Rami della fisica
La fisica è una disciplina scientifica che cerca di costruire e verificare sperimentalmente teorie dell’universo fisico. Queste teorie variano nella loro portata e possono essere organizzate in diversi rami distinti, che sono delineati in questo articolo.
Meccanica classica
La meccanica classica è un modello della fisica delle forze che agiscono sui corpi; include sottocampi per descrivere il comportamento di solidi, gas e fluidi. È spesso indicata come “meccanica newtoniana” dopo Isaac Newton e le sue leggi del moto. Include anche l’approccio classico dato dai metodi Hamiltoniano e Lagrange. Si occupa del moto delle particelle e dei sistemi generali di particelle.
Ci sono molte branche della meccanica classica, come: statica, dinamica, cinematica, meccanica dei continui (che include la meccanica dei fluidi), meccanica statistica, ecc.
- Meccanica: Un ramo della fisica in cui si studia l’oggetto e le proprietà di un oggetto sotto forma di moto sotto l’azione della forza.
Termodinamica e meccanica statistica
Il primo capitolo delle Lezioni di Fisica di Feynman riguarda l’esistenza degli atomi, che Feynman considerava l’affermazione più compatta della fisica, dalla quale la scienza poteva facilmente derivare anche se tutte le altre conoscenze fossero andate perse. Modellando la materia come collezioni di sfere rigide, è possibile descrivere la teoria cinetica dei gas, su cui si basa la termodinamica classica.
La termodinamica studia gli effetti dei cambiamenti di temperatura, pressione e volume sui sistemi fisici su scala macroscopica, e il trasferimento di energia come calore. Storicamente, la termodinamica si è sviluppata dal desiderio di aumentare l’efficienza dei primi motori a vapore.
Il punto di partenza per la maggior parte delle considerazioni termodinamiche sono le leggi della termodinamica, che postulano che l’energia può essere scambiata tra sistemi fisici come calore o lavoro. Postulano anche l’esistenza di una quantità chiamata entropia, che può essere definita per qualsiasi sistema. In termodinamica, le interazioni tra grandi insiemi di oggetti sono studiate e classificate. Al centro ci sono i concetti di sistema e di ambiente. Un sistema è composto da particelle, i cui movimenti medi definiscono le sue proprietà, che a loro volta sono correlate tra loro attraverso equazioni di stato. Le proprietà possono essere combinate per esprimere l’energia interna e i potenziali termodinamici, che sono utili per determinare le condizioni di equilibrio e i processi spontanei.
Elettromagnetismo e fotonica
∇ ⋅ 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 {mathbf \mathbf \mathbf \mathbf \mathbf \mathbf \mathbf & {\nabla \nabla \times \mathbf {H} =\mathbf {J} {\a6}+frac {mathbf {Mathbf {D} {\a6}}}}}perché non si tratta di un’operazione di questo tipo, ma di un’operazione di questo tipo, che non ha nulla a che fare con la realtà.
Le equazioni di Maxwell dell’elettromagnetismo
Lo studio del comportamento degli elettroni, dei mezzi elettrici, dei magneti, dei campi magnetici e delle interazioni generali della luce.
Meccanica relativistica
La teoria della relatività speciale gode di una relazione con l’elettromagnetismo e la meccanica; cioè, il principio di relatività e il principio di azione stazionaria in meccanica possono essere usati per derivare le equazioni di Maxwell, e viceversa.
La teoria della relatività speciale fu proposta nel 1905 da Albert Einstein nel suo articolo “On the Electrodynamics of Moving Bodies”. Il titolo dell’articolo si riferisce al fatto che la relatività speciale risolve un’incongruenza tra le equazioni di Maxwell e la meccanica classica. La teoria si basa su due postulati: (1) che le forme matematiche delle leggi della fisica sono invarianti in tutti i sistemi inerziali; e (2) che la velocità della luce nel vuoto è costante e indipendente dalla sorgente o dall’osservatore. Riconciliare i due postulati richiede un’unificazione dello spazio e del tempo nel concetto di spazio-tempo dipendente dal telaio.
La relatività generale è la teoria geometrica della gravitazione pubblicata da Albert Einstein nel 1915/16. Unifica la relatività speciale, la legge di gravitazione universale di Newton e l’intuizione che la gravitazione può essere descritta dalla curvatura dello spazio e del tempo. Nella relatività generale, la curvatura dello spazio-tempo è prodotta dall’energia della materia e della radiazione.
