Физика - это научная дисциплина, которая стремится построить и экспериментально проверить теории физической вселенной. Эти теории различаются по своему охвату и могут быть разделены на несколько отдельных ветвей, которые описаны в этой статье.
Классическая механика [ править ]
Классическая механика является моделью физики из сил , действующих на органы; включает подполя для описания поведения твердых тел , газов и жидкостей . Ее часто называют «механикой Ньютона» в честь Исаака Ньютона и его законов движения . Он также включает классический подход, предложенный методами Гамильтона и Лагранжа . Он имеет дело с движением частиц и общей системой частиц.
Существует множество разделов классической механики, таких как: статика , динамика , кинематика , механика сплошных сред (включая механику жидкости ), статистическую механику и т. Д.
- Механика: раздел физики, в котором мы изучаем объект и свойства объекта в форме движения под действием силы.
Термодинамика и статистическая механика [ править ]
Первая глава «Лекций Фейнмана по физике» посвящена существованию атомов , которые Фейнман считал наиболее компактным утверждением физики, из которого наука могла бы легко получить результат, даже если бы все остальные знания были потеряны. [1] Моделируя материю как совокупность твердых сфер, можно описать кинетическую теорию газов , на которой основана классическая термодинамика.
Термодинамика изучает влияние изменений температуры , давления и объема на физические системы в макроскопическом масштабе, а также передачу энергии в виде тепла . [2] [3] Исторически термодинамика развивалась из желания повысить эффективность первых паровых двигателей . [4]
Отправной точкой для большинства термодинамических соображений являются законы термодинамики , которые постулируют, что энергия может передаваться между физическими системами в виде тепла или работы . [5] Они также постулируют существование величины, называемой энтропией , которую можно определить для любой системы. [6] В термодинамике изучаются и классифицируются взаимодействия между большими ансамблями объектов. Центральное место в нем занимают концепции системы и окружения . Система состоит из частиц, средние движения которых определяют ее свойства, которые, в свою очередь, связаны друг с другом уравнениями состояния. Свойства можно комбинировать для выражения внутренней энергии и термодинамических потенциалов , которые полезны для определения условий равновесия и самопроизвольных процессов .
Электромагнетизм и фотоника [ править ]
| Уравнения Максвелла из электромагнетизма |
Изучение поведения электронов, электрических сред, магнитов, магнитных полей и общих взаимодействий света.
Релятивистская механика [ править ]
Специальная теория относительности тесно связана с электромагнетизмом и механикой; то есть, принцип относительности и принцип стационарного действия в механике могут быть использованы для получения уравнений Максвелла , [7] [8] и наоборот .
Специальная теория относительности была предложена в 1905 году Альбертом Эйнштейном в его статье « Об электродинамике движущихся тел ». Название статьи отсылает к тому факту, что специальная теория относительности разрешает несоответствие между уравнениями Максвелла и классической механикой. Теория основана на двух постулатах : (1) что математические формы законов физики инвариантны во всех инерциальных системах ; и (2) скорость света в вакууме постоянна и не зависит от источника или наблюдателя. Примирение двух постулатов требует объединения пространства и времени.в рамочно-зависимую концепцию пространства-времени .
Общая теория относительности - это геометрическая теория гравитации, опубликованная Альбертом Эйнштейном в 1915/16 году. [9] [10] Он объединяет специальную теорию относительности, закон всемирного тяготения Ньютона и идею о том, что гравитацию можно описать кривизной пространства и времени. В общей теории относительности искривление пространства-времени создается энергией материи и излучения.
Квантовая механика, атомная физика и молекулярная физика [ править ]
Квантовая механика - это раздел физики, изучающий атомные и субатомные системы и их взаимодействие, основанный на наблюдении, что все формы энергии высвобождаются в дискретных единицах или связках, называемых « квантами ». Примечательно, что квантовая теория обычно допускает только вероятные или статистические вычисления наблюдаемых свойств субатомных частиц, понимаемых в терминах волновых функций . Уравнение Шредингера играет роль в квантовой механике, которую законы Ньютона и сохранение энергии служат в классической механике, то есть оно предсказывает будущее поведение динамической системы.- и представляет собой волновое уравнение , которое используется для решения волновых функций.
Например, свет или электромагнитное излучение, испускаемое или поглощаемое атомом, имеет только определенные частоты (или длины волн ), что можно увидеть из линейчатого спектра, связанного с химическим элементом, представленным этим атомом. Квантовая теория показывает, что эти частоты соответствуют определенным энергиям квантов света или фотонов и являются результатом того факта, что электроны атома могут иметь только определенные допустимые значения энергии или уровни; когда электрон переходит с одного разрешенного уровня на другой, излучается или поглощается квант энергии, частота которого прямо пропорциональна разнице энергий между двумя уровнями. Фотоэффект дополнительно подтвердил квантование света.
