Физика — дефиниция, основни закони, клонове и приложения

Древна астрономия

Астрономията е най-старата природна наука. Шумерите и древните египтяни са изучавали звездите, най-вече с цел предсказване и религия. Първите вавилонски звездни карти датират от около 1200 г. пр. От вавилонците датира и фактът, че астрономическите събития са периодични. Тяхното разбиране не е било научно, но наблюденията им са повлияли на по-късната астрономия. Голяма част от астрономията идва от Месопотамия, Вавилония, Древен Египет и Древна Гърция. Астрономите от Египет са построили паметници, които показват как се движат обектите в небето, а повечето от имената на съзвездията в Северното полукълбо идват от гръцките астрономи.

Натурална философия

Натурфилософията започва в Гърция около 650 г. пр.н.е., когато едно движение от философи заменя суеверията с натурализъм, който отхвърля духовното. По това време Леуцип и неговият ученик Демокрит предлагат идеята за атома.

Физиката в средновековния ислямски свят

Ислямските учени продължават да изучават Аристотеловата физика по време на ислямския Златен век. Един от основните им приноси е в областта на наблюдателната астрономия. Някои от тях, като Ибн Сахл, Ал-Кинди, Ибн ал-Хайтам, Ал-Фариси и Авицена, са работили върху оптиката и зрението. В "Книга за оптиката" Ибн ал-Хайтам отхвърля предишните гръцки идеи за зрението и предлага нова теория. Той изучава как светлината навлиза в окото и разработва камера обскура. По-късно европейските учени създават очила, лупи, телескопи и фотоапарати по тази книга.

Класическа физика

След научната революция физиката се обособява като отделна област на изследване. Експериментите на Галилео спомагат за създаването на класическата физика. Въпреки че не е изобретил телескопа, той го е използвал, когато е наблюдавал нощното небе. Той подкрепя идеята на Коперник, че Земята се движи около Слънцето (хелиоцентризъм). Той също така изследва гравитацията. Исак Нютон използвал идеите на Галилей, за да създаде своите три закона за движението и закона за всеобщата гравитация. Заедно тези закони обясняват движението на падащи тела в близост до Земята и движението на Земята и планетите около Слънцето.

След няколко века индустриалната революция е в разгара си и са направени още много открития в различни области на науката. Законите на класическата физика са достатъчно добри за изучаване на обекти, които се движат много по-бавно от скоростта на светлината и не са микроскопични. Когато учените за пръв път изучават квантовата механика, те трябва да създадат нов набор от закони, което поставя началото на съвременната физика.

Съвременна физика

Когато учените изследват частиците, те откриват това, което класическата механика не може да обясни. Класическата механика предсказваше, че скоростта на светлината се променя, но експериментите показаха, че скоростта на светлината остава една и съща. Това е предсказано от специалната теория на относителността на Алберт Айнщайн. Айнщайн прогнозира, че скоростта на електромагнитното излъчване през празното пространство винаги ще бъде една и съща. Неговият възглед за пространство-времето замени древната идея, че пространството и времето са съвсем различни неща.

Макс Планк измисля квантовата механика, за да обясни защо металът освобождава електрони, когато го осветите, и защо материята излъчва радиация. Квантовата механика се прилага за много малки неща като електроните, протоните и неутроните, които изграждат един атом. Хора като Вернер Хайзенберг, Ервин Шрьодингер и Пол Дирак продължават да работят върху квантовата механика и в крайна сметка се стига до Стандартния модел.

Физиката е наука за енергията и материята в пространството и времето и за това как те са свързани помежду си. Физиците приемат съществуването на маса, дължина, време и електрически ток и след това дефинират (дават значението на) всички други физични величини по отношение на тези основни единици. Масата, дължината, времето и електрическият ток никога не са дефинирани, но стандартните единици, използвани за измерването им, винаги са дефинирани. В Международната система единици (съкратено SI от френското Système International) килограмът е основната единица за маса, метърът е основната единица за дължина, секундата е основната единица за време, а амперът е основната единица за електрически ток. В допълнение към тези четири единици има още три: молът, който е единица за количеството на материята, канделата, която измерва интензитета на светлината (силата на осветлението), и келвинът - единицата за температура.

Физиката изучава начина, по който се движат нещата, и силите, които ги карат да се движат. Например, физиката използва скоростта и ускорението, за да покаже как се движат нещата. Освен това физиците изучават силите на гравитацията, електричеството, магнетизма и силите, които държат нещата заедно.

Физиката изучава много големи и много малки неща. Например физиците могат да изучават звезди, планети и галактики, но могат да изучават и малки частици материя, като атоми и електрони.Те могат да изучават и звук, светлина и други вълни. Освен това те могат да изследват енергията, топлината и радиоактивността и дори пространството и времето. Физиката помага на хората да разберат не само как се движат обектите, но и как променят формата си, как издават шум, колко горещи или студени ще бъдат и от какво са направени на най-малкото ниво. Накратко, физиката е клон на науката, който се занимава със свойствата на материята и енергията, както и с взаимодействието между тях.

Физиката е количествена наука, тъй като се основава на измерване с числа. Математиката се използва във физиката за създаване на модели, които се опитват да предскажат какво ще се случи в природата. Тези прогнози се сравняват с начина, по който функционира реалният свят. Физиците винаги работят, за да подобрят своите модели на света.

Класическата механика съдържа основни теми като законите на Нютон за движението, механиката на Лагранж, хамилтоновата механика, кинематика, статика, динамика, теория на хаоса, акустика, динамика на флуидите, механика на континуума. Класическата механика е посветена на силите, които действат върху едно тяло в природата, уравновесяването на силите, поддържането на равновесно състояние и т.н.

Електромагнетизмът е изследване на зарядите върху дадено тяло. Той съдържа подтеми като електростатика, електродинамика, електричество, магнетизъм, магнитостатика, уравнения на Максуел, оптика.

Термодинамиката и статистическата механика са свързани с температурата. Тя включва основни теми като топлинен двигател, кинетична теория. Използва термини като топлина (Q), работа (W) и вътрешна енергия (U). Първият закон на термодинамиката ни дава връзката между тях чрез следното уравнение (ΔU = Q - W)

Квантовата механика е изследване на частиците на атомно ниво, като се взема предвид атомният модел. Тя включва подтеми интегрална формулировка на пътя, теория на разсейването, уравнение на Шрьодингер, квантова теория на полето, квантова статистическа механика.

Относителност

Общо описание

Физиката е наука за материята и взаимодействието ѝ. Материя е всеки физически материал във Вселената. Всичко се състои от материя. Физиката се използва за описване на физическата вселена около нас и за предсказване на нейното поведение. Физиката е наука, която се занимава с откриването и описването на универсалните закони, които управляват материята, движението и силите, пространството и времето, както и други характеристики на природния свят.

Обхват и цели на физиката

Обхватът на физиката е много широк - от най-малките компоненти на материята и силите, които я поддържат заедно, до галактиките и още по-големи неща. Има само четири сили, които изглежда действат в целия този диапазон. Въпреки това се смята, че дори тези четири сили (гравитацията, електромагнетизмът, слабата сила, свързана с радиоактивността, и силната сила, която държи заедно протоните и неутроните в атома) са различни части от една единствена сила.

Физиката се занимава основно с изработването на все по-прости, по-общи и по-точни правила, които определят характера и поведението на материята и самото пространство. Една от основните цели на физиката е създаването на теории, които да се отнасят за всичко във Вселената. С други думи, физиката може да се разглежда като изследване на онези универсални закони, които определят на възможно най-основно ниво поведението на физическата вселена.

Физиката използва научния метод

Във физиката се използва научният метод. Това означава, че се събират данни от експерименти и наблюдения. Създават се теории, които се опитват да обяснят тези данни. Физиката използва тези теории не само за описване на физични явления, но и за моделиране на физични системи и прогнозиране на поведението на тези физични системи. След това физиците сравняват тези прогнози с наблюденията или експерименталните данни, за да покажат дали теорията е вярна или не.

Теориите, които са добре подкрепени от данни и са особено прости и общи, понякога се наричат научни закони. Разбира се, всички теории, включително и тези, които са известни като закони, могат да бъдат заменени с по-точни и по-общи закони, когато се установи несъответствие с данните.

Физиката е количествена

Физиката е по-количествена от повечето други науки. Това означава, че много от наблюденията във физиката могат да бъдат представени под формата на числови измервания. Повечето от теориите във физиката използват математика, за да изразят своите принципи. Повечето от предсказанията на тези теории са числени. Това се дължи на факта, че областите, които физиката разглежда, работят по-добре с количествени подходи, отколкото други области. Науките също така са склонни да стават все по-количествени с течение на времето, тъй като стават по-развити, а физиката е една от най-старите науки.

Области на физиката

Класическата физика обикновено включва областите механика, оптика, електричество, магнетизъм, акустика и термодинамика. Модерната физика е термин, който обикновено се използва за обхващане на области, които се основават на квантовата теория, включително квантова механика, атомна физика, ядрена физика, физика на елементарните частици и физика на кондензираната материя, както и по-модерните области на общата и специалната теория на относителността, но последните две често се считат за области на класическата физика, тъй като не се основават на квантовата теория. Въпреки че тази разлика може да се открие в по-стари трудове, тя не представлява особен интерес за новите поколения, тъй като сега се разбира, че квантовите ефекти са от значение дори в области, които преди са били наричани класически.

Подходи във физиката

Има много начини за изучаване на физика и много различни видове дейности в областта на физиката. Двата основни вида дейности са събирането на данни и разработването на теории.

Някои подобласти на физиката могат да се изучават чрез експеримент. Например Галилео Галилей е изобретил кинематиката, като е правил експерименти и е изучавал данните. Експерименталната физика се фокусира главно върху емпиричния подход. Някои експерименти се правят, за да се изследва природата, а други експерименти се извършват, за да се получат данни, които да се сравнят с предсказанията на теориите.

Някои други области на физиката, като астрофизиката и геофизиката, са предимно наблюдателни науки, тъй като повечето от техните данни трябва да се събират пасивно, а не чрез експерименти. Галилео например е могъл само да погледне Юпитер и да открие, че той има луни. Въпреки това програмите за наблюдение в тези области използват много от същите инструменти и технологии, които се използват в експерименталните подобласти на физиката.

Теоретичната физика често използва количествени подходи за разработване на теории, които се опитват да обяснят данните. По този начин теоретичните физици често използват инструменти от математиката. Теоретичната физика често може да включва създаване на количествени предсказания на физични теории и количествено сравняване на тези предсказания с данни. Теоретичната физика понякога създава модели на физични системи, преди да са налични данни за проверка и подкрепа на тези модели.

Тези две основни дейности във физиката - събиране на данни, създаване на теория и тестване - използват много различни умения. Това е довело до голяма специализация във физиката, както и до въвеждането, разработването и използването на инструменти от други области. Например физиците теоретици използват в работата си математика и цифров анализ, статистика и вероятности, както и компютърен софтуер. Експерименталните физици разработват инструменти и техники за събиране на данни, като използват инженерни и компютърни технологии и много други области на техниката. Често инструментите от тези други области не са съвсем подходящи за нуждите на физиката и се налага да бъдат променени или да бъдат създадени по-съвършени версии.

Често се случва нова физика да бъде открита, ако физиците-експериментатори направят експеримент, който не може да бъде обяснен с настоящите теории, или физиците-теоретици да създадат теории, които след това могат да бъдат проверени от физиците-експериментатори.

Експерименталната физика, инженерството и технологиите са свързани. Експериментите често се нуждаят от специализирани инструменти като ускорители на частици, лазери, а важни промишлени приложения като транзистори и магнитно-резонансна томография са резултат от приложни изследвания.

Изтъкнати физици

• Американско физическо общество
• Астрономия
• Енергия
• Материя
• Време