Fizyka

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
(Przekierowano z Fizyk)
Skocz do: nawigacja, szukaj
To, co nazywamy fizyką, obejmuje całą grupę nauk przyrodniczych, które opierają swe teorie na pomiarach i których idee i twierdzenia dają się sformułować za pomocą matematyki. Albert Einstein

Fizyka (z stgr. φύσις physis – "natura") – nauka przyrodnicza zajmująca się badaniem właściwości i przemian materii i energii oraz oddziaływań między nimi. Do opisu zjawisk fizycznych fizycy używają wielkości fizycznych, wyrażonych za pomocą pojęć matematycznych, takich jak liczba, wektor, tensor. Tworząc hipotezy i teorie fizyki, budują relacje pomiędzy wielkościami fizycznymi.

Fizyka jest ściśle związana z innymi naukami przyrodniczymi, szczególnie z chemią. Chemicy przyjmują teorie fizyki dotyczące cząsteczek i związków chemicznych (mechanika kwantowa, termodynamika) i za ich pomocą tworzą teorie w ich własnych dziedzinach badań. Fizyka zajmuje szczególne miejsce w naukach przyrodniczych, ponieważ wyjaśnia podstawowe zależności obowiązujące w przyrodzie.

Przegląd fizyki[edytuj | edytuj kod]

Fizyka eksperymentalna a teoretyczna[edytuj | edytuj kod]

Kultura badań fizycznych różni się od innych nauk tym, że istnieje w niej fundamentalny i powszechnie uznawany podział na teorię i eksperyment. Od początku XX wieku większość fizyków pozostaje specjalistami albo w fizyce teoretycznej, albo w fizyce doświadczalnej. Zaskakująco mało fizyków odnosi sukcesy w obu rodzajach badań. Dla porównania, większość wybitnych teoretyków chemii i biologii z powodzeniem pracuje też eksperymentalnie.

Praca fizyków-teoretyków polega na rozwijaniu teorii, za pomocą których można opisać i interpretować wyniki doświadczeń oraz możliwie dokładnie przewidzieć wyniki przyszłych doświadczeń. Z drugiej strony, fizycy doświadczalni wykonują eksperymenty, żeby zbadać nowe zjawiska i sprawdzić przewidywania teoretyczne. Ważną częścią pracy fizyka doświadczalnego jest też często budowanie własnej aparatury, szczególnie w pionierskich gałęziach fizyki, gdzie potrzebny sprzęt jest niedostępny. Mimo że działania teoretyków wydają się czasem oderwane od prac fizyków doświadczalnych , są w istocie ze sobą ściśle powiązane i od siebie zależne. Postęp w fizyce teoretycznej często zaczyna się od doświadczeń, których stara teoria nie potrafi wyjaśnić – i na odwrót, nowatorskie przewidywania teoretyczne stwarzają potrzebę przeprowadzenia nowych doświadczeń a czasem również nowych technik doświadczalnych. Każdy fakt doświadczalny wymaga uzasadnienia teoretycznego, tak jak każda teoria musi być potwierdzona doświadczalnie by stać się paradygmatem. Dlatego np. M-teoria pozostaje tylko spekulacją, ponieważ nie dość, że nie potwierdzono jej eksperymentalnie, to nawet nie wymyślono jeszcze żadnego testu eksperymentalnego, który mógłby ją potwierdzić.

Centralnym elementem eksperymentu jest pomiar dobrze określonej wielkości fizycznej, a warunkiem niezbędnym uzyskania z niego wartościowych informacji prawidłowy dobór przyrządów pomiarowych oraz metod analizy otrzymanych danych. Obróbka danych często opiera się na statystyce, regułach prawdopodobieństwa oraz odpowiednich metodach numerycznych.

Podobnie fizyka teoretyczna ma własny zestaw metod naukowych, które pozwalają stworzyć adekwatne modele i paradygmaty. Opracowane teorie zazwyczaj korzystają z różnych metod matematyki, analitycznych i syntetycznych. Kluczową rolę w rozważaniach teoretycznych odgrywają hipotezy i proces dedukcji.

Główne teorie[edytuj | edytuj kod]

W fizyce część teorii jest uznana przez wszystkich fizyków. Każdą z tych teorii uważa się za fundamentalnie prawdziwą w określonym dla niej zakresie. Na przykład, mechanika klasyczna precyzyjnie opisuje ruch ciał pod warunkiem, że są one dużo większe od atomów i poruszają się z prędkościami dużo mniejszymi niż prędkość światła. Niektóre teorie, są nadal obszarami badań – zaskakujący aspekt mechaniki klasycznej znany jako chaos przebadano w XX wieku, trzysta lat po jego sformułowaniu przez Newtona wprowadzając mechanikę statystyczną.