Meccanica quantistica, fisica atomica e fisica molecolare
La meccanica quantistica è la branca della fisica che tratta i sistemi atomici e subatomici e la loro interazione basandosi sull’osservazione che tutte le forme di energia sono rilasciate in unità discrete o fasci chiamati “quanti”. In genere, la teoria quantistica permette solo il calcolo probabile o statistico delle caratteristiche osservate delle particelle subatomiche, intese in termini di funzioni d’onda. L’equazione di Schrödinger svolge nella meccanica quantistica il ruolo che le leggi di Newton e la conservazione dell’energia svolgono nella meccanica classica – cioè, predice il comportamento futuro di un sistema dinamico – ed è un’equazione d’onda che viene usata per risolvere le funzioni d’onda.
Per esempio, la luce, o radiazione elettromagnetica emessa o assorbita da un atomo ha solo certe frequenze (o lunghezze d’onda), come si può vedere dallo spettro di linee associato all’elemento chimico rappresentato da quell’atomo. La teoria dei quanti mostra che quelle frequenze corrispondono a energie definite dei quanti di luce, o fotoni, e derivano dal fatto che gli elettroni dell’atomo possono avere solo certi valori di energia permessi, o livelli; quando un elettrone passa da un livello permesso a un altro, viene emesso o assorbito un quantum di energia la cui frequenza è direttamente proporzionale alla differenza di energia tra i due livelli. L’effetto fotoelettrico confermò ulteriormente la quantizzazione della luce.
Nel 1924, Louis de Broglie propose che non solo le onde luminose a volte mostrano proprietà simili alle particelle, ma che anche le particelle possono mostrare proprietà simili alle onde. Due diverse formulazioni della meccanica quantistica furono presentate in seguito al suggerimento di de Broglie. La meccanica ondulatoria di Erwin Schrödinger (1926) comporta l’uso di un’entità matematica, la funzione d’onda, che è legata alla probabilità di trovare una particella in un dato punto dello spazio. La meccanica delle matrici di Werner Heisenberg (1925) non fa menzione di funzioni d’onda o concetti simili, ma ha dimostrato di essere matematicamente equivalente alla teoria di Schrödinger. Una scoperta particolarmente importante della teoria dei quanti è il principio di indeterminazione, enunciato da Heisenberg nel 1927, che pone un limite teorico assoluto sulla precisione di certe misurazioni; come risultato, l’assunzione degli scienziati precedenti che lo stato fisico di un sistema potesse essere misurato esattamente e usato per predire gli stati futuri dovette essere abbandonato. La meccanica quantistica fu combinata con la teoria della relatività nella formulazione di Paul Dirac. Altri sviluppi includono la statistica quantistica, l’elettrodinamica quantistica, che riguarda le interazioni tra particelle cariche e campi elettromagnetici, e la sua generalizzazione, la teoria quantistica dei campi.
Teoria delle stringhe
Un possibile candidato per la teoria del tutto, questa teoria combina la teoria della relatività generale e la meccanica quantistica per fare un’unica teoria. Questa teoria può prevedere le proprietà di oggetti piccoli e grandi. Questa teoria è attualmente in fase di sviluppo.
Ottica e acustica
L’ottica è lo studio dei moti della luce tra cui riflessione, rifrazione, diffrazione e interferenza.
L’acustica è la branca della fisica che riguarda lo studio delle onde meccaniche in diversi mezzi.
Fisica della materia condensata
Lo studio delle proprietà fisiche della materia in una fase condensata.
Fisica delle particelle ad alta energia e fisica nucleare
La fisica delle particelle studia la natura delle particelle, mentre la fisica nucleare studia i nuclei atomici.
Cosmologia
La cosmologia studia come è nato l’universo e il suo eventuale destino. È studiata da fisici e astrofisici.
Campi interdisciplinari
Ai campi interdisciplinari, che definiscono in parte scienze proprie, appartengono per es. l’
- agrofisica è un ramo della scienza che confina con l’agronomia e la fisica
- astrofisica, la fisica nell’universo, comprese le proprietà e le interazioni dei corpi celesti in astronomia.
- biofisica, studiando le interazioni fisiche dei processi biologici.
- fisica chimica, la scienza delle relazioni fisiche nella chimica.
- fisica computazionale, l’applicazione dei computer e dei metodi numerici ai sistemi fisici.
- ecofisica, che si occupa dei processi fisici e delle loro relazioni nella scienza dell’economia.
