Физика

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към: навигация, търсене
Емблема за пояснителна страница Тази статия е за научната дисциплина. За книгата на Аристотел вижте Физика (Аристотел).

Серия статии на тема

Физика

Relativistic formula.svg
Равенство на маса и енергия
История на физиката

Физиката (от гръцки: φυσικός (фисикос) — естествен, φύσις (фисис) — природа) е естествена наука, изучаваща общите и фундаментални закономерности, определящи структурата и еволюцията на материалния свят. Физиката е точна наука, което означава, че се занимава с намирането на количествено описание на природните явления. Физиката се основава на теории, които дават ясни, измерими предвиждания. За физични се приемат само експериментални резултати, които могат да бъдат независимо възпроизведени. Такива резултати могат да потвърдят или отхвърлят дадена физична теория. Теоретичната и експерименталната физика са тясно свързани − понякога развитието на физичните теории мотивира провеждането на нови експерименти, а понякога нови експериментални данни провокират създаването на нова теория. За изучаването на природните явления тези два подхода са еднакво важни.

За първи път терминът физика е използван от древногръцкия философ и учен Аристотел през IV век пр.н.е. Физиката е една от най-старите области на познанието, макар в древността да не е оформена като отделна наука.[1]. Дълго време физиката и философията се ползват като синоними и едва в резултат на Научната революция от XVI-XVII век физиката се обособява като отделна наука[2]

Значението на физиката в съвременния свят е огромно. Новите ѝ идеи и достижения водят до развитието на другите науки и до нови научни открития, които от своя страна намират приложение в техниката и промишлеността. Така например, изследванията в областта на електромагнетизма водят до появата на телефона, електромотора, влаковете на магнитна възглавница; откритията в областта на термодинамиката правят възможно построяването на автомобила, а развитието на радиоелектрониката води до появата на компютрите.

Въпреки невероятното количество натрупани познания за света, човешкото разбиране за процесите и явленията непрекъснато се мени и развива, новите изследвания повдигат нови и нерешени въпроси, за които трябват нови обяснения и теории. В този смисъл физиката е в непрекъснат процес на развитие и все още далече от възможността да обясни всички природни явления и процеси.

Предмет[редактиране | edit source]

Пример за природно явление, подчинено на физични закони: Параболичната траектория на частиците лава е в съответствие със закона на Галилей за свободното падане, а червеното им излъчване — със закона за излъчване на абсолютно черно тяло

Физиката има за цел изучаването на широк спектър от предмети и явления от всички възможни мащаби: от елементарните частици до най-големите звездни купове от галактики. В това число се включват и градивните елементи, изграждащи всички тела в природата, поради което физиката се нарича „фундаментална наука” [3].

Физиката има за цел да опише различните сложни явления, наблюдавани в природата, като ги свежда до по-прости явления. Така физиката цели да обясни нещата, които ни заобикалят, като установи техните причини и след това се опитва да свърже тези причини помежду им в желанието да се намери окончателно обяснение на вечния човешки въпрос — защо природата е такава, каквато е.

Например в Древен Китай било наблюдавано, че определени скали (магнетит) се привличат една друга чрез невидими сили. Този ефект по-късно е наречен магнетизъм и бива сериозно изучен за първи път през 17 век. Малко по-рано, преди китайците, древните гърци са познавали свойствата на кехлибара, който при триене в кожа също предизвиква ефект на привличане. Това явление също е изучено подробно през 17 век и бива наречено електричество. В този смисъл физиката си поставя за цел да обясни нещо, наблюдавано в природата, според неговите причини. Чак през 19 век с по-нататъшния напредък на науката се разбира, че споменатите две явления — електричество и магнетизъм — са само два различни аспекта на едно и също взаимодействие — електромагнитното. Този процес на задълбочаване на знанията продължава и днес.

Научен метод[редактиране | edit source]

Физиката използва като научен метод емпиричната проверка: валидността на всяка физична теория се тества, като направените според нея хипотези и заключения се сравняват с резултати, извлечени от проведени експерименти и наблюдения.

Теории, които са добре подкрепени с експериментални данни и никога не са били опровергани с емпиричен опит (т.е. издържат емпиричната проверка), често се превръщат в научни закони или природни закони. Разбира се, всички теории, включително научните закони, могат винаги да бъдат заместени от нови, по-точни твърдения, които се търсят, когато има някакво несъгласие на дадена теория с наблюдаваните експериментални данни [4].

