Φυσική

Ιστορία

Αρχαία αστρονομία

Η αστρονομία είναι η αρχαιότερη φυσική επιστήμη. Οι Σουμέριοι και οι Αρχαίοι Αιγύπτιοι μελετούσαν τα αστέρια, κυρίως με σκοπό την πρόβλεψη και τη θρησκεία. Οι πρώτοι βαβυλωνιακοί αστρικοί χάρτες χρονολογούνται από το 1200 π.Χ. περίπου. Το γεγονός ότι τα αστρονομικά γεγονότα είναι περιοδικά χρονολογείται επίσης από τους Βαβυλώνιους. Η κατανόησή τους δεν ήταν επιστημονική, αλλά οι παρατηρήσεις τους επηρέασαν τη μεταγενέστερη αστρονομία. Μεγάλο μέρος της αστρονομίας προήλθε από τη Μεσοποταμία, τη Βαβυλωνία, την Αρχαία Αίγυπτο και την Αρχαία Ελλάδα. Οι αστρονόμοι από την Αίγυπτο κατασκεύασαν μνημεία που έδειχναν πώς κινούνταν τα αντικείμενα στον ουρανό, και τα περισσότερα από τα ονόματα των αστερισμών στο βόρειο ημισφαίριο προήλθαν από Έλληνες αστρονόμους.

Φυσική φιλοσοφία

Η φυσική φιλοσοφία ξεκίνησε στην Ελλάδα γύρω στο 650 π.Χ., όταν ένα κίνημα φιλοσόφων αντικατέστησε τη δεισιδαιμονία με τον νατουραλισμό, ο οποίος αντέκρουε το πνευματικό. Ο Λεύκιππος και ο μαθητής του Δημόκριτος πρότειναν την ιδέα του ατόμου περίπου αυτή την περίοδο.

Η φυσική στον μεσαιωνικό ισλαμικό κόσμο

Οι ισλαμιστές λόγιοι συνέχισαν να μελετούν την αριστοτελική φυσική κατά τη διάρκεια της ισλαμικής χρυσής εποχής. Μια κύρια συμβολή ήταν η παρατηρησιακή αστρονομία. Ορισμένοι, όπως ο Ibn Sahl, ο Al-Kindi, ο Ibn al-Haytham, ο Al-Farisi και ο Avicenna, ασχολήθηκαν με την οπτική και την όραση. Στο Βιβλίο της Οπτικής, ο Ιμπν αλ-Χαϊθάμ απέρριψε τις προηγούμενες ελληνικές ιδέες σχετικά με την όραση και πρότεινε μια νέα θεωρία. Μελέτησε τον τρόπο με τον οποίο το φως εισέρχεται στο μάτι και ανέπτυξε την camera obscura. Οι Ευρωπαίοι επιστήμονες κατασκεύασαν αργότερα γυαλιά οράσεως, μεγεθυντικούς φακούς, τηλεσκόπια και κάμερες με βάση αυτό το βιβλίο.

Κλασική φυσική

Η φυσική έγινε ξεχωριστός τομέας μελέτης μετά την επιστημονική επανάσταση. Τα πειράματα του Γαλιλαίου συνέβαλαν στη δημιουργία της κλασικής φυσικής. Αν και δεν εφηύρε το τηλεσκόπιο, το χρησιμοποίησε όταν κοίταζε τον νυχτερινό ουρανό. Υποστήριξε την ιδέα του Κοπέρνικου ότι η Γη κινείται γύρω από τον Ήλιο (ηλιοκεντρισμός). Διερεύνησε επίσης τη βαρύτητα. Ο Ισαάκ Νεύτων χρησιμοποίησε τις ιδέες του Γαλιλαίου για να δημιουργήσει τους τρεις νόμους της κίνησης και τον νόμο της παγκόσμιας βαρύτητας. Μαζί αυτοί οι νόμοι εξηγούσαν την κίνηση των σωμάτων που πέφτουν κοντά στη γη και την κίνηση της γης και των πλανητών γύρω από τον ήλιο.

Σε μερικούς αιώνες, η Βιομηχανική Επανάσταση ήταν σε πλήρη εξέλιξη και πολλές ακόμη ανακαλύψεις έγιναν σε πολλούς τομείς της επιστήμης. Οι νόμοι της κλασικής φυσικής είναι αρκετά καλοί για τη μελέτη αντικειμένων που κινούνται πολύ πιο αργά από την ταχύτητα του φωτός και δεν είναι μικροσκοπικά. Όταν οι επιστήμονες μελέτησαν για πρώτη φορά την κβαντομηχανική, έπρεπε να δημιουργήσουν ένα νέο σύνολο νόμων, το οποίο αποτέλεσε την αρχή της σύγχρονης φυσικής.

