فیزیک
فیزیک یک علم طبیعی است که ماده ، حرکت و رفتار آن را در فضا و زمان و موجودات مربوط به انرژی و نیرو مورد مطالعه قرار می دهد. [۲] فیزیک یکی از اساسی ترین رشته های علمی است و هدف اصلی آن درک نحوه رفتار جهان است.
فیزیک یکی از قدیمی ترین رشته های دانشگاهی است و از جمله شامل نجوم ، شاید قدیمی ترین باشد.در بیشتر دو هزاره گذشته ، فیزیک ، شیمی ، زیست شناسی و شاخه های خاصی از ریاضیات بخشی از فلسفه طبیعی بودند ، اما در طول انقلاب علمی در قرن هفدهم این علوم طبیعی به عنوان تلاش های تحقیقاتی منحصر به فرد در نوع خود پدید آمد. فیزیک با بسیاری از زمینه های بین رشته ای تحقیق مانند بیوفیزیک و شیمی کوانتومی تلاقی می کند و مرزهای فیزیک به طور دقیق مشخص نشده است. ایده های جدید در فیزیک غالباً مکانیسم های اساسی مورد مطالعه سایر علوم را توضیح می دهند و راه های جدیدی برای تحقیق در رشته های دانشگاهی مانند ریاضیات و فلسفه پیشنهاد می دهند.
پیشرفت های فیزیک اغلب باعث پیشرفت فناوری های جدید می شود. به عنوان مثال ، پیشرفت در درک الکترومغناطیس ، فیزیک حالت جامد و فیزیک هسته ای مستقیماً منجر به توسعه محصولات جدیدی شد که جامعه امروزی را به طرز چشمگیری تغییر داده است ، مانند تلویزیون ، رایانه ، لوازم خانگی و سلاح های هسته ای ؛ پیشرفت در ترمودینامیک منجر به توسعه صنعتی شد. و پیشرفت در مکانیک الهام بخش توسعه حساب بود
تاریخچه
کلمه “فیزیک” از یونانی باستان آمده است: φυσική (ἐπιστήμη) ، رومی شده: physikḗ (epistḗmē) ، به معنی “شناخت طبیعت”.
نجوم باستانی
نجوم یکی از قدیمی ترین علوم طبیعی است. تمدنهای اولیه قبل از ۳۰۰۰ قبل از میلاد مانند سومری ها ، مصریان باستان و تمدن دره سند از دانش پیش بینی کننده و آگاهی اولیه از حرکت خورشید ، ماه و ستاره ها برخوردار بودند. ستارگان و سیارات ، که تصور می شد نشان دهنده خدایان هستند ، اغلب مورد پرستش قرار می گرفتند. در حالی که توضیحات مربوط به موقعیت های مشاهده شده ستارگان اغلب غیرعلمی و فاقد شواهد بود ، این مشاهدات اولیه پایه و اساس نجوم بعدی را ایجاد کرد ، زیرا مشخص شد که ستارگان دایره های بزرگی را در آسمان می پیمایند ، که با این حال توضیح نمی دهد. موقعیت سیارات
به گفته Asger Aaboe ، ریشه های نجوم غربی را می توان در بین النهرین یافت و همه تلاشهای غرب در علوم دقیق برگرفته از نجوم اواخر بابل است.اخترشناسان مصری بناهایی را به جا گذاشتند که نشان از دانش صور فلکی و حرکت اجرام آسمانی دارد ،در حالی که هومر شاعر یونانی از اجرام مختلف آسمانی در ایلیاد و اودیسه خود می نویسد. ستاره شناسان یونانی بعدها نام هایی را که امروزه نیز استفاده می شود ، برای اکثر صورت های فلکی قابل مشاهده از نیمکره شمالی ارائه کردند.
فلسفه طبیعی
ریشه فلسفه طبیعی در یونان در دوره باستان شناسی (۶۵۰ قبل از میلاد-۴۸۰ قبل از میلاد) است ، زمانی که فیلسوفان پیش سقراطی مانند تالس توضیحات غیرطبیعی برای پدیده های طبیعی را رد کردند و اعلام کردند که هر رویدادی علت طبیعی دارد. آنها ایده هایی را ارائه کردند که با استدلال و مشاهده تأیید شده بودند و بسیاری از فرضیه های آنها در آزمایش موفقیت آمیز بود ؛ به عنوان مثال ، اتمیسم تقریباً ۲۰۰۰ سال پس از پیشنهاد لوسیپوس و شاگردش دموکریتوس درست تشخیص داده شد.
قرون وسطی اروپایی و اسلامی
علم اروپا در قرون وسطی و فیزیک در جهان اسلام قرون وسطی
امپراتوری روم غربی در قرن پنجم سقوط کرد و این منجر به کاهش فعالیت های فکری در بخش غربی اروپا شد. در مقابل ، امپراتوری روم شرقی (همچنین به عنوان امپراتوری بیزانس شناخته می شود) در برابر حملات بربرها مقاومت کرد و زمینه های مختلف یادگیری از جمله فیزیک را پیش برد.
در قرن ششم ، ایزیدور میلتی مجموعه ای مهم از آثار ارشمیدس ایجاد کرد که در ارشمیدس پالیمپست کپی شده است.در اروپای قرن ششم جان فیلوپونوس ، دانشمند بیزانسی ، آموزش فیزیک ارسطو را زیر سال برد و اشکالات آن را ذکر کرد. وی نظریه انگیزه را مطرح کرد. فیزیک ارسطو تا زمان ظهور فیلوپونوس مورد بررسی دقیق قرار نگرفت. برخلاف ارسطو ، که فیزیک خود را بر مبنای بحث لفظی بنا کرده بود ، فیلوپونوس بر مشاهده متکی بود. فیلوپونوس در فیزیک ارسطو نوشت:
اما این کاملاً اشتباه است و ممکن است دیدگاه ما با مشاهده واقعی موثرتر از هر نوع بحث کلامی تأیید شود. زیرا اگر اجازه دهید از یک ارتفاع دو وزنه که یکی از آنها چندین برابر وزن دیگر است سقوط کنید ، خواهید دید که نسبت زمان لازم برای حرکت به نسبت وزنه ها بستگی ندارد ، بلکه تفاوت در زمان بسیار کوچک است و بنابراین ، اگر تفاوت وزن ها قابل توجه نباشد ، یعنی یکی از آنها ، فرض کنیم دو برابر دیگری است ، هیچ تفاوتی ، یا در غیر این صورت ، یک تفاوت نامحسوس در زمان وجود نخواهد داشت ، اگرچه تفاوت وزن به به هیچ وجه قابل اغماض نیست ، زیرا وزن یک بدن دو برابر بدن دیگر است.
