Fizika

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából

A fizika (Görög φυσικός [phüszikosz]: természetes és φύσις [phüszisz]: Természet) a legszélesebb értelemben vett természettudomány, amelyből több ág vált ki a tudomány fejlődése során. A fizikusok az anyag tulajdonságait és kölcsönhatásait tanulmányozzák az elemi részecskék szintjétől a Világegyetem egészéig. A fizikai jelenségeket matematikai modelleken keresztül igyekeznek kvantitatív módon megérteni.

A fizika szoros kapcsolatban áll a többi természettudománnyal, kiváltképpen a kémiával, a molekulák tudományával. A kémia a fizika sok területéből merít, különösképpen a kvantummechanikából, termodinamikából és elektromágnességből. A fizikusok és kémikusok között széles az egyetértés afelől, hogy a fizika törvényei írják le a legalapvetőbb szinten az összes kémiai kölcsönhatást.

Történetesen sok fizikus úgy tartja, hogy a fizika az egyetlen alapvető természettudomány. Érvelésük a következő: minden természettudomány – biológia, kémia, geológia stb. – az anyaggal foglalkozik; minden anyag atomokból áll; a fizika írja le az atomok dinamikáját és belső szerkezetét. Ennek a fizikacentrikus nézetnek a kiterjesztése mély filozófiai következményekhez vezethet. Például ha valaki elfogadja, hogy az emberi agy vezérli az emberi viselkedést, és ha elfogadja, hogy az agy atomokból áll, amiknek a viselkedését a fizika teljes mértékben leírja, akkor érthető módon megkérdőjelezheti, vajon az embernek van-e szabad akarata amivel irányíthatja tetteit. Mindenesetre a fizikának nem feladata filozófiai kérdések megválaszolása.

Az elméleti fizikusok célja, hogy a lehető legkevesebb törvénnyel írják le a világot, amik véges számú alapvető összetevő viselkedését szabják meg. Hogy a fizikai valóság redukálható-e ilyen módon, az nem világos; kiderülhet, hogy a világ végtelen fajtájú részecskéből áll, végtelen számú törvénynek engedelmeskedve, avagy éppen teljesen véletlenszerűen viselkedik időnként. Mindenesetre a fizikusok rendkívül eredményesek voltak idáig ebben a redukciós folyamatban a kísérleti fizikusoknak köszönhetően.

A fizikát (mint minden természettudományt) gyakran olyan kategóriákra osztják, mint elméleti fizika és kísérleti fizika avagy alapkutatás és alkalmazott fizika. Az elméleti fizikusok a természetre vonatkozó alapvető ismeretek után kutatnak, felhasználva a kísérleti fizikusok megfigyeléseit. A kísérleti fizikusok olyan kísérleteket végeznek, amivel eldönthetik, melyik elmélet a helyes. A kísérleti fizika gyakran felfedez olyan új jelenségeket, amiknek egyáltalán nincs elmélete, például az elektromágnességet, radioaktivitást stb. így fedezték fel. Az alapkutatás a természet alapvető szerkezetét kutatja, míg az alkalmazott kutatás a már meglévő tudást alkalmazza összetett rendszerekre, hogy a gyakorlati életben és a gazdaságban is alkalmazni lehessen azt. Mind az alapkutatásnak, mind az alkalmazott kutatásnak van elméleti és kísérleti aspektusa. Egy példaként megemlíthetjük az alkalmazott fizika egyik különösen termékeny területét, a szilárdtestfizikát, ami a kvantummechanika és az elektromágnesség alapvető törvényeit használja téridomot alkotó atomok viselkedésének vizsgálatára.

Alább található egy áttekintés a fizika részterületeiről, fogalmairól, rövid történetéről.

