Отрасли физики
Физика — это научная дисциплина, целью которой является создание и экспериментальная проверка теорий физической Вселенной. Эти теории различаются по своему объему и могут быть разделены на несколько отдельных ветвей, которые описаны в этой статье.
Классическая механика [ править ]
Классическая механика — это модель физики сил , действующих на тела; включает подполя для описания поведения твердых тел , газов и жидкостей . Ее часто называют «ньютоновской механикой» в честь Исаака Ньютона и его законов движения . Он также включает классический подход, основанный на методах Гамильтона и Лагранжа . Речь идет о движении частиц и общей системе частиц.
Существует множество разделов классической механики, таких как: статика , динамика , кинематика , механика сплошных сред (в которую входит механика жидкости ), статистическая механика и т. д.
- Механика: раздел физики, в котором мы изучаем объект и свойства объекта в форме движения под действием силы.
Термодинамика и статистическая механика [ править ]
Первая глава «Фейнмановских лекций по физике» посвящена существованию атомов , которое Фейнман считал наиболее компактным утверждением физики, из которого наука могла бы легко получить результат, даже если бы все остальные знания были потеряны. [1] Моделируя материю как совокупность твердых сфер, можно описать кинетическую теорию газов , на которой основана классическая термодинамика.
Термодинамика изучает влияние изменений температуры , давления и объема на физические системы в макроскопическом масштабе, а также передачу энергии в виде тепла . [2] [3] Исторически термодинамика возникла из-за желания повысить эффективность первых паровых двигателей . [4]
Отправной точкой для большинства термодинамических рассуждений являются законы термодинамики , которые постулируют, что энергия может обмениваться между физическими системами в виде тепла или работы . [5] Они также постулируют существование величины, называемой энтропией , которую можно определить для любой системы. [6] В термодинамике изучаются и классифицируются взаимодействия между большими ансамблями объектов. Центральное место в этом занимают концепции системы и окружения . Система состоит из частиц, среднее движение которых определяет ее свойства, которые, в свою очередь, связаны друг с другом посредством уравнений состояния . Свойства могут быть объединены для выражения внутренней энергии и термодинамических потенциалов , которые полезны для определения условий равновесия и самопроизвольных процессов .
Электромагнетизм и фотоника [ править ]
| Максвелла электромагнетизма Уравнения |
Изучение поведения электронов, электрических сред, магнитов, магнитных полей и общих взаимодействий света.
Релятивистская механика [ править ]
Специальная теория относительности находится в связи с электромагнетизмом и механикой; то есть принцип относительности и принцип стационарного действия в механике можно использовать для вывода уравнений Максвелла , [7] [8] и наоборот .
Специальная теория относительности была предложена в 1905 году Альбертом Эйнштейном в его статье « К электродинамике движущихся тел ». Название статьи отсылает к тому факту, что специальная теория относительности разрешает несоответствие между уравнениями Максвелла и классической механикой. Теория основана на двух постулатах : (1) что математические формы законов физики инвариантны во всех инерциальных системах ; и (2) скорость света в вакууме постоянна и не зависит от источника или наблюдателя. Примирение двух постулатов требует объединения пространства и времени в зависимую от системы концепцию пространства-времени .
Общая теория относительности — это геометрическая теория гравитации, опубликованная Альбертом Эйнштейном в 1915/16 году. [9] [10] Он объединяет специальную теорию относительности, закон всемирного тяготения Ньютона и понимание того, что гравитацию можно описать искривлением пространства и времени. В общей теории относительности искривление пространства-времени создается энергией материи и излучения.
Квантовая механика, атомная физика и молекулярная физика [ править ]
Квантовая механика — это раздел физики, изучающий атомные и субатомные системы и их взаимодействие, основанный на наблюдении того, что все формы энергии высвобождаются в дискретных единицах или пучках, называемых « квантами ». Примечательно, что квантовая теория обычно допускает только вероятные или статистические вычисления наблюдаемых особенностей субатомных частиц, понимаемых в терминах волновых функций . Уравнение Шредингера играет в квантовой механике ту же роль, которую законы Ньютона и сохранение энергии выполняют в классической механике (т. е. оно предсказывает будущее поведение динамической системы ), и представляет собой волновое уравнение , которое используется для решения волновых функций.
Например, свет или электромагнитное излучение, испускаемое или поглощаемое атомом, имеет только определенные частоты (или длины волн ), как можно видеть из линейчатого спектра , связанного с химическим элементом, представленным этим атомом. Квантовая теория показывает, что эти частоты соответствуют определенным энергиям квантов света, или фотонов , и являются результатом того факта, что электроны атома могут иметь только определенные разрешенные значения энергии или уровни; когда электрон переходит с одного разрешенного уровня на другой, испускается или поглощается квант энергии, частота которого прямо пропорциональна разности энергий между двумя уровнями. Фотоэлектрический эффект еще раз подтвердил квантование света.
В 1924 году Луи де Бройль предположил, что не только световые волны иногда проявляют свойства частиц, но и частицы могут также проявлять волновые свойства. По предложению де Бройля были представлены две разные формулировки квантовой механики. Волновая механика ( Эрвина Шрёдингера 1926) предполагает использование математической сущности — волновой функции, которая связана с вероятностью обнаружения частицы в данной точке пространства. матричной механике В Вернера Гейзенберга (1925) не упоминаются волновые функции или подобные концепции, но было показано, что она математически эквивалентна теории Шрёдингера. Особенно важным открытием квантовой теории является принцип неопределенности , сформулированный Гейзенбергом в 1927 году, который накладывает абсолютный теоретический предел на точность некоторых измерений; в результате от предположения более ранних ученых о том, что физическое состояние системы можно точно измерить и использовать для прогнозирования будущих состояний, пришлось отказаться. Квантовая механика была объединена с теорией относительности в формулировке Поль Дирак . Другие разработки включают квантовую статистику , квантовую электродинамику , изучающую взаимодействие между заряженными частицами и электромагнитными полями; и ее обобщение — квантовая теория поля .
