; электрический ток порождает магнитное поле , а изменяющееся магнитное поле индуцирует электрический ток. Электростатика имеет дело с покоящимися электрическими зарядами , электродинамика — с движущимися зарядами, а магнитостатика — с покоящимися магнитными полюсами.

Современный

Современная физика
${\ displaystyle {\ hat {H}} | \ psi _ {n} (t) \ rangle = i \ hbar {\ frac {\ partial {\ partial t}} | \ psi _ {n} (t) \ диапазон }$ ${\ displaystyle G _ {\ mu \ nu} + \ Lambda g _ {\ mu \ nu} = {\ kappa} T _ {\ mu \ nu}}$ Уравнения поля Шредингера и Эйнштейна
Основатели Макс Планк  , Альберт Эйнштейн  , Нильс Бор ,  Макс Борн , Вернер Гейзенберг , Эрвин Шредингер , Паскуаль Джордан , Вольфганг Паули , Поль Дирак , Эрнест Резерфорд , Луи де Бройль , Сатьендра Нат Бозе
Концепции Топология  · Пространство  · Время  · Энергия  · Материя  · Работа Случайность  · Информация  · Энтропия  · Разум Свет  · Частица  · Волна
ветви Прикладной  · Экспериментальный  · Теоретический Математический  · Философия физики Квантовая механика ( Квантовая теория поля  · Квантовая информация  · Квантовые вычисления ) Электромагнетизм  · Слабое взаимодействие  · Электрослабое взаимодействие Сильное взаимодействие Атомное  · Частичное  · Ядерное Атомное, молекулярное и оптическое Конденсированное вещество  · Статистические Комплексные системы  · Нелинейная динамика  · Биофизика Нейрофизика Физика плазмы Специальная теория относительности  · Общая теория относительности Астрофизика  · Космология Теории гравитации Квантовая гравитация  · Теория всего
Ученые Виттен  · Рентген  · Беккерель  · Лоренц  · Планк  · Кюри  · Вена  · Склодовская-Кюри  · Зоммерфельд  · Резерфорд  · Содди  · Оннес  · Эйнштейн  · Вильчек  · Борн  · Вейль  · Бор  · Крамерс  · Шредингер  · де Бройль  · Лауэ  · Бозе  · Комптон  · Паули  · Уолтон  · Ферми  · Ван-дер-Ваальс  · Гейзенберг  · Дайсон  · Зееман  · Мозли  · Гильберт  · Гёдель  · Джордан  · Дирак  · Вигнер  · Хокинг  · П.В. Андерсон  · Леметр  · Томсон  · Пуанкаре  · Уилер  · Пенроуз  · Милликен  · Намбу  · фон Нейман  · Хиггс  · Хан  · Фейнман  · Ян  · Ли  · Ленард  · Салам  · 'т Хофт  · Вельтман  · Белл  · Гелл-Манн  · Дж. Дж. Томсон  · Раман  · Брэгг  · Бардин  · Шокли  · Чедвик  · Лоуренс  · Цайлингер  · Гоудсмит  · Уленбек
Категории Современная физика
в т е

Классическая физика обычно занимается материей и энергией в нормальном масштабе наблюдения, в то время как большая часть современной физики занимается поведением материи и энергии в экстремальных условиях или в очень большом или очень маленьком масштабе. Например, атомная и ядерная физика изучает материю в наименьшем масштабе, в котором могут быть идентифицированы химические элементы . Физика элементарных частиц имеет еще меньший масштаб, поскольку она касается самых основных единиц материи; эта область физики также известна как физика высоких энергий из-за чрезвычайно высоких энергий, необходимых для производства многих типов частиц в ускорителях частиц . В этом масштабе обычные представления здравого смысла о пространстве, времени, материи и энергии больше не действуют.

Две главные теории современной физики представляют картину понятий пространства, времени и материи, отличную от той, что представлена ​​классической физикой. Классическая механика приближает природу как непрерывную, в то время как квантовая теория занимается дискретной природой многих явлений на атомном и субатомном уровне и дополнительными аспектами частиц и волн при описании таких явлений. Теория относительности занимается описанием явлений, происходящих в системе отсчета , которая находится в движении относительно наблюдателя; специальная теория относительности занимается движением в отсутствие гравитационных полей, а общая теория относительности — движением и его связью с гравитацией . И квантовая теория, и теория относительности находят применение во всех областях современной физики.

