Физика — это научное изучение материи , ее основных составляющих , ее движения и поведения в пространстве и времени , а также связанных с ней сущностей энергии и силы . [1] Физика — одна из самых фундаментальных научных дисциплин. [2] [3] [4] Ученый, специализирующийся в области физики, называется физиком .
Физика является одной из старейших академических дисциплин и, благодаря включению в нее астрономии , возможно, самой старой. [5] На протяжении большей части последних двух тысячелетий физика, химия , биология и некоторые разделы математики были частью естественной философии , но во время научной революции в 17 веке эти естественные науки разделились на отдельные исследовательские начинания. [a] 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 [2] и предлагают новые направления исследований в этих и других академических дисциплинах, таких как математика и философия.
Достижения в области физики часто способствуют появлению новых технологий . Например, достижения в понимании электромагнетизма , физики твердого тела и ядерной физики привели непосредственно к разработке новых продуктов, которые кардинально изменили современное общество, таких как телевидение, компьютеры, бытовая техника и ядерное оружие ; [2] достижения в области термодинамики привели к развитию индустриализации; а достижения в области механики вдохновили на развитие исчисления .
Слово физика происходит от латинского physica («изучение природы»), которое само по себе является заимствованием греческого φυσική ( phusikḗ « естественная наука»), термина, полученного от φύσις ( phúsis «происхождение, природа, свойство»). [7] [8] [9]
Астрономия — одна из древнейших естественных наук . Ранние цивилизации, датируемые до 3000 г. до н. э., такие как шумеры , древние египтяне и цивилизация долины Инда , обладали предсказательными знаниями и базовыми знаниями о движениях Солнца, Луны и звезд. Звезды и планеты, которые, как считалось, представляли богов, часто подвергались поклонению. Хотя объяснения наблюдаемых положений звезд часто были ненаучными и не имели доказательств, эти ранние наблюдения заложили основу для более поздней астрономии, поскольку было обнаружено, что звезды пересекают большие круги по небу, [5] что не могло объяснить положения планет .
По словам Асгера Аабо , истоки западной астрономии можно найти в Месопотамии , и все западные усилия в области точных наук происходят от поздней вавилонской астрономии . [10] Египетские астрономы оставили памятники, демонстрирующие знание созвездий и движения небесных тел, [11] в то время как греческий поэт Гомер писал о различных небесных объектах в своих «Илиаде» и «Одиссее» ; более поздние греческие астрономы дали названия, которые используются и сегодня, для большинства созвездий, видимых из Северного полушария . [12]
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. [13] Они предлагали идеи, проверенные разумом и наблюдением, и многие из их гипотез оказались успешными в эксперименте; [14] например, атомизм был признан верным примерно через 2000 лет после того, как он был предложен Левкиппом и его учеником Демокритом . [15]
В классический период в Греции (VI, V и IV вв. до н. э.) и в эллинистические времена натурфилософия развивалась по многим направлениям исследования. Аристотель ( греч . Ἀριστοτέλης , Aristotélēs ) (384–322 гг. до н. э.), ученик Платона , писал по многим предметам, включая существенный трактат по « Физике » — в IV в. до н. э. Аристотелевская физика была влиятельной в течение примерно двух тысячелетий. Его подход смешивал некоторые ограниченные наблюдения с логическими дедуктивными аргументами, но не полагался на экспериментальную проверку выведенных утверждений. Основополагающая работа Аристотеля по физике, хотя и очень несовершенная, сформировала основу, на которой более поздние мыслители продолжали развивать эту область. Его подход сегодня полностью вытеснен.
