Gałęzie fizyki

Dziedziny głównych dziedzin fizyki

Fizyka jest dyscypliną naukową, która dąży do skonstruowania i eksperymentalnego przetestowania teorii dotyczących fizycznego wszechświata. Teorie te różnią się zakresem i mogą być zorganizowane w kilka odrębnych gałęzi, które zostały przedstawione w tym artykule.

Mechanika klasyczna

Mechanika klasyczna to model fizyki sił działających na ciała; zawiera poddziedziny opisujące zachowania ciał stałych, gazów i płynów. Jest często określana jako „mechanika newtonowska” od nazwiska Isaaca Newtona i jego praw ruchu. Obejmuje ona również podejście klasyczne, przedstawione w metodach Hamiltona i Lagrange’a. Zajmuje się ruchem cząstek i ogólnych układów cząstek.

Istnieje wiele gałęzi mechaniki klasycznej, takich jak: statyka, dynamika, kinematyka, mechanika continuum (która obejmuje mechanikę płynów), mechanika statystyczna, itp.

• Mechanika: Gałąź fizyki, w której badamy obiekt i właściwości obiektu w postaci ruchu pod działaniem siły.

Termodynamika i mechanika statystyczna

Pierwszy rozdział The Feynman Lectures on Physics mówi o istnieniu atomów, co Feynman uznał za najbardziej zwarte twierdzenie fizyki, z którego nauka mogłaby łatwo wyniknąć, nawet gdyby cała inna wiedza została utracona. Modelując materię jako zbiór twardych kul, można opisać kinetyczną teorię gazów, na której opiera się klasyczna termodynamika.

Termodynamika bada wpływ zmian temperatury, ciśnienia i objętości na układy fizyczne w skali makroskopowej oraz transfer energii w postaci ciepła. Historycznie, termodynamika rozwinęła się z chęci zwiększenia wydajności wczesnych silników parowych.

Punktem wyjścia dla większości rozważań termodynamicznych są prawa termodynamiki, które postulują, że energia może być wymieniana między systemami fizycznymi jako ciepło lub praca. Postulują one również istnienie wielkości zwanej entropią, która może być zdefiniowana dla dowolnego systemu. W termodynamice bada się i kategoryzuje interakcje pomiędzy dużymi zespołami obiektów. Kluczowe znaczenie mają tu pojęcia systemu i otoczenia. System składa się z cząstek, których średnie ruchy określają jego właściwości, które z kolei są powiązane ze sobą poprzez równania stanu. Właściwości mogą być łączone w celu wyrażenia energii wewnętrznej i potencjałów termodynamicznych, które są przydatne do określenia warunków równowagi i procesów spontanicznych.

Elektromagnetyzm i fotonika

∇ ⋅ D = ρ f ∇ ⋅ B = 0 ∇ × E = – ∂ B ∂ t ∇ × H = J f + ∂ D ∂ t {{displaystyle {{begin{aligned}}& \nabla \mathbf {D} = \rho _{f} \\& \nabla \mathbf {B} =0 \& \nabla \times \mathbf {E} =-.{frac {partial ™mathbf {B} {{partial t}}& \nabla \times \mathbf {H} = \mathbf {J} _{f}+{frac {{partial \mathbf {D} {{partial t}} end{aligned}}

Równania elektromagnetyzmu Maxwella

Badanie zachowań elektronów, ośrodków elektrycznych, magnesów, pól magnetycznych i ogólnych oddziaływań światła.

Mechanika relatywistyczna

Szczególna teoria względności cieszy się związkiem z elektromagnetyzmem i mechaniką; to znaczy, zasada względności i zasada stacjonarności działania w mechanice mogą być użyte do wyprowadzenia równań Maxwella i odwrotnie.

Teoria szczególnej względności została zaproponowana w 1905 roku przez Alberta Einsteina w artykule „O elektrodynamice poruszających się ciał”. Tytuł artykułu nawiązuje do faktu, że szczególna względność rozwiązuje niespójność pomiędzy równaniami Maxwella a mechaniką klasyczną. Teoria ta opiera się na dwóch postulatach: (1) że matematyczne formy praw fizyki są niezmienne we wszystkich układach inercjalnych; oraz (2) że prędkość światła w próżni jest stała i niezależna od źródła lub obserwatora. Pogodzenie tych dwóch postulatów wymaga zjednoczenia przestrzeni i czasu w zależne od ramki pojęcie czasoprzestrzeni.

Generalna teoria względności jest geometryczną teorią grawitacji opublikowaną przez Alberta Einsteina w latach 1915/16. Łączy ona szczególną względność, prawo powszechnego ciążenia Newtona oraz spostrzeżenie, że grawitacja może być opisana przez krzywiznę przestrzeni i czasu. W ogólnej teorii względności, zakrzywienie czasoprzestrzeni jest wytwarzane przez energię materii i promieniowania.