Фундаментальные понятия современной физики

• причинность
• Ковариация
• Действие
• Физическое поле
• Симметрия
• Физическое взаимодействие
• Статистический ансамбль
• квант
• Волна
• Частица

Разница

Основные области физики

В то время как физика стремится открыть универсальные законы, ее теории лежат в явной области применимости.

Сольвеевская конференция 1927 года с участием таких выдающихся физиков, как Альберт Эйнштейн , Вернер Гейзенберг , Макс Планк , Хендрик Лоренц , Нильс Бор , Мария Кюри , Эрвин Шредингер и Поль Дирак.

Грубо говоря, законы классической физики точно описывают системы, важные масштабы длины которых больше, чем атомный масштаб, и чьи движения намного медленнее скорости света. За пределами этой области наблюдения не соответствуют предсказаниям классической механики. Эйнштейн разработал основу специальной теории относительности, которая заменила понятия абсолютного времени и пространства пространством -временем и позволила точно описать системы, компоненты которых имеют скорости, приближающиеся к скорости света. Планк, Шредингер и другие ввели квантовую механику, вероятностное понятие частиц и взаимодействий, которое позволило точно описать атомные и субатомные масштабы. Позже квантовая теория поля объединила квантовую механику и специальную теорию относительности. Общая теория относительности допускала динамическое искривленное пространство-время, с помощью которого можно хорошо описать массивные системы и крупномасштабную структуру Вселенной. Общая теория относительности еще не объединена с другими фундаментальными описаниями; разрабатывается несколько теорий-кандидатов квантовой гравитации .

Отношение к другим полям

Этот поток лавы в форме параболы иллюстрирует применение математики в физике — в данном случае, закон Галилея о падающих телах .

Математика и онтология используются в физике. Физика используется в химии и космологии.

Предпосылки

Математика предлагает компактный и точный язык, используемый для описания порядка в природе. Это отмечали и отстаивали Пифагор , Платон , Галилей и Ньютон.

Физика использует математику для организации и формулирования экспериментальных результатов. Из этих результатов получаются точные или оценочные решения или количественные результаты, на основании которых можно делать новые предсказания и экспериментально подтверждать или опровергать их. Результаты физических экспериментов представляют собой числовые данные с их единицами измерения и оценками погрешностей измерений. Технологии, основанные на математике, такие как вычисления , сделали вычислительную физику активной областью исследований.

Различие между математикой и физикой четкое, но не всегда очевидное, особенно в математической физике.

Онтология является необходимым условием для физики, но не для математики. Это означает, что физика, в конечном счете, связана с описанием реального мира, а математика связана с абстрактными закономерностями даже за пределами реального мира. Таким образом, утверждения физики являются синтетическими, тогда как математические утверждения являются аналитическими. Математика содержит гипотезы, а физика содержит теории. Математические утверждения должны быть только логически верными, в то время как предсказания физических утверждений должны соответствовать наблюдаемым и экспериментальным данным.

Различие четкое, но не всегда очевидное. Например, математическая физика — это приложение математики к физике. Его методы математические, но его предмет физический. Проблемы в этой области начинаются с « математической модели физической ситуации » (системы) и «математического описания физического закона», который будет применяться к этой системе. Каждое математическое утверждение, используемое для решения, имеет труднодоступный физический смысл. Окончательное математическое решение легче найти, потому что это то, что ищет решатель.

Чистая физика является отраслью фундаментальной науки (также называемой фундаментальной наукой). Физику также называют « фундаментальной наукой», потому что все отрасли естественных наук, такие как химия, астрономия, геология и биология, подчиняются законам физики. Точно так же химию часто называют центральной наукой из-за ее роли в соединении физических наук. Например, химия изучает свойства, структуру и реакции материи (ориентация химии на молекулярном и атомном уровне отличает ее от физики ). Структуры образуются, потому что частицы воздействуют друг на друга электрическими силами, свойства включают физические характеристики данных веществ, а реакции связаны законами физики, такими как сохранение энергии , массы и заряда . Физика применяется в таких отраслях, как машиностроение и медицина.