Теория и експеримент[редактиране | edit source]

При физиката има доста по-голяма степен на разделение между теория и експеримент, отколкото при други науки. Още от 12 век повечето физици се специализират или в теоретичната, или в експерименталната физика и съответно се наричат теоретици и експериментатори. (В противовес на това, почти всички успешни теоретици в биологията или химията (например американският квантов химик и биолог Лайнъс Полинг) са били също и експерименталисти, макар това да се променя в последно време.)

Теоретиците се стремят да развият математически модели, които едновременно да описват съществуващите експерименти и успешно да предвиждат бъдещи резултати, докато експериментаторите предлагат и извършват експерименти, за да проверят теоретичните предвиждания и да изследват нови явления. Макар че теория и експеримент се развиват от различни учени, те са силно свързани помежду си. Прогресът във физиката често се осъществява, когато учените направят експериментално откритие, което съществуващите теории не могат да обяснят или, от друга страна, когато нови теории генерират предположения, подлежащи на проверка, вдъхновявайки поставянето на нови експерименти.

Също така има физици, които работят едновременно върху теория и експеримент и които се наричат феноменологисти. Феноменологистите свързват емпирични наблюдения над определени феномени помежду им по начин, който е в съгласие с фундаменталната теория, но не произтича директно от нея.

Теоретичната физика е исторически вдъхновена от философията и метафизиката, например обединението на електричеството и магнетизма в единна теория — електромагнетизъм е станало по този начин [5]. Извън познатата ни Вселена, в полето на теоретичната физика се включва и боравенето с хипотетични въпроси [6], като паралелни вселени, мултивселена и по-високи измерения.

Експерименталната физика е в основата на техниката и технологиите. Експериментаторите в областта на фундаменталните изследвания работят например с ускорители на частици и лазери, докато тези в областта на приложните изследвания често работят за индустрията, например създавайки транзистори или метода на ядрен магнитен резонанс.

Връзка с философията[редактиране | edit source]

В голяма степен физиката произлиза от древногръцката философия - от първия опит на Талес да характеризира материята, през заключението на Демокрит, че материята трябва да се редуцира до инвариантно състояние и астрономията на кристалния небосвод на Птолемей до книгата на Аристотел Физика гръцките философи развивали различни възгледи и теории за природата. Чак до средата на 18 век физиката се нарича естествена философия (натур-философия).

Към 19 век физиката вече се възприема като позитивна и отделна наука, различна от философията и другите науки. От друга страна, физиката заедно с другите науки разчитат на философията на науката да даде адекватно описание на научния метод. [7] Научният метод включва априорно и апостериорно мислене, както и вероятностни оценки, за да се прецени валидността на дадена теория. [8]

Развитието на физиката дава отговори на много от питанията на ранните философи, но в същото време поставя и нови въпроси.

Изследването на философските въпроси, отнасящи се до физиката, включва по-конкретно теми като: същност на пространство-времето, детерминизъм, както и метафизически перспективи като емпиризъм, натурализъм и научен реализъм. [9]

Много физици са писали върху философските аспекти на тяхната работа, например Лаплас, който първи засяга темата за каузалния детерминизъм [10] и Ервин Шрьодингер, който пише върху квантовата механика. [11] Математическият физик Роджър Пенроуз e наречен платоник от Стивън Хокинг [12], което пък е коментирано от Пенроуз в неговата книга Пътят към реалността [13] Хокинг, от своя страна, нарича себе си "безсрамен редукционист" и спори с възгледите на Пенроуз [14].

История на физиката[редактиране | edit source]

Научното знание съществува откакто съществува човечеството, хората са се опитвали да си обяснят естествения свят още от древността. Цивилизации се раждат и умират, а знанието се пренася от едно място на друго, допълва и разширява, а понякога се губи и преоткрива отново.

Център на знанието в древността са арабският свят, Вавилон, Египет, Индия, Китай, а по-късно древен Рим и древна Гърция. Ранните физични теории се развиват основно като философия и не са верифицирани систематично чрез тестове, такава каквато е практиката днес. Докато Европа тъне в невежеството на тъмните векове, философските и научни знания на древните цивилизации са запазени от мюсюлманските държави, там възниква експерименталната физика, развивана от средновековните мюсюлмански физици, сред които най-известен е Алхацен.

Съвременната физика, такава каквато я познаваме днес, започва с Галилео Галилей, поради което той често е наричан бащата на модерната физика. Той е първият, който използва научния подход, научния метод, в същността на който е идеята, че всяка теория трябва да бъде потвърдена с научни експерименти и наблюдения. Исак Нютон се ражда в годината, в която умира Галилей. Той взима идеите му и ги превръща в теория, като създава един цял дял на физиката, наречен механика. През 20 век работата на Алберт Айнщайн маркира една изцяло нова посока във физиката, която продължава и днес.