В 1924 году Луи де Бройль предположил, что не только световые волны иногда проявляют свойства частиц, но и частицы могут также проявлять свойства волн. По предложению де Бройля были представлены две различные формулировки квантовой механики. В волновой механики из Эрвина Шредингера (1926) включает в себя использование математического объекта, волновой функции, которая связана с вероятностью нахождения частицы в данной точке в пространстве. В матричной механике от Вернера Гейзенберга (1925) не упоминает о волновых функциях или схожих понятиях , но была показана, что математически эквивалентна теорией Шредингера. Особенно важным открытием квантовой теории являетсяпринцип неопределенности , провозглашенный Гейзенбергом в 1927 году, который устанавливает абсолютный теоретический предел точности определенных измерений; в результате пришлось отказаться от предположения более ранних ученых о том, что физическое состояние системы можно точно измерить и использовать для предсказания будущих состояний. Квантовая механика была объединена с теорией относительности в формулировке Поля Дирака . Другие разработки включают квантовую статистику , квантовую электродинамику , занимающуюся взаимодействием между заряженными частицами и электромагнитными полями; и ее обобщение, квантовая теория поля .
Теория струн
Возможный кандидат в теорию всего, эта теория объединяет общую теорию относительности и квантовую механику в единую теорию. Эта теория может предсказывать свойства как маленьких, так и больших объектов. Эта теория в настоящее время находится в стадии разработки.
Оптика [ править ]
Оптика - это исследование движения света, включая отражение, преломление, дифракцию и интерференцию.
Физика конденсированного состояния [ править ]
Изучение физических свойств вещества в конденсированной фазе.
Физика частиц высоких энергий и ядерная физика [ править ]
Физика элементарных частиц изучает природу частиц, а ядерная физика изучает атомные ядра.
Космология [ править ]
Космология изучает, как возникла Вселенная, и ее дальнейшую судьбу. Его изучают физики и астрофизики .
Междисциплинарные области [ править ]
К междисциплинарным областям, которые частично определяют собственные науки, относятся, например,
- агрофизика - это отрасль науки, граничащая с агрономией и физикой
- астрофизика , физика Вселенной, включая свойства и взаимодействия небесных тел в астрономии .
- биофизика , изучающая физические взаимодействия биологических процессов.
- химическая физика , наука о физических отношениях в химии .
- вычислительная физика , применение компьютеров и численных методов к физическим системам.
- эконофизика , изучающая физические процессы и их отношения в экономической науке .
- физика окружающей среды , раздел физики, связанный с измерением и анализом взаимодействий между организмами и окружающей их средой.
- инженерная физика , комбинированная физико-техническая дисциплина.
- геофизика , науки о физических отношениях на нашей планете.
- математическая физика , математика, относящаяся к физическим проблемам.
- медицинская физика , применение физики в медицине для профилактики, диагностики и лечения.
- физическая химия , изучающая физические процессы и их отношения в науке физической химии .
- физическая океанография - это изучение физических условий и физических процессов в океане, особенно движения и физических свойств океанических вод.
- психофизика , наука о физических отношениях в психологии
- квантовые вычисления , исследование квантово-механических вычислительных систем.
- социофизика или социальная физика - это область науки, которая использует математические инструменты, вдохновленные физикой, для понимания поведения толпы людей.
Резюме [ править ]
В таблице ниже перечислены основные теории и многие используемые ими концепции.
