Fyzika

Z Multimediaexpo.cz

Fyzika (z řeckého φυσικός (physikos): přírodní, ze základu φύσις (physis): příroda) je vědní obor, který zkoumá hmotu, její vlastnosti a chování během dějů. Vlastnosti a vztahy mezi nimi popisuje zpravidla jazykem matematiky.

Obsah

Rozdělení fyziky

Fyziku lze velmi obecně rozdělit podle metod na teoretickou fyziku, experimentální fyziku, numerické simulace a aplikovanou fyziku. Teoretická fyzika se snaží vyvodit z matematických objevů a experimentálních výsledků obecnější platnost zákonů a určit teoretické hranice jejich platnosti. Cílem experimentální fyziky je potvrzení nebo vyvrácení existující teorie. Často přitom dochází k jiným novým objevům. Numerické simulace umožňují udělat si představu o důsledcích přírodních zákonů za daných podmínek a dávají předpovědi ověřitelné pozorováním. Aplikovaná fyzika vychází z potřeb praxe. Její rozvoj je motivován potřebami z výroby, lidské spotřeby a z potřeby ochrany životního prostředí. Hranice mezi tímto dělením nejsou striktní. Příkladem metody a přechodu mezi experimentální a teoretickou fyzikou, při níž se využívají poznatky z vědy o informatice je modelování fyzikálních stavů a dějů s pomocí informačních technologií.

Následující tabulka je přehledem mnoha oborů a podoborů fyziky společně s teoriemi a tématy, které zahrnují. V mnoha případech se podobory prolínají několika různými obory, proto je třeba brát přehled jen jako orientační.

Obor Podobory Hlavní teorie Témata
Mechanika Mechanika hmotných bodů a tuhého tělesa; analytická mechanika; gravitační silové pole; mechanika kontinua – mechanika pružnosti a pevnosti, mechanika tekutin, reologie a mechanika sypkých látek; speciální teorie relativity; mechanické kmitání a vlnění, akustika; mechanika chaotických systémů Newtonovy pohybové zákony, Newtonův gravitační zákon, diferenciální (např. d'Alembertův) a integrální (např. Hamiltonův) principy mechaniky, Lagrangeovy pohybové rovnice, Hamiltonovy kanonické rovnice, Hamiltonova-Jacobiho rovnice, Lagrangeova formulace teorie pole a teorém Noetherové, Einsteinův princip relativity, teorie chaosu síla, práce, energie, hybnost, zákony zachování, deformace, proudění, Poissonovy závorky, Lagrangeova funkce, Hamiltonova funkce, Lorentzova transformace, kontrakce délek, dilatace času, relativita současnosti, vlnová rovnice, atraktor
Termika Termokinetika, tepelné děje v plynech, fázové přeměny, termodynamika směsí a chemická termodynamika, termodynamika kondenzovaného stavu, termodynamika záření, nerovnovážná termodynamika Zákony termodynamiky, Gibbsovo fázové pravidlo, Clausiusova-Clapeyronova rovnice, Stefanův-Boltzmannův zákon, Planckův vyzařovací zákon teplota, stavové rovnice, teplo a jeho šíření, tepelné stroje, entropie, fáze, záření absolutně černého tělesa
Molekulová stavba látek (molekulová fyzika) a statistická fyzika Kinetická teorie látek, molekulová fyzika plynu, klasická (Maxwellova-Boltzmannova) statistická fyzika, molekulová stavba kapalin, molekulová fyzika pevných látek, krystalografie, statistická fyzika fermionů a bosonů, fyzika plazmatu, statistická fyzika záření, fyzikální kinetika a transportní jevy; fyzika chaotických systémů Liouvilleův teorém; ekvipartiční teorém; Boltzmannův zákon; Maxwellovo-Boltzmannovo, Fermiho-Diracovo a Boseho-Einsteinovo rozdělení; grupy krystalové symetrie, transportní teorie, teorie chaosu molekula; fázový prostor; mikrokanonický, kanonický a grandkanonický soubor; povrchové napětí; kovalentní, iontová a kovová vazba, krystalová mřížka, krystalografická soustava; plazma; difuze, osmóza; viskozita, atraktor
Fyzika elektromagnetismu Elektrostatika, elektrický proud v pevných látkách, kapalinách a plynech, elektrické obvody a jejich řešení, stacionární magnetické pole, nestacionární elektromagnetické pole, elektromagnetické vlnění, materiálové elektromagnetické vlastnosti látek, magnetohydrodynamika Coulombův zákon, Gaussův zákon elektrostatiky, Ampérův zákon, Biotův-Savartův zákon, Ohmův zákon, Faradayův zákon elektromagnetické indukce, Maxwellovy rovnice, Lorentzova mikroskopická teorie, speciální teorie relativity elektromagnetické pole, intenzita elektrického pole, elektrický potenciál a napětí, magnetická indukce, vektorový potenciál magnetického pole,

