Větve klasické, moderní a současné fyziky: kompletní vysvětlení

Fyzika je exaktní vědaTeoretická a experimentální fyzika, která studuje vlastnosti hmoty, energie, času a prostoru, jakož i interakce mezi všemi těmito prvkySpoléhá na pozorování, formulování hypotéz a experimentální ověřování, aby vytvořil modely, které co nejpřesněji popisují a předpovídají přírodní jevy.

Jedním z podstatných rysů fyziky je, že hledá přesnost ve svých závěrech a aby tyto byly ověřitelné reprodukovatelnými experimentyTímto způsobem si může jakýkoli výzkumník kdekoli ověřit výsledky stejným postupem. Fyzika navíc používá k vyjádření zákonů popisujících realitu přesný matematický jazyk, což umožňuje vysoce přesné kvantitativní předpovědi.

Fyzika vysvětluje přírodní jevy pomocí zákonů, přičemž se zaměřuje zejména na ty procesy, které Nemění vnitřní molekulární strukturu. těles (tedy bez přímého zabývání se chemickými přeměnami, které jsou hlavním předmětem chemie). Přesto existuje mezi fyzikou a chemií úzký vztah, zejména v oblastech, jako je fyzikální chemie, kde se hmota a energie studují kombinací konceptů z obou disciplín.

Úzce souvisí s matematikou, protože se na ni opírá. vyjádřit studium reality což se ho týká. Toto spojení je tak hluboké, že v mnoha případech matematický pokrok otevřel nové cesty k pochopení fyzického vesmíru a naopak problémy, které fyzika představuje, inspirovaly rozvoj nových odvětví matematiky.

Fyzika dále zahrnuje do svého studijního oboru chemii, biologii, elektroniku a mnoho dalších přírodních a aplikovaných věd, ne proto, že by je nahrazovala, ale proto, že... Poskytuje rámec základních zákonů které vysvětlují jevy, jež tyto disciplíny pozorují. Biofyzika se tedy zabývá živými systémy z fyzikálního hlediska, geofyzika studuje Zemi pomocí fyzikálních principů a astrofyzika aplikuje fyziku na studium nebeských těles.

Fyzika studuje jevy hmoty a své teorie zakládá v první řadě na klasická mechanika, odkud se analyzují zákony upravující pohyb; v klasická elektrodynamika pro studium elektromagnetických nábojů; v termodynamika pro studium tepla a různých forem energie; v kvantová mechanikaŽe studujte přírodu v měřítku malý prostor (atomy, elektrony, subatomární částice); a v statistika studovat frekvence a pravděpodobnosti výskytu fyzikálních jevů, zejména pokud se jedná o obrovské množství částic, jak se to děje v plynech nebo ve složitých systémech.

Hlavní obory fyziky podle jejich historického vývoje

Pro studium reality je fyzika obvykle organizována do velkých historických a koncepčních bloků, které nám umožňují pochopit, jak se vědecké poznání vyvíjelo. Tradičně se rozlišují tři hlavní větve nebo etapy, které dnes koexistují a vzájemně se doplňují:

• Klasická fyzika
• Moderní fyzika
• Současná fyzika

Každá z těchto perspektiv se zaměřuje na charakteristické rozsahy rychlosti, energie a velikosti. Klasická fyzika dominuje každodennímu makroskopickému světu; moderní fyzika rozšiřuje rámec na atomovou a subatomární sféru a rychlosti blížící se rychlosti světla; a současná fyzika se zaměřuje na komplexní systémy, nelineární jevy a procesy daleko od rovnováhy.

Co je považováno za klasickou fyziku?

Se denomi klasická fyzika k souboru teorií, modelů a zákonů formulovaných před příchodem kvantové mechaniky a úplné upevnění teorie relativity. To znamená, že zahrnuje fyziku vyvinutou především z prací Galilea Galileiho, Isaaca Newtona a dalších pozdějších vědců, která popisuje chování těles v makroskopickém světě při rychlostech mnohem nižších než rychlost světla.

