Φυσική

Η Φυσική (από την ελληνική λέξη φύω < φύναι που σημαίνει γένεση, δημιουργία, παραγωγή) είναι με την ευρύτερη έννοια η επιστήμη που μελετά την ύλη και την ενέργεια που παρατηρούνται στη φύση.

Οι φυσικοί μελετούν την λειτουργία και τις ιδιότητες του κόσμου που μας περιβάλλει από τα υποατομικά σωματίδια που αποτελούν τη συνήθη ύλη (σωματιδιακή φυσική), ως την συμπεριφορά τού υλικού σύμπαντος ως ολότητα (αστρονομία, κοσμολογία).

Σκοπός της φυσικής είναι η εύρεση του πλαισίου των θεμελιωδών νόμων στους οποίους υπακούν οι φυσικές οντότητες.

"Δεν υπάρχει αριθμός πειραμάτων που να μπορεί να δείξει ότι η θεωρία μου είναι σωστή, αλλά ένα και μόνο πείραμα μπορεί να αποδείξει ότι είναι λάθος" – Άλμπερτ Αϊνστάιν

H Φυσική σχετίζεται στενά με τις άλλες φυσικές επιστήμες όπως η χημεία. Η χημεία όντας η επιστήμη των μορίων και των δεσμών που μπορούν να σχηματίσουν τα άτομα μεταξύ τους, δανείζεται από τη φυσική το θεωρητικό υπόβαθρο για τη συμπεριφορά των ατόμων και των μορίων, το οποίο αναπτύσσεται σε τομείς της φυσικής όπως η κβαντομηχανική (εν προκειμένω κβαντική χημεία), η Ατομική Φυσική, η θερμοδυναμική και ο ηλεκτρομαγνητισμός.

Η Φυσική επίσης, έχει πολύ ιδιαίτερη σχέση με τα μαθηματικά, τα οποία παρέχουν το λογικό πλαίσιο ανάπτυξης και εδραίωσης των μοντέρνων θεωριών. Η διαφορά της φυσικής με τα μαθηματικά έγκειται στο ότι η φυσική χρησιμοποιεί τα μαθηματικά ως εργαλείο περιγραφής του υλικού κόσμου και των φαινομένων που τον διέπουν και τον χαρακτηρίζουν, ενώ τα μαθηματικά έχουν ως σκοπό την προώθηση του ίδιου του μαθηματικού λογισμού, χωρίς να υπόκεινται σε δεσμεύσεις ανάπτυξης υπό μία συγκεκριμένη σκοπιά. Ωστόσο, η διάκριση μεταξύ φυσικής και μαθηματικών δεν είναι πάντα ξεκάθαρη. Υπάρχει ένα ευρύ πεδίο έρευνας μεταξύ της φυσικής και των μαθηματικών, η μαθηματική φυσική, που είναι αφιερωμένη στην ανάπτυξη των μαθηματικών δομών που απαρτίζουν τις θεωρίες της φυσικής.

Παρακάτω δίνεται μια επισκόπηση των κύριων κλάδων και εννοιών της φυσικής, ακολουθούμενη από μία σύντομη επισκόπηση της ιστορίας της φυσικής και κάθε κλάδου της.

Θεωρίες

Αν και οι φυσικοί μελετούν μια μεγάλη ποικιλία φαινομένων, υπάρχουν κάποιες θεωρίες οι οποίες χρησιμοποιούνται από όλους τους φυσικούς. Κάθε μία από αυτές τις θεωρίες έχει ελεγχθεί σε μεγάλο αριθμό πειραμάτων και έχει αποδειχθεί μια σωστή προσέγγιση της ίδιας της φύσης. Για παράδειγμα, η θεωρία της κλασικής μηχανικής περιγράφει με ακρίβεια την κίνηση των αντικειμένων, υπό την προϋπόθεση ότι είναι πολύ μεγαλύτερα από τα άτομα και πολύ πιο αργά από την ταχύτητα του φωτός. Ενώ αυτές οι θεωρίες έχουν κατανοηθεί και επεξεργαστεί για πολύ καιρό, συνεχίζουν να είναι πεδία ερευνών. Για παράδειγμα, μια αξιοσημείωτη πτυχή της κλασικής μηχανικής γνωστή ως θεωρία του χάους ανακαλύφθηκε τον 20ό αιώνα, τρεις αιώνες μετά την αρχική εγκαθίδρυση της κλασικής φυσικής από τον Ισαάκ Νεύτων. Οι κεντρικές θεωρίες είναι σημαντικά εργαλεία για περαιτέρω έρευνα σε πιο ειδικευμένα πεδία της φυσικής, και όλοι οι φυσικοί πρέπει να είναι καλά εκπαιδευμένοι και άνετοι πάνω σε αυτές.

Τυπικό θερμοδυναμικό σύστημα - η θερμότητα κινείται από το ζεστό (boiler) στο ψυχρό (condenser) και παράγεται έργο.