Применение и влияние

Классическая физика, реализованная в инженерно-акустической модели отражения звука от акустического диффузора

Винт Архимеда , простая машина для подъема

Эксперимент с лазером

Прикладная физика — это общий термин для физических исследований, предназначенный для конкретного использования. Учебная программа по прикладной физике обычно содержит несколько занятий по прикладным дисциплинам, таким как геология или электротехника. Обычно он отличается от инженерии тем, что физик-прикладник может не проектировать что-то конкретное, а скорее использовать физику или проводить физические исследования с целью разработки новых технологий или решения проблемы.

Подход аналогичен подходу прикладной математики . Физики-прикладники используют физику в научных исследованиях. Например, люди, работающие над физикой ускорителей , могут стремиться создать более совершенные детекторы частиц для исследований в области теоретической физики.

Физика широко используется в технике. Например, статика, раздел механики , используется при строительстве мостов и других статических сооружений. Понимание и использование акустики приводит к лучшему управлению звуком и концертным залам; точно так же использование оптики позволяет создавать более совершенные оптические устройства. Понимание физики делает авиасимуляторы , видеоигры и фильмы более реалистичными и часто имеет решающее значение в судебных расследованиях.

Согласно общепринятому мнению , что законы физики универсальны и не меняются со временем, физику можно использовать для изучения вещей, которые обычно погрязли бы в неопределенности . Например, при изучении происхождения Земли можно разумно моделировать массу, температуру и скорость вращения Земли как функцию времени, что позволяет экстраполировать вперед или назад во времени и, таким образом, предсказывать будущие или предшествующие события. Это также позволяет проводить инженерное моделирование, которое значительно ускоряет разработку новой технологии.

Но существует также значительная междисциплинарность , поэтому многие другие важные области находятся под влиянием физики (например, области эконофизики и социофизики ).

Исследовательская работа

Научный метод

Физики используют научный метод для проверки обоснованности физической теории . Используя методический подход для сравнения следствий теории с выводами, сделанными из связанных с ней экспериментов и наблюдений, физики могут лучше проверить правильность теории логическим, беспристрастным и воспроизводимым способом. С этой целью проводятся эксперименты и наблюдения, чтобы определить правильность или несостоятельность теории.

Научный закон — это краткая словесная или математическая формулировка отношения, выражающая фундаментальный принцип какой-либо теории, такой как закон всемирного тяготения Ньютона.

Теория и эксперимент

Астронавт и Земля находятся в свободном падении .

Молния - это электрический ток .

Теоретики стремятся разработать математические модели , которые одновременно согласуются с существующими экспериментами и успешно предсказывают будущие экспериментальные результаты, в то время как экспериментаторы разрабатывают и проводят эксперименты для проверки теоретических предсказаний и изучения новых явлений. Хотя теория и эксперимент разрабатываются отдельно, они сильно влияют друг на друга и зависят друг от друга. Прогресс в физике часто происходит, когда экспериментальные результаты не поддаются объяснению с помощью существующих теорий, что побуждает уделять пристальное внимание применимому моделированию, и когда новые теории дают экспериментально проверяемые предсказания , которые вдохновляют на разработку новых экспериментов (и часто соответствующего оборудования).

Физики , которые работают над взаимодействием теории и эксперимента, называются феноменологами , которые изучают сложные явления, наблюдаемые в эксперименте, и работают над тем, чтобы связать их с фундаментальной теорией .

Теоретическая физика исторически черпала вдохновение из философии; электромагнетизм был объединен таким образом. Помимо известной вселенной, область теоретической физики также имеет дело с гипотетическими проблемами, такими как параллельные вселенные , мультивселенная и более высокие измерения . Теоретики обращаются к этим идеям в надежде решить определенные проблемы с помощью существующих теорий; затем они исследуют последствия этих идей и работают над созданием проверяемых прогнозов.

Экспериментальная физика расширяется и расширяется за счет техники и технологии . Физики-экспериментаторы, участвующие в фундаментальных исследованиях , проектируют и проводят эксперименты с таким оборудованием, как ускорители частиц и лазеры , тогда как те, кто занимается прикладными исследованиями , часто работают в промышленности, разрабатывая такие технологии, как магнитно-резонансная томография (МРТ) и транзисторы . Фейнман заметил, что экспериментаторы могут искать области, которые недостаточно исследованы теоретиками.

