Fyzikální obory
Fyzika je vědní disciplína, která se snaží konstruovat a experimentálně ověřovat teorie fyzikálního vesmíru. Tyto teorie se liší svým rozsahem a lze je rozdělit do několika odlišných oborů, které jsou nastíněny v tomto článku.
Klasická mechanika
Klasická mechanika je model fyziky sil působících na tělesa; zahrnuje podobory popisující chování pevných látek, plynů a kapalin. Často se označuje jako „newtonovská mechanika“ podle Isaaca Newtona a jeho pohybových zákonů. Zahrnuje také klasický přístup daný Hamiltonovou a Lagrangeovou metodou. Zabývá se pohybem částic a obecnou soustavou částic.
Existuje mnoho odvětví klasické mechaniky, například: statika, dynamika, kinematika, mechanika kontinua (která zahrnuje mechaniku tekutin), statistická mechanika atd.
- Mechanika:
Termodynamika a statistická mechanika
První kapitola Feynmanových přednášek o fyzice pojednává o existenci atomů, což Feynman považoval za nejkompaktnější výpověď o fyzice, z níž by věda mohla snadno vyplynout, i kdyby všechny ostatní poznatky byly ztraceny. Modelováním hmoty jako souboru tvrdých kuliček je možné popsat kinetickou teorii plynů, na níž je založena klasická termodynamika.
Termodynamika studuje účinky změn teploty, tlaku a objemu na fyzikální systémy v makroskopickém měřítku a přenos energie ve formě tepla. Historicky se termodynamika vyvinula ze snahy zvýšit účinnost prvních parních strojů.
Východiskem většiny termodynamických úvah jsou termodynamické zákony, které postulují, že energii lze mezi fyzikálními systémy vyměňovat jako teplo nebo práci. Postulují také existenci veličiny s názvem entropie, kterou lze definovat pro jakýkoli systém. V termodynamice se studují a třídí interakce mezi velkými soubory objektů. Ústřední roli zde hrají pojmy systém a okolí. Systém se skládá z částic, jejichž průměrné pohyby definují jeho vlastnosti, které jsou zase vzájemně propojeny prostřednictvím stavových rovnic. Vlastnosti lze kombinovat a vyjádřit tak vnitřní energii a termodynamické potenciály, které jsou užitečné pro stanovení podmínek rovnováhy a spontánních procesů.
Elektromagnetismus a fotonika
∇ ⋅ D = ρ f ∇ ⋅ B = 0 ∇ × E = – ∂ B ∂ t ∇ × H = J f + ∂ D ∂ t {\displaystyle {\begin{aligned}&\nabla \cdot \mathbf {D} =\rho _{f}\\&\nabla \cdot \mathbf {B} =0\\&\nabla \times \mathbf {E} =-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\část t}}\&\nabla \times \mathbf {H} =\mathbf {J} _{f}+{\frac {\partial \mathbf {D} }{\část t}}\end{aligned}}}
Maxwellovy rovnice elektromagnetismu
Studium chování elektronů, elektrických médií, magnetů, magnetických polí a obecných interakcí světla.
Relativistická mechanika
Speciální teorie relativity má vztah k elektromagnetismu a mechanice, to znamená, že princip relativity a princip stacionárního působení v mechanice lze použít k odvození Maxwellových rovnic a naopak.
Teorii speciální relativity navrhl v roce 1905 Albert Einstein ve svém článku „O elektrodynamice pohybujících se těles“. Název článku odkazuje na skutečnost, že speciální teorie relativity řeší rozpor mezi Maxwellovými rovnicemi a klasickou mechanikou. Teorie je založena na dvou postulátech: (1) že matematické formy fyzikálních zákonů jsou invariantní ve všech inerciálních soustavách a (2) že rychlost světla ve vakuu je konstantní a nezávislá na zdroji nebo pozorovateli. Sladění těchto dvou postulátů vyžaduje sjednocení prostoru a času do rámcového pojmu prostoročasu.
