Fizika
Straipsnis iš Vikipedijos, laisvosios enciklopedijos.
Fizika (graikiškai φυσικός (physikos): natūralus, φύσις (physis): Gamta) - mokslas, tiriantis visas materijos formas, nuo sub-mikroskopinių dalelių, iš kurių sudarytos visos įprastinės medžiagos (dalelių fizika), iki visos materialios Visatos elgesio (kosmologija).
Kai kurios fizikos studijuojamos savybės yra bendros visoms materialioms sistemoms, pavyzdžiui, energijos tvermės dėsnis. Tokios savybės kartais yra vadinamos dėsniais. Taip pat fizika kartais vadinama „fundamentaliuoju mokslu“, nes visi kiti gamtos mokslai - (biologija, chemija, geologija ir pan.) - tiria tam tikras materialias sistemas, kurios savo ruožtu paklūsta fizikos dėsniams. Pavyzdžiui, chemija yra molekulių ir chemikalų, kurios tos molekulės sudaro, mokslas. Tų molekulių chemines savybes apibrėžia atitinkamos fizikinės savybės, tokios kaip kvantinės mechanikos, termodinamikos ir elektromagnetizmo.
Fizika yra artimai susijusi su matematika. Fizikos teorijos praktiškai visuomet aprašomos matematikos lygtimis. Kaip taisyklė, matematinis fizikos modelis yra sudėtingesnis nei kitus gamtos mokslus aprašantis matematinis modelis. Esminis skirtumas tarp fizikos ir matematikos yra tas, kad fizikos tyrimų objektas yra materialus pasaulis, kai tuo tarpu matematika tiria abstrakčius dėsnius, nepriklausomai nuo to ar jie turi prasmę materialiam pasaulyje. Tačiau skirtumas nėra visuomet aiškus. Didelė tyrimų dalis yra tarpinė, vadinama matematine fizika, kuri tiria matematinę fizikinių teorijų struktūrą.
Turinys |
[taisyti] Fizikos tyrimų apžvalga
[taisyti] Teorinė ir eksperimentinė fizika
Fizikinių tyrimų kultūra skiriasi nuo kitų mokslų tuo, kad atskiria teoriją nuo eksperimento. Pradedant XX amžiumi, dauguma fizikų specializavosi arba teorinėje fizikoje, arba eksperimentinėje fizikoje, ir labai retas buvo labai sėkmingas abiejose. Tai skiriasi nuo, pavyzdžiui, chemijos ar biologijos, kur žymiausi teoretikai buvo ir eksperimentuotojai.
Kalbant apibendrintai, teoretikai vysto teorijas, kurios gali paaiškinti eksperimentų rezultatus, o eksperimentuotojai kuria ir vykdo eksperimentus, galinčius patikrinti teorinius spėjimus. Nors teorija ir eksperimentai kuriami atskirai, jie labai susiję. Fizikoje progresas dažniausiai įvyksta tada, kai eksperimentų rezultatų negali paaiškinti esamos teorijos. Tuomet kuriamos naujos teorijos, kurios galėtų paaiškinti naujų stebėjimų rezultatus. Be eksperimentų teorinės fizikos tyrimai dažnai nukrypsta neteisinga kryptimi. Tai pagrindinis argumentas prieš M teoriją - populiarią aukštos energijos fizikos teoriją, kuriai eksperimentas dar nėra sugalvotas.
[taisyti] Pagrindinės fizikos teorijos
Tam tikros fizikos teorijos yra taikomos visai fizikai, o ne atskiroms sritims. Kiekviena iš tų teorijų yra laikoma iš esmės teisinga savo srityje. Klasikinės mechanikos teorija tiksliai aprašo objektų, žymiai didesnių už atomus ir judančių žymiai mažesniu nei šviesos greičiu. Šios teorijos tebėra aktyviai tiriamos; pavyzdžiui, chaosas, naujas klasikinės mechanikos aspektas, buvo atrastas XX amžiuje, praėjus trims šimtams metų po to kai klasikinės mechanikos teoriją suformulavimo Izaokas Niutonas. Tačiau mažai kas tikisi kad tolimesni tyrimai įrodys, kad originali teorija yra iš esmės neteisinga. Todėl tokios teorijos yra naudojamos kaip pagrindas labiau specializuotiems tyrimams.
