Fizika

Vēsture

Senā astronomija

Astronomija ir senākā dabaszinātne. Šumeri un senie ēģiptieši pētīja zvaigznes, galvenokārt ar mērķi prognozēt un reliģēt. Pirmās babiloniešu zvaigžņu kartes datētas ar 1200. gadu pirms mūsu ēras. Arī tas, ka astronomiskie notikumi ir periodiski, ir datējams ar babiloniešiem. Viņu izpratne nebija zinātniska, taču viņu novērojumi ietekmēja vēlāko astronomiju. Daudzas astronomiskās atziņas nāca no Mezopotāmijas, Babilonijas, Senās Ēģiptes un Senās Grieķijas. Ēģiptes astronomi uzbūvēja pieminekļus, kas parādīja objektu kustību debesīs, un lielākā daļa ziemeļu puslodes zvaigznāju nosaukumu ir grieķu astronomu darbs.

Dabas filozofija

Dabiskā filozofija aizsākās Grieķijā ap 650. gadu p.m.ē., kad filozofu kustība aizstāja māņticību ar naturālismu, kas noliedza garīgo. Aptuveni šajā laikā Leikips un viņa skolnieks Demokrits ierosināja atoma ideju.

Fizika viduslaiku islāma pasaulē

Islāma zelta laikmeta laikā islāma zinātnieki turpināja studēt Aristoteļa fiziku. Viens no galvenajiem ieguldījumiem bija novērojumu astronomijā. Daži, piemēram, Ibn Sahls, Al Kindi, Ibn al-Hajtams, Al-Farisi un Avicenna, strādāja optikas un redzes jomā. Savā "Optikas grāmatā" Ibn al-Hajtams noraidīja iepriekšējās grieķu idejas par redzi un ierosināja jaunu teoriju. Viņš pētīja, kā gaisma iekļūst acī, un izstrādāja camera obscura. Vēlāk Eiropas zinātnieki, pamatojoties uz šo grāmatu, konstruēja brilles, palielināmās brilles, teleskopus un fotoaparātus.

Klasiskā fizika

Pēc zinātniskās revolūcijas fizika kļuva par atsevišķu studiju jomu. Galileja eksperimenti palīdzēja izveidot klasisko fiziku. Lai gan viņš neizgudroja teleskopu, viņš to izmantoja, vērojot nakts debesis. Viņš atbalstīja Kopernika ideju, ka Zeme pārvietojas ap Sauli (heliocentrisms). Viņš pētīja arī gravitāciju. Īzaks Ņūtons izmantoja Galileja idejas, lai radītu savus trīs kustības likumus un universālās gravitācijas likumu. Kopā šie likumi izskaidroja krītošu ķermeņu kustību Zemes tuvumā un Zemes un planētu kustību ap Sauli.

Pēc pāris gadsimtiem industriālā revolūcija bija pilnā sparā, un daudzās zinātnes jomās tika veikti vēl daudzi atklājumi. Klasiskās fizikas likumi ir pietiekami labi, lai pētītu objektus, kas pārvietojas daudz lēnāk par gaismas ātrumu un nav mikroskopiski. Kad zinātnieki pirmo reizi pētīja kvantu mehāniku, viņiem nācās izveidot jaunu likumu kopumu, kas bija modernās fizikas sākums.

Mūsdienu fizika

Pētot daļiņas, zinātnieki atklāja to, ko klasiskā mehānika nespēja izskaidrot. Klasiskā mehānika paredzēja, ka gaismas ātrums mainās, bet eksperimenti parādīja, ka gaismas ātrums paliek nemainīgs. To paredzēja Alberta Einšteina īpašā relativitātes teorija. Einšteins paredzēja, ka elektromagnētiskā starojuma ātrums tukšā telpā vienmēr būs vienāds. Viņa viedoklis par laiku-telpu aizstāja seno priekšstatu, ka telpa un laiks ir pilnīgi atsevišķas lietas.

