Физика

Разни примери физичких феномена

Сноп убрзаних електрона који се крећу у циклотрону под дејством магнетног поља

Магнет лебди изнад охлађеног суперпроводника (око −197 °C), једна интересантна појава проучена у физици

Физика (грч. φύσις, phisis: природа) јесте фундаментална природна наука која проучава основна или суштинска својства природних појава и тела. Физичари проучавају основна својства, структуру и кретање материје у простору и времену. Физичке теорије се најчешће изражавају као математичке релације. Најутемељеније појаве се називају физичким законима или законима физике, међутим, и они су као и све друге научне теорије, подложни променама. При томе, нови физички закони обично не искључују старе, него само ограничавају домен њиховог важења. Физика је уско повезана са другим природним наукама, као и математиком (због математичког описивања природе), посебно хемијом, која се умногоме базира на физици, поготово на квантној механици, термодинамици и електромагнетизму.

Физика је једна од најстаријих академских дисциплина, можда најстарија ако се узме у обзир астрономија. Током задња два миленијума, физика је била део природне филозофије заједно са хемијом, биологијом, и појединим гранама математике, али су се током научне револуције у 17. веку, природне науке појавиле као засебни истраживачки програми. Физика се преклапа са многим интердисциплинарним областима истраживања, као што је биофизика и квантна хемија, и границе физике нису чврсто дефинисане. Нове идеје у физици често објашњавају фундаменталне механизме других наука чиме се отварају нове авеније истраживања у областима као што су математика и филозофија.

Подела физике

Ферофлуид се групише у близини полова снажног магнета, домен проучавања електромагнетике.

Физика на основу начина на који проучава тела и појаве се дели на: теоријску и експерименталну физику.

Основне области физике су:

• Класична механика

Механика је наука која проучава појаве кретања и равнотеже материјалних тела под деловањем физичких сила и наука о апаратима, справама, машинама.

• Статистичка физика

Статистичка физика је област физике која се бави физичким системима састављеним из великог броја честица (реда величине Авогадровог броја).

• Електромагнетика

Електромагнетизам је област физике која проучава електричне и магнетне појаве у природи.

• Термодинамика

Термодинамика је грана физике која проучава последице промене притиска, температуре и запремине у макроскопским физичким системима.

• Квантна механика

Квантна механика је фундаментална грана теоријске физике којом су замењене класична механика и класична електродинамика при описивању атомских и субатомских појава.

• Релативистичка физика

Релативистичка физика је Физичка теорија простора и времена која се бави прорачунима у инерцијалним системима референције.

• Физика честица

Физика елементарних честица се бави проучавањем фундаменталних саставних делова материје и зрачења.

Увод

Домен и циљеви

Физика се бави широким спектром феномена, од физике субатомских честица, до физике галаксија. У ово спадају најосновнији објекти од којих су сачињени сви остали објекти и зато се за физику понекад каже да је фундаментална наука.

Циљ физике је да опише различите феномене који се дешавају у природи путем простијих феномена. Стога је задатак физике да повеже ствари које се могу видети са њиховим узроцима, а затим да повеже ове узроке заједно како би се нашао ултимативни разлог зашто је природа таква кава је. На пример, древни Кинези су приметили да се нека врста камења (магнетит) привлаче или одбијају међусобно дејством неке невидљиве силе. Овај ефекат је касније назван магнетизам и први пут је озбиљно проучаван у 17. веку. Мало раније него Кинези, Стари Грци су знали да други предмети, као што је ћилибар протрљан крзном, изазивају слично привлачење или одбијање. Ово је такође први пут озбиљно проучавано у 17. веку и названо је електрицитетом. Даља истраживања у 19. веку су показала да су ове две силе само два различита аспекта једне силе - електромагнетизма. Процес „уједињавања сила“ се наставља и данас.

Научни метод

Класична физика примењена у акустичном инжењерингу за прављење модела звука који пролази кроз акустичну дифракциону решетку.

Физика користи научни метод да провери исправност неке физичке теорије, користећи методичан приступ да упореди импликације те теорије са закључцима добијеним из спроведених експеримената и посматрања. Експерименти и посматрања се сакупљају и пореде са предвиђањима и хипотезама које тврди теорија и тако помажу у одређивању истинитости или неистинитости теорије.

Теорије које су добро покривене подацима и нису никада пале на неком емпиријском тесту се често називају научни закони или закони природе. Све теорије, укључујући оне које се називају законима природе, се могу увек заменити прецизнијим, уопштенијим дефиницијама ако се пронађе неко неслагање теорије са прикупљеним подацима. Неки принципи, попут Њутнових закона кретања се још увек називају законима, иако се данас зна за неке случајеве у којима они не важе.