Основни теории във физиката[редактиране | edit source]

Теория Основни раздели и понятия Кратко описание
Класическа механика раздели: Закони на НютонМеханика на ЛагранжХамилтонова механикаТеория на хаосаХидродинамикаМеханика на непрекъснатите среди

понятия: РазстояниеПространствоВремеДвижениеДължинаСкоростМасаИмпулс - Момент на импулсаСилаЕнергияМомент на силаЗакони за запазванеХармоничен осцилаторВълна - ПериодРаботаМощностСиметрия

Класическата механика е един от подразделите на механиката, която от своя страна е раздел на физиката и описва движението на телата и силите, които го причиняват. Другите три подраздела са небесна механика, квантова механика и релативистка механика. Терминът „класическа“ има за цел разграничение от модерните теории от 20-ти век — квантова механика и теория на относителността. Нуждата от тях възниква при описанието на обекти, които са извън ежедневието (поне исторически, в днешно време много от модерните технологии се основават на принципите на квантовата механика). Класическата механика възниква с формулирането на математическите методи на диференциалното и интегралното смятане, чиито основоположници са Исак Нютон и Готфрид Лайбниц.

Класическата механика се дели на статика, динамика и кинематика. Статиката изучава равновесието на телата, кинематиката - движението, а динамиката — причините за движението или равновесието на тялото.

Електромагнетизъм раздели: ЕлектростатикаЕлектричествоМагнетизъмУравнения на Максуел - Оптика

понятия: Електрически зарядНапрежениеЕлектрически токЕлектрическо полеМагнитно полеЕлектромагнитно полеЕлектромагнитно излъчванеСвръхпроводимост

Електромагнетизмът е дял от физиката, чийто обект на изследване е електромагнитното поле: това е полето, обхващащо цялото пространство около частици, притежаващи електричен заряд, което упражнява сила върху тях и на свой ред се влияе от присъствието и движението на такива частици. Теорията на електромагнетизма разглежда редица електромагнитни явления, сред които могат да се обособят електростатика, магнитостатика, електродинамика, електрически вериги и други.
Термодинамика и Статистическа физика раздели: Топлинна машинаМолекулно-кинетична теория

понятия: ТемператураНалягане - Константа на БолцманЕнтропияСвободна енергияТермодинамично равновесиеСтатистическа сумаМикроканонично разпределениеГолямо канонично разпределение

Термодинамиката ( от гръцки: θέρμη, топлина и δύναμις, сила; буквално може да се преведе като топлосила) е раздел от физиката, занимаващ се с топлинните процеси протичащи в телата, следствие промяната на температура, обем и налягане. Термодинамиката се дели на класическа, статистическа и химическа и в основата и са законите на термодинамиката — постулати, които постановяват, че енергия може да се обменя между системите във формата на работа или топлина. Те също така постулират съществуването на физична величина, наречена ентропия, която е напълно определена за всяка изолирана система в термодинамично равновесие. Общо казано, термодинамиката описва как отделни системи реагират на промени в околната среда.

Статистическата механика описва взаимодействията между голям брой частици (най-често от порядъка на числото на Авогадро) и свърза свойствата на елементарните частици с тези на макроскопичните обекти и свойства на материалите, както се наблюдават във всекидневния живот. Познатата ни термодинамика намира своята обосновка в рамките на статистическата физика. Главното предимство на статистическата механика пред термодинамиката е способността на статистическата механика да обясни свойствата на веществата на базата на теорията за взаимодействията между съставляващите ги частици.

Квантова механика раздели: Уравнение на ШрьодингерИнтеграл на ФайнманКвантова теория на полето

понятия: ХамилтонианТъждествени частициКонстанта на ПланкИзмерениеКвантов осцилаторВълнова функцияЕнергия на нулевата точкаПренормиранеМатерияАнтиматерияЕлементарни частициБозонФермионКвантово числоКвантово тунелиране

Квантовата механика е фундаментална физична теория, описваща поведението на микроскопичните частици. При тях тя замества класическата механика на Нютон и теорията на електромагнетизма, защото те не обясняват адекватно наблюдаваните явления на атомно и субатомно ниво.
Теория на относителността раздели: Специална теория на относителносттаОбща теория на относителността

понятия: Принцип на относителността4-векторОтправна система - Пространство-време - Релативистична Маса- Скорост на светлинатаЧерна дупка

Теория на относителността е събирателен термин, който се отнася за специалната и общата теории на относителността на Алберт Айнщайн. Също така, понятието може да се отнася за галилеевото разбиране за относителност. СТО е теория за структурата на пространство-времето. За пръв път е въведена през 1905 от Айнщайн в статията му "За електродинамиката на движещите се тела". ОТО е теория на гравитацията, развита от Айнщайн между 1907 и 1915 г. В основата ѝ е принципът на еквивалентността, според който състоянието на тяло в покой, намиращо се в определено гравитационно поле се описва по еднакъв начин като ускорително движение на същото тяло, без наличие на гравитационно поле. През 1915 г. Айнщайн предлага идеята за изкривено пространство-време.