Makss Planks nāca klajā ar kvantu mehāniku, lai izskaidrotu, kāpēc metāls izdala elektronus, kad to izstaro gaismu, un kāpēc matērija izstaro starojumu. Kvantu mehānika attiecas uz ļoti mazām lietām, piemēram, elektroniem, protoniem un neitroniem, kas veido atomu. Tādi cilvēki kā Verners Heizenbergs, Ervins Šrēdingers un Pols Diraks turpināja strādāt pie kvantu mehānikas, un galu galā tika izveidots standarta modelis.

Definīcija

Fizika ir pētījums par enerģiju un matēriju telpā un laikā un to savstarpējo saistību. Fiziķi pieņem, ka pastāv masa, garums, laiks un elektriskā strāva, un pēc tam definē (piešķir nozīmi) visus pārējos fizikālos lielumus, izmantojot šīs pamatvienības. Masa, garums, laiks un elektriskā strāva nekad nav definēti, bet vienmēr ir definētas standarta mērvienības, ko izmanto to mērīšanai. Starptautiskajā mērvienību sistēmā (saīsinājumā SI no franču Système International) kilograms ir masas pamatvienība, metrs ir garuma pamatvienība, sekunde ir laika pamatvienība, bet ampērs ir elektriskās strāvas pamatvienība. Papildus šīm četrām vienībām ir vēl trīs citas: mols, kas ir vielas daudzuma mērvienība, kandela, kas mēra gaismas intensitāti (apgaismojuma jaudu), un kelvins, kas ir temperatūras mērvienība.

Fizika pēta, kā lietas pārvietojas un kādi spēki tās virza. Piemēram, fizika izmanto ātrumu un paātrinājumu, lai parādītu, kā lietas pārvietojas. Tāpat fiziķi pēta gravitācijas, elektrības, magnētisma spēkus un spēkus, kas satur lietas kopā.

Fizika pēta ļoti lielas un ļoti mazas lietas. Piemēram, fiziķi var pētīt zvaigznes, planētas un galaktikas, bet var pētīt arī mazus vielas gabaliņus, piemēram, atomus un elektronus.Viņi var pētīt arī skaņu, gaismu un citus viļņus. Tāpat viņi var pētīt enerģiju, siltumu un radioaktivitāti un pat telpu un laiku. Fizika palīdz saprast ne tikai to, kā objekti pārvietojas, bet arī to, kā tie maina formu, kā tie rada troksni, cik karsti vai auksti tie būs un no kā tie ir veidoti vismazākajā līmenī.

Fizika un matemātika

Fizika ir kvantitatīva zinātne, jo tās pamatā ir mērīšana ar skaitļiem. Matemātiku fizikā izmanto, lai veidotu modeļus, ar kuriem mēģina paredzēt, kas notiks dabā. Šīs prognozes tiek salīdzinātas ar to, kā darbojas reālā pasaule. Fiziķi vienmēr cenšas uzlabot savus pasaules modeļus.

Nozares

Klasiskā mehānika ietver tādas galvenās tēmas kā Ņūtona kustības likumi, Lagranža mehānika, Hamiltonu mehānika, kinemātika, stātika, dinamika, haosa teorija, akustika, šķidrumu dinamika, nepārtrauktības mehānika. Klasiskā mehānika ir par spēkiem, kas iedarbojas uz ķermeni dabā, spēku līdzsvarošanu, līdzsvara stāvokļa uzturēšanu utt.

Elektromagnētisms ir pētījums par lādiņiem uz konkrēta ķermeņa. Tas ietver tādas apakštēmas kā elektrostatiku, elektrodinamiku, elektrību, magnētismu, magnetostatiku, Maksvela vienādojumus, optiku.

Termodinamika un statistiskā mehānika ir saistītas ar temperatūru. Tā ietver tādas galvenās tēmas kā siltuma dzinējs, kinētiskā teorija. Tajā tiek lietoti tādi termini kā siltums (Q), darbs (W) un iekšējā enerģija (U). Pirmais termodinamikas likums nosaka to sakarību ar šādu vienādojumu (ΔU = Q - W).

