Объяснение что такое физика история, что изучает, основные направления

Объяснить, что такое физика, легко: это точная наука, изучающая законы природы. На ее законах базируются все естественные науки.

Как переводится физика

Название науки – термин древнегреческого происхождения. Физика переводится как «природа», изначально являлось именно учением о природе. Толчок переосмыслению термина положил одноименный труд Аристотеля.

Что такое физика

Трудно переоценить значение физики для современного мира. Это наука, исследующая фундаментальные закономерности природных явлений. Одновременно, по определению, физика – экспериментальная и теоретическая область знаний. Первый компонент отвечает за выявление фактов, законов природы. Второй – за их описание путем разработки теоретической основы. Оба компонента существуют во взаимосвязи.

История физики

Зародилась физика как наука около 450 лет назад. До этого комплекс знаний, ставших ее основой, не отделялся от натурфилософии.

Сам термин «физика» ввел Аристотель еще в IV веке до н.э., но на тот момент инструментарий создан не был, исследования проводились без четкой методологии. Сегодня наследие той эпохи оценивается как «метафизические изыскания».

Часть открытий начального этапа, тем не менее, оказалась важной. Наблюдения по оптике, механике, музыке стали базой для позднейших исследователей.

Древние римляне осуществили научный вклад изучая магнетизм, фазовые переходы (испарение жидкости), инженерное искусство. Ученые исламского мира предложили новые идеи из области оптики, технической механики.

Ускорение исследований началось в XIV-XV веках на территории Западной Европы. Спустя полтора столетия это привело к научной революции. В ходе нее дисциплина впервые оформилась как наука. Классическими учеными были Кеплер, Ньютон, Бернулли, Франклин, Вольта, Фарадей. Кризис классической науки случился в конце XIX века, когда ее теоретической базы стало не хватать для описания открытых явлений.

На смену устаревшей системе пришла современная, основанная на общей теории относительности. С тех пор наука развивается безостановочно: проверяет, отвергает или принимает теории, все больше становясь локомотивом передовых решений во всех сферах жизнедеятельности.

Что изучает физика

Предмет науки в целом – фундаментальные закономерности природных явлений. Понятие «физика» синонимично целому ряду дисциплин: механика, оптика, термодинамика, кинематика.

Говоря кратко, физика посредством законов теоретически обосновывает абсолютно все существующие естественные науки.

Основные теории классической физики

Основы классической науки были заложены в XVI веке, в период научной революции Раннего Нового времени. Модель мира, строившаяся согласно ее канонам, была сформирована к концу XIX века. Изучению с применением научного метода подвергались разнообразные явления макроскопического масштаба.

Наиболее важными теориями, что изучала физика того времени являлись:

• Классическая механика;
• Термодинамика;
• Статистическая физика;
• Классическая электродинамика.

Незыблемыми принципами модели мира, базировавшейся на них, являлись:

• Детерминизм (причинно-следственное отношение);
• Абсолютность времени, пространства;
• Непрерывность изменения любых величин.

Классическая парадигма пришла к кризису под конец XIX века, когда количество процессов, явлений, не вписывавшихся в ее рамки, достигло критической массы. Так, ученые не могли объяснить:

• Красную границу фотоэффекта;
• Свойства электрона;
• Радиоактивность;
• Спектр излучения абсолютно черного тела.

Эти и другие неразрешимые имевшимся инструментарием задачи привели к разработке новых теорий, что позволили осмыслить предмет отрасли знаний революционным образом.

Основные теории современной физики

Современный этап развития заложен исследованиями конца XIX – начала XX века и основана, в том числе на работах А. Эйнштейна, который выработал специальную (СТО) и общую (ОТО) теории относительности. Кроме них к основным теориям относятся:

• Теория струн;
• Релятивистская теория гравитации;
• Петлевая квантовая гравитация;
• Теория Большого взрыва;
• М-теория.

На современном этапе развития наука имеет ряд неразрешенных проблем, явлений, гипотез, не вписывающихся в существующий теоретический аппарат:

• Мультивселенная;
• Суперсимметрия;
• Теория всего;
• Темная материя.

Наука, однако, не находится в кризисе как классическая теоретическая система прошлого. За последние десятилетия удалось обнаружить и изучить:

• Реликтовое излучение;
• Кварки;
• Квазары;
• Бозон Хиггса;
• Гравитационные волны.

Современная наука продолжает исследовать фундаментальные законы, причем разработка «теории всего» выступает и как одна из главных задач, и как фигура речи, обозначающая гипотезу, невозможную для выдвижения.

Разница между классической и современной наукой

Классическая дисциплина является продуктом научной революции Раннего Нового времени. В ее рамках экспериментально проверялась и подтверждалась, либо опровергалась устоявшаяся за века натурфилософская картина мира. Современная – продукт уже двух революций. Она расширила, углубила понимание предмета науки, открыв для исследования множество областей, недоступных к изучению на протяжении XVI-XIX вв. из-за несовершенства технической базы, недостаточной проработанности методологического аппарата.

Основные направления физики

Передовыми направлениями, которые физика изучает сегодня, являются:

• Специальная и общая теории относительности;
• Современная теория строения вещества;
• Голография, нанотехнологии, сверхпроводимость.

