A fizika ágai
A fizika olyan tudományág, amely a fizikai világegyetemre vonatkozó elméletek megalkotására és kísérleti tesztelésére törekszik. Ezek az elméletek eltérő terjedelműek, és több különböző ágba sorolhatók, amelyeket ebben a cikkben ismertetünk.
Klasszikus mechanika
A klasszikus mechanika a testekre ható erők fizikájának modellje; részterületeket tartalmaz a szilárd testek, gázok és folyadékok viselkedésének leírására. Gyakran nevezik “newtoni mechanikának” Isaac Newton és az ő mozgástörvényei után. Magában foglalja a klasszikus megközelítést is, amelyet a Hamilton- és Lagrange-módszerek adnak meg. A részecskék mozgásával és a részecskék általános rendszerével foglalkozik.
A klasszikus mechanikának számos ága van, például: statika, dinamika, kinematika, kontinuum-mechanika (amelybe a folyadékmechanika is beletartozik), statisztikus mechanika stb.
- Mechanika: A fizika egyik ága, amelyben a tárgyról és a tárgy tulajdonságairól az erő hatására létrejövő mozgás formájában vizsgálódunk.
Termodinamika és statisztikus mechanika
A The Feynman Lectures on Physics első fejezete az atomok létezéséről szól, amelyet Feynman a fizika legtömörebb kijelentésének tartott, amelyből a tudomány akkor is könnyen következhet, ha minden más ismeret elveszne. Az anyagot kemény gömbök halmazaként modellezve leírható a gázok kinetikai elmélete, amelyre a klasszikus termodinamika épül.
A termodinamika a hőmérséklet, a nyomás és a térfogat változásának a fizikai rendszerekre gyakorolt hatásait vizsgálja makroszkopikus léptékben, valamint az energia hő formájában történő átvitelét. Történelmileg a termodinamika a korai gőzgépek hatékonyságának növelésére irányuló törekvésből fejlődött ki.
A legtöbb termodinamikai megfontolás kiindulópontja a termodinamikai törvények, amelyek azt tételezik fel, hogy az energia hő vagy munka formájában kicserélhető a fizikai rendszerek között. A törvények az entrópia nevű mennyiség létezését is feltételezik, amely bármely rendszerre meghatározható. A termodinamikában a nagy objektumegyüttesek közötti kölcsönhatásokat tanulmányozzák és kategorizálják. Ennek középpontjában a rendszer és a környezet fogalma áll. Egy rendszer részecskékből áll, amelyek átlagos mozgása határozza meg a tulajdonságait, amelyek viszont állapotegyenleteken keresztül kapcsolódnak egymáshoz. A tulajdonságok kombinálhatók a belső energia és a termodinamikai potenciálok kifejezésére, amelyek hasznosak az egyensúlyi és spontán folyamatok feltételeinek meghatározásához.
Elektromágnesesség és 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} }{\partiális t}}\\\\\&\nabla \times \mathbf {H} =\mathbf {J} _{f}+{\frac {\partial \mathbf {D} }{\partiális t}}\end{aligned}}}}
Maxwell elektromágnesesség egyenletei
Az elektronok, az elektromos közegek, a mágnesek, a mágneses terek és a fény általános kölcsönhatásainak viselkedésének tanulmányozása.
Relativisztikus mechanika
A speciális relativitáselmélet kapcsolatot élvez az elektromágnesességgel és a mechanikával, azaz a mechanikában a relativitás elve és a helyhez kötött hatás elve felhasználható a Maxwell-egyenletek levezetésére, és fordítva.
A speciális relativitáselméletet 1905-ben Albert Einstein javasolta “A mozgó testek elektrodinamikájáról” című cikkében. A cikk címe arra utal, hogy a speciális relativitáselmélet feloldja a Maxwell-egyenletek és a klasszikus mechanika közötti ellentmondást. Az elmélet két posztulátumon alapul: (1) hogy a fizikai törvények matematikai formái invariánsak minden inerciarendszerben; és (2) hogy a fény sebessége vákuumban állandó és független a forrástól vagy a megfigyelőtől. A két posztulátum összeegyeztetése megköveteli a tér és az idő egyesítését a téridő keretfüggő fogalmába.
