25 May 2018, Friday
Редактор перевода
Александр Чарыков
Статьи Wikiyours - это англоязычные статьи, переведённые на русский язык. Любой, кто владеет английским языком может стать обладателем своей собственной статьи и заработать деньги на её переводе. Соединим приятное с полезным!
Для перевода выберите статью.
Для перевода статьи
выберите категорию
Предложить изменения

Физика

Содержание
  1. Что такое физика?
  2. Что включает в себя физика?
  3. История физики
  4. Философия физики
  5. Что изучает физика?
  6. Связь физики с другими науками
  7. Прикладная физика
  8. Тематика научных исследований
  9. Основная цель физики
  10. Исследования в области физики
  11. Физика Картинки

Что такое физика?

Физические явления

Физика (от древнегреческого: φυσική (ἐπιστήμη) phusikḗ (epistḗmē) "познание природы", от φύσις phúsis "природа") является естественной наукой, которая включает в себя изучение материи, ее движение и поведение в пространстве и времени вместе с сопутствующими понятиями, такими как энергия и сила. Физика является одной из фундаментальных научных дисциплин, главная цель которой - изучение устройства и поведения Вселенной.

Что включает в себя физика?

Физика является одной из старейших академических дисциплин, возможно, самой старой за счет включения астрономии в её разделы. На протяжении последних двух тысячелетий, физика была частью естественной философии наряду с химией, биологией и некоторыми разделами математики, но во время научной революции в 17-м веке, естественные науки возникли как уникальные и самостоятельные исследовательские программы. Физика пересекается со многими междисциплинарными областями исследований, такими как биофизика и квантовая химия, и границы физики жестко не определены. Новые идеи в физике часто обосновывают фундаментальный аппарат других наук, открывая новые направления исследований в таких областях, как математика и философия.

Физика также вносит значительный вклад в развитие новых технологий, возникающих в результате теоретических прорывов. Например, успехи в понимании электромагнетизма или ядерной физики привели непосредственно к разработке новых продуктов, которые кардинально изменили современное общество, таких как телевидение, компьютеры, бытовая техника и ядерное оружие; успехи в термодинамике привели к развитию индустриализации, а успехи в механике вдохновили на развитие высчислений.

Организация Объединенных Наций провозгласила 2005 год  Всемирным годом физики.

История физики

Древняя астрономия

Древняя астрономия

Астрономия является старейшей из естественных наук. Все самые ранние цивилизации, начиная с более чем 3000 до н. э., такие как шумеры, древние египтяне и цивилизация долины Инда, имели предсказательную систему знаний и базовое понимание движений Солнца, Луны и звезд. Звезды и планеты часто были целью поклонения и верований в представляющих их богов. Хотя объяснения этих явлений зачастую не были научно обоснованными и были бездоказательными, эти ранние наблюдения заложили основу для более поздней астрономии.

Согласно Асгеру Аабоэ, истоки западной астрономии можно найти в Месопотамии, и все западные достижения в точных науках происходят от поздней вавилонской астрономии. Египетские астрономы оставили памятники, демонстрирующие их знания созвездий и движений небесных тел, в то время как греческий поэт Гомер писал о различных небесных объектах в своих "Илиаде" и "Одиссее". Древнегреческие астрономы дали созвездиям имена, которыми до сих пор называют большинство созвездий, видимых в северном полушарии.

Натурфилософия

Натурфилософия (естественная философия)  зародилась в Греции во время архаичного периода (650 до н. э. – 480 до н. э.), когда досократические философы, такие как Фалес, отвергли ненатуралистические объяснения природных явлений и провозгласили, что каждое событие имеет естественную причину. Они предложили идеи проверенные рассуждениями и наблюдениями, и многие их гипотезы были подтверждены экспериментами. Например, атомизм был проверен и признан приблизительно через 2000 лет после того, как впервые был выдвинут в качестве идеи Левкиппом и его учеником Демокритом.

Физика в средневековом исламском мире

Ибн аль-Хайтам

Исламская наука унаследовала Аристотелеву физику от греков и во время исламского Золотого века разработала её дальше, особенно делая акцент на наблюдения и априорные рассуждения, развивая ранние формы научных методов.

Наиболее заметные открытия были сделаны в области оптики и зрения, которые можно найти в трудах многих ученых, таких как Ибн Сахль, Аль-Кинди, Ибн аль-Хайтам Аль-Фариси и Авиценна. Наиболее известная работа - Книга оптики (также известная как Китаб аль-Маназир), написанная Ибн аль-Хайсамом, в которой он был не только первым, кто опровергнул древнегреческое представление о зрении, но и придумал новую теорию. В этой книге он впервые изучил феномен безобъективной камеры и углубился дальше в исследовании механизма работы глаза. Используя вскрытия и знания предыдущих ученых, он уже тогда мог объяснить, как свет попадает в глаз, фокусируется, и проецируется на задней части глаза и создал тогда первую в мире камеру-обскуру за сотни лет до современного развития фотографии.

