Fisika
(uit Antieke
Grieks
: φυσικ? (?πιστ?μη) phusik? (epist?m?) "natuurkennis", van φ?σι? phusis "natuur") is die
wetenskap
van die
natuur
in die breedste sin.
Fisici
bestudeer die gedrag en eienskappe van
materie
in ’n groot verskeidenheid verbande, wat wissel van die
subatomiese deeltjies
wat die boustene van alle gewone materie is (
deeltjiefisika
) tot die gedrag van die materiele
heelal
as ’n geheel (
kosmologie
).
Sommige van die eienskappe wat in fisika bestudeer word, is geldig vir “alle” materiele stelsels, soos die
behoud van energie
. Na sulke eienskappe word dikwels verwys as die "wette van fisika". Fisika word somtyds 'n “fundamentele wetenskap” genoem, aangesien elkeen van die ander
natuurwetenskappe
(
biologie
,
chemie
,
geologie
, ens.) te doen het met sekere soorte materiele stelsels wat die wette van fisika gehoorsaam. Chemie is byvoorbeeld die wetenskap van
molekules
en die
chemikalie
e wat hulle vorm. Die eienskappe van ’n chemikalie word bepaal deur die eienskappe van die onderliggende molekules wat akkuraat beskryf kan word deur velde van fisika soos
kwantummeganika
,
termodinamika
en
elektromagnetisme
.
Fisika is ook nou verwant aan
wiskunde
. Fisiese teoriee word amper altyd uitgedruk deur gebruik te maak van wiskundige vergelykings, en die wiskunde wat betrokke is, is in die algemeen ingewikkelder as in die ander wetenskappe.
Die verskil tussen fisika en wiskunde is dat fisika hom hoofsaaklik bemoei met beskrywings van die materiele wereld, terwyl wiskunde hoofsaaklik gemoeid is met die abstrakte patrone wat nie noodwendig daarop van toepassing is nie. Die onderskeid is nie altyd voor die hand liggend nie. Daar is 'n bree navorsingsveld tussen fisika en wetenskap wat bekend staan as
wiskundige fisika
, wat hom toewy op die ontwikkeling van wiskundige strukture van fisiese teoriee.
Oorsig van fisikanavorsing
[
wysig
|
wysig bron
]
Teoretiese en eksperimentele fisika
[
wysig
|
wysig bron
]
Fisikanavorsing verskil van die van ander wetenskappe ten opsigte van die skeiding van teorie en eksperiment. Sedert die
20ste eeu
het die meeste individuele fisici gespesialiseer in of teoretiese fisika of eksperimentele fisika, en min van hulle was al suksesvol in albei terreine. In teenstelling daarmee was amper al die suksesvolle teoretici in
biologie
en
chemie
ook eksperimenteerders gewees.
Rofweg gesproke is die doel van teoretici om teoriee te ontwikkel wat die bestaande eksperimentele resultate verduidelik en om toekomstige resultate te voorspel, terwyl eksperimenteerders eksperimente bedink en uitvoer om die teoriese voorspellings te toets. Alhoewel teorie en eksperiment apart ontwikkel word, is hulle sterk afhanklik van mekaar. Vooruitgang in fisika geskied dikwels wanneer eksperimenteerders ontdekkings maak wat nie deur die bestaande teoriee verduidelik kan word nie en dus die formulering van nuwe teoriee noodsaak. In die afwesigheid van eksperimente slaan teoretiese navorsing dikwels die verkeerde koers in; dit is van die kritiek wat dikwels gelewer word op die
M-teorie
, 'n gewilde teorie in hoe-energiefisika waarvoor nog geen praktiese eksperimentele toets bedink is nie.
