Fizyka

Fizyka (z physis - "przyroda") – nauka o przyrodzie w najszerszym znaczeniu tego słowa. Fizycy badają właściwości i przemiany materii i energii oraz oddziaływanie między nimi. Do opisu zjawisk fizycznych używają wielkości fizycznych, wyrażonych za pomocą pojęć matematycznych, takich jak liczba, wektor, tensor. FIZlogo.png Tworząc hipotezy i teorie fizyki, budują relacje pomiędzy wielkościami fizycznymi.

Fizyka jest ściśle związana z innymi naukami przyrodniczymi, szczególnie z chemią jako nauką o cząsteczkach i związkach chemicznych, które masowo występują w naszym otoczeniu. Chemicy przyjmują teorie fizyki dotyczące cząsteczek i związków chemicznych (mechanika kwantowa, termodynamika) i za ich pomocą tworzą teorie w ich własnych dziedzinach badań. Fizyka zajmuje szczególne miejsce w naukach przyrodniczych, ponieważ wyjaśnia podstawowe zależności obowiązujące w przyrodzie.

Przegląd fizyki

Fizyka eksperymentalna a teoretyczna

Kultura badań fizycznych róźni się od innych nauk tym, że istnieje w niej fundamentalny i powszechnie uznawany podział na teorię i doświadczenie. Od początku XX wieku większość fizyków pozostaje specjalistami albo w fizyce teoretycznej, albo w fizyce doświadczalnej. Zaskakująco mało fizyków odnosi sukcesy w obu rodzajach badań. Dla porównania, większość wybitnych teoretyków chemii i biologii z powodzeniem pracuje też eksperymentalnie.

Mówiąc ogólnie, praca fizyków-teoretyków polega na rozwijaniu teorii, za pomocą których można opisać i interpretować wyniki doświadczeń oraz możliwie dokładnie przewidzieć wyniki przyszłych doświadczeń. Z drugiej strony, fizycy doświadczalni wykonują eksperymenty, żeby zbadać nowe zjawiska i sprawdzić przewidywania teoretyczne. Ważną częścią pracy fizyka doświadczalnego jest też często budowanie własnej aparatury, szczególnie w pionierskich lub wysoce ezoterycznych gałęziach fizyki, gdzie potrzebny sprzęt jest niedostęny komercyjnie. Mimo że teoretyczne i doświadczalne części fizyki są rozwijane w dużym odosobnieniu, są ze sobą ściśle powiązane i od siebie zależne. Postęp w fizyce teoretycznej często zaczyna się od doświadczeń, których nie potrafi uwzględnić - i na odwrót, nowatorskie przewidywania teoretyczne często przynoszą nowe pomysły doświadczalne. Gdy dla danego zagadnienia brakuje jednej z części, drugie z łatwością błądzi. Taki jest jeden z argumentów krytycznych przeciw M-teorii, popularnej teorii w fizyce wysokich energii, dla której nie wymyślono jeszcze żadnego testu eksperymentalnego.

Centralnym elementem eksperymentu jest pomiar dobrze określonej wielkości fizycznej, a warunkiem niezbędnym uzyskania z niego wartościowych informacji prawidłowy dobór przyrządów pomiarowych oraz metod analizy otrzymanych danych. Obróbka danych często opiera się na statystyce, regułach prawdopodobieńśtwa oraz odpowiednich metodach numerycznych.

Podobnie fizyka teoretyczna ma własny zestaw metod naukowych, które pozwalają stworzyć adekwatne modele i paradygmaty. Opracowane teorie zazwyczaj korzystają z różnych metod matematyki, analitycznych i syntetycznych. Kluczową rolę w rozważaniach teoretycznych odgrywają hipotezy i proces dedukcji.

