Fysikens grenar
Fysik är en vetenskaplig disciplin som strävar efter att konstruera och experimentellt testa teorier om det fysiska universum. Dessa teorier varierar i sin omfattning och kan organiseras i flera olika grenar, som beskrivs i denna artikel.
Klassisk mekanik
Klassisk mekanik är en modell av fysiken för krafter som verkar på kroppar; omfattar delområden för att beskriva beteenden hos fasta ämnen, gaser och vätskor. Den kallas ofta ”Newtonsk mekanik” efter Isaac Newton och hans rörelselagar. Den omfattar också det klassiska tillvägagångssättet enligt Hamiltons och Lagranges metoder. Den behandlar partiklars rörelse och allmänna system av partiklar.
Det finns många grenar av den klassiska mekaniken, t.ex. statik, dynamik, kinematik, kontinuumsmekanik (som omfattar flödesmekanik), statistisk mekanik osv.
- Mekanik: En gren av fysiken där vi studerar om objektet och egenskaperna hos ett objekt i form av en rörelse under inverkan av kraften.
Termodynamik och statistisk mekanik
Det första kapitlet i The Feynman Lectures on Physics handlar om atomernas existens, vilket Feynman ansåg vara den mest kompakta redogörelsen för fysiken, från vilken vetenskapen lätt skulle kunna resultera även om all annan kunskap gick förlorad. Genom att modellera materia som samlingar av hårda sfärer är det möjligt att beskriva den kinetiska teorin för gaser, som den klassiska termodynamiken bygger på.
Thermodynamiken studerar effekterna av förändringar i temperatur, tryck och volym på fysikaliska system på den makroskopiska skalan, och överföringen av energi som värme. Historiskt sett utvecklades termodynamiken ur en önskan att öka effektiviteten hos tidiga ångmaskiner.
Utgångspunkten för de flesta termodynamiska överväganden är termodynamikens lagar, som postulerar att energi kan utbytas mellan fysiska system som värme eller arbete. De postulerar också att det finns en kvantitet som kallas entropi och som kan definieras för varje system. Inom termodynamiken studeras och kategoriseras interaktioner mellan stora grupper av objekt. Centralt för detta är begreppen system och omgivning. Ett system består av partiklar vars genomsnittliga rörelser definierar dess egenskaper, som i sin tur relateras till varandra genom tillståndsekvationer. Egenskaperna kan kombineras för att uttrycka intern energi och termodynamiska potentialer, som är användbara för att bestämma villkoren för jämvikt och spontana processer.
Elektromagnetism och fotonik
∇ ⋅ 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} }{\\partial t}}\\\&\nabla \times \mathbf {H} =\mathbf {J} _{f}+{\frac {\partial \mathbf {D} }{\partial t}}\end{aligned}}}}
Maxwells ekvationer för elektromagnetism
Studiet av beteenden hos elektroner, elektriska medier, magneter, magnetfält och ljusets allmänna växelverkan.
Relativistisk mekanik
Den speciella relativitetsteorin föreslogs 1905 av Albert Einstein i hans artikel ”On the Electrodynamics of Moving Bodies”. Titeln på artikeln syftar på att den speciella relativitetsteorin löser en inkonsekvens mellan Maxwells ekvationer och den klassiska mekaniken. Teorin bygger på två postulat: (1) att de matematiska formerna för fysikens lagar är invarianta i alla tröghetssystem, och (2) att ljusets hastighet i ett vakuum är konstant och oberoende av källa eller observatör. För att förena de två postulaten krävs en förening av rum och tid i det ramberoende begreppet rumtid.
General relativitetsteori är den geometriska gravitationsteori som publicerades av Albert Einstein 1915/16. Den förenar den speciella relativitetsteorin, Newtons lag om universell gravitation och insikten att gravitation kan beskrivas av krökningen av rum och tid. I den allmänna relativitetsteorin produceras rumtidens krökning av materiens och strålningens energi.
Kvantmekanik, atomfysik och molekylfysik
Kvantmekanik är den gren av fysiken som behandlar atomära och subatomära system och deras växelverkan utifrån observationen att alla former av energi frigörs i diskreta enheter eller buntar som kallas ”kvanta”. Anmärkningsvärt nog tillåter kvantteori vanligtvis endast sannolika eller statistiska beräkningar av de observerade egenskaperna hos subatomära partiklar, som förstås i termer av vågfunktioner. Schrödingerekvationen spelar inom kvantmekaniken samma roll som Newtons lagar och energihushållning inom den klassiska mekaniken – dvs. den förutsäger det framtida beteendet hos ett dynamiskt system – och är en vågekvation som används för att lösa vågfunktioner.
