Fizika: osnove, veje, zgodovina in vloga v sodobni tehnologiji

Starodavna astronomija

Astronomija je najstarejša naravoslovna znanost. Sumerci in stari Egipčani so preučevali zvezde, predvsem z namenom napovedovanja in religije. Prvi babilonski zvezdni zemljevidi so nastali okoli leta 1200 pred našim štetjem. Babilonci so ugotovili, da so astronomski dogodki periodični. Njihovo razumevanje ni bilo znanstveno, vendar so njihova opazovanja vplivala na poznejšo astronomijo. Velik del astronomije je prišel iz Mezopotamije, Babilonije, starega Egipta in stare Grčije. Egiptovski astronomi so zgradili spomenike, ki so prikazovali gibanje objektov na nebu, večino imen za ozvezdja na severni polobli pa so ustvarili grški astronomi.

Naravna filozofija

Naravna filozofija se je začela v Grčiji okoli leta 650 pred našim štetjem, ko je gibanje filozofov nadomestilo vraževerje z naturalizmom, ki je zavračal duhovno. Leukip in njegov učenec Demokrit sta v tem obdobju predlagala idejo o atomu.

Fizika v srednjeveškem islamskem svetu

Islamski učenjaki so Aristotelovo fiziko preučevali tudi v času islamske zlate dobe. Eden glavnih prispevkov je bil opazovalna astronomija. Nekateri, kot so Ibn Sahl, Al-Kindi, Ibn al-Haytham, Al-Farisi in Avicenna, so se ukvarjali z optiko in vidom. Ibn al-Hajtham je v Knjigi o optiki zavrnil prejšnje grške ideje o vidu in predlagal novo teorijo. Raziskoval je, kako svetloba vstopa v oko, in razvil kamero obscuro. Evropski znanstveniki so pozneje na podlagi te knjige izdelali očala, povečevalna stekla, teleskope in fotoaparate.

Klasična fizika

Fizika je po znanstveni revoluciji postala samostojno študijsko področje. Galilejevi poskusi so pripomogli k oblikovanju klasične fizike. Čeprav ni izumil teleskopa, ga je uporabljal pri opazovanju nočnega neba. Podpiral je Kopernikovo idejo, da se Zemlja giblje okoli Sonca (heliocentrizem). Raziskoval je tudi gravitacijo. Isaac Newton je na podlagi Galileijevih idej oblikoval svoje tri zakone gibanja in zakon o univerzalni gravitaciji. Ti zakoni so skupaj pojasnili gibanje padajočih teles v bližini Zemlje ter gibanje Zemlje in planetov okoli Sonca.

Čez nekaj stoletij je bila industrijska revolucija v polnem razmahu in na številnih področjih znanosti je bilo narejenih še več odkritij. Zakoni klasične fizike so dovolj dobri za preučevanje predmetov, ki se gibljejo veliko počasneje od hitrosti svetlobe in niso mikroskopski. Ko so znanstveniki prvič preučevali kvantno mehaniko, so morali ustvariti nov sklop zakonov, kar je bil začetek sodobne fizike.

Sodobna fizika

Ko so znanstveniki raziskovali delce, so odkrili tisto, česar klasična mehanika ni mogla pojasniti. Klasična mehanika je predvidevala, da se hitrost svetlobe spreminja, vendar so poskusi pokazali, da hitrost svetlobe ostaja enaka. To je predvidela posebna teorija relativnosti Alberta Einsteina. Einstein je napovedal, da bo hitrost elektromagnetnega sevanja skozi prazen prostor vedno enaka. Njegov pogled na prostor-čas je nadomestil starodavno idejo, da sta prostor in čas povsem ločeni stvari.

Max Planck je s kvantno mehaniko pojasnil, zakaj kovina sprošča elektrone, ko nanjo posvetimo s svetlobo, in zakaj snov oddaja sevanje. Kvantna mehanika velja za zelo majhne stvari, kot so elektroni, protoni in nevtroni, ki sestavljajo atom. Ljudje, kot so Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger in Paul Dirac, so se še naprej ukvarjali s kvantno mehaniko in sčasoma smo dobili standardni model.

Fizika je študija energije in snovi v prostoru in času ter njune medsebojne povezanosti. Fiziki predpostavljajo obstoj mase, dolžine, časa in električnega toka, nato pa vse druge fizikalne količine opredelijo (podajo njihov pomen) s temi osnovnimi enotami. Masa, dolžina, čas in električni tok niso nikoli definirani, vedno pa so definirane standardne enote, ki se uporabljajo za njihovo merjenje. V mednarodnem sistemu enot (skrajšano SI iz francoskega Système International) je kilogram osnovna enota mase, meter osnovna enota dolžine, sekunda osnovna enota časa in amper osnovna enota električnega toka. Poleg teh štirih enot obstajajo še tri druge: mol, ki je enota za količino snovi, kandela, ki meri svetilnost (moč razsvetljave), in kelvin, enota za temperaturo.

