Cercetarea în fizică

Metode ştiinţifice

Fizicienii folosesc metoda științifică pentru a testa validitatea unei teorii fizice, folosind o abordare metodică de comparare a implicațiilor teoriei în cauză cu concluziile asociate desprinse din experimente și observații efectuate pentru a o testa. Experimentele și observațiile sunt colectate și comparate cu predicțiile și ipotezele făcute de teorie, ajutând astfel la stabilirea sau la validitatea/invaliditatea teoriei.

O lege științifică este o declarație verbală sau matematică concisă a unui raport care exprimă un principiu fundamental al unei teorii, cum ar fi legea lui Newton a gravitației universale.

Teorie și experiment

(Atât astronautul cât și Pământul sunt ambele în cădere liberă)

Teoreticienii încearcă să dezvolte modele matematice care sunt de acord cu experimentele existente și prezic cu succes viitorul rezultatelor experimentale, în timp ce experimentatorii concep și efectuează experimente pentru a testa predicțiile teoretice și a explora noi fenomene. Deși teoria și experimentul sunt dezvoltate separat, ele sunt puternic dependente reciproc. Progresul în fizică apare frecvent când experimentatorii fac o descoperire pe care teoriile existente nu o pot explica, sau când noi teorii generează predicții testabile experimental, care inspira noi experimente.

Fizicienii care lucrează la interacțiunea dintre teorie și experiment sunt numiţi fenomenologi. Fenomenologii se uită la fenomenele complexe observate în experiment și încearcă să le lege de teoria fundamentală.

Fizica teoretică s-a inspirat istoric din filosofie. Electromagnetismul a fost unificat în acest fel. Dincolo de universul cunoscut, domeniul fizicii teoretice se ocupă de asemenea şi cu problemele ipotetice, cum ar fi universuri paralele, multivers, și dimensiuni mai multe. Teoreticienii invocă aceste idei în speranța de a rezolva problemele specifice cu teoriile existente. Apoi ei explorează consecințele acestor idei și în ideea de a face predicții testabile.

Fizica experimentala se extinde prin, și este extinsă de, inginerie și tehnologie. Fizicienii experimentali implicaţi în cercetarea fundamentală proiectează și efectuează experimente cu echipamente, cum ar fi acceleratoarele de particule și lasere, în timp ce cei implicați în cercetarea aplicată de multe ori lucrează în tehnologii din industriile în curs de dezvoltare, cum ar fi imagistica prin rezonanţă magnetică și tranzistori. Feynman a remarcat că experimentatorii caută zone care nu sunt bine explorate-de teoreticieni.

(Fulgerul este un curent electric)

Domenii de aplicare și obiective

Fizica acoperă o gamă largă de fenomene, de la particule elementare (cum ar fi cuarcii, neutrinii, și electroni), la cele mai mari supercclustere de galaxii. Aceste fenomene includ obiectele cele mai de bază care compun toate celelalte lucruri. Prin urmare, fizica este uneori numită „știința fundamentală”. Fizică are ca scop descrierea diferitelor fenomene care apar în natură în termeni de fenomene simple. Astfel, fizica are ca scop atât conectarea aspectelor observabile pentru om cu cauzele primordiale, cât și apoi conectarea acestor cauze împreună.

De exemplu, în China antică s-a observat că anumite roci (magnetita) sunt atrase între ele printr-o forță invizibilă. Acest efect a fost mai târziu numit magnetism, și a fost prima dată studiat riguros în secolul XVII. Ceva mai devreme decât chinezii, grecii antici cunoşteau alte obiecte, cum ar fi chihlimbarul, care, atunci când este frecat cu o blană, provoacă o atracție invizibilă similară între cele două corpuri. Acesta a fost, de asemenea, primul studiat riguros în secolul XVII, și a ajuns să fie numit energie electrică. Astfel, fizica a ajuns să înțeleagă două observații despre natură în termenii unor cauze primordiale (electricitatea și magnetismul). Cu toate acestea, eforturi suplimentare în secolul XIX au arătat că aceste două forțe sunt doar două aspecte diferite ale unei forţe, electromagnetismul. Acest proces de „unificare” a forțelort continuă și astăzi, și electromagnetismul și forța nucleară slabă sunt acum considerate a fi două aspecte ale interacțiunii electroslabe. Fizica speră să găsească un sistem final (Teoria finală) pentru a afla de ce este natura așa cum este.

