Fyzika

Fyzika

Příklady různých fyzikálních jevů

Fyzika (z řeckého φυσικός (physikos): přírodní, ze základu φύσις (physis): přírodaarchaicky též silozpyt) je vědní obor, který zkoumá zákonitosti přírodních jevů. Popisuje vlastnosti a projevy hmotyantihmotyvakuapřírodních silsvětla i neviditelného záření,teplazvuku atd. Vztahy mezi těmito objekty fyzika obvykle vyjadřuje matematickými prostředky. Mnoho poznatků fyziky je úspěšně.

 

Rozdělení fyziky

Fyziku lze velmi obecně rozdělit podle metod na teoretickou fyzikuexperimentální fyzikunumerické simulace a aplikovanou fyziku. Teoretická fyzika se snaží vyvodit z matematických objevů a experimentálních výsledků obecnější platnost zákonů a určit teoretické hranice jejich platnosti. Cílem experimentální fyziky je potvrzení nebo vyvrácení existující teorie. Často přitom dochází k jiným novým objevům. Numerické simulace umožňují udělat si představu o důsledcích přírodních zákonů za daných podmínek a dávají předpovědi ověřitelné pozorováním. Aplikovaná fyzika vychází z potřeb praxe. Její rozvoj je motivován potřebami z výroby, lidské spotřeby a z potřeby ochrany životního prostředí. Hranice mezi tímto dělením nejsou striktní. Příkladem metody a přechodu mezi experimentální a teoretickou fyzikou, při níž se využívají poznatky z vědy o informatice je modelování fyzikálních stavů a dějů s pomocí informačních technologií.

Následující tabulka je přehledem mnoha oborů a podoborů fyziky společně s teoriemi a tématy, které zahrnují. V mnoha případech se podobory prolínají několika různými obory, proto je třeba brát přehled jen jako orientační.

 

