Füüsika

Ajalugu

Vana astronoomia

Astronoomia on vanim loodusteadus. Sumerid ja muistsed egiptlased uurisid tähti, peamiselt ennustamise ja religiooni eesmärgil. Esimesed Babüloonia tähekaardid pärinevad umbes 1200 eKr. See, et astronoomilised sündmused on perioodilised, pärineb samuti babüloonlastelt. Nende arusaam ei olnud teaduslik, kuid nende tähelepanekud mõjutasid hilisemat astronoomiat. Suur osa astronoomiast pärineb Mesopotaamiast, Babülooniast, Vana-Egiptusest ja Vana-Kreekast. Egiptuse astronoomid ehitasid monumendid, mis näitasid, kuidas objektid taevas liikusid, ja enamik põhjapoolkera tähtkujude nimesid pärinesid kreeka astronoomidelt.

Loodusfilosoofia

Loodusfilosoofia sai alguse Kreekas umbes 650 eKr, kui filosoofide liikumine asendas ebausu naturalismiga, mis lükkas ümber vaimsuse. Leukippos ja tema õpilane Demokritos pakkusid umbes sel perioodil välja aatomi idee.

Füüsika keskaegses islamimaailmas

Islami kuldajal jätkasid islami õpetlased Aristotelese füüsika uurimist. Üheks peamiseks panuseks oli vaatlusastronoomia. Mõned, nagu Ibn Sahl, Al-Kindi, Ibn al-Haytham, Al-Farisi ja Avicenna, tegelesid optika ja nägemise küsimustega. Ibn al-Haytham lükkas oma teoses "Optika raamat" tagasi varasemad kreeka nägemist puudutavad ideed ja pakkus välja uue teooria. Ta uuris, kuidas valgus siseneb silma, ja töötas välja camera obscura. Euroopa teadlased ehitasid hiljem selle raamatu põhjal prilliklaase, luupe, teleskoope ja kaameraid.

Klassikaline füüsika

Füüsika muutus pärast teaduslikku revolutsiooni eraldi õppevaldkonnaks. Galileo katsed aitasid luua klassikalise füüsika. Kuigi ta ei leiutanud teleskoopi, kasutas ta seda öise taeva vaatlemisel. Ta toetas Koperniku ideed, et Maa liigub ümber Päikese (heliotsentrism). Ta uuris ka gravitatsiooni. Isaac Newton kasutas Galileo ideid, et luua oma kolm liikumisseadust ja universaalse gravitatsiooni seadus. Koos selgitasid need seadused langevate kehade liikumist Maa lähedal ning Maa ja planeetide liikumist ümber Päikese.

Paari sajandi pärast oli tööstusrevolutsioon täies hoos ja paljudes teadusvaldkondades tehti veel palju avastusi. Klassikalise füüsika seadused on piisavalt head, et uurida objekte, mis liiguvad palju aeglasemalt kui valguskiirus ja ei ole mikroskoopilised. Kui teadlased uurisid esimest korda kvantmehaanikat, pidid nad looma uued seadused, mis oli moodsa füüsika algus.

Kaasaegne füüsika

Kui teadlased uurisid osakesi, avastasid nad seda, mida klassikaline mehaanika ei suutnud seletada. Klassikaline mehaanika ennustas, et valguse kiirus muutub, kuid katsed näitasid, et valguse kiirus jääb samaks. Seda ennustas Albert Einsteini erirelatiivsusteooria. Einstein ennustas, et elektromagnetilise kiirguse kiirus läbi tühja ruumi jääb alati samaks. Tema arusaam ruumiajast asendas iidse arusaama, et ruum ja aeg on täiesti eraldi asjad.

Max Planck mõtles välja kvantmehaanika, et selgitada, miks metall vabastab elektrone, kui seda valgusega valgustada, ja miks aine kiirgab kiirgust. Kvantmehaanika kehtib väga väikeste asjade puhul, nagu elektronid, prootonid ja neutronid, mis moodustavad aatomi. Sellised inimesed nagu Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger ja Paul Dirac jätkasid tööd kvantmehaanika kallal ja lõpuks saime standardmudeli.