انتقاد فیلوپونوس از اصول فیزیک ارسطویی ، ده قرن بعد ، در طول انقلاب علمی ، الهام بخش گالیله گالیله بود. گالیله وقتی استدلال می کرد که فیزیک ارسطویی دارای اشکال است ، به طور قابل ملاحظه ای از فیلوپونوس در آثار خود نام برد.در دهه ۱۳۰۰ ژان بوریدان ، معلم دانشکده هنرهای دانشگاه پاریس ، مفهوم انگیزه را توسعه داد. این گامی به سوی ایده های مدرن اینرسی و حرکت بود.
دانش اسلامی فیزیک ارسطویی را از یونانیان به ارث برده و در دوران طلایی اسلامی آن را بیشتر توسعه داد ، به ویژه با تأکید بر مشاهده و استدلال پیشینی ، شکلهای اولیه روش علمی را توسعه داد.
قابل توجه ترین نوآوری ها در زمینه بینایی و بینایی بود که از آثار بسیاری از دانشمندان مانند ابن سهل ، الکندی ، ابن هیثم ، الفریسی و ابن سینا ناشی شد. برجسته ترین اثر ، کتاب اپتیک (معروف به کتاب المنیر) است که توسط ابن هیثم نوشته شده است و در آن وی ایده یونانی باستان را در مورد بینایی به طور قطعی رد کرد ، اما همچنین آمد
با یک نظریه جدید در این کتاب ، او مطالعه ای در مورد پدیده دوربین تاریک (نسخه هزار ساله وی از دوربین پین چاله) ارائه داد و بیشتر در مورد نحوه عملکرد خود چشم تحقیق کرد. با استفاده از تجزیه و تحلیل و دانش دانشمندان قبلی ، او توانست توضیح دهد که چگونه نور وارد چشم می شود. او تأکید کرد که اشعه نور متمرکز است ، اما توضیح واقعی چگونگی تابش نور به پشت چشم باید تا سال ۱۶۰۴ منتظر بماند. رساله او درباره نور ، تاری دوربین را صدها سال قبل از توسعه مدرن عکاسی توضیح داد.
کتاب هفت جلدی اپتیک (کتاب المنتیر) به مدت بیش از ۶۰۰ سال بر تفکر در رشته های مختلف از نظریه ادراک بصری تا ماهیت چشم انداز در هنر قرون وسطایی ، چه در شرق و چه در غرب ، تأثیر بسزایی داشت. بسیاری از دانشمندان اروپایی و همکاران چندمثل خود ، از روبرت گروستسته و لئوناردو داوینچی گرفته تا رنه دکارت ، یوهانس کپلر و اسحاق نیوتن ، بدهکار او بودند. در واقع ، تأثیر اپتیک ابن الهیثم در کنار آثار نیوتون با همین عنوان ، که ۷۰۰ سال بعد منتشر شد ، رتبه بندی می شود.
ترجمه کتاب اپتیک تأثیر زیادی بر اروپا داشت. با استفاده از آن ، دانشمندان اروپایی بعداً توانستند وسایلی را بسازند که ابن الهیثم ساخته بود ، و نحوه عملکرد نور را درک کنند. از این رو ، موارد مهمی مانند عینک ، ذره بین ، تلسکوپ و دوربین توسعه داده شد.
کلاسیک
وقتی اروپاییان اولیه مدرن از روشهای تجربی و کمی برای کشف آنچه امروزه قوانین فیزیک در نظر گرفته می شود ، فیزیک به یک علم جداگانه تبدیل شد.
پیشرفتهای عمده در این دوره شامل جایگزینی مدل ژئوسنتریک منظومه شمسی با مدل کوپرنیکی هلیوسنتریک ، قوانین حاکم بر حرکت اجرام سیاره ای توسط کپلر بین سالهای ۱۶۰۹ تا ۱۶۱۹ ، پیشگامان کار روی تلسکوپها و نجوم رصدی توسط گالیله در شانزدهم است. و قرن هفدهم ، و نیوتن کشف و متحد شدن قوانین حرکت و گرانش جهانی که نام او را به همراه خواهد داشت. نیوتن همچنین محاسبه ، مطالعه ریاضی تغییر ، که روشهای ریاضی جدیدی را برای حل مسائل فیزیکی ارائه می دهد ، توسعه داد.
کشف قوانین جدید در ترمودینامیک ، شیمی و الکترومغناطیس ناشی از تلاش های بیشتر تحقیقاتی در طول انقلاب صنعتی با افزایش نیازهای انرژی بود.قوانین متشکل از فیزیک کلاسیک همچنان برای اجسام مقیاس روزمره که با سرعتهای غیر نسبی حرکت می کنند بسیار مورد استفاده قرار می گیرد ، زیرا در چنین شرایطی تقریبی بسیار نزدیک ارائه می دهند و نظریه هایی مانند مکانیک کوانتومی و نظریه نسبیت در معادلات کلاسیک خود در چنین مواردی ساده می شوند. ترازو با این حال ، عدم دقت در مکانیک کلاسیک برای اجسام بسیار کوچک و سرعتهای بسیار زیاد منجر به توسعه فیزیک مدرن در قرن بیستم شد.
مدرن
فیزیک مدرن در اوایل قرن بیستم با کار ماکس پلانک در نظریه کوانتوم و نظریه نسبیت آلبرت اینشتین آغاز شد. هر دوی این نظریه ها به دلیل عدم دقت در مکانیک کلاسیک در شرایط خاص به وجود آمد. مکانیک های کلاسیک سرعت متفاوتی از نور را پیش بینی کردند که با سرعت ثابت پیش بینی شده توسط معادلات الکترومغناطیس ماکسول قابل حل نیست. این اختلاف با نظریه نسبیت خاص اینشتین اصلاح شد ، که مکانیک های کلاسیک را برای اجسام با حرکت سریع جایگزین کرد و سرعت ثابت نور را امکان پذیر کرد.
