Fysikk -Physics

Ulike eksempler på fysiske fenomener

Del av en serie om
Fysikk
Den grunnleggende vitenskapen
Indeks Disposisjon Ordliste Historikk ( tidslinje )
Grener Akustikk Astrofysikk Atomfysikk Biofysikk Klassisk fysikk Elektromagnetisme Geofysikk Mekanikk Moderne fysikk Kjernefysikk Optikk Termodynamikk
Undersøkelser Fysiker ( liste ) Liste over fysikkpriser Liste over tidsskrifter Liste over uløste problemer
Fysikkportal  Kategori
v t e

Fysikk er naturvitenskapen som studerer materie , dens grunnleggende bestanddeler , dens bevegelse og oppførsel gjennom rom og tid , og de relaterte enhetene av energi og kraft . Fysikk er en av de mest grunnleggende vitenskapelige disiplinene, med hovedmålet å forstå hvordan universet oppfører seg. En vitenskapsmann som spesialiserer seg innen fysikk kalles en fysiker .

Fysikk er en av de eldste akademiske disiplinene og, gjennom sin inkludering av astronomi , kanskje den eldste. I løpet av store deler av de siste to årtusenene var fysikk, kjemi , biologi og visse grener av matematikken en del av naturfilosofien , men under den vitenskapelige revolusjonen på 1600-tallet dukket disse naturvitenskapene opp som unike forskningsprosjekter i seg selv. Fysikk krysser mange tverrfaglige forskningsområder, som biofysikk og kvantekjemi , og fysikkens grenser er ikke strengt definert . Nye ideer i fysikk forklarer ofte de grunnleggende mekanismene som er studert av andre vitenskaper og foreslår nye forskningsmuligheter innen disse og andre akademiske disipliner som matematikk og filosofi .

Fremskritt innen fysikk muliggjør ofte fremskritt innen ny teknologi . For eksempel førte fremskritt i forståelsen av elektromagnetisme , faststofffysikk og kjernefysikk direkte til utviklingen av nye produkter som dramatisk har forandret dagens samfunn, som TV , datamaskiner , husholdningsapparater og atomvåpen ; fremskritt innen termodynamikk førte til utviklingen av industrialisering ; og fremskritt innen mekanikk inspirerte utviklingen av kalkulus .

Historie

Ordet "fysikk" kommer fra gammelgresk : φυσική (ἐπιστήμη) , romanisert :  physikḗ (epistḗmē) , som betyr "kunnskap om naturen".

Gammel astronomi

Gammel egyptisk astronomi er tydelig i monumenter som taket på Senemuts grav fra det attende dynastiet i Egypt .

Astronomi er en av de eldste naturvitenskapene . Tidlige sivilisasjoner som dateres tilbake før 3000 f.Kr., som sumererne , de gamle egypterne og Indusdalen-sivilisasjonen , hadde en prediktiv kunnskap og en grunnleggende bevissthet om bevegelsene til solen, månen og stjernene. Stjernene og planetene, som antas å representere guder, ble ofte tilbedt. Mens forklaringene på de observerte posisjonene til stjernene ofte var uvitenskapelige og manglet bevis, la disse tidlige observasjonene grunnlaget for senere astronomi, ettersom stjernene ble funnet å krysse store sirkler over himmelen, noe som imidlertid ikke forklarte posisjonene til stjernene. planeter .

Ifølge Asger Aaboe kan opprinnelsen til vestlig astronomi finnes i Mesopotamia , og all vestlig innsats innen de eksakte vitenskapene stammer fra senbabylonsk astronomi . Egyptiske astronomer forlot monumenter som viser kunnskap om stjernebildene og bevegelsene til himmellegemene, mens den greske poeten Homer skrev om forskjellige himmelobjekter i sin Iliaden og Odysseen ; senere greske astronomer ga navn, som fortsatt brukes i dag, for de fleste stjernebildene som er synlige fra den nordlige halvkule .

Naturfilosofi

Naturfilosofi har sin opprinnelse i Hellas under den arkaiske perioden (650 f.Kr. – 480 f.Kr.), da før-sokratiske filosofer som Thales avviste ikke-naturalistiske forklaringer på naturfenomener og forkynte at enhver hendelse hadde en naturlig årsak. De foreslo ideer verifisert ved fornuft og observasjon, og mange av hypotesene deres viste seg å være vellykkede i eksperimentet; for eksempel ble atomisme funnet å være korrekt omtrent 2000 år etter at det ble foreslått av Leucippus og hans elev Demokrit .

Middelaldersk europeisk og islamsk

Det vestromerske riket falt i det femte århundre, og dette resulterte i en nedgang i intellektuelle sysler i den vestlige delen av Europa. Derimot motsto det østromerske riket (også kjent som det bysantinske riket ) angrepene fra barbarene, og fortsatte å fremme ulike læringsfelt, inkludert fysikk.

På det sjette århundre skapte Isidore av Milet en viktig samling av Arkimedes' verk som er kopiert i Arkimedes Palimpsest .

Ibn al-Haytham (ca. 965–c. 1040), Book of Optics Book I, [6.85], [6.86]. Bok II, [3.80] beskriver camera obscura - eksperimentene hans.