| Teorija | Pagrindinės temos | Principai |
| Klasikinė mechanika | Niutono dėsniai, Lagranžo mechanika, Hamiltono mechanika, Chaoso teorija, Skysčiu dinamika. | Matavimai, Erdvė, Laikas, Atskaitos sistema, Judėjimas, Kelias, Poslinkis, Greitis, Pagreitis, Masė, Judesio kiekis, Jėga, Energija, Kampinis greitis, Kampinis pagreitis, Inercijos momentas, Jėgos momentas, Judesio kiekio momentas, Tvermės dėsniai, Harmoninė švytuoklė, Banga, Darbas, Galia. |
| Elektromagnetizmas | Elektrostatika, Elektra, Magnetizmas, Maksvelio lygtys, Optika. | Elektros krūvis, Elektrinis laukas, Elektros srovė, Omo dėsnis, Magnetinis laukas, Elektromagnetinis laukas, Elektromagnetinės bangos, Kintamoji elektros srovė, Magnetinis monopolis. |
| Termodinamika ir Statistinė mechanika | Šiluminis variklis, Kinetinė theorija. | Bolcmano konstanta, Entropija, Laisva energija, Šiluma, Dalinimo funkcija, Temperatūra. |
| Kvantinė mechanika | Kelio integralo formuluotė, Šriodingerio lygtis, Fotoefektas. | Adiabatinė aproksimacija, Hamiltonianas, Tapatingos dalelės, Planko konstanta, Kvantinis sąryšis, Kvantinė harmoninė švytuoklė, Banginė funkcija, Nulinio taško energija, Operatoriai, Sukinys, Paulio draudimo principas, Heizenbergo neapibrėžtumo principas. |
| Reliatyvumo teorija | Specialioji reliatyvumo teorija, Bendroji reliatyvumo teorija. | Tapatingumo principas, Keturi-momentas, Atskaitos sistema, Erdvėlaikis, Šviesos greitis, Dvynių paradoksas, Kopėčių paradoksas, Gravitacinė banga. |
| Kvantinė lauko teorija | Kvantinė elektrodinamika, Kvantinė chromodinamika, Silpnosios sąveikos teorija, Elektrosilpnosios sąveikos teorija, Supersimetrija. | Kleino-Gordono laukas, Dirako laukas, Simetrijos principas. |
[taisyti] Susijusios sritys
Yra daug sričių, kurios apjungia fiziką su kitom disciplinom. Pavyzdžiui, biofizika yra skirta fizikiniams principams, kurie daro įtaką biologinėms sistemoms. Kvantinė chemija tiria, kaip kvantinės mechanikos savybės kuria molekulių chemines savybes. Kai kurios iš tokių sričių yra išvardinta žemiau:
Akustika - Astronomija - Biofizika - Elektronika - Matematinė fizika
[taisyti] Kol kas nepripažintos teorijos
- Šaltoji termobranduolinė sintezė
- Dinaminė gravitacija
- Pastovios būsenos teorija
[taisyti] Istorija
Nuo Antikos laikų žmonės bandė suprasti materijos elgesį ir savybes: kodėl paleisti daiktai krenta žemyn, kodėl skirtingos medžiagos pasižymi skirtingom savybėm, ir pan. Paslaptis gaubė ir visatos keliamus klausimus - Žemės forma, kosmoso šviesulių - Saulės, Mėnulio, planetų bei žvaigždžių judėjimas bei kilmė. Buvo sukurta keletas teorijų; dauguma iš jų buvo neteisingos. Tos teorijos buvo labiau filosofinio pobūdžio, niekada nepatikrintos naudojant mokslinio metodo sistemą. Tačiau būta ir išimčių, anachronizmų: pavydžiui, graikų mąstytojas Archimedas išvedė daug kiekybinių mechanikos ir hidrostatikos formulių.