Také se běžně nazývá Newtonovská fyzika Protože se silně opírá o Newtonovy zákony pohybu a univerzální gravitace. Tyto zákony poskytly ucelený rámec pro vysvětlení všeho od pádu jablka až po oběžné dráhy planet a upevnily tak pohled na vesmír jako na obrovský mechanismus řízený jasnými a deterministickými zákony.

V praxi klasická fyzika studuje jevy, které mají rychlost menší než rychlost světla a jehož Prostorové škály jsou větší než velikost atomů a molekulTo zahrnuje vše od pohybu vozidel a strojů až po tok řek, šíření zvuku ve vzduchu nebo chování plynů v nádobě.

Jiný způsob, jak popsat klasickou fyziku, je říci, že je do značné míry považována za teorii deterministickýBudoucí stav uzavřeného systému lze kompletně předpovědět, pokud je přesně znám jeho aktuální stav (poloha, rychlost, síly, které na něj působí atd.), a to vždy v rámci podmínek platnosti modelu.

V klasické fyzice se obvykle rozlišuje mezi:

• Klasická newtonovská (předrelativistická) fyzikazaložené na Newtonových zákonech a konceptu prostoru a času absolutní a nezávislý.
• Relativistická klasická fyzikapředstavuje myšlenky speciální relativita pro jevy s vysokými rychlostmi, ale bez vstupu do kvantového popisu hmoty. V mnoha technických kontextech je také považován za klasický, pokud nejsou řešeny kvantové jevy na atomové nebo subatomární úrovni.

Co studuje klasická fyzika?

Klasická fyzika se zaměřuje na studium:

• Pohyby makroskopických těles (vozidla, stroje, planety, projektily) rychlostí mnohem nižší než rychlost světla.
• Interakce sil jako je gravitace, síla pružnosti, tření nebo dostředivá síla, které určují trajektorie a změny pohybu.
• Šíření mechanických vln jako například zvuk v různých materiálních médiích.
• Chování tekutin (plyny a kapaliny) v pohybu nebo v klidu, včetně tlaků, průtoků, turbulence a proudění.
• Tepelné jevy, teplo, teplota a makroskopické formy energie.
• Klasická elektřina a magnetismuspopis polí a proudů bez nutnosti nejprve se uchylovat ke kvantovým konceptům.

Dohromady se ukazuje, že klasická fyzika nezbytné pro inženýrstvíArchitektura, stavebnictví, konstrukce strojů, aplikovaná akustika, tradiční optika a dlouhý seznam každodenních technologických činností.

Rozdíly mezi klasickou fyzikou a moderní fyzikou

Při srovnání klasické fyziky s moderní fyzikou se objevují hluboké rozdíly v přístupu k fyzikálním jevům a v rozsahu studovaných systémů. Moderní fyzika vzniká začleněním kvantová mechanika a teorie relativityTo si vynutilo revizi některých principů klasické fyziky, které byly považovány za univerzální.

Některé klíčové rozdíly mezi těmito dvěma perspektivami jsou následující:

• Rozsah rychlostíKlasická fyzika se zaměřuje na rychlosti mnohem nižší než rychlost světla, zatímco moderní fyzika s relativitou zahrnuje jevy, které se vyskytují při rychlosti blízké rychlosti světla.
• Měřítko studieKlasická fyzika popisuje systémy makroskopický jako jsou planety, stroje, tekutiny nebo struktury; moderní fyzika je orientována na měřítka mikroskopické a subatomární, analýza atomů, elektronů, fotonů a elementárních částic.
• DeterminismusKlasická fyzika chápe systémy jako deterministékde je budoucnost zcela odvozena z přítomnosti. Moderní fyzika, zejména kvantová mechanika, zavádí nejistota a pravděpodobnost jako základní prvky při popisu stavu systému.
• Prostor a časV klasické fyzice jsou prostor a čas nezávislé a absolutní veličinyV moderní relativistické fyzice se prostor a čas spojují do vesmírný časa jeho rozměry závisí na pozorovateli a rychlosti, s jakou se pohybuje.
• Popisy interakceKlasická fyzika vysvětluje jevy jako např. gravitace, elektřina a magnetismus bez nutnosti zavádět částice přenášející interakce; moderní fyzika se hlouběji ponoří do interakcí prostřednictvím pole a částice (například fotony, bosony a další částice Standardního modelu).
• Typické aplikaceKlasická fyzika se s obrovským úspěchem uplatňuje v strojírenství, mechanika, stavebnictví, akustika, tradiční optika a mnoho každodenní techniky. Moderní fyzika se uplatňuje především v pokročilá elektronika, jaderná energie, polovodiče, fyzika částickosmologie a špičkové technologie.