Объем и цели

Физика включает в себя моделирование мира природы с помощью теории, обычно количественной. Здесь путь частицы моделируется с помощью математики исчисления , чтобы объяснить ее поведение: область применения раздела физики, известного как механика .

Физика охватывает широкий спектр явлений , от элементарных частиц (таких как кварки, нейтрино и электроны) до крупнейших сверхскоплений галактик. В эти явления включены самые основные объекты, из которых состоят все остальные вещи. Поэтому физику иногда называют «фундаментальной наукой». Физика стремится описывать различные явления, происходящие в природе, с точки зрения более простых явлений. Таким образом, физика стремится связать вещи, наблюдаемые человеком, с первопричинами, а затем связать эти причины вместе.

Например, древние китайцы заметили, что некоторые горные породы ( магнитный магнит и магнетит ) притягиваются друг к другу невидимой силой. Этот эффект позже был назван магнетизмом, который был впервые тщательно изучен в 17 веке. Но еще до того, как китайцы открыли магнетизм, древние греки знали о других предметах, таких как янтарь , который при трении о мех вызывал подобное невидимое притяжение между ними. Это также было впервые тщательно изучено в 17 веке и стало называться электричеством. Таким образом, физика пришла к пониманию двух наблюдений природы с точки зрения некоторой первопричины (электричества и магнетизма). Однако дальнейшая работа в 19 веке показала, что эти две силы были всего лишь двумя разными аспектами одной силы — электромагнетизма. Этот процесс «объединения» сил продолжается и сегодня, и теперь электромагнетизм и слабое ядерное взаимодействие считаются двумя аспектами электрослабого взаимодействия . Физика надеется найти окончательную причину (теорию всего), почему природа такая, какая она есть (дополнительную информацию см. В разделе « Текущие исследования » ниже).

Области исследований

Современные исследования в области физики можно в целом разделить на физику ядра и элементарных частиц; физика конденсированного состояния ; атомная, молекулярная и оптическая физика ; астрофизика ; и прикладная физика. Некоторые факультеты физики также поддерживают исследования в области физического образования и информационно- просветительскую деятельность .

С 20-го века отдельные области физики становятся все более специализированными, и сегодня большинство физиков работают в одной области на протяжении всей своей карьеры. «Универсалисты», такие как Эйнштейн (1879–1955) и Лев Ландау (1908–1968), работавшие в нескольких областях физики, сейчас очень редки.

Основные области физики вместе с их подобластями, теориями и концепциями, которые они используют, показаны в следующей таблице.

Ядерный и частица

Смоделированное событие в детекторе CMS Большого адронного коллайдера , демонстрирующее возможное появление бозона Хиггса .

Физика элементарных частиц изучает элементарные составляющие материи и энергии и взаимодействия между ними. Кроме того, физики элементарных частиц проектируют и разрабатывают ускорители высоких энергий, детекторы и компьютерные программы, необходимые для этих исследований. Эту область также называют «физикой высоких энергий», потому что многие элементарные частицы не возникают в природе, а создаются только в результате столкновений других частиц с высокой энергией.

В настоящее время взаимодействия элементарных частиц и полей описываются Стандартной моделью . Модель учитывает 12 известных частиц материи ( кварки и лептоны ), которые взаимодействуют посредством сильных , слабых и электромагнитных фундаментальных сил . Динамика описывается в терминах обмена частицами вещества калибровочными бозонами ( глюонами , W- и Z-бозонами и фотонами соответственно). Стандартная модель также предсказывает существование частицы, известной как бозон Хиггса. В июле 2012 года ЦЕРН, европейская лаборатория физики элементарных частиц, объявила об обнаружении частицы, совместимой с бозоном Хиггса, составной частью механизма Хиггса .

Ядерная физика — это область физики, изучающая составные части и взаимодействия атомных ядер . Наиболее широко известными приложениями ядерной физики являются ядерная энергетика и технологии ядерного оружия , но исследования нашли применение во многих областях, в том числе в ядерной медицине и магнитно-резонансной томографии, ионной имплантации в материаловедении и радиоуглеродном датировании в геологии и археологии. .