Kvantu mehānika ir daļiņu pētījums atomu līmenī, ņemot vērā atomu modeli. Tā ietver apakštematiku Ceļa integrālais formulējums, izkliedes teorija, Šrēdingera vienādojums, kvantu lauka teorija, kvantu statistiskā mehānika.

Relativitāte

Padziļinātas zināšanas

Vispārīgs apraksts

Fizika ir zinātne par matēriju un tās mijiedarbību. Matērija ir jebkurš fizisks materiāls Visumā. Viss ir veidots no matērijas. Fiziku izmanto, lai aprakstītu mums apkārt esošo Visumu un prognozētu, kā tas uzvedīsies. Fizika ir zinātne, kas nodarbojas ar to universālo likumu atklāšanu un raksturošanu, kuri regulē matēriju, kustību un spēkus, telpu un laiku, kā arī citas dabas pasaules īpašības.

Fizikas darbības joma un mērķi

Fizika aptver plašu jomu - no vismazākajām matērijas sastāvdaļām un spēkiem, kas tās satur kopā, līdz galaktikām un pat lielākām lietām. Ir tikai četri spēki, kas, šķiet, darbojas visā šajā diapazonā. Tomēr tiek uzskatīts, ka pat šie četri spēki (gravitācija, elektromagnētisms, vājais spēks, kas saistīts ar radioaktivitāti, un stiprais spēks, kas satur kopā atomā esošos protonus un neitronus) ir viena spēka dažādas daļas.

Fizikas galvenais mērķis ir izstrādāt arvien vienkāršākus, vispārīgākus un precīzākus noteikumus, kas nosaka matērijas un telpas raksturu un uzvedību. Viens no galvenajiem fizikas mērķiem ir radīt teorijas, kas attiecas uz visu Visumā. Citiem vārdiem sakot, fiziku var uzskatīt par tādu universālu likumu pētniecību, kas visvienkāršākajā iespējamajā līmenī nosaka fiziskā Visuma uzvedību.

Fizikā izmanto zinātnisko metodi

Fizikā izmanto zinātnisko metodi. Tas nozīmē, ka tiek vākti dati no eksperimentiem un novērojumiem. Tiek radītas teorijas, kas mēģina izskaidrot šos datus. Fizika izmanto šīs teorijas, lai ne tikai aprakstītu fizikālās parādības, bet arī modelētu fizikālās sistēmas un prognozētu, kā šīs fizikālās sistēmas uzvedīsies. Pēc tam fiziķi salīdzina šīs prognozes ar novērojumiem vai eksperimentāliem pierādījumiem, lai parādītu, vai teorija ir pareiza vai nepareiza.

Teorijas, kas ir labi pamatotas ar datiem un ir īpaši vienkāršas un vispārīgas, dažkārt sauc par zinātnes likumiem. Protams, visas teorijas, arī tās, ko sauc par likumiem, var aizstāt ar precīzākiem un vispārīgākiem likumiem, ja atklājas neatbilstība datiem.

Fizika ir kvantitatīva

Fizika ir daudz kvantitatīvāka nekā vairums citu zinātņu. Tas nozīmē, ka daudzus novērojumus fizikā var attēlot skaitlisku mērījumu veidā. Lielākā daļa fizikas teoriju izmanto matemātiku, lai izteiktu savus principus. Lielākā daļa šo teoriju prognožu ir skaitliskas. Tas ir tāpēc, ka fizikas aplūkotās jomas darbojas labāk ar kvantitatīvām pieejām nekā citas jomas. Arī zinātnēm, kļūstot attīstītākām, laika gaitā ir tendence kļūt kvantitatīvākām, un fizika ir viena no senākajām zinātnēm.

