Физика — это естественная наука о материи , включающая изучение материи, ее фундаментальных составляющих , ее движения и поведения в пространстве и времени , а также связанных с ними сущностей энергии и силы . [2] Физика — одна из самых фундаментальных научных дисциплин, главная цель которой — понять, как ведет себя Вселенная . [b] [3] [4] [5] Ученого, специализирующегося в области физики, называют физиком .
Физика — одна из старейших академических дисциплин и, благодаря включению в нее астрономии , возможно, самая старая. [6] На протяжении большей части последних двух тысячелетий физика, химия , биология и некоторые разделы математики были частью натуральной философии , но во время научной революции 17 века эти естественные науки стали самостоятельными уникальными исследовательскими направлениями. . [c] Физика пересекается со многими междисциплинарными областями исследований, такими как биофизика и квантовая химия , и границы физики жестко не определены. Новые идеи в физике часто объясняют фундаментальные механизмы, изучаемые другими науками [3] , и открывают новые направления исследований в этих и других академических дисциплинах, таких как математика и философия.
Достижения в физике часто позволяют создавать новые технологии . Например, достижения в понимании электромагнетизма , физики твердого тела и ядерной физики привели непосредственно к разработке новых продуктов, которые радикально изменили современное общество, таких как телевидение, компьютеры, бытовая техника и ядерное оружие ; [3] достижения термодинамики привели к развитию индустриализации; а достижения в механике вдохновили 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»). [8] [9] [10]
Астрономия – одна из древнейших естественных наук . Ранние цивилизации, возникшие до 3000 г. до н.э., такие как шумеры , древние египтяне и цивилизация долины Инда , обладали предсказательными знаниями и базовым пониманием движения Солнца, Луны и звезд. Звездам и планетам, которые, как считалось, представляли богов, часто поклонялись. Хотя объяснения наблюдаемого положения 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, [6] что не могло объяснить положение звезд. планет . _
Согласно Асгеру Аабое , истоки западной астрономии можно найти в Месопотамии , и все западные усилия в области точных наук произошли от поздневавилонской астрономии . [11] Египетские астрономы оставили памятники, демонстрирующие знание созвездий и движений небесных тел, [12] в то время как греческий поэт Гомер писал о различных небесных объектах в своих « Илиаде » и «Одиссее» ; позже греческие астрономы дали названия, которые используются до сих пор, для большинства созвездий, видимых в Северном полушарии . [13]
Естественная философия зародилась в Греции в архаический период (650 г. до н. э. – 480 г. до н. э.), когда философы-досократики, такие как Фалес , отвергали ненатуралистические объяснения природных явлений и провозглашали, что каждое событие имеет естественную причину. [14] Они выдвинули идеи, проверенные разумом и наблюдением, и многие из их гипотез оказались успешными в экспериментах; [15] например, атомизм оказался правильным примерно через 2000 лет после того, как он был предложен Левкиппом и его учеником Демокритом . [16]
Западная Римская империя пала в пятом веке, и это привело к упадку интеллектуальных занятий в западной части Европы. Напротив, Восточная Римская империя (обычно известная как Византийская империя ) сопротивлялась атакам варваров и продолжала развивать различные области знаний, включая физику. [17]
В шестом веке Исидор Милетский создал важную компиляцию сочинений Архимеда , которые скопированы в «Архимедовом Палимпсесте» .