Он объяснял такие идеи, как движение (и гравитация ) с помощью теории четырех элементов . Аристотель считал, что каждый из четырех классических элементов (воздух, огонь, вода, земля) имеет свое собственное естественное место. [16] Из-за их разной плотности каждый элемент вернется на свое собственное определенное место в атмосфере. [17] Таким образом, из-за их веса огонь будет наверху, воздух под огнем, затем вода, затем земля. Он также утверждал, что когда небольшое количество одного элемента попадает на естественное место другого, менее распространенный элемент автоматически отправится на свое собственное естественное место. Например, если на земле есть огонь, пламя поднимается в воздух, пытаясь вернуться на свое естественное место, где оно и должно быть. Его законы движения включали 1) более тяжелые объекты будут падать быстрее, скорость пропорциональна весу и 2) скорость падающего объекта обратно зависит от плотности объекта, через который он падает (например, плотности воздуха). [18] Он также утверждал, что когда речь идет о резком движении (движении объекта, когда к нему приложена сила со стороны второго объекта), то скорость, с которой движется этот объект, будет такой же быстрой или большой, как мера приложенной к нему силы. [18] Проблема движения и его причин была тщательно изучена, что привело к философскому понятию « перводвигателя » как конечного источника всего движения в мире (книга 8 его трактата «Физика »).
Западная Римская империя пала под натиском захватчиков и внутреннего упадка в пятом веке, что привело к упадку интеллектуальных занятий в Западной Европе. Напротив, Восточная Римская империя (обычно известная как Византийская империя ) сопротивлялась атакам захватчиков и продолжала развивать различные области знаний, включая физику. [19]
В VI веке Исидор Милетский создал важную компиляцию трудов Архимеда , которые скопированы в «Архимедовом палимпсесте» .
В шестом веке в Европе Иоанн Филопон , византийский ученый, подверг сомнению учение Аристотеля о физике и отметил его недостатки. Он ввел теорию импульса . Физика Аристотеля не подвергалась тщательному изучению до появления Филопона; в отличие от Аристотеля, который основывал свою физику на словесных аргументах, Филопон полагался на наблюдения. О физике Аристотеля Филопон писал:
Но это совершенно ошибочно, и наша точка зрения может быть подтверждена фактическим наблюдением более эффективно, чем любым словесным аргументом. Ибо если вы позволите упасть с одной и той же высоты двум грузам, из которых один во много раз тяжелее другого, вы увидите, что отношение времен, необходимых для движения, не зависит от отношения весов, но что разница во времени очень мала. И поэтому, если разница в весе незначительна, то есть один, скажем, вдвое больше другого, не будет никакой разницы или же будет незаметная разница во времени, хотя разница в весе отнюдь не пренебрежима, поскольку одно тело весит вдвое больше другого [20]
Критика Филопоном принципов физики Аристотеля послужила вдохновением для Галилео Галилея десять столетий спустя, [21] во время научной революции . Галилей в своих работах часто цитировал Филопона, утверждая, что физика Аристотеля была ошибочной. [22] [23] В 1300-х годах Жан Буридан , преподаватель факультета искусств Парижского университета , разработал концепцию импульса. Это был шаг к современным идеям инерции и импульса. [24]
Исламская наука унаследовала от греков физику Аристотеля и в течение исламского Золотого века развила ее дальше, уделяя особое внимание наблюдению и априорному рассуждению, развивая ранние формы научного метода .
Наиболее заметные инновации в исламской науке были в области оптики и зрения, [26] 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-Манацир), написанная Ибн аль-Хайтамом, в которой он представил альтернативу древнегреческой идее о зрении. [27] В своем Трактате о свете , а также в своем Китаб аль-Манацир он представил исследование феномена камеры-обскуры (его тысячелетняя версия камеры- обскуры ) и углубился в то, как работает сам глаз. Используя знания предыдущих ученых, он начал объяснять, как свет попадает в глаз. Он утверждал, что луч света фокусируется, но фактическое объяснение того, как свет проецируется на заднюю часть глаза, пришлось ждать до 1604 года. Его «Трактат о свете» объяснил работу камеры-обскуры за сотни лет до современного развития фотографии. [28]
Семитомная « Книга оптики» ( Kitab al-Manathir ) влияла на мышление [29] в различных дисциплинах от теории зрительного восприятия до природы перспективы в средневековом искусстве, как на Востоке, так и на Западе, на протяжении более 600 лет. Это включало более поздних европейских ученых и коллег-полиматов, от Роберта Гроссетеста и Леонардо да Винчи до Иоганна Кеплера .