Атомные, молекулярные и оптические

Атомная, молекулярная и оптическая физика (АМО) — это изучение взаимодействий материи и материи и света и материи в масштабе отдельных атомов и молекул. Три области сгруппированы вместе из-за их взаимосвязи, сходства используемых методов и общности их соответствующих энергетических шкал. Все три области включают как классические, так и полуклассические и квантовые методы лечения; они могут рассматривать свой предмет с микроскопической точки зрения (в отличие от макроскопической точки зрения).

Атомная физика изучает электронные оболочки атомов. Текущие исследования сосредоточены на действиях в области квантового управления, охлаждения и захвата атомов и ионов, динамики низкотемпературных столкновений и влияния электронной корреляции на структуру и динамику. Атомная физика находится под влиянием ядра (см. Сверхтонкое расщепление ), но внутриядерные явления, такие как деление и синтез , считаются частью ядерной физики.

Молекулярная физика фокусируется на многоатомных структурах и их внутренних и внешних взаимодействиях с материей и светом. Оптическая физика отличается от оптики тем, что она имеет тенденцию сосредотачиваться не на управлении классическими световыми полями макроскопическими объектами, а на фундаментальных свойствах оптических полей и их взаимодействии с веществом в микроскопической области.

Конденсированное вещество

Данные о распределении скоростей газа атомов рубидия , подтверждающие открытие новой фазы вещества - конденсата Бозе-Эйнштейна .

Физика конденсированного состояния — это область физики, изучающая макроскопические физические свойства материи. В частности, речь идет о «конденсированных» фазах , возникающих всякий раз, когда число частиц в системе чрезвычайно велико и взаимодействия между ними сильны.

Наиболее известными примерами конденсированных фаз являются твердые тела и жидкости , которые возникают в результате связи посредством электромагнитной силы между атомами. Более экзотические конденсированные фазы включают сверхтекучесть и конденсат Бозе-Эйнштейна , обнаруженные в некоторых атомных системах при очень низкой температуре, сверхпроводящую фазу, проявляемую электронами проводимости в некоторых материалах, а также ферромагнитную и антиферромагнитную фазы спинов на атомных решетках .

Физика конденсированного состояния — крупнейшая область современной физики. Исторически физика конденсированного состояния выросла из физики твердого тела, которая в настоящее время считается одним из ее основных направлений. Термин « физика конденсированного состояния », по- видимому, был придуман Филипом Андерсоном , когда он переименовал свою исследовательскую группу — ранее занимавшуюся теорией твердого тела — в 1967 году. В 1978 году Отдел физики твердого тела Американского физического общества был переименован в Отдел физики конденсированного состояния. . Физика конденсированного состояния во многом пересекается с химией, материаловедением , нанотехнологиями и инженерией.

Астрофизика

Самое глубокое изображение Вселенной в видимом свете , сверхглубокое поле Хаббла

Астрофизика и астрономия — это применение теорий и методов физики к изучению строения звёзд , эволюции звёзд , происхождению Солнечной системы и связанных с ними проблем космологии . Поскольку астрофизика является широким предметом, астрофизики обычно применяют многие дисциплины физики, включая механику, электромагнетизм, статистическую механику, термодинамику, квантовую механику, теорию относительности, ядерную физику и физику элементарных частиц, а также атомную и молекулярную физику.

Открытие Карлом Янским в 1931 году того, что радиосигналы излучаются небесными телами, положило начало науке радиоастрономии . Совсем недавно границы астрономии расширились за счет освоения космоса. Возмущения и помехи от земной атмосферы делают космические наблюдения необходимыми для инфракрасной , ультрафиолетовой , гамма- и рентгеновской астрономии .

Физическая космология — это изучение образования и эволюции Вселенной в ее самых больших масштабах. Теория относительности Альберта Эйнштейна играет центральную роль во всех современных космологических теориях. В начале 20-го века открытие Хабблом того, что Вселенная расширяется, как показано на диаграмме Хаббла , вызвало конкурирующие объяснения, известные как стационарное состояние Вселенной и Большой взрыв .

Большой взрыв был подтвержден успехом нуклеосинтеза Большого взрыва и открытием космического микроволнового фона в 1964 году. Модель Большого взрыва опирается на два теоретических столпа: общую теорию относительности Альберта Эйнштейна и космологический принцип . Космологи недавно создали модель эволюции Вселенной ΛCDM , которая включает космическую инфляцию , темную энергию и темную материю .