• Η Κλασική μηχανική είναι ένα μοντέλο της φυσικής των δυνάμεων που ασκούνται σε κάποια σώματα. Συχνά αναφέρεται και ως "Νευτώνεια μηχανική" από τον Νεύτωνα και τους νόμους της κίνησης. Η κλασική μηχανική χωρίζεται στην στατική, όπου τα αντικείμενα είναι σε ηρεμία, στην κινηματική, όπου τα αντικείμενα είναι σε κίνηση, και στη δυναμική, η οποία περιγράφει αντικείμενα που υπόκεινται σε δυνάμεις. Η θεωρία ξεπερνιέται από τη σχετικιστική μηχανική για συστήματα που κινούνται με μεγάλες ταχύτητες, κοντά σε αυτή του φωτός, από την κβαντική μηχανική για συστήματα σε κλίμακα πολύ μικρών αποστάσεων, και από την σχετικιστική κβαντική θεωρία πεδίου για συστήματα που ισχύουν και οι δύο παραπάνω ιδιότητες. Παρ' όλα αυτά, η κλασική μηχανική παραμένει πολύ χρήσιμη, καθώς εφαρμόζεται πολύ πιο εύκολα και απλά από αυτές τις άλλες θεωρίες, και έχει ένα αρκετά μεγάλο εύρος ισχύος. Η κλασική μηχανική μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να περιγράψει την κίνηση μακροσκοπικών αντικειμένων, στην κλίμακα του ανθρώπου (όπως μπάλες και αυτοκίνητα), πολλά αστρονομικά αντικείμενα (όπως πλανήτες και γαλαξίες), και μερικά μικροσκοπικά αντικείμενα (όπως τα οργανικά μόρια).
• Ο Ηλεκτρομαγνητισμός είναι η φυσική του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, ένα πεδίο της φυσικής που παράγεται από την παρουσία και την κίνηση φορτισμένων σωματιδίων και αναπτύσσει δυνάμεις μεταξύ τους. Η ηλεκτροδυναμική περιγράφει τη συμπεριφορά των κινούμενων φορτισμένων σωματιδίων που αλληλεπιδρούν με ηλεκτρομαγνητικά πεδία. Ο ηλεκτρομαγνητισμός περιγράφει διάφορα ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα του απτού κόσμου. Ουσιαστικά, το φως είναι ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο σε ταλάντωση, το οποίο ακτινοβολείται από επιταχυνόμενα φορτισμένα σωματίδια. Πέρα από τη βαρύτητα, σχεδόν όλες οι δυνάμεις που αντιλαμβανόμαστε στην καθημερινή μας ζωή, είναι αποτέλεσμα του ηλεκτρομαγνητισμού.
• Η Θερμοδυναμική είναι ο κλάδος της φυσικής που έχει να κάνει μη τη δράση της θερμότητας και τις μετατροπές της ενέργειας από τη μια μορφή στην άλλη. Η θερμοδυναμική ασχολείται συγκεκριμένα με το πώς αυτές οι αλλαγές επηρεάζουν μεγέθη όπως η θερμοκρασία, η πίεση, ο όγκος, η μηχανική δράση, η εντροπία και το έργο. Η Στατιστική μηχανική, που σχετίζεται με τη θερμοδυναμική, είναι ο κλάδος της φυσικής που αναλύει τα μακροσκοπικά θερμοδυναμικά συστήματα εφαρμόζοντας στατιστικές αρχές στα μικροσκοπικά τους στοιχεία. Μπορεί να εφαρμοστεί ώστε να υπολογιστούν οι θερμοδυναμικές ιδιότητες υλικών, από τις ιδιότητες των μορίων τους, κάτι που είναι η βάση της στατιστικής θερμοδυναμικής
• Η Θεωρία της Σχετικότητας είναι:
  • μια φυσική θεωρία που βασίζεται σε δύο αξιώματα: (1) ότι η ταχύτητα του φωτός στο κενό είναι σταθερή και ανεξάρτητη από την πηγή ή τον παρατηρητή και (2) ότι οι νόμοι της φυσικής είναι ίδιοι για όλα τα αδρανειακά συστήματα -- καλείται επίσης και ειδική σχετικότητα, ειδική θεωρία της σχετικότητας. Οδηγεί στο συμπέρασμα πως η μάζα και η ενέργεια είναι ισοδύναμες και πως η μάζα, η διάσταση και ο χρόνος αλλάζουν όσο αυξάνεται η ταχύτητα.
  • μια επέκταση της ειδικής σχετικότητας ώστε να περιλαμβάνει μετασχηματισμούς ανάμεσα σε μη αδρανειακά συστήματα -- επίσης καλείται και γενική σχετικότητα ή γενική θεωρία της σχετικότητας. Περιγράφεται με τη χρήση διαφορικής γεωμετρίας και ερμηνεύει τη βαρύτητα ως παραμόρφωση του χωροχρόνου λόγω παρουσίας μάζας ή ενέργειας.
• Η Κβαντική μηχανική είναι ο κλάδος της μαθηματικής φυσικής που ασχολείται με ατομικά και υποατομικά συστήματα και την αλληλεπίδρασή τους με την ακτινοβολία. Βασίζεται στην παρατήρηση ότι όλες οι μορφές της ενέργειας απελευθερώνονται σε διακριτές μονάδες που καλούνται κβάντα. Η κβαντική μηχανική παρέχει μαι φυσική θεωρία της ύλης που βασίζεται στην έννοια του κυματοσωματιδιακού δυϊσμού και παρέχει μια μαθηματική ερμηνεία της δομής και των αλληλεπιδράσεων της ύλης στη βάση αυτής της ιδιότητας-- επίσης καλείται και Κυματική μηχανική. Το ενδιαφέρον είναι πως η κβαντική θεωρία παρέχει μόνο πιθανούς ή στατιστικούς υπολογισμούς των παρατηρούμενων ιδιοτήτων των υποατομικών σωματιδίων, μέσω της κυματοσυνάρτησης. Η ανακάλυψη της κβαντικής μηχανικής στις αρχές του 20ού αιώνα υπήρξε επαναστατική για τη φυσική, και είναι πλέον θεμελιώδης στους περισσότερους κλάδους της σύγχρονης έρευνας.