Odvětví klasické fyziky

Klasická fyzika zahrnuje různé disciplíny a jejím hlavním cílem je studium jevů, které vykazují rychlost menší než rychlost světla a projevují se v makroskopickém měřítku. Tyto obory zůstávají dodnes zásadní, a to jak v základní vědě, tak v řadě technologií.

Mezi nejdůležitější odvětví klasické fyziky patří:

• klasická mechanika
• Termodynamika
• Elektromagnetismus (klasická elektřina a magnetismus)
• Optické
• Akustika
• Mechanika tekutin nebo dynamika tekutin

Každá z těchto disciplín studuje specifický typ jevu, ačkoli v praxi jsou často vzájemně propojeny. Například konstrukce spalovacího motoru zahrnuje mechanické, termodynamika y mechanika tekutinzatímco vývoj profesionálního zvukového systému vyžaduje zvládnutí akustika y elektromagnetismus.

klasická mechanika

Klasická mechanika je věda, která studuje Newtonovy pohybové zákonyToto se týká chování makroskopických fyzikálních těles v klidu a v pohybu rychlostmi mnohem nižšími než je rychlost světla. Analyzuje, jak síly působí na tělesa a jak tyto síly způsobují změny v jejich pohybovém stavu.

Klasická mechanika i klasická fyzika obecně jsou založeny na Newtonových zákonech, zejména na zákony pohybu těles ve vesmíru (setrvačnost, úměrnost mezi silou a zrychlením a akce-reakce). Tyto zákony nám umožňují popsat vše od pohybu kyvadla až po trajektorii družice kolem Země.

V rámci klasické mechaniky lze rozlišit dva hlavní přístupy:

• Vektorová mechanikaTento přístup je založen přímo na Newtonových zákonech a používá vektory k reprezentaci veličin, jako je síla, rychlost a zrychlení. Je to nejintuitivnější přístup a ten, který se nejčastěji používá v inženýrských a technologických problémech.
• Analytická mechanikaVyužívá abstraktnější matematické formulace (Lagrangeovu a Hamiltonovu mechaniku) k popisu pohybu. Tento přístup je obzvláště užitečný ve složitých systémech s více stupni volnosti a pokládá základy pro pozdější vývoj teoretické fyziky.

Mezi praktické aplikace klasické mechaniky patří:

• Strojírenstvínavrhovat mechanismy, konstrukce a stroje, které odolávají silám a fungují bezpečně.
• Predikce trajektorie ve sportu, balistice a navigaci, výpočet optimálních úhlů a rychlostí.
• Výpočet oběžné dráhy satelitů a kosmických vozidel v podmínkách, kde klasický přístup stále platí.

Termodynamika

Termodynamika je věda, která se zabývá popis termodynamických rovnovážných stavů na makroskopické úrovni. Studuje interakci mezi teplem a jinými formami energie, jakož i energetické transformace, ke kterým dochází ve fyzikálních systémech.

Hlavní proměnné, které používá k popisu různých situací, jsou teplota, presiónse Volumen a počet molů látky. Z těchto veličin se formulují zákony, jako je zákon zachování energie (první termodynamický zákon) a přirozená tendence ke zvyšování neuspořádanosti neboli entropie (druhý termodynamický zákon).

Tomu se rozumí tepelná rovnováha Tepelná rovnováha je stav, ve kterém se teploty dvou těles, která měla zpočátku různé teploty, vyrovnají. Jakmile se teploty vyrovnají, tok tepla mezi nimi se zastaví a obě tělesa dosáhnou tohoto stavu.