Obor Podobory Hlavní teorie Témata
Mechanika Mechanika hmotných bodů a tuhého tělesaanalytická mechanikagravitační silové polemechanika kontinua – mechanika pružnosti a pevnostimechanika tekutinreologiea mechanika sypkých látek; speciální teorie relativity;mechanické kmitání a vlněníakustika; mechanikachaotických systémů Newtonovy pohybové zákonyNewtonův gravitační zákon, diferenciální (např. d’Alembertův) a integrální (např. Hamiltonův) principy mechaniky, Lagrangeovy pohybové rovnice,Hamiltonovy kanonické rovniceHamiltonova-Jacobiho rovnice,Lagrangeova formulace teorie pole a teorém Noetherové,Einsteinův princip relativityteorie chaosu sílapráceenergiehybnost, zákony zachování, deformace, proudění, Poissonovy závorkyLagrangeova funkceHamiltonova funkceLorentzova transformacekontrakce délekdilatace časurelativita současnosti,vlnová rovniceatraktor
Termika Termokinetikatepelné děje v plynechfázové přeměny,termodynamika směsí a chemická termodynamika,termodynamika kondenzovaného stavu, termodynamikazáření, nerovnovážná termodynamika Zákony termodynamikyGibbsovo fázové pravidloClausiusova-Clapeyronova rovniceStefanův-Boltzmannův zákonPlanckův vyzařovací zákon teplotastavové rovniceteplo a jeho šíření,tepelné strojeentropiefázezáření absolutně černého tělesa
Molekulová stavba látek (molekulová fyzika) astatistická fyzika Kinetická teorie látekmolekulová fyzika plynu, klasická (Maxwellova-Boltzmannova) statistická fyzika, molekulová stavba kapalinmolekulová fyzika pevných látek,krystalografiestatistická fyzika fermionů a bosonůfyzika plazmatustatistická fyzika záření, fyzikální kinetika a transportní jevy; fyzika chaotických systémů Liouvilleův teorémekvipartiční teorémBoltzmannův zákon;Maxwellovo-BoltzmannovoFermiho-Diracovo a Boseho-Einsteinovo rozdělenígrupy krystalové symetrie, transportní teorie, teorie chaosu molekulafázový prostormikrokanonický,kanonický a grandkanonický soubor;povrchové napětíkovalentníiontová a kovová vazbakrystalová mřížkakrystalografická soustavaplazmadifuzeosmózaviskozita,atraktor
Fyzikaelektromagnetismu Elektrostatikaelektrický proud v pevných látkáchkapalináchplynechelektrické obvody a jejich řešení, stacionární magnetické pole, nestacionární elektromagnetické pole,elektromagnetické vlnění, materiálové elektromagnetické vlastnosti látek, magnetohydrodynamika Coulombův zákonGaussův zákon elektrostatikyAmpérův zákonBiotův-Savartův zákonOhmův zákon, Faradayův zákon elektromagnetické indukceMaxwellovy rovnice, Lorentzova mikroskopická teorie, speciální teorie relativity elektromagnetické poleintenzita elektrického poleelektrický potenciál anapětímagnetická indukcevektorový potenciál magnetického pole,elektrický proudelektrický vodič,dielektrikumelektrický obvod
Optika Vlnová optika, šíření světla prostředím, paprsková optika,geometrická optikafotometrie, optika barevkvantová optika Huygensův-Fresnelův principFermatův principSnelliův zákon lomuFresnelovy rovnice vlnoplochakoherenceinterference světla,difrakce světlapolarizacedvojlomzrcadlo,čočkazvětšenísvítivostjasbarvafoton
Atomová fyzika(atomistika) = fyzika atomového obalu Modely atomukvantová mechanika, atomová astrofyzika,kvantová chemiespektrální optika, interakce záření s hmotným prostředím, fotonika Bohrův-Sommerfeldův model atomukvantová teoriefyzika kvantové informace fotonatomSchrödingerova rovniceDiracova rovniceatomový orbitalmolekulachemická vazbaelektromagnetické zářenílaser,polarizacespektrální čárarozptyl světla,ionizaceCasimirův jev
Fyzika kondenzovaného stavu fyzika pevných látekfyzika vysokých tlakůfyzika nízkých teplotfyzika povrchůnanotechnologiefyzika polymerů pásová teorieBCS teorieBlochova vlnafermiův plynfermiova kapalina, skupenství (plynnékapalnépevnéBoseho-Einsteinův kondenzátsupravodič,supratekutina), elektřinamagnetismus,metamateriályspinsamoorganizace,spontánní narušení symetrie
Jaderná a subjaderná fyzika Fyzika atomového jádraradioaktivitajaderné reakce,neutronová fyzikaionizující záření a jeho průchod prostředím,dozimetrie, fenomenologie elementárních částickvarkovýmodel, jaderná a částicová astrofyzika, standardní modelkvantová teorie polekvantová elektrodynamikakvantová chromodynamikaelektroslabá interakcekalibrační invariancesupersymetrieteorie velkého sjednoceníteorie superstrunM-teorie Základní interakce (gravitační,elektromagnetickáslabásilná), elementární částiceleptonkvarkspinantihmota,spontánní narušení symetrieoscilace neutrinbránasuperstrunakvantová gravitaceteorie všehoenergie vakua
Astrofyzika kosmologiefyzika gravitaceastronomie vysokých energií,planetární vědyfyzika plazmatufyzika hvězd velký třesklambda-CDM modelkosmická inflaceobecná relativitaNewtonův gravitační zákon černá dírareliktní zářeníkosmická struna,vesmírtemná hmotatemná energie,galaxiegravitacegravitační vlnyplaneta,sluneční soustavahvězdasupernova
Aplikovaná fyzika fyzika urychlovačůakustikaagrofyzikaastronautikabiofyzikachemická fyzikadynamika dopravních prostředkůekonofyzikafyzikální erozeinženýrská fyzikageofyzika,lékařská fyzikafyzika materiálůmechanikameteorologieměřící přístrojefyzika mořínanotechnologie, teoretická elektrotechnika a radiotechnikaoptikaoptoelektronika,fotovoltaikafyzikální chemiefyzika počítačůfyzika pevných látek, fyzika jaderných reaktorůfyzika plazmatukvantová chemiekvantová elektronikafyzika kvantové informace,sportovní fyzikastatika stavebdynamika tekutinfyzika telekomunikací 

 

 

Vztah fyziky k dalším vědám[editovat | editovat zdroj]

Fyzika se někdy označuje jako věda fundamentální. Kdybychom disponovali neomezenou výpočetní silou, celá chemie by se redukovala na řešení rovnic kvantové teorie. Skutečnost je ale taková, že přímé výpočty ze základních rovnic jsou dnes proveditelné jen pro jednodušší případy. Proto chemie vychází z fyziky jen částečně. Obdobný vztah (přinejmenším podle redukcionistickéhopohledu) platí pro biologii, ale protože biologické systémy jsou ještě složitější, přímé výpočty jsou ještě méně praktické. Na pomezí mezi fyzikou, biologií a chemií leží biofyzika. Kromě výpočtů chování molekul mají velké uplatnění v biologii i lékařství zobrazovací metody založené na složitějších fyzikálních základech (NMRPETspektroskopie a další).

