fizyka
Fizyka – nauka przyrodnicza zajmująca się badaniem budowy i ogólnych właściwości materii oraz zjawisk w niej zachodzących; wykrywająca i wyjaśniająca podstawowe prawa rządzące przyrodą na podstawie obserwacji i przeprowadzanych doświadczeń. Fizyka jest nauką ściśle powiązaną z innymi dziedzinami nauk przyrodniczych, m.in. astronomią, geofizyką, chemią fizyczną, biofizyką oraz agrofizyką. Poszczególne działy fizyki wyróżniane są na podstawie stosowanych metod badawczych (fizyka doświadczalna, fizyka teoretyczna), określonych zjawisk fizycznych (m.in. mechanika, fizyka statystyczna, termodynamika, elektrodynamika, akustyka, optyka, teoria względności, mechanika kwantowa) i głównego przedmiotu badań (astrofizyka, fizyka atomów, cząsteczek i zjawisk optycznych, fizyka cząstek elementarnych, fizyka materii skondensowanej).
Historia fizyki
Początki fizyki (gr. physikḗ – przyrodoznawstwo, od gr. phýsis – przyroda, natura) sięgają czasów starożytnej Grecji (VI-V w. p.n.e.); nauka ta wywodzi się z filozofii przyrody, której przedstawicielami byli jońscy filozofowie przyrody (Tales z Miletu, Anaksymander z Miletu) poszukujący przyczyn obserwowanych zjawisk naturalnych oraz atomiści (Leukippos z Miletu, Demokryt z Abdery), twórcy atomistycznej teorii budowy materii. Euklides z Aleksandrii w IV w. p.n.e. stworzył podstawy optyki geometrycznej, dzięki opisowi zjawisko odbicia światła. Archimedes z Syrakuz w III w. p.n.e. sformułował zasadę dźwigni i prawo równi pochyłej stanowiące podstawę statyki i prawo wyporu (prawo Archimedesa) stanowiące podstawę hydrostatyki. Klaudiusz Ptolemeusz w II w. p.n.e. stworzył teorię geocentryczną zakładającą położenie Ziemi w centrum Wszechświata. Nowożytna fizyka klasyczna, powstała w okresie rewolucji naukowej (wiek XVI i XVII), charakteryzowała się stopniowym odchodzeniem od poglądów uczonych starożytnych. Ważne osiągnięcia naukowe tego okresu obejmowały m.in. ogłoszenie teorii heliocentrycznej (zakładającej ruch Ziemi i innych planet wokół Słońca położonego w centrum Wszechświata) przez M. Kopernika (1543), odkrycie prawa spadania ciał oraz związku między siłą i ruchem ciał przez Galileusza (1602), opracowanie praw ruchu planet przez J. Keplera (1609-1621) oraz stworzenie podstaw mechaniki klasycznej (zasad dynamiki, prawa powszechnego ciążenia) przez I. Newtona (1687).
Intensywny rozwój fizyki klasycznej (mechaniki, optyki, termodynamiki, elektromagnetyzmu) przypada na wiek XIX, czego przykładem może być odkrycie zjawiska interferencji światła przez T. Younga (1801), odkrycie pola magnetycznego wytwarzanego przez prąd elektryczny przez H. C. Oersteda (1820), odkrycie wzajemnego oddziaływania przewodników, przez które płynie prąd elektryczny przez A. M. Ampère’a (1820), odkrycie indukcji magnetycznej przez M. Faradaya (1831), sformułowanie I i II zasady termodynamiki odpowiednio przez J. R. Mayera i J. P. Joule’a (1842-1843) oraz W. Thomsona i R. E. Clasiusa (1850-1851). Początki fizyki współczesnej (m.in. astrofizyki, fizyki atomów, cząsteczek i zjawisk optycznych, fizyki cząstek elementarnych) sięgają schyłku XIX i początku XX wieku. Do jej rozwoju przyczyniło się m.in. odkrycie zjawiska fotoelektrycznego przez H. R. Hertza i W. Hallwachsa (1887-1888), odkrycie promieni X przez W. C. Röntgena (1895), odkrycie promieniotwórczości przez A. H. Becquerela (1896), odkrycie elektronu przez J. J. Thomsona (1897), stworzenie podstaw teorii kwantów przez M. Plancka (1900), wyjaśnienie zjawiska fotoelektrycznego i publikacja szczególnej teorii względności przez A. Einsteina (1905), odkrycie jądra atomu i stworzenie modelu atomu przez E. Rutherforda (1911) oraz publikacja ogólnej teorii względności przez A. Einsteina (1916).
