Grener av klassisk, moderne og samtidsfysikk: en fullstendig forklaring

Fysikk er en eksakt vitenskapTeoretisk og eksperimentell fysikk som studerer egenskapene til materie, energi, tid og rom, samt samspillet mellom alle disse elementeneDen er avhengig av observasjon, hypoteseformulering og eksperimentell verifisering for å bygge modeller som beskriver og forutsier naturfenomener så nøyaktig som mulig.

Et av de viktigste trekkene ved fysikk er at den søker etter nøyaktighet i konklusjonene sine og at disse skal være verifiserbar gjennom reproduserbare eksperimenterPå denne måten kan enhver forsker, hvor som helst, bekrefte resultatene ved å følge samme prosedyre. Videre bruker fysikk et strengt matematisk språk for å uttrykke lovene som beskriver virkeligheten, noe som muliggjør svært nøyaktige kvantitative forutsigelser.

Fysikk forklarer naturfenomener gjennom lover, med spesielt fokus på de prosessene som De endrer ikke den indre molekylære strukturen. av legemer (det vil si uten å gå direkte inn på kjemiske transformasjoner, som er hovedtemaet i kjemi). Likevel er det et nært forhold mellom fysikk og kjemi, spesielt på områder som fysisk kjemi, hvor materie og energi studeres ved å kombinere konsepter fra begge disipliner.

Det er nært knyttet til matematikk, ettersom det er avhengig av den. å uttrykke studiet av virkeligheten som angår ham. Denne forbindelsen er så dyp at matematiske fremskritt i mange tilfeller har åpnet nye veier for å forstå det fysiske universet, og omvendt har problemene som fysikken har skapt inspirert utviklingen av nye grener av matematikken.

Videre omfatter fysikk kjemi, biologi, elektronikk og mange andre naturvitenskaper og anvendte vitenskaper i sitt studiefelt, ikke fordi den erstatter dem, men fordi Den gir rammeverket for grunnleggende lover som forklarer fenomenene som disse disiplinene observerer. Biofysikk omhandler dermed levende systemer fra et fysisk synspunkt, geofysikk studerer jorden ved hjelp av fysiske prinsipper, og astrofysikk anvender fysikk på studiet av himmellegemer.

Fysikk studerer materiefenomenene, og baserer teoriene sine på et første nivå på klassisk mekanikk, hvorfra lovene som styrer bevegelse analyseres; i klassisk elektrodynamikk for studiet av elektromagnetiske ladninger; i termodynamikk for studiet av varme og ulike former for energi; i kvantemekanikkAt studere naturen i skalaer liten plass (atomer, elektroner, subatomære partikler); og i statistikk å studere frekvensene og sannsynlighetene for forekomst av fysiske fenomener, spesielt når store mengder partikler er involvert, slik det skjer i gasser eller i komplekse systemer.

Hovedgrener innen fysikk i henhold til deres historiske utvikling

For studiet av virkeligheten er fysikk vanligvis organisert i store historiske og konseptuelle blokker som lar oss forstå hvordan vitenskapelig kunnskap har utviklet seg. Tradisjonelt skilles det mellom tre hovedgrener eller stadier, som sameksisterer og utfyller hverandre i dag:

• Klassisk fysikk
• Moderne fysikk
• Samtidsfysikk

Hvert av disse perspektivene fokuserer på karakteristiske områder av hastighet, energi og størrelse. Klassisk fysikk dominerer den makroskopiske hverdagsverdenen; moderne fysikk utvider rammeverket til atom- og subatomære områder og hastigheter som nærmer seg lysets; og samtidsfysikk fokuserer på komplekse systemer, ikke-lineære fenomener og prosesser langt fra likevekt.

Hva regnes som klassisk fysikk?

Kalt klassisk fysikk til settet med teorier, modeller og lover som er formulert før kvantemekanikkens fremvekst og den fullstendige konsolideringen av relativitetsteorien. Det vil si at den inkluderer fysikken som primært ble utviklet fra arbeidet til Galileo Galilei, Isaac Newton og andre senere vitenskapsmenn, som beskriver oppførselen til legemer i den makroskopiske verden ved hastigheter som er mye lavere enn lysets.

