Fyzika

Historie

Starověká astronomie

Astronomie je nejstarší přírodní věda. Sumerové a staří Egypťané zkoumali hvězdy, většinou s ohledem na předpovědi a náboženství. První babylonské hvězdné mapy pocházejí z doby kolem roku 1200 př. n. l. To, že astronomické události mají periodický charakter, se datuje také do doby Babylóňanů. Jejich poznatky nebyly vědecké, ale jejich pozorování ovlivnila pozdější astronomii. Velká část astronomie pochází z Mezopotámie, Babylonie, starověkého Egypta a starověkého Řecka. Egyptští astronomové postavili monumenty, které ukazovaly, jak se objekty na obloze pohybují, a většina názvů souhvězdí na severní polokouli pochází od řeckých astronomů.

Přírodní filozofie

Přírodní filozofie vznikla v Řecku kolem roku 650 př. n. l., kdy hnutí filozofů nahradilo pověry naturalismem, který vyvracel duchovno. V tomto období přišli Leucippos a jeho žák Démokritos s myšlenkou atomu.

Fyzika ve středověkém islámském světě

Islámští učenci pokračovali ve studiu aristotelské fyziky i během islámského zlatého věku. Jedním z hlavních přínosů byla observační astronomie. Někteří z nich, jako Ibn Sahl, Al-Kindi, Ibn al-Hajtham, Al-Farisi a Avicenna, se zabývali optikou a viděním. Ibn al-Hajthám v Knize o optice odmítl předchozí řecké představy o vidění a navrhl novou teorii. Zkoumal, jak světlo vstupuje do oka, a vyvinul kameru obscuru. Evropští vědci později podle této knihy sestrojili brýle, lupy, dalekohledy a fotoaparáty.

Klasická fyzika

Po vědecké revoluci se fyzika stala samostatným oborem. Galileovy experimenty pomohly vytvořit klasickou fyziku. Ačkoli nevynalezl dalekohled, používal jej při pozorování noční oblohy. Podporoval Koperníkovu myšlenku, že se Země pohybuje kolem Slunce (heliocentrismus). Zkoumal také gravitaci. Isaac Newton využil Galileovy myšlenky k vytvoření svých tří pohybových zákonů a zákona všeobecné gravitace. Tyto zákony společně vysvětlovaly pohyb padajících těles v blízkosti Země a pohyb Země a planet kolem Slunce.

Za několik století byla průmyslová revoluce v plném proudu a v mnoha vědních oborech bylo učiněno mnoho dalších objevů. Zákony klasické fyziky jsou dostatečně dobré pro studium objektů, které se pohybují mnohem pomaleji než rychlostí světla a nejsou mikroskopické. Když vědci poprvé studovali kvantovou mechaniku, museli vytvořit nový soubor zákonů, což byl počátek moderní fyziky.

Moderní fyzika

Vědci při výzkumu částic objevili to, co klasická mechanika nedokázala vysvětlit. Klasická mechanika předpovídala, že rychlost světla se mění, ale experimenty ukázaly, že rychlost světla zůstává stejná. To předpověděl Albert Einstein ve své speciální teorii relativity. Einstein předpověděl, že rychlost elektromagnetického záření prázdným prostorem bude vždy stejná. Jeho pohled na časoprostor nahradil starověkou představu, že prostor a čas jsou zcela odlišné věci.

Max Planck přišel s kvantovou mechanikou, aby vysvětlil, proč kov uvolňuje elektrony, když na něj posvítíte, a proč hmota vyzařuje záření. Kvantová mechanika platí pro velmi malé věci, jako jsou elektrony, protony a neutrony, které tvoří atom. Lidé jako Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger a Paul Dirac pokračovali v práci na kvantové mechanice a nakonec jsme získali standardní model.

Definice

Fyzika se zabývá studiem energie a hmoty v prostoru a čase a jejich vzájemným vztahem. Fyzikové předpokládají existenci hmotnosti, délky, času a elektrického proudu a následně definují (udávají význam) všechny ostatní fyzikální veličiny v termínech těchto základních jednotek. Hmotnost, délka, čas a elektrický proud nejsou nikdy definovány, ale standardní jednotky používané k jejich měření jsou vždy definovány. V Mezinárodní soustavě jednotek (zkratka SI z francouzského Système International) je kilogram základní jednotkou hmotnosti, metr základní jednotkou délky, sekunda základní jednotkou času a ampér základní jednotkou elektrického proudu. Kromě těchto čtyř jednotek existují ještě tři další: mol, což je jednotka množství hmoty, kandela, která měří svítivost (výkon osvětlení), a kelvin, jednotka teploty.