В Европе шестого века Иоанн Филопон , византийский ученый, поставил под сомнение учение Аристотеля о физике и отметил его недостатки . Он представил 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 наблюдение. О физике Аристотеля Филопон писал:
Но это совершенно ошибочно, и наша точка зрения может быть подтверждена фактическими наблюдениями более эффективно, чем какими-либо словесными аргументами. Ибо если вы уроните с одной и той же высоты две гири, одна из которых во много раз тяжелее другой, вы увидите, что соотношение времен, необходимых для движения, не зависит от соотношения гирь, а что разница по времени очень мал. Итак, если разница в весах незначительна, т. е. одно, скажем, в два раза больше другого, то разницы во времени не будет, или же будет незаметная разница, хотя разница в весе и будет незначительной. отнюдь не означает ничтожный, при этом одно тело весит в два раза больше другого [19]
Критика Филопоном аристотелевских принципов физики послужила источником вдохновения для Галилео Галилея десять столетий спустя, [20] во время Научной революции . Галилей в своих работах в основном цитировал Филопона, утверждая, что аристотелевская физика ошибочна. [21] [22] В 1300-х годах Жан Буридан , преподаватель факультета искусств Парижского университета , разработал концепцию импульса. Это был шаг к современным идеям инерции и импульса. [23]
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 .
Хотя принципы физики Аристотеля подверглись критике, важно определить доказательства, на которых он основывал свои взгляды. Размышляя об истории науки и математики, следует признать вклад, внесенный учеными старшего возраста. Наука Аристотеля была основой науки, преподаваемой сегодня в школах. Аристотель опубликовал множество биологических работ, в том числе «Части животных» , в которых он обсуждает как биологические, так и естественные науки. Также важно упомянуть роль Аристотеля в развитии физики и метафизики и то, как его убеждения и открытия до сих пор преподаются на уроках естественных наук. Объяснения, которые Аристотель дает своим открытиям, также просты. Размышляя об элементах, Аристотель считал, что каждый элемент (земля, огонь, вода, воздух) имеет свое естественное место. [24] Это означает, что из-за плотности этих элементов они вернутся обратно на свое особое место в атмосфере. [25] Итак, из-за их веса, огонь будет наверху, воздух под огнем, затем вода и, наконец, земля. Он также заявил, что когда небольшое количество одного элемента попадает на естественное место другого, менее распространенный элемент автоматически занимает свое естественное место. Например, если на земле горит пожар, пламя поднимается в воздух, пытаясь вернуться на свое естественное место, где ему и место. Аристотель называл свою метафизику «первой философией» и характеризовал ее как учение «бытия как бытия». [26] Аристотель определял парадигму движения как существо или сущность, охватывающую различные области одного и того же тела. [26] Это означает, что если человек находится в месте (A), он может переехать в новое место (B) и по-прежнему занимать то же количество места. Это связано с верой Аристотеля в то, что движение представляет собой континуум. Что касается материи, Аристотель считал, что изменение категории (например, места) и качества (например, цвета) объекта определяется как «изменение». Но изменение субстанции — это изменение материи. Это также похоже на сегодняшнюю идею материи.
Он также разработал свои собственные законы движения, которые включают в себя: 1) более тяжелые объекты будут падать быстрее, причем скорость пропорциональна весу и 2) скорость падающего объекта обратно пропорциональна плотности объекта, через который он падает (например, плотности воздух). [27] Он также заявил, что, когда дело доходит до резкого движения (движения объекта, когда к нему приложена сила со стороны второго объекта), скорость, с которой движется объект, будет такой же быстрой или сильной, как и мера силы. применительно к нему. [27] Это также можно увидеть в правилах скорости и силы, которые сегодня преподаются на уроках физики. Эти правила не обязательно соответствуют тем, которые описаны сегодня в физике, но в основном они схожи. Очевидно, что эти правила послужили основой для пересмотра и редактирования его убеждений другими учеными.
Наиболее заметные инновации в исламской науке были в области оптики и зрения, [28] которые пришли из работ многих ученых, таких как Ибн Сахл , Аль-Кинди , Ибн аль-Хайсам , Аль-Фариси и Авиценна . Самой известной работой была «Книга оптики» (также известная как «Китаб аль-Манацир»), написанная Ибн аль-Хайсамом, в которой он представил альтернативу древнегреческой идее о зрении. [ нужна цитация ] В своем «Трактате о свете» , а также в «Китаб аль-Манацир» , он представил исследование феномена камеры- обскуры (его тысячелетняя версия камеры- обскуры ) и углубился в то, как глаз сам работает. Используя знания предыдущих учёных, он начал объяснять, как свет попадает в глаз. Он утверждал, что луч света сфокусирован, но фактического объяснения того, как свет проецируется на заднюю часть глаза, пришлось подождать до 1604 года. Его « Трактат о свете» объяснил камеру-обскуру за сотни лет до современного развития фотографии. [29]
Семитомная Книга по оптике ( Китаб аль-Манатхир ) в течение более 600 лет влияла на мышление различных дисциплин, от теории зрительного восприятия до природы перспективы в средневековом искусстве как на Востоке, так и на Западе . В их число входили более поздние европейские ученые и коллеги-эрудиты, от Роберта Гроссетеста и Леонардо да Винчи до Иоганна Кеплера .
Перевод «Книги оптики» оказал влияние на Европу. Благодаря этому более поздние европейские ученые смогли создать устройства, повторяющие устройства Ибн аль-Хайсама, и понять, как работает зрение.
Физика стала отдельной наукой, когда европейцы раннего 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), новаторские работы Галилея над телескопами и наблюдательную астрономию в 16 и 17 века, а также открытие Исааком Ньютоном и объединение законов движения и всемирного тяготения (которые впоследствии будут носить его имя). [31] Ньютон также разработал исчисление , [d] математическое исследование непрерывных изменений, которое предоставило новые математические методы для решения физических проблем. [32]
Открытие законов термодинамики , химии и электромагнетизма стало результатом исследовательских усилий во время промышленной революции , когда потребности в энергии возросли. [33] Законы классической физики по-прежнему широко используются для объектов в обычных масштабах, движущихся с нерелятивистскими скоростями, поскольку они обеспечивают близкое приближение в таких ситуациях, а такие теории, как квантовая механика и теория относительности, упрощаются до своих классических эквивалентов при такие весы. Неточности классической механики для очень маленьких объектов и очень высоких скоростей привели к развитию современной физики в 20 веке.
Современная физика началась в начале 20 века с работ Макса Планка по квантовой теории и теории относительности Альберта Эйнштейна . Обе эти теории возникли из-за неточностей классической механики в определенных ситуациях. Классическая механика предсказала, что скорость света зависит от движения наблюдателя, что нельзя было решить с помощью постоянной скорости, предсказанной уравнениями электромагнетизма Максвелла . Это несоответствие было исправлено специальной теорией относительности Эйнштейна , которая заменила классическую механику для быстродвижущихся тел и допустила постоянную скорость света. [34] Излучение черного тела создало еще одну проблему классической физики, которая была решена, 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 усовершенствованию теории квантовой механики по сравнению с классической физикой в очень малых масштабах. [35]
Квантовую механику стали пионерами Вернер Гейзенберг , Эрвин Шредингер и Поль Дирак . [35] На основе этой ранней работы и работ в смежных областях была выведена Стандартная модель физики элементарных частиц . [36] После открытия в ЦЕРН в 2012 году частицы, свойства которой соответствуют бозону Хиггса , [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 .
Во многом физика берет свое начало из древнегреческой философии . От первой попытки Фалеса охарактеризовать материю до вывода Демокрита о том, что материю следует привести к инвариантному состоянию, до птолемеевской астрономии кристаллического небосвода и книги Аристотеля «Физика» (ранняя книга по физике, в которой предпринималась попытка проанализировать и определить движение с точки зрения с философской точки зрения), различные греческие философы выдвигали свои теории природы. Физика была известна как натурфилософия до конца 18 века. [э]
К XIX веку физика осозналась как дисциплина, отличная от философии и других наук. Физика, как и остальная наука, опирается на философию науки и ее « научный метод » для продвижения знаний о физическом мире. [40] Научный метод использует априорные рассуждения , а также апостериорные рассуждения и использование байесовского вывода для измерения обоснованности данной теории. [41]
Развитие физики дало ответы на многие вопросы ранних философов и поставило новые вопросы. Изучение философских проблем, связанных с физикой, философия физики , включает в себя такие вопросы, как природа пространства и времени, детерминизм и метафизические взгляды, такие как эмпиризм , натурализм и реализм . [42]
Многие физики писали о философских последствиях своей работы, например Лаплас , который защищал причинный детерминизм , [43] и Эрвин Шредингер , который писал о квантовой механике. [44] [ 45] Стивен Хокинг назвал физика-математика Роджера Пенроуза платоником , [46] эту точку зрения Пенроуз обсуждает в своей книге «Дорога к реальности» . [47] Хокинг называл себя «бесстыдным редукционистом» и не соглашался с взглядами Пенроуза. [48]
Физика имеет дело с широким спектром систем, хотя определенные теории используются всеми физиками. Каждая из этих теорий была многократно проверена экспериментально и признана адекватным приближением к природе. Например, теория классической механики точно описывает движение объектов, если они намного больше атомов и движутся со скоростью, намного меньшей скорости света. Эти теории продолжают оставаться областью 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 ожидается, что любой физик, независимо от своей специализации, будет владеть ими. К ним относятся классическая механика, квантовая механика, термодинамика и статистическая механика , электромагнетизм и специальная теория относительности.
Классическая физика включает традиционные разделы и темы, получившие признание и развитые до начала 20 в., — классическую механику, акустику , оптику , термодинамику и электромагнетизм. Классическая механика изучает тела, на которые действуют силы , и тела, находящиеся в движении , и ее можно разделить на статику (изучение сил, действующих на тело или тела, не подвергающиеся ускорению), кинематику (изучение движения без учета его причин) и динамика (изучение движения и сил, влияющих на него); Механику также можно разделить на механику твердого тела и механику жидкости (известные вместе как механика сплошных сред ), последняя включает такие разделы, как гидростатика , гидродинамика , аэродинамика и пневматика . Акустика – это наука о том, как звук производится, контролируется, передается и принимается. [49] Важные современные отрасли акустики включают ультразвук , исследование звуковых волн очень высокой частоты, выходящих за пределы диапазона человеческого слуха; биоакустика , физика звуков и слуха животных, [50] и электроакустика , манипуляция слышимыми звуковыми волнами с помощью электроники. [51]
Оптика, изучение света, занимается не только видимым светом , но также инфракрасным и ультрафиолетовым излучением , которое проявляет все явления видимого света, кроме 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 взаимоотношениями между теплом и другими формами энергии. Электричество и магнетизм изучались как единая отрасль 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 имеет дело с покоящимися электрическими зарядами , электродинамика — с движущимися зарядами, а магнитостатика — с покоящимися магнитными полюсами.
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 можно идентифицировать химические элементы . Физика элементарных частиц имеет еще меньший масштаб, поскольку она касается самых основных единиц материи; Эта отрасль 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. [52]
Две основные теории современной физики представляют картину понятий пространства, времени и материи, отличную от той, которую представляет классическая физика. Классическая механика приближает природу как непрерывную, в то время как квантовая теория занимается дискретной природой многих явлений на атомном и субатомном уровне, а также взаимодополняющими аспектами частиц и волн при описании таких явлений. Теория относительности занимается описанием явлений, происходящих в системе отсчета , движущейся 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 приложения во многих областях современной физики. [53]
Хотя сама физика стремится открыть универсальные законы, ее теории лежат в явных областях применимости.
Грубо говоря, законы классической физики точно описывают системы, важные масштабы длин которых превышают атомный масштаб, и чьи движения намного медленнее скорости света. За пределами этой области наблюдения не соответствуют предсказаниям классической механики. Эйнштейн разработал 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 представили квантовую механику — вероятностное представление о частицах и взаимодействиях, 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; разрабатывается несколько потенциальных теорий квантовой гравитации .