elektrický proud, elektrický vodič, dielektrikum, elektrický obvod

Optika Vlnová optika, šíření světla prostředím, paprsková optika, geometrická optika, fotometrie, optika barev, kvantová optika Huygensův-Fresnelův pricip, Fermatův princip, Snelliův zákon lomu, Fresnelovy rovnice vlnoplocha, koherence, interference světla, difrakce světla, polarizace, dvojlom, zrcadlo, čočka, zvětšení, svítivost, jas, barva, foton
Atomová fyzika (atomistika) = fyzika atomového obalu Modely atomu, kvantová mechanika, atomová astrofyzika, kvantová chemie, spektrální optika, interakce záření s hmotným prostředím, fotonika Bohrův-Sommerfeldův model atomu, kvantová teorie, fyzika kvantové informace foton, atom, Schrödingerova rovnice, Diracova rovnice, atomový orbital, molekula, chemická vazba, elektromagnetické záření, laser, polarizace, spektrální čára, rozptyl světla, ionizace, Casimirův jev
Fyzika kondenzovaného stavu fyzika pevných látek, fyzika vysokých tlaků, fyzika nízkých teplot, fyzika povrchů, nanotechnologie, fyzika polymerů pásová teorie, BCS teorie, Blochova vlna, fermiův plyn, fermiova kapalina, skupenství (plynné, kapalné, pevné, Boseho-Einsteinův kondenzát, supravodič, supratekutina), elektřina, magnetismus, metamateriály, spin, samoorganizace, spontánní narušení symetrie
Jaderná a subjaderná fyzika Fyzika atomového jádra, radioaktivita, jaderné reakce, neutronová fyzika, ionizující záření a jeho průchod prostředím, dozimetrie, fenomenologie elementárních částic, kvarkový model, jaderná a částicová astrofyzika, standardní model, kvantová teorie pole, kvantová elektrodynamika, kvantová chromodynamika, elektroslabá interakce, kalibrační invariance, supersymetrie, teorie velkého sjednocení, teorie superstrun, M-teorie Základní interakce (gravitační, elektromagnetická, slabá, silná), elementární částice, lepton, kvark, spin, antihmota, spontánní narušení symetrie, oscilace neutrin, , brána, superstruna, kvantová gravitace, teorie všeho, energie vakua
Astrofyzika kosmologie, fyzika gravitace, astronomie vysokých energií, planetární vědy, fyzika plazmatu, fyzika hvězd velký třesk, lambda-CDM model, kosmická inflace, obecná relativita, Newtonův gravitační zákon černá díra, reliktní záření, kosmická struna, vesmír, temná hmota, temná energie, galaxie, gravitace, gravitační vlny, planeta, sluneční soustava, hvězda, supernova
Aplikovaná fyzika fyzika urychlovačů, akustika, agrofyzika, astronautika, biofyzika, chemická fyzika, dynamika dopravních prostředků, ekonofyzika, fyzikální eroze, inženýrská fyzika, geofyzika, lékařská fyzika, fyzika materiálů, mechanika, meteorologie, měřící přístroje, fyzika moří, nanotechnologie, teoretická elektrotechnika a radiotechnika, optika, optoelektronika, fotovoltaika, fyzikální chemie, fyzika počítačů, fyzika pevných látek, fyzika jaderných reaktorů, fyzika plazmatu, kvantová chemie, kvantová elektronika, fyzika kvantové informace, sportovní fyzika, statika staveb, dynamika tekutin, fyzika telekomunikací