Fyzika zkoumá, jak se věci pohybují a jaké síly je k tomu vedou. Fyzika používá například rychlost a zrychlení, aby ukázala, jak se věci pohybují. Fyzikové také studují gravitační síly, elektřinu, magnetismus a síly, které drží věci pohromadě.

Fyzika studuje velmi velké a velmi malé věci. Fyzikové mohou například studovat hvězdy, planety a galaxie, ale také malé části hmoty, jako jsou atomy a elektrony.Mohou také studovat zvuk, světlo a další vlny. Kromě toho mohou zkoumat energii, teplo a radioaktivitu, a dokonce i prostor a čas. Fyzika pomáhá lidem pochopit nejen to, jak se předměty pohybují, ale také jak mění svůj tvar, jak vydávají zvuky, jak horké nebo studené budou a z čeho se skládají na té nejmenší úrovni.

Fyzika a matematika

Fyzika je kvantitativní věda, protože je založena na měření pomocí čísel. Matematika se ve fyzice používá k vytváření modelů, které se snaží předpovědět, co se v přírodě stane. Tyto předpovědi se porovnávají s tím, jak funguje skutečný svět. Fyzikové se neustále snaží své modely světa vylepšovat.

Pobočky

Klasická mechanika obsahuje hlavní témata, jako jsou Newtonovy pohybové zákony, Lagrangeova mechanika, Hamiltonova mechanika, kinematika, statika, dynamika, teorie chaosu, akustika, dynamika tekutin, mechanika kontinua. Klasická mechanika se zabývá silami působícími na těleso v přírodě, vyrovnáváním sil, udržováním rovnovážného stavu atd .

Elektromagnetismus je studium nábojů na určitém tělese. Obsahuje dílčí témata, jako je elektrostatiky, elektrodynamika, elektřina, magnetismus, magnetostatika, Maxwellovy rovnice, optika .

Termodynamika a statistická mechanika souvisí s teplotou. Zahrnuje hlavní témata, jako je tepelný motor, kinetická teorie. Používá pojmy jako teplo (Q), práce (W) a vnitřní energie (U). První termodynamický zákon nám je dává do vztahu pomocí následující rovnice (ΔU = Q - W)

Kvantová mechanika je studium částic na atomové úrovni s ohledem na atomový model. Zahrnuje dílčí témata Integrální formulace cesty, teorie rozptylu, Schrödingerova rovnice, kvantová teorie pole, kvantová statistická mechanika.

Relativita

Pokročilé znalosti

Obecný popis

Fyzika je věda o hmotě a jejím vzájemném působení. Hmota je jakýkoli fyzikální materiál ve vesmíru. Všechno se skládá z hmoty. Fyzika se používá k popisu fyzikálního vesmíru kolem nás a k předpovídání jeho chování. Fyzika je věda zabývající se objevováním a charakterizováním univerzálních zákonů, kterými se řídí hmota, pohyb a síly, prostor a čas a další vlastnosti přírodního světa.

Rozsah a cíle fyziky

Fyzika má široký záběr, od nejmenších složek hmoty a sil, které ji drží pohromadě, až po galaxie a ještě větší věci. Zdá se, že v celém tomto rozsahu působí pouze čtyři síly. Nicméně i tyto čtyři síly (gravitace, elektromagnetismus, slabá síla spojená s radioaktivitou a silná síla, která drží pohromadě protony a neutrony v atomu) jsou považovány za různé části jediné síly.

Fyzika se zaměřuje především na vytváření stále jednodušších, obecnějších a přesnějších pravidel, která definují charakter a chování hmoty a samotného prostoru. Jedním z hlavních cílů fyziky je vytváření teorií, které se vztahují na vše ve vesmíru. Jinými slovy, fyziku lze považovat za studium těch univerzálních zákonů, které na nejzákladnější možné úrovni definují chování fyzikálního vesmíru.

Fyzika používá vědeckou metodu

Fyzika používá vědeckou metodu. To znamená, že se shromažďují údaje z experimentů a pozorování. Pak se vytvářejí teorie, které se snaží tyto údaje vysvětlit. Fyzika tyto teorie používá nejen k popisu fyzikálních jevů, ale také k modelování fyzikálních systémů a předpovídání, jak se tyto fyzikální systémy budou chovat. Fyzikové pak tyto předpovědi porovnávají s pozorováními nebo experimentálními důkazy, aby ukázali, zda je teorie správná, nebo ne.