Fizikas jomas

Klasiskā fizika parasti ietver mehānikas, optikas, elektrības, magnētisma, akustikas un termodinamikas jomas. Modernā fizika ir termins, ko parasti lieto, lai apzīmētu jomas, kas balstās uz kvantu teoriju, tostarp kvantu mehāniku, atomu fiziku, kodolfiziku, daļiņu fiziku un kondensēto vielu fiziku, kā arī modernākās vispārīgās un speciālās relativitātes jomas, bet pēdējās divas jomas bieži tiek uzskatītas par klasiskās fizikas jomām, jo tās nav balstītas uz kvantu teoriju. Lai gan šī atšķirība ir atrodama senākos rakstos, tā ir maz interesanta, jo tagad kvantu efektus uzskata par svarīgiem pat tajās jomās, kuras agrāk dēvēja par klasiskajām.

Pieejas fizikā

Fizikas apguvei ir dažādas pieejas un dažādi fizikas nodarbību veidi. Fizikā ir divi galvenie darbības veidi: datu vākšana un teoriju izstrāde.

Dažās fizikas apakšnozarēs ir iespējams eksperimentēt. Piemēram, kondensētās vielas fizika un kodolfizika gūst labumu no iespējas veikt eksperimentus. Eksperimentālā fizika galvenokārt koncentrējas uz empīrisko pieeju. Dažkārt eksperimentus veic, lai izpētītu dabu, bet citos gadījumos eksperimentus veic, lai iegūtu datus, kurus salīdzina ar teoriju prognozēm.

Dažas citas fizikas jomas, piemēram, astrofizika un ģeofizika, lielākoties ir novērojumu zinātnes, jo lielākā daļa to datu ir jāievāc pasīvi, nevis eksperimentējot. Tomēr novērojumu programmās šajās jomās tiek izmantoti daudzi no tiem pašiem rīkiem un tehnoloģijām, kas tiek izmantoti eksperimentālajās fizikas apakšnozarēs.

Teorētiskajā fizikā bieži izmanto kvantitatīvas pieejas, lai izstrādātu teorijas, ar kurām mēģina izskaidrot datus. Šādā veidā teorētiskie fiziķi bieži izmanto matemātikas instrumentus. Teorētiskā fizika bieži var ietvert fizikālo teoriju kvantitatīvu prognožu veidošanu un šo prognožu kvantitatīvu salīdzināšanu ar datiem. Teorētiskajā fizikā dažkārt tiek radīti fizikālo sistēmu modeļi, pirms ir pieejami dati, lai šos modeļus pārbaudītu un apstiprinātu.

Šajās divās galvenajās fizikas darbībās - datu vākšanā, teorijas veidošanā un testēšanā - tiek izmantotas daudzas dažādas prasmes. Tā rezultātā fizikā ir izveidojusies liela specializācija, kā arī ieviesti, izstrādāti un izmantoti citu jomu rīki. Piemēram, teorētiskie fiziķi savā darbā izmanto matemātiku un skaitlisko analīzi, statistiku un varbūtību, kā arī datoru programmatūru. Eksperimentālie fiziķi izstrādā instrumentus un metodes datu vākšanai, izmantojot inženierzinātnes un datortehnoloģijas, kā arī daudzas citas tehnoloģijas jomas. Bieži vien šo citu jomu instrumenti nav pilnībā piemēroti fizikas vajadzībām, un tie ir jāmaina vai jāizstrādā to modernākas versijas.

Bieži vien ir gadījumi, kad tiek atklāta jauna fizika, ja eksperimentālie fiziķi veic eksperimentu, ko pašreizējās teorijas nespēj izskaidrot, vai arī teorētiskie fiziķi rada teorijas, kuras pēc tam var pārbaudīt eksperimentālie fiziķi.

Eksperimentālā fizika, inženierzinātnes un tehnoloģijas ir saistītas. Eksperimentiem bieži vien ir nepieciešami specializēti instrumenti, piemēram, daļiņu paātrinātāji, lāzeri, un lietišķajos pētījumos ir radīti tādi svarīgi rūpnieciski lietojumi kā tranzistori un magnētiskās rezonanses attēlveidošana.

Fiziķi

Ievērojami teorētiskās fizikas zinātnieki

Slaveni teorētiskās fizikas zinātnieki ir

Saistītās lapas

• Astronomija
• Enerģija
• Matērija
• Laiks