Úvod do fyziky

Prvních několik elektronových orbitalů atomu vodíku bylo zobrazeno jako průřezy s barevně kódovanou hustotou pravděpodobnosti.

Fyzika (z řečtiny φύσις (phúsis), „příroda“ a φυσικός (phusikós), „příroda“), nejzákladnější fyzikální věda, se zabývá základními principy přírodního světa. Fyzika se proto zabývá elementárními složkami Vesmíru a jejich interakcemi, stejně jako analýzou systémů, které jsou nejlépe pochopeny z hlediska těchto základních principů.

Objevy ve fyzice nacházejí uplatnění ve všech ostatních přírodních vědách, neboť považují základní složky vesmíru. Některé jevy studované ve fyzice, například jev zachování energie, jsou společné všem materiálním systémům. Ty jsou často označovány jako zákony fyziky. Jiné, například supravodivost, vycházejí z těchto zákonů, ale nejsou zákony samy o sobě, protože se objevují jen v některých systémech. Fyzika je často označována jako „základní věda“ (někdy je do ní zahrnuta chemie), protože každá z ostatních věd (biologie, chemie, geologie, materiálová věda, inženýrství, medicína atd.) se zabývá konkrétními typy materiálových systémů, které se řídí zákony fyziky. Například chemie je věda o hmotě (jako jsou atomy a molekuly) a chemických látkách, které tvoří ve velkém. Struktura, reaktivita a vlastnosti chemické sloučeniny jsou dány vlastnostmi základních molekul, které mohou být popsány oblastmi fyziky, jako je kvantová mechanika (v tomto případě nazývaná kvantová chemie), termodynamika a elektromagnetismus. (viz Větve fyziky)

Fyzika úzce souvisí s matematikou, která poskytuje logický rámec, v němž mohou být fyzikální zákony přesně formulovány a jejich předpovědi kvantifikovány. Fyzikální definice, modely a teorie jsou vždy vyjádřeny pomocí matematických vztahů. Klíčový rozdíl mezi fyzikou a matematikou spočívá v tom, že protože se fyzika v konečném důsledku zabývá popisy hmotného světa, testuje své teorie pozorováním (tzv. experimenty), zatímco matematika se zabývá abstraktními logickými vzorci, které nejsou omezeny těmi, které jsou pozorovány v reálném světě (protože reálný svět je omezen v počtu rozměrů a v mnoha dalších ohledech nemusí odpovídat bohatším matematickým strukturám). Rozdíl však není vždy jednoznačný. Mezi fyzikou a matematikou existuje velká oblast výzkumu, která je známá jako matematická fyzika.

Fyzika se pokouší popsat přirozený svět použitím vědecké metody. Přírodní filosofie, její protějšek, je studium měnícího se světa filosofií, která byla také nazývána „fyzikou“ od klasických dob až minimálně do jejího oddělení od filosofie jako pozitivní vědy v 19. století. Smíšené otázky, jejichž řešení lze zkoušet pomocí aplikací obou disciplín (např. dělitelnost atomu), mohou zahrnovat přírodní filosofii ve fyzice vědu a naopak.

Klasická, kvantová a moderní fyzika

Od konstrukce kvantové mechaniky na počátku dvacátého století bylo fyzikálnímu společenství obecně zřejmé, že by bylo vhodnější, aby každý známý popis přírody byl kvantován, tedy aby se řídil postuláty kvantové mechaniky. Za tímto účelem se všechny výsledky, které nebyly kvantovány, nazývají klasické: to zahrnuje speciální a obecné teorie relativity. Jen proto, že výsledek je klasický, neznamená, že byl objeven před příchodem kvantové mechaniky. S klasickými teoriemi se obecně mnohem snáze pracuje a mnoho výzkumů je na nich stále prováděno bez výslovného cíle kvantování. Ve fyzice však existují problémy, ve kterých musí být klasické a kvantové aspekty kombinovány, aby se dosáhlo nějaké aproximace nebo limitu, který může získat několik podob, protože přechod z klasické do kvantové mechaniky je často obtížný – takové problémy se nazývají semiklasické.