A fizika rövid története[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Isaac Newton

Az emberek az őskor óta próbálták megérteni az anyag viselkedését: miért esnek le az elengedett testek a földre, miért vannak a különféle anyagoknak különböző tulajdonságai, és így tovább. Ugyancsak misztikusak voltak számukra a Világegyetem jellemzői, mint például a Föld alakja, az égitestek, például a Nap és a Hold viselkedése. Sok, többségében helytelen elméletet állítottak fel. Nagy mértékben filozófiai terminusokban fektették őket, és soha nem ellenőrizték őket szisztematikus kísérletekkel. Voltak azonban kivételek és anakronizmusok, például Arkhimédész, a nagy görög gondolkodó a mechanika és a hidrosztika területén számos kvantitatív módon helyes következtetésre jutott.

A 17. század elején Galilei volt az úttörője a fizikai elméletek kísérletekkel való igazolásának, ami a tudományos módszer kulcsa. Galilei számos helyes képletet alkotott a dinamikában, különösképpen a tehetetlenség törvényében. 1687-ben Newton publikálta Principia Mathematica c. művét (Philosophiae Naturalis Principia Mathematica = A természetfilozófia matematikai alapjai), amiben két átfogó és sikeres fizikai elméletét részletezte: Newton mozgástörvényeit, amiből a klasszikus mechanika fejlődött ki és gravitációs törvényét, amely a gravitációt, az egyik alapvető kölcsönhatást írja le. Mindkét elmélet jól egyezett a kísérletekkel. A klasszikus mechanikát Lagrange, Hamilton és mások terjesztették ki kimerítően, új formalizmusokat és elveket fejlesztve ki. A gravitációs törvény ösztönözte az asztrofizikát, ami a csillagászati jelenségeket fizikai elvek segítségével írja le.

A 18. századtól kezdődően Boyle, Young és mások fejlesztették a termodinamikát. 1733-ban Bernoulli statisztikus érvekkel kombinálva a klasszikus mechanikát, hogy termodinamikai eredményeket kapjon, elindította a statisztikus fizika tudományát. 1798-ban Thompson demonstrálta a mechanikai munka hővé alakulását, 1847-ben pedig Joule felállította a mechanikai energiára és hőre együtt érvényes energiamegmaradás törvényét.

James Clerk Maxwell

Az elektromosság és mágnesség tulajdonságait Ohm, Faraday és mások vizsgálták. 1855-ben Maxwell egyesítette a két jelenséget az elektromágnesség elméletében, amit a Maxwell-egyenletek írnak le. Az elmélet jóslata szerint a fény elektromágneses hullám.

1895-ben Röntgen felfedezte a röntgensugárzást, ami nagy frekvenciájú elektromágneses sugárzásnak bizonyult. A radioaktivitást Becquerel fedezte fel 1896-ban, majd Pierre Curie és Marie Curie tanulmányozták tovább. Ez indította el a magfizika fejlődését.

1897-ben Thomson felfedezte az elektront. 1904-ben ő javasolta az első modern atommodellt, az ún. mazsolás puding modellt. (Az atom létezését 1808-ban Dalton javasolta.)

1905-ben Albert Einstein megalkotta a speciális relativitáselméletet, ami a teret és időt az egységes téridőben egyesíti. A relativitáselmélet másféle formulákkal írja le a különböző vonatkoztatási rendszerek közötti transzformációt, mint a klasszikus mechanika, ami szükségessé tette a relativisztikus mechanika kifejlesztését a klasszikus mechanika helyett. Kis relatív sebességkülönbségek esetén a két elmélet jóslatai megegyeznek. 1915-ben Einstein kiterjesztette elméletét a gravitáció magyarázatára is, megalkotva az általános relativitáselméletet, ami helyettesíti Newton gravitációelméletét. Kis tömegek és energia esetén a két elmélet jóslatai megegyeznek.

1911-ben Rutherford szórási kísérletéből egy nagyon kompakt, kis méretű, nagy tömegű, pozitív töltésű atommag létére következtetett, amit ő protonnak hívott. Később kiderült, hogy az atommag pozitív és semleges összetevőkből áll. Az atommag semleges összetevőit, a neutronokat Chadwick fedezte fel 1932-ben és a pozitív összetevőket, nem az egész atommagot hívjuk protonnak.