Семитомная Книга об оптике (Китаб аль-Маназир) оказывала огромное интеллектуальное влияние на различные дисциплины от теории визуального восприятия до природы перспективы в средневековом искусстве, как на Востоке, так и на Западе на протяжении более 600 лет. Многие поздние европейские ученые и коллегами полиматы, от Роберта Гроссетеста и Леонардо да Винчи до Рене Декарта, Кеплера и Исаака Ньютона, своими знаниями и открытиями были обязаны ему. Действительно, влияние оптики Ибн аль-Хайсама стоит в одном ряду с одноименной работой Ньютона, изданной на 700 лет позже.

Перевод Книги об оптике оказал огромное влияние на Европу. Позже, благодаря сведениям, почерпнутым из неё, европейские ученые смогли построить те же устройства, что и Ибн аль-Хайсам, и понять, работу света. По её описаниям были разработаны такие важные вещи, как очки, увеличительные стекла и телескопы.

Классическая физика

Предсказание рассеяния звука

Физика стала отдельной наукой, когда европейцы раннего нового времени начали использовать экспериментальные и количественные методы и открыли то, что в настоящее время называется законами физики.

Основными научными разработками того периода стали: замена геоцентрической модели Солнечной системы гелиоцентрической моделью Коперника; законы движения небесных тел, установленные Иоганном Кеплером в период между 1609 и 1619 годами, новаторская работа в области телескопии и наблюдательной астрономии Галилео Галилея в XVI и XVII веках, открытие Исааком Ньютоном и унификация законов движения и всемирного тяготения, носящих его имя. Ньютон также разработал дифференциальное исчисление, которое предоставило новые математические методы для решения физических задач.

Открытие новых законов термодинамики, химии и электромагнетизма стали результатом больших исследовательских усилий, затраченных в ходе промышленной революции, вызванной возросшими энергетическими потребностями. Законы классической физики всё ещё очень широко используются для описания и изучения объектов в обычных масштабах и передвигающихся на нерелятивистских скоростях, так как они обеспечивают очень точное приближение в таких ситуациях, а теории, такие как квантовая механика и теория относительности имеют упрощенные классические эквиваленты для таких масштабов. Однако неточности в классической механике, возникшие при изучении микрообъектов и движений на очень высоких скоростях привели к развитию современной физики в XX веке.

Современная физика

Теория Эйнштейна

Современная физика началась в начале XX века с работы Макса Планка по квантовой теории и создания теории относительности Альбертом Эйнштейном. Обе эти теории возникли из-за неточностей, возникших в классической механике в некоторых ситуациях. Классическая механика предполагала изменение значения скорости света и не могла объяснить её абсолютную постоянность, вытекающую из электромагнитных уравнений Максвелла. Это несоответствие было устранено Эйнштейном в специальной теории относительности, которая заменила классическую механику для быстро движущихся тел и учитывала постоянство скорости света. Излучение абсолютно черного тела представляло еще одну проблему для классической физики, которая была разрешена, когда Планк предположил, что возбуждение материальных осцилляторов возможно только дискретными действиями, пропорциональными их частоте. Это, наряду с фотоэлектрическим эффектом и полноценной теорией, предсказывающей дискретные уровни энергии электронных орбиталей, привело к созданию квантовой механики, применимой вместо классической физики при очень малых масштабах.

Первооткрывателями квантовой механики стали Вернер Гейзенберг, Эрвин Шредингер и Поль Дирак. Из этой ранней работы и работы в смежных областях была выведена Стандартная модель физики частиц. После обнаружения в ЦЕРНе в 2012 году частицы со свойствами, соответствующими бозону Хиггса, существование всех фундаментальных частиц, предсказанных стандартной моделью, было доказано, и никаких других, как представляется, не существует. Однако физика за пределами стандартной модели, с теориями, такими как теория суперсимметрии, является активной областью исследований. Для изучения этой области физики, главным образом, имеют большое значение такие разделы математики, как теория вероятностей и теория групп.

Философия физики

Сольвеевские конгрессы

Во многом физика проистекает из древнегреческой философии. От первой попытки Фалеса охарактеризовать материю, до умозаключения Демокрита о сведении материи к неизменяемой форме, птолемеевской астрономии прозрачного небосвода и книги Аристотеля "Physica"  (ранняя книга по физике, в которой сделана попытка проанализировать и определить движение с философской точки зрения), различные греческие философы выдвигали свои собственные теории природы. До конца XVIII века физика была известна под названием натурфилософия (естественная философия).

