Φυσική

Η φυσική είναι η επιστήμη που ασχολείται με τη μελέτη της ύλης, της κίνησής της μέσα στον χώρο και στον χρόνο, μαζί με τις σχετικές ποσότητες, όπως η ενέργεια και η δύναμη. Σύμφωνα με έναν ευρύτερο ορισμό, η Φυσική είναι η γενική ανάλυση της φύσης, που συνδέεται με τη προσπάθεια για κατανόηση της συμπεριφοράς του σύμπαντος
Η φυσική είναι μια από τις παλαιότερες ακαδημαϊκές ενασχολήσεις, ίσως και η παλαιότερη, στον βαθμό που περιλαμβάνει και την αστρονομία. Τουλάχιστον τις τελευταίες δυο χιλιετίες, η φυσική αποτέλεσε το ένα τμήμα της φυσικής φιλοσοφίας, μαζί με τη χημεία, κάποιους κλάδους των μαθηματικών και τη βιολογία. Αλλά κατά τη διάρκεια της Επιστημονικής Επανάστασης του 16ου αιώνα, οι φυσικές επιστήμες αναδείχθηκαν από μόνες τους ως ξεχωριστά ερευνητικά προγράμματα. Η Φυσική διασταυρώνεται με πολλούς διεπιστημονικούς τομείς έρευνας, όπως η Βιοφυσική, η Φυσικοχημεία και η Κβαντική χημεία, και επιπλέον τα όρια της Φυσικής δεν είναι αυστηρά καθορισμένα. Νέες ιδέες στη Φυσική συχνά εξηγούν θεμελιώδεις μηχανισμούς σε άλλες επιστήμες, ενώ ανοίγουν νέες λεωφόρους για την έρευνα σε τομείς των Μαθηματικών και της Φιλοσοφίας.
Η Φυσική επιπλέον συνεισφέρει σημαντικά στην ανάπτυξη νέων τεχνολογιών που προκύπτουν από θεωρητικές καινοτομίες.
Για παράδειγμα, τα βήματα που έγιναν στην κατανόηση του Ηλεκτρομαγνητισμού ή της Πυρηνικής Φυσικής οδήγησαν άμεσα στην ανάπτυξη νέων προϊόντων που έχουν μεταβάλει δραματικά (θετικά και αρνητικά) τη σύγχρονη κοινωνία, ακόμη και σε σύγκριση με τις λίγο παλαιότερες, όπως π.χ. η τηλεόραση, οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές, οι οικιακές συσκευές, αλλά και τα πυρηνικά όπλα. Η ανάπτυξη της θερμοδυναμικής έπαιξε μεγάλο ρόλο στη βιομηχανοποίηση. Επιπλέον, η εξέλιξη της μηχανικής ενέπνευσε την ανάπτυξη της υπολογιστικής.