تشعشع جسم سیاه مشکل دیگری را برای فیزیک کلاسیک ایجاد کرد ، که وقتی پلانک پیشنهاد کرد که تحریک نوسان سازهای ماده فقط در مراحل گسسته متناسب با فرکانس آنها امکان پذیر است ، این مشکل برطرف شد. این ، همراه با اثر فوتوالکتریک و نظریه ای کامل که سطح انرژی گسسته مدارهای الکترون را پیش بینی می کند ، منجر به تئوری مکانیک کوانتومی شد که از فیزیک کلاسیک در مقیاس های بسیار کوچک استفاده می کرد.
مکانیک کوانتومی توسط ورنر هایزنبرگ ، اروین شرودینگر و پل دیراک پیشگام شد.از این کار اولیه و کار در زمینه های مرتبط ، مدل استاندارد فیزیک ذرات استخراج شد. به دنبال کشف ذره ای با خواص سازگار با بوزون هیگز در CERN در سال ۲۰۱۲ ، به نظر می رسد همه ذرات اساسی پیش بینی شده توسط مدل استاندارد ، و هیچ چیز دیگری وجود ندارد. با این حال ، فیزیک فراتر از مدل استاندارد ، با نظریه هایی مانند ابرتقارن ، یک منطقه فعال تحقیق است.به طور کلی حوزه های ریاضیات در این زمینه مهم هستند ، مانند مطالعه احتمالات و گروه ها.
فلسفه
از جهات مختلف ، فیزیک از فلسفه یونان باستان نشأت می گیرد. از اولین تلاش تالس برای توصیف ماده ، تا استنباط دموکریتوس که ماده باید به حالت نامتغیر کاهش یابد ، نجوم بطلمیوسی یک فلک متبلور و کتاب فیزیک ارسطو (کتاب اولیه فیزیک ، که سعی در تحلیل و تعریف حرکت از فیلسوفان مختلف یونانی نظریه های خود را درباره طبیعت ارائه کردند. فیزیک تا اواخر قرن ۱۸ به عنوان فلسفه طبیعی شناخته می شد.
در قرن نوزدهم ، فیزیک به عنوان رشته ای متمایز از فلسفه و سایر علوم تحقق یافت. فیزیک ، مانند سایر علوم ، بر فلسفه علم و “روش علمی” آن تکیه می کند تا دانش ما را از جهان فیزیکی ارتقا دهد.روش علمی از استدلال پیشینی و استدلال پسینی استفاده می کند و از استنباط بیزی برای سنجش اعتبار یک نظریه معین استفاده می کند.
توسعه فیزیک به بسیاری از سوالات فیلسوفان اولیه پاسخ داده است ، اما س questionsالات جدیدی را نیز مطرح کرده است. مطالعه مسائل فلسفی پیرامون فیزیک ، فلسفه فیزیک ، شامل مسائلی مانند ماهیت فضا و زمان ، جبرگرایی و دیدگاه های متافیزیکی مانند تجربه گرایی ، طبیعت گرایی و واقع گرایی است.
بسیاری از فیزیکدانان درباره مفاهیم فلسفی کار خود نوشته اند ، به عنوان مثال لاپلاس ، که از جبرگرایی علت حمایت می کرد ،و شرودینگر ، که در زمینه مکانیک کوانتوم نوشت.راجر پنروز فیزیکدان ریاضی توسط استفان هاوکینگ افلاطونی خوانده شده بود ،دیدگاهی که پنروز در کتابش به نام راه به سوی واقعیت مورد بحث قرار می دهد.هاوکینگ از خود به عنوان “کاهش دهنده بدون شرم” یاد کرد و با نظرات پنروز مخالفت کرد.
شاخه های فیزیک و طرح کلی فیزیک
اگرچه فیزیک با انواع مختلفی از سیستم ها سروکار دارد ، اما نظریه های خاصی توسط همه فیزیکدانان مورد استفاده قرار می گیرد. هر یک از این نظریه ها بارها به صورت تجربی مورد آزمایش قرار گرفتند و مشخص شد که تقریبی مناسب از طبیعت است. به عنوان مثال ، نظریه مکانیک کلاسیک حرکت اجسام را به طور دقیق توصیف می کند ، مشروط بر اینکه آنها بسیار بزرگتر از اتم باشند و با سرعت بسیار کمتری از نور حرکت کنند. این نظریه ها امروزه همچنان در زمینه تحقیقات فعال هستند. نظریه آشوب ، جنبه قابل توجه مکانیک کلاسیک ، در قرن بیستم ، سه قرن پس از تدوین اصلی مکانیک کلاسیک توسط نیوتن (۱۶۴۲-۱۷۲۷) کشف شد.
این نظریه های اصلی ابزار مهمی برای تحقیق در موضوعات تخصصی تر هستند و انتظار می رود که هر فیزیکدان ، صرف نظر از تخصص آنها ، در آنها سواد داشته باشد. اینها شامل مکانیک کلاسیک ، مکانیک کوانتومی ، ترمودینامیک و مکانیک آماری ، الکترومغناطیس و نسبیت خاص است.