Sentrale teoriee van fisika
[
wysig
|
wysig bron
]
Terwyl fisika hom bemoei met 'n uiters groot verskeidenheid stelsels, is daar sekere teoriee wat van toepassing is op fisika in sy geheel en nie beperk is tot 'n enkele veld nie. Elkeen van die teoriee word basies as korrek aanvaar met 'n sekere terein waarvoor dit geldig is. Die teorie van klassieke meganika beskryf byvoorbeeld die beweging van voorwerpe akkuraat op voorwaarde dat hulle baie groter as
atome
is en teen 'n snelheid baie laer as die
ligsnelheid
beweeg. Hierdie teoriee bly steeds velde waarop aktiewe navorsing gedoen word; 'n merkwaardige aspek van klassieke meganika bekend as
chaos
is byvoorbeeld in die 20ste eeu ontdek, drie eeue na
Isaac Newton
dit geformuleer het. Min fisici verwag egter dat enige van die teoriee fundamenteel misleidend bewys gaan word en daarom word hulle as basis gebruik vir navorsing in meer gespesialiseerde onderwerpe en word dit algemeen van enige huidige fisikastudent ongeag sy spesialisgebied verwag om goed vertroud te wees met al die teoriee.
Teorie
|
Hoofvertakkings
|
Begrippe
|
Klassieke meganika
|
Newton se wette van beweging, Lagrange-meganika, Hamiltoniese meganika, chaosteorie, vloeidinamika, kontinuummeganika
|
Dimensie, ruimte, tyd, beweging, lengte, snelheid,
massa
,
momentum
,
krag
,
energie
,
draaimomentum
,
wringkrag
, behoudswet, harmoniese wisselaar,
golf
,
drywing
|
Elektromagnetisme
|
Elektrostatika
,
elektrisiteit
,
magnetisme
,
Maxwell se vergelykings
|
Elektriese lading
,
stroom
,
elektriese veld
,
magneetveld
, elektromagnetiese veld, elektromagnetiese straling, magnetiese monopool
|
Termodinamika
en
statistiese meganika
|
Warmte-enjin
,
kinetiese teorie
|
konstante van Boltzmann
,
entropie
,
vrye energie
,
warmte
,
verdelingsfunksie
,
temperatuur
|
Kwantummeganika
|
Padintegrale formulering,
Schrodinger-vergelyking
,
kwantumveldteorie
|
Hamilton-formalisme
, identiese deeltjies,
konstante van Planck
, kwantumverstrikking, kwantum harmoniese wisselaar,
golffunksie
, nulpuntenergie
|
Relatiwiteitsteorie
|
Spesiale relatiwiteit
,
algemene relatiwiteit
|
Gelykwaardigheidsbeginsel
, vierimpuls,
verwysingsraam
,
ruimtetyd
,
ligsnelheid
|
Navorsingsvelde van fisika
[
wysig
|
wysig bron
]
Hedendaagse navorsing in fisika word verdeel in verskeie velde wat verskillende aspekte van materie bestudeer.
Gekondenseerdematerie-fisika
, wat algemeen beskou word as die grootste enkele fisikaveld, is bemoei met die studie van hoe die massaeienskappe van materie, soos gewone
vastestowwe
en
vloeistowwe
, teweeggebring word vanuit die eienskappe en interaksies van die
atome
waaruit dit opgebou is. Die veld van atoom-, molekulere en optiese fisika het te doen met die gedrag van individuele atome en molekules en in die besondere wyses waarop hulle
lig
absorbeer en uitstraal.
Deeltjiefisika
is bemoeid met die eienskappe van subatomiese deeltjies wat baie kleiner as atome is en sluit die
elementere deeltjies
in waaruit alle materie opgebou is. Laastens is daar die veld van
astrofisika
, wat die wette van fisika toepas om
sterrekundige
verskynsels te verklaat wat wissel van die
Son
en ander voorwerpe in die
Sonnestelsel
tot die
heelal
in sy geheel.