Σύγχρονη φυσική

Καθώς οι επιστήμονες ερευνούσαν τα σωματίδια, ανακάλυψαν αυτό που η κλασική μηχανική δεν μπορούσε να εξηγήσει. Η κλασική μηχανική προέβλεπε ότι η ταχύτητα του φωτός μεταβαλλόταν, αλλά τα πειράματα έδειξαν ότι η ταχύτητα του φωτός παρέμενε η ίδια. Αυτό προβλεπόταν από τη θεωρία της ειδικής σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν. Ο Αϊνστάιν προέβλεψε ότι η ταχύτητα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας μέσα στον κενό χώρο θα ήταν πάντα η ίδια. Η άποψή του για τον χωροχρόνο αντικατέστησε την αρχαία ιδέα ότι ο χώρος και ο χρόνος ήταν εντελώς ξεχωριστά πράγματα.

Ο Μαξ Πλανκ επινόησε την κβαντομηχανική για να εξηγήσει γιατί το μέταλλο απελευθερώνει ηλεκτρόνια όταν του ρίχνεις φως και γιατί η ύλη εκπέμπει ακτινοβολία. Η κβαντομηχανική ισχύει για πολύ μικρά πράγματα, όπως τα ηλεκτρόνια, τα πρωτόνια και τα νετρόνια που αποτελούν ένα άτομο. Άνθρωποι όπως ο Βέρνερ Χάιζενμπεργκ, ο Έρβιν Σρέντινγκερ και ο Πολ Ντιράκ συνέχισαν να εργάζονται πάνω στην κβαντομηχανική και τελικά πήραμε το Καθιερωμένο Μοντέλο.

Ορισμός

Η φυσική είναι η μελέτη της ενέργειας και της ύλης στο χώρο και στο χρόνο και του τρόπου με τον οποίο σχετίζονται μεταξύ τους. Οι φυσικοί υποθέτουν την ύπαρξη της μάζας, του μήκους, του χρόνου και του ηλεκτρικού ρεύματος και στη συνέχεια ορίζουν (δίνουν το νόημα) όλα τα άλλα φυσικά μεγέθη με βάση αυτές τις βασικές μονάδες. Η μάζα, το μήκος, ο χρόνος και το ηλεκτρικό ρεύμα δεν ορίζονται ποτέ, αλλά ορίζονται πάντα οι βασικές μονάδες που χρησιμοποιούνται για τη μέτρησή τους. Στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων (συντομογραφία SI από το γαλλικό Système International), το χιλιόγραμμο είναι η βασική μονάδα της μάζας, το μέτρο είναι η βασική μονάδα του μήκους, το δευτερόλεπτο είναι η βασική μονάδα του χρόνου και το αμπέρ είναι η βασική μονάδα του ηλεκτρικού ρεύματος. Εκτός από αυτές τις τέσσερις μονάδες, υπάρχουν άλλες τρεις: το mole, που είναι η μονάδα της ποσότητας της ύλης, το candela που μετρά την ένταση της φωτεινότητας (την ισχύ του φωτισμού) και το kelvin, η μονάδα της θερμοκρασίας.

Η φυσική μελετά πώς κινούνται τα πράγματα και τις δυνάμεις που τα κάνουν να κινούνται. Για παράδειγμα, η ταχύτητα και η επιτάχυνση χρησιμοποιούνται από τη φυσική για να δείξουν πώς κινούνται τα πράγματα. Επίσης, οι φυσικοί μελετούν τις δυνάμεις της βαρύτητας, του ηλεκτρισμού, του μαγνητισμού και τις δυνάμεις που συγκρατούν τα πράγματα μεταξύ τους.

Η φυσική μελετά πολύ μεγάλα πράγματα και πολύ μικρά πράγματα. Για παράδειγμα, οι φυσικοί μπορούν να μελετήσουν αστέρια, πλανήτες και γαλαξίες, αλλά μπορούν επίσης να μελετήσουν μικρά κομμάτια ύλης, όπως άτομα και ηλεκτρόνια, καθώς και τον ήχο, το φως και άλλα κύματα. Εκτός από αυτό, θα μπορούσαν να εξετάσουν την ενέργεια, τη θερμότητα και τη ραδιενέργεια, ακόμη και τον χώρο και τον χρόνο. Η Φυσική δεν βοηθά τους ανθρώπους μόνο να κατανοήσουν πώς κινούνται τα αντικείμενα, αλλά και πώς αλλάζουν μορφή, πώς κάνουν θόρυβο, πόσο ζεστά ή κρύα θα είναι και από τι αποτελούνται στο πιο μικρό επίπεδο.