Перевод « Книги оптики» оказал влияние на Европу. Благодаря ему европейские ученые более позднего времени смогли построить устройства, которые копировали те, что построил Ибн аль-Хайсам, и понять, как работает зрение.
Физика стала отдельной наукой, когда ранние европейцы Нового времени использовали экспериментальные и количественные методы для открытия того, что сейчас считается законами физики . [30] [ нужна страница ]
Основные события этого периода включают замену геоцентрической модели Солнечной системы гелиоцентрической моделью Коперника , законы, управляющие движением планетных тел (определенные Кеплером между 1609 и 1619 годами), новаторскую работу Галилея над телескопами и наблюдательной астрономией в 16-м и 17-м веках, а также открытие и объединение Исааком Ньютоном законов движения и всемирного тяготения (которые впоследствии стали носить его имя). [31] Ньютон также разработал исчисление , [b] математическое исследование непрерывного изменения, которое предоставило новые математические методы для решения физических задач. [32]
Открытие законов термодинамики , химии и электромагнетизма стало результатом исследовательских усилий во время промышленной революции , когда возросли потребности в энергии. [33] Законы, составляющие классическую физику, по-прежнему широко используются для объектов повседневных масштабов, движущихся с нерелятивистскими скоростями, поскольку они обеспечивают близкое приближение в таких ситуациях, а теории, такие как квантовая механика и теория относительности, упрощаются до своих классических эквивалентов в таких масштабах. Неточности в классической механике для очень малых объектов и очень высоких скоростей привели к развитию современной физики в 20 веке.
Современная физика началась в начале 20-го века с работы Макса Планка по квантовой теории и теории относительности Альберта Эйнштейна . Обе эти теории появились из-за неточностей в классической механике в определенных ситуациях. Классическая механика предсказывала, что скорость света зависит от движения наблюдателя, что не могло быть разрешено с помощью постоянной скорости, предсказанной уравнениями электромагнетизма Максвелла . Это несоответствие было исправлено специальной теорией относительности Эйнштейна , которая заменила классическую механику для быстро движущихся тел и допускала постоянную скорость света. [34] 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 тому, что теория квантовой механики улучшила классическую физику в очень малых масштабах. [35]
Квантовая механика была разработана Вернером Гейзенбергом , Эрвином Шрёдингером и Полем Дираком . [35] Из этой ранней работы и работ в смежных областях была выведена Стандартная модель физики элементарных частиц . [36] После открытия частицы со свойствами, соответствующими бозону Хиггса в ЦЕРНе в 2012 году, [37] 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. [38] Области математики в целом важны для этой области, такие как изучение вероятностей и групп .
Физика имеет дело с широким спектром систем, хотя определенные теории используются всеми физиками. Каждая из этих теорий была экспериментально проверена много раз и признана адекватным приближением природы. 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 областями активных исследований и сегодня. Теория хаоса , аспект классической механики, была открыта в 20 веке, через три столетия после первоначальной формулировки классической механики Ньютоном (1642–1727).
Эти центральные теории являются важными инструментами для исследования более специализированных тем, и любой физик, независимо от его специализации, должен быть в них грамотным. К ним относятся классическая механика, квантовая механика, термодинамика и статистическая механика , электромагнетизм и специальная теория относительности.
