Větve fyziky - Branches of physics - Wikipedia
Fyzika se zabývá kombinací hmoty a energie. Zabývá se také širokou škálou systémů, o nichž byly vyvinuty teorie, které používají fyzici. Obecně jsou teorie několikrát experimentálně testovány, než jsou přijaty jako správné jako popis přírody (v určité doméně platnosti). Například teorie klasická mechanika přesně popisuje pohyb objektů za předpokladu, že jsou mnohem větší než atomy a pohybuje se mnohem méně než rychlost světla. Tyto „ústřední teorie“ jsou důležitými nástroji pro výzkum ve specializovanějších tématech a očekává se, že v nich bude každý fyzik bez ohledu na svou specializaci gramotný.
Klasická mechanika
Klasická mechanika je modelem fyzika z síly působící na orgány; zahrnuje dílčí pole k popisu chování pevné látky, plyny, a tekutiny. To je často odkazoval se na jak “Newtonian mechanika” po Isaac Newton a jeho zákony pohybu. Zahrnuje také klasický přístup uvedený v Hamiltonian a Lagrange metody. Zabývá se pohybem částic a obecnou soustavou částic.
Existuje mnoho odvětví klasické mechaniky, například: statika, dynamika, kinematika, mechanika kontinua (který zahrnuje mechanika tekutin ), statistická mechanika, atd.
- Mechanika: Odvětví fyziky, ve kterém studujeme objekt a vlastnosti objektu ve formě pohybu působením síly.
Termodynamika a statistická mechanika
První kapitola Feynmanovy přednášky z fyziky je o existence atomů, což Feynman považoval za nejkompaktnější výrok fyziky, ze kterého by věda mohla snadno vyplynout, i kdyby byly ztraceny všechny ostatní znalosti.[1] Modelováním hmoty jako sbírky tvrdých koulí je možné popsat kinetická teorie plynů, na kterém je založena klasická termodynamika.
Termodynamika studuje účinky změn v teplota, tlak, a objem na fyzické systémy na makroskopické měřítko a přenos energie jako teplo.[2][3] Historicky se termodynamika vyvinula z touhy zvýšit účinnost brzy parní stroje.[4]
Výchozím bodem pro většinu termodynamických úvah je zákony termodynamiky, které to předpokládají energie lze vyměňovat mezi fyzickými systémy jako teplo nebo práce.[5] Rovněž předpokládají existenci pojmenovaného množství entropie, které lze definovat pro jakýkoli systém.[6] V termodynamice jsou studovány a kategorizovány interakce mezi velkými soubory objektů. V centru tohoto jsou koncepty Systém a okolí. Systém se skládá z částic, jejichž průměrné pohyby definují jeho vlastnosti, které zase spolu souvisejí stavové rovnice. Vlastnosti lze kombinovat a vyjádřit vnitřní energie a termodynamické potenciály, které jsou užitečné pro stanovení podmínek pro rovnováha a spontánní procesy.
Elektromagnetismus a fotonika
Maxwellovy rovnice z elektromagnetismus |
Studium chování elektronů, elektrických médií, magnetů, magnetických polí a obecných interakcí světla.
Relativistická mechanika
Speciální teorie relativity má vztah k elektromagnetismu a mechanice; toto je princip relativity a princip stacionární činnosti v mechanice lze použít k odvození Maxwellovy rovnice,[7][8] a naopak.
Teorii speciální relativity navrhl v roce 1905 Albert Einstein ve svém článku "O elektrodynamice pohybujících se těl Název článku odkazuje na skutečnost, že speciální relativita řeší nesrovnalosti mezi nimi Maxwellovy rovnice a klasická mechanika. Tato teorie je založena na dva postuláty: (1) že matematické formy zákony fyziky jsou neměnné ve všech inerciální systémy; a (2) že rychlost světla v vakuum je konstantní a nezávislý na zdroji nebo pozorovateli. Sladění těchto dvou postulátů vyžaduje sjednocení prostor a čas do konceptu závislého na snímku vesmírný čas.