Φυσική και μαθηματικά

Η φυσική είναι μια ποσοτική επιστήμη επειδή βασίζεται στη μέτρηση με αριθμούς. Τα μαθηματικά χρησιμοποιούνται στη φυσική για την κατασκευή μοντέλων που προσπαθούν να προβλέψουν τι θα συμβεί στη φύση. Αυτές οι προβλέψεις συγκρίνονται με τον τρόπο που λειτουργεί ο πραγματικός κόσμος. Οι φυσικοί εργάζονται πάντα για να κάνουν τα μοντέλα τους για τον κόσμο καλύτερα.

Κλάδοι

Η κλασική μηχανική περιλαμβάνει σημαντικά θέματα όπως οι νόμοι του Νεύτωνα για την κίνηση, η μηχανική του Λαγκράνζ, η μηχανική του Χαμιλτονιανού, η κινηματική, η στατική, η δυναμική, η θεωρία του χάους, η ακουστική, η δυναμική των ρευστών, η μηχανική της συνέχειας. Η κλασική μηχανική έχει να κάνει με τις δυνάμεις που ασκούνται σε ένα σώμα στη φύση, την εξισορρόπηση των δυνάμεων, τη διατήρηση της κατάστασης ισορροπίας κ.λπ.

Ο ηλεκτρομαγνητισμός είναι η μελέτη των φορτίων σε ένα συγκεκριμένο σώμα. Περιέχει επιμέρους θέματα όπως Ηλεκτροστατική, ηλεκτροδυναμική, ηλεκτρισμός, μαγνητισμός, μαγνητοστατική, εξισώσεις του Maxwell, οπτική .

Η θερμοδυναμική και η στατιστική μηχανική σχετίζονται με τη θερμοκρασία. Περιλαμβάνει κύρια θέματα όπως η θερμική μηχανή, η κινητική θεωρία. Χρησιμοποιεί όρους όπως θερμότητα (Q), έργο (W) και εσωτερική ενέργεια (U). Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής μας δίνει τη σχέση τους με την ακόλουθη εξίσωση (ΔU = Q - W)

Η κβαντομηχανική είναι η μελέτη των σωματιδίων σε ατομικό επίπεδο, λαμβάνοντας υπόψη το ατομικό μοντέλο. Περιλαμβάνει επιμέρους θέματα Path integral formulation, θεωρία σκέδασης, εξίσωση Schrödinger, κβαντική θεωρία πεδίου, κβαντική στατιστική μηχανική.

Σχετικότητα

Προχωρημένες γνώσεις

Γενική περιγραφή

Η φυσική είναι η επιστήμη της ύλης και του τρόπου με τον οποίο η ύλη αλληλεπιδρά. Η ύλη είναι κάθε φυσικό υλικό στο σύμπαν. Τα πάντα αποτελούνται από ύλη. Η φυσική χρησιμοποιείται για να περιγράψει το φυσικό σύμπαν γύρω μας και να προβλέψει τη συμπεριφορά του. Η φυσική είναι η επιστήμη που ασχολείται με την ανακάλυψη και τον χαρακτηρισμό των παγκόσμιων νόμων που διέπουν την ύλη, την κίνηση και τις δυνάμεις, τον χώρο και τον χρόνο και άλλα χαρακτηριστικά του φυσικού κόσμου.

Εύρος και στόχοι της φυσικής

Το εύρος της φυσικής είναι ευρύ, από τα μικρότερα συστατικά της ύλης και τις δυνάμεις που την συγκρατούν, μέχρι τους γαλαξίες και ακόμη μεγαλύτερα πράγματα. Υπάρχουν μόνο τέσσερις δυνάμεις που φαίνεται να λειτουργούν σε όλο αυτό το εύρος. Ωστόσο, ακόμη και αυτές οι τέσσερις δυνάμεις (η βαρύτητα, ο ηλεκτρομαγνητισμός, η ασθενής δύναμη που σχετίζεται με τη ραδιενέργεια και η ισχυρή δύναμη που συγκρατεί τα πρωτόνια και τα νετρόνια ενός ατόμου) πιστεύεται ότι αποτελούν διαφορετικά μέρη μιας ενιαίας δύναμης.

