Fizik -Physics

Fiziksel olayların çeşitli örnekleri

Fizik , maddeyi , onun temel bileşenlerini , uzay ve zaman içindeki hareketini ve davranışını ve ilgili enerji ve kuvvet varlıklarını inceleyen doğa bilimidir . Fizik, temel amacı evrenin nasıl davrandığını anlamak olan en temel bilimsel disiplinlerden biridir. Fizik alanında uzmanlaşmış bir bilim adamına fizikçi denir .

Fizik, en eski akademik disiplinlerden biridir ve astronomiyi içermesi nedeniyle belki de en eskisidir. Son iki bin yılın çoğunda fizik, kimya , biyoloji ve matematiğin belirli dalları doğa felsefesinin bir parçasıydı , ancak 17. yüzyıldaki Bilimsel Devrim sırasında bu doğa bilimleri kendi başlarına benzersiz araştırma çabaları olarak ortaya çıktı. Fizik, biyofizik ve kuantum kimyası gibi birçok disiplinlerarası araştırma alanıyla kesişir ve fiziğin sınırları katı bir şekilde tanımlanmamıştır . Fizikteki yeni fikirler genellikle diğer bilimler tarafından incelenen temel mekanizmaları açıklar ve bu ve matematik ve felsefe gibi diğer akademik disiplinlerde yeni araştırma yolları önerir .

Fizikteki ilerlemeler genellikle yeni teknolojilerdeki ilerlemeleri mümkün kılar . Örneğin, elektromanyetizma , katı hal fiziği ve nükleer fizik anlayışındaki ilerlemeler, televizyon , bilgisayar , ev aletleri ve nükleer silahlar gibi günümüz toplumunu çarpıcı biçimde değiştiren yeni ürünlerin geliştirilmesine doğrudan yol açtı ; termodinamikteki gelişmeler sanayileşmenin gelişmesine yol açtı ; ve mekanikteki ilerlemeler, kalkülüsün gelişimine ilham verdi .

Tarih

"Fizik" kelimesi Eski Yunanca'dan gelir : φυσική (ἐπιστήμη) , romanizephysikḗ (epistḗmē) , "doğa bilgisi" anlamına gelir.

Antik astronomi

Astronomi , en eski doğa bilimlerinden biridir . Sümerler , eski Mısırlılar ve İndus Vadisi uygarlığı gibi MÖ 3000'den önceye dayanan erken uygarlıklar , Güneş, Ay ve yıldızların hareketlerine dair bir öngörü bilgisine ve temel bir farkındalığa sahipti. Tanrıları temsil ettiğine inanılan yıldızlara ve gezegenlere genellikle tapılırdı. Yıldızların gözlemlenen konumlarına ilişkin açıklamalar genellikle bilimsellikten uzak ve kanıttan yoksun olsa da, bu erken gözlemler, yıldızların gökyüzünde büyük daireler çizdikleri keşfedildiği için daha sonraki astronomi için temel oluşturdu, ancak bu, yıldızların konumlarını açıklamadı. gezegenler .

Asger Aaboe'ye göre , Batı astronomisinin kökenleri Mezopotamya'da bulunabilir ve kesin bilimlerdeki tüm Batılı çabalar, geç Babil astronomisinden gelmektedir . Mısırlı astronomlar , takımyıldızlar ve gök cisimlerinin hareketleriyle ilgili bilgileri gösteren anıtlar bırakırken, Yunan şair Homer , İlyada ve Odyssey'de çeşitli gök cisimleri hakkında yazdı ; Daha sonraki Yunan gökbilimciler , Kuzey Yarımküre'den görülebilen takımyıldızların çoğu için bugün hala kullanılan isimler verdiler .

doğal felsefe

Doğa felsefesinin kökenleri, Thales gibi Sokrates öncesi filozofların doğal fenomenler için natüralist olmayan açıklamaları reddettikleri ve her olayın doğal bir nedeni olduğunu ilan ettikleri Arkaik dönemde (MÖ 650 - 480 BCE) Yunanistan'dadır . Akıl ve gözlemle doğrulanmış fikirler önerdiler ve hipotezlerinin çoğu deneyde başarılı oldu; örneğin, atomizmin doğru olduğu, Leucippus ve öğrencisi Demokritus tarafından önerildikten yaklaşık 2000 yıl sonra bulundu .

Ortaçağ Avrupası ve İslam

Batı Roma İmparatorluğu beşinci yüzyılda düştü ve bu, Avrupa'nın batı kesiminde entelektüel arayışlarda bir düşüşe neden oldu. Buna karşılık, Doğu Roma İmparatorluğu ( Bizans İmparatorluğu olarak da bilinir ) barbarların saldırılarına direndi ve fizik dahil olmak üzere çeşitli öğrenme alanlarını ilerletmeye devam etti.

Altıncı yüzyılda, Miletli Isidore, Arşimet Palimpsest'te kopyalanan Arşimet eserlerinin önemli bir derlemesini oluşturdu .

İbn Al-Heytham (Alhazen) çizimi
İbn el-Heysem (c. 965–c. 1040), Book of Optics Book I, [6.85], [6.86]. Kitap II, [3.80] camera obscura deneylerini anlatıyor.

Altıncı yüzyıl Avrupa'sında Bizanslı bir bilgin olan John Philoponus , Aristoteles'in fizik öğretisini sorguladı ve kusurlarına dikkat çekti. İvme teorisini tanıttı . Aristoteles'in fiziği, Philoponus ortaya çıkana kadar incelenmedi; Fiziğini sözlü argümana dayandıran Aristoteles'in aksine, Philoponus gözleme dayanıyordu. Aristoteles'in fiziği üzerine Philoponus şunları yazdı:

Ancak bu tamamen yanlıştır ve görüşümüz, herhangi bir sözlü argümandan daha etkili bir şekilde fiili gözlemle desteklenebilir. Çünkü biri diğerinden kat kat ağır olan iki ağırlığı aynı yükseklikten düşürürseniz, hareket için gereken sürelerin oranının ağırlıkların oranına bağlı olmadığını, aradaki farkın farklı olduğunu göreceksiniz. zaman çok küçük bir zaman. Ve böylece, ağırlıklardaki fark önemli değilse, yani birinin, diğerinin iki katı olduğunu varsayalım, ağırlıktaki fark şu şekilde olsa da, zaman içinde hiçbir fark olmayacaktır veya algılanamaz bir fark olmayacaktır. bir vücut diğerinden iki kat daha ağır olduğu için hiçbir şekilde ihmal edilebilir değil

Philoponus'un Aristotelesçi fizik ilkelerine yönelik eleştirisi, on yüzyıl sonra, Bilimsel Devrim sırasında Galileo Galilei için bir ilham kaynağı oldu . Galileo, Aristoteles fiziğinin kusurlu olduğunu savunurken çalışmalarında Philoponus'tan önemli ölçüde alıntı yaptı. 1300'lerde Paris Üniversitesi'nde sanat fakültesinde öğretmen olan Jean Buridan , ivme kavramını geliştirdi. Modern atalet ve momentum fikirlerine doğru bir adımdı.