Det kalles også ofte Newtonsk fysikk fordi den i stor grad er avhengig av Newtons bevegelseslover og universell gravitasjon. Disse lovene ga et sammenhengende rammeverk for å forklare alt fra et eples fall til planetenes baner, og befestet et syn på universet som en enorm mekanisme styrt av klare og deterministiske lover.

I praksis studerer klassisk fysikk fenomener som har hastighet mindre enn lysets hastighet og hvis Romlige skalaer er større enn størrelsen på atomer og molekylerDette inkluderer alt fra bevegelser av kjøretøy og maskiner til strømmen av elver, forplantning av lyd i luften eller oppførselen til gasser i en beholder.

En annen måte å beskrive klassisk fysikk på er å si at den i stor grad anses som en teori deterministiskDen fremtidige tilstanden til et lukket system kan forutsies fullstendig hvis dets nåværende tilstand (posisjon, hastighet, krefter som virker på det osv.) er kjent nøyaktig, alltid innenfor modellens gyldighetsbetingelser.

Innen klassisk fysikk skilles det vanligvis mellom:

• Klassisk newtonsk (pre-relativistisk) fysikkbasert på Newtons lover og et konsept om rom og tid absolutt og uavhengig.
• Relativistisk klassisk fysikkintroduserer ideene til spesiell relativitet for fenomener med høye hastigheter, men uten å gå inn i kvantebeskrivelsen av materie. I mange tekniske sammenhenger anses det også som klassisk så lenge kvanteeffekter på atomær eller subatomær skala ikke tas opp.

Hva studerer klassisk fysikk?

Klassisk fysikk fokuserer på studiet av:

• Bevegelser av makroskopiske legemer (kjøretøy, maskiner, planeter, prosjektiler) med hastigheter som er mye lavere enn lysets.
• Samspill mellom krefter som tyngdekraft, elastisk kraft, friksjon eller sentripetalkraft, som bestemmer baner og endringer i bevegelse.
• Forplantning av mekaniske bølger som for eksempel lyd i forskjellige materielle medier.
• Væskeoppførsel (gasser og væsker) i bevegelse eller i ro, inkludert trykk, strømningshastigheter, turbulens og strømninger.
• Termiske fenomener, varme, temperatur og makroskopiske former for energi.
• Klassisk elektrisitet og magnetismeå beskrive felt og strømmer uten i utgangspunktet å ty til kvantebegreper.

Samlet sett viser klassisk fysikk seg viktig for ingeniørfagArkitektur, konstruksjon, maskindesign, anvendt akustikk, tradisjonell optikk og en lang liste med hverdagslige teknologiske aktiviteter.

Forskjeller mellom klassisk fysikk og moderne fysikk

Når man sammenligner klassisk fysikk med moderne fysikk, observeres det store forskjeller i måten fysiske fenomener tilnærmes og i omfanget av systemene som studeres. Moderne fysikk oppstår ved å innlemme kvantemekanikk og relativitetsteorienDette tvang frem en gjennomgang av noen prinsipper i klassisk fysikk som ble ansett som universelle.

Noen viktige kontraster mellom de to perspektivene er som følger:

• HastighetsområdeKlassisk fysikk fokuserer på hastigheter som er mye lavere enn lysets, mens moderne fysikk, med relativitetsteori, innlemmer fenomener som oppstår ved hastigheter nær lysets hastighet.
• StudieskalaKlassisk fysikk beskriver systemer makroskopisk som planeter, maskiner, væsker eller strukturer; moderne fysikk er orientert mot skalaer mikroskopisk og subatomær, analyserer atomer, elektroner, fotoner og elementærpartikler.
• DeterminismeKlassisk fysikk behandler systemer som deterministerhvor fremtiden er fullstendig utledet fra nåtiden. Moderne fysikk, spesielt kvantemekanikk, introduserer usikkerhet og sannsynlighet som grunnleggende elementer når man beskriver tilstanden til et system.
• Rom og tidI klassisk fysikk er rom og tid uavhengige og absolutte størrelserI moderne relativistisk fysikk kombineres rom og tid til romtid, og målingene avhenger av observatøren og hastigheten den beveger seg med.
• Beskrivelser av samhandlingenKlassisk fysikk forklarer fenomener som tyngdekraft, elektrisitet og magnetisme uten behov for å introdusere interaksjonsbærende partikler; moderne fysikk går dypere inn i interaksjoner gjennom felt og partikler (for eksempel fotoner, bosoner og andre partikler i standardmodellen).
• Applicaciones típicasKlassisk fysikk er anvendt med enorm suksess i ingeniørfag, mekanikk, konstruksjon, akustikk, tradisjonell optikk og mye av hverdagsteknologi. Moderne fysikk brukes først og fremst i avansert elektronikk, kjernekraft, halvledere, partikkelfysikkkosmologi og banebrytende teknologier.

