Fisika (uit AntiekeGrieks: φυσική (ἐπιστήμη) phusikḗ (epistḗmē) "natuurkennis", van φύσις phúsis "natuur") is diewetenskap van dienatuur in die breedste sin.Fisici bestudeer die gedrag en eienskappe vanmaterie in ’n groot verskeidenheid verbande, wat wissel van diesubatomiese deeltjies wat die boustene van alle gewone materie is (deeltjiefisika) tot die gedrag van die materiëleheelal as ’n geheel (kosmologie).
Sommige van die eienskappe wat in fisika bestudeer word, is geldig vir “alle” materiële stelsels, soos diebehoud van energie. Na sulke eienskappe word dikwels verwys as die "wette van fisika". Fisika word somtyds 'n “fundamentele wetenskap” genoem, aangesien elkeen van die andernatuurwetenskappe (biologie,chemie,geologie, ens.) te doen het met sekere soorte materiële stelsels wat die wette van fisika gehoorsaam. Chemie is byvoorbeeld die wetenskap vanmolekules en diechemikalieë wat hulle vorm. Die eienskappe van ’n chemikalie word bepaal deur die eienskappe van die onderliggende molekules wat akkuraat beskryf kan word deur velde van fisika sooskwantummeganika,termodinamika enelektromagnetisme.
Fisika is ook nou verwant aanwiskunde. Fisiese teorieë word amper altyd uitgedruk deur gebruik te maak van wiskundige vergelykings, en die wiskunde wat betrokke is, is in die algemeen ingewikkelder as in die ander wetenskappe.
Die verskil tussen fisika en wiskunde is dat fisika hom hoofsaaklik bemoei met beskrywings van die materiële wêreld, terwyl wiskunde hoofsaaklik gemoeid is met die abstrakte patrone wat nie noodwendig daarop van toepassing is nie. Die onderskeid is nie altyd voor die hand liggend nie. Daar is 'n breë navorsingsveld tussen fisika en wetenskap wat bekend staan aswiskundige fisika, wat hom toewy op die ontwikkeling van wiskundige strukture van fisiese teorieë.
Fisikanavorsing verskil van dié van ander wetenskappe ten opsigte van die skeiding van teorie en eksperiment. Sedert die20ste eeu het die meeste individuele fisici gespesialiseer in óf teoretiese fisika óf eksperimentele fisika, en min van hulle was al suksesvol in albei terreine. In teenstelling daarmee was amper al die suksesvolle teoretici inbiologie enchemie ook eksperimenteerders gewees.
Rofweg gesproke is die doel van teoretici om teorieë te ontwikkel wat die bestaande eksperimentele resultate verduidelik en om toekomstige resultate te voorspel, terwyl eksperimenteerders eksperimente bedink en uitvoer om die teoriese voorspellings te toets. Alhoewel teorie en eksperiment apart ontwikkel word, is hulle sterk afhanklik van mekaar. Vooruitgang in fisika geskied dikwels wanneer eksperimenteerders ontdekkings maak wat nie deur die bestaande teorieë verduidelik kan word nie en dus die formulering van nuwe teorieë noodsaak. In die afwesigheid van eksperimente slaan teoretiese navorsing dikwels die verkeerde koers in; dit is van die kritiek wat dikwels gelewer word op dieM-teorie, 'n gewilde teorie in hoë-energiefisika waarvoor nog geen praktiese eksperimentele toets bedink is nie.
Terwyl fisika hom bemoei met 'n uiters groot verskeidenheid stelsels, is daar sekere teorieë wat van toepassing is op fisika in sy geheel en nie beperk is tot 'n enkele veld nie. Elkeen van die teorieë word basies as korrek aanvaar met 'n sekere terein waarvoor dit geldig is. Die teorie van klassieke meganika beskryf byvoorbeeld die beweging van voorwerpe akkuraat op voorwaarde dat hulle baie groter asatome is en teen 'n snelheid baie laer as dieligsnelheid beweeg. Hierdie teorieë bly steeds velde waarop aktiewe navorsing gedoen word; 'n merkwaardige aspek van klassieke meganika bekend aschaos is byvoorbeeld in die 20ste eeu ontdek, drie eeue náIsaac Newton dit geformuleer het. Min fisici verwag egter dat enige van die teorieë fundamenteel misleidend bewys gaan word en daarom word hulle as basis gebruik vir navorsing in meer gespesialiseerde onderwerpe en word dit algemeen van enige huidige fisikastudent ongeag sy spesialisgebied verwag om goed vertroud te wees met al die teorieë.