فیزیک کلاسیک
فیزیک کلاسیک شامل شاخه ها و موضوعات سنتی است که قبل از آغاز قرن بیستم شناخته و توسعه یافته بود-مکانیک کلاسیک ، آکوستیک ، اپتیک ، ترمودینامیک و الکترومغناطیس. مکانیک کلاسیک مربوط به اجسامی است که توسط نیروها و اجسام در حال حرکت عمل می کنند و ممکن است به استاتیک (مطالعه نیروهای روی بدن یا اجسامی که شتاب ندارند) ، سینماتیک (مطالعه حرکت بدون در نظر گرفتن علل آن) و پویایی (مطالعه حرکت و نیروهای موثر بر آن) ؛ مکانیک همچنین ممکن است به مکانیک جامد و مکانیک سیالات (که به عنوان مکانیک پیوسته شناخته می شوند) تقسیم شود ، دومی شامل شاخه هایی مانند هیدرواستاتیک ، هیدرودینامیک ، آیرودینامیک و پنوماتیک است. آکوستیک مطالعه نحوه تولید ، کنترل ، انتقال و دریافت صدا است.شاخه های مهم مدرن آکوستیک شامل فراصوت ، مطالعه امواج صوتی با فرکانس بسیار زیاد فراتر از محدوده شنوایی انسان است. بیوآکوستیک ، فیزیک تماس ها و شنوایی حیوانات ،و الکتروآکوستیک ، دستکاری امواج صوتی قابل شنیدن با استفاده از وسایل الکترونیکی.
نورشناسی
مطالعه نور ، نه تنها به نور مرئی بلکه به تابش مادون قرمز و ماوراء بنفش نیز مربوط می شود ، که همه پدیده های نور مرئی را به جز دید ، مانند بازتاب ، شکست ، تداخل ، پراش ، پراکندگی و قطبش نور نشان می دهد. به گرما شکلی از انرژی است ، انرژی درونی که ذرات آن از یک ماده تشکیل شده است. ترمودینامیک به روابط بین گرما و سایر اشکال انرژی می پردازد. الکتریسیته و مغناطیس به عنوان یکی از شاخه های فیزیک مورد مطالعه قرار گرفته است ، زیرا ارتباط صمیمی بین آنها در اوایل قرن ۱۹ کشف شد. جریان الکتریکی باعث ایجاد میدان مغناطیسی می شود و تغییر میدان مغناطیسی باعث ایجاد جریان الکتریکی می شود. الکترواستاتیک با بارهای الکتریکی در حالت استراحت ، الکترودینامیک با بارهای متحرک و مغناطیس استاتیک با قطب های مغناطیسی در حالت استراحت سروکار دارد.
فیزیک کلاسیک عموماً در مقیاس عادی رصد مواد و انرژی است ، در حالی که بیشتر فیزیک مدرن به رفتار ماده و انرژی در شرایط شدید یا در مقیاس بسیار بزرگ یا بسیار کوچک توجه دارد. به عنوان مثال ، فیزیک اتمی و هسته ای در کوچکترین مقیاسی که می توان عناصر شیمیایی را شناسایی کرد ، مطالب را مطالعه می کنند. فیزیک ذرات بنیادی در مقیاس حتی کوچکتری قرار دارد زیرا به اساسی ترین واحدهای ماده مربوط می شود. این شاخه از فیزیک همچنین به عنوان فیزیک پرانرژی شناخته می شود زیرا انرژی فوق العاده بالایی است که برای تولید انواع مختلف ذرات در شتاب دهنده های ذرات ضروری است. در این مقیاس ، مفاهیم عادی و غیرمعمول فضا ، زمان ، ماده و انرژی دیگر معتبر نیستند.
دو نظریه اصلی فیزیک مدرن تصویری متفاوت از مفاهیم فضا ، زمان و ماده ارائه می دهند که از فیزیک کلاسیک ارائه شده است. مکانیک کلاسیک طبیعت را پیوسته ارزیابی می کند ، در حالی که نظریه کوانتوم به ماهیت گسسته بسیاری از پدیده ها در سطح اتمی و زیر اتمی و جنبه های مکمل ذرات و امواج در توصیف چنین پدیده هایی توجه دارد. نظریه نسبیت به توصیف پدیده هایی می پردازد که در چارچوب مرجعی که نسبت به ناظر در حال حرکت است اتفاق می افتد. نظریه نسبیت خاص مربوط به حرکت در غیاب میدان های گرانشی و نظریه نسبیت عام با حرکت و ارتباط آن با گرانش است. هم نظریه کوانتوم و هم نظریه نسبیت در همه زمینه های فیزیک مدرن کاربردهایی پیدا می کنند.
- مفاهیم بنیادی در فیزیک مدرن
- علیت
- کوواریانس
- عمل
- زمینه فیزیکی
- تقارن
- تعامل فیزیکی
- مجموعه آماری
- کوانتومی
- موج
- ذره
تفاوت
در حالی که هدف فیزیک کشف قوانین جهانی است ، نظریه های آن در حوزه های کاربردی آشکار نهفته است.
قوانین فیزیک کلاسیک ، سیستم هایی را که مقیاس های طولی مهمتر از مقیاس اتمی و حرکت آنها بسیار کندتر از سرعت نور است ، به طور دقیق توصیف می کند. خارج از این حوزه ، مشاهدات با پیش بینی های ارائه شده توسط مکانیک کلاسیک مطابقت ندارد. اینشتین در چارچوب نسبیت خاص که مفاهیم زمان و مکان مطلق را با فضا -زمان جایگزین کرد و توصیف دقیقی از سیستم هایی را که اجزای آنها دارای سرعت نزدیک شدن به سرعت نور هستند ، ارائه کرد. پلانک ، شرودینگر و دیگران مکانیک کوانتومی را معرفی کردند ، تصوری احتمالی از ذرات و فعل و انفعالات که امکان توضیح دقیق مقیاس های اتمی و زیر اتمی را فراهم کرد. بعدها ، نظریه میدان کوانتومی مکانیک کوانتومی و نسبیت خاص را یکپارچه کرد. نسبیت عام اجازه فضاسازی پویا و منحنی را می دهد که با آن سیستم های بسیار عظیم و ساختار مقیاس بزرگ جهان را می توان به خوبی توصیف کرد. نسبیت عام هنوز با دیگر توصیفات اساسی یکپارچه نشده است. چندین نظریه کاندید گرانش کوانتومی در حال توسعه است.
ارتباط با سایر زمینه ها
ریاضیات یک زبان فشرده و دقیق ارائه می دهد که برای توصیف نظم در طبیعت استفاده می شود. این توسط فیثاغورث ، افلاطون ، گالیله و نیوتن مورد توجه و حمایت قرار گرفت.