Grener av klassisk fysikk

Klassisk fysikk omfatter ulike disipliner, og hovedmålet er studiet av fenomener som viser en hastighet mindre enn lysets hastighet og de manifesterer seg på makroskopisk skala. Disse grenene er fortsatt grunnleggende i dag, både innen grunnleggende vitenskap og i en rekke teknologier.

Blant de viktigste grenene innen klassisk fysikk er:

• klassisk mekanikk
• Termodynamikk
• Elektromagnetisme (klassisk elektrisitet og magnetisme)
• optikk
• akustikk
• Fluidmekanikk eller fluiddynamikk

Hver av disse disiplinene studerer en spesifikk type fenomen, selv om de i praksis ofte er sammenhengende. For eksempel involverer design av en forbrenningsmotor mekanikk, termodynamikk y væskemekanikkmens utvikling av et profesjonelt lydsystem krever mestring akustikk y elektromagnetisme.

klassisk mekanikk

Klassisk mekanikk er vitenskapen som studerer Newtons bevegelsesloverDette refererer til oppførselen til makroskopiske fysiske legemer i ro og i bevegelse med hastigheter mye lavere enn lysets hastighet. Det analyserer hvordan krefter virker på legemer og hvordan disse kreftene forårsaker endringer i deres bevegelsestilstand.

Både klassisk mekanikk og klassisk fysikk generelt er basert på Newtons lover, spesielt på bevegelseslovene til legemer i universet (treghet, proporsjonalitet mellom kraft og akselerasjon, og aksjon-reaksjon). Disse lovene lar oss beskrive alt fra bevegelsen til en pendel til banen til en satellitt rundt jorden.

Innen klassisk mekanikk kan man skille mellom to hovedtilnærminger:

• VektormekanikkDenne tilnærmingen er direkte basert på Newtons lover, og bruker vektorer til å representere størrelser som kraft, hastighet og akselerasjon. Det er den mest intuitive tilnærmingen og den som oftest brukes i ingeniør- og teknologiproblemer.
• Analytisk mekanikkDen benytter mer abstrakte matematiske formuleringer (Lagrange- og Hamilton-mekanikk) for å beskrive bevegelse. Denne tilnærmingen er spesielt nyttig i komplekse systemer med flere frihetsgrader og legger grunnlaget for senere utvikling innen teoretisk fysikk.

Noen praktiske anvendelser av klassisk mekanikk inkluderer:

• Maskinteknikkå designe mekanismer, konstruksjoner og maskiner som kan motstå krefter og fungere trygt.
• Baneprediksjon innen sport, ballistikk og navigasjon, beregning av optimale vinkler og hastigheter.
• Baneberegning av satellitter og romfartøyer under forhold der den klassiske tilnærmingen fortsatt er gyldig.

Termodynamikk

Termodynamikk er vitenskapen som omhandler beskrivelse av termodynamiske likevektstilstander på et makroskopisk nivå. Den studerer samspillet mellom varme og andre former for energi, samt energitransformasjonene som skjer i fysiske systemer.

De viktigste variablene han bruker for å beskrive ulike situasjoner er temperaturden Presion, The volumen og antall føflekker av et stoff. Fra disse størrelsene formuleres lover som energiens bevaring (termodynamikkens første lov) og den naturlige tendensen til å øke uorden eller entropi (den andre loven).

Det blir forstått av termisk likevekt Termisk likevekt er tilstanden der temperaturene til to legemer som i utgangspunktet hadde forskjellige temperaturer blir like. Når temperaturene er like, opphører varmestrømmen mellom dem, og begge legemer når denne tilstanden.