Классическая физика включает в себя традиционные разделы и темы, которые были признаны и хорошо развиты до начала 20-го века — классическая механика, акустика , оптика , термодинамика и электромагнетизм. Классическая механика занимается телами, на которые действуют силы , и телами в движении и может быть разделена на статику (изучение сил, действующих на тело или тела, не подверженные ускорению), кинематику (изучение движения без учета его причин) и динамику (изучение движения и сил, которые на него влияют); механика также может быть разделена на механику твердого тела и механику жидкости (известные вместе как механика сплошной среды ), последняя включает такие разделы, как гидростатика , гидродинамика и пневматика . Акустика — это изучение того, как звук производится, контролируется, передается и принимается. [39] Важные современные разделы акустики включают ультразвук , изучение звуковых волн очень высокой частоты за пределами диапазона человеческого слуха; биоакустика , физика звуков животных и слуха, [40] и электроакустика , манипуляция слышимыми звуковыми волнами с помощью электроники. [41]
Оптика, наука о свете, занимается не только видимым светом, но и инфракрасным и ультрафиолетовым излучением , которые демонстрируют все явления видимого света, за исключением видимости, например, отражение, преломление, интерференцию, дифракцию, дисперсию и поляризацию света. Тепло — это форма энергии, внутренняя энергия, которой обладают частицы, из которых состоит вещество; термодинамика занимается отношениями между теплом и другими формами энергии. Электричество и магнетизм изучались как единый раздел физики с тех пор, как в начале 19 века была обнаружена тесная связь между ними; электрический ток порождает магнитное поле , а изменяющееся магнитное поле индуцирует электрический ток. Электростатика занимается электрическими зарядами в состоянии покоя, электродинамика — движущимися зарядами, а магнитостатика — магнитными полюсами в состоянии покоя.
Классическая физика, как правило, занимается материей и энергией в обычном масштабе наблюдения, в то время как большая часть современной физики занимается поведением материи и энергии в экстремальных условиях или в очень большом или очень малом масштабе. Например, атомная и ядерная физика изучают материю в наименьшем масштабе, в котором могут быть идентифицированы химические элементы . Физика элементарных частиц находится в еще меньшем масштабе, поскольку она занимается самыми основными единицами материи; эта ветвь 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, здравые представления о пространстве, времени, материи и энергии больше недействительны. [42]
Две главные теории современной физики представляют иную картину понятий пространства, времени и материи, чем та, 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 в описании таких явлений. Теория относительности занимается описанием явлений, которые происходят 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 . Как квантовая теория, так и теория относительности находят применение во многих областях современной физики. [43]
Хотя сама физика стремится открыть универсальные законы, ее теории лежат в явно определенных областях применимости.
Грубо говоря, законы классической физики точно описывают системы, чьи важные масштабы длины больше атомного масштаба и чьи движения намного медленнее скорости света. За пределами этой области наблюдения не соответствуют предсказаниям, предоставленным классической механикой. Эйнштейн внес вклад в структуру специальной теории относительности, которая заменила понятия абсолютного времени и пространства на пространство-время 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 очень массивные системы и крупномасштабную структуру Вселенной. Общая теория относительности еще не объединена с другими фундаментальными описаниями; разрабатываются несколько потенциальных теорий квантовой гравитации .
Физика, как и остальная наука, опирается на философию науки и ее « научный метод » для продвижения знаний о физическом мире. [44] Научный метод использует априорные и апостериорные рассуждения, а также использование байесовского вывода для измерения обоснованности данной теории. [45] Изучение философских вопросов, окружающих физику, философия физики , включает в себя такие вопросы, как природа пространства и времени , детерминизм и метафизические взгляды, такие как эмпиризм , натурализм и реализм . [46]
Многие физики писали о философских последствиях своих работ, например, Лаплас , отстаивавший причинный детерминизм , [47] и Эрвин Шредингер , писавший о квантовой механике. [48] [49] Математический физик Роджер Пенроуз был назван платоником Стивеном Хокингом , [50] взгляд Пенроуз обсуждает в своей книге «Дорога к реальности » . [51] Хокинг называл себя «бесстыдным редукционистом» и не соглашался со взглядами Пенроуза. [52]
Математика предоставляет компактный и точный язык, используемый для описания порядка в природе. Это отмечали и отстаивали Пифагор , [53] Платон , [54] Галилей, [55] и Ньютон. Некоторые теоретики, такие как Хилари Патнэм и Пенелопа Мэдди , считают, что логические истины, а следовательно, и математические рассуждения зависят от эмпирического мира. Это обычно сочетается с утверждением, что законы логики выражают универсальные закономерности, обнаруженные в структурных особенностях мира, которые могут объяснить особую связь между этими полями.
Физика использует математику [56] для организации и формулирования экспериментальных результатов. Из этих результатов получаются точные или оценочные решения или количественные результаты, из которых можно сделать новые предсказания и экспериментально подтвердить или опровергнуть. 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.