Fyzika těsně souvisí s astronomií.

Historie fyziky[editovat | editovat zdroj]

Počátky fyziky lze hledat ve starověku. Fyzika převážně patřila do filosofie, rozvíjela se kosmologie. Převažující metodou poznání byla úvaha a pozorování. Aristotelova fyzika tak odpovídá přirozené, vypozorované zkušenosti – vržený předmět se zastaví, těžké předměty padají dolů, lehké míří nahoru. (Přestože v porovnání se současnou mechanikou se taková teorie zdá úplně špatná, v určitém smyslu pořád platí – je limitou mechaniky ve viskózním prostředí). Výjimkou značně předbíhající dobu byl Archimédés, který prováděl experimenty a odvodil některé přesné kvantitativní zákony.

Aristotelovo učení se stalo vrcholem poznání na tisíc let. Pokroků v chemii a astronomii dosáhli arabští učenci, ale ve fyzice vývoj nastal teprve vrenesanci. V Itálii Galileo Galilei začal systematicky provádět experimenty, což se stalo základem rozvoje fyziky a vědecké metody vůbec. Galilei také odvodil některé výsledky v mechanice, mimo jiné princip relativity. V astronomii Mikuláš Koperník navrhl heliocentrický systém a Johannes Keplerodvodil zákony pohybu nebeských tělesRené Descartes a další položili základy pozdější matematizace fyziky (kartézské souřadnice).

Ke konci 17. stol Isaac Newton vydává asi nejvýznamnější dílo v dějinách fyziky vůbec Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Matematické základy filosofie přírody). Vyslovuje zákony pohybu, které jsou základem mechaniky až do 20. století. V jednotném rámci s mechanikou formuluje univerzální zákon gravitace a odvozuje z něj Keplerovy zákony. Newton a Leibniz (nezávisle na sobě) vymysleli i potřebný matematický aparát,infinitezimální počet (tj.integrál a derivace).

Klasickou mechaniku rozvíjejí LagrangeHamiltonEulerLaplace a další. Úspěšně popisují mechaniku tekutin.

CoulombVolta a Ampère studují elektrické jevy. Oersted objevuje magnetické účinky elektrického prouduMichael Faraday objevuje indukci. V druhé polovině 19. století James Clerk Maxwell přichází s teorií elektromagnetického pole, která spojuje a vysvětluje veškeré elektrické a magnetické jevy. Jako důsledek teorie předpovídá elektromagnetické vlny, a přivádí tak na stejný základ i optiku. Předpověď experimentálně ověřil Hertz.

Roku 1895 Roentgen objevuje „paprsky X“ (rentgenovské záření), o rok později Becquerel objevuje radioaktivitu, o další rok později Thomson elektronJáchymovské radium studují Piere a Marie Curie-Skłodowská. Vzniká tak jaderná fyzika.

zázračném roce 1905 Albert Einstein zveřejňuje speciální teorii relativity, popisující chování časoprostoru při rychlostech větších než malých (časoprostorovou interpretaci STR popsal Minkowski). Kvantově vysvětluje fotoefekt – Einstein byl první, kdo vzal kvanta vážně. Další přelomovou práci Einsteina bylo vysvětlení Brownova pohybu pomocí statistické fyziky. Poslední Einsteinův článek zázračného roku se věnoval ekvivalenci hmotnosti aenergie, z čehož vznikl známý vztah E=mc². O desetiletí později pak Einstein představuje obecnou teorii relativity, geometrickou relativistickou čtyřrozměrnou teorii gravitace.