Větve fyziky zajímavé pro psychology

Klasifikace fyzikálních oborů podle typů efektů, které je třeba zohlednit

Fyzikové studují širokou škálu fyzikálních jevů, od kvarků po černé díry, od jednotlivých atomů po mnohotělové systémy supravodičů.

Zatímco fyzika se zabývá širokou škálou systémů, existují určité teorie, které používají všichni fyzici. Každá z těchto teorií byla mnohokrát experimentálně testována a shledána jako správná jako aproximace přírody (v rámci určité oblasti platnosti). Například teorie klasické mechaniky přesně popisuje pohyb objektů za předpokladu, že jsou mnohem větší než atomy a pohybují se mnohem menší rychlostí, než je rychlost světla. Tyto teorie jsou nadále oblastmi aktivního výzkumu; například pozoruhodný aspekt klasické mechaniky známý jako chaos byl objeven ve 20. století, tři století po původní formulaci klasické mechaniky Isaacem Newtonem (1642–1727). Tyto „ústřední teorie“ jsou důležitými nástroji pro výzkum specializovanějších témat a očekává se, že každý fyzik, bez ohledu na svou specializaci, je v nich gramotný.

Magnet vznášející se nad vysokoteplotním supravodičem (s vroucím kapalným dusíkem pod ním), demonstrující Meissnerův efekt.

Současný výzkum ve fyzice je rozdělen do několika odlišných oborů, které studují různé aspekty hmotného světa. Fyzika kondenzované hmoty, podle většiny odhadů největší jednotlivý obor fyziky, se zabývá tím, jak vlastnosti hmotné hmoty, jako jsou běžné pevné látky a kapaliny, s nimiž se setkáváme v každodenním životě, vznikají z vlastností a vzájemných interakcí jednotlivých atomů. Oblast atomové, molekulární a optické fyziky se zabývá chováním jednotlivých atomů a molekul, a zejména způsoby, jakými pohlcují a vyzařují světlo.
Od 20. století se jednotlivé obory fyziky stále více specializují a v dnešní době není neobvyklé, že fyzici pracují v jednom oboru po celou svou kariéru. „Univerzalisté“ jako Albert Einstein (1879–1955), kteří pohodlně pracovali ve více oborech fyziky, jsou dnes velmi vzácní.

Doporučujeme:  Kdykoli máte špatnou náladu, můžete se cítit lépe jen tím, že se přinutíte k úsměvu

Teoretická a experimentální fyzika

Kultura fyzikálního výzkumu se od ostatních věd liší oddělením teorie a experimentu. Od 20. století se většina individuálních fyziků specializuje buď na teoretickou fyziku, nebo na experimentální fyziku. Významnou výjimkou byl velký italský fyzik Enrico Fermi (1901–1954), který zásadně přispěl jak k teorii, tak k experimentům v jaderné fyzice. Naopak téměř všichni úspěšní teoretici v biologii a chemii (např. americký kvantový chemik a biochemik Linus Pauling) byli také experimentátory, i když to se v poslední době mění.

Zhruba řečeno, teoretici se snaží pomocí abstrakcí a matematických modelů rozvíjet teorie, které mohou popisovat a interpretovat existující experimentální výsledky a úspěšně předpovídat budoucí výsledky, zatímco experimentátoři vymýšlejí a provádějí experimenty, aby zkoumali nové jevy a testovali teoretické předpovědi. I když se teorie a experiment vyvíjejí odděleně, jsou na sobě silně závislé. Nicméně teoretický výzkum ve fyzice může být dále považován za čerpající kromě experimentů také z matematické fyziky a výpočetní fyziky. K pokroku ve fyzice často dochází, když experimentátoři učiní objev, který stávající teorie nemohou zohlednit, což vyžaduje formulaci nových teorií. Stejně tak myšlenky vyplývající z teorie často inspirují k novým experimentům. Při absenci experimentu se teoretický výzkum může ubírat špatným směrem; to je jedna z kritik, která byla vznesena proti M-teorii, populární teorii ve vysokoenergetické fyzice, pro kterou nikdy nebyl vymyšlen žádný praktický experimentální test.