Η Φυσική επικεντρώνεται κυρίως στον στόχο της δημιουργίας ολοένα και απλούστερων, γενικότερων και ακριβέστερων κανόνων που καθορίζουν τον χαρακτήρα και τη συμπεριφορά της ύλης και του ίδιου του χώρου. Ένας από τους κύριους στόχους της φυσικής είναι η δημιουργία θεωριών που ισχύουν για τα πάντα στο σύμπαν. Με άλλα λόγια, η φυσική μπορεί να θεωρηθεί ως η μελέτη εκείνων των καθολικών νόμων που καθορίζουν, στο πιο βασικό δυνατό επίπεδο, τη συμπεριφορά του φυσικού σύμπαντος.

Η φυσική χρησιμοποιεί την επιστημονική μέθοδο

Η φυσική χρησιμοποιεί την επιστημονική μέθοδο. Δηλαδή, συλλέγονται δεδομένα από πειράματα και παρατηρήσεις. Παράγονται θεωρίες που προσπαθούν να εξηγήσουν αυτά τα δεδομένα. Η φυσική χρησιμοποιεί αυτές τις θεωρίες όχι μόνο για να περιγράψει τα φυσικά φαινόμενα, αλλά και για να μοντελοποιήσει φυσικά συστήματα και να προβλέψει πώς θα συμπεριφερθούν αυτά τα φυσικά συστήματα. Στη συνέχεια, οι φυσικοί συγκρίνουν αυτές τις προβλέψεις με παρατηρήσεις ή πειραματικά στοιχεία για να δείξουν αν η θεωρία είναι σωστή ή λανθασμένη.

Οι θεωρίες που υποστηρίζονται καλά από δεδομένα και είναι ιδιαίτερα απλές και γενικές ονομάζονται μερικές φορές επιστημονικοί νόμοι. Φυσικά, όλες οι θεωρίες, συμπεριλαμβανομένων και αυτών που είναι γνωστές ως νόμοι, μπορούν να αντικατασταθούν από πιο ακριβείς και πιο γενικούς νόμους, όταν διαπιστώνεται διαφωνία με τα δεδομένα.

Η φυσική είναι ποσοτική

Η φυσική είναι πιο ποσοτική από τις περισσότερες άλλες επιστήμες. Δηλαδή, πολλές από τις παρατηρήσεις στη φυσική μπορούν να αναπαρασταθούν με τη μορφή αριθμητικών μετρήσεων. Οι περισσότερες από τις θεωρίες της φυσικής χρησιμοποιούν μαθηματικά για να εκφράσουν τις αρχές τους. Οι περισσότερες προβλέψεις από αυτές τις θεωρίες είναι αριθμητικές. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι τομείς με τους οποίους έχει ασχοληθεί η φυσική λειτουργούν καλύτερα με ποσοτικές προσεγγίσεις από ό,τι άλλοι τομείς. Οι επιστήμες τείνουν επίσης να γίνονται πιο ποσοτικές με την πάροδο του χρόνου καθώς αναπτύσσονται περισσότερο, και η φυσική είναι μια από τις παλαιότερες επιστήμες.

Πεδία της φυσικής

Η κλασική φυσική περιλαμβάνει συνήθως τους τομείς της μηχανικής, της οπτικής, του ηλεκτρισμού, του μαγνητισμού, της ακουστικής και της θερμοδυναμικής. Η σύγχρονη φυσική είναι ένας όρος που συνήθως χρησιμοποιείται για να καλύψει πεδία που βασίζονται στην κβαντική θεωρία, συμπεριλαμβανομένης της κβαντομηχανικής, της ατομικής φυσικής, της πυρηνικής φυσικής, της σωματιδιακής φυσικής και της φυσικής συμπυκνωμένης ύλης, καθώς και τα πιο σύγχρονα πεδία της γενικής και της ειδικής σχετικότητας, αλλά αυτά τα δύο τελευταία θεωρούνται συχνά πεδία της κλασικής φυσικής, καθώς δεν βασίζονται στην κβαντική θεωρία. Αν και αυτή η διαφορά μπορεί να βρεθεί σε παλαιότερα συγγράμματα, δεν παρουσιάζει ιδιαίτερο νέο ενδιαφέρον, καθώς τα κβαντικά φαινόμενα είναι πλέον κατανοητό ότι έχουν σημασία ακόμη και σε πεδία που παλαιότερα ονομάζονταν κλασικά.

Προσεγγίσεις στη φυσική

Υπάρχουν πολλές προσεγγίσεις για τη μελέτη της φυσικής και πολλά διαφορετικά είδη δραστηριοτήτων στη φυσική. Υπάρχουν δύο κύριοι τύποι δραστηριοτήτων στη φυσική: η συλλογή δεδομένων και η ανάπτυξη θεωριών.