Az általános relativitáselmélet a gravitáció geometriai elmélete, amelyet Albert Einstein 1915/16-ban publikált. Egyesíti a speciális relativitáselméletet, Newton egyetemes gravitációs törvényét és azt a felismerést, hogy a gravitáció a tér és az idő görbületével írható le. Az általános relativitáselméletben a téridő görbületét az anyag és a sugárzás energiája hozza létre.
Kvantummechanika, atomfizika és molekuláris fizika
A kvantummechanika a fizikának az atomi és szubatomi rendszerekkel és kölcsönhatásaikkal foglalkozó ága, amely azon a megfigyelésen alapul, hogy az energia minden formája diszkrét egységekben vagy kötegekben, úgynevezett “kvantumokban” szabadul fel. Figyelemre méltó, hogy a kvantumelmélet jellemzően csak valószínűségi vagy statisztikai számítást tesz lehetővé a szubatomi részecskék megfigyelt, hullámfüggvények formájában értelmezett tulajdonságaira. A Schrödinger-egyenlet azt a szerepet játssza a kvantummechanikában, amit Newton törvényei és az energia megőrzése a klasszikus mechanikában – azaz megjósolja egy dinamikus rendszer jövőbeli viselkedését -, és egy hullámegyenlet, amelyet a hullámfüggvények megoldására használnak.
Az atom által kibocsátott vagy elnyelt fény, vagyis az elektromágneses sugárzás például csak bizonyos frekvenciákkal (vagy hullámhosszokkal) rendelkezik, amint az az atom által képviselt kémiai elemhez tartozó vonalspektrumból látható. A kvantumelmélet szerint ezek a frekvenciák a fénykvantumok vagy fotonok meghatározott energiáinak felelnek meg, és abból a tényből adódnak, hogy az atom elektronjainak csak bizonyos megengedett energiaértékek vagy szintek lehetnek; amikor egy elektron az egyik megengedett szintről egy másikra vált, olyan energiakvantumot bocsát ki vagy nyel el, amelynek frekvenciája egyenesen arányos a két szint közötti energiakülönbséggel. A fotoelektromos hatás tovább erősítette a fény kvantáltságát.
1924-ben Louis de Broglie felvetette, hogy nemcsak a fényhullámok mutatnak néha részecske-szerű tulajdonságokat, hanem a részecskék is mutathatnak hullámszerű tulajdonságokat. De Broglie felvetése nyomán a kvantummechanika két különböző megfogalmazását mutatták be. Erwin Schrödinger hullámmechanikája (1926) egy matematikai egységet, a hullámfüggvényt használja, amely a tér egy adott pontján található részecske megtalálásának valószínűségével függ össze. Werner Heisenberg mátrixmechanikája (1925) nem tesz említést hullámfüggvényről vagy hasonló fogalmakról, de kimutatták, hogy matematikailag egyenértékű Schrödinger elméletével. A kvantumelmélet különösen fontos felfedezése a Heisenberg által 1927-ben megfogalmazott bizonytalansági elv, amely abszolút elméleti korlátot szab bizonyos mérések pontosságának; ennek következtében el kellett hagyni a korábbi tudósok azon feltételezését, hogy egy rendszer fizikai állapota pontosan mérhető és felhasználható a jövőbeli állapotok előrejelzésére. A kvantummechanikát Paul Dirac megfogalmazásában a relativitáselmélettel kombinálták. További fejlesztések közé tartozik a kvantumstatisztika, a töltött részecskék és az elektromágneses mezők közötti kölcsönhatásokkal foglalkozó kvantumelektrodinamika; és ennek általánosítása, a kvantumtérelmélet.
Húrelmélet
Egy lehetséges jelölt a mindenség elméletére, ez az elmélet az általános relativitáselméletet és a kvantummechanikát egyesíti egyetlen elméletté. Ez az elmélet képes jósolni mind a kis, mind a nagy objektumok tulajdonságairól. Ez az elmélet jelenleg fejlesztési szakaszban van.
Optika és akusztika
Az optika a fénymozgások tanulmányozása, beleértve a visszaverődést, a fénytörést, a diffrakciót és az interferenciát.
Az akusztika a fizikának az az ága, amely a mechanikai hullámok tanulmányozásával foglalkozik különböző közegekben.
Kondenzált anyagú fizika
A kondenzált fázisban lévő anyag fizikai tulajdonságainak tanulmányozása.
Nagyenergiájú részecskefizika és atomfizika
A részecskefizika a részecskék természetét, míg az atomfizika az atommagokat tanulmányozza.
Kozmológia
A kozmológia azt vizsgálja, hogyan jött létre a világegyetem, és mi lett a végső sorsa. Fizikusok és asztrofizikusok tanulmányozzák.
Interdiszciplináris területek
A részben önálló tudományokat meghatározó interdiszciplináris területek közé tartoznak pl. a
- az agrofizika az agronómiával és a fizikával határos tudományág
- az asztrofizika, a világegyetem fizikája, beleértve a csillagászatban az égitestek tulajdonságait és kölcsönhatásait.
- a biofizika, a biológiai folyamatok fizikai kölcsönhatásainak vizsgálata.
- kémiai fizika, a fizikai összefüggések tudománya a kémiában.
- számítási fizika, a számítógépek és numerikus módszerek alkalmazása a fizikai rendszerekre.
- gazdaságfizika, a fizikai folyamatok és összefüggéseik vizsgálata a gazdaságtudományban.
- környezetfizika, a fizika azon ága, amely az élőlények és környezetük közötti kölcsönhatások mérésével és elemzésével foglalkozik.
- mérnöki fizika, a fizika és a mérnöki tudomány kombinált tudományága.
- geofizika, a bolygónk fizikai összefüggéseivel foglalkozó tudományok.
- matematikai fizika, a fizikai problémákra vonatkozó matematika.
- orvosi fizika, a fizika alkalmazása az orvostudományban a megelőzés, a diagnózis és a gyógyítás területén.
- fizikai kémia, a fizikai folyamatokkal és azok összefüggéseivel foglalkozó tudományág.
- 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, gyorsulás, Galilei-féle invariancia, tömeg, lendület, impulzus, erő, energia, szögsebesség, szögimpulzus, tehetetlenségi nyomaték, nyomaték, megőrzési törvény, harmonikus oszcillátor, hullám, munka, teljesítmény, Lagrange, Hamilton, Tait-Bryan-szögek, Euler-szögek, pneumatikus, hidraulikus | ||
| Elektromágnesesség | Elektrosztatika, elektrodinamika, elektromosság, mágnesesség, magnetosztatika, Maxwell-egyenletek, optika | Kapacitás, elektromos töltés, áram, elektromos vezetőképesség, elektromos tér, elektromos permittivitás, elektromos potenciál, elektromos ellenállás, elektromágneses tér, elektromágneses indukció, elektromágneses sugárzás, Gauss-felület, mágneses tér, mágneses fluxus, mágneses monopólus, mágneses permeabilitás | ||
| Termodinamika és statisztikus mechanika | Hőgép, kinetikai elmélet | Boltzmann-állandó, konjugált változók, entalpia, entrópia, állapotegyenlet, ekvipartíciós tétel, termodinamikai szabad energia, hő, ideális gáztörvény, belső energia, termodinamikai törvények, Maxwell-összefüggések, irreverzibilis folyamat, Ising-modell, mechanikai hatás, partíciófüggvény, nyomás, reverzibilis folyamat, spontán folyamat, állapotfüggvény, statisztikai együttes, hőmérséklet, termodinamikai egyensúly, termodinamikai potenciál, termodinamikai folyamatok, termodinamikai állapot, termodinamikai rendszer, viszkozitás, térfogat, munka, szemcsés anyag | ||