Määratlus

Füüsika on energia ja aine uurimine ruumis ja ajas ning nende omavaheline seos. Füüsikud eeldavad massi, pikkuse, aja ja elektrivoolu olemasolu ning määratlevad (annavad tähenduse) kõik muud füüsikalised suurused nende põhiühikute abil. Mass, pikkus, aeg ja elektrivool ei ole kunagi määratletud, kuid nende mõõtmiseks kasutatavad standardühikud on alati määratletud. Rahvusvahelises mõõtühikute süsteemis (lühend SI, prantsuse keeles Système International) on kilogramm massi põhiühik, meeter pikkuse põhiühik, sekund on aja põhiühik ja amper on elektrivoolu põhiühik. Lisaks neile neljale ühikule on veel kolm ühikut: mol, mis on aine koguse mõõtühik, kandela, mis mõõdab valgustugevust (valgustuse võimsust) ja kelvin, mis on temperatuuri mõõtühik.

Füüsika uurib, kuidas asjad liiguvad ja millised jõud neid liikuma panevad. Näiteks kiirust ja kiirendust kasutatakse füüsikas selleks, et näidata, kuidas asjad liiguvad. Samuti uurivad füüsikud gravitatsioonijõude, elektrienergiat, magnetismi ja asju koos hoidvaid jõude.

Füüsika uurib väga suuri ja väga väikeseid asju. Näiteks võivad füüsikud uurida tähti, planeete ja galaktikaid, kuid nad võivad uurida ka väikeseid aineosakesi, näiteks aatomeid ja elektrone. nad võivad uurida ka heli, valgust ja muid laineid. Lisaks sellele võivad nad uurida energiat, soojust ja radioaktiivsust ning isegi ruumi ja aega. Füüsika ei aita inimestel mõista mitte ainult seda, kuidas objektid liiguvad, vaid ka seda, kuidas nad muudavad oma kuju, kuidas nad teevad müra, kui kuumad või külmad nad on ja millest nad kõige väiksemas ulatuses koosnevad.

Füüsika ja matemaatika

Füüsika on kvantitatiivne teadus, sest see põhineb numbritega mõõtmisel. Matemaatikat kasutatakse füüsikas mudelite koostamiseks, millega püütakse ennustada looduses toimuvat. Neid prognoose võrreldakse sellega, kuidas tegelik maailm toimib. Füüsikud töötavad pidevalt selle nimel, et muuta oma maailma mudelid paremaks.

Filiaalid

Klassikaline mehaanika sisaldab selliseid olulisi teemasid nagu Newtoni liikumisseadused, Lagrange'i mehaanika, Hamiltoni mehaanika, kinemaatika, staatika, dünaamika, kaositeooria, akustika, vedelikudünaamika, kontinuaalmehaanika. Klassikaline mehaanika käsitleb looduses kehale mõjuvaid jõude, jõudude tasakaalustamist, tasakaalu säilitamist, tasakaaluoleku säilitamist jne .

Elektromagnetism on konkreetse keha laengute uurimine. See sisaldab selliseid alateemasid nagu elektrostaatika, elektrodünaamika, elekter, magnetism, magnetostaatika, Maxwelli võrrandid, optika .

Termodünaamika ja statistiline mehaanika on seotud temperatuuriga. See hõlmab selliseid põhiteemasid nagu soojusmootor, kineetiline teooria. Kasutatakse selliseid mõisteid nagu soojus (Q), töö (W) ja siseenergia (U). Esimene termodünaamika seadus annab meile nende seose järgmise võrrandi abil (ΔU = Q - W)

Kvantmehaanika on osakeste uurimine aatomi tasandil, võttes arvesse aatomimudelit. See hõlmab alateemasid teeintegraalvormulatsioon, hajumise teooria, Šrödingeri võrrand, kvantväljateooria, kvantstatistiline mehaanika.