Et klassisk eksempel på dette konseptet er bruken av termometerEt termometer er et instrument som bestemmer sin egen temperatur. For å bestemme temperaturen til et annet legeme eller stoff, plasseres begge i kontakt med hverandre til de når termisk likevekt. Siden både kroppen og termometeret har samme temperatur i termisk likevekt, vil termometeravlesningen også være temperaturen til kroppen som sammenlignes.

Studiet av hvordan systemer reagerer på endringer i omgivelsene sine er nyttig i en rekke grener av vitenskap og ingeniørfag. Termodynamikk spiller en viktig rolle i utformingen av motorer, kjøleskap, kraftverk og i så godt som enhver industriell prosess der energi og materie omdannes.

Nedenfor er noen anvendelser av termodynamikk:

• I materialteknikk de løper varme- og energioverføringer til råmaterialene for produksjon av nye materialer. Et eksempel er høytemperaturbrenningsprosessen for et keramisk stykke, hvis endelige egenskaper (hardhet, motstand, farge) vil avhenge av temperaturen og tiden det har blitt utsatt for.
• På industrielt nivå, prosesser som pasteurisering og produksjon av ost og smør gjennom kontrollert varmeoverføring, for å garantere mattrygghet og produktenes organoleptiske egenskaper.
• I stålindustriUlike typer stål oppnås ved å smelte sammen forskjellige stoffer i ovner med svært høy temperatur, med nøye kontroll av sammensetningen og de termiske syklusene.
• I energiproduksjonTermiske, kjernefysiske eller kombinerte kraftverk er basert på termodynamiske sykluser (som Carnot-, Rankine- eller Brayton-syklusen) for å omdanne varme til mekanisk arbeid og deretter til elektrisk energi.

elektromagnetisme

Elektriske og magnetiske fenomener studeres og forenes til én teori gjennom elektromagnetisme. Michael Faraday og James Clerk Maxwell De var de første store eksponentene for dens grunnlag, og viste at elektrisitet, magnetisme og lys er en del av det samme fysiske fenomenet.

Elektromagnetisme er basert på Maxwells fire vektordifferensialligningerDisse ligningene relaterer elektriske og magnetiske felt til deres respektive materialkilder (elektriske ladninger og strømmer). De viser blant annet at et tidsvarierende elektrisk felt genererer et magnetfelt, og omvendt, noe som forklarer forplantningen av elektromagnetiske bølger.

Elektromagnetisk teori inkluderer elektrisk strømden elektrisk polarisering og magnetisk polariseringDe makroskopiske fysiske fenomenene som involverer elektriske ladninger i ro og i bevegelse, samt effektene av magnetiske og elektriske felt på flytende, faste og gassformige stoffer, er gjenstand for beskrivelse innen elektromagnetisme.

Daglige eksempler på bruk av elektromagnetisme er tydelige i elektriske motorer og generatorersom er enheter som brukes til å omdanne mekanisk energi til elektrisk energi eller omvendt.

• Kalt generator, dynamo eller alternator til enheten som omdanner mekanisk energi til elektrisk energi.
• Det kalles elektrisk motor til enheten som omdanner elektrisk energi til nyttig mekanisk energi.

Et annet klassisk eksempel på elektromagnetisme er kompassBevegelsen til nålene er basert på magnetiske prinsipper knyttet til jordpolene og samspillet mellom jordmagnetfeltet og kompassmagneten. I tillegg er enkle elektriske og magnetiske prinsipper involvert, noe som gjør at nålen kan orienteres i nord-sør-retning.

Utover disse enhetene er elektromagnetisme grunnlaget for teknologier som trådløs kommunikasjon (radio, fjernsyn, mobiltelefoni), den transformatorer og overføringslinjer av energi, den elektroniske enheter (integrerte kretser, datamaskiner) og systemene til Medisinsk diagnostikk slik som kjernemagnetisk resonans.

Optikken

Optikk er den grenen av fysikken som omhandler studiet av elektromagnetisk stråling i lysområdet, dens egenskaper og dens interaksjon med materie, med særlig vekt på dens forplantning, refleksjon, refraksjon og fenomenene interferens og diffraksjon.

