Общее описание
Физика - это наука о материи и о том, как материя взаимодействует. Материя - это любой физический материал во вселенной. Все сделано из материи. Физика используется для описания физической вселенной вокруг нас и для предсказания того, как она будет себя вести. Физика - это наука, занимающаяся открытием и описанием универсальных законов, которые управляют материей, движением и силами, пространством и временем, а также другими особенностями природного мира.
Хлеб и цели физики
Скрутка физики широка - от мельчайших компонентов материи и сил, которые ее удерживают, до галактик и еще больших вещей. Похоже, что в этом диапазоне действуют только четыре силы. Однако даже эти четыре силы (гравитация, электромагнетизм, слабая сила, связанная с радиоактивностью, и сильная сила, удерживающая протоны и нейтроны в атоме вместе) считаются различными частями одной силы.
Физика в основном направлена на то, чтобы сделать более простые, общие и точные правила, определяющие характер и поведение материи и самого пространства. Одна из главных целей физики - создание теорий, которые применимы ко всему во Вселенной. Другими словами, физику можно рассматривать как изучение тех универсальных законов, которые определяют на как можно более базовом уровне поведение физической вселенной.
Физика использует научный метод
Физика использует научный метод. То есть собираются данные экспериментов и наблюдений. Выдвигаются теории, которые пытаются объяснить эти данные. Физика использует эти теории не только для описания физических явлений, но и для моделирования физических систем и предсказания того, как эти физические системы будут себя вести. Затем физики сравнивают эти предсказания с наблюдениями или экспериментальными данными, чтобы показать, верна ли теория или нет.
Теории, которые хорошо подкреплены данными и являются особенно простыми и общими, иногда называют научными законами. Конечно, все теории, в том числе и те, которые известны как законы, могут быть заменены более точными и более общими законами, когда обнаруживается несогласие с данными.
Физика является количественной
Физика является более количественной, чем большинство других наук. То есть многие наблюдения в физике могут быть представлены в виде численных измерений. В большинстве теорий физики математика используется для выражения своих принципов. Большинство предсказаний, основанных на этих теориях, являются числовыми. Это объясняется тем, что в тех областях, которыми занимается физика, количественные подходы работают лучше, чем в других областях. Науки также имеют тенденцию со временем становиться более количественными по мере того, как они становятся более высокоразвитыми, и физика является одной из старейших наук.
Поля физики
Классическая физика обычно включает в себя области механики, оптики, электричества, магнетизма, акустики и термодинамики. Современная физика - термин, обычно используемый для обозначения областей, которые опираются на квантовую теорию, включая квантовую механику, атомную физику, ядерную физику, физику частиц и физику конденсированных сред, а также более современные области общей и специальной относительности, но эти последние две области часто рассматриваются как области классической физики, поскольку они не опираются на квантовую теорию. Хотя это различие можно обнаружить в старых работах, оно не представляет особого интереса, так как квантовые эффекты теперь понимаются как важные даже в тех областях, которые раньше назывались классическими.
Подходы в физике
Существует множество подходов к изучению физики, а также множество различных видов деятельности в области физики. Существует два основных вида деятельности в физике: сбор данных и разработка теорий.
Данные в некоторых подполях физики поддаются экспериментированию. Например, физика конденсированного вещества и ядерная физика выигрывают от возможности проводить эксперименты. Экспериментальная физика сосредоточена главным образом на эмпирическом подходе. Иногда эксперименты проводятся для изучения природы, а в других случаях - для получения данных для сравнения с предсказаниями теорий.
Некоторые другие области физики, такие как астрофизика и геофизика, в основном являются науками-наблюдениями, потому что большая часть их данных должна собираться пассивно, а не путем экспериментов. Однако программы наблюдений в этих областях используют многие из тех же самых инструментов и технологий, которые используются в экспериментальных подобластях физики.
Теоретическая физика часто использует количественные подходы для разработки теорий, которые пытаются объяснить данные. Таким образом, физики-теоретики часто используют инструменты математики. Теоретическая физика часто может включать создание количественных предсказаний физических теорий и сравнение этих предсказаний с данными. Теоретическая физика иногда создает модели физических систем до того, как данные будут доступны для проверки и поддержки этих моделей.
Эти два основных вида деятельности в области физики, сбора данных, теории производства и тестирования, используют множество различных навыков. Это привело к большой специализации в физике, а также к внедрению, разработке и использованию инструментов из других областей. Например, физики-теоретики используют в своей работе математику и численный анализ, а также статистику и программное обеспечение по вероятности и компьютерные программы. Физики-экспериментаторы разрабатывают инструменты и методы сбора данных с использованием инженерных и компьютерных технологий и многих других областей техники. Зачастую инструменты из этих других областей не совсем подходят для нужд физики, и их необходимо менять или создавать более продвинутые версии.
Часто новая физика открывается, если физики-экспериментаторы проводят эксперимент, который нынешние теории не могут объяснить, или если физики-теоретики генерируют теории, которые затем могут быть проверены физиками-экспериментаторами.
Экспериментальная физика, техника и технологии связаны между собой. Эксперименты часто требуют специализированных инструментов, таких как ускорители частиц, лазеры, и важные промышленные приложения, такие как транзисторы и магнитно-резонансная томография, появились в результате прикладных исследований.