Suhtelisus

Täiustatud teadmised

Üldine kirjeldus

Füüsika on teadus mateeriast ja mateeria vastastikmõju kohta. Aine on mis tahes füüsikaline materjal universumis. Kõik on tehtud ainest. Füüsikat kasutatakse meid ümbritseva füüsikalise universumi kirjeldamiseks ja selle käitumise ennustamiseks. Füüsika on teadus, mis tegeleb nende universaalsete seaduste avastamise ja iseloomustamisega, mis reguleerivad ainet, liikumist ja jõude ning ruumi ja aega ja muid looduse omadusi.

Füüsika laius ja eesmärgid

Füüsika valdkond on lai, alates aine kõige väiksematest komponentidest ja neid koos hoidvatest jõududest kuni galaktikate ja veelgi suuremate asjadeni. On ainult neli jõudu, mis näivad tegutsevat kogu selles vahemikus. Kuid isegi need neli jõudu (gravitatsioon, elektromagnetism, radioaktiivsusega seotud nõrk jõud ja tugev jõud, mis hoiab aatomi prootonid ja neutronid koos) on arvatavasti ühe jõu erinevad osad.

Füüsika keskendub peamiselt eesmärgile luua üha lihtsamaid, üldisemaid ja täpsemaid reegleid, mis määratlevad aine ja ruumi enda iseloomu ja käitumist. Füüsika üks peamisi eesmärke on luua teooriaid, mis kehtivad kõige kohta universumis. Teisisõnu võib füüsikat vaadelda kui nende universaalsete seaduste uurimist, mis kõige elementaarsemal võimalikul tasandil määratlevad füüsikalise universumi käitumist.

Füüsika kasutab teaduslikku meetodit

Füüsika kasutab teaduslikku meetodit. See tähendab, et kogutakse katsete ja vaatluste andmeid. Seejärel koostatakse teooriaid, mis püüavad neid andmeid selgitada. Füüsika kasutab neid teooriaid mitte ainult füüsikaliste nähtuste kirjeldamiseks, vaid ka füüsikaliste süsteemide modelleerimiseks ja nende füüsikaliste süsteemide käitumise ennustamiseks. Seejärel võrdlevad füüsikud neid prognoose vaatluste või eksperimentaalsete tõenditega, et näidata, kas teooria on õige või vale.

Teooriaid, mida andmed hästi toetavad ning mis on eriti lihtsad ja üldised, nimetatakse mõnikord teaduslikeks seadusteks. Loomulikult saab kõik teooriad, sealhulgas ka seadustena tuntud teooriad, asendada täpsemate ja üldisemate seadustega, kui leitakse lahknevus andmetega.

Füüsika on kvantitatiivne

Füüsika on kvantitatiivsem kui enamik teisi teadusi. See tähendab, et paljusid füüsika tähelepanekuid võib esitada arvuliste mõõtmiste kujul. Enamik füüsika teooriaid kasutab oma põhimõtete väljendamiseks matemaatikat. Enamik nende teooriate ennustustest on arvulised. See on tingitud sellest, et füüsika käsitletud valdkonnad töötavad paremini kvantitatiivsete lähenemisviiside abil kui teised valdkonnad. Samuti kipuvad teadused aja jooksul muutuma kvantitatiivsemaks, kui nad muutuvad kõrgemalt arenenud, ja füüsika on üks vanimaid teadusi.