I Europa fra det sjette århundre stilte John Philoponus , en bysantinsk lærd, spørsmålstegn ved Aristoteles undervisning i fysikk og bemerket dens feil. Han introduserte teorien om drivkraft . Aristoteles' fysikk ble ikke gransket før Philoponus dukket opp; i motsetning til Aristoteles, som baserte fysikken sin på verbal argumentasjon, stolte Philoponus på observasjon. Om Aristoteles' fysikk skrev Philoponus:

Men dette er fullstendig feil, og vårt syn kan bekreftes av faktisk observasjon mer effektivt enn av noen form for verbalt argument. For hvis du slipper to vekter fra samme høyde, hvorav den ene er mange ganger så tung som den andre, vil du se at forholdet mellom tidene som kreves for bevegelsen ikke avhenger av vektenes forhold, men at forskjellen i tid er en veldig liten en. Og så, hvis forskjellen i vektene ikke er betydelig, det vil si at den ene er, la oss si, det dobbelte av den andre, vil det ikke være noen forskjell, ellers en umerkelig forskjell i tid, selv om forskjellen i vekt er ca. på ingen måte ubetydelig, med en kropp som veier dobbelt så mye som den andre

Philoponus 'kritikk av aristoteliske prinsipper for fysikk tjente som en inspirasjon for Galileo Galilei ti århundrer senere, under den vitenskapelige revolusjonen . Galileo siterte Philoponus vesentlig i sine arbeider da han argumenterte for at aristotelisk fysikk var feil. På 1300-tallet utviklet Jean Buridan , en lærer ved fakultetet for kunst ved universitetet i Paris, konseptet om drivkraft. Det var et skritt mot de moderne ideene om treghet og fremdrift.

Islamsk stipend arvet aristotelisk fysikk fra grekerne og utviklet den videre under den islamske gullalderen , spesielt med vekt på observasjon og a priori resonnement, og utviklet tidlige former for den vitenskapelige metoden .

Den grunnleggende måten et pinhole-kamera fungerer på

De mest bemerkelsesverdige nyvinningene var innen optikk og syn, som kom fra verkene til mange forskere som Ibn Sahl , Al-Kindi , Ibn al-Haytham , Al-Farisi og Avicenna . Det mest bemerkelsesverdige verket var The Book of Optics (også kjent som Kitāb al-Manāẓir), skrevet av Ibn al-Haytham, der han definitivt motbeviste den gamle greske ideen om syn, men også kom med en ny teori. I boken presenterte han en studie av fenomenet camera obscura (hans tusen år gamle versjon av pinhole-kameraet ) og fordypet seg videre i måten selve øyet fungerer på. Ved å bruke disseksjoner og kunnskapen til tidligere forskere, kunne han begynne å forklare hvordan lys kommer inn i øyet. Han hevdet at lysstrålen er fokusert, men selve forklaringen på hvordan lys projisert på baksiden av øyet måtte vente til 1604. Hans Treatise on Light forklarte camera obscura, hundrevis av år før den moderne utviklingen av fotografi.

Den syv bindende boken om optikk ( Kitab al-Manathir ) påvirket i stor grad tenkning på tvers av disipliner fra teorien om visuell persepsjon til perspektivets natur i middelalderkunst, både i øst og vest, i mer enn 600 år. Mange senere europeiske lærde og andre polymatikere, fra Robert Grosseteste og Leonardo da Vinci til René Descartes , Johannes Kepler og Isaac Newton , sto i gjeld. Faktisk rangerer innflytelsen fra Ibn al-Haythams optikk ved siden av Newtons verk med samme tittel, publisert 700 år senere.

Oversettelsen av The Book of Optics hadde en enorm innvirkning på Europa. Fra den var senere europeiske lærde i stand til å bygge enheter som gjenskapte de Ibn al-Haytham hadde bygget, og forstå hvordan lys fungerer. Fra dette ble viktige oppfinnelser som briller, forstørrelsesglass, teleskoper og kameraer utviklet.

Klassisk

Galileo Galilei viste en moderne forståelse for det riktige forholdet mellom matematikk, teoretisk fysikk og eksperimentell fysikk.

Sir Isaac Newton (1643–1727), hvis bevegelseslover og universelle gravitasjon var viktige milepæler i klassisk fysikk

Fysikk ble en egen vitenskap da tidlig moderne europeere brukte eksperimentelle og kvantitative metoder for å oppdage det som nå anses for å være fysikkens lover .

Viktige utviklinger i denne perioden inkluderer erstatningen av den geosentriske modellen av solsystemet med den heliosentriske kopernikanske modellen , lovene som styrer bevegelsen til planetariske legemer (bestemt av Kepler mellom 1609 og 1619), Galileos banebrytende arbeid med teleskoper og observasjonsastronomi i 1500- og 1600-tallet, og Newtons oppdagelse og forening av bevegelseslovene og universell gravitasjon (som skulle komme til å bære navnet hans). Newton utviklet også kalkulus , den matematiske studien av endring, som ga nye matematiske metoder for å løse fysiske problemer.

Oppdagelsen av nye lover innen termodynamikk , kjemi og elektromagnetikk resulterte fra større forskningsinnsats under den industrielle revolusjonen etter hvert som energibehovet økte. Lovene som omfatter klassisk fysikk er fortsatt svært mye brukt for objekter på hverdagsskalaer som beveger seg med ikke-relativistiske hastigheter, siden de gir en veldig nær tilnærming i slike situasjoner, og teorier som kvantemekanikk og relativitetsteorien forenkler til deres klassiske ekvivalenter ved slike situasjoner. vekter. Unøyaktigheter i klassisk mekanikk for svært små gjenstander og svært høye hastigheter førte imidlertid til utviklingen av moderne fysikk på 1900-tallet.

