Физика (от греческого φύσις — природа) — это отрасль естествознания, которая занимается изучением простейших, но наиболее общих законов природы, таких как материя, ее структура и движение. Законы физики являются основой всех естественных наук. evkova.org/fizika
Это типичное философское определение физики. Однако если мы посмотрим на историю физики и структуру физического знания, то вырисовывается иная картина. Сначала появилась физика (объекты, жидкости) — считалось само собой разумеющимся, что цель физики — найти законы движения. Этому способствовала метафора, использованная Галилеем и Ньютоном: «Природа — это книга, написанная на языке математики».
В «неклассическую» эпоху, начиная с электромагнитного поля Фарадея-Максума, материалом теории явлений (теоретической модели) является идеальная сущность, которая задается в основании каждого раздела физики (каждый раздел физики отличается наличием основания). Эта двухслойная структура основания и теории явлений существует со времен «Математических начал натуральной философии» И. Ньютона.
Физика — это естественная наука
Она основана на экспериментальном изучении природных явлений, а задача состоит в том, чтобы сформулировать законы, объясняющие эти явления. Физика изучает самые основные и простые явления и стремится ответить на такие простые вопросы, как «из чего состоит материя?», «как частицы материи взаимодействуют друг с другом?» и «каким правилам и законам следуют частицы?».
Изучение физики основано на наблюдении. Обобщая наблюдения, физики могут формулировать гипотезы об общности наблюдаемых явлений. Гипотезы проверяются экспериментами, призванными показать явления как можно более чисто, не сбиваясь на другие явления. Анализируя данные, полученные в результате серии экспериментов, можно выявить и сформулировать закономерности.
В начале исследования закономерности носят в основном эмпирический и феноменологический характер. То есть, явления описываются количественно определенными параметрами, которые характерны для исследуемого тела или вещества. Анализируя закономерности и параметры, физики строят физические теории, которые объясняют изучаемые явления, основываясь на представлениях о структуре тела или вещества и взаимодействиях между его компонентами.
Физические теории создают предпосылки для проведения точных экспериментов, и в процессе этого определяются границы применимости. Общая физическая теория означает формулирование физических законов, которые считаются общими истинами и сохраняются до тех пор, пока накопление новых экспериментальных результатов не сделает необходимым их уточнение или изменение.
История физики
Физика — это наука о материи, ее свойствах и движении. Это одна из старейших научных дисциплин. С древних времен люди пытались понять свойства материи, например, почему тело падает на землю и почему разные вещества обладают разными свойствами. Их также интересовало строение мира и природа солнца и луны.
Ответы на эти вопросы сначала искали в философии. Многие философские теории, пытавшиеся ответить на эти вопросы, так и не были проверены на практике. Однако, несмотря на то, что философские теории часто не могли правильно объяснить наблюдения, человечество достигло большого прогресса в астрономии в древние времена, а великому греческому ученому Архимеду удалось сформулировать многие законы механики и статики в точных количественных терминах.
Некоторые теории древних мыслителей, например, идеи об атоме, выдвинутые в Древней Греции и Индии, опередили свое время. Постепенно естественные науки отделились от общей философии, и физика заняла важное место в этом процессе. Уже Аристотель использовал слово «физика» в названии одного из своих основных трактатов [6]. Несмотря на множество ложных утверждений, физика Аристотеля на протяжении веков была основой наших знаний о природе.
Современная физика
Открыв радиоактивность, Анри Беккерель положил начало развитию ядерной физики, создав новые источники энергии: атомную энергию и энергию термоядерного синтеза. Новые частицы, открытые при изучении ядерных реакций, такие как нейтроны, протоны и нейтрино, дали начало физике частиц. Эти новые открытия на субатомном уровне оказались настолько важными для физики на космическом уровне, что привели к созданию «теории Большого взрыва», теории об эволюции Вселенной.
Было сформировано окончательное разделение труда между физиками-теоретиками и физиками-экспериментаторами. Энрико Ферми был, вероятно, последним выдающимся физиком, который преуспел как в теории, так и в эксперименте.
Передний край физики переместился в область исследования фундаментальных законов, с целью объединения теорий фундаментальных взаимодействий и создания теории, объясняющей Вселенную. В ходе этого процесса физика достигла частичного успеха в виде теории электрослабых взаимодействий и теории кварков, обобщенной в так называемую стандартную модель. Однако квантовая теория гравитации еще не построена. С теорией струн связана и надежда.
С момента рождения квантовой механики физика твердого тела стремительно развивалась, и ее открытия привели к появлению и развитию электроники, а затем и информатики, что вызвало фундаментальные изменения в культуре человеческого общества.
Теоретическая и экспериментальная физика
Физика по своей сути является экспериментальной наукой, и все ее законы и теории основаны на экспериментальных данных и зависят от них. Однако часто бывает так, что эксперименты проводятся благодаря новым теориям, которые, в свою очередь, приводят к новым открытиям. По этой причине принято различать экспериментальную и теоретическую физику.
Экспериментальная физика — это изучение природных явлений в заранее оговоренных условиях. Его задача — открывать ранее неизвестные явления и подтверждать или опровергать теории физики. Многие успехи в физике были достигнуты благодаря экспериментальному обнаружению явлений, которые не могут быть объяснены существующими теориями.
Например, экспериментальное изучение фотоэлектрического эффекта стало одной из предпосылок рождения квантовой механики (хотя рождением квантовой механики считается появление гипотезы Планка, которая была предложена для решения ультрафиолетовой катастрофы, парадокса классической теоретической физики излучения).
Задача теоретической физики — сформулировать общие законы природы, объяснить различные явления на основе этих законов и предсказать явления, которые никогда не наблюдались ранее. Действительность физической теории проверяется экспериментально, и если экспериментальные результаты согласуются с предсказаниями теории, то теория считается адекватной (т.е. достаточно точно описывающей явления).
Экспериментальные и теоретические аспекты изучения любого явления одинаково важны.
Прикладная физика
С самого начала своего существования физика всегда имела прикладное значение и развивалась вместе с машинами и механизмами, необходимыми человечеству. Физика также широко используется в инженерном деле, и многие физики одновременно являются изобретателями, и наоборот.
Механика, которая является частью физики, тесно связана с теоретической механикой и сопротивлением материалов как инженерное дело.
Термодинамика связана с теплотехникой и проектированием тепловых двигателей.
Электричество связано с электротехникой и электроникой, но изучение физики твердого тела имеет решающее значение для его становления и развития.
Достижения в области ядерной физики привели к появлению ядерной энергетики и так далее.
В физике также существуют широкие междисциплинарные связи. На стыке физики, химии и инженерии возникла и быстро развивается отрасль науки, называемая материаловедением. Методы и инструменты, используемые химией, дали начало двум областям исследований: физической химии и химической физике.
Биофизика, область исследований на стыке биологии и физики, которая изучает биологические процессы на основе атомной структуры органического вещества, становится все более мощной. Геофизика — это изучение физических свойств геологических явлений.
В медицине такие методы, как рентгеновское излучение, ультразвук и ядерно-магнитный резонанс, используются для диагностики, лазеры — для лечения глазных заболеваний, а ядерное облучение — для лечения рака.
