فیزیک

شاخه ها

زمینه های تحقیق

آزمایش‌های گذشته

آزمایش‌های در حال انجام

دانشمندان

فیزیک ( به یونانی: φύσις ، phisis : طبیعت ^{[1] [2]} بنیادی طبیعی است ) یک علم که به بررسی خواص اساسی یا اساسی پدیده‌ها و اجسام طبیعی می‌پردازد. ^[3] فیزیکدانان خواص اساسی، ساختار و حرکت ماده در فضا و زمان را مطالعه می کنند . ^[4] نظریه های فیزیکی اغلب به صورت روابط ریاضی بیان می شوند . موجه ترین پدیده ها قوانین فیزیکی یا قوانین فیزیک نامیده می شوند ، اما آنها نیز مانند سایر نظریه های علمی در معرض تغییر هستند. در عين حال، قوانين فيزيكي جديد معمولاً قوانين قديمي را حذف نمي‌كنند، بلكه فقط دامنه اعتبار آنها را محدود مي‌كنند. ^{[5] [6]}

فیزیک ارتباط نزدیکی با سایر علوم طبیعی و همچنین ریاضیات (به دلیل توصیف ریاضی طبیعت) دارد، به ویژه شیمی ، علمی که به اتم ها – عناصر شیمیایی و مولکول ها – ترکیبات شیمیایی می پردازد. شیمی عمدتاً بر پایه فیزیک است، به ویژه بر مکانیک کوانتومی ، ترمودینامیک و الکترومغناطیس . با این حال، پدیده های شیمیایی به اندازه کافی متنوع و پیچیده هستند که شیمی یک رشته جداگانه است.

مقدمه

دامنه و اهداف

فیزیک با طیف گسترده ای از پدیده ها، از فیزیک ذرات زیر اتمی گرفته تا فیزیک کهکشان ها سروکار دارد . این شامل ابتدایی ترین اشیایی است که تمام اشیاء دیگر از آنها ساخته شده اند و به همین دلیل است که گاهی اوقات گفته می شود فیزیک یک علم اساسی است.

هدف فیزیک توصیف پدیده های مختلفی است که در طبیعت از طریق پدیده های ساده تر رخ می دهند. بنابراین، وظیفه فیزیک این است که چیزهایی را که می توان دید را با علل آنها پیوند داد و سپس این علل را به یکدیگر پیوند داد تا دلیل نهایی را پیدا کند که چرا مقدم به این شکل است. به عنوان مثال، چینی‌های باستان پیش‌بینی می‌کردند که نوعی سنگ ( مگنتیت ) به دلیل نیروی نامرئی یکدیگر را جذب یا دفع می‌کنند. نامیده شد این اثر بعدها مغناطیس و برای اولین بار در قرن هفدهم به طور جدی مورد مطالعه قرار گرفت. کمی زودتر از چینی‌ها، یونانیان باستان می‌دانستند که اشیاء دیگر، مانند کهربا با خز مالیده شده، جاذبه یا دافعه مشابهی ایجاد می‌کنند. این نیز برای اولین بار به طور جدی در قرن 17 مورد مطالعه قرار گرفت و الکتریسیته نامیده شد . تحقیقات بیشتر در قرن 19 نشان داد که این دو نیرو فقط دو جنبه متفاوت از یک نیرو هستند – الکترومغناطیس . روند “اتحاد نیروها” امروز نیز ادامه دارد .

روش علمی

فیزیک از روش علمی برای تأیید صحت یک نظریه فیزیکی استفاده می کند و از یک رویکرد روشمند برای مقایسه پیامدهای آن نظریه با نتایج حاصل از آزمایش ها و مشاهدات استفاده می کند. آزمایش‌ها و مشاهدات جمع‌آوری و با پیش‌بینی‌ها و فرضیه‌های ادعا شده توسط نظریه مقایسه می‌شوند و در نتیجه به تعیین درستی یا نادرستی نظریه کمک می‌کنند.

نظریه هایی که به خوبی توسط داده ها پشتیبانی می شوند و هرگز در آزمون تجربی شکست نخورده اند، اغلب قوانین علمی یا قوانین طبیعت نامیده می شوند. همه نظریه ها، از جمله آنهایی که قوانین طبیعت نامیده می شوند، همیشه می توانند با تعاریف دقیق تر و کلی تر جایگزین شوند، در صورت مشاهده هر گونه اختلاف بین نظریه و داده های جمع آوری شده. برخی از اصول، مانند قوانین حرکت نیوتن، هنوز هم قوانین نامیده می شوند، اگرچه اکنون موارد شناخته شده ای وجود دارد که در آنها اعمال نمی شود.