Główne teorie

Istnieją pewne teorie uznane przez wszystkich fizyków. Każdą z tych teorii uważa się za fundamentalnie prawdziwą, z pewnym marginesem na poprawki. Na przykład, mechanika klasyczna precyzyjnie opisuje ruch ciał pod warunkiem, że są one dużo większe od atomów i poruszają się z prędkościami dużo mniejszymi niż prędkość światła. Takie teorie, do których wprowadzono poprawki, są nadal obszarami badań - zaskakujący aspekt mechaniki klasycznej znany jako chaos przebadano w XX wieku, trzysta lat po jego sformułowaniu przez Newtona. Nie ma dowodów eksperymentalnych przemawiających przeciw tym teoriom, są one więc podwalinami dla bardziej wyspecjalizowanych dziedzin.

Teoria	Działy	Pojęcia
Mechanika klasyczna	Zasady dynamiki Newtona, Teoria chaosu, Mechanika płynów	Wymiar, Przestrzeń, Czas, Ruch, Prędkość, Masa, Pęd, Siła, Energia, Moment pędu, Moment siły, Prawa zachowania, Oscylator harmoniczny, Fala, Praca, Moc, Tarcie
Elektrodynamika klasyczna	Elektrostatyka, Elektryczność, Magnetyzm, Równania Maxwella	Ładunek elektryczny, Prąd, Pole fizyczne, Pole elektrostatyczne, Pole magnetyczne, Pole elektromagnetyczne, Promieniowanie elektromagnetyczne
Termodynamika i Mechanika statystyczna	Kinetyczno-molekularna teoria gazów	Stała Boltzmanna, Entropia, Energia swobodna, Ciepło, Temperatura, Gaz doskonały, Perpetuum mobile
Mechanika kwantowa	Równanie Schrödingera, Kwantowa teoria pola, Elektrodynamika kwantowa, Chromodynamika kwantowa	Stała Plancka, Hamiltonian, Funkcja falowa
Teoria względności	Szczególna teoria względności, Ogólna teoria względności	Układ odniesienia, Prędkość światła, Czasoprzestrzeń, Czterowektor, Transformacja Lorentza

Działy szczegółowe fizyki

Współczesne badania fizyczne można podzielić na kilka wyraźnych działów, które zajmują się różnymi aspektami świata materialnego. Fizyka fazy skondensowanej, bodaj największa dziedzina fizyki, dotyczy własności materii i jej związków z własnościami i oddziaływaniami atomów, z których się składa. Fizyka atomów, cząsteczek i zjawisk optycznych opisuje pojedyncze atomy i cząsteczki oraz ich oddziaływania ze światłem. Fizyka cząstek elementarnych (znana też jako fizyka wysokich energii) z kolei bada cząstki submikroskopowe mniejsze od atomów i poszukuje elementarnych cząstek budujących wszystkie inne jednostki materii. Astrofizyka wykorzystuje prawa fizyki, żeby tłumaczyć zjawiska astronomiczne, na przykład zjawiska związane ze Słońcem, Układem Słonecznym oraz Wszechświatem jako całością.

Działy	Poddziały	Główne teorie	Pojęcia
Astrofizyka	Kosmologia, Nauki planetarne, Fizyka plazmy	Ogólna teoria względności, Wielki wybuch, Inflacja kosmologiczna	Fale grawitacyjne, Gwiazda, Układ Słoneczny, Planeta, Galaktyka, Czarna dziura, Mikrofalowe promieniowanie tła
Fizyka atomów, cząsteczek, i zjawisk optycznych	Fizyka atomowa, Optyka, Fotonika	Optyka kwantowa	Atom, Dyfrakcja, Promieniowanie, Laser, Polaryzacja, Linie spektralne
Fizyka cząstek elementarnych	Fizyka jądrowa	Model Standardowy, Teoria wielkiej unifikacji, M-teoria, Teoria strun	Oddziaływania podstawowe (grawitacyjne, elektromagnetyczne, słabe, silne), Cząstka elementarna, Antymateria, Teoria wszystkiego
Fizyka fazy skondensowanej	Fizyka ciała stałego, Fizyka polimerów, Fizyka niskich temperatur	Gaz Fermiego, Teoria BCS	Stan skupienia materii (faza gazowa, faza ciekła, ciało stałe, kondensat Bosego-Einsteina, faza nadprzewodząca, faza nadciekła), Przewodnictwo elektryczne, Magnetyzm, Samoorganizacja, Spin, Półprzewodnik