فیزیک از ریاضیات برای سازماندهی و تدوین نتایج تجربی استفاده می کند. از این نتایج ، راه حل های دقیق یا برآوردی بدست می آید ، نتایج کمی که از آنها می توان پیش بینی های جدیدی انجام داد و به صورت تجربی تأیید یا رد شد. نتایج آزمایشات فیزیک داده های عددی است ، با واحد اندازه گیری آنها و برآورد خطاهای اندازه گیری. فن آوری های مبتنی بر ریاضیات ، مانند محاسبات ، فیزیک محاسباتی را به یک منطقه فعال تحقیقاتی تبدیل کرده است.
هستی شناسی پیش نیاز فیزیک است ، اما ریاضی نیست. این بدان معناست که فیزیک در نهایت به توصیف جهان واقعی می پردازد ، در حالی که ریاضیات به الگوهای انتزاعی ، حتی فراتر از دنیای واقعی ، توجه دارد. بنابراین گزاره های فیزیک ترکیبی هستند ، در حالی که گزاره های ریاضی تجزیه و تحلیل هستند. ریاضیات شامل فرضیه ها است ، در حالی که فیزیک شامل نظریه ها است. گزاره های ریاضی فقط باید از نظر منطقی درست باشند ، در حالی که پیش بینی های فیزیک باید با داده های مشاهده شده و تجربی مطابقت داشته باشد.
این تمایز کاملاً واضح است ، اما همیشه آشکار نیست. به عنوان مثال ، فیزیک ریاضی کاربرد ریاضیات در فیزیک است. روشهای آن ریاضی است ، اما موضوع آن فیزیکی است. مشکلات در این زمینه با “مدل ریاضی یک وضعیت فیزیکی” (سیستم) و “توصیف ریاضی یک قانون فیزیکی” شروع می شود که در آن سیستم اعمال می شود. هر گزاره ریاضی که برای حل مورد استفاده قرار می گیرد ، دارای معنای فیزیکی سختی است. راه حل نهایی ریاضی معنی آسان تری برای یافتن دارد ، زیرا این همان چیزی است که حل کننده به دنبال آن است.
فیزیک محض شاخه ای از علوم بنیادی است (که به آن علوم پایه نیز گفته می شود. فیزیک نیز “علم بنیادین” نامیده می شود زیرا همه شاخه های علوم طبیعی مانند شیمی ، نجوم ، زمین شناسی و زیست شناسی با قوانین فیزیک محدود شده اند. به طور مشابه ، شیمی اغلب به دلیل نقش آن در پیوند علوم فیزیکی ، علم مرکزی نامیده می شود. به عنوان مثال ، شیمی خواص ، ساختارها و واکنشهای ماده را مطالعه می کند (تمرکز شیمی بر مقیاس مولکولی و اتمی آن را از فیزیک متمایز می کند). ساختارها به این دلیل شکل می گیرند که ذرات نیروهای الکتریکی را بر یکدیگر اعمال می کنند ، خواص شامل ویژگی های فیزیکی مواد معین است و واکنشها با قوانین فیزیک مانند حفظ انرژی ، جرم و بار محدود می شوند. فیزیک در صنایع مانند مهندسی و پزشکی کاربرد دارد.
کاربرد و نفوذ
فیزیک کاربردی یک اصطلاح عمومی برای تحقیقات فیزیک است که برای استفاده خاصی در نظر گرفته شده است. برنامه درسی فیزیک کاربردی معمولاً شامل چند کلاس در یک رشته کاربردی ، مانند زمین شناسی یا مهندسی برق است. این معمولاً با مهندسی متفاوت است زیرا یک فیزیکدان کاربردی ممکن است چیزی خاص طراحی نکند ، بلکه از فیزیک استفاده می کند یا تحقیقات فیزیکی را با هدف توسعه فناوری های جدید یا حل یک مشکل انجام می دهد.
رویکرد مشابه ریاضیات کاربردی است. فیزیکدانان کاربردی از فیزیک در تحقیقات علمی استفاده می کنند. به عنوان مثال ، افرادی که روی فیزیک شتاب دهنده کار می کنند ممکن است به دنبال ایجاد آشکارسازهای ذرات بهتر برای تحقیقات در فیزیک نظری باشند.
فیزیک در مهندسی بسیار مورد استفاده قرار می گیرد. به عنوان مثال ، استاتیک ، زیر شاخه ای از مکانیک ، در ساختمان پل ها و دیگر سازه های ایستا استفاده می شود. درک و استفاده از آکوستیک منجر به کنترل صدا و سالن های بهتر کنسرت می شود. به طور مشابه ، استفاده از اپتیک دستگاه های نوری بهتری را ایجاد می کند. درک فیزیک باعث شبیه سازهای واقعی پرواز ، بازی های ویدئویی و فیلم ها می شود و اغلب در تحقیقات پزشکی قانونی بسیار مهم است.
با اجماع استاندارد که قوانین فیزیک جهانی هستند و با گذشت زمان تغییر نمی کنند ، می توان از فیزیک برای مطالعه چیزهایی استفاده کرد که معمولاً در عدم قطعیت غوطه ور هستند. به عنوان مثال ، در مطالعه مبدأ زمین ، می توان جرم ، دما و سرعت چرخش زمین را به طور منطقی مدل کرد ، به عنوان تابعی از زمان که به فرد اجازه می دهد در زمان به جلو یا عقب برآورد کند و رویدادهای آینده یا قبلی را پیش بینی کند. همچنین امکان شبیه سازی در مهندسی را فراهم می کند که توسعه فناوری جدید را به شدت افزایش می دهد.
اما بین رشته ای قابل توجهی نیز وجود دارد ، بنابراین بسیاری از زمینه های مهم دیگر تحت تأثیر فیزیک قرار دارند (به عنوان مثال ، زمینه های اقتصاد فیزیک و جامعه شناسی).
پژوهش
روش علمی
فیزیکدانان از روش علمی برای بررسی اعتبار یک نظریه فیزیکی استفاده می کنند. با استفاده از رویکردی روشمند برای مقایسه مفاهیم یک نظریه با نتایجی که از آزمایشات و مشاهدات مربوط به آن گرفته شده است ، فیزیکدانان بهتر می توانند اعتبار یک نظریه را به شیوه ای منطقی ، بی طرفانه و تکرارپذیر آزمایش کنند. برای این منظور ، آزمایشاتی انجام می شود و مشاهداتی به منظور تعیین اعتبار یا عدم اعتبار نظریه انجام می شود.