Mechanika kwantowa, fizyka atomowa i fizyka molekularna

Pierwszych kilka orbitali elektronowych atomu wodoru przedstawionych jako przekroje poprzeczne z zakodowaną koloremkodowaną gęstością prawdopodobieństwa

Mechanika kwantowa to dział fizyki zajmujący się układami atomowymi i subatomowymi oraz ich oddziaływaniem w oparciu o obserwację, że wszystkie formy energii są uwalniane w dyskretnych jednostkach lub wiązkach zwanych „kwantami”. Co znamienne, teoria kwantowa zazwyczaj pozwala jedynie na prawdopodobne lub statystyczne wyliczenie obserwowanych cech cząstek subatomowych, rozumianych w kategoriach funkcji falowych. Równanie Schrödingera odgrywa w mechanice kwantowej taką rolę, jaką prawa Newtona i zachowanie energii pełnią w mechanice klasycznej – tzn. przewiduje przyszłe zachowanie układu dynamicznego – i jest równaniem falowym, które służy do rozwiązywania funkcji falowych.

Na przykład światło, czyli promieniowanie elektromagnetyczne emitowane lub pochłaniane przez atom, ma tylko pewne częstotliwości (lub długości fal), co można zobaczyć w widmie linii związanych z pierwiastkiem chemicznym reprezentowanym przez ten atom. Teoria kwantowa pokazuje, że te częstotliwości odpowiadają określonym energiom kwantów światła, czyli fotonów, i wynikają z faktu, że elektrony atomu mogą mieć tylko pewne dozwolone wartości energii, czyli poziomy; kiedy elektron przechodzi z jednego dozwolonego poziomu na drugi, emitowany lub absorbowany jest kwant energii, którego częstotliwość jest wprost proporcjonalna do różnicy energii pomiędzy tymi dwoma poziomami. Efekt fotoelektryczny dodatkowo potwierdził kwantyzację światła.

W 1924 roku Louis de Broglie zaproponował, że nie tylko fale świetlne czasami wykazują właściwości podobne do cząstek, ale cząstki mogą również wykazywać właściwości podobne do fal. Po sugestii de Broglie’a przedstawiono dwa różne sformułowania mechaniki kwantowej. Mechanika falowa Erwina Schrödingera (1926) zakłada użycie matematycznej jednostki, funkcji falowej, która jest związana z prawdopodobieństwem znalezienia cząstki w danym punkcie przestrzeni. Mechanika macierzowa Wernera Heisenberga (1925) nie wspomina o funkcjach falowych ani podobnych pojęciach, ale okazała się matematycznie równoważna teorii Schrödingera. Szczególnie ważnym odkryciem teorii kwantowej jest zasada nieoznaczoności, ogłoszona przez Heisenberga w 1927 r., która nakłada absolutne teoretyczne ograniczenie na dokładność pewnych pomiarów; w rezultacie musiało zostać porzucone założenie wcześniejszych naukowców, że stan fizyczny układu można dokładnie zmierzyć i wykorzystać do przewidywania przyszłych stanów. Mechanika kwantowa została połączona z teorią względności w sformułowaniu Paula Diraca. Inne kierunki rozwoju obejmują statystykę kwantową, elektrodynamikę kwantową, dotyczącą oddziaływań między naładowanymi cząstkami i polami elektromagnetycznymi, oraz jej uogólnienie, kwantową teorię pola.

Teoria strun

Możliwy kandydat na teorię wszystkiego, teoria ta łączy teorię ogólnej względności i mechanikę kwantową, tworząc jedną teorię. Teoria ta może przewidywać właściwości zarówno małych, jak i dużych obiektów. Teoria ta jest obecnie w fazie rozwoju.

Optyka i akustyka

Optyka to badanie ruchów światła, w tym odbicia, załamania, dyfrakcji i interferencji.

Akustyka to dziedzina fizyki zajmująca się badaniem fal mechanicznych w różnych ośrodkach.

Fizyka materii skondensowanej

Badanie właściwości fizycznych materii w fazie skondensowanej.

Fizyka cząstek wysokoenergetycznych i fizyka jądrowa

Fizyka cząstek bada naturę cząstek, natomiast fizyka jądrowa bada jądra atomowe.

Kosmologia

Kosmologia bada, jak powstał wszechświat i jego ostateczny los. Badają ją fizycy i astrofizycy.

Dziedziny interdyscyplinarne

Do dziedzin interdyscyplinarnych, które definiują częściowo własne nauki, należą np.

• agrofizyka jest dziedziną nauki z pogranicza agronomii i fizyki
• astrofizyka, fizyka we wszechświecie, w tym właściwości i oddziaływania ciał niebieskich w astronomii.
• biofizyka, badanie oddziaływań fizycznych procesów biologicznych.
• fizyka chemiczna, nauka o relacjach fizycznych w chemii.
• fizyka obliczeniowa, zastosowanie komputerów i metod numerycznych do systemów fizycznych.
• ekonofizyka, zajmująca się procesami fizycznymi i ich relacjami w nauce o gospodarce.
• fizyka środowiska, dział fizyki zajmujący się pomiarem i analizą interakcji między organizmami i ich środowiskiem.
• fizyka inżynierska, połączona dyscyplina fizyki i inżynierii.
• geofizyka, nauki o stosunkach fizycznych na naszej planecie.
• fizyka matematyczna, matematyka odnosząca się do problemów fizycznych.
• fizyka medyczna, zastosowanie fizyki w medycynie do zapobiegania, diagnozowania i leczenia.
• chemia fizyczna, zajmująca się procesami fizycznymi i ich relacjami w nauce chemii fizycznej.
• 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.