Fizyka

Chwila, od której człowiek zaczął interesować się poznawaniem przyrody, jest trudna do określenia. Najdawniejsze ślady kultur sprzed 5000 lat znalezione w dolinach Nilu, Eufratu i Tygrysu świadczą o prymitywnych próbach wykorzystania natury. Jednak z czasem na podstawie obserwacji ludzkość posiadła sztukę wytwarzania narzędzi, uprawy pól, wytopu metali i sztukę liczenia. Poprzez obserwację powtarzalności zjawisk stworzono kalendarz.

Za pierwsze odkryte prawo fizyki można uznać prawo odbicia światła znane już Euklidesowi w IV w. p.n.e. Pierwszym znanym fizykiem we współczesnym znaczeniu tego słowa był Archimedes z Syrakuz, który w III w. p.n.e. sformułował m.in. prawo dźwigni oraz prawo wyporu. Jednak aż do XIX w. optykę geometryczną oraz mechanikę, w tym statykę i hydrostatykę, zaliczano do matematyki stosowanej, a nie do fizyki^{[potrzebny przypis]}.

W starożytności fizyka była traktowana jako część filozofii. Arystoteles dokonał podziału filozofii na fizykę – dział traktujący o zjawiskach przyrodniczych i metafizykę (ontologię oraz epistemologię, czyli nauki dotyczące samej istoty bytu i możliwości jego poznania) oraz etykę i logikę. Fizyka aż do XVI w. była uprawiana, podobnie jak pozostałe działy filozofii, głównie poprzez rozważania teoretyczne. Prace doświadczalne z optyki i z magnetyzmu pojawiały się już w średniowieczu od XIII w. (Witelon, Roger Bacon, Petrus Peregrinus). Jednak dopiero od czasów nowożytnych i XVI w. (Francis Bacon, Galileusz) zaczęła wzrastać rola pomiaru i doświadczenia. Reliktem pozostałym po filozoficznej genezie fizyki jest termin filozofia naturalna w języku angielskim, będący długo synonimem fizyki (w Oksfordzie nadawało się stopnie naukowe nie z fizyki, tylko z filozofii naturalnej)^[4].

Obecny zakres zainteresowania fizyki ukształtował się w XIX i na początku XX wieku, również wówczas zarysował się podstawowy podział fizyki na klasyczne działy: mechanikę, optykę, termodynamikę, elektryczność i magnetyzm. Fizyka, odkrywając nowe zjawiska, opisując je, tworząc teorie pozwalające przewidywać nowe efekty, stała się motorem napędowym gwałtownego rozwoju techniki i doprowadziła do rewolucyjnych zmian cywilizacyjnych.

Kultura badań fizycznych różni się od innych nauk tym, że istnieje w niej fundamentalny i powszechnie uznawany podział na teorię i eksperyment^[3]. Od początku XX wieku większość fizyków pozostaje specjalistami albo w fizyce teoretycznej, albo w fizyce doświadczalnej. Mało fizyków odnosi sukcesy w obu rodzajach badań. Dla porównania, większość wybitnych teoretyków chemii i biologii z powodzeniem pracuje też eksperymentalnie.

Praca fizyków-teoretyków polega na rozwijaniu teorii, za pomocą których można opisać i interpretować wyniki doświadczeń oraz możliwie dokładnie przewidzieć wyniki przyszłych doświadczeń. Z drugiej strony, fizycy doświadczalni wykonują eksperymenty, żeby zbadać nowe zjawiska i sprawdzić przewidywania teoretyczne. Ważną częścią pracy fizyka doświadczalnego jest też często budowanie własnej aparatury, szczególnie w pionierskich gałęziach fizyki, gdzie potrzebny sprzęt jest niedostępny. Mimo że działania teoretyków wydają się czasem oderwane od prac fizyków doświadczalnych, są w istocie ze sobą ściśle powiązane i od siebie zależne. Postęp w fizyce teoretycznej często zaczyna się od doświadczeń, których stara teoria nie potrafi wyjaśnić – i na odwrót, nowatorskie przewidywania teoretyczne stwarzają potrzebę przeprowadzenia nowych doświadczeń, a czasem również nowych technik doświadczalnych. Każdy fakt doświadczalny wymaga uzasadnienia teoretycznego, tak jak każda teoria musi być potwierdzona doświadczalnie, by stać się paradygmatem. Dlatego np. M-teoria pozostaje tylko spekulacją, ponieważ nie dość, że nie potwierdzono jej eksperymentalnie, to nawet nie wymyślono jeszcze żadnego testu eksperymentalnego, który mógłby ją potwierdzić.