Fenomenologie je mezičlánkem mezi experimentem a teorií. Je více abstraktní a zahrnuje více logických kroků než experiment, ale je více přímo svázána s experimentem než s teorií. Hranice mezi teorií a fenomenologií a mezi fenomenologií a experimentem jsou poněkud nejasné a do jisté míry závisejí na pochopení a intuici vědce, který je popisuje. Příkladem je Einsteinova práce z roku 1905 o fotoelektrickém efektu „O heuristickém pohledu na produkci a transformaci světla“.

Aplikovaná fyzika je fyzika, která je určena pro určité technologické nebo praktické využití, jako například ve strojírenství, na rozdíl od základního výzkumu. Tento přístup je podobný přístupu aplikované matematiky. Aplikovaná fyzika je zakořeněna v základních pravdách a základních pojmech fyzikálních věd, ale týká se využití vědeckých principů v praktických přístrojích a systémech a v aplikaci fyziky v jiných oblastech vědy. „Aplikovaná“ se odlišuje od „čistá“ jemnou kombinací faktorů, jako je motivace a postoj výzkumníků a povaha vztahu k technologii nebo vědě, které mohou být ovlivněny prací.

Od starověku se lidé snažili pochopit chování hmoty: proč padají k zemi nepodporované objekty, proč mají různé materiály různé vlastnosti a tak dále. Záhadou byl také charakter vesmíru, například Země a chování nebeských objektů, jako je Slunce a Měsíc. Bylo navrženo několik teorií, z nichž většina byla chybná. Tyto první teorie byly z velké části formulovány filozoficky a nikdy nebyly ověřeny systematickým experimentálním zkoušením, jak je dnes populární. Díla Ptolemaia a Aristotela však také ne vždy odpovídala každodenním pozorováním. Byly zde výjimky a anachronismy – například indičtí filozofové a astronomové poskytli mnoho správných popisů v atomismu a astronomii a řecký myslitel Archimédes odvodil mnoho správných kvantitativních popisů mechaniky a hydrostatiky.

Ochota zpochybňovat dříve zastávané pravdy a hledat nové odpovědi nakonec vyústila v období významného vědeckého pokroku, dnes známého jako vědecká revoluce konce 17. století. Předchůdci vědecké revoluce lze vysledovat zpět k důležitému vývoji v Indii a Persii, včetně eliptického modelu planet založeného na heliocentrické sluneční soustavě gravitace vyvinutého indickým matematikem-astronomem Aryabhatou, základních myšlenek atomové teorie vyvinuté hinduistickými a džinskými filozofy, teorie světla ekvivalentního energetickým částicím vyvinuté indickými buddhistickými učenci Dignāgou a Dharmakirtim, optické teorie světla vyvinuté perským vědcem Alhazenem, astroláb vynalezený Peršanem Mohammadem al-Fazarim a významné trhliny v Ptolemaiově systému, na které poukázal perský vědec Nasir al-Din al-Tusi.

Jak se vliv islámského chalífátu rozšířil do Evropy, díla Aristotela zachovaná Araby a díla Indů a Peršanů se stala v Evropě známá ve 12. a 13. století. To nakonec vedlo k vědecké revoluci, která vyvrcholila vydáním Philosophiae Naturalis Principia Mathematica v roce 1687 matematikem, fyzikem, alchymistou a vynálezcem Sirem Isaacem Newtonem (1643-1727).