Теорија и експеримент

Теоретичари теже да развију математички модел који се и слаже са постојећим експериментима и који може успешно да предвиди будуће резултате, док експерименталисти смишљају и изводе експерименте да би проверили теоријска предвиђања, и истражили нове феномене. Иако се теорија и експерименти развијају посебно, они јако зависе један од другог. Напредак у физици често настаје када експерименталисти открију нешто ново што постојеће теорије не могу да открију, или када нове теорије изводе закључке које се могу проверити експериментално, што инспирише нове експерименте. У одсуству експеримента, теоријска истраживања могу да оду у погрешном правцу; постоје критике против тзв. М-теорије, популарне теорије у физици великих енергија, за коју ниједан практични експеримент није икада осмишљен. Физичари који раде на и на пољу теорије и на пољу експеримента се често називају феноменологичари.

Теоријска физика је блиско повезана са математиком, која обезбеђује језик физичких теорија, а велики делови математике, као што је математичка анализа, су специјално осмишљени да би се решили проблеми у физици. Теоретичари могу такође да се ослоне на нумеричку анализу и рачунарске симулације. Поља математичке физике и рачунарске физике су активна поља у истраживањима. Теоријска физика се у својој историји ослањала на филозофију и метафизику; на овај начин су спојене теорије електрицитета и магнетизма у електромагнетизам. Изван познатог универзума, поље теоријске физике се такође бави хипотетичким питањима као што су паралелни универзуми или више димензије. Физичари спекулишу о овим могућностима и из њих постављају теорије. Концепт онога шта се може сматрати хипотетичним се може променити током времена. На пример, неки физичари из 19. века су исмевали постојање атома. До краја Другог светског рата, атоми нису више били хипотетичка ствар.

Историја

Таблица механике из 1728. године

Од давнина су људи покушавали да схвате понашање и особине материје; зашто објекти падају на земљу када изгубе ослонац, зашто различити материјали имају различите особине, и слично. Тајновита је била и природа свемира, као на пример облик Земље, понашање и кретање Сунца и Месеца. Мноштво теорија је покушавало да објасни те појаве, али већина од њих на погрешан начин, јер никада нису биле потврђене огледом. Ипак постојало је неколико изузетака, као на пример Архимед који је извео неколико значајних и тачних закона механике и хидростатике.

Физика у старом веку

Аристотел је употребио за природу, у најопштијем смислу, име физика (φύσίς од φύση - природан) и тако је увео данашње име за физику у као општу науку о природи, а човека који се на логички начин бави општим истинама о природи назвао је физичар (φυσικός). Римски стоици за физику употребљавали име филозофија природе. Физика се кроз историју значајно мењала и издвајањем других природних наука њено поље истраживања сужавано је.

Физика у 16. веку

Модерна физика која истражује материју и енергију као и процесе са правилностима по којима постоји неживи део природе настала је у новом веку. Галилео Галилеј (1564-1642) је увео огледе као начин проверавања физичких теорија и успешно је формулисао и огледима потврдио неколико закона динамике, као што је закон инерције.

Физика у 17. веку

Истражујући силу којом Сунце привлачи Земљу 1687. године Исак Њутн (1642-1727) је објавио Математичке принципе природне филозофије, (Principia Mathematica Philosophia Naturalis), његово чувено дело у којем су детаљно изложени Њутнови закони кретања, на којима почива класична механика; и Њутнов закон гравитације, који описује једну од четири основне силе у природи, гравитацију. Обе ове теорије су се слагале са извршеним огледима. Класичној механици су такође значајно допринели Лагранж, Хамилтон, и други, који су открили нове формулације, принципе и резултате. Закон гравитације је подстакао и развој астрофизике, који описује астрономске појаве физичким теоријама..

Физика у 18. веку

Од 18. века па надаље, термодинамика је доживела значајна открића која су имали Бојл, Јанг, и многи други. Бернули је користио статистичке методе са класичном механиком да би извео термодинамичке резултате 1733. године, иницирајући тиме развој статистичке механике. Томпсон је демонстрирао претварање механичког рада у топлоту 1798. године.

Физика у 19. веку

Године 1847, Џул је формулисао закон о одржању енергије, било у облику топлоте или механичке енергије. Електрицитет и магнетизам су проучавали Фарадеј, Ом, и други. 1855. године, Максвел је ујединио ове две појаве у јединствену теорију електромагнетизма, и описао их је Максвеловим једначинама. Ова теорија је претпоставила да је светлост електромагнетни талас.