Vztah fyziky k dalším vědám

Fyzika se někdy označuje jako věda fundamentální. Kdybychom disponovali neomezenou výpočetní silou, celá chemie by se redukovala na řešení rovnic kvantové teorie. Skutečnost je ale taková, že přímé výpočty ze základních rovnic jsou dnes proveditelné jen pro jednodušší případy. Proto chemie vychází z fyziky jen částečně. Obdobný vztah (přinejmenším podle redukcionistického pohledu) platí pro biologii, ale protože biologické systémy jsou ještě složitější, přímé výpočty jsou ještě méně praktické. Na pomezí mezi fyzikou, biologií a chemií leží biofyzika. Kromě výpočtů chování molekul mají velké uplatnění v biologii i lékařství zobrazovací metody založené na složitějších fyzikálních základech (NMR, PET, spektroskopie a další).

Fyzika těsně souvisí s astronomií.

Historie fyziky

Počátky fyziky lze hledat ve starověku. Fyzika převážně patřila do filosofie, rozvíjela se kosmologie. Převažující metodou poznání byla úvaha a pozorování. Aristotelova fyzika tak odpovídá přirozené, vypozorované zkušenosti – vržený předmět se zastaví, těžké předměty padají dolů, lehké míří nahoru. (Přestože v porovnání se současnou mechanikou se taková teorie zdá úplně špatná, v určitém smyslu pořád platí - je limitou mechaniky ve viskózním prostředí). Výjimkou značně předbíhající dobu byl Archimédés, který prováděl experimenty a odvodil některé přesné kvantitativní zákony.

Arisotelovo učení se stalo vrcholem poznání na tisíc let. Pokroků v chemii a astronomii dosáhli arabští učenci, ale ve fyzice vývoj nastal teprve v renesanci. V Itálii Galileo Galilei začal systematicky provádět experimenty, což se stalo základem rozvoje fyziky a vědecké metody vůbec. Galilei také odvodil některé výsledky v mechanice, mimo jiné princip relativity. V astronomii Mikuláš Koperník navrhl heliocentrický systém a Johannes Kepler odvodil zákony pohybu nebeských těles. René Descartes a další položili základy pozdější matematizace fyziky (kartézské souřadnice).

Ke konci 17. stol Isaac Newton vydává asi nejvýznamnější dílo v dějinách fyziky vůbec Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Matematické základy filosofie přírody). Vyslovuje zákony pohybu, které jsou základem mechaniky až do 20. století. V jednotném rámci s mechanikou formuluje univerzální zákon gravitace a odvozuje z něj Keplerovy zákony. Newton vymyslel i potřebný matematický aparát, integrál a derivace.

Klasickou mechaniku rozvíjejí Lagrange, Hamilton, Euler, Laplace a další. Úspěšně popisují mechaniku tekutin.

Coulomb, Volta a Ampère studují elektrické jevy. Oersted objevuje magnetické účinky elektrického proudu. Michael Faraday objevuje indukci. V druhé polovině 19. století James Clerk Maxwell přichází s teorií elektromagnetického pole, která spojuje a vysvětluje veškeré elektrické a magnetické jevy. Jako důsledek teorie předpovídá elektromagnetické vlny, a přivádí tak na stejný základ i optiku. Předpověď experimentálně ověřil Hertz.

Roku 1895 Roentgen objevuje „paprsky X“ (rentgenovské záření), o rok později Becquerel objevuje radioaktivitu, o další rok později Thomson elektron. Jáchymovské radium studují Piere a Marie Curie-Skłodowská. Vzniká tak jaderná fyzika.

V zázračném roce 1905 Albert Einstein zveřejňuje speciální teorii relativity, popisující chování časoprostoru při rychlostech větších než malých (časoprostorovou interpretaci STR popsal Minkowski). Kvantově vysvětluje fotoefekt - Einstein byl první, kdo vzal kvanta vážně. Další přelomovou prácí Einsteina bylo vysvětlení Brownova pohybu pomocí statistické fyziky. Poslední Eisnteinův článek zázračného roku se věnoval ekvivalenci hmotnosti a energie, z čehož vznikl známý vztah E=mc². O desetiletí později pak Einstein představuje obecnou teorii relativity, geometrickou relativistickou čtyřrozměrnou teorii gravitace.