Koncem 19. století se objevily problémy, které se nedaly vysvětlit tehdy známou (klasickou) mechanikou. Mezi ně patřilo spektrum záření absolutně černého tělesafotoefekt a vztahy mezi polohami spektrálních čar prvků. Počátkem 20. století spektrum černého tělesa bylo odvozeno Planckem a chováni fotoefektu vysvětleno Einsteinem pomocí kvantové hypotézy. Bohr a další vysvětlili diskrétní spektra prvků tím, že užili tuto hypotézu ke zlepšení modelu atomu. Ucelené teorie kvantové mechaniky ve dvacátých letech formulovali Heisenberg („maticová mechanika“) a Schrödinger („vlnová mechanika“), který dokázal ekvivalenci obou přístupů. Teorii značně zdokonalili Paul Dirac a John von Neumann.

Souběžně s kvantovou mechanikou se fyzici snažili popsat kvantově i pole. V jazyce kvantové teorie pole se pak na přelomu 20. století podařilo popsatelektromagnetismus, o což se zvláště zasloužili Richard Feynman a Julian Schwinger. V druhé polovině 20. století pak byla v rámci jedné teorie popsána i slabá a silná interakce, a zároveň předpovězena či vysvětlena existence mnoha elementárních částic. Současnou všeobecně uznávanou teorií elementárních částic a interakcí je standardní model.

Rozvíjela se také kosmologie – naprostá většina současných teorií vycházejí z hypotézy velkého třesku, a obvykle i z inflace. Aplikace fyziky plazmatuna raný vesmír umožnila testovat některé kosmologické hypotézy pomocí reliktního záření.

Poněkud stranou zájmu široké veřejnosti se vývoj odehrával také ve fyzice pevných látek a statistické fyzice. Obě oblasti se zabývají kvantovým popisem systémů mnoha částic, a tedy i projevy kvantového chování na makroskopické úrovni (výrazné zejména u jevů zkoumaných fyzikou nízkých teplot). Tento směr fyzikálního výzkumu měl a dosud má ohromný vliv na techniku a materiálové aplikace. Příkladem mohou být nové obory jako spintronika nebo metamateriálové technologie. Kromě toho ve fyzice pevných látek vznikla i řada teoretických konceptů, které našly uplatnění např. při sjednocování interakcí.

Na pomezí fyziky, matematiky a počítačové vědy od 70. let 20. století vznikl nový směr poznání, nazývaný teorie chaosu. Předmětem zkoumání jsou fraktály a nelineární systémy.

UNESCO vyhlásilo rok 2005 Světovým rokem fyziky.

Otevřené problémy

Binární systém s hvězdou, která je pohlcována černou dírou, kolem které je zformován akreční disk (umělecká představa)

Poznámka: Oproti popisu historického vývoje má tento oddíl nutně spekulativnější charakter, přestože je tato problematika předmětem mnoha zejména populárně-vědeckých článků i monografií.[1][2][3][4]

Významná část teoretických fyziků považuje za obecný cíl snažení fyziky jednotný popis fyzikálních jevů, nejlépe v rámci jedné teorie (teorie všeho, finální teorie atp.). Z tohoto pohledu je největším problémem soudobé fyziky rozpor mezi standardním modelem, popisujícím tři interakce v rámcikvantové teorie pole, a Einsteinovou obecnou teorií relativity, popisující čtvrtou interakci – gravitaci – která kvantová není. Po desetiletích pokusů se stalo zřejmé, že kvantovou teorii gravitace (nebo obecněji „teorii všeho“) nelze vytvořit v rámci jazyka kvantové teorie pole.

Jedním z nadějných kandidátů na rámec, ve kterém kvantovou teorii gravitace bude možné formulovat, je teorii strun. Teorie strun se rozvíjí přibližně od 80. let 20. století a je nezpochybnitelné, že matematický aparát udělal ohromný krok kupředu. Na druhou stranu, teorie strun rozhodně není hotová.Pesimisté pochybují o vztahu současné teorie strun k realitě a vytýkají jí např. nedostatek nových testovatelných předpovědí.

Kromě tohoto hlubokého a velmi a velmi abstraktního problému existuje řada dalších otevřených problémů, z nichž některé mohou souviset. Některé z nich jsou natolik kontroverzní, že část fyziků vůbec zpochybňuje, že otázka patří do fyziky.

Mezi otevřené problémy nemusí spadat jen vysoce abstraktní teoretické a filosofické otázky. Příkladem konkrétního fyzikálního jevu probíhajícího na Zemi a v běžných rozměrech (ani mikroskopických, ani astronomických) a přitom po několik staletí odolávajícího fyzikálnímu či fyzikálně chemickému vysvětlení je kulový blesk.


Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *