Fyzika

História

Staroveká astronómia

Astronómia je najstaršia prírodná veda. Sumeri a starovekí Egypťania skúmali hviezdy najmä s ohľadom na predpovede a náboženstvo. Prvé babylonské hviezdne mapy pochádzajú z obdobia okolo roku 1200 pred n. l. To, že astronomické udalosti majú periodický charakter, sa tiež datuje k Babylončanom. Ich poznatky neboli vedecké, ale ich pozorovania ovplyvnili neskoršiu astronómiu. Veľká časť astronómie pochádza z Mezopotámie, Babylónie, starovekého Egypta a starovekého Grécka. Egyptskí astronómovia postavili monumenty, ktoré ukazovali, ako sa objekty na oblohe pohybujú, a väčšina názvov súhvezdí na severnej pologuli pochádza od gréckych astronómov.

Prírodná filozofia

Prírodná filozofia vznikla v Grécku okolo roku 650 pred n. l., keď hnutie filozofov nahradilo povery naturalizmom, ktorý vyvracal duchovno. Leucippos a jeho žiak Demokritos v tomto období navrhli myšlienku atómu.

Fyzika v stredovekom islamskom svete

Islamskí učenci pokračovali v štúdiu aristotelovskej fyziky aj počas islamského zlatého veku. Jedným z hlavných prínosov bola observačná astronómia. Niektorí z nich, ako napríklad Ibn Sahl, Al-Kindi, Ibn al-Haytham, Al-Farisi a Avicenna, sa zaoberali optikou a videním. Ibn al-Hajthám v knihe Optika odmietol predchádzajúce grécke predstavy o videní a navrhol novú teóriu. Skúmal, ako sa svetlo dostáva do oka, a vyvinul cameru obscuru. Európski vedci neskôr na základe tejto knihy skonštruovali okuliare, lupy, ďalekohľady a fotoaparáty.

Klasická fyzika

Fyzika sa po vedeckej revolúcii stala samostatným študijným odborom. Galileiho experimenty pomohli vytvoriť klasickú fyziku. Hoci nevynašiel ďalekohľad, používal ho pri pozorovaní nočnej oblohy. Podporil Kopernikovu myšlienku, že Zem sa pohybuje okolo Slnka (heliocentrizmus). Skúmal aj gravitáciu. Isaac Newton použil Galileiho myšlienky na vytvorenie svojich troch pohybových zákonov a zákona univerzálnej gravitácie. Tieto zákony spoločne vysvetľovali pohyb padajúcich telies v blízkosti Zeme a pohyb Zeme a planét okolo Slnka.

O niekoľko storočí bola priemyselná revolúcia v plnom prúde a v mnohých oblastiach vedy sa urobilo mnoho ďalších objavov. Zákony klasickej fyziky sú dostatočne dobré na skúmanie objektov, ktoré sa pohybujú oveľa pomalšie ako rýchlosť svetla a nie sú mikroskopické. Keď vedci prvýkrát študovali kvantovú mechaniku, museli vytvoriť nový súbor zákonov, čo bol začiatok modernej fyziky.

Moderná fyzika

Keď vedci skúmali častice, objavili to, čo klasická mechanika nedokázala vysvetliť. Klasická mechanika predpovedala, že rýchlosť svetla sa mení, ale experimenty ukázali, že rýchlosť svetla zostáva rovnaká. To predpovedala špeciálna teória relativity Alberta Einsteina. Einstein predpovedal, že rýchlosť elektromagnetického žiarenia v prázdnom priestore bude vždy rovnaká. Jeho pohľad na časopriestor nahradil starovekú predstavu, že priestor a čas sú úplne odlišné veci.

Max Planck prišiel s kvantovou mechanikou, aby vysvetlil, prečo kov uvoľňuje elektróny, keď naň zasvietite, a prečo hmota vyžaruje žiarenie. Kvantová mechanika platí pre veľmi malé veci, ako sú elektróny, protóny a neutróny, ktoré tvoria atóm. Ľudia ako Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger a Paul Dirac pokračovali v práci na kvantovej mechanike a nakoniec sme získali štandardný model.

Definícia

Fyzika je štúdium energie a hmoty v priestore a čase a ich vzájomného vzťahu. Fyzici predpokladajú existenciu hmotnosti, dĺžky, času a elektrického prúdu a potom definujú (udávajú význam) všetky ostatné fyzikálne veličiny v termínoch týchto základných jednotiek. Hmotnosť, dĺžka, čas a elektrický prúd nie sú nikdy definované, ale štandardné jednotky používané na ich meranie sú vždy definované. V Medzinárodnej sústave jednotiek (skrátene SI z francúzskeho Système International) je kilogram základnou jednotkou hmotnosti, meter základnou jednotkou dĺžky, sekunda základnou jednotkou času a ampér základnou jednotkou elektrického prúdu. Okrem týchto štyroch jednotiek existujú ďalšie tri: mol, ktorý je jednotkou množstva hmoty, kandela, ktorá meria intenzitu svetla (výkon osvetlenia), a kelvin, jednotka teploty.

Fyzika skúma, ako sa veci pohybujú a aké sily ich spôsobujú. Fyzika používa napríklad rýchlosť a zrýchlenie, aby ukázala, ako sa veci pohybujú. Fyzici tiež skúmajú gravitačné sily, elektrinu, magnetizmus a sily, ktoré držia veci pohromade.

Fyzika skúma veľmi veľké a veľmi malé veci. Fyzici môžu napríklad študovať hviezdy, planéty a galaxie, ale aj malé časti hmoty, ako sú atómy a elektróny.Môžu tiež študovať zvuk, svetlo a iné vlny. Okrem toho môžu skúmať energiu, teplo a rádioaktivitu, a dokonca aj priestor a čas. Fyzika pomáha ľuďom pochopiť nielen to, ako sa objekty pohybujú, ale aj to, ako menia svoju podobu, ako vydávajú zvuky, aké horúce alebo studené budú a z čoho sa skladajú na najmenšej úrovni.

Fyzika a matematika

Fyzika je kvantitatívna veda, pretože je založená na meraní pomocou čísel. Matematika sa vo fyzike používa na vytváranie modelov, ktoré sa snažia predpovedať, čo sa stane v prírode. Tieto predpovede sa porovnávajú s tým, ako funguje skutočný svet. Fyzici sa vždy snažia svoje modely sveta vylepšovať.

Pobočky

Klasická mechanika obsahuje hlavné témy, ako sú Newtonove pohybové zákony, Lagrangeova mechanika, Hamiltonova mechanika, kinematika, statika, dynamika, teória chaosu, akustika, dynamika kvapalín, mechanika kontinua. Klasická mechanika sa zaoberá silami pôsobiacimi na teleso v prírode, vyrovnávaním síl, udržiavaním rovnovážneho stavu atď .

Elektromagnetizmus je štúdium nábojov na určitom telese. Obsahuje čiastkové témy ako elektrostatiku, elektrodynamiku, elektrinu, magnetizmus, magnetostatiku, Maxwellove rovnice, optiku .

Termodynamika a štatistická mechanika súvisia s teplotou. Zahŕňa hlavné témy ako tepelný motor, kinetická teória. Používa pojmy ako teplo (Q), práca (W) a vnútorná energia (U). Prvý zákon termodynamiky nám ich dáva do vzťahu pomocou nasledujúcej rovnice (ΔU = Q - W)

Kvantová mechanika je štúdium častíc na atómovej úrovni s ohľadom na atómový model. Zahŕňa čiastkové témy Integrálna formulácia cesty, teória rozptylu, Schrödingerova rovnica, kvantová teória poľa, kvantová štatistická mechanika.

Relativita

Pokročilé znalosti

Všeobecný opis

Fyzika je veda o hmote a jej vzájomnom pôsobení. Hmota je akýkoľvek fyzikálny materiál vo vesmíre. Všetko sa skladá z hmoty. Fyzika sa používa na opis fyzikálneho vesmíru okolo nás a na predpovedanie jeho správania. Fyzika je veda zaoberajúca sa objavovaním a charakterizovaním univerzálnych zákonov, ktorými sa riadi hmota, pohyb a sily, priestor a čas a ďalšie vlastnosti prírodného sveta.

Rozsah a ciele fyziky

Fyzika má široký záber, od najmenších zložiek hmoty a síl, ktoré ju držia pohromade, až po galaxie a ešte väčšie veci. Zdá sa, že v celom tomto rozsahu pôsobia len štyri sily. Predpokladá sa však, že aj tieto štyri sily (gravitácia, elektromagnetizmus, slabá sila spojená s rádioaktivitou a silná sila, ktorá drží pohromade protóny a neutróny v atóme) sú rôznymi časťami jednej sily.

Fyzika sa zameriava najmä na vytváranie stále jednoduchších, všeobecnejších a presnejších pravidiel, ktoré definujú charakter a správanie hmoty a samotného priestoru. Jedným z hlavných cieľov fyziky je vytváranie teórií, ktoré sa vzťahujú na všetko vo vesmíre. Inými slovami, fyziku možno považovať za štúdium tých univerzálnych zákonov, ktoré na najzákladnejšej možnej úrovni definujú správanie fyzikálneho vesmíru.

Fyzika používa vedeckú metódu

Fyzika používa vedeckú metódu. To znamená, že sa zhromažďujú údaje z experimentov a pozorovaní. Potom sa vytvárajú teórie, ktoré sa snažia tieto údaje vysvetliť. Fyzika používa tieto teórie nielen na opis fyzikálnych javov, ale aj na modelovanie fyzikálnych systémov a predpovedanie, ako sa tieto fyzikálne systémy budú správať. Fyzici potom porovnávajú tieto predpovede s pozorovaniami alebo experimentálnymi dôkazmi, aby ukázali, či je teória správna alebo nie.

Teórie, ktoré sú dobre podložené údajmi a sú obzvlášť jednoduché a všeobecné, sa niekedy nazývajú vedecké zákony. Samozrejme, všetky teórie, vrátane tých, ktoré sú známe ako zákony, môžu byť nahradené presnejšími a všeobecnejšími zákonmi, ak sa zistí nesúlad s údajmi.

Fyzika je kvantitatívna

Fyzika je kvantitatívnejšia ako väčšina iných vied. To znamená, že mnohé pozorovania vo fyzike môžu byť reprezentované vo forme číselných meraní. Väčšina teórií vo fyzike používa na vyjadrenie svojich princípov matematiku. Väčšina predpovedí vyplývajúcich z týchto teórií je numerická. Je to preto, že v oblastiach, ktorými sa fyzika zaoberá, sa lepšie pracuje s kvantitatívnymi prístupmi ako v iných oblastiach. Aj vedy majú tendenciu sa časom stať kvantitatívnejšími, pretože sú stále viac rozvinuté, a fyzika je jednou z najstarších vied.

Oblasti fyziky

Klasická fyzika zvyčajne zahŕňa oblasti mechaniky, optiky, elektriny, magnetizmu, akustiky a termodynamiky. Moderná fyzika je termín, ktorý sa zvyčajne používa na označenie oblastí, ktoré sa opierajú o kvantovú teóriu, vrátane kvantovej mechaniky, atómovej fyziky, jadrovej fyziky, časticovej fyziky a fyziky kondenzovanej hmoty, ako aj modernejších oblastí všeobecnej a špeciálnej teórie relativity, ale tieto dve posledné oblasti sa často považujú za oblasti klasickej fyziky, pretože sa neopierajú o kvantovú teóriu. Hoci tento rozdiel možno nájsť v starších prácach, nie je príliš zaujímavý, pretože kvantové efekty sa v súčasnosti chápu ako dôležité aj v oblastiach, ktoré sa predtým nazývali klasickými.

Prístupy vo fyzike

Existuje mnoho prístupov k štúdiu fyziky a mnoho rôznych druhov aktivít v oblasti fyziky. Vo fyzike existujú dva hlavné typy činností: zber údajov a vývoj teórií.

Údaje v niektorých podoblastiach fyziky sa dajú experimentovať. Napríklad fyzika kondenzovaných látok a jadrová fyzika využívajú možnosť vykonávať experimenty. Experimentálna fyzika sa zameriava najmä na empirický prístup. Niekedy sa experimenty robia na skúmanie prírody a v iných prípadoch sa experimenty vykonávajú na získanie údajov na porovnanie s predpoveďami teórií.

Niektoré iné oblasti fyziky, ako napríklad astrofyzika a geofyzika, sú väčšinou pozorovacie vedy, pretože väčšina ich údajov sa musí zbierať pasívne, a nie prostredníctvom experimentov. Pozorovacie programy v týchto oblastiach však využívajú mnohé z tých istých nástrojov a technológií, ktoré sa používajú v experimentálnych podoblastiach fyziky.

Teoretická fyzika často využíva kvantitatívne prístupy na rozvoj teórií, ktoré sa snažia vysvetliť údaje. Teoretickí fyzici tak často používajú nástroje z matematiky. Teoretická fyzika môže často zahŕňať vytváranie kvantitatívnych predpovedí fyzikálnych teórií a kvantitatívne porovnávanie týchto predpovedí s údajmi. Teoretická fyzika niekedy vytvára modely fyzikálnych systémov skôr, ako sú k dispozícii údaje na testovanie a podporu týchto modelov.

Tieto dve hlavné činnosti vo fyzike, zber údajov, tvorba teórie a testovanie, využívajú mnoho rôznych zručností. To viedlo k veľkej špecializácii vo fyzike a k zavedeniu, vývoju a používaniu nástrojov z iných oblastí. Napríklad teoretickí fyzici pri svojej práci používajú matematiku a numerickú analýzu, štatistiku a pravdepodobnosť a počítačový softvér. Experimentálni fyzici vyvíjajú prístroje a techniky na zber údajov, pričom využívajú strojársku a počítačovú techniku a mnohé ďalšie oblasti techniky. Nástroje z týchto iných oblastí často nie sú celkom vhodné pre potreby fyziky a je potrebné ich zmeniť alebo vytvoriť ich pokročilejšie verzie.

Často sa stáva, že sa objaví nová fyzika, ak experimentálni fyzici urobia experiment, ktorý súčasné teórie nedokážu vysvetliť, alebo že teoretickí fyzici vytvoria teórie, ktoré potom môžu experimentálni fyzici otestovať.

Experimentálna fyzika, strojárstvo a technológia spolu súvisia. Experimenty často potrebujú špecializované nástroje, ako sú urýchľovače častíc, lasery, a dôležité priemyselné aplikácie, ako sú tranzistory a magnetická rezonancia, pochádzajú z aplikovaného výskumu.

Fyzici

Významní teoretickí fyzici

Medzi slávnych teoretických fyzikov patria

Súvisiace stránky

• Astronómia
• Energia
• Hmota
• Čas