یک قانون علمی یک بیان شفاهی یا ریاضی مختصر از یک رابطه است که بیانگر یک اصل اساسی برخی از نظریه ها است ، مانند قانون جاذبه جهانی نیوتن.
نظریه و آزمایش
نظریه پردازان به دنبال توسعه مدل های ریاضی هستند که هم با آزمایش های موجود موافق باشند و هم نتایج تجربی آینده را با موفقیت پیش بینی کنند ، در حالی که تجربی برای آزمایش پیش بینی های نظری و کشف پدیده های جدید آزمایش هایی را طراحی و انجام می دهند. اگرچه نظریه و آزمایش جداگانه توسعه می یابند ، اما به شدت بر یکدیگر تأثیر می گذارند و به یکدیگر وابسته هستند. پیشرفت در فیزیک اغلب زمانی اتفاق می افتد که نتایج تجربی با توضیح نظریه های موجود مخالفت می کند و تمرکز زیادی را بر مدل سازی قابل اجرا می گذارد ، و هنگامی که نظریه های جدید پیش بینی های قابل آزمایش تجربی ایجاد می کنند ، که الهام بخش توسعه آزمایش های جدید (و اغلب تجهیزات مرتبط) است.
فیزیکدانانی که در تداخل نظریه و آزمایش کار می کنند ، پدیدارشناسان نامیده می شوند که پدیده های پیچیده مشاهده شده در آزمایش را مطالعه می کنند و سعی می کنند آنها را با یک نظریه اساسی مرتبط سازند.
فیزیک نظری به طور تاریخی از فلسفه الهام گرفته است. الکترومغناطیس از این طریق یکپارچه شد.فراتر از جهان شناخته شده ، حوزه فیزیک نظری همچنین به مسائل فرضی می پردازد ،مانند جهان های موازی ، جهان چندگانه و ابعاد بالاتر. نظریه پردازان این ایده ها را به امید حل مشکلات خاص با نظریه های موجود استناد می کنند. سپس پیامدهای این ایده ها را بررسی کرده و در جهت پیش بینی های قابل آزمایش تلاش می کنند.
فیزیک تجربی گسترش می یابد ، و توسط مهندسی و فناوری گسترش می یابد. فیزیکدانان تجربی که درگیر تحقیقات اساسی هستند ، با تجهیزاتی مانند شتاب دهنده ذرات و لیزر آزمایش هایی را طراحی و انجام می دهند ، در حالی که کسانی که در تحقیقات کاربردی شرکت می کنند اغلب در صنعت کار می کنند و فناوری هایی مانند تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (MRI) و ترانزیستورها را توسعه می دهند. فاینمن خاطرنشان کرده است که تجربیان ممکن است به دنبال مناطقی باشند که توسط نظریه پردازان به خوبی کشف نشده است.
فیزیک طیف وسیعی از پدیده ها را شامل می شود ، از ذرات اولیه (مانند کوارک ها ، نوترینوها و الکترون ها) تا بزرگترین ابر خوشه های کهکشان ها. شامل این پدیده ها اساسی ترین اشیاء هستند که همه چیزهای دیگر را ترکیب می کنند. بنابراین ، گاهی فیزیک را “علم بنیادین” می نامند. هدف فیزیک توصیف پدیده های مختلفی است که در طبیعت از نظر پدیده های ساده تر رخ می دهد. بنابراین ، هدف فیزیک این است که هم چیزهای قابل مشاهده را به انسان به علل ریشه ای وصل کند و هم این علل را به هم متصل کند.
به عنوان مثال ، چینی های باستان مشاهده کردند که برخی سنگها (سنگ سنگ و مگنتیت) توسط نیروی نامرئی به یکدیگر جذب می شوند. این اثر بعدها مغناطیس نامیده شد ، که اولین بار در قرن ۱۷ به طور دقیق مورد مطالعه قرار گرفت. اما حتی قبل از اینکه چینی ها مغناطیس را کشف کنند ، یونانیان باستان از اجسام دیگری مانند کهربا اطلاع داشتند که وقتی با خز مالیده شود باعث ایجاد جذابیت نامرئی مشابهی بین این دو می شود. این نیز برای اولین بار در قرن ۱۷ به طور دقیق مورد مطالعه قرار گرفت و به آن الکتریسیته گفته شد. بنابراین ، فیزیک دو مشاهده از طبیعت را از نظر برخی از دلایل اصلی (الکتریسیته و مغناطیس) درک کرده است. با این حال ، کارهای بیشتر در قرن ۱۹ نشان داد که این دو نیرو فقط دو جنبه متفاوت یک نیرو هستند – الکترومغناطیس. این روند نیروهای “متحد کننده” امروز نیز ادامه دارد و الکترومغناطیس و نیروی هسته ای ضعیف در حال حاضر دو جنبه برهم کنش الکتروضعیف محسوب می شوند. فیزیک امیدوار است بتواند دلیل نهایی (نظریه همه چیز) را پیدا کند که چرا طبیعت این گونه است.
زمینه های تحقیقاتی
تحقیقات معاصر در فیزیک را می توان به طور کلی به فیزیک هسته ای و ذرات تقسیم کرد. فیزیک ماده چگال ؛ فیزیک اتمی ، مولکولی و نوری ؛ فیزیک نجومی؛ و فیزیک کاربردی برخی از گروه های فیزیک همچنین از تحقیقات آموزش فیزیک و دستیابی به فیزیک پشتیبانی می کنند.
از قرن بیستم ، زمینه های فردی فیزیک به طور فزاینده ای تخصص یافته است و امروزه اکثر فیزیکدانان در تمام زمینه های شغلی خود در یک زمینه واحد کار می کنند. “جهانی گرایان” مانند اینشتین (۱۸۷۹-۱۹۵۵) و لو لاندو (۱۹۰۸-۱۹۶۸) ، که در زمینه های متعدد فیزیک کار می کردند ، اکنون بسیار نادر هستند.