Koncem 19. století se objevily problémy které se nedali vysvětlit tehdy známou (klasickou) mechanikou. Mezi ně patřilo spektrum záření absolutně černého tělesa, fotoefekt a vztahy mezi polohami spektrálních čar prvků. Počátkem 20. století spektrum černého tělesa bylo odvozeno Planckem a chováni fotoefektu vysvětleno Einsteinem pomocí kvantové hypotézy. Bohr a další vysvětlili diskretní spektra prvků tím, že užili tuto hypotézu ke zlepšení modelu atomu. Ucelené teorie kvantové mechaniky ve dvacátých letech formulovali Heisenberg („maticová mechanika“) a Schrödinger („vlnová mechanika“), který dokázal ekvivalenci obou přístupů. Teorii značně zdokonalili Paul Dirac a John von Neumann.

Souběžně s kvantovou mechanikou se fyzici snažili popsat kvantově i pole. V jazyce kvantové teorie pole se pak na přelomu 20. století podařilo popsat elektromagnetismus, o což se zvláště zasloužili Richard Feynman a Julian Schwinger. V druhé polovině 20. století pak byla v rámci jedné teorie popsána i slabá a silná interakce, a zároveň předpovězena či vysvětlena existence mnoha elementárních částic. Současnou všeobecně uznávanou teorií elementárních částic a interakcí je standardní model.

Rozvíjela se také kosmologie - všechny současné teorie vycházejí z hypotézy velkého třesku, a obvykle i z inflace.

Poněkud stranou zájmu široké veřejnosti se vývoj odehrával také ve fyzice pevných látek a statistické fyzice. Obě oblasti se zabývají kvantovým popisem systémů mnoha částic, a tedy i projevy kvantového chování na makroskopické úrovni. Tento směr fyzikálního výzkumu měl a dosud má ohromný vliv na techniku. Kromě toho ve fyzice pevných látek vznikla i řada teoretických konceptů, které našly uplatnění např. při sjednocování interakcí.

Na pomezí fyziky, matematiky a počítačové vědy od 70. let 20. století vznikl nový směr poznání, nazývaný teorie chaosu. Předmětem zkoumání jsou fraktály a nelineární systémy.

UNESCO vyhlásilo rok 2005 Světovým rokem fyziky.

Současný vývoj

Poznámka: Oproti popisu historického vývoje má popis současného stavu nutně spekulativnější charakter.

Významná část fyziků považuje za obecný cíl snažení fyziky jednotný popis fyzikálních jevu, nejlépe v rámci jedné teorie (teorie všeho, finální teorie atp.). Z tohoto pohledu je největším problémem soudobé fyziky rozpor mezi standardním modelem, popisujícím tři interakce v rámci kvantové teorie pole, a Einsteinovou obecnou teorií relativity, popisující čtvrtou interakci – čas – který kvantový není. Po desetiletích pokusů se stalo zřejmé, že kvantovou teorii gravitace (nebo obecněji „teorii všeho“) nelze vytvořit v rámci jazyka kvantové teorie pole.

Většina fyziků považuje za nadějného kandidáta na rámec, ve kterém kvantovou teorii gravitace bude možné formulovat, teorii strun. Teorie strun se rozvíjí přibližně od 80. let 20. století a je nezpochybnitelné, že matematický aparát udělal ohromný krok kupředu. Na druhou stranu, teorie strun rozhodně není hotová. Pesimisté pochybují o vztahu současné teorie strun k realitě a vytýkají jí např. nedostatek nových testovatelných předpovědí.

Kromě tohoto hlubokého a velmi a velmi abstraktního problému existuje řada dalších otevřených problémů, z nichž některé mohou souviset. Některé z nich jsou natolik kontroverzní, že část fyziků vůbec zpochybňuje, že otázka patří do fyziky.

Související clánky

Literatura

  • HOFMANN JAROSLAV, URBANOVÁ MARIE. Fyzika I, verze 1.0 [online]. VŠCHT v Praze, 2005. Dostupné online.  

Externí odkazy


Citováno z „http://www.multimediaexpo.cz/mmecz/index.php/Fyzika“