Fra menneskelig persepsjonsperspektiv er lys rekkevidden til elektromagnetiske bølgelengder som det menneskelige øyet kan oppfatte, og det er nettopp optikk som omhandler analysen av disse. Imidlertid strekker moderne optikk seg også til ikke-synlige bølgelengder, og drar nytte av lignende prinsipper.

Fysisk optikk er orientert mot oppdagelse og anvendelse av nye fenomenerBasert på dette bruker og utvikler forskere lyskilder på tvers av det elektromagnetiske spekteret, fra høyeffektslasere til lavenergiske lysdioder (LED-er).

Optikken har hatt stor innvirkning på vitenskapelig instrumentering (mikroskoper, teleskoper, spektrometre), i kommunikasjon (fiberoptikk, dataoverføringssystemer) og i metrologi (nøyaktig måling av avstander, tider og fysiske konstanter). Det er også viktig i korrigerende og medisinsk optikk, som briller, kontaktlinser og laserbaserte kirurgiske apparater.

Akustikk

Akustikk er en gren av fysikken som omhandler studiet av mekaniske bølger forplantet seg gjennom materie i enhver av dens tilstander (fast, flytende eller gassformet), ved hjelp av fysiske og matematiske modeller. Den fokuserer på lyd, infralyd og ultralyd, og analyserer hvordan disse bølgene produseres, forplantes og oppfattes.

Akustikk studerer alt som har med akustikk å gjøre. produksjon, overføring, lagring, persepsjon og reproduksjon av lydDe teknologiske anvendelsene av akustikk behandles av den såkalte akustisk teknikk, som er involvert i design av konsertsaler, innspillingsstudioer, lydanlegg, lydisolering i bygninger og mange andre praktiske løsninger.

Eksempler på akustisk fysikk inkluderer:

1. Elektroniske enheter for å gjøre kommunikasjonen mer effektiv, som for eksempel høyttalere, hodetelefoner, telefoner og offentlige adressesystemer.
2. Ultralydbaserte medisinske applikasjonersom har vært effektive i å lage bilder av menneskekroppen (ultralyd) og i terapeutiske prosedyrer som bruker høyintensitets ultralydbølger.
3. Mikrofoner, som konverterer lydbølger til elektriske signaler for opptak, forsterkning eller overføring.

Akustikk strekker seg også til felt som musikalsk akustikk (studiet av instrumenter, klangfarger og skalaer), psykoakustikk (oppfatning av lyd av det menneskelige hørselssystemet) og miljøakustikk (kontroll av støy og lydforurensning i by- og industriområder).

Fluiddynamikk eller fluidmekanikk

Væskemekanikk, eller fluiddynamikk, er en undergren av kontinuummekanikk som omhandler studiet av væskebevegelse (væsker og gasser) og kreftene som forårsaker dem. Den analyserer både væsker i ro (væskestatikk) og væsker i bevegelse (væskedynamikk), og tar hensyn til effekter som viskositet, trykk, strømningshastighet og turbulens.

I kjemiteknikk, byggteknikk, industriteknikk, luftfart, meteorologi, skipsbygging og oseanografiFluidmekanikk er av fundamental betydning. Det muliggjør design av rør, pumper, flyvinger, skipsskrog, vanndistribusjonsnett, ventilasjonssystemer og værmeldinger.

Noen viktige konsepter innen fluidmekanikk er:

• Trykk og strømningshastighet, som er relatert gjennom prinsipper som Bernoullis.
• Laminært og turbulent strømningsregime, som beskriver typen væskebevegelse i henhold til dens hastighet og viskositet.
• Viskositet, som måler væskens indre motstand mot strømning, en avgjørende faktor i transport- og blandingsprosesser.

Moderne fysikk

Moderne fysikk oppsto da begrensningene i klassisk fysikk ble tydelige i forsøkene på å forklare fenomener knyttet til svært høye hastigheter oa veldig små skalaer, slik som atomer og subatomære partikler. Denne grenen, også kalt i mange sammenhenger kvantefysikk (selv om moderne fysikk også inkluderer relativitetsteori), er basert på Kvanteteori og i relativitetsteorien.