Velde
|
Vertakkings
|
Vernaamste teoriee
|
Begrippe
|
Astrofisika
|
Kosmologie
,
planetologie
,
plasmafisika
|
Oerknal
,
kosmiese uitsetting
,
algemene relatiwiteit
universele swaartekragwet
|
Swartkolk
,
kosmiese agtergrondstraling
,
sterrestelsel
,
swaartekrag
,
planeet
,
Sonnestelsel
,
ster
|
Atomiese, molekulere en optiese fisika
|
Atomiese fisika, molekulere fisika,
optika
, fotonika,
|
Kwantumoptika
|
Diffraksie
,
elektromagnetiese straling
,
polarisering
,
spektraallyn
|
Deeltjiefisika
|
Kernfisika
, kernastrofisika
|
Standaardmodel
,
kwantum-chromodinamika
,
supersimmetrie
,
snaarteorie
,
M-teorie
|
Fundamentele wisselwerking
(
swaartekrag
,
elektromagnetisme
,
swak kernkrag
,
sterk kernkrag
),
elementere deeltjie
,
antideeltjie
,
spin
,
teorie van alles
, vakuumenergie
|
Gekondenseerdematerie-fisika
|
Vastetoestandfisika, materiefisika, hoedrukfisika, oppervlakfisika
|
BCS-teorie, Bloch-golf,
Fermi-gas
,
Fermi-vloeistof
|
Fases
(
gas
,
vloeistof
,
vastestof
,
Bose-Einstein-kondensaat
,
supergeleier
,
supervloeier
),
elektriese geleiding
,
magnetisme
,
spin
, spontane simmetrieverbreking
|
Baie navorsingsgebiede bestaan waar fisika verweef is met ander dissiplines. Die verreikende veld van
biofisika
hou verband met die rol wat die fisikabeginsels speel in biologiese stelsels. In
kwantumchemie
word bestudeer hoe die kwantummeganikateorie aanleiding gee tot die chemiese gedrag van atome en molekules. Sommige van die vakgebiede word hieronder gelys.
Akoestiek
,
sterrekunde
,
biofisika
,
berekeningsfisika
,
elektronika
,
ingenieurswese
,
geofisika
,
materiaalkunde
, mediese fisika,
fisiese chemie
,
voertuigdinamika
Koue fusie, dinamiese swaartekragteorie, liggewende eter, orgoonenergie
Sedert antieke tye het mense die gedrag van materie probeer verstaan: hoekom voorwerpe wat nie ondersteun word nie grond toe val, hoekom verskillende
materiale
verskillende eienskappe het ensovoorts. Die aard van die
heelal
was ook 'n raaisel, soos die vorm van die
Aarde
en die gedrag van hemelliggame soos die
Son
en die
Maan
. Verskeie teoriee is voorgestel waarvan die meeste verkeerd was. Hierdie teoriee was grootliks
filosofies
gegrond en is nooit bevestig deur sistematies eksperimentele toetsing soos wat vandag gewild is nie. Daar was uitsonderings: die
Griekse
denker
Archimedes
het byvoorbeeld baie kwantitatiewe beskrywings van
meganika
en
hidrostatika
korrek afgelei.
In die vroee
17de eeu
was
Galileo
'n baanbreker in die gebruik van eksperimente om fisikateoriee te bevestig. Hy het verskeie
dinamikateoriee
suksesvol geformuleer en getoets, in besonder die wet van
traagheid
. In
1687
het
Newton
die
Principia Mathematica
gepubliseer waarin hy twee omvattende en suksesvolle teoriee uiteensit: Newton se bewegingswette, waaruit die klassieke meganika voortspruit, en Newton se swaartekragwet, wat die fundamentele wisselwerking beskryf. Albei teoriee is in eksperimente bewys. Die
Principia
het ook verskeie teoriee oor vloeidinamika ingesluit. Klassieke meganika is uitvoerig uitgebrei deur
Lagrange
,
Hamilton
en ander wat nuwe formulerings, beginsels en resultate bedink het. Die swaartekragwet het die veld van
astrofisika
, wat die
sterrekundige
verskynsels deur middel van fisiese teoriee beskryf, begin.