Moderne

Max Planck (1858–1947), opphavsmannen til teorien om kvantemekanikk

Albert Einstein (1879–1955), hvis arbeid med den fotoelektriske effekten og relativitetsteorien førte til en revolusjon i det 20. århundres fysikk

Moderne fysikk begynte tidlig på 1900-tallet med arbeidet til Max Planck i kvanteteori og Albert Einsteins relativitetsteori. Begge disse teoriene ble til på grunn av unøyaktigheter i klassisk mekanikk i visse situasjoner. Klassisk mekanikk spådde en varierende lyshastighet , som ikke kunne løses med den konstante hastigheten som ble forutsagt av Maxwells elektromagnetiske ligninger; dette avviket ble korrigert av Einsteins teori om spesiell relativitet , som erstattet klassisk mekanikk for raskt bevegelige kropper og tillot en konstant lyshastighet. Svartkroppsstråling ga et annet problem for klassisk fysikk, som ble korrigert da Planck foreslo at eksitering av materialoscillatorer bare er mulig i diskrete trinn proporsjonale med deres frekvens; dette, sammen med den fotoelektriske effekten og en komplett teori som forutsier diskrete energinivåer av elektronorbitaler , førte til at teorien om kvantemekanikk tok over fra klassisk fysikk i svært små skalaer.

Kvantemekanikk ville komme til å bli pionerer av Werner Heisenberg , Erwin Schrödinger og Paul Dirac . Fra dette tidlige arbeidet, og arbeidet innen relaterte felt, ble standardmodellen for partikkelfysikk utledet. Etter oppdagelsen av en partikkel med egenskaper som samsvarer med Higgs-bosonet ved CERN i 2012, ser det ut til at alle fundamentale partikler som er forutsagt av standardmodellen, og ingen andre, eksisterer; fysikk utover standardmodellen , med teorier som supersymmetri , er imidlertid et aktivt forskningsområde. Områder innen matematikk generelt er viktige for dette feltet, for eksempel studiet av sannsynligheter og grupper .

Filosofi

På mange måter stammer fysikk fra gammel gresk filosofi . Fra Thales' første forsøk på å karakterisere materie, til Democritus' konklusjon om at materie burde reduseres til en invariant tilstand, den ptolemaiske astronomien til et krystallinsk himmelhvelving , og Aristoteles' bok Physics (en tidlig bok om fysikk, som forsøkte å analysere og definere bevegelse fra et filosofisk synspunkt), fremmet forskjellige greske filosofer sine egne teorier om naturen. Fysikk var kjent som naturfilosofi frem til slutten av 1700-tallet.

På 1800-tallet ble fysikk realisert som en disiplin forskjellig fra filosofi og andre vitenskaper. Fysikk, som med resten av vitenskapen, er avhengig av vitenskapsfilosofi og dens "vitenskapelige metode" for å fremme vår kunnskap om den fysiske verden. Den vitenskapelige metoden bruker a priori resonnement så vel som a posteriori resonnement og bruk av Bayesiansk slutning for å måle gyldigheten av en gitt teori.

Utviklingen av fysikk har besvart mange spørsmål fra tidlige filosofer, men har også reist nye spørsmål. Studiet av de filosofiske spørsmålene rundt fysikk, fysikkens filosofi, involverer spørsmål som naturen til rom og tid , determinisme og metafysiske synspunkter som empirisme , naturalisme og realisme .

Mange fysikere har skrevet om de filosofiske implikasjonene av arbeidet deres, for eksempel Laplace , som forkjempet kausal determinisme , og Schrödinger, som skrev om kvantemekanikk. Den matematiske fysikeren Roger Penrose hadde blitt kalt en platonist av Stephen Hawking , et syn Penrose diskuterer i sin bok, The Road to Reality . Hawking omtalte seg selv som en "uforskammet reduksjonist" og tok et problem med Penroses synspunkter.

Kjerneteorier

Selv om fysikk omhandler et bredt utvalg av systemer, brukes visse teorier av alle fysikere. Hver av disse teoriene ble eksperimentelt testet flere ganger og funnet å være en tilstrekkelig tilnærming av naturen. For eksempel beskriver teorien om klassisk mekanikk nøyaktig bevegelsen til objekter, forutsatt at de er mye større enn atomer og beveger seg mye mindre enn lysets hastighet. Disse teoriene fortsetter å være områder for aktiv forskning i dag. Kaosteori , et bemerkelsesverdig aspekt ved klassisk mekanikk, ble oppdaget på 1900-tallet, tre århundrer etter den opprinnelige formuleringen av klassisk mekanikk av Newton (1642–1727).

Disse sentrale teoriene er viktige verktøy for forskning på mer spesialiserte emner, og enhver fysiker, uansett spesialisering, forventes å være litterær på dem. Disse inkluderer klassisk mekanikk, kvantemekanikk, termodynamikk og statistisk mekanikk , elektromagnetisme og spesiell relativitet.

Klassisk

Klassisk fysikk inkluderer de tradisjonelle grenene og emnene som ble anerkjent og godt utviklet før begynnelsen av det 20. århundre - klassisk mekanikk, akustikk , optikk , termodynamikk og elektromagnetisme. Klassisk mekanikk er opptatt av kropper som påvirkes av krefter og kropper i bevegelse og kan deles inn i statikk (studie av kreftene på et legeme eller kropper som ikke er utsatt for en akselerasjon), kinematikk (studie av bevegelse uten hensyn til dens årsaker), og dynamikk (studie av bevegelse og kreftene som påvirker den); mekanikk kan også deles inn i fast mekanikk og fluidmekanikk (kjent sammen som kontinuummekanikk ), sistnevnte inkluderer grener som hydrostatikk , hydrodynamikk , aerodynamikk og pneumatikk . Akustikk er læren om hvordan lyd produseres, kontrolleres, overføres og mottas. Viktige moderne grener av akustikk inkluderer ultralyd , studiet av lydbølger med svært høy frekvens utenfor rekkevidden til menneskelig hørsel; bioakustikk , fysikken til dyrerop og hørsel, og elektroakustikk , manipulering av hørbare lydbølger ved hjelp av elektronikk.