Математика предоставляет компактный и точный язык, используемый для описания порядка в природе. Это отмечали и отстаивали Пифагор , [54] Платон , [55] Галилей, [56] и Ньютон. Некоторые теоретики, такие как Хилари Патнэм и Пенелопа Мэдди , считают, что логические истины и, следовательно, математические рассуждения зависят от эмпирического мира. Обычно это сочетают с утверждением, что законы логики выражают универсальные закономерности, обнаруженные в структурных особенностях мира, которые могут объяснить своеобразные отношения между этими полями.
Физика использует математику [57] для организации и формулирования экспериментальных результатов. На основе этих результатов получаются точные или предполагаемые решения или количественные результаты, на основе которых могут быть сделаны новые предсказания и экспериментально подтверждены или опровергнуты. Результаты физических экспериментов представляют собой числовые данные с указанием единиц измерения и оценок погрешностей измерений. Технологии, основанные на математике, такие как вычисления , сделали вычислительную физику активной областью исследований.
Онтология является необходимым условием для физики, но не для математики. Это означает, что физика в конечном счете занимается описаниями реального мира, тогда как математика занимается абстрактными закономерностями, выходящими даже за рамки реального мира. Таким образом, утверждения физики являются синтетическими, а математические утверждения – аналитическими. Математика содержит гипотезы, а физика — теории. Утверждения математики должны быть только логически верными, тогда как предсказания утверждений физики должны соответствовать наблюдаемым и экспериментальным данным.
Различие четкое, но не всегда очевидное. Например, математическая физика – это применение математики в физике. Его методы математические, но предмет физический. [58] 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 труднообнаружимый физический смысл. Окончательное математическое решение имеет более простой для поиска смысл, поскольку именно его ищет решатель. [ нужны разъяснения ]
Чистая физика — это отрасль фундаментальной науки (также называемой фундаментальной наукой). Физику также называют « фундаментальной наукой», потому что все отрасли естествознания, такие как химия, астрономия, геология и биология, ограничены законами физики. [59] Точно так же химию часто называют центральной наукой из-за ее роли в связке физических наук. Например, химия изучает свойства, структуры и реакции вещества (ориентация химии на молекулярный и атомный масштаб отличает ее от физики ). Структуры образуются потому, что частицы оказывают друг на друга электрические силы, свойства включают физические характеристики данных веществ, а реакции подчиняются законам физики, таким как сохранение энергии , массы и заряда . Физика применяется в таких отраслях, как машиностроение и медицина.
Прикладная физика — это общий термин для обозначения физических исследований, предназначенных для конкретного использования. Учебная программа по прикладной физике обычно содержит несколько занятий по прикладной дисциплине, например геологии или электротехнике. 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.
Этот подход аналогичен подходу прикладной математики . Прикладные физики используют физику в научных исследованиях. Например, люди, занимающиеся физикой ускорителей, могут попытаться 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 контролю звука и улучшению концертных залов; Точно так же использование оптики создает более совершенные оптические устройства. Понимание физики способствует созданию более реалистичных авиасимуляторов , видеоигр и фильмов и часто имеет решающее значение в судебно-медицинских расследованиях.