Van die
18de eeu
af is
termodinamika
deur
Boyle
,
Young
en vele ander ontwikkel. In
1733
het
Bernoulli
statistiese argumente tesame met klassieke meganika gebruik om termodinamiese resultate af te lei en het sodoende die vakgebied van statistiese meganika begin. In
1798
het
Thompson
die omsetting van meganiese werking na warmte gedemonstreer en in
1847
het
Joule
die wet oor die behoud van
energie
(in die vorm van warmte asook meganiese energie) geformuleer.
Die gedrag van
elektrisiteit
en
magnetisme
is deur
Faraday
,
Ohm
,
Ampere
en ander bestudeer. In
1855
het
Maxwell
die twee verskynsels verenig in 'n enkele teorie van
elektromagnetisme
soos beskryf deur
Maxwell se vergelykings
. 'n Voorspelling van die teorie was dat
lig
'n
elektromagnetiese golf
is.
In
1895
het
Rontgen
X-strale
ontdek wat later geblyk het 'n hoefrekwensie elektromagnetiese straling te wees.
Radio-aktiwiteit
is in
1896
deur
Henri Becquerel
ontdek en verder deur
Marie Curie
,
Pierre Curie
en ander bestudeer. Dit het die vakgebied van kernfisika ingelui.
In
1897
het
Thomson
die
elektron
, die elementere deeltjie wat elektriese stroom in stroombane dra, ontdek. In
1904
het hy die eerste model van die
atoom
voorgestel.
In
1905
het
Albert Einstein
die teorie van
spesiale relatiwiteit
geformuleer wat ruimte en tyd tot 'n enkele entiteit,
ruimtetyd
, saamgesnoer het. Relatiwiteit skryf 'n ander omskakeling tussen verwysingsraamwerke voor as die klassieke meganika; dit het die ontwikkelling van relatiwistiese meganika as vervanging vir klassieke meganika genoodsaak.
In die bestek van (relatief) lae snelhede stem die twee teoriee ooreen. In
1915
het Einstein spesiale relatiwiteit uitgebrei om swaartekrag met die
algemene relatiwiteitsteorie
te verduidelik wat Newton se swaartekragwet vervang. In die bestek van lae massas en energiee stem die teoriee ooreen.
In
1911
het
Rutherford
uit verstrooiingseksperimente afgelei dat daar in atome 'n kompakte kern met positief gelaaide boustene genaamd
protone
bestaan.
Neutrone
, die neutrale boustene van die kern, is in
1932
deur
Chadwick
ontdek.
Aan die begin van 1900 het
Planck
, Einstein,
Bohr
en ander
kwantumteorie
e ontwikkel om verskeie afwykings in eksperimentele resultate te verduidelik deur die bekendstelling van diskrete energievlakke.
In
1925
het
Heisenberg
en
Schrodinger
in 1926
Dirac
kwantummeganika
geformuleer wat die voorafgaande kwantumteoriee verduidelik het. In kwantummeganika is die resultaat van fisiese metings inherent waarskynlikheidsgebonde; die teorie beskryf die berekening van hierdie waarskynlikhede. Dit beskryf ook die gedrag van materie vir klein afstandskale.
Kwantummeganika het ook die teoretiese gereedskap verskaf vir gekondenseerdematerie-fisika, wat die gedrag van vaste- en vloeistowwe bestudeer, insluitende verskynsels soos
kristalstrukture
,
halfgeleiding
en
supergeleiding
. Die baanbrekers op die gebied van gekondenseerdematerie-fisika sluit
Bloch
in wat die kwantummeganiese beskrywing van die gedrag van elektrone in kristalstrukture in
1928
geformuleer het.
In die
Tweede Wereldoorlog
is navorsing deur albei strydende partye gedoen oor kernfisika met die doel om 'n
atoombom
te maak. Die Duitse poging, deur Heisenberg gelei, het nie geslaag nie, maar die Geallieerdes se
Manhattan-projek
het die doelwit bereik. In 1942 het
Fermi
in Amerika die eerste mensgemaakte kernkettingreaksie veroorsaak, en in 1945 is die wereld se
eerste atoombom
ontplof naby Alamogordo,
Nieu-Meksiko
.
