Fizika

наука о материји и њеном кретању, заједно са повезаним концептима попут енергије и силе

Fizika (grč. φύσις, phisis: priroda[1][2][3]) jeste fundamentalna prirodna nauka koja proučava osnovna ili suštinska svojstva prirodnih pojava i tela.[4] Fizičari proučavaju osnovna svojstva, strukturu i kretanje materije u prostoru i vremenu.[5] Fizičke teorije se najčešće izražavaju kao matematičke relacije. Najutemeljenije pojave se nazivaju fizičkim zakonima ili zakonima fizike, međutim, i oni su kao i sve druge naučne teorije, podložni promenama. Pri tome, novi fizički zakoni obično ne isključuju stare, nego samo ograničavaju domen njihovog važenja.[6][7] Fizika je usko povezana sa drugim prirodnim naukama, kao i matematikom (zbog matematičkog opisivanja prirode), posebno hemijom, koja se umnogome bazira na fizici, pogotovo na kvantnoj mehanici, termodinamici i elektromagnetizmu.

Razni primeri fizičkih fenomena
Snop ubrzanih elektrona koji se kreću u ciklotronu pod dejstvom magnetnog polja
Magnet lebdi iznad ohlađenog superprovodnika (oko −197 °C), jedna interesantna pojava proučena u fizici

Fizika je jedna od najstarijih akademskih disciplina, možda najstarija ako se uzme u obzir astronomija.[8] Tokom zadnja dva milenijuma, fizika je bila deo prirodne filozofije zajedno sa hemijom, biologijom, i pojedinim granama matematike, ali su se tokom naučne revolucije u 17. veku, prirodne nauke pojavile kao zasebni istraživački programi.[a] Fizika se preklapa sa mnogim interdisciplinarnim oblastima istraživanja, kao što je biofizika i kvantna hemija, i granice fizike nisu čvrsto definisane. Nove ideje u fizici često objašnjavaju fundamentalne mehanizme drugih nauka[10] čime se otvaraju nove avenije istraživanja u oblastima kao što su matematika i filozofija.

Podela fizike uredi

 
Ferofluid se grupiše u blizini polova snažnog magneta, domen proučavanja elektromagnetike.

Fizika na osnovu načina na koji proučava tela i pojave se deli na: teorijsku i eksperimentalnu fiziku.

Osnovne oblasti fizike su:

Mehanika je nauka koja proučava pojave kretanja i ravnoteže materijalnih tela pod delovanjem fizičkih sila i nauka o aparatima, spravama, mašinama.

Statistička fizika je oblast fizike koja se bavi fizičkim sistemima sastavljenim iz velikog broja čestica (reda veličine Avogadrovog broja).

Elektromagnetizam je oblast fizike koja proučava električne i magnetne pojave u prirodi.

Termodinamika je grana fizike koja proučava posledice promene pritiska, temperature i zapremine u makroskopskim fizičkim sistemima.

Kvantna mehanika je fundamentalna grana teorijske fizike kojom su zamenjene klasična mehanika i klasična elektrodinamika pri opisivanju atomskih i subatomskih pojava.

Relativistička fizika je Fizička teorija prostora i vremena koja se bavi proračunima u inercijalnim sistemima referencije.

Fizika elementarnih čestica se bavi proučavanjem fundamentalnih sastavnih delova materije i zračenja.

Uvod uredi

Domen i ciljevi uredi

Fizika se bavi širokim spektrom fenomena, od fizike subatomskih čestica, do fizike galaksija. U ovo spadaju najosnovniji objekti od kojih su sačinjeni svi ostali objekti i zato se za fiziku ponekad kaže da je fundamentalna nauka.

Cilj fizike je da opiše različite fenomene koji se dešavaju u prirodi putem prostijih fenomena. Stoga je zadatak fizike da poveže stvari koje se mogu videti sa njihovim uzrocima, a zatim da poveže ove uzroke zajedno kako bi se našao ultimativni razlog zašto je priroda takva kava je. Na primer, drevni Kinezi su primetili da se neka vrsta kamenja (magnetit) privlače ili odbijaju međusobno dejstvom neke nevidljive sile. Ovaj efekat je kasnije nazvan magnetizam i prvi put je ozbiljno proučavan u 17. veku. Malo ranije nego Kinezi, Stari Grci su znali da drugi predmeti, kao što je ćilibar protrljan krznom, izazivaju slično privlačenje ili odbijanje. Ovo je takođe prvi put ozbiljno proučavano u 17. veku i nazvano je elektricitetom. Dalja istraživanja u 19. veku su pokazala da su ove dve sile samo dva različita aspekta jedne sile - elektromagnetizma. Proces „ujedinjavanja sila“ se nastavlja i danas.