Všeobecná teorie relativity je geometrická teorie gravitace, kterou Albert Einstein publikoval v letech 1915/16. Tato teorie je založena na teorii gravitace. Sjednocuje speciální teorii relativity, Newtonův zákon všeobecné gravitace a poznatek, že gravitaci lze popsat zakřivením prostoru a času. V obecné teorii relativity je zakřivení časoprostoru vytvářeno energií hmoty a záření.
Kvantová mechanika, atomová fyzika a molekulová fyzika
Kvantová mechanika je odvětví fyziky zabývající se atomovými a subatomárními systémy a jejich interakcemi na základě pozorování, že všechny formy energie se uvolňují v diskrétních jednotkách nebo svazcích zvaných „kvanta“. Pozoruhodné je, že kvantová teorie obvykle umožňuje pouze pravděpodobný nebo statistický výpočet pozorovaných vlastností subatomárních částic, chápaných v termínech vlnových funkcí. Schrödingerova rovnice hraje v kvantové mechanice roli, kterou v klasické mechanice plní Newtonovy zákony a zákony zachování energie – tj. předpovídá budoucí chování dynamického systému – a je vlnovou rovnicí, která se používá k řešení vlnových funkcí.
Například světlo neboli elektromagnetické záření vyzařované nebo pohlcované atomem má pouze určité frekvence (nebo vlnové délky), jak je patrné z čárového spektra spojeného s chemickým prvkem reprezentovaným tímto atomem. Kvantová teorie ukazuje, že tyto frekvence odpovídají určitým energiím světelných kvant neboli fotonů a vyplývají ze skutečnosti, že elektrony atomu mohou mít jen určité povolené hodnoty energie neboli hladiny; když elektron přejde z jedné povolené hladiny na druhou, vyzáří se nebo pohltí kvantum energie, jehož frekvence je přímo úměrná rozdílu energií mezi oběma hladinami. Fotoelektrický jev dále potvrdil kvantování světla.
V roce 1924 Louis de Broglie navrhl, že nejen světelné vlny někdy vykazují vlastnosti podobné částicím, ale i částice mohou vykazovat vlastnosti podobné vlnám. Na základě de Broglieho návrhu byly představeny dvě různé formulace kvantové mechaniky. Vlnová mechanika Erwina Schrödingera (1926) zahrnuje použití matematické entity, vlnové funkce, která souvisí s pravděpodobností nalezení částice v daném bodě prostoru. Maticová mechanika Wernera Heisenberga (1925) vlnové funkce ani podobné pojmy nezmiňuje, ale ukázalo se, že je matematicky ekvivalentní Schrödingerově teorii. Zvláště důležitým objevem kvantové teorie je Heisenbergem v roce 1927 vyslovený princip neurčitosti, který stanoví absolutní teoretickou hranici přesnosti určitých měření; v důsledku toho musel být opuštěn předpoklad dřívějších vědců, že fyzikální stav systému lze přesně změřit a použít k předpovědi budoucích stavů. Kvantová mechanika byla spojena s teorií relativity ve formulaci Paula Diraca. Další vývoj zahrnuje kvantovou statistiku, kvantovou elektrodynamiku, zabývající se interakcemi mezi nabitými částicemi a elektromagnetickými poli, a její zobecnění, kvantovou teorii pole.
Teorie strun
Tato teorie, která je možným kandidátem na teorii všeho, spojuje obecnou teorii relativity a kvantovou mechaniku do jediné teorie. Tato teorie dokáže předpovídat o vlastnostech malých i velkých objektů. Tato teorie je v současné době ve fázi vývoje.
Optika a akustika
Optika se zabývá studiem pohybů světla včetně odrazu, lomu, difrakce a interference.
Akustika je obor fyziky zahrnující studium mechanického vlnění v různých prostředích.