Obecná relativita je geometrický teorie gravitace publikoval Albert Einstein v letech 1915/16.[9][10] Sjednocuje speciální relativitu, Newtonův zákon univerzální gravitace a vhled, že gravitaci lze popsat pomocí zakřivení prostoru a času. Obecně relativita, zakřivení časoprostoru je produkováno energie hmoty a záření.
Kvantová mechanika, atomová fyzika a molekulární fyzika
Kvantová mechanika je obor ošetřování fyziky atomový a subatomární systémy a jejich interakce založené na pozorování, že všechny formy energie se uvolňují v diskrétních jednotkách nebo svazcích nazývaných „kvantum Je pozoruhodné, že kvantová teorie obvykle umožňuje pouze pravděpodobný nebo statistický výpočet pozorovaných vlastností subatomárních částic chápaných v termínech vlnové funkce. The Schrödingerova rovnice hraje roli v kvantové mechanice Newtonovy zákony a uchování energie slouží v klasické mechanice - tj. předpovídá budoucí chování a dynamický systém —A je vlnová rovnice který se používá k řešení vlnových funkcí.
Například světlo nebo elektromagnetické záření vyzařované nebo absorbované atomem má pouze jisté frekvence (nebo vlnové délky ), jak je patrné z liniové spektrum spojené s chemickým prvkem představovaným daným atomem. Kvantová teorie ukazuje, že tyto frekvence odpovídají určitým energiím světelných kvant, nebo fotony, a vyplývá ze skutečnosti, že elektrony atomu může mít pouze určité povolené energetické hodnoty nebo úrovně; když se elektron změní z jedné povolené úrovně na druhou, je emitováno nebo absorbováno kvantum energie, jehož frekvence je přímo úměrná energetickému rozdílu mezi těmito dvěma úrovněmi. The fotoelektrický efekt dále potvrdila kvantizaci světla.
V roce 1924 Louis de Broglie navrhuje, aby nejen světelné vlny někdy vykazovaly vlastnosti podobné částicím, ale částice mohou také vykazovat vlastnosti podobné vlnám. Na základě de Broglieho návrhu byly představeny dvě různé formulace kvantové mechaniky. The vlnová mechanika z Erwin Schrödinger (1926) zahrnuje použití matematické entity, vlnové funkce, která souvisí s pravděpodobností nalezení částice v daném bodě ve vesmíru. The maticová mechanika z Werner Heisenberg (1925) nezmiňuje vlnové funkce ani podobné koncepty, ale ukázalo se, že je matematicky ekvivalentní Schrödingerově teorii. Obzvláště důležitým objevem kvantové teorie je princip nejistoty, vyhlášený Heisenbergem v roce 1927, což klade absolutní teoretický limit na přesnost určitých měření; ve výsledku musel být opuštěn předpoklad dřívějších vědců, že fyzický stav systému lze přesně změřit a použít k předpovědi budoucích stavů. Kvantová mechanika byla při formulaci kombinována s teorií relativity Paul Dirac. Další vývoj zahrnuje kvantová statistika, kvantová elektrodynamika, zabývající se interakcemi mezi nabitými částicemi a elektromagnetickými poli; a jeho zobecnění, kvantová teorie pole.
Teorie strun
Tato teorie, která je možným kandidátem na teorii všeho, kombinuje teorii obecné relativity a kvantové mechaniky a vytváří tak jedinou teorii. Tato teorie může předvídat vlastnosti malých i velkých objektů. Tato teorie je v současné době ve fázi vývoje.
Optika
Optika je studium světelných pohybů včetně odrazu, lomu, difrakce a interference.
Fyzika kondenzovaných látek
Studium fyzikálních vlastností hmoty v kondenzované fázi.
Fyzika vysokoenergetických částic a jaderná fyzika
Fyzika částic studuje povahu částic, zatímco nukleární fyzika studuje atomová jádra.
Kosmologie
Kosmologie studuje, jak vznikl vesmír a jeho případný osud. Studuje to fyzici a astrofyzici.