XVII amžiaus pradžioje Galilėjus pradėjo naudoti eksperimentus siekdamas patikrinti teorijų teisingumą, tuom padėdamas pagrindą moksliniam metodui. Galilėjus suformulavo ir sėkmingai patikrino keletą dinamikos rezultatų. 1687-tais Niutonas išleido knygą Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Matematikos Principai), kurioje aprašomos dvi išsamios fizikos teorijos: Niutono judėjimo dėsnius iš kurių kilo klasikinė mechanika ir Niutono gravitacijos dėsnis, aprašantis fundamentalią gravitacijos jėgą. Abi teorijos pilnai sutapo su eksperimentais. Principuose taip pat aprašytos kelios skysčių dinamikos teorijos. Klasiknės mechanikos teorijos vėliau buvo išsamiai išnagrinėtos Lagranžo, Hamiltono ir kitų, kurie sukūrė naujas formules, principus ir rezultatus. Gravitacijos dėsnis padėjo pagrindą naujai astrofizikos sričiai, kuri pasisnaudodama fizikos teorijomis nagrinėja astronominius fenomenus.
XVIII amžiuj Boilis, Jangas ir kiti išvystė termodinamikos teoriją. 1733-tais Bernuli naudojo statistinius metodus ir klasikinę mechankiką kad aprašytų termodinamikos rezultatus, tuom padėdamas pagrindą statistinei mechanikai. 1798-tais, Tompsonas pademonstravo mechaninis darbo virtimą į šilumą. 1874-tais Džaulis energijos tvermės dėsnį apjungiantį šiluminę ir mechaninę energijas.
Elektros ir magnetizmo savybes tyrė Faradėjus, Omas ir kiti. 1855-tais Maksvelis sujungė abu fenomenus į vieną elektromagnetizmo teorija, suformuluodamas Maksvelio lygtis. Ši teorija teigė, kad šviesa yra elektromagnetinė banga.
1895-tais Rentgenas atrado Rentgeno spindulius. Kaip vėliau paaiškėjo, tai buvo itin aukšto dažnio elektromagnetinis spinduliavimas. 1896-tais Henris Bekerelis atrado radioaktyvumą, kurį vėliau tyrė Marija Kiuri, Pjeras Kiuri ir kiti. Tai padėjo pagrindą branduolio teorijai.
1897 Tomsonas atrado elektroną - elementarią dalelę, elektros srovės nešėją. 1904-tais jis pasiūlė pirmą atomo modelį, pavadintą "slyvų pudingo modelis." Galimybę, kad elemetarios medžiagos dalelės - atomai - egzistuoja 1808-tais pasiūlė Daltonas.
1905 Albertas Einšteinas suformulavo specialiają reliatyvumo teoriją, apjungdamas erdvę ir laiką į vieną - "erdvėlaikį". Raliatyvumo teorija aprašo transformaciją tarp atskaitos rėmų kuri skiriasi nuo klasikinės mechanikos. Tai tapo reliatyvistinės mechanikos pagrindu. Kai objektai juda mažais greičiais abi teorijos sutampa. 1915-tais Enšteinas išplėtė specialią reliatyvumo teorija, paaiškindamas gravitaciją per bendrąją reliatyvumo teoriją pastarąja pakeisdamas Niutono gravitacijos dėsnį. Objektams, turintiems mažą masę ir energiją, abi teorijos sutampa.
1911-tais Rezerfordas iš išsklaidymo eksperimentų nuspėjo atomo branduolio, kuris sudarytas iš teigiamą krūvį turinčių dalelių - protonų, egzistavimą. 1932-ais Čadvikas atrado neutronus - daleles, neturinčios krūvio.
Pradedant 1900-tais, Plankas, Einšteinas, Boras ir kiti sukūrė kvantines teorijas, siekdami paaiškinti įvairius anomalius eksperimentų rezultatus, įvesdami diskrečius energijos lygius. 1925-tais Heizenbergas, 1926-tais Šriodingeris ir Dirakas suformulavo kvantinę mechaniką, kuri paaiškino iki tol sukurtas teorijas. Kvantinėje mechanikoje fizinių dalelių matavimus yra iš prigimties atsitikniai; kvantinės mechanikos formulės leidžia apskaičiuoti tų matavimų tikimybes. Ši teorija sėkmingai aprašo materijos elgesį ypač mažoje skalėje - atominiame ir subatominiame lygyje.