При общепринятом понимании , что законы физики универсальны и не меняются со временем, физику можно использовать для изучения вещей, которые обычно погрязли в неопределенности . Например, изучая происхождение Земли, физик может разумно моделировать массу, температуру и скорость вращения Земли как функцию времени, позволяя экстраполяцию вперед или назад во времени и, таким образом, предсказывать будущие или предыдущие события. Это также позволяет проводить инженерное моделирование, которое 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 последствий теории с выводами, сделанными из связанных с ней экспериментов и наблюдений, физики могут лучше проверить обоснованность теории логическим, беспристрастным и повторяемым способом. С этой целью проводятся эксперименты и наблюдения, чтобы определить достоверность или ошибочность теории. [60]
Научный закон — это краткое словесное или математическое выражение отношения, которое выражает фундаментальный принцип некоторой теории, такой как закон всемирного тяготения Ньютона. [61]
Теоретики стремятся разработать 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 и зависят друг от друга. Прогресс в физике часто достигается тогда, когда экспериментальные результаты не поддаются объяснению с помощью существующих теорий, что заставляет уделять пристальное внимание применимому моделированию, а также когда новые теории порождают экспериментально проверяемые предсказания , которые вдохновляют на разработку новых экспериментов (и часто связанного с ними оборудования). [62]
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 . [63]
Теоретическая физика исторически черпала вдохновение из философии; Электромагнетизм был объединен таким образом. [f] Помимо известной Вселенной, область теоретической физики также занимается гипотетическими проблемами, [g] такими как параллельные вселенные , мультивселенная и высшие измерения . Теоретики используют эти идеи 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 за счет техники и технологий. Физики-экспериментаторы, которые участвуют в планировании фундаментальных исследований и проводят эксперименты с использованием такого оборудования, 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 отмечал, что экспериментаторы могут искать области, которые еще недостаточно исследованы теоретиками. [64]
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». [59] Физика стремится описать различные явления, происходящие в природе, с точки зрения более простых явлений. Таким образом, физика стремится как связать наблюдаемые человеком вещи с первопричинами, так и затем соединить эти причины вместе.
Например, древние китайцы заметили, что некоторые породы ( магнит и магнетит ) притягиваются друг к другу невидимой силой. Этот эффект позже был назван магнетизмом, который впервые тщательно изучался 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 аналогичное невидимое притяжение между ними. [65] Впервые это явление было тщательно изучено в 17 веке и стало называться электричеством. Таким образом, физика пришла к пониманию двух явлений природы с точки зрения некоторой первопричины (электричества и магнетизма). Однако дальнейшие работы в XIX 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 окончательную причину (теорию всего) того, почему природа такая, какая она есть ( дополнительную информацию см. в разделе «Текущие исследования» ниже). [66]
Современные исследования в области физики можно 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-пропагандистскую деятельность в области физики . [67]
С 20-го века отдельные области физики стали все более специализированными, и сегодня большинство физиков всю свою карьеру работают в одной области. «Универсалисты», такие как Эйнштейн (1879–1955) и Лев Ландау (1908–1968), работавшие во многих областях физики, сейчас очень редки. [час]
Основные области физики, а также их подполя, а также теории и концепции, которые они используют, показаны в следующей таблице.
Физика элементарных частиц — это изучение элементарных составляющих материи и энергии и взаимодействий между ними. [68] Кроме того, физики элементарных частиц проектируют и разрабатывают ускорители высоких энергий, [69] детекторы, [70] и компьютерные программы [71], необходимые для этих исследований. Эту область также называют «физикой высоких энергий», поскольку многие элементарные частицы не возникают в природе, а создаются только в результате столкновений других частиц при высоких энергиях . [72]
В настоящее время взаимодействия элементарных частиц и полей описываются Стандартной моделью . [73] Модель учитывает 12 известных частиц материи ( кварков и лептонов ), которые взаимодействуют посредством сильных , слабых и электромагнитных фундаментальных сил . [73] Динамика описывается в терминах обмена частиц материи калибровочными бозонами ( глюонами , W- и Z-бозонами и фотонами соответственно). [74] Стандартная модель также предсказывает частицу, известную как бозон Хиггса. [73] В июле 2012 года ЦЕРН, Европейская лаборатория физики элементарных частиц, объявила об обнаружении частицы, соответствующей бозону Хиггса, [75] составной части механизма Хиггса .
Ядерная физика — это область физики, которая изучает состав и взаимодействие атомных ядер . Наиболее известными применениями ядерной физики являются производство ядерной энергии и технология создания 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 . .
