Fizica, matematica, și fizicienii

Cuvântul fizică provine din grecescul ϕυσις care înseamnă natură. Fizica este știința care studiază proprietățile materiei, spațiului și timpului și stabilește legile care descriu fenomenele naturale. Fizica modernă se bazează pe ideea că materia nu este exact așa cum o percepem noi. Această idee emisă de Galileo și preluată mai târziu de filozofi precum Descartes, Boyle și Locke se află la originea abordării reducționiste a fizicii: o căutare pentru a descrie proprietățile materiei la o scară dată prin proprietățile materiei la un nivel mai fundamental. Această abordare are două părți: prima constă în identificarea elementelor fundamentale care constituie materia. Deci, materia obișnuită ar fi compusă din atomi care sunt ei înșiși un ansamblu de nucleu și electroni. Nucleul este el însuși compus din nucleoni, adică particule compuse din quarci și gluoni. Al doilea constă în studierea combinațiilor acelor elemente fundamentale și a interacțiunilor lor pentru interpretarea fenomenelor observate. Deci, culoarea obiectelor poate fi interpretată prin vibrațiile atomilor moleculari care constituie acele obiecte. În același mod, sunetul va fi interpretat ca variații ale densității aerului care sunt transmise la ureche. Elementele fundamentale sunt cunoscute, în stadiul actual al cunoștințelor naturii, pentru a interacționa în funcție de patru interacțiuni: interacțiune gravitațională, interacțiune electromagnetică, interacțiune slabă și interacțiune puternică. Interacțiunile care apar la scari mai mari sau egale cu scara atomică sunt interacțiunea electromagnetică și interacțiunea gravitațională.

Coerența dintre diferitele domenii ale fizicii este asigurată de următoarele două axe:

O primă axă este asigurată de limbajul matematic universal. Ideea matematică centrală pentru modelare este utilizarea ecuațiilor diferențiale ordinare (ODE) și a ecuațiilor diferențiale parțiale (PDE). Dar formalismul matematic merge mult mai departe. Problema nivelului de matematică folosit în cărțile despre fizică este întotdeauna un punct critic, deoarece un nivel prea ridicat poate exclude mulți cititori. Aici, instrumentele matematice avansate sunt folosite de fiecare dată când credem că pot simplifica enunțul teoriilor. De exemplu, afirmația electromagnetismului se face folosind teoria distribuției: permite tratarea globală a distribuțiilor de sarcină de punct, suprafață și volum ca un întreg. De asemenea, folosim tensori pentru că fiecare mărime fizică este practic un tensor, iar teoria grupurilor pentru că permite formalizarea cu ușurință a noțiunii de simetrie.
A doua axă este studiul problemei corpului N. Problema corpului N este problema fundamentală a fizicii moderne. Ea corespunde celei de-a doua etape a metodei reducționiste a fizicii: fenomenele sunt descrise folosind entități de scară mai mică. Comportamentul solidelor sau lichidelor este descris prin utilizarea moleculelor. Comportamentul moleculelor este descris folosind atomi. Comportamentul atomilor este descris folosind electroni și nucleoni și așa mai departe. Pe de altă parte, galaxiile sunt descrise folosind comportamentul stelelor, grupurile de galaxii sunt descrise folosind proprietățile galaxiilor și așa mai departe. Metoda reducționistă este foarte puternică și stă la baza fizicii moderne cu rezultatele sale strălucitoare, cum ar fi, de exemplu, calculul până la a zecea cifră a razelor din spectrul hidrogenului. Dar are și limitări. De exemplu, nu poate fi demonstrat din principiile de bază ale fizicii, iar proprietățile moleculei de H₂O implică faptul că gheața plutește pe apă.

Fizica nu se reduce la aplicarea unor metode clasice. Modelarea naturii este o activitate foarte creativă. Creativitatea și curiozitatea sunt două calități fundamentale pentru a face cercetări în fizică. Există întotdeauna în fizică punctul crucial al simplificării problemelor. În descrierea unui fenomen, unele caracteristici sunt esențiale, altele nu. Aceasta este sarcina fizicianului de a selecta ce caracteristici sunt cu adevărat relevante. Dar, desigur, nu există niciodată un singur model pentru a descrie un fenomen. Deci, emisia de lumină de către un atom poate fi descrisă de modelul clasic cu arc sau de un model cuantic. Fiecare descriere dă rezultate. Prima este mult mai simplă decât a doua și poate fi suficientă pentru problema pe care trebuie să o rezolvi. A doua este mai puternică și se bazează pe ideea actuală a structurii materiei. Dar acestea sunt doar modele diferite ale aceluiași fenomen. Al doilea nu este mai „adevărat” decât primul. Poate doar descrie și prezice mai multe fenomene. Un fizician trebuie să știe când munca de creație este terminată. El trebuie să fie capabil să identifice problemele matematice clasice (care pot fi ascunse în spatele diverselor detalii) și să folosească instrumente matematice și numerice pentru a le rezolva. Dar și aici, aceasta nu este o activitate oarbă. De fiecare dată există mai multe metode, iar modelatorul trebuie să aleagă dintre ele. Este, probabil, de asemenea necesar ca propria lui problemă să necesite o nouă metodă pentru a fi rezolvată, deoarece problema lui are anumite caracteristici particulare. În acest fel se fac progresele și descoperirile științifice.

(Include texte din Wikibooks, traduse și adaptate de Nicolae Sfetcu)