İslami bilim , Yunanlılardan Aristoteles fiziğini miras aldı ve İslami Altın Çağ boyunca, özellikle gözlem ve a priori akıl yürütmeye vurgu yaparak , bilimsel yöntemin erken biçimlerini geliştirerek, onu daha da geliştirdi .

İğne deliği kamerasının temel çalışma şekli

En dikkate değer yenilikler, İbn Sehl , Al-Kindi , İbn el-Heytham , Al-Farisi ve Avicenna gibi birçok bilim adamının çalışmalarından gelen optik ve görme alanındaydı . En dikkate değer eser, İbnü'l-Heysem tarafından yazılan ve içinde eski Yunan'ın görme hakkındaki fikrini kesin olarak çürüttüğü, ancak aynı zamanda yeni bir teori bulduğu Optik Kitabı (Kitāb al-Manāẓir olarak da bilinir) idi. Kitapta, camera obscura fenomeni ( iğne deliği kamerasının bin yıllık versiyonu ) üzerine bir çalışma sundu ve gözün çalışma şeklini daha da derinlemesine araştırdı. Diseksiyonları ve önceki bilim adamlarının bilgilerini kullanarak, ışığın göze nasıl girdiğini açıklamaya başlayabildi. Işık ışınının odaklandığını iddia etti, ancak ışığın gözün arkasına nasıl yansıtıldığının gerçek açıklamasının 1604'e kadar beklemesi gerekiyordu . Işık Üzerine İncelemesi, fotoğrafın modern gelişiminden yüzlerce yıl önce camera obscura'yı açıkladı.

Yedi ciltlik Optik Kitabı ( Kitab al-Manathir ) , 600 yıldan fazla bir süredir hem Doğu'da hem de Batı'da, görsel algı teorisinden, ortaçağ sanatında perspektifin doğasına kadar disiplinler arası düşünmeyi büyük ölçüde etkilemiştir . Robert Grosseteste ve Leonardo da Vinci'den René Descartes , Johannes Kepler ve Isaac Newton'a kadar daha sonraki birçok Avrupalı ​​bilgin ve bilgin arkadaşı ona borçluydu. Gerçekten de İbnü'l-Heysem'in Optik'inin etkisi, Newton'un 700 yıl sonra yayınlanan aynı adlı eserinin etkisi ile yan yanadır.

Optik Kitabı'nın çevirisi Avrupa üzerinde büyük bir etki yarattı. Ondan sonra Avrupalı ​​bilginler, İbnü'l-Heysem'in inşa ettiklerini kopyalayan ve ışığın çalışma şeklini anlayan cihazlar yapmayı başardılar. Bundan gözlük, büyüteç, teleskop ve kamera gibi önemli icatlar geliştirildi.

Klasik

Galileo Galilei matematik, teorik fizik ve deneysel fizik arasındaki doğru ilişki için modern bir takdir gösterdi.
Sir Isaac Newton (1643-1727), hareket yasaları ve evrensel yerçekimi klasik fizikte önemli kilometre taşlarıydı.

Erken modern Avrupalılar , şimdi fizik yasaları olarak kabul edilenleri keşfetmek için deneysel ve nicel yöntemler kullandıklarında , fizik ayrı bir bilim haline geldi .

Bu dönemdeki önemli gelişmeler arasında Güneş Sistemi'nin yer merkezli modelinin güneş merkezli Kopernik modeliyle değiştirilmesi , gezegen cisimlerinin hareketini yöneten yasalar (1609 ve 1619 arasında Kepler tarafından belirlendi), Galileo'nun teleskoplar üzerindeki öncü çalışması ve dünyadaki gözlemsel astronomi sayılabilir . 16. ve 17. Yüzyıllar ve Newton'un hareket ve evrensel yerçekimi yasalarını keşfetmesi ve birleştirmesi (bu onun adını taşıyacak). Newton ayrıca , fiziksel problemleri çözmek için yeni matematiksel yöntemler sağlayan değişimin matematiksel çalışması olan kalkülüs geliştirdi.

Termodinamik , kimya ve elektromanyetikte yeni yasaların keşfi , Sanayi Devrimi sırasında enerji ihtiyacı arttıkça daha fazla araştırma çabalarının sonucuydu . Klasik fiziği içeren yasalar, göreli olmayan hızlarda seyahat eden günlük ölçeklerdeki nesneler için çok yaygın bir şekilde kullanılmaya devam etmektedir, çünkü bu tür durumlarda çok yakın bir yaklaşım sağlarlar ve kuantum mekaniği ve görelilik teorisi gibi teoriler , klasik eşdeğerlerine bu gibi durumlarda basitleşir. terazi. Ancak, çok küçük nesneler ve çok yüksek hızlar için klasik mekanikteki yanlışlıklar , 20. yüzyılda modern fiziğin gelişmesine yol açtı.

Modern

Fotoelektrik etki ve görelilik teorisi üzerine çalışmaları 20. yüzyıl fiziğinde bir devrime yol açan Albert Einstein (1879–1955)

Modern fizik , 20. yüzyılın başlarında Max Planck'ın kuantum teorisi ve Albert Einstein'ın görelilik teorisi konusundaki çalışmalarıyla başladı. Bu teorilerin her ikisi de, belirli durumlarda klasik mekanikteki yanlışlıklar nedeniyle ortaya çıktı. Klasik mekanik , Maxwell'in elektromanyetizma denklemlerinin öngördüğü sabit hız ile çözülemeyen, değişen bir ışık hızı öngördü; Bu tutarsızlık, Einstein'ın hızlı hareket eden cisimler için klasik mekaniğin yerini alan ve sabit bir ışık hızına izin veren özel görelilik teorisi tarafından düzeltildi . Kara cisim ışıması , klasik fizik için başka bir sorun sağladı; bu sorun, Planck, maddi osilatörlerin uyarılmasının yalnızca frekanslarıyla orantılı ayrık adımlarla mümkün olduğunu öne sürdüğünde düzeltildi; bu, fotoelektrik etki ve elektron orbitallerinin ayrık enerji seviyelerini öngören eksiksiz bir teori ile birlikte , kuantum mekaniği teorisinin klasik fizikten çok küçük ölçeklerde devralmasına yol açtı.