Optikk, studiet av lys , er ikke bare opptatt av synlig lys , men også med infrarød og ultrafiolett stråling , som viser alle fenomenene med synlig lys bortsett fra synlighet, for eksempel refleksjon, brytning, interferens, diffraksjon, dispersjon og polarisering av lys . Varme er en form for energi , den indre energien som finnes av partiklene som et stoff består av; termodynamikk omhandler forholdet mellom varme og andre energiformer. Elektrisitet og magnetisme har blitt studert som en enkelt gren av fysikk siden den intime forbindelsen mellom dem ble oppdaget på begynnelsen av 1800-tallet; en elektrisk strøm gir opphav til et magnetfelt , og et skiftende magnetfelt induserer en elektrisk strøm. Elektrostatikk omhandler elektriske ladninger i hvile, elektrodynamikk med bevegelige ladninger, og magnetostatikk med magnetiske poler i hvile.

Moderne

Moderne fysikk
${\displaystyle {\hat {H}}|\psi _{n}(t)\rangle =i\hbar {\frac {\partial }{\partial t}}|\psi _{n}(t)\ rangle }$ ${\displaystyle G_{\mu \nu }+\Lambda g_{\mu \nu }={\kappa }T_{\mu \nu }}$ Schrödinger og Einstein feltligninger
Grunnleggere Max Planck  · Albert Einstein  · Niels Bohr  · Max Born  · Werner Heisenberg  · Erwin Schrödinger  · Pascual Jordan  · Wolfgang Pauli  · Paul Dirac  · Ernest Rutherford  · Louis de Broglie  · Satyendra Nath Bose
Begreper Topologi  · Rom  · Tid  · Energi  · Materie  · Arbeid Tilfeldighet  · Informasjon  · Entropi  · Tankelys · Partikkel · Bølge _
Grener Anvendt  · Eksperimentell  · Teoretisk matematisk  · Fysikkfilosofi Kvantemekanikk ( Kvantefeltteori  · Kvanteinformasjon  · Kvanteberegning ) Elektromagnetisme  · Svak interaksjon  · Elektrosvak interaksjon Sterk interaksjon Atomisk  · Partikkel  · Kjernefysisk atomisk, molekylært og optisk kondensert materie  · Statistisk kondensert materie Ikke-lineær dynamikk · Biofysikk Nevrofysikk Plasmafysikk Spesiell relativitet · Generell relativitet Astrofysikk · Kosmologi Teorier om gravitasjon Kvantegravitasjon · Teori om alt
Forskere Witten  · Röntgen  · Becquerel  · Lorentz  · Planck  · Curie  · Wien  · Skłodowska-Curie  · Sommerfeld  · Rutherford  · Soddy  · Onnes  · Einstein  · Wilczek  · Born  · Weyl  · Bohr  · Kramers  · Schrödinger  · de Broglie  · Laue  · Bose  · Compton  · Pauli  · Walton  · Fermi  · van der Waals  · Heisenberg  · Dyson  · Zeeman  · Moseley  · Hilbert  · Gödel  · Jordan  · Dirac  · Wigner  · Hawking  · PW Anderson  · Lemaître  · Thomson  · Poincaré  · Wheeler  · Penrose  · Millikan  · Nambu  · von Neumann  · Higgs  · Hahn  · Feynman  · Yang  · Lee  · Lenard  · Salam  · 't Hooft  · Veltman  · Bell  · Gell-Mann  · JJ Thomson  · Raman  · Bragg  · Bardeen  · Shockley  · Chadwick  · Lawrence  · Zeilinger  · Goudsmit  · Uhlenbeck
Kategorier Moderne fysikk
v t e

Klassisk fysikk er generelt opptatt av materie og energi på normal observasjonsskala, mens mye av moderne fysikk er opptatt av oppførselen til materie og energi under ekstreme forhold eller i svært stor eller svært liten skala. For eksempel studerer atom- og kjernefysikk materie i den minste skala der kjemiske elementer kan identifiseres. Fysikken til elementærpartikler er på en enda mindre skala siden den er opptatt av de mest grunnleggende enhetene av materie; denne grenen av fysikk er også kjent som høyenergifysikk på grunn av de ekstremt høye energiene som er nødvendige for å produsere mange typer partikler i partikkelakseleratorer . På denne skalaen er vanlige, sunne forestillinger om rom, tid, materie og energi ikke lenger gyldige.

De to hovedteoriene for moderne fysikk presenterer et annet bilde av begrepene rom, tid og materie enn det som presenteres av klassisk fysikk. Klassisk mekanikk tilnærmer naturen som kontinuerlig, mens kvanteteorien er opptatt av den diskrete naturen til mange fenomener på atom- og subatomært nivå og med de komplementære aspektene ved partikler og bølger i beskrivelsen av slike fenomener. Relativitetsteorien er opptatt av beskrivelsen av fenomener som finner sted i en referanseramme som er i bevegelse i forhold til en observatør; den spesielle relativitetsteorien er opptatt av bevegelse i fravær av gravitasjonsfelt og den generelle relativitetsteorien med bevegelse og dens forbindelse med gravitasjon . Både kvanteteorien og relativitetsteorien finner anvendelser på alle områder av moderne fysikk.

Grunnleggende begreper i moderne fysikk

• Kausalitet
• Kovarians
• Handling
• Fysisk felt
• Symmetri
• Fysisk interaksjon
• Statistisk ensemble
• Kvante
• Bølge
• Partikkel

Forskjell

Fysikkens grunnleggende domener

Mens fysikk tar sikte på å oppdage universelle lover, ligger teoriene i eksplisitte områder av anvendelighet.