نظریه و آزمایش

ایجاد کنند نظریه پردازان تلاش می کنند یک مدل ریاضی که هم با آزمایش های موجود موافق باشد و هم بتواند نتایج آینده را با موفقیت پیش بینی کند، در حالی که تجربی گرایان آزمایش هایی را برای آزمایش پیش بینی های نظری و کشف پدیده های جدید طراحی و انجام می دهند. اگرچه تئوری و آزمایش به طور جداگانه توسعه یافته اند، اما به شدت به یکدیگر وابسته هستند. پیشرفت‌های فیزیک اغلب زمانی اتفاق می‌افتد که تجربی‌گرایان چیز جدیدی را کشف می‌کنند که نظریه‌های موجود نمی‌توانند، یا زمانی که نظریه‌های جدید نتیجه‌گیری می‌کنند که می‌تواند به صورت تجربی تأیید شود، که الهام‌بخش آزمایش‌های جدید است. در غیاب آزمایش، تحقیقات نظری می تواند در جهت اشتباه پیش رود. وجود دارد انتقاداتی علیه نظریه M ، یک نظریه محبوب در فیزیک انرژی بالا، که هیچ آزمایش عملی برای آن ابداع نشده است. فیزیکدانانی که هم در زمینه تئوری و هم در زمینه تجربی کار می کنند اغلب پدیدارشناس نامیده می شوند .

فیزیک نظری ارتباط نزدیکی با ریاضیات دارد که زبان تئوری‌های فیزیکی را ارائه می‌دهد و بخش‌های بزرگی از ریاضیات، مانند تجزیه و تحلیل ریاضی ، به طور خاص برای حل مسائل فیزیک طراحی شده‌اند. نظریه پردازان همچنین می توانند بر تحلیل عددی و شبیه سازی های کامپیوتری تکیه کنند . رشته های فیزیک ریاضی و فیزیک محاسباتی از رشته های فعال در تحقیق هستند. فیزیک نظری در تاریخ خود بر فلسفه و متافیزیک تکیه داشت . به این ترتیب تئوری های الکتریسیته و مغناطیس در الکترومغناطیس ترکیب شدند. در خارج از جهان شناخته شده، حوزه فیزیک نظری نیز با سؤالات فرضی مانند جهان های موازی یا ابعاد بالاتر سروکار دارد . فیزیکدانان در مورد این احتمالات حدس می زنند و از آنها تئوری می سازند. مفهوم آنچه می تواند فرضی در نظر گرفته شود می تواند در طول زمان تغییر کند. به عنوان مثال، برخی از فیزیکدانان قرن نوزدهم وجود اتم ها را به سخره گرفتند . در پایان جنگ جهانی دوم ، اتم ها دیگر یک چیز فرضی نبودند.

تاریخچه

نوشتار اصلی: تاریخ فیزیک

از زمان های قدیم، مردم سعی کرده اند رفتار و خواص ماده را درک کنند. چرا اجسام هنگامی که تکیه گاه خود را از دست می دهند به زمین می افتند، چرا مواد مختلف خواص متفاوتی دارند و موارد مشابه. نیز اسرارآمیز بود ماهیت کیهان ، مانند شکل زمین ، رفتار و حرکت خورشید و ماه . تئوری های زیادی سعی کرده اند این پدیده ها را توضیح دهند، اما بیشتر آنها به روشی اشتباه، زیرا هرگز با آزمایش تایید نشده اند. با این حال، چند استثنا وجود داشت، مانند ارشمیدس ، که چندین قانون مهم و دقیق مکانیک و هیدرواستاتیک را استخراج کرد .

در اواخر قرن شانزدهم ، گالیله آزمایش‌ها را به‌عنوان روشی برای آزمایش تئوری‌های فیزیکی معرفی کرد و چندین قانون دینامیک مانند قانون اینرسی را با موفقیت فرمول‌بندی و آزمایشی تأیید کرد . در سال 1687 ، نیوتن ) را منتشر کرد اصول ریاضی فلسفه طبیعت ( Principia Mathematica Philosophia Naturalis بر آن استوار است ، به تفصیل شرح داده شده است ، اثر معروف خود که در آن قوانین حرکت نیوتن ، که مکانیک کلاسیک . و قانون گرانش نیوتن ، که یکی از چهار نیروی اساسی در طبیعت ، گرانش را توصیف می کند . هر دوی این نظریه ها با آزمایش های انجام شده موافق بودند. مکانیک کلاسیک نیز به طور قابل توجهی توسط لاگرانژ ، همیلتون ، و دیگران، که فرمول‌بندی‌ها، اصول و نتایج جدیدی را کشف کردند، کمک کرد. قانون گرانش همچنین توسعه اخترفیزیک را تشویق کرد که پدیده های نجومی را با تئوری های فیزیکی توصیف می کند.