هسته ای و ذره ای
فیزیک ذرات مطالعه اجزای اولیه ماده و انرژی و فعل و انفعالات بین آنها است.علاوه بر این ، فیزیکدانان ذرات شتاب دهنده های پرانرژی ، آشکارسازها ، و برنامه های کامپیوتری لازم برای این تحقیق را طراحی و توسعه می دهند. این میدان همچنین “فیزیک پرانرژی” نامیده می شود زیرا بسیاری از ذرات بنیادی به طور طبیعی وجود ندارند بلکه تنها در هنگام برخورد با انرژی زیاد دیگر ذرات ایجاد می شوند.
در حال حاضر ، فعل و انفعالات ذرات و میدانهای اولیه توسط مدل استاندارد توصیف شده است. این مدل ۱۲ ذره شناخته شده ماده (کوارک و لپتون) را که از طریق نیروهای بنیادی قوی ، ضعیف و الکترومغناطیسی برهم کنش می کنند ، محاسبه می کند. دینامیک بر اساس ذرات تبادل کننده بوزون های سنج (به ترتیب گلوئونها ، بوزونهای W و Z و فوتونها) توصیف می شود. مدل استاندارد همچنین ذره ای به نام بوزون هیگز را پیش بینی می کند. در ژوئیه ۲۰۱۲ سرن ، آزمایشگاه فیزیک ذرات در اروپا ، تشخیص ذره ای مطابق با بوزون هیگز ، که بخشی جدایی ناپذیر از مکانیسم هیگز است ، را اعلام کرد.
فیزیک هسته ای رشته ای از فیزیک است که به بررسی اجزاء و برهم کنش های هسته اتمی می پردازد. متداول ترین کاربردهای فیزیک هسته ای ، تولید انرژی هسته ای و فناوری سلاح های هسته ای است ، اما این تحقیق در بسیاری از زمینه ها ، از جمله در پزشکی هسته ای و تصویربرداری رزونانس مغناطیسی ، کاشت یون در مهندسی مواد و تعیین رادیو کربن در زمین شناسی و باستان شناسی کاربرد داشته است.
اتمی ، مولکولی و نوری
فیزیک اتمی ، مولکولی و نوری (AMO) مطالعه تعاملات ماده و ماده و ماده در مقیاس اتمها و مولکولهای منفرد است. این سه حوزه به دلیل روابط متقابل ، شباهت روش های مورد استفاده و مشترک بودن مقیاس های انرژی مربوطه با هم گروه بندی شده اند. هر سه حوزه شامل درمانهای کلاسیک ، نیمه کلاسیک و کوانتومی است. آنها می توانند موضوع خود را از دید میکروسکوپی (برخلاف نمای کلان) بررسی کنند.
فیزیک اتمی پوسته های الکترونی اتم ها را مطالعه می کند. تحقیقات کنونی بر فعالیتهایی در زمینه کنترل کوانتومی ، خنک سازی و به دام انداختن اتمها و یونها ، پویایی برخورد در دمای پایین و تأثیرات همبستگی الکترون بر ساختار و دینامیک تمرکز دارد. فیزیک اتمی متاثر از هسته است (به تقسیم بسیار ریز مراجعه کنید) ، اما پدیده های درون هسته ای مانند شکافت و همجوشی بخشی از فیزیک هسته ای محسوب می شوند.
فیزیک مولکولی بر ساختارهای چند اتمی و فعل و انفعالات داخلی و خارجی آنها با ماده و نور تمرکز دارد. فیزیک نوری متمایز از اپتیک است زیرا تمایل دارد نه بر کنترل میدانهای نوری کلاسیک توسط اجسام ماکروسکوپی بلکه بر خواص اساسی میدانهای نوری و برهمکنش آنها با ماده در حوزه میکروسکوپی تمرکز کند.
ماده چگال
فیزیک ماده متراکم رشته ای از فیزیک است که به خواص فیزیکی کلان ماده می پردازد. به طور خاص ، مربوط به مراحل “متراکم” است که هر زمان که تعداد ذرات در یک سیستم بسیار زیاد باشد و برهم کنش بین آنها قوی باشد ظاهر می شود.
معروف ترین نمونه های فازهای متراکم جامدات و مایعات هستند که از پیوند ناشی از نیروی الکترومغناطیسی بین اتم ها بوجود می آیند. فازهای متراکم عجیب و غریب شامل ابرسیال و میعانات بوز -اینشتین است که در برخی از سیستمهای اتمی در دمای بسیار پایین یافت می شود ، فاز ابررسانایی که توسط الکترونهای رسانایی در مواد خاص نشان داده می شود ، و فازهای فرو مغناطیسی و ضد فرومغناطیس روی شبکه های اتمی می چرخد.
فیزیک ماده متراکم بزرگترین رشته فیزیک معاصر است. از نظر تاریخی ، فیزیک ماده متراکم از فیزیک حالت جامد رشد کرد ، که اکنون یکی از زیر شاخه های اصلی آن محسوب می شود.اصطلاح فیزیک ماده متراکم ظاهراً توسط فیلیپ اندرسون هنگامی که نام گروه تحقیقاتی خود-نظریه حالت جامد-را در سال ۱۹۶۷ تغییر نام داد ، ابداع شد. در سال ۱۹۷۸ ، بخش فیزیک حالت جامد انجمن فیزیک آمریکا به عنوان بخش فیزیک ماده متراکم تغییر نام داد. فیزیک ماده متراکم با شیمی ، علم مواد ، فناوری نانو و مهندسی همپوشانی زیادی دارد.
فیزیک نجومی
اخترفیزیک و نجوم کاربرد نظریه ها و روش های فیزیک برای مطالعه ساختار ستاره ای ، تکامل ستارگان ، منشا منظومه شمسی و مشکلات مربوط به کیهان شناسی است. از آنجا که اخترفیزیک یک موضوع گسترده است ، اخترفیزیکدانان معمولاً بسیاری از رشته های فیزیک را شامل می شوند ، از جمله مکانیک ، الکترومغناطیس ، مکانیک آماری ، ترمودینامیک ، مکانیک کوانتومی ، نسبیت ، فیزیک هسته ای و ذرات و فیزیک اتمی و مولکولی.