Онтология является предпосылкой для физики, но не для математики. Это означает, что физика в конечном итоге занимается описаниями реального мира, в то время как математика занимается абстрактными моделями, даже за пределами реального мира. Таким образом, физические утверждения являются синтетическими, а математические утверждения — аналитическими. Математика содержит гипотезы, в то время как 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 применение математики в физике. Ее методы математические, но ее предмет — физический. [57] Проблемы в этой области начинаются с « математической модели физической ситуации » (системы) и «математического описания физического закона», который будет применен к этой системе. Каждое математическое утверждение, используемое для решения, имеет труднодоступный физический смысл. Конечное математическое решение имеет более простой для поиска смысл, потому что это то, что ищет решатель. [ необходимо разъяснение ]
Физика является разделом фундаментальной науки (также называемой базовой наукой). Физику также называют « фундаментальной наукой», потому что все разделы естественных наук, включая химию, астрономию, геологию и биологию, ограничены законами физики. [58] Аналогично, химию часто называют центральной наукой из-за ее роли в связывании физических наук. Например, химия изучает свойства, структуры и реакции материи (фокус химии на молекулярном и атомном масштабе отличает ее от физики ). Структуры образуются, потому что частицы оказывают электрические силы друг на друга, свойства включают физические характеристики данных веществ, а реакции связаны законами физики, такими как сохранение энергии , массы и заряда . Фундаментальная физика стремится лучше объяснить и понять явления во всех сферах, без конкретного практического применения в качестве цели, кроме более глубокого понимания самих явлений.
Прикладная физика — это общий термин для физических исследований и разработок, предназначенных для конкретного использования. Учебная программа по прикладной физике обычно содержит несколько занятий по прикладной дисциплине, например, геологии или электротехнике. Обычно она отличается от инженерии тем, что прикладной физик 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 . Прикладные физики используют физику в научных исследованиях. Например, люди, работающие над физикой ускорителей, могут стремиться построить лучшие детекторы частиц для исследований в области теоретической физики.
Физика широко используется в инженерии. Например, статика, подраздел механики , используется при строительстве мостов и других статических конструкций. Понимание и использование акустики приводит к контролю звука и улучшению концертных залов; аналогично, использование оптики создает лучшие оптические устройства. Понимание физики делает более реалистичными симуляторы полета , видеоигры и фильмы, и часто имеет решающее значение в судебных расследованиях.
При стандартном консенсусе , 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 физик может разумно смоделировать массу Земли, температуру и скорость вращения как функцию времени, допуская экстраполяцию вперед или назад во времени и, таким образом, предсказывать будущие или прошлые события. Это также позволяет проводить моделирование в инженерии, что ускоряет разработку новой технологии.
Существует также значительная междисциплинарность , поэтому многие другие важные области находятся под влиянием физики (например, области эконофизики и социофизики ).
Физики используют научный метод для проверки обоснованности физической теории . Используя методический подход для сравнения следствий теории с выводами, полученными из связанных с ней экспериментов и наблюдений, физики могут лучше проверить обоснованность теории логичным, беспристрастным и повторяемым способом. С этой целью проводятся эксперименты и наблюдения для определения обоснованности или необоснованности теории. [59]
Научный закон — это краткое словесное или математическое утверждение отношения, выражающее фундаментальный принцип некоторой теории, например, закон всемирного тяготения Ньютона. [60]
Теоретики стремятся разрабатывать математические модели , которые согласуются с существующими экспериментами и успешно предсказывают будущие экспериментальные результаты, в то время как экспериментаторы разрабатывают и проводят эксперименты для проверки теоретических предсказаний и исследования 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 существующими теориями, что побуждает интенсивно фокусироваться на применимом моделировании, и когда новые теории генерируют экспериментально проверяемые предсказания , которые вдохновляют разработку новых экспериментов (и часто связанного с ними оборудования). [61]
Физики, работающие над взаимодействием теории и эксперимента, называются феноменологами , они изучают сложные явления, наблюдаемые в эксперименте, и работают над тем, чтобы связать их с фундаментальной теорией . [62]
Теоретическая физика исторически черпала вдохновение из философии; электромагнетизм был объединен таким образом. [c] За пределами известной вселенной, область теоретической физики также имеет дело с гипотетическими проблемами, [d] такими как параллельные вселенные , мультивселенная и более высокие измерения . Теоретики обращаются к этим идеям в надежде решить конкретные проблемы с помощью существующих теорий; затем они исследуют последствия этих идей и работают над созданием проверяемых предсказаний.