Solvay-konferansen i 1927, med fremtredende fysikere som Albert Einstein , Werner Heisenberg , Max Planck , Hendrik Lorentz , Niels Bohr , Marie Curie , Erwin Schrödinger og Paul Dirac

Løst sett beskriver lovene i klassisk fysikk nøyaktig systemer hvis viktige lengdeskalaer er større enn atomskalaen og hvis bevegelser er mye langsommere enn lysets hastighet. Utenfor dette domenet samsvarer ikke observasjoner med spådommer gitt av klassisk mekanikk. Einstein bidro med rammeverket for spesiell relativitet, som erstattet forestillinger om absolutt tid og rom med romtid og tillot en nøyaktig beskrivelse av systemer hvis komponenter har hastigheter som nærmer seg lysets hastighet. Planck, Schrödinger og andre introduserte kvantemekanikk, en sannsynlighet om partikler og interaksjoner som tillot en nøyaktig beskrivelse av atomære og subatomære skalaer. Senere samlet kvantefeltteori kvantemekanikk og spesiell relativitet. Generell relativitetsteori tillot en dynamisk, buet romtid, som svært massive systemer og universets storskalastruktur kan beskrives godt. Generell relativitet er ennå ikke forenet med de andre grunnleggende beskrivelsene; flere kandidatteorier om kvantetyngdekraft er under utvikling.

Relasjon til andre felt

Denne parabelformede lavastrømmen illustrerer bruken av matematikk i fysikk - i dette tilfellet Galileos lov om fallende kropper .

Matematikk og ontologi brukes i fysikk. Fysikk brukes i kjemi og kosmologi.

Forutsetninger

Matematikk gir et kompakt og nøyaktig språk som brukes til å beskrive rekkefølgen i naturen. Dette ble bemerket og forfektet av Pythagoras , Platon , Galileo og Newton.

Fysikk bruker matematikk til å organisere og formulere eksperimentelle resultater. Fra disse resultatene oppnås presise eller estimerte løsninger, eller kvantitative resultater, hvorfra nye spådommer kan gjøres og eksperimentelt bekreftes eller negeres. Resultatene fra fysikkeksperimenter er numeriske data, med deres måleenheter og estimater av feilene i målingene. Teknologier basert på matematikk, som beregning , har gjort beregningsfysikk til et aktivt forskningsområde.

Skillet mellom matematikk og fysikk er tydelig, men ikke alltid åpenbart, spesielt innen matematisk fysikk.

Ontologi er en forutsetning for fysikk, men ikke for matematikk. Det betyr at fysikk til syvende og sist er opptatt av beskrivelser av den virkelige verden, mens matematikk er opptatt av abstrakte mønstre, også utenfor den virkelige verden. Dermed er fysikkutsagn syntetiske, mens matematiske utsagn er analytiske. Matematikk inneholder hypoteser, mens fysikk inneholder teorier. Matematiske utsagn må kun være logisk sanne, mens spådommer av fysikkutsagn må samsvare med observerte og eksperimentelle data.

Skillet er tydelig, men ikke alltid åpenbart. For eksempel er matematisk fysikk bruken av matematikk i fysikk. Metodene er matematiske, men emnet er fysisk. Problemene i dette feltet starter med en " matematisk modell av en fysisk situasjon " (system) og en "matematisk beskrivelse av en fysisk lov" som vil bli brukt på det systemet. Hver matematisk utsagn som brukes til å løse har en fysisk betydning som er vanskelig å finne. Den endelige matematiske løsningen har en lettere å finne betydning, fordi det er det løseren ser etter.

Ren fysikk er en gren av grunnleggende vitenskap (også kalt grunnleggende vitenskap). Fysikk kalles også " den grunnleggende vitenskapen" fordi alle grener av naturvitenskap som kjemi, astronomi, geologi og biologi er begrenset av fysikkens lover. På samme måte kalles kjemi ofte den sentrale vitenskapen på grunn av dens rolle i å knytte sammen de fysiske vitenskapene. For eksempel studerer kjemi egenskaper, strukturer og reaksjoner av materie (kjemiens fokus på molekylær og atomær skala skiller den fra fysikk ). Strukturer dannes fordi partikler utøver elektriske krefter på hverandre, egenskaper inkluderer fysiske egenskaper til gitte stoffer, og reaksjoner er bundet av fysikklover, som bevaring av energi , masse og ladning . Fysikk brukes i bransjer som ingeniørfag og medisin.

Anvendelse og innflytelse

Klassisk fysikk implementert i en akustisk ingeniørmodell av lyd som reflekteres fra en akustisk diffuser

Archimedes' skrue , en enkel maskin for løfting

Eksperimenter med laser

Anvendt fysikk er en generell betegnelse for fysikkforskning, som er ment for en bestemt bruk. En anvendt fysikkpensum inneholder vanligvis noen få klasser i en anvendt disiplin, som geologi eller elektroteknikk. Det skiller seg vanligvis fra ingeniørfag ved at en anvendt fysiker kanskje ikke designer noe spesielt, men heller bruker fysikk eller utfører fysikkforskning med sikte på å utvikle nye teknologier eller løse et problem.

Tilnærmingen ligner på anvendt matematikk . Anvendte fysikere bruker fysikk i vitenskapelig forskning. For eksempel kan folk som jobber med akseleratorfysikk forsøke å bygge bedre partikkeldetektorer for forskning i teoretisk fysikk.

Fysikk brukes mye i ingeniørfag. For eksempel brukes statikk, et underfelt av mekanikk , i bygging av broer og andre statiske strukturer. Forståelsen og bruken av akustikk gir lydkontroll og bedre konsertsaler; på samme måte skaper bruk av optikk bedre optiske enheter. En forståelse av fysikk gir mer realistiske flysimulatorer , videospill og filmer, og er ofte kritisk i rettsmedisinske undersøkelser.