Τα δεδομένα σε ορισμένα υποπεδία της φυσικής μπορούν να πειραματιστούν. Για παράδειγμα, η φυσική συμπυκνωμένης ύλης και η πυρηνική φυσική επωφελούνται από τη δυνατότητα εκτέλεσης πειραμάτων. Η πειραματική φυσική επικεντρώνεται κυρίως σε μια εμπειρική προσέγγιση. Μερικές φορές γίνονται πειράματα για να εξερευνηθεί η φύση και σε άλλες περιπτώσεις γίνονται πειράματα για να παραχθούν δεδομένα που συγκρίνονται με τις προβλέψεις των θεωριών.

Ορισμένα άλλα πεδία της φυσικής, όπως η αστροφυσική και η γεωφυσική, είναι κυρίως επιστήμες παρατήρησης, επειδή τα περισσότερα δεδομένα τους πρέπει να συλλέγονται παθητικά αντί να συλλέγονται μέσω πειραματισμού. Ωστόσο, τα προγράμματα παρατήρησης σε αυτούς τους τομείς χρησιμοποιούν πολλά από τα ίδια εργαλεία και την ίδια τεχνολογία που χρησιμοποιούνται στα πειραματικά υποπεδία της φυσικής.

Η θεωρητική φυσική χρησιμοποιεί συχνά ποσοτικές προσεγγίσεις για την ανάπτυξη των θεωριών που προσπαθούν να εξηγήσουν τα δεδομένα. Με αυτόν τον τρόπο, οι θεωρητικοί φυσικοί χρησιμοποιούν συχνά εργαλεία από τα μαθηματικά. Η θεωρητική φυσική μπορεί συχνά να περιλαμβάνει τη δημιουργία ποσοτικών προβλέψεων των φυσικών θεωριών και την ποσοτική σύγκριση αυτών των προβλέψεων με τα δεδομένα. Η θεωρητική φυσική δημιουργεί μερικές φορές μοντέλα φυσικών συστημάτων πριν από την ύπαρξη δεδομένων για τον έλεγχο και την υποστήριξη αυτών των μοντέλων.

Αυτές οι δύο κύριες δραστηριότητες στη φυσική, η συλλογή δεδομένων, η παραγωγή θεωρίας και ο έλεγχος, χρησιμοποιούν πολλές διαφορετικές δεξιότητες. Αυτό έχει οδηγήσει σε μεγάλη εξειδίκευση στη φυσική και στην εισαγωγή, ανάπτυξη και χρήση εργαλείων από άλλους τομείς. Για παράδειγμα, οι θεωρητικοί φυσικοί χρησιμοποιούν τα μαθηματικά και την αριθμητική ανάλυση και τη στατιστική και τις πιθανότητες και το λογισμικό υπολογιστών στη δουλειά τους. Οι πειραματικοί φυσικοί αναπτύσσουν όργανα και τεχνικές για τη συλλογή δεδομένων, χρησιμοποιώντας τη μηχανική και την τεχνολογία των υπολογιστών και πολλούς άλλους τομείς της τεχνολογίας. Συχνά τα εργαλεία από αυτούς τους άλλους τομείς δεν είναι αρκετά κατάλληλα για τις ανάγκες της φυσικής και πρέπει να τροποποιηθούν ή να κατασκευαστούν πιο προηγμένες εκδόσεις.

Είναι συχνό φαινόμενο να ανακαλύπτεται νέα φυσική, αν οι πειραματικοί φυσικοί κάνουν ένα πείραμα που οι τρέχουσες θεωρίες δεν μπορούν να εξηγήσουν, ή αν οι θεωρητικοί φυσικοί δημιουργούν θεωρίες που μπορούν στη συνέχεια να δοκιμαστούν από τους πειραματικούς φυσικούς.

Η πειραματική φυσική, η μηχανική και η τεχνολογία συνδέονται μεταξύ τους. Τα πειράματα συχνά χρειάζονται εξειδικευμένα εργαλεία, όπως επιταχυντές σωματιδίων, λέιζερ, και σημαντικές βιομηχανικές εφαρμογές, όπως τα τρανζίστορ και η απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού, έχουν προέλθει από την εφαρμοσμένη έρευνα.

Φυσικοί

Επιφανείς θεωρητικοί φυσικοί

Οι διάσημοι θεωρητικοί φυσικοί περιλαμβάνουν

Σχετικές σελίδες

• Αστρονομία
• Ενέργεια
• Ύλη
• Χρόνος