К XIX веку физика была выделена из философии и других наук в качестве отдельной дисциплины. Физика, как и остальные науки, опирается на научную философию и ее "научный метод" при достижении наших знаний о физическом мире. Научный метод использует априорные, а также апостериорные рассуждения и использует байесовский вывод для оценки обоснованности предоставляемой теории.

Развитие физики ответило на многие вопросы ранних философов, но также подняло новые вопросы. Изучение философских вопросов физики, философии физики, включает такие вопросы, как природа пространства и времени, детерминизм, метафизические взгляды, такие как эмпиризм, натурализм и реализм.

Многие физики писали о философском смысле своих работ. Например, Лаплас отстаивал причинно-следственный детерминизм, а Эрвин Шредингер писал о квантовой механике. Специалиста в области математической физики Роджера Пенроуза, Стивен Хокинг называет платоником, свой взгляд Пенроуз обсуждает в своей книге "Путь к реальности". Хокинг говорит о себе как об "убежденном редукционисте", вступая в спор со взглядами Пенроуза.

Что изучает физика?

Преобразованиями Лоренца

Хотя физика охватывает широкий спектр разнообразных систем, некоторые физические теории используются всеми физиками. Каждая из этих теорий неоднократно экспериментально проверялась и считалась адекватной аппроксимацией природы. Например, теория классической механики точно описывает движение объектов, при условии, что они намного больше атомов и движутся с гораздо меньшей скоростью, чем скорость света. Эти теории продолжают оставаться предметом активных исследований. Теория хаоса, замечательный аспект классической механики был обнаружен в XX веке, через три столетия после первончальной формулировки классической механики Исааком Ньютоном (1642-1727).

Эти центральные теории являются важным инструментом для исследования более специализированных тем, и предполагается, что любой физик, независимо от его специализации, разбирается в них. Сюда относятся классическая механика, квантовая механика, термодинамика и статистическая механика, электродинамика и специальная теория относительности.

Основные теории классической физики

Классическая физика включает в себя традиционные ветви и темы, которые были признаны и хорошо разработаны до начала XX века, - классическую механику, акустику, оптику, термодинамику и электромагнетизм. Классическая механика имеет дело с телами, на которые действуют силы, и телами, находящимися в движении, и может быть разделена на статику (изучение сил, действующих на тело или тела, не приводящие последние к ускорению), кинематику (изучение движения без учета причин, вызывающих его) и динамику (изучение движения и сил, которые на его вызывают). Механика может быть также разделена на механику твердого тела и механику жидкости (известную вместе как механика сплошных сред), последняя включают такие отрасли, как гидростатика, гидродинамика, аэродинамика, пневматика. Предметом изучения акустики является изучение того, как производится звук, распространяется, передается и принимается. Важными современными отраслями акустики являются ультразвуковая акустика  - изучение звуковых волн очень высокой частоты за пределами диапазона человеческого слуха; биоакустика - физика звуков и слуха животных, электроакустика - манипуляция звуковыми волнами с помощью электроники.

Эффект Саньяка

Оптика - это наука о свете, имеет дело не только с видимым светом, но и инфракрасным и ультрафиолетовым излучением, которые обладают всеми свойствами видимого света, кроме видимости, например, отражением, преломлением, интерференцией, дифракцией, дисперсией и поляризацией света. Теплота - это форма энергии, внутренняя энергия, которой обладают частицы, из которых состоит вещество. Термодинамика изучает связь между теплом и другими формами энергии. Электричество и магнетизм изучены как единая отрасль физики, так как тесная связь между ними была обнаружена в начале XIX века; электрический ток порождает магнитное поле, а изменяющееся магнитное поле индуцирует электрический ток. Электростатика занимается электрическими зарядами в состоянии покоя, электродинамика - движущимися зарядами, и магнитостатика имеет дело с магнитными полюсами в состоянии покоя.

Основные теории современной физики

Классическая физика, как правило, связана с материей и энергией при нормальных масштабах наблюдения, в то время как большая часть современной физики связана с поведением материи и энергии в экстремальных условиях или в очень больших или очень малых масштабах. Например, атомная и ядерная физика изучает вещество при малых масштабах, при которых можно распознавать химические элементы. Физика элементарных частиц оперирует в еще меньшем масштабе, так как она связана с самыми основными единицами материи. Эта отрасль физики также известна как физика высоких энергий из-за чрезвычайно высоких энергий, необходимых для получения многих типов частиц в ускорителях частиц. В таком масштабе обычные представления о пространстве, времени, материи и энергии уже не действуют.