Такие области не являются частью классического понимания науки, но под современное определение подходят.

Основные научные направления

На первом уровне область знаний разделена на макроскопическую и микроскопическую.

Объекты исследования макроскопического класса можно наблюдать невооруженным глазом. Сюда относят: механику (с классической механикой, релятивистской механикой, механикой сплошных сред), термодинамику, электродинамику, оптику и т.д.

Пространство и время макроскопического масштаба описываются общей теорией относительности (ОТО), предложенной А. Эйнштейном.

Микромир изучается с помощью атомной, ядерной, молекулярной, квантовой физики, состоящих из множества подразделов. Области, исследующие ФКС, высоких энергий, элементарных частиц относятся сюда же.

Физика элементарных частиц

Второе название – субъядерная. Данный раздел, сокращенно – ФЭЧ, имеет целью установить законы взаимодействия частиц в мире неживой природы. С помощью ФЭЧ ученые вывели Стандартную модель фундаментальных взаимодействий.

В Стандартной модели учитываются электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия всех элементарных частиц, что изучает физика. Гравитационное взаимодействие, темная энергия, темная материя моделью не описываются, поэтому она не представляет собой теорию всего, которая остается гипотетическим конструктом.

Ядерная физика

Раздел изучает ядра атомов, их структуру, свойства, ядерные реакции. Выделяют теоретическую и экспериментальную.

Теоретики занимаются исследованием микромира путем разработки теоретического обоснования функционирования его элементов в отдельности и совокупности.

Для работы ядерщиков-экспериментаторов необходимы научные комплексы, лаборатории, такие как БАК (Большой адронный коллайдер), IceCube (детектор частиц, расположенный в Антарктиде), экспериментальные ядерные реакторы.

Атомная и молекулярная физика

Важно не путать эти разделы науки с ядерной физикой!

Предметом атомной физики являются свойства, строение ионов, атомов, процессов и конфигураций, в которых они участвуют.

Методами исследования являются атомная спектроскопия, радиоспектроскопия.

Молекулярная отрасль также изучает атомы, ионы, молекулы, но обращает внимание на их взаимодействие, перемещение.

В отличие от атомной, молекулярная относится к подразделу статистической физики наряду со статистической механикой, квантовой статистикой, физической кинетикой.

Оптическая физика

Оптика (от др.-греч. ὀπτική «наука о зрительных восприятиях») рассматривает физические явления, в основе которых лежит распространение электромагнитных волн всех частей спектра (ультрафиолетовые, видимые, инфракрасные).

Скорость света служит для оптики универсальным понятием. Световая скорость в вакууме признается за предельную для электромагнитных волн любой частоты, для распространения информации.

Выделяют классическую (основывается на классическом электромагнетизме), нелинейную (исследует например лазеры), квантовую (учитывает природу объектов на квантовом уровне), градиентную (изучает материалы с варьирующимся показателем преломления) оптику.

Физика конденсированных сред

Иначе – конденсированного состояния (ФКС). Раздел имеет предметом исследования свойства вещества на макро- и микроскопическом уровнях.

Конденсированная среда – сложная система, обладающая сильной связью. При таком условии система имеет значительное число степеней свободы, а ее эволюцию можно проследить, изучив коллективные колебания.

К конденсированным средам относят:

• твердые тела;
• жидкости;
• квантовые жидкости;
• жидкие кристаллы;
• дисперсные системы.

ФКС пользуется инструментарием ФЭЧ, ядерной физики. Практическое применение результаты исследований находят, например, в магнитно-резонансной томографии.

Астрофизика

Отрасль, название которой происходит от др.-греч. αστρον — «светило» и φύσις — «природа» изучает строение, свойства небесных тел (скопления галактик, галактики, звездные системы, звезды, экзопланеты).

В области исследования физических свойств материи этот раздел науки тесно переплетается с космологией, предметом которой является возникновение известной Вселенной. Химический аспект предмета изучения отрасли знаний разрабатывают ученые-космохимики.

Выделяют также астроспектроскопию (от др.-греч. и лат. αστρον — «светило», spectrum «виде́ние» и σκοπέω «смотрю»), методами которой устанавливают химический состав далеких объектов, наблюдательный и теоретический методы исследования.

Связь физики с другими науками

Физическая наука тесно взаимодействует со множеством областей знания. Продуктами такого симбиоза являются:

• Агро-, био-, гидро-, геофизика;
• Материаловедение;
• Метрология;
• Физическая химия.

Кроме естественнонаучного поля, дисциплина продуктивно работает с философией. Их отношения описываются как мутуализм, двустороннее обогащение. Наиболее интересными продуктами такого взаимодействия являются понятие диалектики, теория диалектического материализма.

Прикладная физика

Цель исследований – решить поставленные задачи с учетом последующего практического применения инноваций. Этот раздел не концентрируется вокруг фундаментальных исследований. Прикладная физика исследует:

• Сверхпроводники;
• Акустику;
• Волоконную оптику;
• Нанотехнологии;
• Баллистику;
• Спинтронику.

В широком смысле, исследование прикладных задач старше, чем разработка теории. Еще до описания первых законов, до появления термина «физика», люди уже пользовались плюсами механики, перемещая колесные повозки.