| Kvantummechanika | Útintegrál megfogalmazás, szóráselmélet, Schrödinger egyenlet, kvantumtérelmélet, kvantum statisztikai mechanika | Adiabatikus közelítés, fekete test sugárzás, megfelelési elv, szabad részecske, Hamiltoniánus, Hilbert-tér, azonos részecskék, mátrixmechanika, Planck-állandó, megfigyelőhatás, operátorok, kvantumok, kvantálás, kvantum összefonódás, kvantumharmonikus oszcillátor, kvantumszám, kvantumalagút, Schrödinger macskája, Dirac-egyenlet, spin, hullámfüggvény, hullámmechanika, hullám-részecske dualitás, nullponti energia, Pauli kizárási elve, Heisenberg-féle bizonytalansági elv | ||
| Relativitás | Speciális relativitáselmélet, általános relativitáselmélet, Einstein-téregyenletek | Kovariancia, Einstein-féle sokaság, ekvivalenciaelv, négymomentum, négyvektor, általános relativitáselv, geodéziai mozgás, gravitáció, gravitoelektromágnesesség, inerciális vonatkoztatási rendszer, invariancia, hosszkontrakció, Lorentz-féle sokaság, Lorentz-transzformáció, tömeg-energia ekvivalencia, metrika, Minkowski-diagram, Minkowski-tér, relativitáselv, saját hosszúság, saját idő, vonatkoztatási rendszer, nyugalmi energia, nyugalmi tömeg, egyidejűség relativitása, téridő, speciális relativitáselv, fénysebesség, feszültség-energia tenzor, időtágulás, ikerparadoxon, világvonal |
- ^ Feynman, Richard Phillips; Leighton, Robert Benjamin; Sands, Matthew Linzee (1963). The Feynman Lectures on Physics. p. 1. ISBN 978-0-201-02116-5.. Feynman az atomhipotézissel kezdi, mint az összes tudományos ismeret legtömörebb kifejtésével: “Ha valamilyen kataklizma során az összes tudományos ismeret megsemmisülne, és csak egyetlen mondatot adnának át a következő generációknak…, melyik állítás tartalmazná a legtöbb információt a legkevesebb szóval? Azt hiszem, az lenne … hogy minden dolog atomokból áll – apró részecskékből, amelyek örökös mozgásban mozognak, vonzzák egymást, amikor kis távolságra vannak egymástól, de taszítják egymást, amikor egymáshoz préselődnek. …” I. kötet I-2. o.
- ^ Perot, Pierre (1998). A termodinamika A-tól Z-ig. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-856552-9.
- ^ Clark, John O.E. (2004). The Essential Dictionary of Science. Barnes & Noble Books. ISBN 978-0-7607-4616-5.
- ^ Clausius, Rudolf (1850). “LXXIX”. A hő mozgató erejéről és az abból a hőelmélet számára levezethető törvényekről. Dover Reprint. ISBN 978-0-486-59065-3.
- ^ Van Ness, H.C. (1969). A termodinamika megértése. Dover Publications, Inc. ISBN 978-0-486-63277-3.
- ^ Dugdale, J. S. (1998). Az entrópia és fizikai jelentése. Taylor and Francis. ISBN 978-0-7484-0569-5.
- ^ Landau és Lifshitz (1951, 1962), The Classical Theory of Fields, Library of Congress Card Number 62-9181, 1-4. fejezet (3. kiadás ISBN 0-08-016019-0)
- ^ Corson és Lorrain, Electromagnetic Fields and Waves ISBN 0-7167-1823-5
- ^ Einstein, Albert (1915. november 25.). “Die Feldgleichungen der Gravitation”. Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften zu Berlin: 844-847. Retrieved 2006-09-12.
- ^ Einstein, Albert (1916). “Az általános relativitáselmélet megalapozása”. Annalen der Physik. 354 (7): 769-822. Bibcode:1916AnP…354..769E. doi:10.1002/andp.19163540702. Archiválva az eredetiből (PDF) 2006-08-29-én. Visszakeresve 2006-09-03.