Kuantum mekaniğine Werner Heisenberg , Erwin Schrödinger ve Paul Dirac öncülük edecekti . Bu erken çalışmadan ve ilgili alanlardaki çalışmalardan parçacık fiziğinin Standart Modeli türetilmiştir. 2012 yılında CERN'de Higgs bozonu ile uyumlu özelliklere sahip bir parçacığın keşfinin ardından, standart model tarafından öngörülen tüm temel parçacıkların var olduğu ve başka hiçbir parçacığın olmadığı ortaya çıktı; ancak, süpersimetri gibi teorilerle Standart Model'in ötesindeki fizik , aktif bir araştırma alanıdır. Olasılıklar ve gruplar çalışması gibi genel olarak matematik alanları bu alan için önemlidir .

Felsefe

Fizik birçok yönden antik Yunan felsefesinden kaynaklanmaktadır . Thales'in maddeyi karakterize etmeye yönelik ilk girişiminden, Demokritos'un maddenin değişmez bir duruma indirgemesi gerektiği sonucuna, Ptolemaios'un kristal bir gök kubbe astronomisine ve Aristoteles'in Fizik kitabına (fizik üzerine erken bir kitap olan, hareketi felsefi bir bakış açısı), çeşitli Yunan filozofları kendi doğa teorilerini geliştirdiler. Fizik, 18. yüzyılın sonlarına kadar doğal felsefe olarak biliniyordu.

19. yüzyıla gelindiğinde fizik, felsefe ve diğer bilimlerden farklı bir disiplin olarak hayata geçirilmiştir. Fizik, bilimin geri kalanında olduğu gibi , fiziksel dünya hakkındaki bilgimizi ilerletmek için bilim felsefesine ve onun "bilimsel yöntemine" dayanır . Bilimsel yöntem , belirli bir teorinin geçerliliğini ölçmek için a priori akıl yürütmenin yanı sıra a posteriori akıl yürütme ve Bayes çıkarımının kullanımını kullanır.

Fiziğin gelişimi, ilk filozofların birçok sorusunu yanıtladı, ancak aynı zamanda yeni soruları da gündeme getirdi. Fiziği çevreleyen felsefi konuların incelenmesi, fizik felsefesi, uzay ve zamanın doğası , determinizm ve ampirizm , natüralizm ve gerçekçilik gibi metafizik bakış açıları gibi konuları içerir .

Nedensel determinizmi savunan Laplace ve kuantum mekaniği üzerine yazan Schrödinger gibi birçok fizikçi çalışmalarının felsefi sonuçları hakkında yazmıştır. Matematiksel fizikçi Roger Penrose , Stephen Hawking tarafından Platonist olarak adlandırılmıştı , Penrose'un The Road to Reality adlı kitabında tartıştığı bir görüş . Hawking, kendisinden "utanmaz bir indirgemeci" olarak bahsetti ve Penrose'un görüşlerine itiraz etti.

Temel teoriler

Fizik çok çeşitli sistemlerle ilgilense de, tüm fizikçiler tarafından belirli teoriler kullanılır. Bu teorilerin her biri deneysel olarak defalarca test edildi ve doğanın yeterli bir yaklaşımı olduğu bulundu. Örneğin, klasik mekanik teorisi, atomlardan çok daha büyük olmaları ve ışık hızından çok daha düşük hızda hareket etmeleri koşuluyla, nesnelerin hareketini doğru bir şekilde tanımlar . Bu teoriler günümüzde aktif araştırma alanları olmaya devam etmektedir. Klasik mekaniğin dikkate değer bir yönü olan kaos teorisi , klasik mekaniğin Newton (1642-1727) tarafından orijinal formülasyonundan üç yüzyıl sonra, 20. yüzyılda keşfedildi.

Bu merkezi teoriler, daha özel konuları araştırmak için önemli araçlardır ve herhangi bir fizikçinin, uzmanlıklarından bağımsız olarak, bu konularda okuryazar olması beklenir. Bunlara klasik mekanik, kuantum mekaniği, termodinamik ve istatistiksel mekanik , elektromanyetizma ve özel görelilik dahildir.

Klasik

Klasik fizik, 20. yüzyılın başlangıcından önce tanınan ve iyi geliştirilen geleneksel dalları ve konuları içerir - klasik mekanik, akustik , optik , termodinamik ve elektromanyetizma. Klasik mekanik, kuvvetler ve hareket halindeki cisimler tarafından etki edilen cisimlerle ilgilidir ve statik (bir cisim veya cisimler üzerindeki kuvvetlerin ivmeye tabi olmayan incelenmesi), kinematik (nedenlerine bakılmaksızın hareketin incelenmesi ) ve statik olarak ayrılabilir. dinamikler (hareket ve onu etkileyen kuvvetlerin incelenmesi); mekanik ayrıca katı mekaniği ve akışkanlar mekaniği (birlikte sürekli ortam mekaniği olarak bilinir) olarak da ayrılabilir , ikincisi hidrostatik , hidrodinamik , aerodinamik ve pnömatik gibi dalları içerir . Akustik, sesin nasıl üretildiğini, kontrol edildiğini, iletildiğini ve alındığının incelenmesidir. Akustiğin önemli modern dalları arasında , insan işitme aralığının ötesinde çok yüksek frekanslı ses dalgalarının incelenmesi olan ultrasonik ; biyoakustik , hayvan çağrıları ve işitme fiziği ve elektroakustik , elektronik kullanarak sesli ses dalgalarının manipülasyonu.