Klasickým příkladem tohoto konceptu je použití teploměrTeploměr je přístroj, který určuje svou vlastní teplotu. Pro určení teploty jiného tělesa nebo látky se obě tělesa umístí do kontaktu, dokud nedosáhnou tepelné rovnováhy. Protože v tepelné rovnováze mají těleso i teploměr stejnou teplotu, bude údaj na teploměru zároveň teplotou porovnávaného tělesa.

Studium toho, jak systémy reagují na změny ve svém prostředí, je užitečné v široké škále odvětví vědy a inženýrství. Termodynamika hraje zásadní roli při návrhu motory, ledničky, elektrárny a prakticky v jakémkoli průmyslovém procesu, ve kterém se transformuje energie a hmota.

Níže uvádíme některé aplikace termodynamiky:

• V materiálové inženýrství oni běží přenosy tepla a energie k surovinám pro výrobu nových materiálů. Příkladem je proces vypalování keramického předmětu za vysoké teploty, jehož konečné vlastnosti (tvrdost, odolnost, barva) budou záviset na teplotě a době, kterým byl vystaven.
• Na průmyslové úrovni, procesy jako například pasterizace a výrobu sýr a máslo prostřednictvím řízeného přenosu tepla, aby byla zaručena bezpečnost potravin a organoleptické vlastnosti produktů.
• V ocelářský průmyslRůzné druhy oceli se získávají tavením různých látek ve velmi vysokoteplotních pecích, přičemž se pečlivě kontroluje složení a tepelné cykly.
• V výroba energieTepelné, jaderné nebo kombinované elektrárny jsou založeny na termodynamických cyklech (jako je Carnotův, Rankineův nebo Braytonův cyklus), které přeměňují teplo na mechanickou práci a následně na elektrickou energii.

Elektromagnetismus

Elektrické a magnetické jevy jsou studovány a sjednocovány do jedné teorie prostřednictvím elektromagnetismus. Michael Faraday a James Clerk Maxwell Byli prvními velkými zastánci jeho základů a ukázali, že elektřina, magnetismus a světlo jsou součástí stejného fyzikálního jevu.

Elektromagnetismus je založen na Maxwellovy čtyřvektorové diferenciální rovniceTyto rovnice uvádějí v souvislosti elektrická a magnetická pole s jejich příslušnými materiálními zdroji (elektrickými náboji a proudy). Mimo jiné ukazují, že časově proměnné elektrické pole generuje magnetické pole a naopak, což vysvětluje šíření elektromagnetických vln.

Elektromagnetická teorie zahrnuje elektrický proud, elektrická polarizace a magnetická polarizaceMakroskopické fyzikální jevy zahrnující elektrické náboje v klidu i v pohybu, stejně jako účinky magnetických a elektrických polí na kapalné, pevné a plynné látky, jsou předmětem popisu elektromagnetismu.

Každodenní příklady využití elektromagnetismu jsou patrné v elektromotory a generátorycož jsou zařízení používaná k přeměně mechanické energie na elektrickou energii a naopak.

• Se denomi generátor, alternátor nebo dynamo k zařízení, které přeměňuje mechanickou energii na elektrickou.
• To se nazývá elektrický motor k zařízení, které přeměňuje elektrickou energii na užitečnou mechanickou energii.

Dalším klasickým příkladem elektromagnetismu je kompasPohyb jeho jehel je založen na magnetických principech souvisejících se zemskými póly a interakcí mezi magnetickým polem Země a magnetem kompasu. Kromě toho jsou zapojeny jednoduché elektrické a magnetické principy, které umožňují orientaci jehly ve směru sever-jih.

Kromě těchto zařízení je elektromagnetismus základem technologií, jako je bezdrátové komunikace (rozhlas, televize, mobilní telefonie), transformátory a přenosové vedení energie, ta elektronických zařízení (integrované obvody, počítače) a systémy Lékařská diagnostika jako je například jaderná magnetická rezonance.

Optika

Optika je obor fyziky, který se zabývá studiem elektromagnetické záření ve světelném rozsahu, jeho vlastnosti a interakce s hmotou, se zvláštním důrazem na jeho šíření, odraz, lom a jevy interference a difrakce.

