Физика — это научная дисциплина, которая стремится строить и экспериментально проверять теории физической вселенной. Эти теории различаются по своему охвату и могут быть организованы в несколько отдельных ветвей, которые описаны в этой статье.
Классическая механика — это модель физики сил , действующих на тела; включает в себя подполя для описания поведения твердых тел , газов и жидкостей . Ее часто называют «ньютоновской механикой» в честь Исаака Ньютона и его законов движения . Она также включает в себя классический подход, заданный методами Гамильтона и Лагранжа . Она имеет дело с движением частиц и общей системой частиц.
Существует множество разделов классической механики, таких как: статика , динамика , кинематика , механика сплошной среды (включая механику жидкости ), статистическая механика и т. д.
Первая глава «Фейнмановских лекций по физике» посвящена существованию атомов , которые Фейнман считал наиболее компактным изложением физики, из которого наука могла бы легко возникнуть, даже если бы все остальные знания были утеряны. [1] Моделируя материю как совокупность твердых сфер, можно описать кинетическую теорию газов , на которой основана классическая термодинамика.
Термодинамика изучает влияние изменений температуры , давления и объема на физические системы в макроскопическом масштабе, а также передачу энергии в виде тепла . [2] [3] Исторически термодинамика развивалась из желания повысить эффективность ранних паровых двигателей . [4]
Отправной точкой для большинства термодинамических соображений являются законы термодинамики , которые постулируют, что энергия может обмениваться между физическими системами в виде тепла или работы . [5] Они также постулируют существование величины, называемой энтропией , которая может быть определена для любой системы. [6] В термодинамике изучаются и классифицируются взаимодействия между большими ансамблями объектов. Центральными для этого являются концепции системы и окружения . Система состоит из частиц, чьи средние движения определяют ее свойства, которые, в свою очередь, связаны друг с другом посредством уравнений состояния . Свойства могут быть объединены для выражения внутренней энергии и термодинамических потенциалов , которые полезны для определения условий для равновесия и спонтанных процессов .
Изучение поведения электронов, электрических сред, магнитов, магнитных полей и общих взаимодействий света.
Специальная теория относительности связана с электромагнетизмом и механикой; то есть принцип относительности и принцип стационарного действия в механике могут быть использованы для вывода уравнений Максвелла [7] [ 8] и наоборот .
Специальная теория относительности была предложена в 1905 году Альбертом Эйнштейном в его статье « Об электродинамике движущихся тел ». Название статьи отсылает к тому факту, что специальная теория относительности разрешает противоречие между уравнениями Максвелла и классической механикой. Теория основана на двух постулатах : (1) что математические формы законов физики инвариантны во всех инерциальных системах ; и (2) что скорость света в вакууме постоянна и не зависит от источника или наблюдателя. Согласование двух постулатов требует объединения пространства и времени в зависимую от системы отсчета концепцию пространства-времени .
Общая теория относительности — геометрическая теория гравитации, опубликованная Альбертом Эйнштейном в 1915/16 годах. [9] [10] Она объединяет специальную теорию относительности, закон всемирного тяготения Ньютона и понимание того, что гравитация может быть описана искривлением пространства и времени. В общей теории относительности искривление пространства-времени создается энергией материи и излучения.
Квантовая механика — это раздел физики, изучающий атомные и субатомные системы и их взаимодействие, основанное на наблюдении, что все формы энергии высвобождаются в дискретных единицах или пучках, называемых « квантами ». Примечательно, что квантовая теория обычно допускает только вероятностный или статистический расчет наблюдаемых характеристик субатомных частиц, понимаемых в терминах волновых функций . Уравнение Шредингера играет в квантовой механике ту же роль, которую законы Ньютона и закон сохранения энергии играют в классической механике, т. е. оно предсказывает будущее поведение динамической системы и является волновым уравнением , которое используется для решения волновых функций.
Например, свет или электромагнитное излучение, испускаемое или поглощаемое атомом, имеет только определенные частоты (или длины волн ), как можно видеть из линейного спектра, связанного с химическим элементом, представленным этим атомом. Квантовая теория показывает, что эти частоты соответствуют определенным энергиям квантов света, или фотонов , и являются результатом того, что электроны атома могут иметь только определенные разрешенные значения энергии, или уровни; когда электрон переходит с одного разрешенного уровня на другой, испускается или поглощается квант энергии, частота которого прямо пропорциональна разнице энергий между двумя уровнями. Фотоэлектрический эффект далее подтвердил квантование света.
В 1924 году Луи де Бройль предположил, что не только световые волны иногда проявляют свойства частиц, но и частицы могут также проявлять волновые свойства. После предложения де Бройля были представлены две различные формулировки квантовой механики. Волновая механика Эрвина Шредингера (1926) включает использование математической сущности, волновой функции, которая связана с вероятностью нахождения частицы в данной точке пространства. Матричная механика Вернера Гейзенберга ( 1925) не упоминает волновые функции или подобные концепции, но было показано, что она математически эквивалентна теории Шредингера. Особенно важным открытием квантовой теории является принцип неопределенности , сформулированный Гейзенбергом в 1927 году, который накладывает абсолютный теоретический предел на точность определенных измерений; в результате пришлось отказаться от предположения более ранних ученых о том, что физическое состояние системы можно точно измерить и использовать для предсказания будущих состояний. Квантовая механика была объединена с теорией относительности в формулировке Поля Дирака . Другие разработки включают квантовую статистику , квантовую электродинамику , занимающуюся взаимодействием заряженных частиц и электромагнитных полей; и ее обобщение, квантовую теорию поля .
Теория струн
Возможный кандидат на теорию всего, эта теория объединяет общую теорию относительности и квантовую механику, чтобы создать единую теорию. Эта теория может предсказывать свойства как малых, так и больших объектов. Эта теория в настоящее время находится на стадии разработки.
Оптика изучает движение света, включая отражение, преломление, дифракцию и интерференцию.
Акустика — раздел физики, изучающий механические волны в различных средах.
Изучение физических свойств вещества в конденсированной фазе.
Физика элементарных частиц изучает природу частиц, а ядерная физика изучает атомные ядра .
Космология изучает, как возникла вселенная, и ее конечную судьбу. Ее изучают физики и астрофизики . Она также изучает вымышленные вселенные, созданные людьми, как возникли вселенные, и их конечную судьбу и разрушение.
К междисциплинарным областям, которые частично определяют отдельные науки, относятся, например,
В таблице ниже перечислены основные теории, а также многие концепции, которые они используют.