Вилхелм К. Рендген (нем. Wilhelm Conrad Roentgen; 1845-1923) открио је 1895. године зраке који су могли да прођу кроз непровидне материје, каква је човекова рука, и назвао их је X-зраци, а те зраке данас зовемо рендгенским зрацима. Ти зраци су електромагнетно зрачење високе фреквенције. Радиоактивност је открио 1896.године Хенри Бекерел, а даље су је проучавали Пјер Кири, Марија Кири и други. Ово је поставило темеље новом пољу нуклеарне физике.

Томсон је открио електрон 1897. године, једну од основних честица носиоца наелектрисања. Он је 1904. године предложио је први модел атома. (Постојање атома је познато још од 1808. године, када га је предвидео Далтон.

Физика у 20. веку

Иако је чигра играчка која потиче још пре три и по хиљаде година пре нове ере, педесетих година 20. века је поново привукла пажњу. Окретање кинеских чигри је феномен у физици.

1905. године, Ајнштајн је уобличио теорију релативности (специјалну и општу), уједињавајући простор и време у јединствен ентитет и створио нову, релативистичку, теорију гравитације. Био је један од неколицине научника који су поставили темеље квантној физици.

Радерфорд је из огледа са расејањем алфа честица на атомима злата извео постојање компактног атомског језгра, са позитивно наелектрисаним јединицама протонима 1911. године. Неутрално наелектрисане честице, неутроне, је открио Чедвик, 1932.

Почетком 1900, Планк, Ајнштајн, Бор, и други су развили квантну теорију, да би објаснили аномалије у експерименталним резултатима, те су тада увели појам дискретних енергетских нивоа. 1925, Хајзенберг и Шредингер су формулисали квантну механику, која је објединила дотада стечена сазнања о квантном-микросвету и објаснила резултате многобројних експеримената. У квантној механици, исходи физичког мерења подлежу законима вероватноће; теорија је прописала начине и правила за израчунавање ових вероватноћа.

Квантна механика је такође развила теоретске алате за физику чврстог стања, која изучава физичка својства чврстих тела и физику флуида која проучава супстанције у течном стању, укључујући појаве као што су кристална структура, полупроводност и суперпроводност, као и суперфлуидност или течне кристале. Међу пионире ове области физике спада Блох, који је описао понашање електрона у кристалним структурама 1928.

Током Другог светског рата, све зараћене стране су истраживале нуклеарну физику, желећи да направе атомску бомбу. Немачки напори нису успели, али је савезнички Пројекат Менхетн остварио циљ. У Америци, тим предвођен Фермијем је остварио прву вештачки произведену нуклеарну ланчану реакцију 1942, а 1945. прва нуклеарна експлозија је изведена у Аламогорду, у Новом Мексику.

Квантна теорија поља је формулисана да би обезбедила конзистентност квантне механике и Специјалне теорије релативности. Свој модерни облик је достигла у касним 1940-тим радовима Фајнмана, Швингера, Томонаге и Дајсона. Они су формулисали теорију квантне електродинамике, која, квантним методама, описује електромагнетне интеракције.

Квантна теорија поља је обезбедила оквир за модерну теорију честица, која изучава основне силе природе и основне честице. 1954, Јанг и Милс су поставили темеље који су довели до стандардног модела, који је употпуњен 1970, и успешно описује све до сада познате честице.

Види још

• Класична механика
• Статистичка физика
• Електромагнетика
• Термодинамика
• Квантна механика
• Релативистичка физика
• Физика честица
• Нобелова награда за физику