Z pohledu lidského vnímání je světlo rozsahem elektromagnetické vlnové délky které lidské oko dokáže detekovat, a právě optika se zabývá jejich analýzou. Oblast moderní optiky se však rozšiřuje i na neviditelné vlnové délky a využívá podobných principů.

Fyzikální optika je zaměřena na objevování a aplikace nových jevůNa základě toho vědci používají a vyvíjejí světelné zdroje napříč elektromagnetickým spektrem, od vysoce výkonných laserů až po nízkoenergetické světelné diody (LED).

Optika měla zásadní vliv na vědecké přístroje (mikroskopy, dalekohledy, spektrometry), v komunikace (optická vlákna, systémy pro přenos dat) a v metrologie (přesné měření vzdáleností, časů a fyzikálních konstant). Je také nezbytný v korekční a lékařské optice, jako jsou brýle, kontaktní čočky a chirurgické přístroje na bázi laseru.

Akustika

Akustika je obor fyziky, který se zabývá studiem mechanické vlny šíří se hmotou v jakémkoli jejím skupenství (pevném, kapalném nebo plynném) s využitím fyzikálních a matematických modelů. Zaměřuje se na zvuk, infrazvuk a ultrazvuk a analyzuje, jak jsou tyto vlny produkovány, šířeny a vnímány.

Akustika studuje vše, co souvisí s produkce, přenos, ukládání, vnímání a reprodukce zvukuTechnologickými aplikacemi akustiky se zabývá tzv. akustické inženýrství, která se zabývá návrhem koncertních sálů, nahrávacích studií, audio systémů, zvukovou izolací v budovách a mnoha dalšími praktickými řešeními.

Mezi příklady akustické fyziky patří:

1. Elektronická zařízení pro efektivnější komunikaci, jako jsou reproduktory, sluchátka, telefony a systémy veřejného ozvučení.
2. Lékařské aplikace založené na ultrazvukukteré se ukázaly jako účinné při vytváření snímků lidského těla (ultrazvuk) a v terapeutických postupech využívajících ultrazvukové vlny vysoké intenzity.
3. Mikrofony, které převádějí zvukové vlny na elektrické signály pro záznam, zesílení nebo přenos.

Akustika se rozšiřuje i do oblastí, jako je hudební akustika (studium hudebních nástrojů, tónů a stupnic), psychoakustika (vnímání zvuku lidským sluchovým systémem) a environmentální akustika (kontrola hluku a zvukového znečištění v městských a průmyslových oblastech).

Dynamika tekutin nebo mechanika tekutin

Mechanika tekutin neboli dynamika tekutin je podoblastí mechaniky kontinua, která se zabývá studium pohybu tekutin (kapaliny a plyny) a síly, které je způsobují. Analyzuje jak klidové kapaliny (statika tekutin), tak i kapaliny v pohybu (dynamika tekutin), přičemž zohledňuje vlivy, jako je viskozita, tlak, rychlost proudění a turbulence.

V chemické inženýrství, stavební inženýrství, průmyslové inženýrství, letectví, meteorologie, stavba lodí a oceánografieZásah mechaniky tekutin má zásadní význam. Umožňuje navrhování potrubí, čerpadel, křídel letadel, trupů lodí, vodovodních sítí, ventilačních systémů a předpovědí počasí.

Některé klíčové koncepty mechaniky tekutin jsou:

• Tlak a průtok, které spolu souvisejí prostřednictvím principů, jako je Bernoulliho.
• Laminární a turbulentní režim proudění, které popisují typ pohybu tekutiny podle její rychlosti a viskozity.
• Viskozita, který měří vnitřní odpor kapaliny vůči proudění, což je určující faktor v procesech transportu a míchání.

Moderní fyzika

Moderní fyzika vznikla, když se ukázala omezení klasické fyziky v jejích pokusech vysvětlit jevy spojené s velmi vysoké rychlosti nebo velmi malé váhy, jako jsou atomy a subatomární částice. Tato větev, v mnoha kontextech nazývaná také kvantová fyzika (ačkoli moderní fyzika zahrnuje i relativitu), je založena na Kvantová teorie a v teorie relativity.