Die kwantumveldteorie is geformuleer om kwantummeganika uit te brei sodat dit kan aanpas by spesiale relatiwiteit. Dit het sy moderne vorm bereik in die laat 1940's met werk wat deur
Feynman
,
Schwinger
,
Tomonaga
, en
Dyson
gedoen is. Hulle het die kwantumelektrodinamika-teorie geformuleer wat elektromagnetiese interaksie beskryf.
Die kwantumveldteorie het die raamwerk daargestel vir moderne deeltjiefisika, waarin die
basiese natuurkragte
en elementere deeltjies bestudeer word. In
1954
het
Yang
en
Mills
'n klas
yktoerie
e ontwikkel wat die raamwerk vir die
Standaardmodel
daargestel het. Die Standaardmodel, wat in
1970
voltooi is, beskryf amper al die elementere deeltjies wat nog waargeneem is suksesvol. Op
14 Maart
2013
is die bestaan van die Higgsboson tentatief deur die
Europese Organisasie vir Kernnavorsing
(CERN) bevestig nadat dit waarskynlik die vorige jaar ontdek is.
Die
Verenigde Nasies
het die jaar 2005 tot die Wereld se Fisikajaar verklaar.
[1]
Met ingang van 2004 gaan navorsing in fisika op 'n wye front voort. In gekondenseerdematerie-fisika is die grootste teoretiese vraagstuk die verduideliking van hoetemperatuur-supergeleiding. Groot pogings, hoofsaaklik eksperimenteel, word aangewend om werkbare
spintronika
en
kwantumrekenaars
te maak.
In deeltjiefisika is die eerste bewysstukke gevind dat daar verskynsels is wat nie net deur die Standaardmodel verduidelik kan word nie. Die belangrikste hiervan is aanduidings dat
neutrino's
'n
massa
van groter as nul het. Dit lyk of hierdie eksperimentele resultate 'n ou vraagstuk oor die Son oplos. Die fisika van neutrino's met massa is tans 'n gebied waarop aktiewe teoretiese en eksperimentele navorsing gedoen word.
Teoretiese pogings wat al ’n halwe eeu duur om kwantummeganika en algemene relatiwiteit te verenig in 'n enkele teorie van kwantumswaartekrag, het nog geen vrugte afgewerp nie. Die belangrikste kandidate vir ’n
teorie van alles
is tans die
M-teorie
.
Baie sterrekundige verskynsels moet nog verklaar word, insluitende die bestaan van ultrahoe-energie kosmiese straling en die afwykende rotasietempo van sterrestelsels. Teoriee wat voorgestel is om hierdie probleme op te los sluit in dubbele spesiale relatiwiteit, aangepaste Newton-dinamika, en die bestaan van
donker materie
. Verder is baie van die kosmologiese voorspellings van die laaste paar dekades weerle deur bewyse dat die uitdying van die heelal besig is om te versnel.
In hul haas om hoe-energie-, kwantum- en sterrekundige fisikaprobleme op te los is alledaagse fisika agterwee gelaat. Ingewikkelde probleme wat lyk of hulle deur die slim toepassing van dinamika en meganika opgelos kan word, bly steeds grootliks onopgelos.
- Feynman, Richard
,
The Character of Physical Law
, Random House (Modern Library), 1994, hardcover, 192 pages,
ISBN 0-679-60127-9
- Feynman, Richard en Leighton, Sands,
The Feynman Lectures on Physics
, Addison-Wesley 1970, 3 volumes, paperback,
ISBN 0-201-02115-3
. Hardeband gedenkuitgawe, 1989,
ISBN 0-201-50064-7
- Landau, Lev Davidovich
et. al.
,
Course of Theoretical Physics
, Butterworth-Heinemann, 1976, 10 volumes, sagteband,
ISBN 0-7506-2896-0
- Walker, Jearl,
The Flying Circus of Physics
, Wiley, 1977, sagteband, 312 pages,
ISBN 0-471-02984-X