Литература

• Асимов, Исак (1984). Историја физике (The History of Physics). Walker Publishing Company. ISBN 978-0-8027-0751-2. 
• Aaboe, A. (1991). „Mesopotamian Mathematics, Astronomy, and Astrology”. The Cambridge Ancient History. Volume III (2nd изд.). Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-22717-9. 
• Allen, D. (10. 04. 1997). „Calculus”. Texas A&M University. Архивирано из оригинала 23. 03. 2021. г. Приступљено 01. 4. 2014. 
• Ben-Chaim, M. (2004). Experimental Philosophy and the Birth of Empirical Science: Boyle, Locke and Newton. Aldershot: Ashgate. ISBN 978-0-7546-4091-2. OCLC 53887772. 
• Cajori, Florian (1917). A History of Physics in Its Elementary Branches: Including the Evolution of Physical Laboratories. Macmillan. 
• Cho, A. (13. 07. 2012). „Higgs Boson Makes Its Debut After Decades-Long Search”. Science. 337 (6091): 141—143. ISSN 0036-8075. PMID 22798574. doi:10.1126/science.337.6091.141. 
• Clagett, M. (1995). Ancient Egyptian Science. Volume 2. Philadelphia: American Philosophical Society. 
• Cohen, M.L. (2008). „Fifty Years of Condensed Matter Physics”. Physical Review Letters. 101 (5): 25001—25006. Bibcode:2008PhRvL.101y0001C. PMID 19113681. doi:10.1103/PhysRevLett.101.250001. 
• DØ Collaboration, 584 co-authors (12. 06. 2007). „Direct observation of the strange 'b' baryon $\Xi _{b}^{-}$”. arXiv:0706.1690v2  [hep-ex]. 
• Dijksterhuis, E.J. (1986). The mechanization of the world picture: Pythagoras to Newton. Princeton, New Jersey: Princeton University Press. ISBN 978-0-691-08403-9. Архивирано из оригинала 05. 08. 2011. г. Приступљено 25. 03. 2017. 
• DONUT (29. 06. 2001). „The Standard Model”. Fermilab. Приступљено 01. 4. 2014. 
• Feynman, R.P.; Leighton, R.B.; Sands, M. (1963). The Feynman Lectures on Physics. 1. ISBN 978-0-201-02116-5. 
• Feynman, R.P. (1965). The Character of Physical Law. ISBN 978-0-262-56003-0. 
• Godfrey-Smith, P. (2003). Theory and Reality: An Introduction to the Philosophy of Science. ISBN 978-0-226-30063-4. 
• Goldstein, S. (1969). „Fluid Mechanics in the First Half of this Century”. Annual Review of Fluid Mechanics. 1: 1—28. Bibcode:1969AnRFM...1....1G. doi:10.1146/annurev.fl.01.010169.000245. 
• Gribbin, J.R.; Gribbin, M.; Gribbin, J. (1998). Q is for Quantum: An Encyclopedia of Particle Physics. Free Press. ISBN 978-0-684-85578-3. 
• Grupen, Klaus (10. 07. 1999). „Instrumentation in Elementary Particle Physics: VIII ICFA School”. AIP Conference Proceedings. 536: 3—34. Bibcode:2000AIPC..536....3G. arXiv:physics/9906063 . doi:10.1063/1.1361756. 
• Guicciardini, N. (1999). Reading the Principia: The Debate on Newton's Methods for Natural Philosophy from 1687 to 1736. New York: Cambridge University Press. 
• Halpern, P. (2010). Collider: The Search for the World's Smallest Particles. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-64391-4. 
• Hawking, S.; Penrose, R. (1996). The Nature of Space and Time. ISBN 978-0-691-05084-3. 
• Holzner, S. (2006). Physics for Dummies. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-61841-7. „Physics is the study of your world and the world and universe around you.” 
• Honderich, T. (editor) (1995). The Oxford Companion to Philosophy (1 изд.). Oxford: Oxford University Press. стр. 474–476. ISBN 978-0-19-866132-0. CS1 одржавање: Текст вишка: списак аутора (веза)
• Howard, Ian; Rogers, Brian (1995). Binocular Vision and Stereopsis. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-508476-4. 
• Kellert, S.H. (1993). In the Wake of Chaos: Unpredictable Order in Dynamical Systems. University of Chicago Press. ISBN 978-0-226-42976-2. 
• Kerr, R.A. (16. 10. 2009). „Tying Up the Solar System With a Ribbon of Charged Particles”. Science. 326 (5951). стр. 350—351. Приступљено 27. 11. 2009. 
• Krupp, E.C. (2003). Echoes of the Ancient Skies: The Astronomy of Lost Civilizations. Dover Publications. ISBN 978-0-486-42882-6. Приступљено 31. 03. 2014. 
• Laplace, P.S. (1951). A Philosophical Essay on Probabilities. Translated from the 6th French edition by Truscott, F.W. and Emory, F.L. New York: Dover Publications. 
• Leggett, A.J. (1999). „Superfluidity”. Reviews of Modern Physics. 71 (2): S318—S323. Bibcode:1999RvMPS..71..318L. doi:10.1103/RevModPhys.71.S318. 