Centralnym elementem eksperymentu jest pomiar dobrze określonej wielkości fizycznej, a warunkiem niezbędnym uzyskania z niego wartościowych informacji – prawidłowy dobór przyrządów pomiarowych oraz metod analizy otrzymanych danych. Obróbka danych często opiera się na statystyce, regułach prawdopodobieństwa oraz odpowiednich metodach numerycznych.

Podobnie fizyka teoretyczna ma własny zestaw metod naukowych, które pozwalają stworzyć adekwatne modele i paradygmaty. Opracowane teorie zazwyczaj korzystają z różnych metod matematyki, analitycznych i syntetycznych. Kluczową rolę w rozważaniach teoretycznych odgrywają hipotezy i proces dedukcji.

W fizyce część teorii jest uznana przez wszystkich fizyków. Każdą z tych teorii uważa się za fundamentalnie prawdziwą w określonym dla niej zakresie^[5]. Na przykład mechanika klasyczna precyzyjnie opisuje ruch ciał pod warunkiem, że są one dużo większe od atomów i poruszają się z prędkościami dużo mniejszymi niż prędkość światła w próżni. Niektóre teorie są nadal obszarami badań – zaskakujący aspekt mechaniki klasycznej znany jako chaos przebadano w XX wieku, trzysta lat po jego sformułowaniu przez Newtona, wprowadzając mechanikę statystyczną.

Współczesne badania fizyczne można podzielić na kilka wyraźnych działów, które zajmują się różnymi aspektami świata materialnego. Fizyka fazy skondensowanej dotyczy własności materii i jej związków z własnościami i oddziaływaniami atomów, z których się składa. Fizyka atomów, cząsteczek i zjawisk optycznych opisuje pojedyncze atomy i cząsteczki oraz ich oddziaływania ze światłem. Fizyka cząstek elementarnych (znana też jako fizyka wysokich energii) z kolei bada cząstki submikroskopowe mniejsze od atomów i poszukuje elementarnych cząstek budujących wszystkie inne jednostki materii. Astrofizyka wykorzystuje prawa fizyki, żeby tłumaczyć zjawiska astronomiczne, na przykład zjawiska związane ze Słońcem, Układem Słonecznym oraz Wszechświatem jako całością.

Działy fizyki są ze sobą ściśle powiązane i zasięg stosowania teorii i modeli często wykracza poza prosty podział zaprezentowany powyżej. Przykładowo fizyka materii skondensowanej zajmująca się układami silnie skorelowanych fermionów jest stosowana do efektów obserwowanych w gwiazdach neutronowych, które są podstawową domeną astronomii. Wynika to stąd, że fizyka jako nauka jest spójna i poszczególne modele i teorie opracowywane w poszczególnych działach mają te same podstawy oraz mogą mieć zastosowanie w innych działach. Podstawowe teorie, takie jak mechanika kwantowa, kwantowa teoria pola, elektrodynamika kwantowa, teoria grawitacji, są sformułowane w sposób ogólny i obowiązują w całej fizyce.