Teorie
Hoofvertakkings
Begrippe
Klassieke meganika
Newton se wette van beweging, Lagrange-meganika, Hamiltoniese meganika, chaosteorie, vloeidinamika, kontinuümmeganika
Hedendaagse navorsing in fisika word verdeel in verskeie velde wat verskillende aspekte van materie bestudeer.Gekondenseerdematerie-fisika, wat algemeen beskou word as die grootste enkele fisikaveld, is bemoei met die studie van hoe die massaeienskappe van materie, soos gewonevastestowwe envloeistowwe, teweeggebring word vanuit die eienskappe en interaksies van dieatome waaruit dit opgebou is. Die veld van atoom-, molekulêre en optiese fisika het te doen met die gedrag van individuele atome en molekules en in die besondere wyses waarop hullelig absorbeer en uitstraal.Deeltjiefisika is bemoeid met die eienskappe van subatomiese deeltjies wat baie kleiner as atome is en sluit dieelementêre deeltjies in waaruit alle materie opgebou is. Laastens is daar die veld vanastrofisika, wat die wette van fisika toepas omsterrekundige verskynsels te verklaat wat wissel van dieSon en ander voorwerpe in dieSonnestelsel tot dieheelal in sy geheel.
Baie navorsingsgebiede bestaan waar fisika verweef is met ander dissiplines. Die verreikende veld vanbiofisika hou verband met die rol wat die fisikabeginsels speel in biologiese stelsels. Inkwantumchemie word bestudeer hoe die kwantummeganikateorie aanleiding gee tot die chemiese gedrag van atome en molekules. Sommige van die vakgebiede word hieronder gelys.
Sedert antieke tye het mense die gedrag van materie probeer verstaan: hoekom voorwerpe wat nie ondersteun word nie grond toe val, hoekom verskillendemateriale verskillende eienskappe het ensovoorts. Die aard van dieheelal was ook 'n raaisel, soos die vorm van dieAarde en die gedrag van hemelliggame soos dieSon en dieMaan. Verskeie teorieë is voorgestel waarvan die meeste verkeerd was. Hierdie teorieë was grootliksfilosofies gegrond en is nooit bevestig deur sistematies eksperimentele toetsing soos wat vandag gewild is nie. Daar was uitsonderings: dieGriekse denkerArchimedes het byvoorbeeld baie kwantitatiewe beskrywings vanmeganika enhidrostatika korrek afgelei.
In die vroeë17de eeu wasGalileo 'n baanbreker in die gebruik van eksperimente om fisikateorieë te bevestig. Hy het verskeiedinamikateorieë suksesvol geformuleer en getoets, in besonder die wet vantraagheid. In1687 hetNewton diePrincipia Mathematica gepubliseer waarin hy twee omvattende en suksesvolle teorieë uiteensit: Newton se bewegingswette, waaruit die klassieke meganika voortspruit, en Newton se swaartekragwet, wat die fundamentele wisselwerking beskryf. Albei teorieë is in eksperimente bewys. DiePrincipia het ook verskeie teorieë oor vloeidinamika ingesluit. Klassieke meganika is uitvoerig uitgebrei deurLagrange,Hamilton en ander wat nuwe formulerings, beginsels en resultate bedink het. Die swaartekragwet het die veld vanastrofisika, wat diesterrekundige verskynsels deur middel van fisiese teorieë beskryf, begin.
Van die18de eeu af istermodinamika deurBoyle,Young en vele ander ontwikkel. In1733 hetBernoulli statistiese argumente tesame met klassieke meganika gebruik om termodinamiese resultate af te lei en het sodoende die vakgebied van statistiese meganika begin. In1798 hetThompson die omsetting van meganiese werking na warmte gedemonstreer en in1847 hetJoule die wet oor die behoud vanenergie (in die vorm van warmte asook meganiese energie) geformuleer.
In1897 hetThomson dieelektron, die elementêre deeltjie wat elektriese stroom in stroombane dra, ontdek. In1904 het hy die eerste model van dieatoom voorgestel.
In1905 hetAlbert Einstein die teorie vanspesiale relatiwiteit geformuleer wat ruimte en tyd tot 'n enkele entiteit,ruimtetyd, saamgesnoer het. Relatiwiteit skryf 'n ander omskakeling tussen verwysingsraamwerke voor as die klassieke meganika; dit het die ontwikkelling van relatiwistiese meganika as vervanging vir klassieke meganika genoodsaak.
In die bestek van (relatief) lae snelhede stem die twee teorieë ooreen. In1915 het Einstein spesiale relatiwiteit uitgebrei om swaartekrag met diealgemene relatiwiteitsteorie te verduidelik wat Newton se swaartekragwet vervang. In die bestek van lae massas en energieë stem die teorieë ooreen.
In1911 hetRutherford uit verstrooiingseksperimente afgelei dat daar in atome 'n kompakte kern met positief gelaaide boustene genaamdprotone bestaan.Neutrone, die neutrale boustene van die kern, is in1932 deurChadwick ontdek.
