Ramuri ale fizicii
Fizica este o disciplină științifică care caută să construiască și să testeze experimental teorii ale universului fizic. Aceste teorii variază în domeniul lor de aplicare și pot fi organizate în mai multe ramuri distincte, care sunt prezentate în acest articol.
Mecanica clasică
Mecanica clasică este un model al fizicii forțelor care acționează asupra corpurilor; include subdomenii pentru a descrie comportamentele solidelor, gazelor și fluidelor. Este adesea denumită „mecanica newtoniană”, după Isaac Newton și legile sale de mișcare. Ea include, de asemenea, abordarea clasică, așa cum este dată de metodele Hamiltoniană și Lagrange. Se ocupă de mișcarea particulelor și a sistemului general de particule.
Există multe ramuri ale mecanicii clasice, cum ar fi: statica, dinamica, cinematica, mecanica continuumului (care include mecanica fluidelor), mecanica statistică, etc.
- Mecanică: O ramură a fizicii în care se studiază despre obiectul și proprietățile unui obiect sub forma unei mișcări sub acțiunea forței.
Termodinamica și mecanica statistică
Primul capitol din Prelegerile lui Feynman despre fizică este despre existența atomilor, pe care Feynman o considera cea mai compactă afirmație a fizicii, din care știința ar putea rezulta cu ușurință chiar dacă s-ar pierde toate celelalte cunoștințe. Prin modelarea materiei ca fiind colecții de sfere dure, este posibilă descrierea teoriei cinetice a gazelor, pe care se bazează termodinamica clasică.
Termodinamica studiază efectele schimbărilor de temperatură, presiune și volum asupra sistemelor fizice la scară macroscopică, precum și transferul de energie sub formă de căldură. Din punct de vedere istoric, termodinamica s-a dezvoltat din dorința de a crește eficiența primelor motoare cu aburi.
Punctul de plecare pentru majoritatea considerațiilor termodinamice îl reprezintă legile termodinamicii, care postulează că energia poate fi schimbată între sistemele fizice sub formă de căldură sau de lucru. De asemenea, ele postulează existența unei mărimi numite entropie, care poate fi definită pentru orice sistem. În termodinamică, se studiază și se clasifică interacțiunile dintre ansambluri mari de obiecte. În acest sens sunt esențiale conceptele de sistem și mediu. Un sistem este compus din particule, ale căror mișcări medii îi definesc proprietățile, care, la rândul lor, sunt legate între ele prin ecuații de stare. Proprietățile pot fi combinate pentru a exprima energia internă și potențialele termodinamice, care sunt utile pentru determinarea condițiilor de echilibru și a proceselor spontane.
Electromagnetism și fotonică
∇ ⋅ 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 \cdot \times \mathbf {E} =-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}\\}&\nabla \times \mathbf {H} =\mathbf {J} _{f}+{\frac {\partial \mathbf {D} }{\partial t}}\end{aligned}}}}
Ecuațiile de electromagnetism ale lui Maxwell
Studiul comportamentelor electronilor, mediilor electrice, magneților, câmpurilor magnetice și interacțiunilor generale ale luminii.
Mecanica relativistă
Teoria specială a relativității se bucură de o relație cu electromagnetismul și mecanica; adică, principiul relativității și principiul acțiunii staționare din mecanică pot fi folosite pentru a deriva ecuațiile lui Maxwell și invers.
Teoria relativității speciale a fost propusă în 1905 de Albert Einstein în articolul său „On the Electrodynamics of Moving Bodies”. Titlul articolului se referă la faptul că relativitatea specială rezolvă o neconcordanță între ecuațiile lui Maxwell și mecanica clasică. Teoria se bazează pe două postulate: (1) că formele matematice ale legilor fizicii sunt invariante în toate sistemele inerțiale; și (2) că viteza luminii în vid este constantă și independentă de sursă sau observator. Reconcilierea celor două postulate necesită o unificare a spațiului și a timpului în conceptul de spațiu-timp dependent de cadru.
Relativitatea generală este teoria geometrică a gravitației publicată de Albert Einstein în 1915/16. Ea unifică relativitatea specială, legea gravitației universale a lui Newton și ideea că gravitația poate fi descrisă prin curbura spațiului și a timpului. În relativitatea generală, curbura spațiu-timpului este produsă de energia materiei și a radiației.
Mecanica cuantică, fizica atomică și fizica moleculară
Mecanica cuantică este ramura fizicii care tratează sistemele atomice și subatomice și interacțiunea acestora pe baza observației că toate formele de energie sunt eliberate în unități sau pachete discrete numite „cuante”. În mod remarcabil, teoria cuantică permite de obicei doar un calcul probabil sau statistic al caracteristicilor observate ale particulelor subatomice, înțelese în termeni de funcții de undă. Ecuația Schrödinger joacă în mecanica cuantică rolul pe care legile lui Newton și conservarea energiei îl joacă în mecanica clasică – adică prezice comportamentul viitor al unui sistem dinamic – și este o ecuație de undă care este utilizată pentru a rezolva funcțiile de undă.