Teoria Działy Pojęcia
mechanika klasyczna zasady dynamiki Newtona, teoria chaosu, mechanika płynów wymiar, przestrzeń, czas, ruch, prędkość, masa, pęd, siła, energia, moment pędu, moment siły, prawa zachowania, oscylator harmoniczny, fala, praca, moc, tarcie
termodynamika i mechanika statystyczna kinetyczno-molekularna teoria gazów stała Boltzmanna, entropia, energia swobodna, ciepło, temperatura, gaz doskonały, perpetuum mobile
elektrodynamika klasyczna elektrostatyka, elektryczność, magnetyzm, równania Maxwella ładunek elektryczny, prąd, pole fizyczne, pole elektrostatyczne, pole magnetyczne, pole elektromagnetyczne, promieniowanie elektromagnetyczne
teoria względności szczególna teoria względności, ogólna teoria względności układ odniesienia, prędkość światła, czasoprzestrzeń, czterowektor, transformacja Lorentza
mechanika kwantowa równanie Schrödingera, kwantowa teoria pola, elektrodynamika kwantowa, chromodynamika kwantowa stała Plancka, hamiltonian, funkcja falowa

Działy szczegółowe fizyki[edytuj | edytuj kod]

Współczesne badania fizyczne można podzielić na kilka wyraźnych działów, które zajmują się różnymi aspektami świata materialnego. Fizyka fazy skondensowanej dotyczy własności materii i jej związków z własnościami i oddziaływaniami atomów, z których się składa. Fizyka atomów, cząsteczek i zjawisk optycznych opisuje pojedyncze atomy i cząsteczki oraz ich oddziaływania ze światłem. Fizyka cząstek elementarnych (znana też jako fizyka wysokich energii) z kolei bada cząstki submikroskopowe mniejsze od atomów i poszukuje elementarnych cząstek budujących wszystkie inne jednostki materii. Astrofizyka wykorzystuje prawa fizyki, żeby tłumaczyć zjawiska astronomiczne, na przykład zjawiska związane ze Słońcem, Układem Słonecznym oraz Wszechświatem jako całością.

Działy Poddziały Główne teorie Pojęcia
astrofizyka kosmologia, nauki planetarne, fizyka plazmy ogólna teoria względności, Wielki Wybuch, inflacja kosmologiczna fale grawitacyjne, gwiazda, Układ Słoneczny, planeta, galaktyka, czarna dziura, mikrofalowe promieniowanie tła
fizyka atomów, cząsteczek, i zjawisk optycznych fizyka atomowa, optyka, fotonika optyka kwantowa atom, dyfrakcja, promieniowanie, laser, polaryzacja, linie spektralne
fizyka cząstek elementarnych fizyka jądrowa model standardowy, teorie wielkiej unifikacji, teoria superstrun, M-teoria oddziaływania podstawowe (grawitacyjne, elektromagnetyczne, słabe, silne), cząstka elementarna, antymateria, teoria wszystkiego
fizyka fazy skondensowanej fizyka ciała stałego, fizyka polimerów, fizyka niskich temperatur gaz Fermiego, Teoria BCS stan skupienia materii (faza gazowa, faza ciekła, ciało stałe, kondensat Bosego-Einsteina, faza nadprzewodząca, faza nadciekła), przewodnictwo elektryczne, magnetyzm, samoorganizacja, spin, półprzewodnik

Działy fizyki są ze sobą ściśle powiązane i zasięg stosowania teorii i modeli często wykracza poza prosty podział zaprezentowany powyżej. Przykładowo fizyka materii skondensowanej zajmująca się układami silnie skorelowanych fermionów jest stosowana do efektów obserwowanych w gwiazdach neutronowych, które są podstawową domeną astronomii. Wynika to stąd, że fizyka jako nauka jest spójna i poszczególne modele i teorie opracowywane w poszczególnych działach mają te same podstawy oraz mogą mieć zastosowanie w innych działach. Podstawowe teorie, takie jak mechanika kwantowa, kwantowa teoria pola, elektrodynamika kwantowa, teoria grawitacji, są sformułowane w sposób ogólny i obowiązują w całej fizyce.