Kvantinė mechanika taip pat leido atsirasti tankios medžiagos fizikai, kuri tiria kristalines struktūras, puslaidininkus, superlaidininkus. Šios srities pionieriumi buvo Blochas. Jis 1928-tais sukūrė elektronų kristalinėje struktūroje elgesio kvantinį modelį.
Per antrajį pasaulinį karą, abi kariaujančios pusės tyrė branduolio fiziką siekdami sukurti branduolinę bombą. Vokiečiai, vadovaujami Heizenbergo, tikslo nepasiekė, tačiau sąjunginkų Manheteno projektas buvo sėkmingas. Jungtinėse Amerikos Valstijose, Fermi vadovaujama komanda 1942-ais sukūrė pirmą žmogaus sukurtą branduolinę grandininę reakciją, o 1945-tais netoli Alamogordo, Nju Meksiko valstijoje JAV, buvo detonuotas pirmas branduolinis užtaisas.
Bandant kvantinę mechaninką apjungti su specialiąja reliatyvumo teorija buvo sufomuluota kvantinio lauko teorija. Penkto dešimtmečio gale ją suformulavo Feinmanas, Švingeris ir Daisonas. Jie suformulavo kvantinės elektrodinamikos teoriją, kuri aprašo elektromagnetinę saveiką.
Kvantinio lauko teorija tapo modernios dalelių fizikos pagrindu. Dalelių fizika tiria elemtariasias daleles ir fundamentalias jėgas. 1954-tais, Yangas ir Milsas suformulavo teorijas, kurios leido sukurti standartinį modelį. Standartinis modelis, užbaigtas aštuntam XX amžiaus dešimtmetyje, sėkmingai aprašo beveik visas iki šiol atrastas elementarias daleles.
Jungtinės Tautos 2005-tuosius paskelbė pasaulio fizikos metais.
[taisyti] Ateities kryptys
2005-aisiais metais fizikos mokslas ir toliau vystosi daugeliu krypčių.
Tankios medžiagos fizikoje, didžiausia neišspresta teorinė problema yra aukštos temperatūros superlaidumo paaiškinimas. Taip pat intensyviai vykdomi eksperimentais siekiant sukurti veikiančią spintroniką ir kvantinį kompiuterį.
Dalelių fizikoje vykdyti eksperimentai pirmą kartą davė rezultatus, leidžiančius teigti kad standartinis modelis nėra baigtas. Didžiausias to įrodymas yra tai, kad neutrinai yra nenulinės masės. Šie eksperimentai atrodo paaiškino ilgai neišspręstą Saulės neutrino problemą. Sunkių neutrinų fizika yra aktyviai tyrinėjama tiek teoriškai, tiek ir eksperimentiškai. Per ateinančius keletą metų pradės veikti nauji dalelių greitintuvai kurie leis pagreitinti daleles TeV lygio energijos. Šiam lygmenyje eksperimentatoriai tikisi atrasti Higso bosono ir supersimetrinių dalelių įrodymus.
Teoriniai bandymai sujungti kvantinę mechaniką ir bendrąjį reliatyvumą į vieningą teorija - tikslas, kurį bandoma pasiekti jau daugiau nei 50 metų - vis dar nedavė patenkinamų rezultatų. Šiuo metu vilčių teikia M-teorija ir ciklinė kvantinė gravitacija.
Vis dar lieka nepaaiškinta daug astronominų fenomenų. Tarp jų ultra aukštos energijos kosminiai spinduliai ir Galaktikų sukimosi problema. Sukurta keletas teorijų, bandančių paaiškinti stebėjimus: dvigubai speciali reliatyvumo teorija, modifikuota Niutono dinamika, tamsios medžiagos egzistavimas. Taip pat neseniai atrasti įrodymai kad Visatos plėtimasis greitėja prieštarauja kosmologijos spėjimams.
[taisyti] Nuorodos
Susiję straipsniai
Kiti šaltiniai