Fizika proučuje gibanje stvari in sile, ki povzročajo njihovo gibanje. Fizika na primer s hitrostjo in pospeškom prikazuje, kako se stvari premikajo. Fiziki proučujejo tudi sile gravitacije, elektriko, magnetizem in sile, ki držijo stvari skupaj.

Fizika preučuje zelo velike in zelo majhne stvari. Fiziki lahko na primer preučujejo zvezde, planete in galaksije, lahko pa tudi majhne delce snovi, kot so atomi in elektroni, lahko pa preučujejo tudi zvok, svetlobo in druge valove. Poleg tega lahko preučujejo tudi energijo, toploto in radioaktivnost ter celo prostor in čas. Fizika ljudem ne pomaga razumeti le, kako se predmeti premikajo, temveč tudi, kako spreminjajo obliko, kako povzročajo hrup, kako vroči ali hladni bodo in iz česa so narejeni na najmanjši ravni.

Fizika je kvantitativna znanost, saj temelji na merjenju s številkami. Matematika se v fiziki uporablja za izdelavo modelov, s katerimi se poskuša napovedati, kaj se bo zgodilo v naravi. Te napovedi se primerjajo z načinom delovanja resničnega sveta. Fiziki si vedno prizadevajo izboljšati svoje modele sveta.

Klasična mehanika vsebuje glavne teme, kot so Newtonovi zakoni gibanja, Lagrangeva mehanika, Hamiltonova mehanika, kinematika, statika, dinamika, teorija kaosa, akustika, dinamika tekočin, mehanika kontinuuma. Klasična mehanika govori o silah, ki delujejo na telo v naravi, o uravnoteženju sil, ohranjanju ravnovesnega stanja itd.

Elektromagnetizem je študija nabojev na določenem telesu. Vsebuje podteme, kot so elektrostatika, elektrodinamika, elektrika, magnetizem, magnetostatika, Maxwellove enačbe, optika.

Termodinamika in statistična mehanika sta povezani s temperaturo. Vključuje glavne teme, kot so toplotni motor, kinetična teorija. Uporablja izraze, kot so toplota (Q), delo (W) in notranja energija (U). Prvi zakon termodinamike nam jih poveže z naslednjo enačbo (ΔU = Q - W)

Kvantna mehanika je študija delcev na atomski ravni ob upoštevanju atomskega modela. Vključuje podteme Integralna formulacija poti, teorija sipanja, Schrödingerjeva enačba, kvantna teorija polja, kvantna statistična mehanika.

Relativnost

Splošni opis

Fizika je znanost o snovi in njenem medsebojnem delovanju. Materija je vsaka fizična snov v vesolju. Vse je sestavljeno iz snovi. Fizika se uporablja za opisovanje fizičnega vesolja okoli nas in za napovedovanje njegovega obnašanja. Fizika je veda, ki se ukvarja z odkrivanjem in opisovanjem univerzalnih zakonov, ki urejajo materijo, gibanje in sile ter prostor in čas ter druge značilnosti naravnega sveta.

Širina in cilji fizike

Področje fizike je zelo široko, od najmanjših sestavin snovi in sil, ki jih držijo skupaj, do galaksij in še večjih stvari. Zdi se, da v tem celotnem območju delujejo le štiri sile. Vendar tudi te štiri sile (gravitacija, elektromagnetizem, šibka sila, povezana z radioaktivnostjo, in močna sila, ki drži skupaj protone in nevtrone v atomu) veljajo za različne dele ene same sile.

Fizika se osredotoča predvsem na cilj oblikovanja vedno bolj preprostih, splošnih in natančnih pravil, ki določajo značaj in obnašanje materije in prostora. Eden glavnih ciljev fizike je oblikovanje teorij, ki veljajo za vse v vesolju. Z drugimi besedami, na fiziko lahko gledamo kot na preučevanje tistih univerzalnih zakonov, ki na najosnovnejši možni ravni opredeljujejo obnašanje fizičnega vesolja.

Fizika uporablja znanstveno metodo

Fizika uporablja znanstveno metodo. To pomeni, da se zbirajo podatki iz poskusov in opazovanj. Nato se oblikujejo teorije, ki poskušajo pojasniti te podatke. Te teorije fizika uporablja ne le za opisovanje fizikalnih pojavov, temveč tudi za modeliranje fizikalnih sistemov in napovedovanje, kako se bodo ti fizikalni sistemi obnašali. Fiziki nato te napovedi primerjajo z opazovanji ali eksperimentalnimi dokazi, da bi pokazali, ali ima teorija prav ali ne.