Экспериментальная физика расширяется и расширяется инженерией и технологией. Физики-экспериментаторы, которые участвуют в разработке фундаментальных исследований и проводят эксперименты с таким оборудованием, как ускорители частиц и лазеры , в то время как те, кто участвует в прикладных исследованиях, часто работают в промышленности, разрабатывая такие технологии, как магнитно-резонансная томография (МРТ) и транзисторы . Фейнман отметил, что экспериментаторы могут искать области, которые не были хорошо исследованы теоретиками. [63]
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, составляющие все остальные вещи. Поэтому физику иногда называют «фундаментальной наукой». [58] Физика стремится описывать различные явления, происходящие в природе, в терминах более простых явлений. Таким образом, физика стремится как связать наблюдаемые человеком вещи с первопричинами, так и затем связать эти причины вместе.
Например, древние китайцы заметили, что некоторые породы ( магнитный железняк и магнетит ) притягиваются друг к другу невидимой силой. Этот эффект позже был назван магнетизмом, который впервые был тщательно изучен в 17 веке. Но еще до того, как китайцы открыли магнетизм, древние греки знали о других объектах, таких как янтарь , который при трении о мех вызывал похожее невидимое притяжение между ними. [64] 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 (электричество и магнетизм). Однако дальнейшие работы в 19 веке показали, что эти две силы были всего лишь двумя разными аспектами одной силы — электромагнетизма . Этот процесс «объединения» сил продолжается и сегодня, и электромагнетизм и слабое ядерное взаимодействие теперь считаются двумя аспектами электрослабого взаимодействия . Физика надеется найти конечную причину (теорию всего) того, почему природа такая, какая она есть (см. раздел Текущие исследования ниже для получения дополнительной информации). [65]
Современные исследования в области физики можно в целом разделить на ядерную физику и физику элементарных частиц ; физику конденсированного состояния ; атомную, молекулярную и оптическую физику ; астрофизику ; и прикладную физику. Некоторые физические факультеты также поддерживают исследования в области физического образования и пропаганду физики . [66]
Начиная с 20-го века отдельные области физики стали 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), которые работали в нескольких областях физики, сейчас очень редки. [e]
Основные области физики, а также их подразделы, теории и концепции, которые они используют, показаны в следующей таблице.
Физика частиц — это изучение элементарных составляющих материи и энергии и взаимодействия между ними. [67] Кроме того, физики частиц проектируют и разрабатывают высокоэнергетические ускорители, [68] детекторы, [69] и компьютерные программы [70], необходимые для этого исследования. Область также называется «высокоэнергетической физикой», потому что многие элементарные частицы не встречаются в природе, а создаются только во время высокоэнергетических столкновений других частиц. [71]
В настоящее время взаимодействия элементарных частиц и полей описываются Стандартной моделью . [72] Модель учитывает 12 известных частиц материи ( кварки и лептоны ), которые взаимодействуют посредством сильных , слабых и электромагнитных фундаментальных сил . [72] Динамика описывается в терминах частиц материи, обменивающихся калибровочными бозонами ( глюонами , W- и Z-бозонами и фотонами соответственно). [73] Стандартная модель также предсказывает частицу, известную как бозон Хиггса. [72] В июле 2012 года ЦЕРН, Европейская лаборатория физики элементарных частиц, объявила об обнаружении частицы, согласующейся с бозоном Хиггса, [74] неотъемлемой частью механизма Хиггса .
Ядерная физика — это область физики, которая изучает составные части и взаимодействия атомных ядер . Наиболее известными приложениями ядерной физики являются ядерная энергетика и ядерно-оружейная технология, но исследования нашли применение во многих областях, включая ядерную медицину и магнитно-резонансную томографию, ионную имплантацию в материаловедении и радиоуглеродное датирование в геологии и археологии .