Optik, ışığın incelenmesi , yalnızca görünür ışıkla değil, aynı zamanda görünür ışığın tüm fenomenlerini sergileyen kızılötesi ve ultraviyole radyasyonla da ilgilidir; örneğin, yansıma, kırılma, girişim, kırınım, ışığın dağılması ve polarizasyonu . Isı bir enerji biçimidir, bir maddenin oluştuğu parçacıkların sahip olduğu iç enerjidir; termodinamik, ısı ve diğer enerji biçimleri arasındaki ilişkilerle ilgilenir. Elektrik ve manyetizma , aralarındaki yakın bağlantı 19. yüzyılın başlarında keşfedildiğinden beri tek bir fizik dalı olarak incelenmiştir; bir elektrik akımı bir manyetik alana yol açar ve değişen bir manyetik alan bir elektrik akımını indükler. Elektrostatik , durgun elektrik yükleriyle , elektrodinamik hareketli yüklerle ve manyetostatik ise durağan manyetik kutuplarla ilgilenir .

Modern

Klasik fizik genellikle normal gözlem ölçeğinde madde ve enerji ile ilgilenirken, modern fiziğin çoğu madde ve enerjinin aşırı koşullar altında veya çok büyük veya çok küçük ölçekte davranışı ile ilgilenir. Örneğin, atom ve nükleer fizik , kimyasal elementlerin tanımlanabileceği en küçük ölçekte maddeyi inceler . Temel parçacıkların fiziği, maddenin en temel birimleriyle ilgili olduğu için daha da küçük bir ölçektedir; Bu fizik dalı, parçacık hızlandırıcılarda birçok türde parçacık üretmek için gerekli olan aşırı yüksek enerjiler nedeniyle yüksek enerji fiziği olarak da bilinir . Bu ölçekte, uzay, zaman, madde ve enerjinin sıradan, sağduyulu kavramları artık geçerli değildir.

Modern fiziğin iki ana teorisi, uzay, zaman ve madde kavramlarının klasik fiziğin sunduğundan farklı bir resmini sunar. Klasik mekanik, doğaya sürekli olarak yaklaşırken, kuantum teorisi, atomik ve atom altı düzeyde birçok olgunun ayrık doğası ve bu tür olayların tanımında parçacıkların ve dalgaların tamamlayıcı yönleriyle ilgilenir. Görelilik kuramı, bir gözlemciye göre hareket halinde olan bir referans çerçevesinde yer alan fenomenlerin tanımıyla ilgilenir; özel görelilik kuramı yerçekimi alanlarının yokluğunda hareketle ve genel görelilik kuramı hareketle ve bunun yerçekimi ile bağlantısıyla ilgilidir . Hem kuantum teorisi hem de görelilik teorisi, modern fiziğin tüm alanlarında uygulama bulur.

Modern fizikte temel kavramlar

Fark

Fiziğin temel alanları

Fizik evrensel yasaları keşfetmeyi amaçlarken, teorileri açık uygulanabilirlik alanlarında yatar.

Açıkça söylemek gerekirse, klasik fizik yasaları, önemli uzunluk ölçekleri atomik ölçekten daha büyük ve hareketleri ışık hızından çok daha yavaş olan sistemleri doğru bir şekilde tanımlar. Bu alanın dışında, gözlemler klasik mekanik tarafından sağlanan tahminlerle eşleşmez. Einstein, mutlak zaman ve uzay kavramlarını uzay -zaman ile değiştiren özel görelilik çerçevesine katkıda bulundu ve bileşenleri ışık hızına yaklaşan hızlara sahip sistemlerin doğru bir şekilde tanımlanmasına izin verdi. Planck, Schrödinger ve diğerleri, atom ve atom altı ölçeklerin doğru bir tanımını sağlayan parçacıklar ve etkileşimlerin olasılıksal bir kavramı olan kuantum mekaniğini tanıttılar. Daha sonra, kuantum alan teorisi , kuantum mekaniğini ve özel göreliliği birleştirdi. Genel görelilik, yüksek kütleli sistemlerin ve evrenin büyük ölçekli yapısının iyi tanımlanabileceği dinamik, eğri bir uzay-zamana izin verdi. Genel görelilik henüz diğer temel tanımlarla birleştirilmemiştir; kuantum kütleçekimi için birkaç aday teori geliştirilmektedir.

Diğer alanlarla ilişkisi

Bu parabol şeklindeki lav akışı , matematiğin fizikteki uygulamasını gösterir - bu durumda Galileo'nun düşen cisimler kanunu .
Fizikte matematik ve ontoloji kullanılır. Fizik, kimya ve kozmolojide kullanılır.

Önkoşullar

Matematik, doğadaki düzeni tanımlamak için kullanılan kompakt ve kesin bir dil sağlar. Bu, Pisagor , Platon , Galileo ve Newton tarafından not edildi ve savunuldu .

Fizik, deneysel sonuçları düzenlemek ve formüle etmek için matematiği kullanır. Bu sonuçlardan, kesin veya tahmini çözümler veya yeni tahminlerin yapılabileceği ve deneysel olarak doğrulanabileceği veya reddedilebileceği nicel sonuçlar elde edilir. Fizik deneylerinden elde edilen sonuçlar, ölçü birimleri ve ölçümlerdeki hataların tahminleriyle birlikte sayısal verilerdir. Hesaplama gibi matematiğe dayalı teknolojiler, hesaplamalı fiziği aktif bir araştırma alanı haline getirmiştir .

Matematik ve fizik arasındaki ayrım kesindir, ancak özellikle matematiksel fizikte her zaman açık değildir.

Ontoloji fizik için bir önkoşuldur, ancak matematik için değildir. Bu, fiziğin nihai olarak gerçek dünyanın tanımlarıyla, matematik ise gerçek dünyanın ötesinde bile soyut kalıplarla ilgili olduğu anlamına gelir. Bu nedenle fizik ifadeleri sentetik, matematiksel ifadeler ise analitiktir. Matematik hipotezleri, fizik teorileri içerir. Matematik ifadeleri sadece mantıksal olarak doğru olmalı, fizik ifadelerinin tahminleri ise gözlemlenen ve deneysel verilerle eşleşmelidir.

Ayrım kesindir, ancak her zaman açık değildir. Örneğin, matematiksel fizik , matematiğin fizikte uygulanmasıdır. Yöntemleri matematikseldir, ancak konusu fizikseldir. Bu alandaki problemler, bir " fiziksel durumun matematiksel modeli " (sistem) ve bu sisteme uygulanacak bir "fizik yasasının matematiksel açıklaması" ile başlar. Çözmek için kullanılan her matematiksel ifadenin bulunması zor bir fiziksel anlamı vardır. Nihai matematiksel çözüm, bulunması daha kolay bir anlama sahiptir, çünkü çözücünün aradığı şey budur.