Till exempel har ljuset, eller den elektromagnetiska strålning som sänds ut eller absorberas av en atom, endast vissa frekvenser (eller våglängder), vilket framgår av linjespektrumet som är förknippat med det kemiska grundämne som representeras av den atomen. Kvantteorin visar att dessa frekvenser motsvarar bestämda energier hos ljuskvanta, eller fotoner, och beror på det faktum att atomens elektroner endast kan ha vissa tillåtna energivärden, eller nivåer; när en elektron övergår från en tillåten nivå till en annan sänds eller absorberas ett energikvant vars frekvens är direkt proportionell mot energidifferensen mellan de två nivåerna. Den fotoelektriska effekten bekräftade ytterligare ljusets kvantifiering.
1924 föreslog Louis de Broglie att inte bara ljusvågor ibland uppvisar partikelliknande egenskaper, utan att partiklar också kan uppvisa vågliknande egenskaper. Två olika formuleringar av kvantmekaniken presenterades efter de Broglies förslag. Erwin Schrödingers vågmekanik (1926) innebär att man använder en matematisk enhet, vågfunktionen, som är relaterad till sannolikheten att hitta en partikel i en viss punkt i rummet. Werner Heisenbergs matrismekanik (1925) nämner inte vågfunktioner eller liknande begrepp, men visade sig vara matematiskt likvärdig med Schrödingers teori. En särskilt viktig upptäckt i kvantteorin är den osäkerhetsprincip som Heisenberg formulerade 1927 och som sätter en absolut teoretisk gräns för noggrannheten i vissa mätningar. Som en följd av detta var man tvungen att överge tidigare forskares antagande att det fysiska tillståndet i ett system kunde mätas exakt och användas för att förutsäga framtida tillstånd. Kvantmekaniken kombinerades med relativitetsteorin i Paul Diracs formulering. Andra utvecklingar inkluderar kvantstatistik, kvantelektrodynamik, som handlar om interaktioner mellan laddade partiklar och elektromagnetiska fält, och dess generalisering, kvantfältsteori.
Strängteori
En möjlig kandidat till teorin om allting, denna teori kombinerar den allmänna relativitetsteorin och kvantmekaniken till en enda teori. Denna teori kan förutsäga om egenskaper hos både små och stora objekt. Denna teori är för närvarande under utveckling.
Optik och akustik
Optik är studiet av ljusets rörelser inklusive reflektion, brytning, diffraktion och interferens.
Akustik är den gren av fysiken som omfattar studiet av mekaniska vågor i olika medier.
Fysik av kondenserad materia
Studiet av de fysikaliska egenskaperna hos materia i en kondenserad fas.
Högenergipartikelfysik och kärnfysik
Partikelfysik studerar partiklarnas natur, medan kärnfysik studerar atomkärnorna.
Kosmologi
Kosmologin studerar hur universum uppstod och dess eventuella öde. Den studeras av fysiker och astrofysiker.
Tvärvetenskapliga områden
Till de tvärvetenskapliga områdena, som delvis definierar egna vetenskaper, hör t.ex.
- agrofysik, en vetenskapsgren som gränsar till agronomi och fysik
- astrofysik, fysiken i universum, inklusive himlakropparnas egenskaper och växelverkan inom astronomin.
- biofysik, som studerar de fysikaliska växelverkningarna i biologiska processer.
- kemisk fysik, vetenskapen om fysikaliska samband inom kemin.
- beräkningsfysik, tillämpning av datorer och numeriska metoder på fysikaliska system.
- ekonofysik, som behandlar fysikaliska processer och deras samband inom vetenskapen om ekonomi.
- miljöfysik, den gren av fysiken som ägnar sig åt att mäta och analysera växelverkan mellan organismer och deras omgivning.
- teknisk fysik, den kombinerade disciplinen av fysik och teknik.
- geofysik, vetenskapen om fysiska förhållanden på vår planet.
- matematisk fysik, matematik som rör fysikaliska problem.
- medicinsk fysik, fysikens tillämpning inom medicinen för att förebygga, diagnostisera och behandla.
- fysikalisk kemi, som handlar om fysikaliska processer och deras samband inom vetenskapen fysisk kemi.