از قرن هجدهم به بعد، ترمودینامیک شاهد اکتشافات مهم بویل ، یانگ و بسیاری دیگر بود. در سال 1733 ، برنولی از روش‌های آماری با مکانیک کلاسیک برای به دست آوردن نتایج ترمودینامیکی استفاده کرد، بنابراین توسعه مکانیک آماری را آغاز کرد . در سال 1798 ، تامپسون تبدیل کار مکانیکی به گرما را نشان داد و در سال 1847 ژول قانون بقای انرژی را، چه به صورت گرما یا انرژی مکانیکی، فرموله کرد.

الکتریسیته و مغناطیس توسط فارادی ، اهم و دیگران مورد مطالعه قرار گرفتند. در سال 1855 ، ماکسول این دو پدیده را در یک نظریه واحد الکترومغناطیس متحد کرد و آنها را با معادلات ماکسول توصیف کرد . این نظریه فرض می کرد که نور یک موج الکترومغناطیسی است .

در سال 1895 ، رونتگن ( آلمانی Wilhelm Conrad Roentgen ) اشعه ایکس را کشف کرد که نشان دهنده تابش الکترومغناطیسی با فرکانس بالا است. رادیواکتیویته کشف شد در سال 1896 توسط هانری بکرل و توسط پیر کوری ، ماری کوری و دیگران بیشتر مورد مطالعه قرار گرفت. این پایه و اساس رشته جدید فیزیک هسته ای را گذاشت .

در سال 1897 ، تامسون کشف کرد الکترون ، یکی از ذرات اصلی حامل بار را . در سال 1904 ، او اولین مدل اتم را پیشنهاد کرد. (وجود اتم از سال 1808 آن را پیش بینی کرد، ، زمانی که دالتون شناخته شده است .

در سال 1905 ، انیشتین نظریه نسبیت (خاص و عام) را فرموله کرد، فضا و زمان را در یک موجود واحد متحد کرد و نظریه گرانش جدید و نسبیتی را ایجاد کرد. او یکی از معدود دانشمندانی بود که پایه های فیزیک کوانتومی را بنا نهاد.

در سال 1911 ، رادرفورد ذرات آلفا روی اتم‌های طلا استنباط کرد باردار مثبت را از آزمایش‌های مربوط به پراکندگی وجود یک هسته اتمی فشرده با واحدهای پروتون . ذرات باردار خنثی، نوترون ها کشف شد ، توسط چادویک در سال 1932 .

در اوایل دهه 1900 ، پلانک ، انیشتین ، بور و دیگران نظریه کوانتومی را برای توضیح ناهنجاری ها در نتایج تجربی توسعه دادند و سپس مفهوم سطوح انرژی گسسته را معرفی کردند. در سال 1925 ، هایزنبرگ و شرودینگر را فرموله کردند مکانیک کوانتومی که دانش قبلی را در مورد ریزجهان کوانتومی یکپارچه کرد و نتایج آزمایش های متعدد را توضیح داد. در مکانیک کوانتومی، نتایج اندازه‌گیری‌های فیزیکی تابع قوانین احتمال است . این نظریه راه ها و قوانینی را برای محاسبه این احتمالات تجویز می کند.

مکانیک کوانتومی همچنین ابزارهای نظری را برای فیزیک حالت جامد ، که خواص فیزیکی جامدات را مطالعه می‌کند، و فیزیک سیالات ، که مواد را در حالت مایع، شامل پدیده‌هایی مانند ساختار بلوری ، نیمه‌رسانایی و ابررسانایی ، و همچنین ابرسیالیت یا مایع مطالعه می‌کند، توسعه داده است. کریستال ها . از جمله پیشگامان این رشته از فیزیک می توان به بلوخ رفتار الکترون ها را در ساختارهای کریستالی توصیف کرد اشاره کرد که در سال 1928 .

در طول جنگ جهانی دوم ، همه طرف های متخاصم در حال تحقیق در مورد فیزیک هسته ای بسازند بودند و می خواستند یک بمب اتمی . تلاش های آلمان شکست خورد، اما پروژه منهتن متفقین به هدف خود رسید. در آمریکا، تیمی به رهبری فرمی اولین واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای مصنوعی را در سال 1942 به دست آوردند و در سال 1945 انجام شد اولین انفجار هسته‌ای در آلاموگوردو ، نیومکزیکو .