Saf fizik, temel bilimin bir dalıdır ( temel bilim olarak da adlandırılır). Fizik aynı zamanda " temel bilim" olarak da adlandırılır , çünkü kimya, astronomi, jeoloji ve biyoloji gibi doğa bilimlerinin tüm dalları fizik yasalarıyla sınırlandırılır. Benzer şekilde, kimya, fizik bilimlerini birbirine bağlamadaki rolünden dolayı genellikle merkezi bilim olarak adlandırılır. Örneğin, kimya maddenin özelliklerini, yapılarını ve reaksiyonlarını inceler (kimyanın moleküler ve atomik ölçeğe odaklanması onu fizikten ayırır ). Yapılar, parçacıkların birbirlerine elektriksel kuvvetler uyguladıkları için oluşur, özellikler verilen maddelerin fiziksel özelliklerini içerir ve reaksiyonlar, enerjinin , kütlenin ve yükün korunumu gibi fizik yasalarına bağlıdır . Fizik, mühendislik ve tıp gibi endüstrilerde uygulanmaktadır.

Uygulama ve etki

Lazer kullanarak deney yapın

Uygulamalı fizik , belirli bir kullanım için tasarlanmış fizik araştırmaları için genel bir terimdir. Uygulamalı bir fizik müfredatı genellikle jeoloji veya elektrik mühendisliği gibi uygulamalı bir disiplinde birkaç ders içerir. Genellikle mühendislikten farklıdır, çünkü uygulamalı bir fizikçi belirli bir şey tasarlamıyor olabilir, ancak yeni teknolojiler geliştirmek veya bir sorunu çözmek amacıyla fiziği kullanıyor veya fizik araştırması yapıyor olabilir.

Yaklaşım uygulamalı matematiğe benzer . Uygulamalı fizikçiler, fiziği bilimsel araştırmalarda kullanırlar. Örneğin, hızlandırıcı fiziği üzerinde çalışan insanlar , teorik fizik araştırmaları için daha iyi parçacık dedektörleri oluşturmaya çalışabilirler.

Fizik, mühendislikte yoğun olarak kullanılmaktadır. Örneğin, mekaniğin bir alt alanı olan statik, köprülerin ve diğer statik yapıların yapımında kullanılır . Akustiğin anlaşılması ve kullanılması, ses kontrolü ve daha iyi konser salonları ile sonuçlanır; benzer şekilde, optik kullanımı daha iyi optik cihazlar yaratır. Fiziği anlamak, daha gerçekçi uçuş simülatörleri , video oyunları ve filmler sağlar ve genellikle adli soruşturmalarda kritik öneme sahiptir.

Fizik yasalarının evrensel olduğu ve zamanla değişmediği konusunda standart bir fikir birliği ile fizik, normalde belirsizlik içinde olacak şeyleri incelemek için kullanılabilir . Örneğin, dünyanın kökeninin araştırılmasında, zamanın bir fonksiyonu olarak dünyanın kütlesini, sıcaklığını ve dönme hızını makul bir şekilde modelleyebilir, zamanda ileri veya geri tahminde bulunmaya ve böylece gelecekteki veya önceki olayları tahmin etmeye izin verir. Ayrıca, yeni bir teknolojinin gelişimini büyük ölçüde hızlandıran mühendislik simülasyonlarına da izin verir.

Ama aynı zamanda önemli bir disiplinlerarasılık da vardır, diğer pek çok önemli alan fizikten etkilenir (örneğin, ekonofizik ve sosyofizik alanları ).

Araştırma

Bilimsel yöntem

Fizikçiler, bir fiziksel teorinin geçerliliğini test etmek için bilimsel yöntemi kullanırlar . Fizikçiler , bir teorinin sonuçlarını, ilgili deney ve gözlemlerinden çıkarılan sonuçlarla karşılaştırmak için metodik bir yaklaşım kullanarak, bir teorinin geçerliliğini mantıksal, tarafsız ve tekrarlanabilir bir şekilde daha iyi test edebilirler. Bu amaçla, teorinin geçerliliğini veya geçersizliğini belirlemek için deneyler yapılır ve gözlemler yapılır.

Bilimsel bir yasa, Newton'un evrensel çekim yasası gibi bazı teorilerin temel bir ilkesini ifade eden bir ilişkinin kısa, sözlü veya matematiksel ifadesidir.

Teori ve deney

Astronot ve Dünya hem serbest düşüşte .

Teorisyenler , hem mevcut deneylerle hemfikir olan ve gelecekteki deneysel sonuçları başarılı bir şekilde tahmin eden matematiksel modeller geliştirmeye çalışırken, deneyciler teorik tahminleri test etmek ve yeni fenomenleri keşfetmek için deneyler tasarlar ve gerçekleştirir. Teori ve deney ayrı ayrı geliştirilse de , birbirlerini güçlü bir şekilde etkiler ve birbirlerine bağlıdırlar. Fizikte ilerleme, sıklıkla, deneysel sonuçların mevcut teoriler tarafından yapılan açıklamalara meydan okuyarak uygulanabilir modellemeye yoğun bir şekilde odaklanmayı teşvik ettiğinde ve yeni teoriler , yeni deneylerin (ve genellikle ilgili ekipmanların) geliştirilmesine ilham veren deneysel olarak test edilebilir tahminler ürettiğinde ortaya çıkar.

Teori ve deneyin etkileşimi üzerinde çalışan fizikçilere , deneyde gözlemlenen karmaşık fenomenleri inceleyen ve bunları temel bir teoriyle ilişkilendirmeye çalışan fenomenologlar denir .

Teorik fizik, tarihsel olarak felsefeden ilham almıştır; elektromanyetizma bu şekilde birleştirildi. Bilinen evrenin ötesinde, teorik fizik alanı, paralel evrenler , çoklu evren ve daha yüksek boyutlar gibi varsayımsal konularla da ilgilenir . Teorisyenler, mevcut teorilerle ilgili belirli problemleri çözme umuduyla bu fikirlere başvururlar; daha sonra bu fikirlerin sonuçlarını keşfederler ve test edilebilir tahminler yapmak için çalışırlar.