De exemplu, lumina, sau radiația electromagnetică emisă sau absorbită de un atom are doar anumite frecvențe (sau lungimi de undă), așa cum se poate observa din spectrul de linii asociat elementului chimic reprezentat de acel atom. Teoria cuantică arată că aceste frecvențe corespund unor energii definite ale cuantelor de lumină, sau ale fotonilor, și rezultă din faptul că electronii atomului pot avea doar anumite valori energetice permise, sau niveluri; atunci când un electron trece de la un nivel permis la altul, se emite sau se absoarbe un cuantum de energie a cărui frecvență este direct proporțională cu diferența de energie dintre cele două niveluri. Efectul fotoelectric a confirmat și mai mult cuantificarea luminii.
În 1924, Louis de Broglie a propus că nu numai undele luminoase prezintă uneori proprietăți asemănătoare cu cele ale particulelor, dar și particulele pot prezenta proprietăți asemănătoare cu cele ale undelor. Două formulări diferite ale mecanicii cuantice au fost prezentate în urma sugestiei lui de Broglie. Mecanica ondulatorie a lui Erwin Schrödinger (1926) implică utilizarea unei entități matematice, funcția de undă, care este legată de probabilitatea de a găsi o particulă într-un anumit punct din spațiu. Mecanica matricială a lui Werner Heisenberg (1925) nu menționează funcțiile de undă sau concepte similare, dar s-a dovedit a fi echivalentă din punct de vedere matematic cu teoria lui Schrödinger. O descoperire deosebit de importantă a teoriei cuantice este principiul incertitudinii, enunțat de Heisenberg în 1927, care plasează o limită teoretică absolută asupra acurateței anumitor măsurători; ca urmare, a trebuit să se renunțe la ipoteza oamenilor de știință anteriori conform căreia starea fizică a unui sistem putea fi măsurată cu exactitate și utilizată pentru a prezice stările viitoare. Mecanica cuantică a fost combinată cu teoria relativității în formularea lui Paul Dirac. Alte dezvoltări includ statistica cuantică, electrodinamica cuantică, preocupată de interacțiunile dintre particulele încărcate și câmpurile electromagnetice; și generalizarea acesteia, teoria cuantică a câmpurilor.
Teoria corzilor
Candidat posibil pentru teoria întregului, această teorie combină teoria relativității generale și mecanica cuantică pentru a face o singură teorie. Această teorie poate prezice despre proprietățile atât ale obiectelor mici, cât și ale celor mari. În prezent, această teorie se află în stadiul de dezvoltare.
Optica și acustica
Optica este studiul mișcărilor luminii, inclusiv reflecția, refracția, difracția și interferența.
Acustica este ramura fizicii care implică studiul undelor mecanice în diferite medii.
Fizica materiei condensate
Studiul proprietăților fizice ale materiei într-o fază condensată.
Fizica particulelor de înaltă energie și fizica nucleară
Fizica particulelor studiază natura particulelor, în timp ce fizica nucleară studiază nucleele atomice.
Cosmologie
Cosmologia studiază modul în care universul a luat naștere și eventuala sa soartă. Este studiată de fizicieni și astrofizicieni.
Domenii interdisciplinare
Dintre domeniile interdisciplinare, care definesc parțial științe proprii, fac parte, de ex.
- agrofizica este o ramură a științei care se învecinează cu agronomia și fizica
- astrofizica, fizica în univers, inclusiv proprietățile și interacțiunile corpurilor cerești în astronomie.
- biofizica, care studiază interacțiunile fizice ale proceselor biologice.
- fizica chimică, știința relațiilor fizice în chimie.
- fizica computațională, aplicarea calculatoarelor și a metodelor numerice la sistemele fizice.
- econofizica, care se ocupă de procesele fizice și de relațiile dintre acestea în știința economiei.
- fizica mediului, ramura fizicii care se ocupă de măsurarea și analiza interacțiunilor dintre organisme și mediul lor.
- fizica ingineriei, disciplina combinată a fizicii și a ingineriei.
- geofizică, științele relațiilor fizice de pe planeta noastră.
- fizică matematică, matematică referitoare la probleme fizice.
- fizică medicală, aplicarea fizicii în medicină pentru prevenire, diagnosticare și tratament.
- chimie fizică, care se ocupă de procesele fizice și de relațiile dintre ele în știința chimiei fizice.