Doporučujeme:  Misandry

Vědecká revoluce podle většiny historiků (např. Howarda Margolise) začala v roce 1543, kdy byla vlivnému polskému astronomovi z Norimberku přinesena první tištěná kopie díla De Revolutionibus Nikolause Koperníka (většina z nich byla napsána před lety, ale jejich publikace byla odložena).

Poté, co Newton definoval klasickou mechaniku, dalším velkým oborem bádání ve fyzice byla povaha elektřiny. Pozorování v 17. a 18. století vědci jako Robert Boyle, Stephen Gray a Benjamin Franklin vytvořily základ pro pozdější práci. Tato pozorování také založila naše základní chápání elektrického náboje a proudu.

V roce 1821 anglický fyzik a chemik Michael Faraday integroval studium magnetismu se studiem elektřiny. To bylo provedeno prokázáním, že pohybující se magnet indukuje elektrický proud ve vodiči. Faraday také zformuloval fyzikální pojetí elektromagnetických polí. James Clerk Maxwell postavil na tomto pojetí v roce 1864 provázanou sadu 20 rovnic, které vysvětlovaly interakce mezi elektrickým a magnetickým polem. Těchto 20 rovnic bylo později redukováno pomocí vektorového kalkulu na sadu čtyř rovnic Olivera Heavisidea.

Kromě dalších elektromagnetických jevů lze Maxwellovy rovnice použít také k popisu světla. Potvrzení tohoto pozorování bylo učiněno objevem rádia Heinrichem Hertzem v roce 1888 a v roce 1895, kdy Wilhelm Roentgen detekoval rentgenové paprsky. Schopnost popsat světlo elektromagnetickými termíny pomohla jako odrazový můstek pro publikaci Alberta Einsteina o teorii speciální relativity v roce 1905. Tato teorie kombinovala klasickou mechaniku s Maxwellovými rovnicemi.
Teorie speciální relativity sjednocuje prostor a čas do jediné entity, prostoročasu. Relativita předepisuje odlišnou transformaci mezi referenčními rámci než klasická mechanika; to si vyžádalo rozvoj relativistické mechaniky jako náhrady za klasickou mechaniku. V režimu nízkých (relativních) rychlostí se obě teorie shodují. Einstein dále stavěl na speciální teorii zahrnutím gravitace do svých výpočtů a v roce 1915 publikoval svou teorii obecné relativity.

Jedna část teorie obecné relativity je Einsteinova rovnice pole. Ta popisuje, jak tenzor stres-energie vytváří zakřivení prostoročasu a tvoří základ obecné relativity. Další práce na Einsteinově rovnici pole přinesla výsledky, které předpovídaly Velký třesk, černé díry a rozpínající se vesmír. Einstein věřil ve statický vesmír a snažil se (a nepodařilo se mu to) opravit svou rovnici, aby to umožnil. Nicméně v roce 1929 astronomická pozorování Edwina Hubblea naznačila, že vesmír se rozpíná.

Od konce 17. století byla termodynamika vyvíjena fyzikem a chemikem Boylem, Youngem a mnoha dalšími. V roce 1733 použil Bernoulli statistické argumenty s klasickou mechanikou k odvození termodynamických výsledků, čímž inicioval pole statistické mechaniky. V roce 1798 Thompson demonstroval přeměnu mechanické práce na teplo a v roce 1847 Joule stanovil zákon zachování energie ve formě tepla i mechanické energie. Ludwig Boltzmann v 19. století je zodpovědný za moderní formu statistické mechaniky.

V roce 1895 Röntgen objevil rentgenové záření, které se ukázalo být vysokofrekvenčním elektromagnetickým zářením. Radioaktivitu objevil v roce 1896 Henri Becquerel a dále ji studovali Marie Curie, Pierre Curie a další. To iniciovalo obor jaderné fyziky.

V roce 1897 Joseph J. Thomson objevil elektron, elementární částici, která nese elektrický proud v obvodech. V roce 1904 navrhl první model atomu, známý jako švestkový pudinkový model. (Existenci atomu navrhl v roce 1808 John Dalton.)