Med standard konsensus om at fysikkens lover er universelle og ikke endres med tiden, kan fysikk brukes til å studere ting som vanligvis vil være nedsunket i usikkerhet . For eksempel, i studiet av jordens opprinnelse , kan man med rimelighet modellere jordens masse, temperatur og rotasjonshastighet, som en funksjon av tid, slik at man kan ekstrapolere forover eller bakover i tid og dermed forutsi fremtidige eller tidligere hendelser. Det gir også mulighet for simuleringer innen ingeniørfag som drastisk fremskynder utviklingen av en ny teknologi.

Men det er også betydelig tverrfaglighet , så mange andre viktige felt er påvirket av fysikk (f.eks. feltene økonofysikk og sosiofysikk ).

Undersøkelser

Vitenskapelig metode

Fysikere bruker den vitenskapelige metoden for å teste gyldigheten av en fysisk teori . Ved å bruke en metodisk tilnærming for å sammenligne implikasjonene av en teori med konklusjonene trukket fra dens relaterte eksperimenter og observasjoner, er fysikere bedre i stand til å teste gyldigheten av en teori på en logisk, objektiv og repeterbar måte. For det formål utføres eksperimenter og observasjoner for å fastslå gyldigheten eller ugyldigheten av teorien.

En vitenskapelig lov er en kortfattet verbal eller matematisk uttalelse av en relasjon som uttrykker et grunnleggende prinsipp i en eller annen teori, for eksempel Newtons lov om universell gravitasjon.

Teori og eksperiment

Astronauten og jorden er begge i fritt fall .

Lyn er en elektrisk strøm .

Teoretikere søker å utvikle matematiske modeller som både stemmer overens med eksisterende eksperimenter og lykkes med å forutsi fremtidige eksperimentelle resultater, mens eksperimentalister utarbeider og utfører eksperimenter for å teste teoretiske spådommer og utforske nye fenomener. Selv om teori og eksperiment utvikles separat, påvirker og er de sterkt avhengige av hverandre. Fremgang i fysikk skjer ofte når eksperimentelle resultater trosser forklaring av eksisterende teorier, noe som gir intens fokus på anvendelig modellering, og når nye teorier genererer eksperimentelt testbare spådommer , som inspirerer til utvikling av nye eksperimenter (og ofte relatert utstyr).

Fysikere som arbeider i samspillet mellom teori og eksperiment kalles fenomenologer , som studerer komplekse fenomener observert i eksperimentet og jobber med å relatere dem til en grunnleggende teori .

Teoretisk fysikk har historisk tatt inspirasjon fra filosofien; elektromagnetisme ble forent på denne måten. Utover det kjente universet, omhandler feltet teoretisk fysikk også hypotetiske spørsmål, for eksempel parallelle universer , et multivers og høyere dimensjoner . Teoretikere påberoper seg disse ideene i håp om å løse spesielle problemer med eksisterende teorier; de utforsker deretter konsekvensene av disse ideene og jobber mot å lage testbare spådommer.

Eksperimentell fysikk utvides, og utvides med, ingeniørvitenskap og teknologi . Eksperimentelle fysikere som er involvert i grunnforskning , designer og utfører eksperimenter med utstyr som partikkelakseleratorer og lasere , mens de som er involvert i anvendt forskning ofte jobber i industrien, og utvikler teknologier som magnetisk resonansavbildning (MRI) og transistorer . Feynman har bemerket at eksperimentelle kan søke områder som ikke har blitt utforsket godt av teoretikere.

Omfang og mål

Fysikk innebærer å modellere den naturlige verden med teori, vanligvis kvantitativ. Her er banen til en partikkel modellert med matematikken til kalkulus for å forklare dens oppførsel: rekkevidden til grenen av fysikk kjent som mekanikk .

Fysikken dekker et bredt spekter av fenomener , fra elementærpartikler (som kvarker, nøytrinoer og elektroner) til de største superklyngene av galakser. Inkludert i disse fenomenene er de mest grunnleggende objektene som utgjør alle andre ting. Derfor kalles fysikk noen ganger "fundamental science". Fysikk tar sikte på å beskrive de ulike fenomenene som oppstår i naturen i form av enklere fenomener. Fysikken tar derfor sikte på både å koble de tingene som kan observeres for mennesker til rotårsaker, og deretter koble disse årsakene sammen.

For eksempel observerte de gamle kineserne at visse bergarter ( lodestone og magnetitt ) ble tiltrukket av hverandre av en usynlig kraft. Denne effekten ble senere kalt magnetisme, som først ble grundig studert på 1600-tallet. Men selv før kineserne oppdaget magnetisme, visste de gamle grekerne om andre gjenstander som rav , som når de ble gnidd med pels ville forårsake en lignende usynlig tiltrekning mellom de to. Dette ble også først studert grundig på 1600-tallet og ble kalt elektrisitet. Dermed hadde fysikken kommet til å forstå to observasjoner av naturen i form av en eller annen grunnårsak (elektrisitet og magnetisme). Imidlertid avslørte videre arbeid på 1800-tallet at disse to kreftene bare var to forskjellige aspekter av en kraft - elektromagnetisme. Denne prosessen med å "forene" krefter fortsetter i dag, og elektromagnetisme og den svake kjernekraften anses nå for å være to aspekter ved den elektrosvake interaksjonen . Fysikken håper å finne en endelig grunn (teori om alt) for hvorfor naturen er som den er (se avsnittet Aktuell forskning nedenfor for mer informasjon).

Forskningsfelt

Samtidsforskning i fysikk kan grovt deles inn i kjernefysikk og partikkelfysikk; kondensert materie fysikk ; atom-, molekyl- og optisk fysikk ; astrofysikk ; og anvendt fysikk. Noen fysikkavdelinger støtter også fysikkundervisningsforskning og fysikkoppsøking .