• Levy, B.G. „Cornell, Ketterle, and Wieman Share Nobel Prize for Bose-Einstein Condensates”. Physics Today. 54 (12): 14. Bibcode:2001PhT....54l..14L. doi:10.1063/1.1445529. Архивирано из оригинала 15. 05. 2016. г. Приступљено 25. 03. 2017. 
• Lloyd, G.E.R. (1970). Early Greek Science: Thales to Aristotle. London; New York: Chatto and Windus; W. W. Norton & Company. ISBN 978-0-393-00583-7. 
• Mattis, D.C. (2006). The Theory of Magnetism Made Simple. World Scientific. ISBN 978-981-238-579-6. 
• Maxwell, J.C. (1878). Matter and Motion. D. Van Nostrand. ISBN 978-0-486-66895-6. 
• Moore, J.T. (2011). Chemistry For Dummies (2 изд.). John Wiley & Sons. ISBN 978-1-118-00730-3. 
• National Research Council; Committee on Technology for Future Naval Forces (1997). Technology for the United States Navy and Marine Corps, 2000–2035 Becoming a 21st-Century Force: Volume 9: Modeling and Simulation. Washington, DC: The National Academies Press. ISBN 978-0-309-05928-2. 
• O'Connor, J.J.; Robertson, E.F. (1996). „Special Relativity”. MacTutor History of Mathematics archive. University of St Andrews. Приступљено 01. 4. 2014. 
• O'Connor, J.J.; Robertson, E.F. (1996b). „A History of Quantum Mechanics”. MacTutor History of Mathematics archive. University of St Andrews. Архивирано из оригинала 28. 10. 2019. г. Приступљено 01. 4. 2014. 
• Oerter, R. (2006). The Theory of Almost Everything: The Standard Model, the Unsung Triumph of Modern Physics. Pi Press. ISBN 978-0-13-236678-6. 
• Penrose, R.; Shimony, A.; Cartwright, N.; Hawking, S. (1997). The Large, the Small and the Human Mind. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-78572-3. 
• Penrose, R. (2004). The Road to Reality. ISBN 978-0-679-45443-4. 
• Rosenberg, Alex (2006). Philosophy of Science. Routledge. ISBN 978-0-415-34317-6. 
• Schrödinger, E. (1983). My View of the World. Ox Bow Press. ISBN 978-0-918024-30-5. 
• Schrödinger, E. (1995). The Interpretation of Quantum Mechanics. Ox Bow Press. ISBN 978-1-881987-09-3. 
• Singer, C. (2008). A Short History of Science to the 19th Century. Streeter Press. 
• Stajic, Jelena; Coontz, R.; Osborne, I. (08. 4. 2011). „Happy 100th, Superconductivity!”. Science. 332 (6026): 189. Bibcode:2011Sci...332..189S. PMID 21474747. doi:10.1126/science.332.6026.189. 
• Taylor, P.L.; Heinonen, O. (2002). A Quantum Approach to Condensed Matter Physics. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-77827-5. 
• Thurston, H. (1994). Early Astronomy. Springer. 
• Tipler, Paul; Llewellyn, Ralph (2003). Modern Physics. W. H. Freeman. ISBN 978-0-7167-4345-3. 
• Toraldo Di Francia, G. (1976). The Investigation of the Physical World. ISBN 978-0-521-29925-1. 
• Walsh, K.M. (01. 6. 2012). „Plotting the Future for Computing in High-Energy and Nuclear Physics”. Brookhaven National Laboratory. Приступљено 18. 10. 2012. 
• Young, H.D.; Freedman, R.A. (2014). Sears and Zemansky's University Physics with Modern Physics Technology Update (13th изд.). Pearson Education. ISBN 978-1-292-02063-1. 
• Peter Woit (January 2017). Fake Physics,
• Логос, Александар А. (2017). Путовање мисли : увод у потрагу за истином. Београд. 

Спољашње везе

• Encyclopedia of Physics at Scholarpedia
• PhysicsCentral – Web portal run by the American Physical Society
• Physics.org Архивирано на сајту Wayback Machine (2. септембар 2004) – Web portal run by the Institute of Physics Архивирано на сајту Wayback Machine (21. мај 2019)
• The Skeptic's Guide to Physics Архивирано на сајту Wayback Machine (7. фебруар 2016)
• Usenet Physics FAQ – A FAQ compiled by sci.physics and other physics newsgroups
• Website of the Nobel Prize in physics Архивирано на сајту Wayback Machine (16. јануар 2009)
• World of Physics An online encyclopedic dictionary of physics
• Nature: Physics
• Physics announced 17 July 2008 by the American Physical Society
• Physics/Publications на сајту Curlie (језик: енглески)
• Physicsworld.com – News website from Institute of Physics Publishing Архивирано на сајту Wayback Machine (12. јул 2012)
• Physics Central Архивирано на сајту Wayback Machine (24. јун 2013) – includes articles on astronomy, particle physics, and mathematics.