Атомная, молекулярная и оптическая физика (AMO) — это изучение взаимодействий материя—материя и свет—материя в масштабе отдельных атомов и молекул. Три области сгруппированы вместе из-за их взаимосвязей, сходства используемых методов и общности их соответствующих энергетических шкал. Все три области включают как классические, так и полуклассические и квантовые трактовки; они могут рассматривать свой предмет с микроскопической точки зрения (в отличие от макроскопической).
Атомная физика изучает электронные оболочки атомов. Текущие исследования сосредоточены на деятельности в области квантового управления, охлаждения и захвата атомов и ионов, [75] [76] [77] динамики низкотемпературных столкновений и эффектов 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 фокусироваться не на контроле классических световых полей макроскопическими объектами, а на фундаментальных свойствах оптических полей и их взаимодействиях с материей в микроскопической области.
Физика конденсированного состояния — это область физики, которая занимается макроскопическими физическими свойствами материи. [78] [79] В частности, она занимается «конденсированными» фазами , которые появляются всякий раз, когда число частиц в системе чрезвычайно велико, а взаимодействия между ними сильны. [80]
Наиболее известными примерами конденсированных фаз являются твердые тела и жидкости, которые возникают из-за связи посредством электромагнитной силы между атомами. [81] Более экзотические конденсированные фазы включают сверхтекучую [82] и конденсат Бозе-Эйнштейна [83], обнаруженные в определенных атомных системах при очень низкой температуре, сверхпроводящую фазу, демонстрируемую электронами проводимости в определенных материалах, [84] и ферромагнитные и антиферромагнитные фазы спинов на атомных решетках . [85]
Физика конденсированного состояния — крупнейшая область современной физики. Исторически физика конденсированного состояния выросла из физики твердого тела, которая теперь считается одним из ее основных подразделов. [86] Термин физика конденсированного состояния , по-видимому, был придуман Филиппом Андерсоном, когда он переименовал свою исследовательскую группу — ранее теорию твердого тела — в 1967 году. [87] В 1978 году Отдел физики твердого тела Американского физического общества был переименован в Отдел физики конденсированного состояния. [86] Физика конденсированного состояния во многом пересекается с химией, материаловедением , нанотехнологиями и инженерией. [80]
Астрофизика и астрономия — это применение теорий и методов физики к изучению структуры звезд , эволюции звезд , происхождения Солнечной системы и связанных с этим проблем космологии. Поскольку астрофизика — это широкий предмет, 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. [88]
Открытие Карлом Янским в 1931 году того, что радиосигналы испускаются небесными телами, положило начало науке радиоастрономии . Совсем недавно границы астрономии были расширены благодаря исследованию космоса. Возмущения и помехи от атмосферы Земли делают космические наблюдения необходимыми для инфракрасной , ультрафиолетовой , гамма- и рентгеновской астрономии .
Физическая космология — это изучение формирования 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 Хаббла о том, что Вселенная расширяется, как показано на диаграмме Хаббла , побудило конкурирующие объяснения, известные как стационарная Вселенная 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 установили модель ΛCDM эволюции Вселенной, которая включает космическую инфляцию , темную энергию и темную материю .
Ожидается, что в течение предстоящего десятилетия из новых данных, полученных с космического гамма-телескопа Ферми, появятся многочисленные возможности и открытия , которые значительно пересмотрят или уточнят существующие модели Вселенной. [89] [90] В частности, в течение следующих нескольких лет возможен потенциал для колоссального открытия, связанного с темной материей. [91] 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 приносит новые астрофизические открытия: «Никто не знает, что создает ленту ENA (энергетических нейтральных атомов) » вдоль конечной ударной волны солнечного ветра , «но все согласны с тем, что это означает, что хрестоматийная картина гелиосферы — в которой охватывающий карман Солнечной системы, заполненный заряженными частицами солнечного ветра, прорывается через надвигающийся «галактический ветер» межзвездной среды в форме кометы — неверна». [92]
Исследования в области физики постоянно развиваются по многим направлениям.