Предложени теории[редактиране | edit source]

Теория на всичко

Други теории[редактиране | edit source]

Термоядрен синтез

Фундаментални взаимодействия[редактиране | edit source]

Гравитационно взаимодействиеЕлектромагнитно взаимодействиеСлабо ядрено взаимодействиеСилно ядрено взаимодействие

Строеж на материята[редактиране | edit source]

АтомПротонНеутронЕлектронКваркФотонГлуонГравитонНеутриноФононРотон

Раздели на физиката[редактиране | edit source]

Съвременните изследвания по физика са разделени на няколко подобласти, които изучават различни аспекти на материалния свят:

Физика на кондензираната материя - най-голямата от тях, разглежда свойствата на твърдите тела и течностите, обусловени от техния състав на молекулярно и атомно ниво. Подобласти: Физика на твърдото тяло, Физика на материалите, Полимерна физика, Криогеника

Атомната и молекулна физика и оптика изучава поведението на индивидуалните атоми и молекули и как те поглъщат и изпускат енергия и светлина. Подобласти: Молекулна физика, Атомна физика, Оптика

Физиката на елементарните частици, известна още и като Физика на високите енергии изучава свойствата на частиците, по-малки от атома. Подобласти: Физика на ускорителите, Ядрена физика

Астрофизиката прилага физическите закони за обяснение на астрономически явления и изследва Вселената като цяло. Подобласти: Космология, Физика на плазмата

Отношение към математиката и другите науки[редактиране | edit source]

Математиката е широко прилагана във физиката и може да се каже, че тя е нейният „език“. Математическата физика прилага математически методи за решаване на физични проблеми и формулиране на физични теории.

Има много научни области, които са на границата на физиката с други дисциплини. Например широкото поле на биофизиката изследва каква роля играят физическите закони в биологичните системи, а квантовата химия изучава химическото поведение на атомите и молекулите от гледна точка на квантовата механика. Ето някои такива области: Акустика,Агрофизика, Астрономия, Биофизика, Геофизика, Електроника, Математическа физика, Материалознание, Медицинска физика, Квантова химия, Техника, Физикохимия, Физика на атмосферата

Физика и религия[редактиране | edit source]

Изучаване на астрономия и геометрия, 15-ти век, Франция

В историята често се случва така, че получените резултати във физиката и астрономията, както и в някои други науки, влизат в конфликт с някои политически или държавни органи, както и с обществени или религиозни организации и институции. Последните боравят с набор от убеждения и вярвания, които дават някаква представа за света и законите на Вселената, но в крайно догматична форма.

Конфликтите между религията и науката започват ясно да се проявяват през XVII век със спора между Птолемеевата и Коперниковата представа за слънчевата система и след това със съдебния процес над Галилео през 1633 година. Църквата приема хелиоцентричната система едва през 1757 година.[15] Трябва да се има предвид, че Галилео не е осъден, защото се отрича от написаното от него, но продължава да вярва, че полският астроном Николай Коперник е прав. Отричането от страна на Галилео Галилей е акт не на слабост, а на мъдрост и уважение, защото по-голямата част от неговите работи се финансира в дългосрочен план от Римокатолическата църква.

Хармония между наука и религия - витраж на Луис Комфорт Тифани (1890 г.) в университета в Йейл

Много от пионерите на науката в Европа се научават на предпазливо отношение към властите. Те си дават сметка, че могат да попаднат под ударите на Инквизицията. Едно от предизвикателствата е това, че някои пасажи от Библията, например за Бог като цар на Вселената, са написани по твърде неясен начин и могат да се тълкуват различно. Ако се тълкуват буквално, влизат в директно противоречие с предложените физични теории на Галилей, Кеплер и Нютон.[16] Така например Джордано Бруно, бивш доминикански монах, който отказва да се отрече от твърдението си, че Вселената е безкрайна и поддържа теорията на Коперник, е изгорен на клада от Инквизицията през 1600 година в Рим.