Атомная, молекулярная и оптическая физика (АМО) — это изучение взаимодействий материи, материи и света с материей в масштабе отдельных атомов и молекул. Эти три области сгруппированы вместе из-за их взаимосвязи, сходства используемых методов и общности соответствующих энергетических масштабов. Все три области включают как классические, полуклассические, так 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 деятельности по квантовому контролю, охлаждению и захвату атомов и ионов, [76] [77] [78] динамике низкотемпературных столкновений и влиянию электронной корреляции на структуру и динамику. На атомную физику влияет ядро (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 веществом и светом. Оптическая физика отличается от оптики тем, что она имеет тенденцию сосредотачиваться не на контроле классических световых полей макроскопическими объектами, а на фундаментальных свойствах оптических полей и их взаимодействии с материей в микроскопической сфере.
Физика конденсированного состояния — это область физики, которая занимается макроскопическими физическими свойствами вещества. [79] [80] В частности, речь идет о «конденсированных» фазах , которые возникают всякий раз, когда число частиц в системе чрезвычайно велико и взаимодействия между ними сильны. [81]
Наиболее известными примерами конденсированных фаз являются твердые тела и жидкости, которые возникают в результате связи между атомами посредством электромагнитной силы . [82] Более экзотические конденсированные фазы включают сверхтекучую [83] и конденсат Бозе-Эйнштейна [84] , обнаруженные в некоторых атомных системах при очень низких температурах, сверхпроводящую фазу, проявляемую электронами проводимости в некоторых материалах, [85] и ферромагнитную и антиферромагнитные фазы спинов на атомных решетках . [86]
Физика конденсированного состояния — крупнейшая область современной физики. Исторически физика конденсированного состояния выросла из физики твердого тела, которая сейчас считается одним из ее основных разделов. [87] Термин «физика конденсированного состояния» , очевидно, был придуман Филипом Андерсоном , когда он переименовал свою исследовательскую группу – ранее в теорию твердого тела – в 1967 году . [88] В 1978 году Отдел физики твердого тела Американского физического общества был переименован в Отдел физики конденсированного состояния. [87] Физика конденсированного состояния во многом пересекается с химией, материаловедением , нанотехнологиями и инженерией. [81]
Астрофизика и астрономия — это применение теорий и методов физики к изучению звездной структуры , звездной эволюции , происхождения Солнечной системы и связанных с ними проблем космологии. Поскольку астрофизика является обширным предметом, астрофизики обычно применяют многие дисциплины физики, включая механику, электромагнетизм, статистическую механику, термодинамику, квантовую механику, теорию относительности, физику ядра и элементарных частиц, а также атомную и молекулярную физику. [89]
Открытие Карлом Янским в 1931 того, что радиосигналы излучаются небесными телами, положило начало науке радиоастрономии . Совсем недавно границы астрономии расширились за счет освоения космоса. Возмущения и помехи со стороны земной атмосферы делают космические наблюдения необходимыми для инфракрасной , ультрафиолетовой , гамма- и рентгеновской астрономии .
Физическая космология — это изучение формирования и эволюции Вселенной в крупнейших масштабах. Теория относительности Альберта Эйнштейна играет центральную роль во всех современных космологических теориях. В начале 20-го века открытие Хаббла того, что Вселенная расширяется, как показано на диаграмме Хаббла , вызвало конкурирующие объяснения, известные как устойчивое 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 ближайшее десятилетие на основе новых данных космического гамма-телескопа Ферми появятся многочисленные возможности и открытия , которые значительно пересмотрят или прояснят существующие модели Вселенной. [90] [91] В частности, в ближайшие несколько лет возможны огромные открытия, связанные с темной материей. [92] 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, что это означает хрестоматийную картину гелиосферы , в которой Окутывающий карман Солнечной системы, наполненный заряженными частицами солнечного ветра, прорывается сквозь надвигающийся «галактический ветер» межзвездной среды в форме кометы — это неправильно». [93]
Исследования в области физики постоянно развиваются по большому количеству направлений.