Две главные теории современной физики представляют картину понятий пространства, времени и материи, отличную от представленной классической физикой. Классическая механика приближенно рассматривает природу как непрерывную, в то время как квантовая теория связана с дискретным характером многих явлений на атомном и субатомном уровнях и с взаимодополняющими корпускулярным и волновым подходом в описании таких явлений. Теория относительности касается описания явлений, которые происходят в системе отсчета, которая движется относительно наблюдателя. Специальная теория относительности связана с относительным равномерным движением по прямой, а общая теория относительности - с ускоренным движением и его связью с гравитацией. Квантовая теория, и теория относительности находят применение во всех областях современной физики.

Разница между классической и современной физикой

Парадокс близнецов

В то время как физика стремится открыть универсальные законы, ее теории лежат в конкретных областях применения. Грубо говоря, законы классической физики точно описывают системы, чьи характерные размеры больше атомного масштаба и чьи движения намного медленнее, чем скорость света. За пределами этой области, наблюдения не совпадают с прогнозами, предоставленными классической механикой. Альберт Эйнштейн внес вклад в рамках специальной теории относительности, которая заменила понятия абсолютного пространства и времени на пространство-время и позволило составить точное описание систем, компоненты которых имеют скорость приближающуюся к скорости света. Макс Планк, Шредингер и другие ввели квантовую механику - вероятностное представление частиц и взаимодействий, что предоставило точное описание явлений в атомных и субатомных масштабах. Позже, квантовая теория поля объединила квантовую механику и специальную теорию относительности. Общая теория относительности предоставила динамическое искривление пространства-времени, с помощью которого весьма массивные системы и крупномасштабные структуры Вселенной могут быть хорошо описаны. Общая теория относительности до сих пор не унифицирована с другими фундаментальными описаниями, и несколько теорий-кандидатов на звание теории квантовой гравитации в данное время разрабатываются.

Связь физики с другими науками

Роль математики в физике

Закон Галилея

Математика обеспечивает компактный и точный язык, используемый для описания порядка в природе. Это было отмечено и отстаивалось Пифагором, Платоном, Галилеем и Ньютоном.

Физика использует математику для организации и формулирования результатов эксперимента. Из этих результатов, точных или оценочных решений, количественных результатов, из которых новые прогнозы можно экспериментально подтвердить или опровергнуть. Результатами физических экспериментов являются количественные измерения. Технологии, основанные на математике, например, вычисления сделали вычислительную физику активной областью исследований. 

Онтология является обязательным условием для физики, но не для математики. Это означает, что физика в конечном счете связана с описаниями реального мира, в то время как математика касается абстрактных моделей вообще за пределами реального мира. Таким образом, физические утверждения являются синтетическими, а математические - аналитическими. Математика содержит гипотезы, а физика - теории. Математические утверждения должны быть только логически верными, тогда как прогнозы по физике должны соответствовать наблюдаемым и экспериментальным данным.

Различие четкое, но не всегда очевидное. Например, математическая физика - это применение математики в физике. Её методы математические, но её предмет физический. Проблемы в этой области начинаются с выбора "математической модели физической ситуации" (системы) и "математического описания физического закона", который будет применяться к этой системе. Каждое математическое выражение, используемое для решения, имеет труднодоступный физический смысл. Окончательное математическое решение имеет более простой смысл, потому что именно его ищет решающее устройство.

Главная задача физики

Физика - это отрасль фундаментальной, а не практической науки. Физику называют "фундаментальной наукой", поскольку предмет изучения всех отраслей естественных наук, таких как химия, астрономия, геология, биология ограничен законами физики, подобно тому, как химию часто называют центральной наукой из-за её роли в объединении физических наук. Например, химия изучает свойства, структуры и реакции веществ (сосредоточение химии на атомном уровне отличает её от физики). Структуры образуются потому, что частицы электрически взаимодействуют друг с другом, свойства включают в себя физические характеристики данных веществ, и реакции связаны законами физики, такими как законы сохранения энергии, массы и заряда. Физика применяется в таких отраслях, как техника и медицина.

Прикладная физика

Конвейерный винт

Прикладная физика является общим термином для физических исследований, которые предназначены для конкретного использования. Учебная программа по прикладной физике обычно содержит несколько занятий по прикладной дисциплине, например, по геологии или электротехнике. Она обычно отличается от инженерии тем, что прикладной физик может не проектировать что-то конкретное, а использовать физику или проводить физические исследования с целью разработки новых технологий или решения задач.