Deneysel fizik genişler ve mühendislik ve teknoloji tarafından genişletilir . Temel araştırma ile uğraşan deneysel fizikçiler , parçacık hızlandırıcılar ve lazerler gibi ekipmanlarla deneyler tasarlar ve gerçekleştirirken , uygulamalı araştırmalarda yer alanlar genellikle endüstride çalışarak manyetik rezonans görüntüleme (MRI) ve transistörler gibi teknolojiler geliştirir . Feynman , deneycilerin teorisyenler tarafından iyi keşfedilmemiş alanları arayabileceklerini belirtti.

Kapsam ve amaçlar

Fizik, doğal dünyayı teoriyle, genellikle nicel olarak modellemeyi içerir. Burada, bir parçacığın yolu, davranışını açıklamak için kalkülüsün matematiğiyle modellenmiştir: mekanik olarak bilinen fizik dalının kapsamı .

Fizik , temel parçacıklardan (kuarklar, nötrinolar ve elektronlar gibi) en büyük gökada üstkümelerine kadar çok çeşitli fenomenleri kapsar . Bu fenomenlere, diğer tüm şeyleri oluşturan en temel nesneler dahildir. Bu nedenle fizik bazen "temel bilim" olarak adlandırılır. Fizik, doğada meydana gelen çeşitli fenomenleri daha basit fenomenler açısından tanımlamayı amaçlar. Böylece fizik, insanların gözlemleyebildiği şeyleri hem kök nedenlere bağlamayı hem de bu nedenleri birbirine bağlamayı amaçlar.

Örneğin, eski Çinliler , bazı kayaların ( lodestone ve manyetit ) görünmez bir kuvvet tarafından birbirini çektiğini gözlemlediler. Bu etki daha sonra ilk kez 17. yüzyılda titizlikle incelenen manyetizma olarak adlandırıldı. Ancak Çinliler manyetizmayı keşfetmeden önce bile, antik Yunanlılar kehribar gibi diğer nesnelerin kürkle ovulduğunda ikisi arasında benzer bir görünmez çekime neden olacağını biliyorlardı. Bu da ilk olarak 17. yüzyılda titizlikle incelendi ve elektrik olarak adlandırıldı. Böylece fizik, bazı temel nedenler (elektrik ve manyetizma) açısından doğanın iki gözlemini anlamaya başladı. Bununla birlikte, 19. yüzyıldaki daha fazla çalışma, bu iki kuvvetin bir kuvvetin - elektromanyetizmanın sadece iki farklı yönü olduğunu ortaya çıkardı. Bu "birleştirici" kuvvetler süreci bugün de devam etmektedir ve elektromanyetizma ve zayıf nükleer kuvvet , artık elektrozayıf etkileşimin iki yönü olarak kabul edilmektedir . Fizik, doğanın neden olduğu gibi olduğuna dair nihai bir neden (her şeyin teorisi) bulmayı umuyor ( daha fazla bilgi için aşağıdaki Güncel araştırmalar bölümüne bakın).

Araştırma alanları

Fizikteki çağdaş araştırmalar genel olarak nükleer ve parçacık fiziğine ayrılabilir; yoğun madde fiziği ; atomik, moleküler ve optik fizik ; astrofizik ; ve uygulamalı fizik. Bazı fizik bölümleri de fizik eğitimi araştırmalarını ve fizik yardımını destekler .

20. yüzyıldan bu yana, fiziğin bireysel alanları giderek daha fazla uzmanlaştı ve bugün çoğu fizikçi tüm kariyerleri boyunca tek bir alanda çalışıyor. Fiziğin birçok alanında çalışmış Einstein (1879–1955) ve Lev Landau (1908–1968) gibi "evrenselciler" artık çok nadirdir.

Fiziğin ana alanları, alt alanları ve kullandıkları teori ve kavramlarla birlikte aşağıdaki tabloda gösterilmiştir.

Alan alt alanlar Başlıca teoriler kavramlar
Nükleer ve parçacık fiziği Nükleer fizik , Nükleer astrofizik , Parçacık fiziği , Astroparçacık fiziği , Parçacık fiziği fenomenolojisi Standart Model , Kuantum alan teorisi , Kuantum elektrodinamiği , Kuantum kromodinamiği , Elektrozayıf teorisi , Etkin alan teorisi , Kafes alan teorisi , Ölçer teorisi , Süpersimetri , Büyük Birleşik Teori , Süper sicim teorisi , M-teorisi , AdS/CFT denkliği Temel etkileşim ( yerçekimi , elektromanyetik , zayıf , güçlü ), Temel parçacık , Spin , Antimadde , Spontan simetri kırılması , Nötrino salınımı , Tahterevalli mekanizması , Zar , İp , Kuantum yerçekimi , Her şeyin teorisi , Vakum enerjisi
Atomik, moleküler ve optik fizik Atom fiziği , Moleküler fizik , Atomik ve moleküler astrofizik , Kimyasal fizik , Optik , Fotonik Kuantum optiği , Kuantum kimyası , Kuantum bilgi bilimi Foton , Atom , Molekül , Kırınım , Elektromanyetik radyasyon , Lazer , Polarizasyon (dalgalar) , Spektral çizgi , Casimir etkisi
Yoğun madde fiziği Katı hal fiziği , Yüksek basınç fiziği , Düşük sıcaklık fiziği , Yüzey fiziği , Nano ölçekli ve mezoskopik fizik , Polimer fiziği BCS teorisi , Bloch teoremi , Yoğunluk fonksiyonel teorisi , Fermi gazı , Fermi sıvı teorisi , Çok cisim teorisi , İstatistik mekanik Fazlar ( gaz , sıvı , katı ), Bose–Einstein yoğuşması , Elektriksel iletim , Fonon , Manyetizma , Kendinden organizasyon , Yarı iletken , süper iletken , aşırı akışkanlık , Spin ,
Astrofizik Astronomi , Astrometri , Kozmoloji , Yerçekimi fiziği , Yüksek enerji astrofiziği , Gezegensel astrofizik , Plazma fiziği , Güneş fiziği , Uzay fiziği , Yıldız astrofiziği Büyük Patlama , Kozmik şişme , Genel görelilik , Newton'un evrensel yerçekimi yasası , Lambda-CDM modeli , Manyetohidrodinamik Kara delik , Kozmik fon radyasyonu , Kozmik sicim , Kozmos , Karanlık enerji , Karanlık madde , Galaksi , Yerçekimi , Yerçekimi radyasyonu , Yerçekimi tekilliği , Gezegen , Güneş Sistemi , Yıldız , Süpernova , Evren
Uygulamalı Fizik Hızlandırıcı fiziği , Akustik , Agrofizik , Atmosferik fizik , Biyofizik , Kimyasal fizik , İletişim fiziği , Ekonofizik , Mühendislik fiziği , Akışkanlar dinamiği , Jeofizik , Lazer fiziği , Malzeme fiziği , Tıbbi fizik , Nanoteknoloji , Optik , Optoelektronik , Fotonik , Fotovoltaik , Fiziksel oşinografi , Hesaplama fiziği , Plazma fiziği , Katı hal aygıtları , Kuantum kimyası , Kuantum elektroniği , Kuantum bilgi bilimi , Araç dinamiği

Nükleer ve parçacık

Higgs bozonunun olası bir görünümünü içeren Büyük Hadron Çarpıştırıcısının CMS dedektöründe simüle edilmiş bir olay .