Naučni metod uredi

 
Klasična fizika primenjena u akustičnom inženjeringu za pravljenje modela zvuka koji prolazi kroz akustičnu difrakcionu rešetku.

Fizika koristi naučni metod da proveri ispravnost neke fizičke teorije, koristeći metodičan pristup da uporedi implikacije te teorije sa zaključcima dobijenim iz sprovedenih eksperimenata i posmatranja. Eksperimenti i posmatranja se sakupljaju i porede sa predviđanjima i hipotezama koje tvrdi teorija i tako pomažu u određivanju istinitosti ili neistinitosti teorije.

Teorije koje su dobro pokrivene podacima i nisu nikada pale na nekom empirijskom testu se često nazivaju naučni zakoni ili zakoni prirode. Sve teorije, uključujući one koje se nazivaju zakonima prirode, se mogu uvek zameniti preciznijim, uopštenijim definicijama ako se pronađe neko neslaganje teorije sa prikupljenim podacima. Neki principi, poput Njutnovih zakona kretanja se još uvek nazivaju zakonima, iako se danas zna za neke slučajeve u kojima oni ne važe.

Teorija i eksperiment uredi

Teoretičari teže da razviju matematički model koji se i slaže sa postojećim eksperimentima i koji može uspešno da predvidi buduće rezultate, dok eksperimentalisti smišljaju i izvode eksperimente da bi proverili teorijska predviđanja, i istražili nove fenomene. Iako se teorija i eksperimenti razvijaju posebno, oni jako zavise jedan od drugog. Napredak u fizici često nastaje kada eksperimentalisti otkriju nešto novo što postojeće teorije ne mogu da otkriju, ili kada nove teorije izvode zaključke koje se mogu proveriti eksperimentalno, što inspiriše nove eksperimente. U odsustvu eksperimenta, teorijska istraživanja mogu da odu u pogrešnom pravcu; postoje kritike protiv tzv. M-teorije, popularne teorije u fizici velikih energija, za koju nijedan praktični eksperiment nije ikada osmišljen. Fizičari koji rade na i na polju teorije i na polju eksperimenta se često nazivaju fenomenologičari.

Teorijska fizika je blisko povezana sa matematikom, koja obezbeđuje jezik fizičkih teorija, a veliki delovi matematike, kao što je matematička analiza, su specijalno osmišljeni da bi se rešili problemi u fizici. Teoretičari mogu takođe da se oslone na numeričku analizu i računarske simulacije. Polja matematičke fizike i računarske fizike su aktivna polja u istraživanjima. Teorijska fizika se u svojoj istoriji oslanjala na filozofiju i metafiziku; na ovaj način su spojene teorije elektriciteta i magnetizma u elektromagnetizam. Izvan poznatog univerzuma, polje teorijske fizike se takođe bavi hipotetičkim pitanjima kao što su paralelni univerzumi ili više dimenzije. Fizičari spekulišu o ovim mogućnostima i iz njih postavljaju teorije. Koncept onoga šta se može smatrati hipotetičnim se može promeniti tokom vremena. Na primer, neki fizičari iz 19. veka su ismevali postojanje atoma. Do kraja Drugog svetskog rata, atomi nisu više bili hipotetička stvar.

Istorija uredi

 
Tablica mehanike iz 1728. godine

Od davnina su ljudi pokušavali da shvate ponašanje i osobine materije; zašto objekti padaju na zemlju kada izgube oslonac, zašto različiti materijali imaju različite osobine, i slično. Tajnovita je bila i priroda svemira, kao na primer oblik Zemlje, ponašanje i kretanje Sunca i Meseca. Mnoštvo teorija je pokušavalo da objasni te pojave, ali većina od njih na pogrešan način, jer nikada nisu bile potvrđene ogledom. Ipak postojalo je nekoliko izuzetaka, kao na primer Arhimed koji je izveo nekoliko značajnih i tačnih zakona mehanike i hidrostatike.