Rozvoj moderní fyziky byl upevněn návrhem kvantování energie, formulovaný k vysvětlení záření černého tělesa, a s následnými příspěvky, které prokázaly, že energie se nevyměňuje nepřetržitě, ale v malých jednotkách nazývaných KolikTuto myšlenku předložil v roce 1900 Max Planck (1858-1947) a byl posílen tím, Albert Einstein v roce 1905 při vysvětlování fotoelektrického jevu; do 20. let 20. století se tento termín ustálil kvantová mechanika popsat tyto nové teorie.

Později se tomu říkalo kvantová mechanika k oboru fyziky, který se zabývá jevy, které se vyskytují rychlosti blízké rychlosti světla (v kombinaci s relativitou) nebo jehož prostorové škály jsou řádu atomy a molekulyKvantová mechanika popisuje chování částic, jako jsou elektrony, protony, neutrony, fotony a mnoho dalších, a zavádí principy, jako je princip neurčitosti a dualita vln a částic.

Moderní fyzika studuje vlastnosti, chování a částicové záření na atomové a subatomární úrovniMezi jeho úspěchy patří vysvětlení emisního spektra atomů, struktura chemických vazeb, elektrická vodivost v pevných látkách, fotoelektrický jev a mnoho dalších poznatků, které jsou základem velké části dnešní elektronické technologie.

Kvantová mechanika spolu s teorií relativity tvoří to, co dnes nazýváme moderní fyzikaJeho koncepty jsou zásadní pro pochopení:

• Polovodiče a elektronická zařízení, jako jsou tranzistory, diody a integrované obvody.
• Nukleární energie a štěpné a fúzní procesy.
• částicová fyzika, která zkoumá elementární částice a základní přírodní síly.
• Fyzikální kosmologie, která studuje původ, strukturu a rozsáhlý vývoj vesmíru.

Současná fyzika

Současná fyzika představuje nejnovější a nejpokročilejší odvětví fyzikálního poznání. Její počátky sahají do období, kdy po konsolidaci kvantových a relativistických teorií začaly být studovány ještě složitější jevy a systémy, které nebylo možné popsat jednoduchými lineárními modely.

Současná fyzika se zabývá studiem složitost přírody, jevy v určitém měřítku nanoskopický a procesy mimo termodynamickou rovnováhuTato kategorie zahrnuje mimo jiné obory, např. teorie chaosu a turbulence, které popisují systémy vysoce citlivé na počáteční podmínky a se zdánlivě nepředvídatelným chováním.

Mezi charakteristická témata současné fyziky patří:

• Teorie chaosuZaměřuje se na studium komplexních a dynamických fyzikálních systémů s využitím diferenciálních rovnic a sofistikovaných matematických nástrojů. Umožňuje nám pochopit meteorologické jevy, populační dynamiku, nelineární oscilace a mnoho systémů, kde malé počáteční variace způsobují velké změny v evoluci systému.
• Nanotechnologie a fyzika kondenzovaných látek, které zkoumají materiály a struktury v nanoskopickém měřítku, což vede ke vzniku nových vlastností, jako je supravodivost, magnetismus v malém měřítku nebo chytré materiály.
• Systémy mimo rovnováhukde klasická rovnovážná termodynamika není dostatečná a jsou zapotřebí nové přístupy k popisu toků energie, samoorganizace a nevratných jevů.

Díky současné fyzice se otevřely nové oblasti výzkumu, od návrhu pokročilé materiály a kvantových zařízení až po studium složité biologické systémy, včetně podrobné analýzy globálního klimatu a dynamiky plazmatu v astrofyzikálních a technologických kontextech.

Vědět odvětví klasické fyziky a její vztah s moderní a současnou fyzikou nám umožňuje lépe pochopit, jak jsou strukturovány přírodní vědy a proč i přes velký pokrok zůstávají klasické zákony a modely nezbytnými nástroji pro popis světa kolem nás a pro vývoj technologických řešení v nesčetných oblastech.