| Теория | Основные подтемы | Концепции |
|---|---|---|
| Классическая механика | Законы движения Ньютона , лагранжева механика , гамильтонова механика , кинематика , статика , динамика , теория хаоса , акустика , гидродинамика , механика сплошных сред | Плотность , размерность , гравитация , пространство , время , движение , длина , положение, скорость , ускорение , галилеевская инвариантность , масса , импульс , импульс , сила , энергия , угловая скорость , угловой момент , момент инерции , крутящий момент , закон сохранения , гармонический осциллятор , волна , работа, Мощность , лагранжиан , гамильтониан , Тэйт-Bryan углы , углы Эйлера , пневматические , гидравлические |
| Электромагнетизм | Электростатика , электродинамика , электричество , магнетизм , магнитостатика , уравнения Максвелла , оптика. | Емкость , электрический заряд , ток , электрическая проводимость , электрическое поле , электрическая проницаемость , электрический потенциал , электрическое сопротивление , электромагнитное поле , электромагнитная индукция , электромагнитное излучение , гауссова поверхность , магнитное поле , магнитный поток , магнитный монополь , магнитная проницаемость |
| Термодинамика и статистическая механика | Тепловой двигатель , кинетическая теория | Постоянная Больцмана , сопряженные переменные , энтальпия , энтропия , уравнение состояния , теорема о равнораспределении , термодинамическая свободная энергия , тепло , закон идеального газа , внутренняя энергия , законы термодинамики , соотношения Максвелла , необратимый процесс , модель Изинга , механическое действие , статистическая сумма , давление , обратимый процесс , самопроизвольный процесс , функция состояния, статистический ансамбль , температура , термодинамическое равновесие , термодинамический потенциал , термодинамические процессы , термодинамическое состояние , термодинамическая система , вязкость , объем , работа , сыпучий материал |
| Квантовая механика | Формулировка интеграла по путям , теория рассеяния , уравнение Шредингера , квантовая теория поля , квантовая статистическая механика | Адиабатическое приближение , излучение черного тела , принцип соответствия , свободная частица , гамильтониан , гильбертово пространство , идентичные частицы , матричная механика , постоянная Планка , эффект наблюдателя , операторы , кванты , квантование , квантовая запутанность , квантовый гармонический осциллятор , квантовое число , квантовое туннелирование , Кот Шредингера , уравнение Дирака , спин, волновая функция , волновая механика , дуальность волна – частица , нулевая энергия , принцип исключения Паули , принцип неопределенности Гейзенберга |
| Относительность | Специальная теория относительности , общая теория относительности , уравнения поля Эйнштейна | Ковариантность , многообразие Эйнштейна , принцип эквивалентности , четырехимпульс , четырехвектор , общий принцип относительности , геодезическое движение , гравитация , гравитоэлектромагнетизм , инерциальная система отсчета , инвариантность , сокращение длины , лоренцево многообразие , преобразование Лоренца , эквивалентность массы и энергии , метрика , Минковский - схема , пространство Минковского , принцип относительности ,правильная длина , надлежащее время , система отсчета , энергия покоя , масса покоя , относительность одновременности , пространства - времени , специальный принцип относительности , скорость света , тензор энергии-импульса , замедление времени , парадокс близнецов , мировая линия |
Ссылки [ править ]
- ^ Фейнман, Ричард Филлипс ; Лейтон, Роберт Бенджамин ; Пески, Мэтью Линзи (1963). Лекции Фейнмана по физике . п. 1 . ISBN 978-0-201-02116-5.. Фейнман начинает с атомной гипотезы , как самого компактного утверждения из всех научных знаний: «Если бы в каком-то катаклизме все научное знание было бы уничтожено и только одно предложение было передано следующим поколениям ... содержат наибольшее количество информации в наименьшем количестве слов? Я считаю, что это ... что все вещи состоят из атомов - маленьких частиц, которые вращаются в бесконечном движении, притягивая друг друга, когда они находятся на небольшом расстоянии друг от друга, но отталкиваются при сжатии друг в друга ... "т. Я п. I – 2
- ^ Перо, Пьер (1998). От А до Я термодинамики . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-856552-9.
- ^ Кларк, Джон О.Е. (2004). Основной научный словарь . Barnes & Noble Books. ISBN 978-0-7607-4616-5.
- ^ Клаузиус, Рудольф (1850). «LXXIX». О движущей силе тепла и о законах, которые могут быть выведены из нее для теории тепла . Dover Reprint. ISBN 978-0-486-59065-3.[ требуется разъяснение ]
- Перейти ↑ Van Ness, HC (1969). Понимание термодинамики . ISBN Dover Publications, Inc. 978-0-486-63277-3.
- ^ Dugdale, JS (1998). Энтропия и ее физический смысл . Тейлор и Фрэнсис. ISBN 978-0-7484-0569-5.
- ^ Ландау и Лифшиц (1951, 1962), Классическая теория полей , номер карточки Библиотеки Конгресса 62-9181, главы 1–4 (3-е издание - ISBN 0-08-016019-0 )
- ^ Корсон и Лоррен, Электромагнитные поля и волны ISBN 0-7167-1823-5
- ↑ Эйнштейн, Альберт (25 ноября 1915 г.). "Die Feldgleichungen der Gravitation" . Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften zu Berlin : 844–847 . Проверено 12 сентября 2006 .
- ^ Эйнштейн, Альберт (1916). «Основы общей теории относительности» . Annalen der Physik . 354 (7): 769–822. Bibcode : 1916AnP ... 354..769E . DOI : 10.1002 / andp.19163540702 . Архивировано из оригинального (PDF) 29 августа 2006 года . Проверено 3 сентября 2006 .