Działy fizyki są ze sobą ściśle powiązane i zasięg stosowania teorii i modeli często wykracza poza prosty podział zaprezentowany powyżej. Przykładowo fizyka materii skondensowanej zajmująca się układami silnie skorelowanych fermionów jest stosowana do efektów obserwowanych w gwiazdach neutronowych, które są podstawową domeną astronomii. Wynika to stąd, że fizyka jako nauka jest spójna i poszczególne modele i teorie opracowywane w poszczególnych działach mają te same podstawy oraz mogą mieć zastosowanie w innych działach. Podstawowe teorie, takie jak mechanika kwantowa, kwantowa teoria pola, elektrodynamika kwantowa, teoria grwaitacji, są sformułowane w sposób ogólny i obowiązują w całej fizyce.

Działy interdyscyplinarne i pokrewne

Wiele badań łączy fizykę z innym dziedzinami nauki. Dla przykładu, szeroki zakres biofizyki obejmuje wszystkie zagadnienia dotyczące układów biologicznych, w których stosuje się zasady fizyki. W chemii kwantowej z kolei opisuje się i przewiduje zachowania atomów i molekuł na podstawie torii mechaniki kwantowej.

Agrofizyka - Astronomia - Badania materiałowe - Biofizyka - Chemia fizyczna - Chemia kwantowa - Elektronika - Fizyka komputerowa - Fizyka medyczna - Fizyka matematyczna - Geofizyka - Informatyka kwantowa - Inżynieria - Mechanika komputerowa - Nowe technologie

Ważne prawa

Dobrze sprecyzowane i powszechnie przyjęte teorie są przedstawiane jako prawa fizyki. Chociaż wszystkie naukowe teorie są w zasadzie tymczasowe i obowiązują tylko w pewnym zakresie, prawa fizyczne zostały wielokrotnie sprawdzone, a ich zakres stosowalności dobrze określony.

Prawo Faradaya - Prawo Ohma - Zasady dynamiki Newtona - Zasada minimum energii potencjalnej - Zasada nieoznaczoności - Zasada odpowiedniości - Zasada równoważności - Zasada wzajemności - Zasada względności - prawa zachowania (Zasady zachowania)

Ważne równania

Wiele praw fizycznych może być opisana za pomocą relacji odpowiednich wielkości. Zapis matematyczny takich relacji nazywa się równaniem.

Równanie stanu gazu doskonałego - Równanie Clapeyrona (Clapeyrona) - Równanie Bernoulliego - Równania Eulera-Lagrange'a - Równania Hamiltona - Równania Maxwella - Równanie Schroedingera

Tablice fizyczne

Czystość substancji - Jednostki pochodne układu SI - Przedrostki SI - Stałe fizyczne - Jednostki podstawowe SI

Historia fizyki

Historia fizyki - Nagrody Nobla z fizyki - Fizycy

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Eric Weisstein, Treasure Troves of Physics. Internetowy leksykon fizyki (w języku angielskim)
Fizykon Podręcznik Multimedialny fizyki (Michał Dyszyński)
Polska strona o fizyce Fizyka on-line z naciskiem na rozwiązywanie zadań fizycznych
Strona o fizyce
Physics for Free - zawiera trzy książki (Essential Physics, Introduction to Groups, Invariants & Particles, The Age of Einstein) autorstwa F. Firka, emerytowanego profesor Yale University
Podstawy Fizyki
pl.sci.fizyka - polska grupa usenetowa na temat fizyki.
Przeglad podstaw Fizyki