Parçacık fiziği, madde ve enerjinin temel bileşenlerinin ve aralarındaki etkileşimlerin incelenmesidir . Ayrıca parçacık fizikçileri, bu araştırma için gerekli olan yüksek enerjili hızlandırıcıları, dedektörleri ve bilgisayar programlarını tasarlar ve geliştirir. Bu alan aynı zamanda "yüksek enerji fiziği" olarak da adlandırılır, çünkü birçok temel parçacık doğal olarak oluşmaz, yalnızca diğer parçacıkların yüksek enerjili çarpışmaları sırasında oluşturulur.

Şu anda, temel parçacıkların ve alanların etkileşimleri Standart Model tarafından tanımlanmaktadır . Model, güçlü , zayıf ve elektromanyetik temel kuvvetler aracılığıyla etkileşime giren bilinen 12 madde parçacığını ( kuarklar ve leptonlar ) açıklar . Dinamikler, ayar bozonlarını ( sırasıyla gluonlar , W ve Z bozonları ve fotonlar ) değiş tokuş eden madde parçacıkları cinsinden tanımlanır . Standart Model ayrıca Higgs bozonu olarak bilinen bir parçacığı da öngörür. Temmuz 2012'de Avrupa parçacık fiziği laboratuvarı CERN, Higgs mekanizmasının ayrılmaz bir parçası olan Higgs bozonu ile tutarlı bir parçacığın tespit edildiğini duyurdu .

Nükleer fizik, atom çekirdeğinin bileşenlerini ve etkileşimlerini inceleyen fizik alanıdır . Nükleer fiziğin en yaygın bilinen uygulamaları nükleer enerji üretimi ve nükleer silah teknolojisidir, ancak araştırma nükleer tıp ve manyetik rezonans görüntüleme, malzeme mühendisliğinde iyon implantasyonu ve jeoloji ve arkeolojide radyokarbon tarihleme dahil olmak üzere birçok alanda uygulama sağlamıştır . .

Atomik, moleküler ve optik

Atomik, moleküler ve optik fizik (AMO), tek atom ve molekül ölçeğinde madde-madde ve ışık-madde etkileşimlerinin incelenmesidir. Üç alan, aralarındaki ilişkiler, kullanılan yöntemlerin benzerliği ve ilgili enerji ölçeklerinin ortaklığı nedeniyle birlikte gruplandırılmıştır. Her üç alan da hem klasik, hem yarı klasik hem de kuantum tedavilerini içerir; Konularını mikroskobik bir görünümden (makroskopik görünümün aksine) ele alabilirler.

Atom fiziği , atomların elektron kabuklarını inceler. Mevcut araştırmalar kuantum kontrolü, atomların ve iyonların soğutulması ve yakalanması, düşük sıcaklıkta çarpışma dinamikleri ve elektron korelasyonunun yapı ve dinamik üzerindeki etkilerine odaklanmaktadır. Atom fiziği çekirdekten etkilenir (bkz. aşırı ince bölünme ), ancak fisyon ve füzyon gibi nükleer olaylar nükleer fiziğin bir parçası olarak kabul edilir.

Moleküler fizik , çok atomlu yapılara ve bunların madde ve ışıkla iç ve dış etkileşimlerine odaklanır. Optik fizik , makroskopik nesneler tarafından klasik ışık alanlarının kontrolüne değil, optik alanların temel özelliklerine ve bunların mikroskobik alanda madde ile etkileşimlerine odaklanma eğiliminde olması bakımından optikten farklıdır .

yoğun madde

Rubidyum atomlarından oluşan bir gazın hız dağılım verileri, maddenin yeni bir fazı olan Bose-Einstein yoğuşmasının keşfini doğrular

Yoğun madde fiziği, maddenin makroskopik fiziksel özellikleriyle ilgilenen fizik alanıdır. Özellikle, bir sistemdeki parçacıkların sayısı aşırı derecede büyük olduğunda ve aralarındaki etkileşimler güçlü olduğunda ortaya çıkan "yoğunlaşmış" fazlar ile ilgilidir.

Yoğun fazların en bilinen örnekleri, atomlar arasındaki elektromanyetik kuvvet yoluyla bağlanmadan kaynaklanan katılar ve sıvılardır . Daha egzotik yoğun fazlar, belirli atomik sistemlerde çok düşük sıcaklıkta bulunan süperakışkan ve Bose-Einstein yoğuşmasını , bazı malzemelerde iletim elektronları tarafından sergilenen süper iletken fazı ve atomik kafeslerdeki spinlerin ferromanyetik ve antiferromanyetik fazlarını içerir .

Yoğun madde fiziği, çağdaş fiziğin en geniş alanıdır. Tarihsel olarak, yoğun madde fiziği, şu anda ana alt alanlarından biri olarak kabul edilen katı hal fiziğinden doğdu. Yoğun madde fiziği terimi , görünüşe göre , 1967'de araştırma grubunu (önceden katı hal teorisini ) yeniden adlandırdığında Philip Anderson tarafından icat edildi. 1978'de, Amerikan Fizik Derneği'nin Katı Hal Fiziği Bölümü, Yoğun Madde Fiziği Bölümü olarak yeniden adlandırıldı. . Yoğun madde fiziğinin kimya, malzeme bilimi , nanoteknoloji ve mühendislik ile büyük bir örtüşmesi vardır .