Utviklingen av moderne fysikk ble konsolidert med forslaget fra energikvantisering, formulert for å forklare strålingen fra et svart legeme, og med påfølgende bidrag som demonstrerte at energi ikke utveksles kontinuerlig, men i små enheter kalt hvor mangeDenne ideen ble fremmet i 1900 av Max Planck (1858–1947) og ble forsterket av Albert Einstein i 1905 da han forklarte den fotoelektriske effekten; på 1920-tallet ble begrepet konsolidert kvantemekanikk for å beskrive disse nye teoriene.

Senere ble det kalt kvantemekanikk til den grenen av fysikken som omhandler fenomener som oppstår hastigheter nær lysets hastighet (i kombinasjon med relativitetsteori) eller hvis romlige skalaer er av størrelsesorden atomer og molekylerKvantemekanikk beskriver oppførselen til partikler som elektroner, protoner, nøytroner, fotoner og mange andre, og introduserer prinsipper som usikkerhetsprinsippet og bølge-partikkel-dualitet.

Moderne fysikk studerer egenskapene, oppførselen og partikkelstråling på atom- og subatomært nivåBlant hans prestasjoner er forklaringen av atomenes emisjonsspektrum, strukturen til kjemiske bindinger, elektrisk ledningsevne i faste stoffer, den fotoelektriske effekten og en lang rekke andre ting som ligger til grunn for mye av dagens elektroniske teknologi.

Kvantemekanikk, sammen med relativitetsteorien, utgjør det vi i dag kaller moderne fysikkKonseptene er grunnleggende for å forstå:

• Halvledere og elektroniske enheter, som for eksempel transistorer, dioder og integrerte kretser.
• Kjernekraft og fisjons- og fusjonsprosesser.
• Partikkelfysikk, som undersøker elementærpartikler og grunnleggende naturkrefter.
• Fysisk kosmologi, som studerer universets opprinnelse, struktur og storskala utvikling.

Samtidsfysikk

Samtidsfysikk representerer den nyeste og mest avanserte grenen av fysisk kunnskap. Dens begynnelse ligger i perioden da, etter konsolideringen av kvante- og relativistiske teorier, begynte å studere enda mer komplekse fenomener og systemer som ikke kunne beskrives av enkle lineære modeller.

Samtidsfysikk omhandler studiet av naturens kompleksitet, fenomenene på en skala nanoskopisk og prosesser ute av termodynamisk likevektDenne kategorien inkluderer blant annet feltene kaos teori og turbulens, som beskriver systemer som er svært følsomme for startbetingelser og med tilsynelatende uforutsigbar oppførsel.

Noen av de karakteristiske temaene i moderne fysikk er:

• Kaos teoriDet fokuserer på studiet av komplekse og dynamiske fysiske systemer, ved hjelp av differensialligninger og sofistikerte matematiske verktøy. Det lar oss forstå meteorologiske fenomener, populasjonsdynamikk, ikke-lineære svingninger og mange systemer der små initiale variasjoner gir store endringer i systemets utvikling.
• Nanoteknologi og fysikk av kondensert materie, som undersøker materialer og strukturer på nanoskopisk skala, noe som gir opphav til nye egenskaper som superledning, småskala magnetisme eller smarte materialer.
• Systemer ute av likevektder klassisk likevektstermodynamikk ikke er tilstrekkelig og nye tilnærminger er nødvendige for å beskrive energistrømmer, selvorganisering og irreversible fenomener.

Takket være moderne fysikk har nye forskningsfelt åpnet seg, alt fra design av avanserte materialer og kvanteenheter opp til studiet av komplekse biologiske systemer, inkludert detaljert analyse av globalt klima og plasmadynamikk i astrofysiske og teknologiske sammenhenger.

Kjenn grener av klassisk fysikk og dens forhold til moderne og samtidsfysikk lar oss bedre forstå hvordan naturvitenskapene er strukturert, og hvorfor klassiske lover og modeller, til tross for store fremskritt, fortsatt er viktige verktøy for å beskrive verden rundt oss og for å utvikle teknologiske løsninger på utallige felt.