Siden 1900-tallet har de enkelte fysikkfeltene blitt stadig mer spesialiserte, og i dag arbeider de fleste fysikere innenfor et enkelt felt i hele karrieren. "Universalister" som Einstein (1879–1955) og Lev Landau (1908–1968), som jobbet i flere felt av fysikk, er nå svært sjeldne.

De viktigste feltene i fysikk, sammen med deres underfelt og teoriene og konseptene de bruker, er vist i følgende tabell.

Kjernekraft og partikkel

En simulert hendelse i CMS-detektoren til Large Hadron Collider , som viser et mulig utseende av Higgs-bosonet .

Partikkelfysikk er studiet av de elementære bestanddelene av materie og energi og interaksjonene mellom dem. I tillegg designer og utvikler partikkelfysikere høyenergiakseleratorene, detektorene og dataprogrammene som er nødvendige for denne forskningen. Feltet kalles også "høyenergifysikk" fordi mange elementærpartikler ikke forekommer naturlig, men skapes kun under høyenergikollisjoner av andre partikler.

For tiden er interaksjonene mellom elementærpartikler og felt beskrevet av standardmodellen . Modellen står for de 12 kjente materiepartiklene ( kvarker og leptoner ) som samhandler via de sterke , svake og elektromagnetiske grunnkreftene . Dynamikk er beskrevet i form av materiepartikler som utveksler gauge-bosoner ( henholdsvis gluoner , W- og Z-bosoner og fotoner ). Standardmodellen forutsier også en partikkel kjent som Higgs-bosonet. I juli 2012 kunngjorde CERN, det europeiske laboratoriet for partikkelfysikk, påvisningen av en partikkel i samsvar med Higgs-bosonet, en integrert del av Higgs-mekanismen .

Kjernefysikk er fysikkfeltet som studerer atomkjerners bestanddeler og interaksjoner . De mest kjente bruksområdene for kjernefysikk er kjernekraftproduksjon og kjernefysisk våpenteknologi , men forskningen har gitt anvendelse på mange felt, inkludert de innen nukleærmedisin og magnetisk resonansavbildning, ioneimplantasjon i materialteknikk og radiokarbondatering i geologi og arkeologi .

Atomisk, molekylært og optisk

Atom-, molekyl- og optisk fysikk (AMO) er studiet av materie-materie og lys-materie interaksjoner på skalaen til enkeltatomer og molekyler. De tre områdene er gruppert sammen på grunn av deres innbyrdes sammenhenger, likheten mellom metodene som brukes, og fellesheten til deres relevante energiskalaer. Alle tre områdene inkluderer både klassisk, semi-klassisk og kvantebehandling ; de kan behandle motivet sitt fra et mikroskopisk syn (i motsetning til et makroskopisk syn).

Atomfysikk studerer elektronskall til atomer. Nåværende forskning fokuserer på aktiviteter innen kvantekontroll, kjøling og fangst av atomer og ioner, lavtemperaturkollisjonsdynamikk og effekten av elektronkorrelasjon på struktur og dynamikk. Atomfysikk påvirkes av kjernen (se hyperfin splitting ), men intra-nukleære fenomener som fisjon og fusjon regnes som en del av kjernefysikken.

Molekylær fysikk fokuserer på multiatomiske strukturer og deres indre og ytre interaksjoner med materie og lys. Optisk fysikk er forskjellig fra optikk ved at den har en tendens til ikke å fokusere på kontrollen av klassiske lysfelt av makroskopiske objekter, men på de grunnleggende egenskapene til optiske felt og deres interaksjoner med materie i det mikroskopiske riket.

Kondensert materie

Hastighetsfordelingsdata for en gass av rubidiumatomer , bekrefter oppdagelsen av en ny fase av materie, Bose-Einstein-kondensatet

Fysikk av kondensert materie er fysikkfeltet som omhandler de makroskopiske fysiske egenskapene til materie. Spesielt er det opptatt av de "kondenserte" fasene som oppstår når antallet partikler i et system er ekstremt stort og interaksjonene mellom dem er sterke.

De mest kjente eksemplene på kondenserte faser er faste stoffer og væsker , som oppstår fra bindingen ved hjelp av den elektromagnetiske kraften mellom atomer. Mer eksotiske kondenserte faser inkluderer superfluiden og Bose-Einstein-kondensatet som finnes i visse atomsystemer ved svært lav temperatur, den superledende fasen som vises av ledningselektroner i visse materialer, og de ferromagnetiske og antiferromagnetiske fasene til spinn på atomgitter .

Fysikk av kondensert materie er det største feltet innen moderne fysikk. Historisk sett vokste kondensert materiefysikk ut av faststofffysikk, som nå regnes som et av dens viktigste underfelt. Begrepet kondensert materiefysikk ble tilsynelatende laget av Philip Anderson da han ga nytt navn til forskningsgruppen sin – tidligere solid-state-teori – i 1967. I 1978 ble Division of Solid State Physics i American Physical Society omdøpt til Division of Condensed Matter Physics . Fysikk av kondensert stoff har en stor overlapping med kjemi, materialvitenskap , nanoteknologi og ingeniørvitenskap.

Astrofysikk

Det dypeste synlige lysbildet av universet , Hubble Ultra-Deep Field

Astrofysikk og astronomi er anvendelsen av fysikkens teorier og metoder til studiet av stjernestruktur , stjerneutvikling , opprinnelsen til solsystemet og relaterte problemer innen kosmologi . Fordi astrofysikk er et bredt fag, bruker astrofysikere vanligvis mange disipliner innen fysikk, inkludert mekanikk, elektromagnetisme, statistisk mekanikk, termodynamikk, kvantemekanikk, relativitetsteori, kjernefysikk og partikkelfysikk, og atom- og molekylfysikk.