Fizika u starom veku uredi

Aristotel je upotrebio za prirodu, u najopštijem smislu, ime fizika (φύσίς od φύση - prirodan) i tako je uveo današnje ime za fiziku u kao opštu nauku o prirodi, a čoveka koji se na logički način bavi opštim istinama o prirodi nazvao je fizičar (φυσικός). Rimski stoici za fiziku upotrebljavali ime filozofija prirode. Fizika se kroz istoriju značajno menjala i izdvajanjem drugih prirodnih nauka njeno polje istraživanja sužavano je.[11]

Fizika u 16. veku uredi

Moderna fizika koja istražuje materiju i energiju kao i procese sa pravilnostima po kojima postoji neživi deo prirode nastala je u novom veku. Galileo Galilej (1564-1642) je uveo oglede kao način proveravanja fizičkih teorija i uspešno je formulisao i ogledima potvrdio nekoliko zakona dinamike, kao što je zakon inercije.[12]

Fizika u 17. veku uredi

Istražujući silu kojom Sunce privlači Zemlju 1687. godine Isak Njutn (1642-1727) je objavio Matematičke principe prirodne filozofije, (Principia Mathematica Philosophia Naturalis), njegovo čuveno delo u kojem su detaljno izloženi Njutnovi zakoni kretanja, na kojima počiva klasična mehanika; i Njutnov zakon gravitacije, koji opisuje jednu od četiri osnovne sile u prirodi, gravitaciju.[13] Obe ove teorije su se slagale sa izvršenim ogledima. Klasičnoj mehanici su takođe značajno doprineli Lagranž, Hamilton, i drugi, koji su otkrili nove formulacije, principe i rezultate. Zakon gravitacije je podstakao i razvoj astrofizike, koji opisuje astronomske pojave fizičkim teorijama..

Fizika u 18. veku uredi

Od 18. veka pa nadalje, termodinamika je doživela značajna otkrića koja su imali Bojl, Jang, i mnogi drugi. Bernuli je koristio statističke metode sa klasičnom mehanikom da bi izveo termodinamičke rezultate 1733. godine, inicirajući time razvoj statističke mehanike. Tompson je demonstrirao pretvaranje mehaničkog rada u toplotu 1798. godine.

Fizika u 19. veku uredi

Godine 1847, Džul je formulisao zakon o održanju energije, bilo u obliku toplote ili mehaničke energije. Elektricitet i magnetizam su proučavali Faradej, Om, i drugi. 1855. godine, Maksvel je ujedinio ove dve pojave u jedinstvenu teoriju elektromagnetizma, i opisao ih je Maksvelovim jednačinama. Ova teorija je pretpostavila da je svetlost elektromagnetni talas.

Vilhelm K. Rendgen (nem. Wilhelm Conrad Roentgen; 1845-1923) otkrio je 1895. godine zrake koji su mogli da prođu kroz neprovidne materije, kakva je čovekova ruka, i nazvao ih je X-zraci, a te zrake danas zovemo rendgenskim zracima.[14] Ti zraci su elektromagnetno zračenje visoke frekvencije. Radioaktivnost je otkrio 1896.godine Henri Bekerel,[15] a dalje su je proučavali Pjer Kiri, Marija Kiri i drugi.[16] Ovo je postavilo temelje novom polju nuklearne fizike.

Tomson je otkrio elektron 1897. godine, jednu od osnovnih čestica nosioca naelektrisanja.[17] On je 1904. godine predložio je prvi model atoma. (Postojanje atoma je poznato još od 1808. godine, kada ga je predvideo Dalton.

Fizika u 20. veku uredi

 
Iako je čigra igračka koja potiče još pre tri i po hiljade godina pre nove ere, pedesetih godina 20. veka je ponovo privukla pažnju. Okretanje kineskih čigri je fenomen u fizici.

1905. godine, Ajnštajn je uobličio teoriju relativnosti (specijalnu i opštu), ujedinjavajući prostor i vreme u jedinstven entitet i stvorio novu, relativističku, teoriju gravitacije. Bio je jedan od nekolicine naučnika koji su postavili temelje kvantnoj fizici.