Astrofizik

Evrenin en derin görünür ışık görüntüsü , Hubble Ultra-Deep Field

Astrofizik ve astronomi, fizik teorilerinin ve yöntemlerinin yıldız yapısı , yıldız evrimi , Güneş Sistemi'nin kökeni ve kozmoloji ile ilgili problemlerin incelenmesine uygulanmasıdır . Astrofizik geniş bir konu olduğu için, astrofizikçiler tipik olarak mekanik, elektromanyetizma, istatistiksel mekanik, termodinamik, kuantum mekaniği, görelilik, nükleer ve parçacık fiziği ve atomik ve moleküler fizik dahil olmak üzere birçok fizik disiplinini uygularlar.

1931'de Karl Jansky'nin radyo sinyallerinin gök cisimleri tarafından yayıldığını keşfetmesi , radyo astronomi bilimini başlattı . Son zamanlarda, astronominin sınırları uzay araştırmalarıyla genişletildi. Dünya atmosferinden kaynaklanan bozulmalar ve parazitler, kızılötesi , ultraviyole , gama ışını ve X ışını astronomisi için uzay temelli gözlemleri gerekli kılar .

Fiziksel kozmoloji, evrenin oluşumu ve evriminin en büyük ölçeklerinde incelenmesidir. Albert Einstein'ın görelilik teorisi, tüm modern kozmolojik teorilerde merkezi bir rol oynar. 20. yüzyılın başlarında, Hubble'ın Hubble diyagramında gösterildiği gibi evrenin genişlediğini keşfetmesi, durağan durum evreni ve Büyük Patlama olarak bilinen rakip açıklamalara yol açtı .

Big Bang, Big Bang nükleosentezinin başarısı ve 1964'te kozmik mikrodalga arka planının keşfiyle doğrulandı. Big Bang modeli iki teorik sütuna dayanır: Albert Einstein'ın genel görelilik ve kozmolojik ilkesi . Kozmologlar yakın zamanda , kozmik enflasyon , karanlık enerji ve karanlık maddeyi içeren evrenin evriminin ΛCDM modelini kurdular .

Önümüzdeki on yılda Fermi Gama Işını Uzay Teleskobu'ndan alınan yeni verilerden çok sayıda olasılık ve keşfin ortaya çıkması ve evrenin mevcut modellerini büyük ölçüde gözden geçirmesi veya netleştirmesi bekleniyor. Özellikle, önümüzdeki birkaç yıl içinde karanlık maddeyi çevreleyen muazzam bir keşif potansiyeli mümkün. Fermi, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı ve diğer yeraltı dedektörleri ile benzer deneyleri tamamlayarak , karanlık maddenin zayıf etkileşimli büyük parçacıklardan oluştuğuna dair kanıt arayacak .

IBEX şimdiden yeni astrofiziksel keşifler yapıyor: Güneş rüzgarının sonlandırma şoku boyunca " ENA (enerjisel nötr atomlar) şeridini neyin yarattığını kimse bilmiyor ", "ama herkes bunun heliosferin ders kitabı resmi anlamına geldiği konusunda hemfikirdir . Güneş rüzgarının yüklü parçacıklarıyla dolu Güneş Sistemi'nin saran cebi, bir kuyruklu yıldız şeklinde yıldızlararası ortamın ani 'galaktik rüzgarı' içinden geçiyor - yanlış."

Mevcut araştırma

RP Feynman tarafından imzalanmış Feynman diyagramı .
Fizik tarafından tanımlanan tipik bir fenomen: Bir süperiletkenin üzerinde yükselen bir mıknatıs , Meissner etkisini gösterir .

Fizikteki araştırmalar sürekli olarak çok sayıda cephede ilerlemektedir.

Yoğun madde fiziğinde, çözülmemiş önemli bir teorik problem, yüksek sıcaklık süperiletkenliğidir . Pek çok yoğun madde deneyi, uygulanabilir spintronik ve kuantum bilgisayarları üretmeyi hedefliyor .

Parçacık fiziğinde, Standart Model'in ötesinde fizik için ilk deneysel kanıt parçaları ortaya çıkmaya başladı. Bunların başında nötrinoların sıfırdan farklı bir kütleye sahip olduğunun göstergeleri gelir . Bu deneysel sonuçlar, uzun süredir devam eden güneş nötrino problemini çözmüş gibi görünüyor ve büyük kütleli nötrinoların fiziği, aktif teorik ve deneysel araştırma alanı olmaya devam ediyor. Büyük Hadron Çarpıştırıcısı Higgs bozonunu zaten buldu, ancak gelecekteki araştırmalar, parçacık fiziğinin Standart Modelini genişleten süpersimetriyi kanıtlamayı veya çürütmeyi amaçlıyor. Karanlık madde ve karanlık enerjinin başlıca gizemlerinin doğası üzerine araştırmalar da halen devam etmektedir.

Yüksek enerji, kuantum ve astronomik fizikte çok ilerleme kaydedilmesine rağmen, karmaşıklık , kaos veya türbülansı içeren birçok günlük fenomen hala tam olarak anlaşılamamıştır. Dinamik ve mekaniğin akıllıca uygulanmasıyla çözülebilecek gibi görünen karmaşık problemler çözümsüz kalır; örnekler arasında kum yığınlarının oluşumu, damlayan sudaki düğümler, su damlacıklarının şekli, yüzey gerilimi felaketlerinin mekanizmaları ve sarsılmış heterojen koleksiyonlarda kendi kendine sıralama yer alır.

Bu karmaşık fenomenler, 1970'lerden bu yana, karmaşık sistemlerin yeni yollarla modellenmesini sağlayan modern matematiksel yöntemlerin ve bilgisayarların mevcudiyeti de dahil olmak üzere çeşitli nedenlerle artan bir ilgi görmüştür. Karmaşık fizik, aerodinamikte türbülans çalışması ve biyolojik sistemlerde örüntü oluşumunun gözlemlenmesiyle örneklendiği gibi , giderek disiplinler arası araştırmaların bir parçası haline geldi . Akışkanlar Mekaniğinin 1932 Yıllık İncelemesinde Horace Lamb şunları söyledi:

Artık yaşlı bir adamım ve öldüğümde ve cennete gittiğimde aydınlanmayı umduğum iki konu var. Biri kuantum elektrodinamiği, diğeri ise akışkanların türbülanslı hareketidir. Ve birincisi hakkında oldukça iyimserim.

Ayrıca bakınız

Notlar

Referanslar

Kaynaklar

Dış bağlantılar