Tyto objevy odhalily, že předpoklad mnoha fyziků, že atomy jsou základní jednotkou hmoty, byl chybný a podnítil další studium struktury atomů.

V roce 1911 Ernest Rutherford vyvodil z experimentů s rozptylem existenci kompaktního atomového jádra s kladně nabitými složkami, kterým se říká protony. Neutrony, neutrální jaderné složky, byly objeveny v roce 1932 Chadwickem. Rovnocennost hmoty a energie (Einstein, 1905) byla okázale prokázána během druhé světové války, když každá strana prováděla výzkum jaderné fyziky za účelem vytvoření jaderné bomby. Německé úsilí, vedené Heisenbergem, neuspělo, ale projekt Spojenecký Manhattan dosáhl svého cíle. V Americe tým vedený Fermim dosáhl první uměle vytvořené jaderné řetězové reakce v roce 1942 a v roce 1945 byla v lokalitě Trinity nedaleko Alamogorda v Novém Mexiku odpálena první jaderná výbušnina na světě.

V roce 1900 Max Planck publikoval své vysvětlení záření černého tělesa. Tato rovnice předpokládala, že radiátory jsou kvantovány, což se ukázalo být úvodním argumentem v konstrukci, která se měla stát kvantovou mechanikou. Zavedením diskrétních energetických elvelů Planck, Einstein, Niels Bohr a další vyvinuli kvantové teorie, aby vysvětlili různé anomální experimentální výsledky. Kvantová mechanika byla formulována v roce 1925 Heisenbergem a v roce 1926 Schrödingerem a Paulem Dirakem, dvěma různými způsoby, které oba vysvětlily předcházející heuristické kvantové teorie. V kvantové mechanice jsou výsledky fyzikálních měření ze své podstaty pravděpodobnostní; teorie popisuje výpočet těchto pravděpodobností. Úspěšně popisuje chování hmoty v malých vzdálenostních měřítcích. Během dvacátých let byli Schrödinger, Heisenberg a Max Born schopni zformulovat konzistentní obraz chemického chování hmoty, kompletní teorii elektronické struktury atomu, jako vedlejší produkt kvantové teorie.

Doporučujeme:  Tvorba dojmu

Kvantová teorie pole byla formulována s cílem rozšířit kvantovou mechaniku tak, aby byla v souladu se speciální relativitou. Byla vymyšlena koncem čtyřicátých let s prací Richarda Feynmana, Juliana Schwingera, Sin-Itira Tomonagy a Freemana Dysona. Ti formulovali teorii kvantové elektrodynamiky, která popisuje elektromagnetickou interakci, a úspěšně vysvětlili Lambův posun. Kvantová teorie pole poskytla rámec pro moderní fyziku částic, která studuje základní síly a elementární částice.

Chen Ning Yang a Tsung-Dao Lee v padesátých letech objevili nečekanou asymetrii v rozpadu subatomární částice. V roce 1954 pak Yang a Robert Mills vyvinuli třídu kalibračních teorií, které poskytly rámec pro pochopení jaderných sil. Teorii pro silnou jadernou sílu poprvé navrhl Murray Gell-Mann. Elektromagnetickou sílu, sjednocení slabé jaderné síly s elektromagnetismem, navrhli Sheldon Lee Glashow, Abdus Salam a Steven Weinberg a v roce 1964 potvrdili James Watson Cronin a Val Fitch. To vedlo v sedmdesátých letech k takzvanému standardnímu modelu částicové fyziky, který úspěšně popisuje všechny dosud pozorované elementární částice.