В физике конденсированного состояния важной нерешенной теоретической проблемой является проблема высокотемпературной сверхпроводимости . [94] Многие эксперименты с конденсированной средой направлены на создание работоспособной спинтроники и квантовых компьютеров . [81] [95]
В физике элементарных частиц начали появляться первые экспериментальные доказательства физики, выходящей за рамки Стандартной модели. Главным из них являются указания на то, что нейтрино имеют ненулевую массу . Эти экспериментальные результаты, похоже, 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 то, чтобы доказать или опровергнуть суперсимметрию , которая расширяет Стандартную модель физики элементарных частиц. В настоящее время также продолжаются исследования природы главных загадок темной материи и темной энергии . [96]
Хотя в физике высоких энергий, квантовой и астрономической физике достигнут большой прогресс , многие повседневные явления, связанные со сложностью , [97] хаосом [98] или турбулентностью [99], все еще плохо изучены. Сложные проблемы, которые, казалось бы, 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 потрясенных гетерогенных коллекциях. [я] [100]
Этим сложным явлениям с 1970-х годов уделяется все больше внимания по нескольким причинам, включая наличие современных математических методов и компьютеров, которые позволили моделировать сложные системы по-новому. Сложная физика стала частью все более междисциплинарных исследований, примером чего является изучение турбулентности в аэродинамике и наблюдение за формированием закономерностей в биологических системах. В « Ежегодном обзоре механики жидкости» за 1932 год Хорас Лэмб сказал: [101]
Теперь я старик, и когда я умру и попаду на небеса, я надеюсь на просветление в двух вопросах. Один из них — квантовая электродинамика, а другой — турбулентное движение жидкостей. А в отношении первого я настроен весьма оптимистично.
Физик — это ученый , специализирующийся в области физики, которая охватывает взаимодействия материи и энергии на всех масштабах длины и времени в физической вселенной . [102] [103] Физики обычно интересуются коренными или конечными причинами явлений и обычно формулируют свое понимание в математических терминах. Они работают в широком диапазоне исследовательских областей, охватывая все масштабы: от субатомной физики и физики элементарных частиц , биологической физики до космологических масштабов, охватывающих Вселенную в целом. В эту область обычно входят два типа физиков: физики-экспериментаторы , которые специализируются на наблюдении природных явлений, а также разработке и анализе экспериментов, и физики-теоретики , которые специализируются на математическом моделировании физических систем для рационализации, объяснения и прогнозирования природных явлений. [102]
Физики могут применять свои знания для решения практических задач или разработки новых технологий (также известных как прикладная физика или инженерная физика ). [104] [105] [106]Чтобы лучше понять, насколько убедительно доказательство Аристотеля, мы можем, по моему мнению, отрицать оба его предположения.
А что касается первого, то я очень сомневаюсь, что Аристотель когда-либо проверял экспериментально, верно ли, что два камня, один из которых весит в десять раз больше другого, если им позволить упасть в один и тот же момент с высоты, скажем, в 100 локтей, настолько отличались бы по скорости, что, когда более тяжелый достиг земли, другой упал бы не более чем на 10 локтей.
Дурачок.
– Его язык, казалось бы, указывает на то, что он провел эксперимент, потому что он говорит: Мы видим более тяжелое;
теперь слово «видеть» показывает, что он провел эксперимент.
Сагр.
– Но я, Симпличио, производивший испытание, могу уверить[107] вас, что пушечное ядро весом в одну или двести фунтов, а то и более, не достигнет земли ни на пядь раньше, чем мушкетное ядро весом всего лишь полфунта, при условии, что оба сброшены с высоты 200 локтей.
За два столетия область оптики радикально преобразилась.
Целью [Журнала математической физики] является публикация статей по математической физике, то есть применению математики к физическим задачам и разработке математических методов, подходящих для таких приложений и для формулирования физических теорий.
Ричард Фейнман сказал, что «Турбулентность — самая важная нерешенная проблема классической физики».
Физика — это изучение вашего мира, а также мира и вселенной вокруг вас.
материя и движение.
Определения из Викисловаря
СМИ из Commons
Новости из Викиновостей
Цитаты из Wikiquote
Тексты из Wikisource
Учебники из Wikibooks
Ресурсы из Викиверситета