Füüsika valdkonnad

Klassikaline füüsika hõlmab tavaliselt mehaanika, optika, elektri, magnetismi, akustika ja termodünaamika valdkondi. Kaasaegne füüsika hõlmab tavaliselt valdkondi, mis tuginevad kvantteooriale, sealhulgas kvantmehaanika, aatomifüüsika, tuumafüüsika, osakestefüüsika ja kondenseeritud aine füüsika, samuti üld- ja erirelatiivsusteooria moodsamaid valdkondi, kuid viimaseid kahte peetakse sageli klassikalise füüsika valdkondadeks, kuna nad ei tugine kvantteooriale. Kuigi seda erinevust võib leida vanematest kirjutistest, on see vähe uut huvi pakkuv, sest kvantmõjusid mõistetakse nüüdseks oluliseks ka varem klassikaliseks nimetatud valdkondades.

Lähenemisviisid füüsikas

Füüsika õppimiseks on palju lähenemisviise ja füüsika valdkonnas on palju erinevaid tegevusi. Füüsikas on kahte peamist liiki tegevusi: andmete kogumine ja teooriate väljatöötamine.

Mõne füüsika alamvaldkonna andmed on eksperimenteeritavad. Näiteks kondenseeritud aine füüsika ja tuumafüüsika saavad kasu katsete tegemise võimalusest. Eksperimentaalfüüsika keskendub peamiselt empiirilisele lähenemisele. Mõnikord tehakse katseid looduse uurimiseks ja teistel juhtudel tehakse katseid, et saada andmeid, mida võrrelda teooriate ennustustega.

Mõned teised füüsikavaldkonnad, nagu astrofüüsika ja geofüüsika, on enamasti vaatluspõhised teadused, sest enamik nende andmeid tuleb koguda passiivselt, mitte eksperimenteerimise teel. Siiski kasutatakse nende valdkondade vaatlusprogrammides paljusid samu vahendeid ja tehnoloogiaid, mida kasutatakse füüsika eksperimentaalsetes alavaldkondades.

Teoreetilises füüsikas kasutatakse sageli kvantitatiivseid lähenemisviise, et töötada välja teooriad, millega püütakse andmeid selgitada. Sel viisil kasutavad teoreetilised füüsikud sageli matemaatikast pärit vahendeid. Teoreetiline füüsika võib sageli hõlmata füüsikaliste teooriate kvantitatiivsete prognooside koostamist ja nende prognooside kvantitatiivset võrdlemist andmetega. Teoreetiline füüsika loob mõnikord füüsikaliste süsteemide mudeleid enne, kui on olemas andmed nende mudelite testimiseks ja toetamiseks.

Need kaks põhitegevust füüsikas, andmete kogumine, teooria koostamine ja testimine, kasutavad palju erinevaid oskusi. See on viinud füüsikas suure spetsialiseerumiseni ning teiste valdkondade vahendite kasutuselevõtu, arendamise ja kasutamiseni. Näiteks kasutavad teoreetilised füüsikud oma töös matemaatikat ja numbrilist analüüsi ning statistikat ja tõenäosust ja arvutitarkvara. Eksperimentaalfüüsikud töötavad välja mõõteriistu ja tehnikat andmete kogumiseks, kasutades selleks inseneri- ja arvutitehnoloogiat ning paljusid teisi tehnikavaldkondi. Sageli ei ole nende teiste valdkondade vahendid füüsika vajaduste jaoks päris sobivad ja neid tuleb muuta või teha täiustatud versioonid.

Sageli avastatakse uut füüsikat, kui eksperimentaalfüüsikud teevad katse, mida praegused teooriad ei suuda seletada, või kui teoreetilised füüsikud loovad teooriaid, mida eksperimentaalfüüsikud saavad seejärel proovile panna.

Eksperimentaalfüüsika, tehnika ja tehnoloogia on omavahel seotud. Eksperimendid vajavad sageli spetsiaalseid vahendeid, nagu osakeste kiirendid ja laserid, ning olulised tööstuslikud rakendused, nagu transistorid ja magnetresonantskujutiste kasutamine, on tulnud rakendusuuringutest.

Füüsikud

Silmapaistvad teoreetilised füüsikud

Kuulsad teoreetilised füüsikud on järgmised

Seotud leheküljed

• Astronoomia
• Energia
• Matter
• Aeg