Подход аналогичен подходу в прикладной математике. Специалисты по прикладной физике применяют физику в научных исследованиях. Например, люди, работающие с физикой ускорителей могут стремиться построить лучшие детекторы частиц для исследований в области теоретической физики.

Физика широко используется в инженерии. Например, статика, это раздел механики, используется в строительстве мостов и других статических сооружений. Понимание и использование акустики дает возможность управления звуком и улучшение концертных залов; аналогичным образом, использование оптики позволяет создавать лучшие оптические устройства. Понимание физики позволяет создавать более реалистичные авиасимуляторы, видеоигры и фильмы, и часто бывает критически важным в судебно-медицинских исследованиях.

При стандартном соглашении, что законы физики универсальны и не меняются со временем, физика может быть использована для изучения вещей, которые при обычном подходе погрязли бы в неопределенности. Например, при исследовании происхождения Земли, можно обоснованно моделировать массу, температуру и скорость вращения Земли, в зависимости от времени, что позволяет экстраполировать эти модели вперед или назад по времени, и таким образом прогнозировать будущие или предшествующие события. Она также позволяет производить моделирование в технике, которое резко ускоряет разработку новых технологий.

Но существует и значительная междисциплинарность в методах физики, поэтому многие другие важные области находятся под влиянием физики (например, области эконофизики и социофизики).

Тематика научных исследований

Физики используют научный метод для проверки обоснованности физической теории. Используя методический подход для сравнения последствий теории с выводами, сделанными из связанных с ней экспериментов и наблюдений, физики лучше могут проверить обоснованность теории логическим, беспристрастным и повторяемым образом. С этой целью проводятся эксперименты и проводятся наблюдения с целью определения обоснованности или недействительности теории.

Научный закон является кратким словесным или математическим изложением отношения, которое выражает фундаментальный принцип какой-либо теории, такой как закон всемирного тяготения Ньютона .

Теория и эксперименты

Электрический ток

Теоретики стремятся разработать математические модели, которые согласуются с существующими экспериментами и успешно предсказывают будущие результаты экспериментов, а экспериментаторы разрабатывают и проводят эксперименты для проверки теоретических прогнозов и изучения новых явлений. Хотя, теория и эксперимент разрабатываются отдельно, они сильно зависят друг от друга. Прогресс в физике часто возникает, когда экспериментаторы делают открытие, которое существующие теории не могут объяснить, или когда новые теории генерируют экспериментально проверяемые прогнозы, которые вдохновляют на новые эксперименты.

Физиков, работающих на взаимодействии теории и эксперимента, называют феноменологами, изучающими сложные явления, наблюдаемые в эксперименте, и работающими над их соотнесением с фундаментальной теорией.

Теоретическая физика исторически черпала вдохновение из философии, таким образом был унифицирован электромагнетизм . Помимо известной вселенной, область теоретической физики также занимается гипотетическими вопросами, такими как параллельные вселенные, мультверсы и более высокие измерения. Теоретики ссылаются на эти идеи в надежде решить конкретные проблемы с существующими теориями. Затем они изучают последствия этих идей и работают над тем, чтобы сделать проверяемые предсказания.

Экспериментальная физика расширяется инженерией и технологиями. Физики-экспериментаторы, участвующие в фундаментальных исследованиях, проектируют и проводят эксперименты с оборудованием, таким как ускорители частиц и лазеры, тогда как те, кто участвует в прикладных исследованиях, часто работают в промышленности, разрабатывая такие технологии, как магнитно-резонансная томография (МРТ) и транзисторы. Фейнман отмечал, что экспериментаторы могут обращаться к областям, которые не достаточно хорошо исследованы теоретиками.

Основная цель физики

Физика охватывает широкий спектр явлений, от элементарных частиц (кварки, нейтрино и электронов) до крупнейших сверхскоплений галактик. В эти явления входят самые базовые объекты, составляющие все остальное. Поэтому, физику иногда называют "фундаментальной наукой". Физика направлена на описание различных явлений, происходящих в природе с точки зрения более простых явлений. Таким образом, физика стремится одновременно свести явления, наблюдаемые людьми к коренным причинам, и затем свести эти причины в одну. 

Например, древние китайцы отмечали, что некоторые породы (известняк и магнетит) притягивались друг к другу под действием невидимой силы. Этот эффект был позже названный магнетизмом, который впервые был тщательно изучен в XVII веке. Но еще до того, как китайцы обнаружили магнетизм, древние греки знали о других предметах, таких как янтарь, которые при потирании мехом вызывает похожее притяжение под действием невидимых сил. Это явление было также впервые тщательно изучено в XVII веке и стало называться электричеством. Таким образом, физики пришли к пониманию двух наблюдений природы с точки зрения какой-то первопричины (электричества и магнетизма). Однако, при дальнейшей работе в XIX веке выяснилось, что эти две силы были просто двумя разными аспектами одной силы — электромагнетизма. Этот процесс "объединения" сил продолжается и сегодня, и электромагнетизм и слабая ядерная сила в настоящее время рассматриваются как два аспекта электрослабого взаимодействия. Физика надеется найти окончательную причину (теорию всего) для того, чтобы понять, почему природа такова, какова она есть. 