کشف کارل جانسکی در سال ۱۹۳۱ مبنی بر اینکه سیگنال های رادیویی توسط اجرام آسمانی ساطع می شوند ، علم نجوم رادیویی را آغاز کرد. اخیراً مرزهای نجوم با اکتشافات فضایی گسترش یافته است. اغتشاشات و تداخل جو زمین ، مشاهدات فضایی را برای نجوم مادون قرمز ، ماوراء بنفش ، اشعه گاما و اشعه ایکس ضروری می کند.
کیهان شناسی فیزیکی مطالعه شکل گیری و تکامل جهان در بزرگترین مقیاس آن است. نظریه نسبیت آلبرت اینشتین در همه نظریه های کیهان شناسی مدرن نقش محوری دارد. در اوایل قرن بیستم ، کشف هابل مبنی بر اینکه جهان در حال انبساط است ، همانطور که در نمودار هابل نشان داده شد ، توضیحات رقیب را که به عنوان جهان حالت پایدار و بیگ بنگ شناخته می شود ، برانگیخت.
بیگ بنگ با موفقیت در هسته سازی بیگ بنگ و کشف زمینه مایکروویو کیهانی در سال ۱۹۶۴ تأیید شد. مدل بیگ بنگ بر دو پایه نظری تکیه می کند: نسبیت عام آلبرت اینشتین و اصل کیهان شناسی. کیهان شناسان به تازگی مدل ΛCDM تکامل جهان را ایجاد کرده اند که شامل تورم کیهانی ، انرژی تاریک و ماده تاریک است.
پیش بینی می شود که احتمالات و اکتشافات متعددی از داده های جدید تلسکوپ فضایی پرتو گاما در دهه آینده پدید آید و مدلهای موجود جهان را بسیار بازبینی یا روشن کند. به طور خاص ، امکان کشف فوق العاده در اطراف ماده تاریک در چند سال آینده امکان پذیر است. فرمی به دنبال شواهدی است که نشان می دهد ماده تاریک از ذرات عظیم متقابل ضعیف تشکیل شده است و آزمایش های مشابه را با برخورد دهنده بزرگ هادرونی و دیگر آشکارسازهای زیرزمینی تکمیل می کند.
IBEX در حال حاضر اکتشافات نجومی جدیدی را ارائه می دهد: “هیچ کس نمی داند که نوار ENA (اتم های خنثی پرانرژی)” در امتداد شوک خاتمه باد خورشیدی “در حال ایجاد چیست ، اما همه قبول دارند که این به معنی تصویر کتاب درسی از هلیوسفر است – که در آن جیب پوشاننده منظومه شمسی پر از ذرات باردار باد خورشیدی در حال شخم زدن از طریق “باد کهکشانی” هجومی محیط بین ستاره ای به شکل دنباله دار است – اشتباه است. “
تحقیق جاری
تحقیقات در زمینه فیزیک به طور مداوم در تعداد زیادی از جبهه ها در حال پیشرفت است.
در فیزیک ماده متراکم ، یک مشکل نظری مهم حل نشده ، مربوط به ابررسانایی در دمای بالا است. بسیاری از آزمایشات مواد چگال با هدف ساخت دستگاه های اسپینترونیک و رایانه های کوانتومی کار می کنند.
در فیزیک ذرات ، اولین شواهد تجربی برای فیزیک فراتر از مدل استاندارد ظاهر شده است. مهمترین آنها نشانه هایی است که نشان می دهد نوترینوها دارای جرم غیر صفر هستند. به نظر می رسد این نتایج تجربی مشکل نوترینوهای خورشیدی طولانی مدت را حل کرده است و فیزیک نوترینوهای عظیم همچنان یک منطقه از تحقیقات تئوریک و تجربی فعال است. برخورددهنده بزرگ هادرونی قبلاً بوزون هیگز را یافته است ، اما تحقیقات آینده با هدف اثبات یا رد ابر تقارن ، که مدل استاندارد فیزیک ذرات را گسترش می دهد ، انجام می شود. تحقیقات در مورد ماهیت اسرار اصلی ماده تاریک و انرژی تاریک نیز در حال حاضر ادامه دارد.
اگرچه پیشرفت های زیادی در فیزیک انرژی ، کوانتوم و نجوم صورت گرفته است ، بسیاری از پدیده های روزمره شامل پیچیدگی ، هرج و مرج ، یا تلاطم هنوز به درستی درک نشده اند. مسائل پیچیده ای که به نظر می رسد با کاربرد هوشمندانه دینامیک و مکانیک می توان آنها را حل کرد هنوز حل نشده باقی مانده است. به عنوان مثال می توان به تشکیل گلدان های شن ، گره هایی در آب چکه کننده ، شکل قطرات آب ، مکانیسم های وقوع فجایع کشش سطحی و مرتب سازی خود در مجموعه های ناهمگن متزلزل اشاره کرد
این پدیده های پیچیده از دهه ۱۹۷۰ به دلایل متعددی مورد توجه قرار گرفته اند ، از جمله در دسترس بودن روش های ریاضی مدرن و رایانه ها ، که باعث می شود سیستم های پیچیده به روش های جدیدی مدل شوند. فیزیک پیچیده به بخشی از تحقیقات بین رشته ای تبدیل شده است که نمونه آن مطالعه آشفتگی در آیرودینامیک و مشاهده شکل گیری الگو در سیستم های بیولوژیکی است. هوراس بره در بررسی سالیانه مکانیک سیالات در سال ۱۹۳۲ گفت: من اکنون یک پیرمرد هستم و وقتی می میرم و به بهشت می روم ، دو موضوع وجود دارد که من به روشنایی امیدوارم. یکی الکترودینامیک کوانتومی و دیگری حرکت آشفته سیالات است. و در مورد قبلی من نسبتاً خوشبین هستم.
دیدگاه خود را ثبت کنید
تمایل دارید در گفتگوها شرکت کنید؟در گفتگو ها شرکت کنید.