Działy interdyscyplinarne i pokrewne[edytuj | edytuj kod]

Wiele badań łączy fizykę z innym dziedzinami nauki. Dla przykładu, szeroki zakres biofizyki obejmuje wszystkie zagadnienia dotyczące układów biologicznych, w których stosuje się zasady fizyki. W chemii kwantowej z kolei opisuje się i przewiduje zachowania atomów i molekuł na podstawie teorii mechaniki kwantowej.

AgrofizykaAstronomiaBadania materiałoweBiofizykaChemia fizycznaChemia kwantowaElektronikaFizyka komputerowaFizyka medycznaFizyka matematycznaGeofizykaInformatyka kwantowaInżynieriaMechanika komputerowaNowe technologieEkonofizyka

Ważne prawa[edytuj | edytuj kod]

Dobrze sprecyzowane i powszechnie przyjęte teorie są przedstawiane jako prawa fizyki. Chociaż wszystkie naukowe teorie są w zasadzie tymczasowe i obowiązują tylko w pewnym zakresie, prawa fizyczne zostały wielokrotnie sprawdzone, a ich zakres stosowalności dobrze określony.

Prawo FaradayaPrawo OhmaZasady dynamiki NewtonaZasada minimum energii potencjalnejZasada nieoznaczonościZasada odpowiedniościZasada równoważnościZasada wzajemnościZasada względnościprawa zachowania (Zasady zachowania)

Ważne równania[edytuj | edytuj kod]

Wiele praw fizycznych może być opisana za pomocą relacji odpowiednich wielkości. Zapis matematyczny takich relacji nazywa się równaniem.

Równanie stanu gazu doskonałegoRównanie Clapeyrona (Clapeyrona) – Równanie BernoulliegoRównania Eulera-Lagrange'aRównania HamiltonaRównania MaxwellaRównanie Schroedingera

Tablice fizyczne[edytuj | edytuj kod]

Historia fizyki[edytuj | edytuj kod]

 Osobny artykuł: Historia fizyki.

Chwila, od której człowiek zaczął interesować się poznawaniem przyrody, jest trudna do określenia. Najdawniejsze ślady kultur sprzed 5000 lat znalezione w dolinach Nilu, Eufratu i Tygrysu, świadczą o prymitywnych próbach wykorzystania natury. Jednak z czasem na podstawie obserwacji ludzkość posiadła sztukę wytwarzania narzędzi, uprawy pól, wytopu metali i sztukę liczenia. Poprzez obserwację powtarzalności zjawisk stworzono kalendarz.

W starożytności fizyka była traktowana jako część filozofii. Arystoteles dokonał podziału filozofii na fizykę – dział traktujący o zjawiskach przyrodniczych i metafizykę (ontologię i epistemologię, czyli nauki dotyczące samej istoty bytu i możliwości jego poznania) oraz etykę i logikę. Fizyka aż do XVI w. była uprawiana, podobnie jak pozostałe działy filozofii, głównie poprzez rozważania teoretyczne. Dopiero od czasów Mikołaja Kopernika zaczęła wzrastać rola pomiaru i doświadczenia w poznaniu rzeczywistości i fizyka zaczęła wyrastać na niezależną naukę ze specyficznym dla siebie aparatem pojęciowym i metodami badawczymi. Reliktem pozostałym po filozoficznej genezie fizyki jest termin filozofia naturalna w języku angielskim będący jeszcze często synonimem fizyki (w Oksfordzie nadaje się tytuły naukowe nie z fizyki, tylko z filozofii naturalnej)[1].

Obecny zakres zainteresowania fizyki ukształtował się w XIX i na początku XX wieku, również wówczas zarysował się podstawowy podział fizyki na klasyczne działy: mechanikę, optykę, naukę o cieple, elektryczność i magnetyzm. Fizyka odkrywając nowe zjawiska, opisując je, tworząc teorie pozwalające przewidywać nowe efekty, stała się motorem napędowym gwałtownego rozwoju techniki i doprowadziła do rewolucyjnych zmian cywilizacyjnych. Proces ten trwa do dzisiaj, a nawet intensyfikuje się.

Dawne znaczenie[edytuj | edytuj kod]

  • Pojęciem fizyk (z łaciny physicus) określano w Polsce i w Niemczech od średniowiecza do drugiej połowy XIX wieku "lekarza miejskiego lub powiatowego" (pol. Fizyk miejski, niem. Stadtphysicus).

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]

Przypisy

  1. Szczepan Szczeniowski, Fizyka doświadczalna (rozdz. Fizyka jako nauka)

Linki zewnętrzne[edytuj | edytuj kod]