Основные научные направления

Современные исследования в области физики в общих чертах можно разделить на физику элементарных частиц, физику конденсированных сред, атомную, молекулярную, оптическую, астрофизику и прикладную физику. Некоторые разделы физики также обеспечивают исследования в области физического образования и научного просвещения.

С XX века отдельные области физики становятся все более специализированными и сегодня большинство физиков работают в одной области на протяжении всей своей карьеры. "Универсалисты", такие как Альберт Эйнштейн (1879-1955) и Лев Ландау (1908-1968), которые работали в нескольких областях физики, сегодня являются очень редким явлением.

Основные разделы физики, наряду с их подразделами и теориями и концепциями, которые они используют, показаны в следующей таблице.

ВетвьРазделОсновные теорииКонцепции
Ядерная физика и 
Физика элементарных частиц
Ядерная физика, Ядерная астрофизика, Физика элементарных частиц, Астрофизика частицСтандартная модель, Квантовая теория поля, Квантовая Электродинамика, Квантовая хромодинамика, Электрослабое взаимодействие, Эффективная теория поля, Теория поля решетки, Теория решетчатой калибровки, Калибровочная теория, Суперсимметрия, Теория великого объединения, Теория суперструн, М-теория            Фундаментальная сила ( Сила тяжести, электромагнатизм, слабое и сильное взаимодействие), Элементарные частицы, Спин, Антивещество, Спонтанное нарушение симметрии, Нейтринные колебания, Механизм Seesaw, М-теория, Квантовая гравитация, Теория всего, Вакуумная энергия               
Атомная, молекулярная и оптическая физикаАтомная физика, Молекулярная физика, Атомная и молекулярная астрофизика, Химическая физика, Оптика, Фотоника     Квантовая оптика, Квантовая химия, Квантовая информатика  Фотон, Атом, Молекула, Дифракция, Электромагнитное излучение, Лазер , Поляризация (волны), Cпектральная линия, Эффект Казимира        
Физика конденсированного состоянияФизика твердого тела, Физика высокого давления, Науки о поверхности, Нано масштабная и Мезоскопическая физика, Физика полимеров     Теория БКШ, Блоховская волна, Теория функциональности плотности, Ферми-газ, Ферми-жидкость,Теория многих тел, Статистическая механика      Фаза ( газ, жидкость, твердый), Конденсат Бозе-Эйнштейна, Электропроводность, Фонон, Магнетизм, Самоорганизация, Полупроводник, Сверхпроводимость, Сверхтекучесть, Спин            
АстрофизикаАстрономия, Астрометрия, Космология, Тяготение, Высокоэнергитическая астрономия, Планетарная наука, Плазма, Солнечная физика, Космическая физика, Звездная астрофизика         Большой взрыв, Космическая инфляция, Общая теория относительности, Закон всемирного тяготения Ньютона, Модель Лямбда-CDM, Магнитогидродинамика     Черная дыра, Космическое фоновое излучение, Космическая струна, Космос, Темная энергия, Темная материя, Галактика ,Сила тяжести, Гравитационное излучение, Гравитационная сингулярность, Планета, Солнечная системаЗвезда, Сверхновая звезда, Вселенная              
Прикладная физикаФизика ускорителей, Акустика, Агрофизика, Биофизика, Химическая физика, Физика связи, Экофизика, Инженерная физика, Динамика жидкости, Геофизика, Лазерная физика, Физика материалов, Медицинская физика, Нанотехнологии, ОптикаОптоэлектроника, Фотоника, Фотовольтаика, Физическая химия, Физика вычислений, Физика плазмы, Квантовая химия, Квантовая электроника, Квантовая информатика, Динамика транспортных средств     


Физика элементарных частиц 

Физика элементарных частиц - это исследование элементарных составляющих материи и энергии и взаимодействий между ними. Кроме того, физики, занимающиеся элементарными частицами, разрабатывают и создают высокоэнергетические ускорители, детекторы и компьютерные программы, необходимые для таких исследований. Эту область физики также называют "физикой высоких энергий", потому что многие элементарные частицы, используемые в экспериментах, происходят не естественным образом, а создаются только при столкновениях на высоких энергиях других частиц.