- fisica ambientale, la branca della fisica che si occupa della misurazione e dell’analisi delle interazioni tra gli organismi e il loro ambiente.
- fisica dell’ingegneria, la disciplina combinata di fisica e ingegneria.
- geofisica, le scienze delle relazioni fisiche sul nostro pianeta.
- fisica matematica, la matematica relativa ai problemi fisici.
- fisica medica, l’applicazione della fisica in medicina alla prevenzione, alla diagnosi e alla cura.
- chimica fisica, che si occupa dei processi fisici e delle loro relazioni nella scienza della chimica fisica.
- 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, accelerazione, invarianza galileiana, massa, quantità di moto, impulso, forza, energia, velocità angolare, momento angolare, momento d’inerzia, coppia, legge di conservazione, oscillatore armonico, onda, lavoro, potenza, lagrangiana, hamiltoniana, angoli di Tait-Bryan, angoli di Eulero, pneumatica, idraulica |
| Elettromagnetismo | Elettrostatica, elettrodinamica, elettricità, magnetismo, magnetostatica, equazioni di Maxwell, ottica | Capacitanza, carica elettrica, corrente, conduttività elettrica, campo elettrico, permittività elettrica, potenziale elettrico, resistenza elettrica, campo elettromagnetico, induzione elettromagnetica, radiazione elettromagnetica, superficie gaussiana, campo magnetico, flusso magnetico, monopolo magnetico, permeabilità magnetica |
| Termodinamica e meccanica statistica | Motore termico, teoria cinetica | costante di Boltzmann, variabili coniugate, entalpia, entropia, equazione di stato, teorema di equipartizione, energia libera termodinamica, calore, legge dei gas ideali, energia interna, leggi della termodinamica, relazioni di Maxwell, processo irreversibile, modello Ising, azione meccanica, funzione di partizione, pressione, processo reversibile, processo spontaneo, funzione di stato, insieme statistico, temperatura, equilibrio termodinamico, potenziale termodinamico, processi termodinamici, stato termodinamico, sistema termodinamico, viscosità, volume, lavoro, materiale granulare |
| Meccanica quantistica | Formulazione integrale del cammino, teoria dello scattering, equazione di Schrödinger, teoria quantistica dei campi, meccanica statistica quantistica | Approssimazione adiabatica, radiazione di corpo nero, principio di corrispondenza, particella libera, Hamiltoniana, spazio di Hilbert, particelle identiche, meccanica delle matrici, costante di Planck, effetto osservatore, operatori, quantizzazione, entanglement quantistico, oscillatore armonico quantistico, numero quantico, tunneling quantistico, gatto di Schrödinger, equazione di Dirac, spin, funzione d’onda, meccanica ondulatoria, dualità onda-particella, energia punto zero, principio di esclusione di Pauli, principio di indeterminazione di Heisenberg |
| Relatività | Relatività speciale, relatività generale, equazioni di campo di Einstein | Covarianza, collettore di Einstein, principio di equivalenza, quadrimomento, quadrivettore, principio generale di relatività, moto geodetico, gravità, gravitoelettromagnetismo, quadro inerziale di riferimento, invarianza, contrazione di lunghezza, collettore di Lorentz, trasformazione di Lorentz, equivalenza massa-energia, metrica, diagramma di Minkowski, spazio di Minkowski, principio di relatività, lunghezza propria, tempo proprio, quadro di riferimento, energia a riposo, massa a riposo, relatività della simultaneità, spaziotempo, principio speciale di relatività, velocità della luce, tensore stress-energia, dilatazione temporale, paradosso dei gemelli, linea del mondo |
- ^ Feynman, Richard Phillips; Leighton, Robert Benjamin; Sands, Matthew Linzee (1963). The Feynman Lectures on Physics. p. 1. ISBN 978-0-201-02116-5.. Feynman inizia con l’ipotesi atomica, come l’affermazione più compatta di tutta la conoscenza scientifica: “Se, in qualche cataclisma, tutta la conoscenza scientifica dovesse essere distrutta, e solo una frase venisse trasmessa alle generazioni successive …, quale affermazione conterrebbe la maggior parte delle informazioni nel minor numero di parole? Credo che sia … che tutte le cose sono fatte di atomi – piccole particelle che si muovono in un moto perpetuo, attraendosi l’un l’altra quando sono un po’ distanti, ma respingendosi quando vengono schiacciate l’una nell’altra. …” vol. I p. I-2
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