Teoriile centrale ale fizicii

(Domenii majore ale fizicii)

Fizica are ca obiect de studiu combinația dintre materie și energie. De asemenea, are ca obiect de studiu o mare varietate de sisteme, despre care s-au dezvoltat teorii care sunt folosite de fizicieni. În general, teoriile sunt testate experimental de mai multe ori înainte de a fi acceptate ca fiind corecte pentru descrierea naturii (într-un anumit interval de valabilitate). De exemplu, teoria mecanicii clasice descrie cu exactitate mișcarea obiectelor, cu condiția ca acestea să fie mult mai mari decât atomii și să se deplaseze la o viteză mult mai mică decât viteza luminii. Aceste teorii continuă să fie domenii de cercetare activă: de exemplu, un aspect remarcabil al mecanicii clasice, cunoscut sub numele de haos, a fost descoperit în secolul 20, trei secole după formularea inițială a mecanicii clasice de Isaac Newton (1642-1727). Aceste “teorii centrale” sunt instrumente importante pentru cercetare în domenii mai specializate, și orice fizician, indiferent de specializarea lui, trebuie să le cunoască în profunzime.

Mecanica clasică

Mecanica clasică este un model al fizicii forțelor care acționează asupra corpurilor. Aceasta este adesea menționată ca “mecanica newtoniană”, după Isaac Newton și legile sale de mișcare. Aceasta include, de asemenea, abordarea clasică prin metodele Hamiltonieană și Lagrange. Ea studiază mișcarea de particule și sisteme generale de particule.

Termodinamica si mecanica statistică

Primul capitol al Prelegerilor lui Feynman despre fizică este despre existența atomilor, pe care Feynman i-a considerat a fi cea mai compactă exprimare a fizicii, din care știința s-ar putea deduce cu ușurință, chiar dacă toate celelalte cunoștințe ar fi pierdute. Prin modelarea materiei drept colecții de sfere rigide, este posibil să se descrie teoria cinetică a gazelor, pe care se bazează termodinamica clasică.

Termodinamica studiază efectele modificărilor de temperatură, presiune și volum pe sistemele fizice la scară macroscopică, și transferul de energie sub formă de căldură. Din punct de vedere istoric, termodinamica s-a dezvoltat din dorința de a crește eficiența motoarelor cu aburi timpurii.

Punctul de plecare pentru cele mai multe considerente termodinamice este legile termodinamicii, care postulează că energia poate fi schimbată între sisteme fizice sub formă de căldură sau de lucru mecanic. Ele postulează, de asemenea, existența unei cantități numită entropie, care poate fi definită pentru orice sistem. În termodinamică, interacțiunile între mari ansambluri de obiecte sunt studiate și clasificate. Aspectul central constă din conceptele de sistem și mediu. Un sistem este compus din particule, ale căror mișcări medii definesc proprietățile sale, care, la rândul lor, sunt legate una de alta prin ecuațiile de stare. Proprietățile pot fi combinate pentru a exprima energia internă și potențialele termodinamice, care sunt utile pentru determinarea condițiilor de echilibru și procesele spontane.

Electromagnetismul

Electromagnetismul este o ramură a fizicii care se ocupă cu studiul forței electromagnetice, un tip de interacțiune fizică având loc între particulele încărcate electric. Forța electromagnetică prezintă de obicei câmpuri electromagnetice, cum ar fi câmpurile electrice, câmpurile magnetice și lumina. Forța electromagnetică este una dintre cele patru interacțiuni fundamentale (numite în mod uzual forțe) din natură. Celelalte trei interacțiuni fundamentale sunt interacțiunea puternică, interacțiunea slabă, și gravitația.

Ecuațiile lui Maxwell ale electromagnetismului:

∇ · D = ρ_f

∇ · B = 0

∇ x E = – ∂B/∂t

∇ x H = J_f + ∂D/∂t

Relativitatea

Teoria specială a relativității este în relație cu electromagnetismul și mecanica; respectiv, principiul relativității și principiul acțiunii staționare din mecanică pot fi utilizate pentru a obține ecuațiile lui Maxwell, și vice-versa.

Teoria relativității speciale a fost propusă în 1905 de Albert Einstein în articolul său “Despre electrodinamica corpurilor în mișcare”. Titlul articolului se referă la faptul că relativitatea rezolvă o neconcordanță între ecuațiile lui Maxwell și mecanica clasică. Teoria se bazează pe două postulate: (1) că formele matematice ale legilor fizicii sunt invariabile în toate sistemele inerțiale; și (2) că viteza luminii în vid este constantă și independentă de sursă sau observator. Reconcilierea cele două postulate necesită o unificare a spațiului și timpului în conceptul dependent de cadru de spațiu-timp.