Wiele badań łączy fizykę z innym dziedzinami nauki^[3]. Dla przykładu, szeroki zakres biofizyki obejmuje wszystkie zagadnienia dotyczące układów biologicznych, w których stosuje się zasady fizyki. W chemii kwantowej z kolei opisuje się i przewiduje zachowania atomów i molekuł na podstawie teorii mechaniki kwantowej.

Agrofizyka – Astronomia – Badania materiałowe – Biofizyka – Chemia fizyczna – Chemia kwantowa – Elektronika – Fizyka komputerowa – Fizyka medyczna – Fizyka matematyczna – Geofizyka – Informatyka kwantowa – Inżynieria – Mechanika komputerowa – Nowe technologie – Ekonofizyka

Dobrze sprecyzowane i powszechnie przyjęte teorie są przedstawiane jako prawa fizyki. Chociaż wszystkie naukowe teorie są w zasadzie tymczasowe i obowiązują tylko w pewnym zakresie, prawa fizyczne zostały wielokrotnie sprawdzone, a ich zakres stosowalności jest dobrze określony.

Zasady dynamiki Newtona – Zasada minimum energii potencjalnej – Zasada nieoznaczoności – Zasada odpowiedniości – Zasada równoważności – Zasada wzajemności – Zasada względności – prawa zachowania (Zasady zachowania)

Wiele praw fizycznych może być opisana za pomocą relacji odpowiednich wielkości. Zapis matematyczny takich relacji nazywa się równaniem. Jest wiele fundamentalnych równań fizyki opisujących zjawiska, którymi zajmują się poszczególne jej działy. Kilka przykładowych ważnych równań to:

Równanie stanu gazu doskonałego – Równanie Clapeyrona (Clapeyrona) – Równanie Naviera-Stokesa – Równania Eulera-Lagrange’a – Równania Hamiltona – Równania Maxwella – Równanie Schroedingera

Informacje w projektach siostrzanych

Multimedia w Wikimedia Commons

Cytaty w Wikicytatach

Podręczniki w Wikibooks

Definicje słownikowe w Wikisłowniku

• 10 najpiękniejszych eksperymentów z fizyki

Tablice fizyczne

• czystość substancji
• stałe fizyczne
• układ SI (jednostki podstawowe SI)
  • jednostki pochodne układu SI
  • przedrostki SI

• Alicja Nawrot, Dorota Karolczak, Jadwiga Jaworska: Encyklopedia – fizyka z astronomią. Kraków: GREG, 2013. ISBN 978-83-7517-210-2.
• Andrzej Kajetan Wróblewski, Janusz A. Zakrzewski: Wstęp do fizyki. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 1984. ISBN 83-01-01359-1.

Polskojęzyczne

•   Jan Pluta, Podstawy fizyki, Wydział Matematyki, Informatyki i Mechaniki Uniwersytetu Warszawskiego (MIM UW), wazniak.mimuw.edu.pl [dostęp 2024-05-11].
• Angielsko-polski słownik nowych terminów fizycznych. ptf.net.pl. [zarchiwizowane z tego adresu (2016-03-13)]., publ. Polskie Towarzystwo Fizyczne
•   Karolina Głowacka i Krzysztof Meissner, Fundamentalne pytania fizyki – czy nasz Wszechświat jest ostatnim?, kanał „Radio Naukowe” na YouTube, 4 maja 2023 [dostęp 2024-09-25].
•   Michał Heller, Czy fizyka jest nauką humanistyczną?, Centrum Kopernika Badań Interdyscyplinarnych – Uniwersytet Jagielloński, kanał „Copernicus” na YouTube, 14 maja 2019 [dostęp 2024-10-14].

Anglojęzyczne

• Physics for Free. [dostęp 2018-10-05]. [zarchiwizowane z tego adresu (2013-04-02)]. (ang.). – zawiera trzy książki (Essential Physics, Introduction to Groups, Invariants & Particles, The Age of Einstein) autorstwa F. Firka
•   Physics, kanał CrashCourse na YouTube [dostęp 2024-08-29].