نظریه میدان کوانتومی فرموله شد برای اطمینان از سازگاری بین مکانیک کوانتومی و نسبیت خاص . به شکل مدرن خود رسید در اواخر دهه 1940 در آثار فاینمن ، شوینگر ، توموناگا و دایسون . آنها نظریه الکترودینامیک کوانتومی را فرموله کردند که با استفاده از روش های کوانتومی، برهمکنش های الکترومغناطیسی را توصیف می کند.

نظریه میدان کوانتومی چارچوبی را برای نظریه ذرات مدرن فراهم کرد که نیروهای بنیادی طبیعت و ذرات بنیادی را مطالعه می کند. در سال 1954 ، یانگ و میلز پایه‌هایی را ایجاد کردند که منجر به مدل استاندارد تکمیل شد شد که در سال 1970 و با موفقیت تمام ذرات شناخته شده را توصیف می‌کند.

زمینه های اصلی و مبانی فیزیک

نظریه های کلیدی

قلمرو	موضوع اصلی	مفاهیم
مکانیک کلاسیک	قوانین حرکت نیوتن	قانون حفظ انرژی زمان انرژی لحظه آنها
الکترومغناطیس	مغناطیس برق	برق
امواج و اپتیک	سوسو زدن نوری وال	نوسان ساز هارمونیک نوسانات محدود نوسانات میرا شده امواج مکانیکی تداخل امواج امواج ایستاده امواج صوتی تداخل امواج صوتی امواج صوتی ایستاده بزنش اثر داپلر امواج شوک نوسانات LC جریان متناوب نوسانات پریسلین در مدارهای LC و RLC امواج الکترومغناطیسی اپتیک هندسی آینه لنزها اپتیک فیزیکی انکسار
ترمودینامیک مکانیک آماری		درجه حرارت آنتروپی
مکانیک کوانتومی	نظریه میدان کوانتومی مدل استاندارد	متقارن چرخش
تئوری نسبیت	نسبیت عام نسبیت خاص	سرعت نور
نظریه آشوب		Atraktori

مبانی

ماده — ضد ماده — ذره — بوزون — فرمیون

زمان — فضا — ابعاد — طول — سرعت

موج — تابع موج — نوسان ساز هارمونیک — تهویه الکترومغناطیسی

نیروهای اساسی

نیروهای اساسی : گرانش – نیروی الکترومغناطیسی – نیروی ضعیف – نیروی قوی

نظریه ذرات

نظریه ذرات — اتم — پروتون — نوترون — الکترون — کوارک — فوتون — گلوئون — بوزون W — بوزون Z — گراویتون — نوترینو — تشعشع — فرمیونها

رشته های فیزیک

• فیزیک نجومی
• فیزیک اتمی
• فیزیک مولکولی
• فیزیک نوری
• دینامیک سیالات
• فیزیک پلیمرها
• نوری
• تئوری مواد
• فیزیک هسته ای
• فیزیک پلاسما
• مکانیک کلاسیک
• فیزیک آماری
• الکترومغناطیسی
• ترمودینامیک
• مکانیک کوانتومی
• نسبیت گرایی
• فیزیک ذرات

مشاهده بیشتر

• جایزه نوبل فیزیک
• تاریخچه فیزیک
• فیزیکدانان معروف

منابع

• “فیزیک” . فرهنگ ریشه شناسی آنلاین.
• “فیزیک” . فرهنگ ریشه شناسی آنلاین.
• در آغاز سخنرانی های فاینمن در مورد فیزیک ، ریچارد فاینمن فرضیه اتمی را به عنوان پربارترین مفهوم علمی ارائه می دهد: «اگر در یک فاجعه، تمام [] دانش علمی نابود شود [به جز] یک جمله [… ] چه عبارتی حاوی بیشترین اطلاعات با کمترین کلمه است؟ من معتقدم […] همه چیز از اتم ها تشکیل شده است – ذرات کوچکی که در حرکت دائمی به اطراف حرکت می کنند و وقتی کمی از هم فاصله دارند یکدیگر را جذب می کنند. ، اما پس از فشرده شدن در یکدیگر دفع می شوند …” ( Feynman, Leighton & Sands 1963 , p. I-2)
• “علم فیزیک آن بخش از دانش است که به نظم طبیعت یا به عبارت دیگر به ترتیب منظم رویدادها مربوط می شود.” ( مکسول 1878 ، ص 9)
• Young & Freedman 2014 : str. 9

“فیزیک مطالعه جهان شما و جهان و کیهان اطراف شما است.” ( هولزنر 2006 ، ص 7)