Ситуацията започна да се изяснява отчасти през XIX век, наречен векът на атеизма, особено след Френската революция, поради реорганизирането и оформянето на граждански и християнски организации. Осъществява се призив за завръщане към оригиналните текстове на Библията, написани на иврит и на гръцки, както и за определяне на правила за тълкуване, така че да не се приема буквалното им значение.

Бележки[редактиране | edit source]

  1. Съществуват доказателства, че най-ранните цивилизации, датиращи назад до 3000 пр.н.е., като например шумерите, древните египтяни и цивилизацията от долината на Инд, са притежавали знание за предвиждане и много основно разбиране за движението на Слънцето, Луната и звездите.
  2. Novum Organum (1620) на Франсис Бейкън е критична към развиването на научния метод.
  3. Лекции на Файнман върху физиката Том I. Feynman, Leighton и Sands. ISBN 0-201-02115-3 Виж Глава 3: „Отношение на физиката към другите науки” ("The Relation of Physics to Other Sciences") за обща дискусия. За философската тема — дали другите науки следва да бъдат „редуцирани” до физиката, виж редукционизъм и специални науки).
  4. Някои принципи като Нютоновите закони за движение са все още наричани „закони”, дори и днес да е известно, че са частни случаи на по-нови теории. За това например Томас Броди, Философията зад физиката (Thomas Brody, 1993, Luis de la Peña and Peter Hodgson, eds., The Philosophy Behind Physics ISBN 0-387-55914-0), стр. 18–24 (Глава 2), обяснява 'епистемологичния цикъл', в който студент по физика открива, че физиката не е краен и завършен продукт, но вместо това е процес на създаване [на този продукт].
  5. Виж, например, за влиянието на Кант и Йохан Вилхем Ритер върху Оерстед.
  6. Концепции, които са първоначално означени като хипотетични, могат да се променят с времето. Например атомът през 19 век е бил омаловажаван от някои автори, включително критиката на Ернст Мах на формулировката на Лудвиг Болцман за статистическата механика. В края на Втората световна война атомът вече не е смятат за хипотетичен.
  7. Rosenberg, Alex. Philosophy of Science. Routledge, 2006. ISBN 0-415-34317-8. Вж Глава 1 за дискусия върху необходимостта от философия на науката.
  8. ((en)) Peter Godfrey-Smith (2003), Глава 14 "Bayesianism and Modern Theories of Evidence" Theory and Reality: an introduction to the philosophy of science ISBN 0-226-30063-3
  9. ((en)) Peter Godfrey-Smith (2003), Глава 15 "Empiricism, Naturalism, and Scientific Realism?" Theory and Reality: an introduction to the philosophy of science ISBN 0-226-30063-3
  10. Вж ((en)) Laplace, Pierre Simon, A Philosophical Essay on Probabilities, превод на английски от 6-тото френско издание от Frederick Wilson Truscott, Frederick Lincoln Emory, Dover Publications (New York, 1951)
  11. Вж Интерпретация на квантовата механика - ((en)) "The Interpretation of Quantum Mechanics" Ox Bow Press (1995) ISBN 1-881987-09-4. и "My View of the World" Ox Bow Press (1983) ISBN 0-918024-30-7.
  12. ((en)) Stephen Hawking, Roger Penrose (1996), The Nature of Space and Time ISBN 0-691-05084-8 p.4 "Мисля, че Роджър е платоник в сърцето си, но все пак той трябва да отговаря за себе си."
  13. ((en)) Roger Penrose, The Road to Reality ISBN 0-679-45443-8
  14. Penrose, Roger и др. The Large, the Small and the Human Mind. Cambridge University Press, 1997. ISBN 0-521-78572-3.
  15. Examining the Theological Status of Geocentrism and Heliocentrism and the Devastating Problems this creates for Baptism of Desire Arguments, Bro. Peter Dimond, O.S.B.
  16. Religion in an Age of Science, Ian Barbour
Портал Портал Физика съдържа още много статии
Криейтив Комънс - Признание - Споделяне на споделеното Лиценз за свободна документация на ГНУ Тази страница частично или изцяло представлява превод на страницата „Physics“ в Уикипедия на английски. Оригиналният текст, както и този превод, са защитени от Лиценза „Криейтив Комънс - Признание - Споделяне на споделеното“, а за съдържание, създадено преди юни 2009 година — от Лиценза за свободна документация на ГНУ. Прегледайте историята на редакциите на оригиналната страница, както и на преводната страница, за да видите списъка на съавторите.  

Виж още[редактиране | edit source]

Общи
Свързани полета
Интердисциплинарни полета, включващи физика

Външни препратки[редактиране | edit source]