- 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, accelerație, invarianță galileană, masă, moment, impuls, forță, energie, viteză unghiulară, moment unghiular, moment de inerție, cuplu, lege de conservare, oscilator armonic, undă, lucru, putere, lagrangian, hamiltonian, unghiuri Tait-Bryan, unghiuri Euler, pneumatic, hidraulic |
| Electromagnetism | Electrostatică, electrodinamică, electricitate, magnetism, magnetostatică, ecuațiile lui Maxwell, optică | Capacitatea, sarcina electrică, curentul, conductivitatea electrică, câmpul electric, permitivitatea electrică, potențialul electric, rezistența electrică, câmpul electromagnetic, inducția electromagnetică, radiația electromagnetică, suprafața gaussiană, câmpul magnetic, fluxul magnetic, monopolul magnetic, permeabilitatea magnetică |
| Termodinamica și mecanica statistică | Motorul termic, teoria cinetică | Constanta lui Boltzmann, variabile conjugate, entalpie, entropie, ecuație de stare, teorema equipartiției, energie liberă termodinamică, căldură, legea gazului ideal, energie internă, legile termodinamicii, relații Maxwell, proces ireversibil, model Ising, acțiune mecanică, funcție de partiție, presiune, proces reversibil, proces spontan, funcție de stare, ansamblu statistic, temperatură, echilibru termodinamic, potențial termodinamic, procese termodinamice, stare termodinamică, sistem termodinamic, vâscozitate, volum, lucru, material granular |
| Mecanică cuantică | Formularea integrală a traiectoriei, teoria împrăștierii, ecuația lui Schrödinger, teoria cuantică a câmpului, mecanica statistică cuantică | Aproximarea adiabatică, radiația corpului negru, principiul corespondenței, particulă liberă, hamiltonian, spațiul Hilbert, particule identice, mecanica matricială, constanta lui Planck, efect de observator, operatori, cuante, cuantificare, încurcătură cuantică, oscilator armonic cuantic, număr cuantic, tunelare cuantică, pisica lui Schrödinger, ecuația lui Dirac, spin, funcție de undă, mecanica undelor, dualitatea undă-particulă, energia punctului zero, principiul de excludere Pauli, principiul incertitudinii lui Heisenberg |
| Relativitate | Relativitatea specială, relativitatea generală, ecuațiile de câmp ale lui Einstein | Covarianță, mulțimea lui Einstein, principiul echivalenței, momentul patru, vectorul patru, principiul general al relativității, mișcarea geodezică, gravitația, gravitoelectromagnetismul, cadrul inerțial de referință, invarianța, contracția lungimii, mulțimea lorentziană, transformarea Lorentz, echivalența masă-energie, metrică, diagrama Minkowski, spațiu Minkowski, principiul relativității, lungime proprie, timp propriu, cadru de referință, energie de repaus, masă de repaus, relativitatea simultaneității, spațiu-timp, principiul special al relativității, viteza luminii, tensorul tensiune-energie, dilatarea timpului, paradoxul gemenilor, linia lumii |
- ^ Feynman, Richard Phillips; Leighton, Robert Benjamin; Sands, Matthew Linzee (1963). The Feynman Lectures on Physics. p. 1. ISBN 978-0-201-02116-5.. Feynman începe cu ipoteza atomică, ca cea mai compactă expunere a tuturor cunoștințelor științifice: „Dacă, într-un cataclism, toate cunoștințele științifice ar fi distruse și doar o singură frază ar fi transmisă generațiilor următoare…, ce afirmație ar conține cele mai multe informații în cele mai puține cuvinte? Cred că este … că toate lucrurile sunt alcătuite din atomi – mici particule care se deplasează într-o mișcare perpetuă, atrăgându-se reciproc atunci când se află la o distanță mică una de cealaltă, dar respingându-se atunci când sunt strânse una în alta. …” vol. I p. I-2
- ^ Perot, Pierre (1998). De la A la Z de termodinamică. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-856552-9.
- ^ Clark, John O.E. (2004). Dicționarul esențial al științei. Barnes & Noble Books. ISBN 978-0-7607-4616-5.
- ^ Clausiusus, Rudolf (1850). „LXXIX”. On the Motive Power of Heat, and on the Laws which can be deduced from it for the Theory of Heat. Dover Reprint. ISBN 978-0-486-5906565-3.
- ^ Van Ness, H.C. (1969). Înțelegerea termodinamicii. Dover Publications, Inc. ISBN 978-0-486-63277-3.
- ^ Dugdale, J. S. (1998). Entropia și semnificația sa fizică. Taylor și Francis. ISBN 978-0-7484-0569-5.
- ^ Landau și Lifshitz (1951, 1962), The Classical Theory of Fields, Library of Congress Card Number 62-9181, Capitolele 1-4 (ediția a 3-a este ISBN 0-08-016019-0)
- ^ Corson și Lorrain, Electromagnetic Fields and Waves ISBN 0-7167-1823-5
- ^ Einstein, Albert (25 noiembrie 1915). „Die Feldgleichungen der Gravitation”. Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften zu Berlin: 844-847. Retrieved 2006-09-12.
- ^ Einstein, Albert (1916). „The Foundation of the General Theory of Relativity”. Annalen der Physik. 354 (7): 769-822. Bibcode:1916AnP…354..769E. doi:10.1002/andp.19163540702. Arhivat din original (PDF) la 2006-08-29. Retrieved 2006-09-03.
.