Kvantová mechanika také poskytla teoretické nástroje pro fyziku kondenzovaných látek, jejíž největší obor je fyzika pevných látek. Studuje fyzikální chování pevných látek a kapalin, včetně jevů jako jsou krystalové struktury, polovodivost a supravodivost. Mezi průkopníky fyziky kondenzovaných látek patří Felix Bloch, který v roce 1928 vytvořil kvantově mechanický popis chování elektronů v krystalových strukturách. Tranzistor byl vyvinut fyziky Johnem Bardeenem, Walterem Houserem Brattainem a Williamem Bradfordem Shockleym v roce 1947 v Bellových telefonních laboratořích.

Dvě témata 20. století, obecná relativita a kvantová mechanika, se zdají být navzájem v rozporu. Obecná relativita popisuje vesmír v měřítku planet a slunečních soustav, zatímco kvantová mechanika pracuje v subatomárních měřítcích. Tato výzva je napadána teorií strun, která považuje prostoročas za složený, nikoli z bodů, ale z jednorozměrných objektů, strun. Struny mají vlastnosti jako společný řetězec (např. napětí a vibrace). Teorie přinášejí slibné, ale zatím ne ověřitelné výsledky. Probíhá hledání experimentálního ověření teorie strun.

Výzkum ve fyzice neustále postupuje na mnoha frontách a je pravděpodobné, že tomu tak bude i v dohledné budoucnosti.

Ve fyzice kondenzovaných hmot je největším nevyřešeným teoretickým problémem vysvětlení vysokoteplotní supravodivosti. Silné úsilí, převážně experimentální, se vkládá do výroby funkčních spintronik a kvantových počítačů.

V částicové fyzice se začaly objevovat první experimentální důkazy pro fyziku nad rámec standardního modelu. Na prvním místě mezi nimi jsou náznaky, že neutrina mají nenulovou hmotnost. Zdá se, že tyto experimentální výsledky vyřešily dlouholetý problém solárních neutrin ve sluneční fyzice. Fyzika masivních neutrin je v současné době oblastí aktivního teoretického a experimentálního výzkumu. V příštích několika letech začnou urychlovače částic zkoumat energetické váhy v rozsahu TeV, v němž experimentátoři doufají, že naleznou důkazy pro Higgsův boson a supersymetrické částice.

Teoretické pokusy sjednotit kvantovou mechaniku a obecnou relativitu do jediné teorie kvantové gravitace, což je program trvající více než půl století, zatím nepřinesly ovoce. Současnými hlavními kandidáty jsou M-teorie, teorie superstrun a smyčková kvantová gravitace.

Mnoho astronomických a kosmologických jevů dosud nebylo uspokojivě vysvětleno, včetně existence ultravysokých energetických kosmických paprsků, baryonové asymetrie, zrychlení vesmíru a anomálních rychlostí rotace galaxií.

I když bylo dosaženo velkého pokroku ve vysokoenergetické, kvantové a astronomické fyzice, mnoho každodenních jevů, zahrnujících složitost, chaos nebo turbulence, je stále málo pochopeno. Složité problémy, které se zdají být vyřešeny chytrou aplikací dynamiky a mechaniky, jako je tvorba hromad písku, uzlů v stékající vodě, tvar kapiček vody, mechanismy katastrof povrchového napětí nebo samotřídění v otřesených heterogenních sbírkách, nejsou vyřešeny. Těmto složitým jevům se od 70. let 20. století dostává stále větší pozornosti z několika důvodů, v neposlední řadě je to dostupnost moderních matematických metod a počítačů, které umožnily modelovat složité systémy novými způsoby. Zvýšil se také mezioborový význam složité fyziky, jak dokládá studium turbulencí v aerodynamice nebo pozorování tvorby vzorů v biologických systémech. V roce 1932 Horace Lamb správně prorokoval:

Jsem už starý člověk, a když zemřu a půjdu do nebe, jsou dvě věci, ve kterých doufám v osvícení. Jednou je kvantová elektrodynamika a druhou je turbulentní pohyb tekutin. A pokud jde o tu první, jsem dost optimistický.

Učebnice na univerzitní úrovni