Oppdagelsen av Karl Jansky i 1931 at radiosignaler ble sendt ut av himmellegemer satte i gang vitenskapen om radioastronomi . Senest har astronomiens grenser blitt utvidet ved romutforskning. Forstyrrelser og interferens fra jordens atmosfære gjør rombaserte observasjoner nødvendige for infrarød- , ultrafiolett- , gamma- og røntgenastronomi .

Fysisk kosmologi er studiet av dannelsen og utviklingen av universet på dets største skalaer. Albert Einsteins relativitetsteori spiller en sentral rolle i alle moderne kosmologiske teorier. På begynnelsen av 1900-tallet førte Hubbles oppdagelse av at universet utvider seg, som vist av Hubble-diagrammet , til rivaliserende forklaringer kjent som steady state- universet og Big Bang .

Big Bang ble bekreftet av suksessen til Big Bang-nukleosyntesen og oppdagelsen av den kosmiske mikrobølgebakgrunnen i 1964. Big Bang-modellen hviler på to teoretiske pilarer: Albert Einsteins generelle relativitetsteori og det kosmologiske prinsippet . Kosmologer har nylig etablert ΛCDM-modellen for universets utvikling, som inkluderer kosmisk inflasjon , mørk energi og mørk materie .

Tallrike muligheter og oppdagelser forventes å dukke opp fra nye data fra Fermi Gamma-ray Space Telescope i løpet av det kommende tiåret og i stor grad revidere eller klargjøre eksisterende modeller av universet. Spesielt er potensialet for en enorm oppdagelse rundt mørk materie mulig i løpet av de neste årene. Fermi vil søke etter bevis på at mørk materie er sammensatt av svakt samvirkende massive partikler , som komplementerer lignende eksperimenter med Large Hadron Collider og andre underjordiske detektorer.

IBEX gir allerede nye astrofysiske oppdagelser: "Ingen vet hva som skaper ENA-båndet (energiske nøytrale atomer) " langs termineringssjokket fra solvinden , "men alle er enige om at det betyr lærebokbildet av heliosfæren - der Solsystemets omsluttende lomme fylt med solvindens ladede partikler pløyer gjennom den fremadstormende 'galaktiske vinden' til det interstellare mediet i form av en komet – er feil."

Aktuell forskning

Feynman-diagram signert av RP Feynman .

Et typisk fenomen beskrevet av fysikk: en magnet som svever over en superleder demonstrerer Meissner-effekten .

Forskning innen fysikk utvikler seg kontinuerlig på et stort antall fronter.

I fysikk av kondensert materie er et viktig uløst teoretisk problem det med høytemperatursuperledning . Mange eksperimenter med kondensert materiale tar sikte på å lage brukbar spintronikk og kvantedatamaskiner .

I partikkelfysikk har de første eksperimentelle bevisene for fysikk utover standardmodellen begynt å dukke opp. Fremst blant disse er indikasjoner på at nøytrinoer har ikke-null masse . Disse eksperimentelle resultatene ser ut til å ha løst det langvarige solnøytrinoproblemet , og fysikken til massive nøytrinoer er fortsatt et område med aktiv teoretisk og eksperimentell forskning. Large Hadron Collider har allerede funnet Higgs-bosonet, men fremtidig forskning tar sikte på å bevise eller motbevise supersymmetrien, som utvider standardmodellen for partikkelfysikk. Forskning på arten av de store mysteriene med mørk materie og mørk energi pågår også for tiden.

Selv om det er gjort store fremskritt innen høyenergi-, kvante- og astronomisk fysikk, er mange dagligdagse fenomener som involverer kompleksitet , kaos eller turbulens fortsatt dårlig forstått. Komplekse problemer som ser ut til å kunne løses ved en smart anvendelse av dynamikk og mekanikk forblir uløst; eksempler inkluderer dannelsen av sandhauger, noder i sildrende vann, formen på vanndråper, mekanismer for overflatespenningskatastrofer og selvsortering i rystede heterogene samlinger.

Disse komplekse fenomenene har fått økende oppmerksomhet siden 1970-tallet av flere grunner, inkludert tilgjengeligheten av moderne matematiske metoder og datamaskiner, som gjorde det mulig å modellere komplekse systemer på nye måter. Kompleks fysikk har blitt en del av stadig mer tverrfaglig forskning, som eksemplifisert ved studiet av turbulens i aerodynamikk og observasjon av mønsterdannelse i biologiske systemer. I 1932 Annual Review of Fluid Mechanics sa Horace Lamb :

Jeg er en gammel mann nå, og når jeg dør og kommer til himmelen er det to saker jeg håper på opplysning om. Den ene er kvanteelektrodynamikk, og den andre er den turbulente bevegelsen til væsker. Og når det gjelder førstnevnte er jeg ganske optimistisk.

Se også

Notater

Referanser

Kilder

Eksterne linker

• PhysicsCentral – Nettportal drevet av American Physical Society
• Physics.org – Nettportal drevet av Institute of Physics
• Usenet Physics FAQ – FAQ kompilert av sci.physics og andre fysikknyhetsgrupper
• Nettstedet til Nobelprisen i fysikk – Pris for fremragende bidrag til emnet
• World of Physics - Online encyklopedisk fysikkordbok
• Nature Physics – Akademisk tidsskrift
• Physics - Online magasin av American Physical Society
• Fysikk/publikasjoner hos Curlie – Katalog over fysikkrelaterte medier
• Vega Science Trust – Vitenskapsvideoer, inkludert fysikk
• HyperPhysics nettsted - Fysikk og astronomi tankekart fra Georgia State University
• FYSIKK ved MIT OCW – Online kursmateriell fra Massachusetts Institute of Technology