1900-tól kezdve Planck, Einstein, Bohr és mások kvantumelméleteket fejlesztettek ki a kísérleti eredmények megmagyarázására diszkrét energiaszintek bevezetésével. 1925-ben Schrödinger és 1926-ban Heisenberg és Dirac megfogalmazták a kvantummechanikát, ami megmagyarázta a megelőző kvantumelméleteket. A kvantummechanikában a kísérletek kimenetele lényegüktől fogva valószínűségi, az elmélet ezen valószínűségek kiszámítását adja meg és sikeresen írja le az anyag viselkedését a kis távolságok skáláján.

A kvantummechanika adja az elméleti eszközöket kondenzált anyagok fizikája kezébe, ami a szilárd testek és folyadékok viselkedését írja le, ideértve az olyan jelenségeket, mint a szupravezetés és a félvezetők. A kondenzált anyagok fizikájának úttörői között van Bloch, aki 1928-ban az elektronoknak kristálystruktúrákban való viselkedésének kvantummechanikai magyarázatát adta.

A második világháború idején mindkét fél a magfizikára fektette a hangsúlyt, hogy létrehozhassa az atombombát. A Heisenberg vezette német erőfeszítés nem járt sikerrel, de a szövetséges Manhattan terv igen. Az Egyesült Államokban, a Chicagói Egyetemen Fermi csoportja 1942-ben létrehozta az első nukleáris láncreakciót, és 1945-ben az első nukleáris bombát felrobbantották Alamogordo mellett, Új-Mexikóban.

A kvantumtérelméletet azért alkották meg, hogy a kvantummechanika összhangba kerüljön a speciális relativitáselmélettel. Modern formáját a késő 1940-es években nyerte el Feynman, Tomonaga, Schwinger és Dyson munkássága nyomán. Ők fogalmazták meg a kvantumelektrodinamikát, ami az elektromágneses kölcsönhatást írja le. A kvantumtérelmélet adja a modern részecskefizika kereteit, ami az elemi részecskéket és az alapvető kölcsönhatásokat kutatja. 1954-ben Yang és Mills fejlesztette ki a mértékelméletek alapjait, amik a standard modell vázát alkotják. A standard modell, amit az 1970-es években fejeztek be, sikeresen írja le szinte az összes eddig felfedezett elemi részecskét.

Az ENSZ 2005-öt a fizika világévének nyilvánította.

A fejlődés irányai[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

2003-ban a helyzet a következő.

A kondenzált anyagok fizikájában a legnagyobb megoldatlan probléma a magas hőmérsékletű szupravezetés. Nagy, főleg kísérleti erőfeszítéseket tesznek a működőképes spintronika és kvantumszámítógépek létrehozására.

A részecskefizikában a standard modellen túli fizika létezésére utaló első kísérleti bizonyítékok megjelenni látszanak. Mindenekelőtt annak jele, hogy a neutrínó nem nulla tömegű. Ezek a kísérleti eredmények megoldani látszanak a napfizika régi problémáját, a napneutrínó-problémát a neutrínó-oszcilláció útján. A tömeggel rendelkező neutrínók problémája jelenleg aktív elméleti és kísérleti kutatások tárgya. Az elkövetkező évek részecskegyorsítói a TeV-es energiaskálán fognak vizsgálódni, ahol a kísérleti fizikusok remélik, hogy bizonyítékot találnak a Higgs-bozon és a szuperszimmetrikus részecskék létezésére.

Fél évszázada terítéken van a kvantummechanika és az általános relativitáselmélet egyesítése. A jelenlegi legígéretesebb jelöltek az M-elmélet és a hurok kvantumgravitáció.

Sok csillagászati jelenséget meg kell még magyarázni, ilyen például az ultramagas energiájú kozmikus sugarak és a galaxisok anomális forgásperiódusának problémája. A megoldásul javasolt elméletek között található a duplán speciális relativitáselmélet, a módosított Newton-dinamika és a sötét anyag létezése. Továbbá az elmúlt évek kozmológiai feltételezései ellentmondanak a legutóbbi kísérleti bizonyítékoknak, miszerint a Világegyetem tágulása gyorsul.

Kapcsolódó szócikkek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Hivatkozások[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Források[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

További információk[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]