Relativitatea generală este teoria geometrică a gravitației publicată de Albert Einstein în 1915-1916. Ea unifică relativitatea specială, legea lui Newton a gravitației universale și ideea că gravitația poate fi descrisă de curbura spațiului și timpului. În teoria relativității generale, curbura spațiu-timp este produsă de energia materiei și a radiațiilor.

Mecanica cuantică

(Primii câțiva orbitali de electroni ai unui atom de hidrogen prezentați ca secțiuni transversale cu densitatea de probabilitate cu coduri de culori, https://en.wikipedia.org/wiki/File:HAtomOrbitals.png)

Ecuația Schrödinger a mecanicii cuantice:

Mecanica cuantică este ramura fizicii care studiază sistemele atomice și subatomice și interacțiunea lor cu radiațiile. Ea se bazează pe observația că toate formele de energie sunt eliberate în unități discrete sau pachete numite “cuante”. Remarcabil este faptul că teoria cuantică permite în mod obișnuit doar calcul probabilistiuc sau statisticic al caracteristicilor observate ale particulelor subatomice, înțelese în termeni de funcții de undă. Ecuația Schrödinger joacă rolul în mecanica cuantică pe care legile lui Newton și conservarea energiei âl joacă în mecanica clasica – respectiv, prezice comportamentul viitor al unui sistem dinamic și este o ecuație de undă care este folosită pentru a rezolva funcții de undă.

De exemplu, lumina, sau radiația electromagnetică emisă sau absorbită de un atom are doar anumite frecvențe (sau lungimi de undă), după cum se poate observa din spectrul liniar asociat cu elementul chimic reprezentat de acel atom. Teoria cuantică arată că aceste frecvențe corespund energiilor definite ale cuantelor de lumină, sau fotoni, și rezultă din faptul că electronii atomului pote avea numai anumite valori de energie permisă, sau niveluri; atunci când un electron trece de la un nivel permis la altul, o cuantă de energie este emisă sau absorbită a cărei frecvență este direct proporțională cu diferența de energie dintre cele două niveluri. Efectul fotoelectric a confirmat ulterior cuantificarea luminii.

În 1924, Louis de Broglie a considerat că nu numai undele luminoase prezintă uneori proprietăți ale particulelor, ci și particulele pot prezenta, de asemenea, proprietăți ondulatorii. Două formulări diferite ale mecanicii cuantice au fost prezentate conform sugestiei lui de Broglie. Mecanica ondulatorie a lui Erwin Schrödinger (1926) implică utilizarea unei entități matematice, funcția de undă, care este legată de probabilitatea de a găsi o particulă într-un punct dat în spațiu. Mecanica matriceală a lui Werner Heisenberg (1925) nu menționează funcțiile de undă sau concepte similare, dar s-a dovedit a fi matematic echivalentă cu teoria lui Schrödinger. O descoperire importantă a teoriei cuantice este principiul incertitudinii, enunțat de Heisenberg în 1927, care plasează o limită teoretică absolută privind precizia anumitor măsurători; ca urmare, ipoteza oamenilor de știință anteriori că starea fizică a unui sistem ar putea fi măsurată cu exactitate și folosită pentru a prezice viitoarele stări a trebuit să fie abandonată. Mecanica cuantică a fost combinată cu teoria relativității în formularea lui Paul Dirac. Alte dezvoltări includ statistica cuantică, electrodinamica cuantică, preocupări privind interacțiunile dintre particule încărcate și câmpurile electromagnetice; și generalizarea sa, teoria câmpului cuantic.

Domenii interdisciplinare

Printre domeniile interdisciplinare, care definesc parțial științe de sine stătătoare, se regăsesc:

• astrofizica, fizica din univers, inclusiv proprietățile și interacțiunile corpurilor cerești în astronomie.
• biofizica, studiind interacțiunile fizice ale proceselor biologice.
• fizica chimică, știința relațiilor fizice în domeniul chimiei.
• econofizica, care se ocupă cu procesele fizice și relațiile lor în știința economiei.
• geofizica, știința relațiilor fizice de pe planeta noastră.
• fizica medicala, aplicarea fizicii în prevenire, diagnostic și tratament.
• chimia fizică, care se ocupă cu procesele fizice și relațiile lor în știința chimiei fizice.