Aan die begin van 1900 hetPlanck, Einstein,Bohr en anderkwantumteorieë ontwikkel om verskeie afwykings in eksperimentele resultate te verduidelik deur die bekendstelling van diskrete energievlakke.
In1925 hetHeisenberg enSchrödinger in 1926Dirackwantummeganika geformuleer wat die voorafgaande kwantumteorieë verduidelik het. In kwantummeganika is die resultaat van fisiese metings inherent waarskynlikheidsgebonde; die teorie beskryf die berekening van hierdie waarskynlikhede. Dit beskryf ook die gedrag van materie vir klein afstandskale.
Kwantummeganika het ook die teoretiese gereedskap verskaf vir gekondenseerdematerie-fisika, wat die gedrag van vaste- en vloeistowwe bestudeer, insluitende verskynsels sooskristalstrukture,halfgeleiding ensupergeleiding. Die baanbrekers op die gebied van gekondenseerdematerie-fisika sluitBloch in wat die kwantummeganiese beskrywing van die gedrag van elektrone in kristalstrukture in1928 geformuleer het.
In dieTweede Wêreldoorlog is navorsing deur albei strydende partye gedoen oor kernfisika met die doel om 'natoombom te maak. Die Duitse poging, deur Heisenberg gelei, het nie geslaag nie, maar die Geallieerdes seManhattan-projek het die doelwit bereik. In 1942 hetFermi in Amerika die eerste mensgemaakte kernkettingreaksie veroorsaak, en in 1945 is die wêreld seeerste atoombom ontplof naby Alamogordo,Nieu-Meksiko.
Die kwantumveldteorie is geformuleer om kwantummeganika uit te brei sodat dit kan aanpas by spesiale relatiwiteit. Dit het sy moderne vorm bereik in die laat 1940's met werk wat deurFeynman,Schwinger,Tomonaga, enDyson gedoen is. Hulle het die kwantumelektrodinamika-teorie geformuleer wat elektromagnetiese interaksie beskryf.
Die kwantumveldteorie het die raamwerk daargestel vir moderne deeltjiefisika, waarin diebasiese natuurkragte en elementêre deeltjies bestudeer word. In1954 hetYang enMills 'n klasyktoerieë ontwikkel wat die raamwerk vir dieStandaardmodel daargestel het. Die Standaardmodel, wat in1970 voltooi is, beskryf amper al die elementêre deeltjies wat nog waargeneem is suksesvol. Op14 Maart2013 is die bestaan van die Higgsboson tentatief deur dieEuropese Organisasie vir Kernnavorsing (CERN) bevestig nadat dit waarskynlik die vorige jaar ontdek is.
DieVerenigde Nasies het die jaar 2005 tot die Wêreld se Fisikajaar verklaar.[1]
Met ingang van 2004 gaan navorsing in fisika op 'n wye front voort. In gekondenseerdematerie-fisika is die grootste teoretiese vraagstuk die verduideliking van hoëtemperatuur-supergeleiding. Groot pogings, hoofsaaklik eksperimenteel, word aangewend om werkbarespintronika enkwantumrekenaars te maak.
In deeltjiefisika is die eerste bewysstukke gevind dat daar verskynsels is wat nie net deur die Standaardmodel verduidelik kan word nie. Die belangrikste hiervan is aanduidings datneutrino's 'nmassa van groter as nul het. Dit lyk of hierdie eksperimentele resultate 'n ou vraagstuk oor die Son oplos. Die fisika van neutrino's met massa is tans 'n gebied waarop aktiewe teoretiese en eksperimentele navorsing gedoen word.
Teoretiese pogings wat al ’n halwe eeu duur om kwantummeganika en algemene relatiwiteit te verenig in 'n enkele teorie van kwantumswaartekrag, het nog geen vrugte afgewerp nie. Die belangrikste kandidate vir ’nteorie van alles is tans dieM-teorie.
Baie sterrekundige verskynsels moet nog verklaar word, insluitende die bestaan van ultrahoë-energie kosmiese straling en die afwykende rotasietempo van sterrestelsels. Teorieë wat voorgestel is om hierdie probleme op te los sluit in dubbele spesiale relatiwiteit, aangepaste Newton-dinamika, en die bestaan vandonker materie. Verder is baie van die kosmologiese voorspellings van die laaste paar dekades weerlê deur bewyse dat die uitdying van die heelal besig is om te versnel.
In hul haas om hoë-energie-, kwantum- en sterrekundige fisikaprobleme op te los is alledaagse fisika agterweë gelaat. Ingewikkelde probleme wat lyk of hulle deur die slim toepassing van dinamika en meganika opgelos kan word, bly steeds grootliks onopgelos.