Теория струн
Возможный кандидат на роль теории всего, эта теория объединяет теорию общей относительности и квантовую механику в единую теорию. Эта теория может предсказывать свойства как маленьких, так и больших объектов. Эта теория в настоящее время находится на стадии разработки.
Оптика и акустика [ править ]
Оптика – это изучение движений света, включая отражение, преломление, дифракцию и интерференцию.
Акустика — раздел физики, изучающий механические волны в различных средах.
Физика конденсированного состояния [ править ]
Исследование физических свойств вещества в конденсированной фазе.
Физика частиц высоких энергий и ядерная физика [ править ]
Физика элементарных частиц изучает природу частиц, а ядерная физика изучает атомные ядра .
Космология [ править ]
Космология изучает, как возникла Вселенная и ее окончательная судьба. Его изучают физики и астрофизики . Он также исследует вымышленные вселенные, созданные людьми, то, как они возникли, а также их окончательную судьбу и разрушение.
Междисциплинарные области [ править ]
К междисциплинарным областям, которые частично определяют собственные науки, относятся, например,
- Агрофизика — отрасль науки, граничащая с агрономией и физикой.
- астрофизика , физика Вселенной, включая свойства и взаимодействия небесных тел в астрономии .
- Физика атмосферы — это применение физики к изучению атмосферы.
- Космическая физика - это изучение плазмы в том виде, в котором она естественным образом возникает в верхних слоях атмосферы Земли (аэрономия) и в Солнечной системе.
- биофизика , изучающая физические взаимодействия биологических процессов.
- химическая физика , наука о физических отношениях в химии .
- вычислительная физика , применение компьютеров и численных методов к физическим системам.
- эконофизика , занимающаяся физическими процессами и их связями в экономической науке .
- физика окружающей среды — раздел физики, занимающийся измерением и анализом взаимодействий между организмами и окружающей их средой.
- инженерная физика , комбинированная дисциплина физики и техники.
- геофизика , науки о физических отношениях на нашей планете.
- математическая физика , математика, относящаяся к физическим проблемам.
- медицинская физика , применение физики в медицине для профилактики, диагностики и лечения.
- физическая химия , занимающаяся физическими процессами и их связями в науке физической химии .
- физическая океанография — это изучение физических условий и физических процессов в океане, особенно движений и физических свойств океанских вод.
- психофизика , наука о физических отношениях в психологии.
- квантовые вычисления , исследование квантово-механических вычислительных систем.
- социофизика или социальная физика - это область науки, которая использует математические инструменты, вдохновленные физикой, для понимания поведения человеческих толп.
Резюме [ править ]
В таблице ниже перечислены основные теории, а также многие концепции, которые они используют.
Ссылки [ править ]
- ^ Фейнман, Ричард Филлипс ; Лейтон, Роберт Бенджамин ; Сэндс, Мэтью Линзи (1963). Фейнмановские лекции по физике . п. 1 . ISBN 978-0-201-02116-5 . . Фейнман начинает с атомной гипотезы , как своего наиболее компактного изложения всех научных знаний: «Если бы в результате какого-то катаклизма все научные знания были бы уничтожены и только одно предложение было бы передано следующим поколениям..., какое утверждение было бы содержат больше всего информации в наименьшем количестве слов? Я полагаю, что все вещи состоят из атомов – маленьких частиц, которые движутся в вечном движении, притягивая друг друга, когда они находятся на небольшом расстоянии друг от друга, но отталкиваются, когда их сжимают. друг в друга... » т. я п. Я–2
- ^ Перо, Пьер (1998). Термодинамика от А до Я. Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-856552-9 .
- ^ Кларк, Джон О.Э. (2004). Основной научный словарь . Книги Барнса и Нобл. ISBN 978-0-7607-4616-5 .
- ^ Клаузиус, Рудольф (1850). «LXXIX». О движущей силе тепла и о законах, которые можно вывести из нее для теории тепла . Дуврское переиздание. ISBN 978-0-486-59065-3 . [ нужны разъяснения ]
- ^ Ван Несс, ХК (1969). Понимание термодинамики . Dover Publications, Inc. ISBN 978-0-486-63277-3 .
- ^ Дагдейл, Дж. С. (1998). Энтропия и ее физический смысл . Тейлор и Фрэнсис. ISBN 978-0-7484-0569-5 .
- ^ Ландау и Лифшиц (1951, 1962), Классическая теория полей , номер карточки Библиотеки Конгресса 62-9181, главы 1–4 (3-е издание ISBN 0-08-016019-0 )
- ^ Корсон и Лоррен, Электромагнитные поля и волны ISBN 0-7167-1823-5
- ^ Эйнштейн, Альберт (25 ноября 1915 г.). «Полевые уравнения гравитации» . Труды Прусской академии наук в Берлине : 844–847. Архивировано из оригинала 27 октября 2016 г. Проверено 12 сентября 2006 г.
- ^ Эйнштейн, Альберт (1916). «Основы общей теории относительности» . Аннален дер Физик . 354 (7): 769–822. Бибкод : 1916АнП...354..769Е . дои : 10.1002/andp.19163540702 . Архивировано из оригинала (PDF) 29 августа 2006 г. Проверено 3 сентября 2006 г.