Teorije, ki so dobro podprte s podatki ter so še posebej preproste in splošne, včasih imenujemo znanstveni zakoni. Seveda lahko vse teorije, tudi tiste, ki jih imenujemo zakoni, nadomestimo z natančnejšimi in splošnejšimi zakoni, če ugotovimo neskladje s podatki.

Fizika je kvantitativna

Fizika je bolj kvantitativna kot večina drugih ved. To pomeni, da je veliko opazovanj v fiziki mogoče predstaviti v obliki številčnih meritev. Večina teorij v fiziki za izražanje svojih načel uporablja matematiko. Večina napovedi iz teh teorij je numeričnih. To je zato, ker se na področjih, ki jih obravnava fizika, bolje kot na drugih področjih obnesejo kvantitativni pristopi. Tudi znanosti sčasoma postajajo vse bolj kvantitativne, saj postajajo bolj razvite, in fizika je ena najstarejših znanosti.

Področja fizike

Klasična fizika običajno vključuje področja mehanike, optike, elektrike, magnetizma, akustike in termodinamike. Moderna fizika je izraz, ki se običajno uporablja za področja, ki temeljijo na kvantni teoriji, vključno s kvantno mehaniko, atomsko fiziko, jedrsko fiziko, fiziko delcev in fiziko kondenzirane snovi ter sodobnejšima področjema splošne in posebne relativnosti, vendar se zadnji dve pogosto obravnavata kot področji klasične fizike, saj ne temeljita na kvantni teoriji. Čeprav je to razliko mogoče najti v starejših spisih, pa je na novo malo zanimiva, saj zdaj razumemo, da so kvantni učinki pomembni tudi na področjih, ki so se prej imenovala klasična.

Pristopi v fiziki

Obstaja veliko pristopov k učenju fizike in veliko različnih vrst dejavnosti na področju fizike. V fiziki obstajata dve glavni vrsti dejavnosti: zbiranje podatkov in razvijanje teorij.

Podatki na nekaterih področjih fizike so primerni za eksperimentiranje. Na primer, fizika kondenzirane snovi in jedrska fizika imata koristi od možnosti izvajanja eksperimentov. Eksperimentalna fizika se osredotoča predvsem na empirični pristop. Včasih se poskusi izvajajo za raziskovanje narave, v drugih primerih pa se poskusi izvajajo za pridobivanje podatkov za primerjavo z napovedmi teorij.

Nekatera druga področja fizike, kot sta astrofizika in geofizika, so večinoma opazovalne znanosti, saj je treba večino podatkov zbirati pasivno in ne z eksperimentiranjem. Vendar pa opazovalni programi na teh področjih uporabljajo številna ista orodja in tehnologijo, ki se uporabljajo na eksperimentalnih podpodročjih fizike.

Teoretična fizika pogosto uporablja kvantitativne pristope za razvoj teorij, ki poskušajo pojasniti podatke. Tako teoretični fiziki pogosto uporabljajo orodja iz matematike. Teoretična fizika lahko pogosto vključuje oblikovanje kvantitativnih napovedi fizikalnih teorij in kvantitativno primerjavo teh napovedi s podatki. Teoretična fizika včasih ustvari modele fizikalnih sistemov, preden so na voljo podatki, s katerimi lahko te modele preveri in podpre.

Pri teh dveh glavnih dejavnostih v fiziki, zbiranju podatkov, oblikovanju teorije in testiranju, se uporablja veliko različnih spretnosti. To je privedlo do velike specializacije v fiziki ter do uvedbe, razvoja in uporabe orodij z drugih področij. Teoretični fiziki na primer pri svojem delu uporabljajo matematiko in numerično analizo ter statistiko in verjetnost ter računalniško programsko opremo. Eksperimentalni fiziki razvijajo instrumente in tehnike za zbiranje podatkov, pri čemer uporabljajo inženirsko in računalniško tehnologijo ter številna druga področja tehnologije. Pogosto orodja s teh drugih področij niso povsem primerna za potrebe fizike in jih je treba spremeniti ali izdelati naprednejše različice.

Pogosto se zgodi, da eksperimentalni fiziki odkrijejo novo fiziko, če izvedejo poskus, ki ga trenutne teorije ne morejo razložiti, ali da teoretični fiziki oblikujejo teorije, ki jih nato lahko preizkusijo eksperimentalni fiziki.

Eksperimentalna fizika, inženirstvo in tehnologija so povezani. Eksperimenti pogosto potrebujejo specializirana orodja, kot so pospeševalniki delcev in laserji, pomembne industrijske aplikacije, kot so tranzistorji in slikanje z magnetno resonanco, pa so rezultat aplikativnih raziskav.

Znani teoretični fiziki

Znani teoretični fiziki so

• Astronomija
• Energija
• Materija
• Čas