Teorie, které jsou dobře podloženy daty a jsou obzvláště jednoduché a obecné, se někdy nazývají vědecké zákony. Všechny teorie, včetně těch, které jsou označovány jako zákony, mohou být samozřejmě nahrazeny přesnějšími a obecnějšími zákony, pokud se zjistí nesoulad s daty.

Fyzika je kvantitativní

Fyzika je kvantitativnější než většina ostatních věd. To znamená, že mnoho pozorování ve fyzice lze vyjádřit formou číselných měření. Většina teorií ve fyzice používá k vyjádření svých principů matematiku. Většina předpovědí z těchto teorií je numerická. Je to proto, že v oblastech, kterými se fyzika zabývá, se lépe pracuje s kvantitativními přístupy než v jiných oblastech. Vědy mají také tendenci se s postupem času stávat kvantitativnějšími, protože se stále více rozvíjejí, a fyzika je jednou z nejstarších věd.

Fyzikální obory

Klasická fyzika obvykle zahrnuje mechaniku, optiku, elektřinu, magnetismus, akustiku a termodynamiku. Moderní fyzika je termín, který se obvykle používá pro obory, které se opírají o kvantovou teorii, včetně kvantové mechaniky, atomové fyziky, jaderné fyziky, částicové fyziky a fyziky kondenzovaných látek, jakož i modernějších oborů obecné a speciální teorie relativity, ale tyto dva poslední obory jsou často považovány za obory klasické fyziky, protože se neopírají o kvantovou teorii. Ačkoli tento rozdíl lze nalézt ve starších spisech, není příliš zajímavý, protože kvantové efekty jsou dnes chápány jako důležité i v oborech, které se dříve nazývaly klasickými.

Přístupy ve fyzice

Existuje mnoho přístupů ke studiu fyziky a mnoho různých druhů aktivit v oblasti fyziky. Ve fyzice existují dva hlavní typy činností: sběr dat a vývoj teorií.

Údaje v některých podoborech fyziky lze experimentovat. Například fyzika kondenzovaných látek a jaderná fyzika těží z možnosti provádět experimenty. Experimentální fyzika se zaměřuje především na empirický přístup. Někdy se experimenty provádějí za účelem zkoumání přírody a v jiných případech se experimenty provádějí za účelem získání údajů, které se porovnávají s předpověďmi teorií.

Některé další fyzikální obory, jako je astrofyzika a geofyzika, jsou převážně pozorovacími vědami, protože většina jejich dat musí být shromažďována pasivně, nikoli prostřednictvím experimentů. Pozorovací programy v těchto oborech však využívají mnoho stejných nástrojů a technologií, které se používají v experimentálních podoborech fyziky.

Teoretická fyzika často používá kvantitativní přístupy k rozvoji teorií, které se snaží vysvětlit data. Teoretičtí fyzikové tak často využívají nástroje z matematiky. Teoretická fyzika může často zahrnovat vytváření kvantitativních předpovědí fyzikálních teorií a kvantitativní porovnávání těchto předpovědí s daty. Teoretická fyzika někdy vytváří modely fyzikálních systémů dříve, než jsou k dispozici údaje, které by tyto modely testovaly a podporovaly.

Tyto dvě hlavní činnosti ve fyzice, sběr dat, tvorba teorie a testování, využívají mnoho různých dovedností. To vedlo k velké specializaci ve fyzice a k zavádění, vývoji a používání nástrojů z jiných oborů. Například teoretičtí fyzikové používají při své práci matematiku a numerickou analýzu a statistiku a pravděpodobnost a počítačový software. Experimentální fyzikové vyvíjejí přístroje a techniky pro sběr dat, přičemž využívají strojírenskou a počítačovou techniku a mnoho dalších oborů techniky. Nástroje z těchto jiných oblastí často nejsou pro potřeby fyziky zcela vhodné a je třeba je změnit nebo vytvořit jejich pokročilejší verze.

Často se stává, že experimentální fyzikové objeví novou fyziku, pokud provedou experiment, který stávající teorie nedokážou vysvětlit, nebo že teoretičtí fyzikové vytvoří teorie, které pak mohou experimentální fyzikové ověřit.

Experimentální fyzika, technika a technologie spolu souvisejí. Experimenty často vyžadují specializované nástroje, jako jsou urychlovače částic nebo lasery, a důležité průmyslové aplikace, jako jsou tranzistory a magnetická rezonance, pocházejí z aplikovaného výzkumu.

Fyzikové

Významní teoretičtí fyzici

Mezi slavné teoretické fyziky patří

Související stránky

• Astronomie
• Energie
• Hmota
• Čas