Fizyka – nauka o materii i zjawiskach zachodzących w przyrodzie
Fizyka jest nauką przyrodniczą zajmującą się badaniem budowy i ogólnych właściwości materii oraz zjawisk w niej zachodzących; wykrywającą i wyjaśniającą podstawowe prawa rządzące przyrodą na podstawie obserwacji i przeprowadzanych doświadczeń. Fizyka jest nauką ściśle powiązaną z innymi dziedzinami nauk przyrodniczych – astronomią, geofizyką, chemią fizyczną, biofizyką oraz agrofizyką. Poszczególne działy fizyki wyodrębniane są na podstawie stosowanych metod badawczych, przedmiotu badań bądź określonych zjawisk fizycznych. Podział uwzględniający metodologię badań obejmuje fizykę doświadczalną (eksperymentalną) polegającą na obserwacji zjawisk fizycznych i wykonywaniu doświadczeń, która jest ściśle powiązana z fizyką teoretyczną polegającą na opisie obserwacji i wyników przeprowadzonych doświadczeń za pomocą pojęć matematycznych oraz formułowaniu na ich podstawie teorii i praw fizycznych. Podział uwzględniający określone zjawiska fizyczne obejmuje mechanikę (ruch ciał materialnych), akustykę (powstawanie i rozchodzenie się fal dźwiękowych), optykę (emisja i rozchodzenie się światła oraz jego oddziaływanie z materią), termodynamikę (zjawiska cieplne ciał makroskopowych), fizykę statystyczną (właściwości układów makroskopowych złożonych z dużej liczby małych cząstek), teorię względności (właściwości procesów fizycznych zachodzących w czasie i przestrzeni), elektrodynamikę (właściwości pola elektromagnetycznego i jego oddziaływania z ładunkami elektrycznymi) oraz mechanikę kwantową (wzajemne oddziaływania atomów i cząstek oraz ich oddziaływania z polem elektromagnetycznym). Podział fizyki ze względu na przedmiot badań obejmuje astrofizykę (badanie budowy i właściwości ciał niebieskich oraz zjawisk astronomicznych); fizykę atomów, cząsteczek i zjawisk optycznych (badanie właściwości atomów i cząsteczek, badanie oddziaływań atomów i cząsteczek z promieniowaniem elektromagnetycznymoddziaływań), fizykę materii skondensowanej (badanie struktury i właściwości materii skondensowanej, głównie cieczy i ciał stałych).
Astrofizyka
Astrofizyka jest dziedziną fizyki współczesnej ściśle związaną z astronomią; nauka ta zajmuje się badaniem ewolucji, budowy, składu chemicznego i właściwości fizycznych ciał niebieskich (m.in. planet, gwiazd, gromad gwiazd, materii międzygwiezdnej, ciemnej materii, czarnych dziur, galaktyk, gromad galaktyk, Wszechświata jako całości), badaniem ich wzajemnych oddziaływań oraz obserwacją i wyjaśnianiem zjawisk astrofizycznych (m.in. kosmicznego promieniowania tła, mikrofalowego promieniowania tła, powstawania strun kosmicznych, tworzenia się fal grawitacyjnych, osobliwości grawitacyjnych) z wykorzystaniem teorii i praw fizycznych. Badania astrofizyczne wykorzystują osiągnięcia wielu dziedzin fizyki – mechaniki klasycznej, termodynamiki, fizyki statystycznej, szczególnej teorii względności (mechaniki relatywistycznej), elektrodynamiki, mechaniki kwantowej, fizyki jądrowej, fizyki atomowej oraz fizyki molekularnej. Głównymi teoriami wykorzystywanymi w opisie zjawisk i procesów astrofizycznych są m.in. ogólna teoria względności, teoria Wielkiego Wybuchu, teoria inflacji kosmologicznej, prawo powszechnego ciążenia Newtona, prawa magnetohydrodynamiki (prawo ciśnienia magnetycznego, prawo wmrożonego pola magnetycznego, prawo dyfuzji pola magnetycznego) oraz model Lambda-CDM (Λ-CDM, ang. Lambda-cold dark matter) wyjaśniający mikrofalowe promieniowanie tła. Poszczególne działy astrofizyki wyróżniane są ze względu na metody badań (astrofizyka teoretyczna, astrofizyka obserwacyjna) bądź przedmiot badań (astrometria, kosmologia fizyczna, fizyka grawitacji, astrofizyka wysokich energii, astrofizyka planetarna, fizyka plazmy, fizyka słoneczna, fizyka kosmiczna, astrofizyka gwiazdowa, astrofizyka atomowa i molekularna).