В физике конденсированного состояния важной нерешенной теоретической проблемой является проблема высокотемпературной сверхпроводимости . [93] Многие эксперименты с конденсированным состоянием направлены на создание работоспособной спинтроники и квантовых компьютеров . [80] [94]
В физике элементарных частиц начали появляться первые экспериментальные доказательства физики за пределами Стандартной модели. Прежде всего, среди них есть 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. Исследования природы главных загадок темной материи и темной энергии также продолжаются. [95]
Хотя в физике высоких энергий, квантовой физике и астрономии достигнут большой прогресс , многие повседневные явления, связанные со сложностью , [96] хаосом, [97] или турбулентностью [98] , все еще плохо изучены. Сложные проблемы, которые, как кажется, можно решить с помощью умного 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 встряхиваемых гетерогенных коллекциях. [f] [99]
Эти сложные явления привлекли все большее внимание с 1970-х годов по нескольким причинам, включая доступность современных математических методов и компьютеров, которые позволили моделировать сложные системы новыми способами. Сложная физика стала частью все более междисциплинарных исследований, примером чего является изучение турбулентности в аэродинамике и наблюдение за формированием структур в биологических системах. В 1932 Annual Review of Fluid Mechanics Хорас Лэмб сказал: [100]
Я уже старый человек, и когда я умру и попаду на небеса, есть два вопроса, в которых я надеюсь на просветление. Один из них — квантовая электродинамика, а другой — турбулентное движение жидкостей. И в отношении первого я настроен довольно оптимистично.
Физик — это ученый , специализирующийся в области физики, которая охватывает взаимодействие материи и энергии во всех масштабах длины и времени в физической вселенной. [101] [102] Физики, как правило, интересуются коренными или конечными причинами явлений и обычно формулируют свое понимание в математических терминах. Они работают в широком спектре областей исследований, охватывающих все масштабы длины: от субатомной и элементарной физики , через биологическую физику , до космологических масштабов длины, охватывающих вселенную в целом. Область, как правило, включает два типа физиков: физиков-экспериментаторов , которые специализируются на наблюдении за природными явлениями и разработке и анализе экспериментов, и физиков-теоретиков , которые специализируются на математическом моделировании физических систем для рационализации, объяснения и прогнозирования природных явлений. [101]
Физики могут применять свои знания для решения практических задач или разработки новых технологий (также известных как прикладная физика или инженерная физика ). [103] [104] [105]чтобы лучше понять, насколько убедительно доказательство Аристотеля, мы можем, по моему мнению, отрицать оба его предположения. Что касается первого, я очень сомневаюсь, что Аристотель когда-либо проверял экспериментально, правда ли, что два камня, один из которых весит в десять раз больше другого, если их уронить в одно и то же время с высоты, скажем, 100 локтей, будут настолько отличаться по скорости, что когда более тяжелый достигнет земли, другой не упадет более чем на 10 локтей.
Упрощенно. – Его язык, по-видимому, указывает на то, что он провел эксперимент, потому что он говорит: Мы видим более тяжелое; теперь слово видеть показывает, что он провел эксперимент.
Sagr. – Но я, Симпличио, который провел испытание, могу заверить вас[107], что пушечное ядро весом в сто или двести фунтов, или даже больше, не достигнет земли ни на пядь раньше мушкетного ядра весом всего в полфунта, при условии, что оба они будут сброшены с высоты в 200 локтей.
В течение двух столетий область оптики радикально трансформировалась.
Целью [Journal of Mathematical Physics] является публикация статей по математической физике, то есть применение математики к проблемам физики и разработка математических методов, подходящих для таких приложений и для формулирования физических теорий.
Ричард Фейнман сказал, что «Турбулентность — самая важная нерешенная проблема классической физики».
Физика — это наука о вашем мире, а также о мире и вселенной вокруг вас.
материя и движение.
Определения из Викисловаря
Медиа из Commons
Новости из Викиновостей
Цитаты из Викицитатника
Тексты из Викиресурса
Учебники из Wikibooks
Ресурсы из Викиверситета– Каталог медиа по физике