В настоящее время взаимодействия элементарных частиц и полей описываются стандартной моделью. Модель учитывает 12 известных частиц материи (кварки и лептоны), которые взаимодействуют с помощью сильных, слабых и электромагнитных фундаментальных сил. Динамика описывается в терминах обмена частиц калибровочными бозонами (глюоны, W и Z-бозонов и фотоны, соответственно). Стандартная модель также предсказывает частицу, известную как бозон Хиггса. В июле 2012 года ЦЕРН, Европейской лаборатории физики элементарных частиц, объявил об обнаружении частицы, которая соответствует бозону Хиггса, которая является неотъемлемой частью механизма Хиггса.

Ядерная физика

Ядерная физика - это раздел физики, изучающий составляющие атомных ядер и их взаимодействия. Наиболее распространенными видами применения ядерной физики являются технологии в ядерной энергетике и ядерного оружия, но исследования обеспечили её применение во многих областях, в том числе и в ядерной медицине, и магнитно-резонансной томографии, ионной имплантации в материаловедении, и радиоуглеродной датировке в геологии и археологии.

Атомная, молекулярная и оптическая физика

Атомная, молекулярная, и оптическая физика (АМО) - это изучение взаимодействий материя–материя и свет–материя в масштабе отдельных атомов и молекул. Эти три области сгруппированы вместе в силу их взаимосвязей, сходства используемых методов и общности их соответствующих энергетических масштабов. Все три области включают как классические, квазиклассические, так и квантовые методы трактовки; они могут трактовать предмет своего исследования с микроскопической точки зрения (в отличие от макроскопической точки зрения).

Атомная физика изучает электронные оболочки атомов. Текущие исследования фокусируются на мероприятиях по квантовому управлению, охлаждению и улавливанию атомов и ионов, низкотемпературной динамике столкновений и влиянии электронной корреляции на структуру и динамику. На атомную физику оказывает влияние ядерные (см., например, сверхтонкое расщепление), но внутри-атомные явления, такие как ядерные и термоядерные реакции, которые принято считать частью физики высоких энергий.

Молекулярная физика фокусируется на многоатомных структурах и их внутренних и внешних взаимодействиях с материей и светом. Оптическая физика отличается от оптики тем, что фокусируется не на управлении классическими световыми полями посредством макроскопических объектов, а на фундаментальных свойствах оптических полей и их взаимодействии с веществом в микроскопической области.

Физика конденсированных сред

Конденсат бозе Эйнштейна

Физика конденсированных сред является разделом физики, который имеет дело с макроскопическими физическими свойствами вещества. В частности, это касается «конденсированных» фаз, которые появляются всякий раз, когда число частиц в системе чрезвычайно велико и взаимодействия между ними сильны.

Наиболее известные примеры конденсированных фаз представляют собой твердые вещества и жидкости, которые возникают из связывания посредством электромагнитной силы действующей между атомами. Более экзотические конденсированные фазы включают сверхтекучесть и конденсат Бозе-Эйнштейна, найденный в некоторых атомных системах при очень низкой температуре, сверхпроводящая фаза, демонстрируемая электронами проводимости в некоторых материалах, а также ферромагнитной и антиферромагнитной фазы спинов на атомных решетках.

Физика конденсированных сред является крупнейшей областью современной физики. Исторически сложилось так, что физика конденсированных сред выросла из физики твердого тела, которая в настоящее время считается одним из его главных подразделов. Термин "физика конденсированных сред", по—видимому, был придуман Филиппом Андерсоном, когда он переименовал свою исследовательскую группу, первоначально в 1967 году занимавшуюся теорией твердого тела. В 1978 году Отдел физики твердого тела Американского Физического Общества был переименован в Отдел физики конденсированных сред. Физика конденсированных сред очень плотно пересекается с химией, материаловедением, нанотехнологиями, машиностроением.

Астрофизика

Чёрная дыра звездной массы

Астрофизика и астрономия занимается применением теорий и методов физики к исследованию звездной структуры, звездной эволюции, происхождения Солнечной системы, а также связанных с ними проблем космологии. Поскольку астрофизика является широкой темой, астрофизики, как правило, используют множество физических дисциплин, в том числе механику, электромагнетизм, статистическую механику, термодинамику, квантовую механику, теорию относительности, физику ядра и частиц, а также атомную и молекулярную физику.

Открытие Карлом Янским в 1931 году радиосигналов, излучаемых небесными телами, инициировало науку радиоастрономию. Совсем недавно, границы астрономии были расширены за счет освоения космоса. Возмущения и помехи, вносимые земной атмосферой, делают наблюдения из космического пространства необходимыми для астрономии инфракрасного, ультрафиолетового, гамма-излучения, и рентгеновского диапазонов .