Fyzika kondenzovaných látek
Studium fyzikálních vlastností hmoty v kondenzované fázi.
Fyzika částic vysokých energií a jaderná fyzika
Fyzika částic studuje povahu částic, zatímco jaderná fyzika studuje atomová jádra.
Kosmologie
Kosmologie studuje, jak vesmír vznikl a jaký je jeho případný osud. Studují ji fyzici a astrofyzici
Interdisciplinární obory
K interdisciplinárním oborům, které vymezují částečně vlastní vědy, patří např.
- agrofyzika, vědní obor hraničící s agronomií a fyzikou
- astrofyzika, fyzika ve vesmíru, včetně vlastností a interakcí nebeských těles v astronomii.
- biofyzika, studující fyzikální interakce biologických procesů.
- chemická fyzika, věda o fyzikálních vztazích v chemii.
- výpočetní fyzika, aplikace počítačů a numerických metod na fyzikální systémy.
- ekonofyzika, zabývající se fyzikálními procesy a jejich vztahy v ekonomické vědě.
- fyzika životního prostředí, obor fyziky zabývající se měřením a analýzou interakcí mezi organismy a jejich prostředím.
- inženýrská fyzika, kombinovaný obor fyziky a inženýrství.
- geofyzika, věda o fyzikálních vztazích na naší planetě.
- matematická fyzika, matematika týkající se fyzikálních problémů.
- lékařská fyzika, aplikace fyziky v medicíně na prevenci, diagnostiku a léčbu.
- fyzikální chemie, zabývající se fyzikálními procesy a jejich vztahy ve vědě fyzikální chemie.
- physical oceanography, is the study of physical conditions and physical processes within the ocean, especially the motions and physical properties of ocean waters
- psychophysics, the science of physical relations in psychology
- quantum computing, the study of quantum-mechanical computation systems.
- sociophysics or social physics, is a field of science which uses mathematical tools inspired by physics to understand the behavior of human crowds
Summary
The table below lists the core theories along with many of the concepts they employ.
| Theory | Major subtopics | Concepts |
|---|---|---|
| Classical mechanics | Newton’s laws of motion, Lagrangian mechanics, Hamiltonian mechanics, kinematics, statics, dynamics, chaos theory, acoustics, fluid dynamics, continuum mechanics | Density, dimension, gravity, space, time, motion, length, position, velocity, zrychlení, galileovská invariance, hmotnost, hybnost, impuls, síla, energie, úhlová rychlost, úhlový moment, moment setrvačnosti, točivý moment, zákon zachování, harmonický oscilátor, vlna, práce, výkon, Lagrangeův, Hamiltonův, Tait-Bryanovy úhly, Eulerovy úhly, pneumatika, hydraulika |
| Elektromagnetismus | Elektrostatika, elektrodynamika, elektřina, magnetismus, magnetostatika, Maxwellovy rovnice, optika | Kapacita, elektrický náboj, proud, elektrická vodivost, elektrické pole, elektrická permitivita, elektrický potenciál, elektrický odpor, elektromagnetické pole, elektromagnetická indukce, elektromagnetické záření, Gaussův povrch, magnetické pole, magnetický tok, magnetický monopól, magnetická permeabilita |
| Termodynamika a statistická mechanika | Tepelný motor, kinetická teorie | Boltzmannova konstanta, konjugované veličiny, entalpie, entropie, stavová rovnice, ekvipartiční věta, termodynamická volná energie, teplo, zákon ideálního plynu, vnitřní energie, termodynamické zákony, Maxwellovy vztahy, nevratný proces, Isingův model, mechanické působení, rozdělovací funkce, tlak, vratný proces, spontánní proces, stavová funkce, statistický soubor, teplota, termodynamická rovnováha, termodynamický potenciál, termodynamické procesy, termodynamický stav, termodynamický systém, viskozita, objem, práce, zrnitý materiál |