Ожидается, что в предстоящее десятилетие благодаря новым данным, полученным с помощью космического гамма-телескопа Ферми , появятся многочисленные возможности и открытия, которые значительно изменят или прояснят существующие модели Вселенной. В частности, в ближайшие несколько лет возможен огромный потенциал открытия темной материи. Ферми будет искать доказательства того, что темная материя состоит из слабо взаимодействующих массивных частиц , дополняя аналогичные эксперименты с Большим адронным коллайдером и другими подземными детекторами.

IBEX уже дает новые астрофизические открытия: «Никто не знает, что создает ленту ENA (энергетически нейтральных атомов) «вдоль завершающей ударной волны солнечного ветра », но все согласны с тем, что это означает хрестоматийную картину гелиосферы , в которой Охватывающий карман Солнечной системы, заполненный заряженными частицами солнечного ветра, прорывается сквозь набегающий «галактический ветер» межзвездной среды в форме кометы — это неправильно».

Текущее исследование

Диаграмма Фейнмана, подписанная Р. П. Фейнманом .

Типичное явление, описываемое физикой: магнит , левитирующий над сверхпроводником , демонстрирует эффект Мейснера .

Исследования в области физики постоянно развиваются по большому количеству направлений.

В физике конденсированного состояния важной нерешенной теоретической проблемой является проблема высокотемпературной сверхпроводимости . Многие эксперименты с конденсированными веществами направлены на создание работающей спинтроники и квантовых компьютеров .

В физике элементарных частиц начали появляться первые экспериментальные доказательства существования физики за пределами Стандартной модели. В первую очередь это указания на то, что нейтрино имеют ненулевую массу . Эти экспериментальные результаты, по-видимому, решили давнюю проблему солнечных нейтрино , и физика массивных нейтрино остается областью активных теоретических и экспериментальных исследований. Большой адронный коллайдер уже обнаружил бозон Хиггса, но будущие исследования направлены на доказательство или опровержение суперсимметрии, которая расширяет Стандартную модель физики элементарных частиц. В настоящее время также продолжаются исследования природы главных загадок темной материи и темной энергии.

Хотя в физике высоких энергий, квантовой и астрономической физике достигнут значительный прогресс , многие повседневные явления, связанные со сложностью , хаосом или турбулентностью , все еще плохо изучены. Сложные проблемы, которые, казалось бы, могут быть решены с помощью разумного применения динамики и механики, остаются нерешенными; примеры включают образование песчаных куч, узлов в капающей воде, форму капель воды, механизмы катастроф поверхностного натяжения и самосортировку в сотрясаемых разнородных коллекциях.

Эти сложные явления привлекают все большее внимание с 1970-х годов по нескольким причинам, включая доступность современных математических методов и компьютеров, которые позволили моделировать сложные системы по-новому. Сложная физика стала частью все более междисциплинарных исследований, о чем свидетельствует изучение турбулентности в аэродинамике и наблюдение за формированием структур в биологических системах. В « Ежегодном обзоре гидромеханики» за 1932 год Гораций Лэмб сказал:

Я уже старый человек, и когда я умру и попаду на небеса, я надеюсь на просветление в двух вопросах. Одна из них — квантовая электродинамика, а другая — турбулентное движение жидкостей. А насчет первого я настроен довольно оптимистично.

Смотрите также

Заметки

использованная литература

Источники

внешние ссылки

• PhysicsCentral - веб-портал, управляемый Американским физическим обществом .
• Physics.org - веб-портал Института физики.
• Часто задаваемые вопросы по физике Usenet - часто задаваемые вопросы, составленные sci.physics и другими группами новостей по физике.
• Веб-сайт Нобелевской премии по физике - награда за выдающийся вклад в эту тему.
• Мир физики – Электронный энциклопедический словарь по физике
• Физика природы — Академический журнал
• Physics - Интернет-журнал Американского физического общества .
• Физика / Публикации в Curlie - Каталог СМИ, связанных с физикой
• Vega Science Trust - научные видео, включая физику
• Веб-сайт HyperPhysics - карта разума по физике и астрономии от Университета штата Джорджия .
• ФИЗИКА в Массачусетском технологическом институте OCW - материалы онлайн-курса Массачусетского технологического института.