Физическая космология изучает формирование и эволюцию Вселенной в ее наибольших масштабах. Теория относительности Альберта Эйнштейна  играет центральную роль во всех современных космологических теориях. В начале XX века, открытие Хабблом расширения Вселенной, как показано на диаграмме Хаббла, вызвало конкурирующие объяснения, известные как теория устойчивого состояния Вселенной и теория Большого Взрыва.

Астрономия

Теория Большого взрыва была подтверждена успехом нуклеосинтеза Большого Взрыва и открытие космического микроволнового фона в 1964 году. Модель Большого Взрыва основывается на двух теоретических принципах: общей теории относительности Альберта Эйнштейна и космологического принципа. Космологи недавно создали Лямбда-СиДиЭм модель эволюции Вселенной, которая включает в себя космическую инфляцию, темную энергию и темную материю.

Ожидается, что в течение предстоящего десятилетия из новых данных космического телескопа Ферми Гамма-Рэй появятся многочисленные возможности и открытия, которые позволят значительно пересмотреть или прояснить существующие модели Вселенной. В частности, потенциал для огромного открытия вокруг темной материи возможен в течение следующих нескольких лет. Ферми будет искать доказательства того, что темная материя состоит из слабо взаимодействующих массивных частиц, дополняющих аналогичные эксперименты с Большим адронным коллайдером и другими подземными детекторами.

Спутник IBEX (Исследователь межзвёздных границ) уже делает новые астрофизические открытия: "Никто не знает, что создаёт ленту ЕНА (энергетически нейтральных атомов)" вдоль ударной волны солнечного ветра, "но все согласны с тем, что это означает, что картинка гелиосферы из учебника, на которой обволакивающий карман Солнечной системы заполненный заряженными частицами солнечного ветра пропахивает сквозь наступающий "галактический ветер" межзвездной среды в форме кометы, не соответствует действительности.

Исследования в области физики

Исследования в области физики постоянно прогрессируют на большом количестве фронтов.

В физике конденсированных сред, важной нерешенной теоретической проблемой является высокотемпературная сверхпроводимость. Многие эксперименты с конденсированными средами проводятся с целью, изготовить работоспособные спинтроники и квантовые компьютеры.

Эффект Мейснера

В области физики частиц начали появляться первые экспериментальные свидетельства о физике, выходящей за рамки Стандартной модели. Основными из них являются признаки того, что нейтрино обладают ненулевой массой. Эти экспериментальные результаты, как представляется, решили давнюю проблему солнечных нейтрино, а физика массивных нейтрино остается областью активных теоретических и экспериментальных исследований. Большой адронный коллайдер уже нашел бозон Хиггса. Целью будущих исследований будет доказательство или опровержение суперсимметрии - расширенной Стандартной модели физики частиц. Исследование темной материи и темной энергии также стоит на повестке дня.

Теоретические попытки объединить квантовую механику и общую теорию относительности в единую теорию квантовой гравитации - задача, решающаяся в течение более полувека, до сих пор окончательно не решена. В настоящее время ведущими кандидатами на звание единой теории являются: М-теория, теория суперструн и теория петлевой квантовой гравитации.

Многие астрономические и космологические явления до сих пор не удовлетворительно объяснены, в том числе существование космических лучей сверхвысоких энергий, барионная асимметрия, ускорение Вселенной и аномальные скорости вращения галактик.

Несмотря на значительный прогресс в области высоких энергий, квантовой и астрономической физики, многие повседневные явления, связанные со сложностью, хаосом или турбулентностью, по-прежнему плохо понимаются. Сложные задачи, которые, кажется, могли бы быть решены умным применением динамики и механики, остаются нерешенными; примеры включают образование песчаных куч, узлов в струящейся воде, форма капель воды, механизмы катастроф поверхностного натяжения и самосортировка во встряхиваемых гетерогенных коллекциях.

Эти сложные явления получили растущее внимание с 1970-х годов по нескольким причинам, в том числе и из-за наличия современных математических методов и вычислительной техники, что позволило моделировать сложные системы по-новому. Комплексная физика стала частью в большей степени междисциплинарных исследований, о чем свидетельствуют исследования турбулентности в аэродинамике и наблюдения за формированием структур в биологических системах. В 1932 году на ежегодном обзоре механики жидкости, Гораций Лэмб заявил:

Я уже старый человек, и когда я умру и попаду на небеса, я надеюсь разузнать там о двух вещах. Первая - это квантовая электродинамика, а вторая - турбулентное движение жидкостей. И в отношении первой я достаточно оптимистичен.

Картинки