| Quantum mechanics | Path integral formulation, scattering theory, Schrödinger equation, quantum field theory, quantum statistical mechanics | Adiabatická aproximace, záření černého tělesa, princip korespondence, volná částice, Hamiltonián, Hilbertův prostor, identické částice, maticová mechanika, Planckova konstanta, efekt pozorovatele, operátory, kvanta, kvantování, kvantové provázání, kvantový harmonický oscilátor, kvantové číslo, kvantové tunelování, Schrödingerova kočka, Diracova rovnice, spin, vlnová funkce, vlnová mechanika, dualita vlna-částice, energie nulového bodu, Pauliho vylučovací princip, Heisenbergův princip neurčitosti |
| Relativita | Speciální relativita, obecná relativita, Einsteinovy rovnice pole | Kovariance, Einsteinův mnohočlen, princip ekvivalence, čtyřmoment, čtyřvektor, obecný princip relativity, geodetický pohyb, gravitace, gravitoelektromagnetismus, inerciální vztažná soustava, invariance, kontrakce délky, Lorentzův mnohočlen, Lorentzova transformace, metrika, Minkowského diagram, Minkowského prostor, princip relativity, vlastní délka, vlastní čas, vztažná soustava, klidová energie, klidová hmotnost, relativita simultaneity, prostoročas, speciální princip relativity, rychlost světla, tenzor napětí a energie, dilatace času, paradox dvojčat, světová čára |
- ^ Feynman, Richard Phillips; Leighton, Robert Benjamin; Sands, Matthew Linzee (1963). Feynmanovy přednášky o fyzice. p. 1. ISBN 978-0-201-02116-5.. Feynman začíná atomovou hypotézou jako nejkompaktnějším vyjádřením všech vědeckých poznatků: „Kdyby mělo být při nějakém kataklyzmatu zničeno veškeré vědecké poznání a dalším generacím by byla předána pouze jedna věta…, které tvrzení by obsahovalo nejvíce informací v nejmenším počtu slov? Domnívám se, že by to bylo … že všechny věci se skládají z atomů – malých částic, které se pohybují ve věčném pohybu, přitahují se, když jsou od sebe jen trochu vzdáleny, ale odpuzují se, když jsou k sobě přitisknuty. …“ svazek I str. I-2
- ^ Perot, Pierre (1998). Od A do Z termodynamiky. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-856552-9.
- ^ Clark, John O.E. (2004). The Essential Dictionary of Science (Základní slovník vědy). Barnes & Noble Books. ISBN 978-0-7607-4616-5.
- ^ Clausius, Rudolf (1850). „LXXIX“. O hybné síle tepla a o zákonech, které z ní lze odvodit pro teorii tepla. Dover Reprint. ISBN 978-0-486-59065-3.
- ^ Van Ness, H.C. (1969). Pochopení termodynamiky. Dover Publications, Inc. ISBN 978-0-486-63277-3.
- ^ Dugdale, J. S. (1998). Entropie a její fyzikální význam. Taylor and Francis. ISBN 978-0-7484-0569-5.
- ^ Landau a Lifshitz (1951, 1962), The Classical Theory of Fields, Library of Congress Card Number 62-9181, Chapter 1-4 (3. vydání je ISBN 0-08-016019-0)
- ^ Corson a Lorrain, Electromagnetic Fields and Waves ISBN 0-7167-1823-5
- ^ Einstein, Albert (25. listopadu 1915). „Die Feldgleichungen der Gravitation“. Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften zu Berlin: 844-847. Srov. např. Retrieved 2006-09-12.
- ^ Einstein, Albert (1916). „Základy obecné teorie relativity“. Annalen der Physik. 354 (7): 769-822. Bibcode:1916AnP…354..769E. doi:10.1002/andp.19163540702. Archivováno z originálu (PDF) dne 2006-08-29. Získáno 2006-09-03.