Raderford je iz ogleda sa rasejanjem alfa čestica na atomima zlata izveo postojanje kompaktnog atomskog jezgra, sa pozitivno naelektrisanim jedinicama protonima 1911. godine.[18] Neutralno naelektrisane čestice, neutrone, je otkrio Čedvik, 1932.[19]

Početkom 1900, Plank, Ajnštajn, Bor, i drugi su razvili kvantnu teoriju, da bi objasnili anomalije u eksperimentalnim rezultatima, te su tada uveli pojam diskretnih energetskih nivoa. 1925, Hajzenberg i Šredinger su formulisali kvantnu mehaniku, koja je objedinila dotada stečena saznanja o kvantnom-mikrosvetu i objasnila rezultate mnogobrojnih eksperimenata. U kvantnoj mehanici, ishodi fizičkog merenja podležu zakonima verovatnoće; teorija je propisala načine i pravila za izračunavanje ovih verovatnoća.

Kvantna mehanika je takođe razvila teoretske alate za fiziku čvrstog stanja, koja izučava fizička svojstva čvrstih tela i fiziku fluida koja proučava supstancije u tečnom stanju, uključujući pojave kao što su kristalna struktura, poluprovodnost i superprovodnost, kao i superfluidnost ili tečne kristale. Među pionire ove oblasti fizike spada Bloh, koji je opisao ponašanje elektrona u kristalnim strukturama 1928.

Tokom Drugog svetskog rata, sve zaraćene strane su istraživale nuklearnu fiziku, želeći da naprave atomsku bombu. Nemački napori nisu uspeli, ali je saveznički Projekat Menhetn ostvario cilj. U Americi, tim predvođen Fermijem je ostvario prvu veštački proizvedenu nuklearnu lančanu reakciju 1942, a 1945. prva nuklearna eksplozija je izvedena u Alamogordu, u Novom Meksiku.

Kvantna teorija polja je formulisana da bi obezbedila konzistentnost kvantne mehanike i Specijalne teorije relativnosti. Svoj moderni oblik je dostigla u kasnim 1940-tim radovima Fajnmana, Švingera, Tomonage i Dajsona. Oni su formulisali teoriju kvantne elektrodinamike, koja, kvantnim metodama, opisuje elektromagnetne interakcije.

Kvantna teorija polja je obezbedila okvir za modernu teoriju čestica, koja izučava osnovne sile prirode i osnovne čestice. 1954, Jang i Mils su postavili temelje koji su doveli do standardnog modela, koji je upotpunjen 1970, i uspešno opisuje sve do sada poznate čestice.

Vidi još uredi

Reference uredi

  1. ^ Logos 2017, str. 14-15. Govoreći o prirodi i istinama njenog postojanja Aristotel je upotrebio za prirodu, u najopštijem smislu, ime fizika (φύσίς od φύση - prirodan). Tako je uveo današnje ime za fiziku kao opštu nauku o prirodi. Istovremeno, čoveka koji se na logički način bavi opštim istinama o prirodi nazvao je fizičar (φυσικός).
  2. ^ „physics”. Online Etymology Dictionary. 
  3. ^ „physic”. Online Etymology Dictionary. 
  4. ^ At the start of The Feynman Lectures on Physics, Richard Feynman offers the atomic hypothesis as the single most prolific scientific concept: "If, in some cataclysm, all [] scientific knowledge were to be destroyed [save] one sentence [...] what statement would contain the most information in the fewest words? I believe it is [...] that all things are made up of atoms – little particles that move around in perpetual motion, attracting each other when they are a little distance apart, but repelling upon being squeezed into one another ..." Feynman, Leighton & Sands 1963, str. I-2
  5. ^ "Physical science is that department of knowledge which relates to the order of nature, or, in other words, to the regular succession of events." Maxwell 1878, str. 9
  6. ^ Young & Freedman 2014, str. 9
  7. ^ "Physics is the study of your world and the world and universe around you." Holzner 2006, str. 7
  8. ^ Krupp 2003
  9. ^ Cajori 1917, str. 48–49
  10. ^ Young & Freedman 2014, str. 1
  11. ^ Logos 2017, str. 14-15.
  12. ^ Logos 2017, str. 11, 147, 236, 310.
  13. ^ Logos 2017, str. 236.
  14. ^ Logos 2017, str. 245.
  15. ^ Logos 2017, str. 224.
  16. ^ Logos 2017, str. 245, 248-249.
  17. ^ Logos 2017, str. 246-247.
  18. ^ Logos 2017, str. 248-249.
  19. ^ Logos 2017, str. 251.
  1. ^ Knjiga Fransisa Bejkona iz 1620. Novum Organum je bila kritična u razvoju naučnog metoda.[9]

Literatura uredi

Spoljašnje veze uredi