- 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, acceleration, Galileisk invarians, massa, momentum, impuls, kraft, energi, vinkelhastighet, vinkelmoment, tröghetsmoment, moment, vridmoment, bevarandelag, harmonisk oscillator, våg, arbete, kraft, Lagrangian, Hamiltonian, Tait-Bryan-vinkeln, Euler-vinkeln, pneumatisk, hydraulisk | |
| Elektromagnetism | Elektrostatik, elektrodynamik, elektricitet, magnetism, magnetostatik, Maxwells ekvationer, Optik | Kapacitans, elektrisk laddning, ström, elektrisk konduktivitet, elektriskt fält, elektrisk permittivitet, elektrisk potential, elektriskt motstånd, elektromagnetiskt fält, elektromagnetisk induktion, elektromagnetisk strålning, Gaussisk yta, magnetfält, magnetiskt flöde, magnetisk monopol, magnetisk permeabilitet | |
| Termodynamik och statistisk mekanik | Värmekraft, kinetisk teori | Boltzmanns konstant, konjugerade variabler, entalpi, entropi, tillståndsekvation, equipartitionssats, termodynamisk fri energi, värme, lagen om ideala gaser, inre energi, termodynamikens lagar, Maxwellrelationer, irreversibel process, Ising-modellen, mekanisk verkan, fördelningsfunktion, tryck, reversibel process, spontan process, tillståndsfunktion, statistisk ensemble, temperatur, termodynamisk jämvikt, termodynamisk potential, termodynamiska processer, termodynamiskt tillstånd, termodynamiskt system, viskositet, volym, arbete, granulärt material | |
| Kvantmekanik | Formulering av vägintegralformulering, spridningsteori, Schrödingers ekvation, kvantfältsteori, statistisk kvantmekanik | Adiabatisk approximation, strålning från svarta kroppar, korrespondensprincipen, fri partikel, Hamiltonian, Hilbert-rummet, identiska partiklar, matrismekanik, Plancks konstant, observatörseffekt, operatörer, kvanta, kvantisering, kvantförveckling, kvantharmonisk oscillator, kvanttal, kvanttunnling, Schrödingers katt, Dirac-ekvationen, spinn, vågfunktion, vågrörelser, vågrörelsemekanik, våg-partikeldualitet, nollpunktsenergi, Pauli-uteslutningsprincipen, Heisenbergs osäkerhetsprincip | |
| Relativitet | Särskild relativitetsteori, allmän relativitetsteori, Einsteins fälttekvationer | Kovarians, Einsteins manifest, ekvivalensprincipen, fyrmoment, fyrvektor, relativitetsprincip, geodetisk rörelse, gravitation, gravitoelektromagnetism, tröghetsreferensram, invarians, längdkontraktion, lorentzisk manifest, Lorentztransformation, massa-energi-ekvivalens, metrik, Minkowski-diagram, Minkowski-rum, relativitetsprincip, egenlängd, egentid, referensram, viloenergi, vilomassa, simultanitetens relativitet, rumtid, speciell relativitetsprincip, ljusets hastighet, spänningsenergitensor, tidsutvidgning, tvillingparadoxen, världslinje |
- ^ Feynman, Richard Phillips; Leighton, Robert Benjamin; Sands, Matthew Linzee (1963). The Feynman Lectures on Physics. p. 1. ISBN 978-0-201-02116-5… Feynman börjar med atomhypotesen, som hans mest kompakta redogörelse för all vetenskaplig kunskap: ”Om all vetenskaplig kunskap skulle förstöras i en katastrof och endast en mening skulle föras vidare till kommande generationer …, vilket uttalande skulle då innehålla mest information med få ord? Jag tror att det är … att allting består av atomer – små partiklar som rör sig i ständig rörelse, som drar till sig varandra när de befinner sig en bit ifrån varandra, men som stöter bort varandra när de pressas in i varandra. …” vol. I s. I-2
- ^ Perot, Pierre (1998). A till Z i termodynamik. 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”. Om värmens drivkraft och om de lagar som kan härledas ur den för värmeteorin. Dover Reprint. ISBN 978-0-486-59065-3.
- ^ Van Ness, H.C. (1969). Att förstå termodynamik. Dover Publications, Inc. ISBN 978-0-486-63277-3.
- ^ Dugdale, J. S. (1998). Entropi och dess fysiska betydelse. Taylor and Francis. ISBN 978-0-7484-0569-5.
- ^ Landau och Lifshitz (1951, 1962), The Classical Theory of Fields, Library of Congress Card Number 62-9181, kapitel 1-4 (3:e upplagan är ISBN 0-08-016019-0)
- ^ Corson och Lorrain, Electromagnetic Fields and Waves ISBN 0-7167-1823-5
- ^ Einstein, Albert (25 november 1915). ”Die Feldgleichungen der Gravitation”. Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften zu Berlin: 844-847. Hämtad 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. Arkiverad från originalet (PDF) 2006-08-29. Hämtad 2006-09-03.