Fizyka atomów, cząsteczek i zjawisk optycznych
Fizyka atomów, cząsteczek i zjawisk optycznych (AMO, ang. atomic, molecular and optical physics) jest dziedziną fizyki współczesnej zajmującą się badaniem właściwości i wzajemnych oddziaływań materii na poziomie atomowym (stany podstawowe i wzbudzone elektronów w atomie, oddziaływania między elektronami – oddziaływania elektrostatyczne, oddziaływania między orbitalnymi i spinowymi momentami magnetycznymi) i poziomie cząsteczkowym (molekularnym) (struktura i właściwości fizyczne cząsteczek, rodzaje wiązań chemicznych między atomami i ich rola w układach fizycznych, dynamika molekularna cząsteczki) oraz badaniem oddziaływań atomów i cząsteczek z promieniowaniem elektromagnetycznym (dyfrakcja fali elektromagnetycznej, polaryzacja fali elektromagnetycznej, emisja wymuszona polegająca na emisji fotonów przez atomy lub cząsteczki w wyniku oddziaływania z fotonem inicjującym, powstawanie linii spektralnych, zjawisko Comptona, zjawisko fotoelektryczne). Fizyka atomów, cząsteczek i zjawisk optycznych wykorzystują osiągnięcia optyki kwantowej, chemii kwantowej i informatyki kwantowej; właściwości atomów i cząsteczek, ich wzajemne oddziaływania i oddziaływania z falami elektromagnetycznymi wyjaśniane są głównie za pomocą teorii i praw fizycznych z zakresu mechaniki kwantowej. Poszczególne dziedziny fizyki atomów, cząsteczek i zjawisk optycznych wyróżniane są ze względu na przedmiot badań i obejmują fizykę atomową, fizykę cząsteczkową (molekularną), astrofizykę atomową, astrofizykę cząsteczkową (molekularną), optykę oraz fotonikę.
Fizyka cząstek elementarnych (fizyka wielkich energii)
Fizyka cząstek elementarnych, określana również mianem fizyki wielkich energii, jest działem fizyki współczesnej badającym strukturę, właściwości i wzajemne oddziaływania cząstek elementarnych, takich jak fermiony budujące materię (leptony – elektrony, miony, taony, neutrina elektronowe, neutrina mionowe i neutrina taonowe; kwarki – górne, powabne, prawdziwe, dolne, dziwne i piękne) oraz bozony przenoszące oddziaływania (bozony W, bozony Z, gluony, fotony). Badania cząstek elementarnych polegają na ich przyspieszaniu do prędkości bliskich prędkości światła za pomocą akceleratorów oraz zderzaniu się powstałej wiązki cząstek o wysokiej energii (powyżej 109 eV) z nieruchomą tarczą lub druga wiązką cząstek. Analiza wyników zderzeń za pomocą detektorów promieniowania jonizującego umożliwia określenie struktury, właściwości oraz natury oddziaływań badanych cząstek elementarnych (m.in. oddziaływań grawitacyjnych, elektromagnetycznych, słabych, silnych). Fizyka cząstek elementarnych jest silnie związana z mechaniką kwantową (elektrodynamiką kwantową, chromodynamika kwantową). Główne teorie fizyczne wykorzystywane w opisie właściwości i oddziaływań cząstek elementarnych obejmują teorię cząstek elementarnych (model standardowy), kwantową teorię pola, teorię oddziaływań elektrosłabych, teorię pół efektywnych, cechowanie, supersymetrię, teorię wielkiej unifikacji, teorię superstrun oraz M-teorię. Najważniejszą dziedziną fizyki cząstek elementarnych jest fizyka jądrowa badająca strukturę i właściwości jądra atomowego oraz reakcje jądroweneutronów i ich oddziaływań z materią).
Fizyka materii skondensowanej
Fizyka materii skondensowanej jest dziedziną fizyki współczesnej zajmującą się badaniem struktury i właściwości fizycznych materii skondensowanej (układu składającego się z dużej liczby atomów lub cząsteczek powiązanych silnymi oddziaływaniami elektromagnetycznymi), głównie cieczy i ciał stałych (metali, dielektryków, magnetyków, półprzewodników). Fizyka materii skondensowanej wykorzystuje osiągnięcia wielu dziedzin fizyki, m.in. mechaniki klasycznej, elektrodynamiki (elektryczności, magnetyzmu), optyki, termodynamiki, mechaniki kwantowej, fizyki atomów, cząsteczek i zjawisk optycznych. Głównymi teoriami fizycznymi stosowanymi w opisie właściwości fizycznych materii skondensowanej są m.in. teoria BCS (mikroskopowa teoria nadprzewodnictwa), twierdzenie Blocha, teoria funkcjonału gęstości, model gazu Fermiego i model cieczy Fermiego (używane w opisie struktury i właściwości metali), kwantowa teoria wielu ciał i mechanika statystyczna. Fizyka materii skondensowanej zróżnicowana jest w zależności od przedmiotu badań oraz opisywanych zjawisk na fizykę ciała stałego (fizykę metali, magnetyków i półprzewodników), fizykę niskich temperatur (kriogenikę), nanotechnologię, fizykochemię powierzchni i fizykę polimerów. Najważniejszą dziedziną fizyki materii skondensowanej jest fizyka ciała stałego zajmująca się badaniem struktury atomu i właściwości fizycznych ciał stałych (krystalicznych i amorficznych) oraz zjawisk atomowych i elektronowych zachodzących wewnątrz i na powierzchni tych ciał pod wpływem działania czynników zewnętrznych.