(Fizica implică modelarea lumii naturale prin teorie, de obicei cantitativ. Astfel, calea unei particule este modelată matematicac pentru a explica comportamentul său. Domeniul de aplicare al acestei ramuri a fizicii este cunoscut sub numele de mecanică.)

Domenii de cercetare

Cercetare contemporană în fizica poate fi în general împărțită în fizica materiei condensate, fizica atomică, moleculară, și optica, fizica particulelor, astrofizica, geofizica şi biofizica. Unele departamente de fizică sprijină, de asemenea, cercetări în domeniul educației fizice.

Din secolul 20, câmpurile individuale ale fizicii au devenit din ce în ce mai specialitate, iar astăzi cei mai mulți fizicieni lucrează într-un singur domeniu întreaga lor carieră. „Universaliști”, cum ar fi Albert Einstein (1879-1955) și Lev Landau (1908-1968), care a lucrat în mai multe domenii ale fizicii, sunt acum foarte rari.

Cele mai importante domenii ale fizicii, împreună cu subdomeniile lor și teoriile pe care le folosesc, sunt prezentate în tabelul de mai jos.

Domeniu	Subdomenii	Teorii majore	Concepte
Astrofizica	Astronomie, astrometrie, cosmologie, fizica gravitației, astrofizica de înaltă energie, astrofizica planetară, fizica plasmei, fizica solara, fizica soaţiului, astrofizica stelară	Big Bang, inflația cosmic, relativitatea generală, legea lui Newton a gravitației universale, modelul Lambda-CDM al magnetohidrodinamicii	Gaură neagră, radiația cosmice de fond, șir cosmic, cosmos, energie întunecată, materia întunecată, galaxie, gravitaţie, radiație gravitațională, singularitate gravitațională, planetă, sistem solar, stele, supernova, univers
Fizica atomică, moleculară, și optica	Fizica atomică, fizica moleculara, astrofizica atomică și moleculară , fizica chimică, optica, fotonica	Optica cuantică, chimie cuantică, ştiinţa informației cuantice	Foton, atom, molecula, difracție, radiație electromagnetică, laser, polarizare (unde), linie spectrala, efect Casimir
Fizica particulelor	Fizica nucleară, astrofizica nucleară, astrofizica particulelor, fenomenologia fizicii particulelor	Modelul Standard, teoria câmpului cuantic, electrodinamica cuantică, cromodinamica cuantică, teoria electroslabă, teoria câmpului efectiv, teoria câmpului de reţea, teorie gauge de reţea, teoria gauge, supersimetria, teoria marii unificări, teoria corzilor, teoria M	Forță fundamentală (gravitațională, electromagnetică, slabă, puternică), particulă elementară, spin, antimaterie, rupere spontană de simetrie, oscilație neutrino, mecanism Seesaw, Brane, coarda, gravitație cuantică, teoria finală, energie de vacuum
Fizica materiei condensate	Fizica corpului solid, fizica presiunilor înalte, fizica temperaturilor joase, fizica suprafaţelor, fizica nanometrică și mezoscopică, fizica polimerilor	Teoria BCS, unda Bloch, teoria funcţională a densității, gaz Fermi, lichid Fermi, teoria multi-corp, mecanica statistică	Faze (gaz, lichid, solid), condensat Bose-Einstein, conducţie electrică, fonon, magnetism, auto-organizare, semiconductor, supraconductor, superfluid, spin
Fizica aplicată	Fizica acceleratorilor, acustică, agrofizică, biofizică, fizica chimică, fizica comunicării, econofizica, fizica ingineriie, dinamica fluidelor, geofizica, fizica laserilor, fizica materialelor, fizica medicală, nanotehnologie, optica, optoelectronica, fotonica, fotovoltaica, chimia fizică, fizica computaţională, fizica plasmei, dispozitive stare solidă, chimie cuantică, electronica cuantică, ştiinţa informațiilor cuantice, dinamica vehiculelor