Mezioborové obory
K interdisciplinárním oborům, které definují částečně vlastní vědy, patří např. the
- agrofyzika je obor vědy hraničící s agronomií a fyzikou
- astrofyzika, fyzika ve vesmíru, včetně vlastností a interakcí nebeských těles v astronomie.
- biofyzika, studium fyzikálních interakcí biologických procesů.
- chemická fyzika, věda fyzikálních vztahů v chemie.
- výpočetní fyzika, aplikace počítače a numerické metody do fyzických systémů.
- ekonofyzika, zabývající se fyzikálními procesy a jejich vztahy ve vědě o ekonomika.
- fyzika prostředí, obor fyziky zabývající se měřením a analýzou interakcí mezi organismy a jejich prostředím.
- inženýrská fyzika, kombinovaná disciplína fyziky a techniky.
- geofyzika, vědy o fyzikálních vztazích na naší planetě.
- matematická fyzika, matematika týkající se fyzikálních problémů.
- lékařská fyzika, aplikace fyziky v medicíně na prevenci, diagnostiku a léčbu.
- fyzikální chemie, zabývající se fyzikálními procesy a jejich vztahy ve vědě o fyzikální chemie.
- fyzická oceánografie, je studium fyzikálních podmínek a fyzikálních procesů v oceánu, zejména pohybů a fyzikálních vlastností oceánských vod
- psychofyzika, věda o fyzikálních vztazích v psychologii
- kvantové výpočty, studium kvantově-mechanických výpočetních systémů.
- sociofyzika nebo sociální fyzika, je vědní obor, který využívá matematické nástroje inspirované fyzikou k pochopení chování lidských davů
souhrn
V tabulce níže jsou uvedeny základní teorie spolu s mnoha koncepty, které používají.
Reference
- ^ Feynman, Richard Phillips; Leighton, Robert Benjamin; Sands, Matthew Linzee (1963). Feynmanovy přednášky z fyziky. str.1. ISBN 978-0-201-02116-5.. Feynman začíná s atomová hypotéza, jako jeho nejkompaktnější výrok ze všech vědeckých poznatků: „Pokud by v nějakém kataklyzmatu měly být zničeny všechny vědecké poznatky a dalším generacím předána pouze jedna věta ..., jaký výrok by obsahoval nejvíce informací v nejmenších slov? Věřím, že to je ... to všechny věci jsou tvořeny atomy - malými částicemi, které se pohybují v neustálém pohybu, přitahují se navzájem, když jsou od sebe vzdáleny, ale odpuzují to, když jsou stlačeny jeden do druhého. ...„sv. Já str. I – 2
- ^ Perot, Pierre (1998). Termodynamiky od A do Z. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-856552-9.
- ^ Clark, John O.E. (2004). Základní slovník vědy. Barnes & Noble Books. ISBN 978-0-7607-4616-5.
- ^ Clausius, Rudolf (1850). „LXXIX“. Na motivační energii tepla a na zákonech, které z ní lze odvodit pro teorii tepla. Dover dotisk. ISBN 978-0-486-59065-3.[je zapotřebí objasnění ]
- ^ Van Ness, H.C. (1969). Porozumění termodynamice. Dover Publications, Inc. ISBN 978-0-486-63277-3.
- ^ Dugdale, J. S. (1998). Entropie a její fyzický význam. Taylor a Francis. ISBN 978-0-7484-0569-5.
- ^ Landau a Lifshitz (1951, 1962), Klasická teorie polí, Library of Congress Card Number 62-9181, kapitoly 1-4 (3. vydání je ISBN 0-08-016019-0)
- ^ Corson a Lorrain, Elektromagnetická pole a vlny ISBN 0-7167-1823-5
- ^ Einstein, Albert (25. listopadu 1915). „Die Feldgleichungen der Gravitation“. Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften zu Berlin: 844–847. Citováno 2006-09-12.
- ^ Einstein, Albert (1916). „Založení obecné teorie relativity“. Annalen der Physik. 354 (7): 769–822. Bibcode:1916AnP ... 354..769E. doi:10,1002 / a 19193540702. Archivovány od originál (PDF) dne 2006-08-29. Citováno 2006-09-03.