Η Φιλοσοφία της Φυσικής

Με πολλούς τρόπους, η Φυσική προέρχεται από την αρχαία ελληνική φιλοσοφία. Πιο συγκεκριμένα, τον 6ο αιώνα π.Χ., στις αρχαίες ελληνικές αποικίες της Ιωνίας, εμφανίστηκαν οι φυσικοί φιλόσοφοι, που στήριξαν την ερμηνεία του κόσμου στη λογική και είχαν πρωτοποριακές για την εποχή αντιλήψεις για τον κόσμο. Οι Ίωνες φυσικοί φιλόσοφοι ήταν οι πρώτοι γνωστοί υλιστές με την πρωταρχική έννοια του όρου, πράγμα που σημαίνει ότι οι θεωρίες τους είχαν ως βάση την ερμηνεία της φύσης μέσω των υλικών πραγμάτων. Κοινό χαρακτηριστικό των Ιώνων φυσικών φιλοσόφων ήταν η υπόθεσή τους ότι όλη η ύλη αποτελείται από τα ίδια πρωταρχικά συστατικά.
Ο Θαλής έκανε μια «πρώτη απόπειρα» για να χαρακτηριστεί η ύλη και υπέθεσε ότι το ύδωρ είναι η αρχή όλων των πραγμάτων. Ο Αναξίμανδρος, θεώρησε ως αρχή των όντων το άπειρο. Ο Αναξιμένης, υιοθέτησε στη θέση του απείρου του Αναξίμανδρου, τον αέρα. Ο Ηράκλειτος πίστευε στην προαιώνια ύπαρξη του κόσμου. Για αυτόν οι αλλαγές στην ύλη περνούσαν με τη μορφή δύο αντίρροπων κινήσεων: πυρ → θάλασσα → γη και γη → θάλασσα → πυρ. Συνδετικός κρίκος ήταν το ευμετάβλητο πυρ. Έπειτα, με το Δημόκριτο, από τα Άβδηρα της Θράκης, έγινε αφαίρεση στο θέμα και υπέθεσε ότι θα έπρεπε να αναχθεί σε μια αμετάβλητη κατάσταση, την οποία ονόμασε άτομο. Τα επόμενα βήματα έγιναν στη στην Ελέα, όπου ο Παρμενίδης αντιτάχθηκε στην Ιωνική φυσική και στην ηρακλείτεια θεώρηση. Γι' αυτόν ο φυσικός κόσμος υποτάσσεται σε μία υπερεμπειρική πραγματικότητα και απαρνείται τις Ιωνικές αντιλήψεις ως δοξασίες («δόξας»). Ο Ζήνων ο Ελεάτης, μαθητής του Παρμενίδη, υπερασπίστηκε την Παρμενίδεια οντολογία απορρίπτοντας την πολλαπλότητα των πραγμάτων και την κίνηση. Η μέθοδος του συνίστατο στην αποκάλυψη αντιφάσεων με τα γνωστά τα παράδοξα του Ζήνωνα. Ο γνωστός περισσότερο ως μαθηματικός Αρχιμήδης συνέταξε πολλές ποσοτικά ακριβείς μελέτες της μηχανικής και της υδροστατικής. Ακολούθησε το βιβλίο του Αριστοτέλη «Φυσικά», ένα από τα πρώτα γνωστά βιβλία για τη Φυσική, σε μια απόπειρα ορισμού και ανάλυσης της κίνησης από μια φιλοσοφική σκοπιά. Η Πτολεμαϊκή Αστρονομία με την υπόθεση για το «κρυστάλλινο στερέωμα» και γενικότερα διάφοροι Έλληνες φιλόσοφοι ανέπτυξαν και προώθησαν τις δικές τους θεωρίες για τη φύση, δημιουργώντας όλοι μαζί αυτό που είναι γνωστό ως φυσική φιλοσοφία, μέχρι τα τέλη του 18ου αιώνα. Από το 19ο αιώνα η Φυσική διαχωρίστηκε και από τη φιλοσοφία και από τις άλλες επιστήμες. Η Φυσική, όπως και οι υπόλοιπες επιστήμες, βασίζεται στη φιλοσοφία της επιστήμης για να δώσει μια ικανοποιητική περιγραφή της αποκαλούμενης επιστημονικής μεθόδου. Η επιστημονική μέθοδος αρχίζει από ένα δεκτό εκ των προτέρων (a priori) αξίωμα και διαμέσου μιας a posteriori λογικής  και χρησιμοποιεί μια Μπεϋζιανή (Bayesian) συμπερασματολογία για τη μέτρηση της ισχύος μιας συγκεκριμένης θεωρίας.
Η ανάπτυξη της Φυσικής απάντησε σε πολλά ζητήματα των προγενέστερων φυσικών φιλοσόφων, αλλά επίσης ανέδειξε νέα ζητήματα. Η μελέτη των φιλοσοφικών θεμάτων που αφορούν τη φυσική, δηλαδή τη φιλοσοφία της φυσικής, περιλαμβάνει θέματα όπως η φύση του χώρου και του χρόνου, η αιτιοκρατία, και μεταφυσικές αντιλήψεις όπως ο εμπειρισμός, ο νατουραλισμός και ο ρεαλισμός.
Πολλοί φυσικοί έχουν γράψει για τις φιλοσοφικές συνέπειες των εργασιών τους. Για παράδειγμα, ο Λαπλάς υπερασπίστηκε τον αιτιώδη ντετερμινισμό, και ο Σρέντινγκερ έγραψε για την κβαντική μηχανική. Ο μαθηματικός φυσικός Ρότζερ Πένροουζ (Roger Penrose) έχει αποκληθεί Πλατωνιστής από τον Στήβεν Χώκινγκ , μια άποψη του Πέντροουζ που «συζητά» στο βιβλίο του Ο δρόμος για την πραγματικότητα (The Road to Reality). Ο Χώκινγκ αναφέρεται στον εαυτό του ως «αναγωγικό χωρίς ντροπή» (unashamed reductionist) και παίρνει το ζήτημα με τις απόψεις του Πέντροουζ.

Σχέση με μαθηματικά και άλλες επιστήμες

H Φυσική σχετίζεται στενά με τις άλλες φυσικές επιστήμες όπως η χημεία. Η χημεία όντας η επιστήμη των μορίων και των δεσμών που μπορούν να σχηματίσουν τα άτομα μεταξύ τους, δανείζεται από τη φυσική το θεωρητικό υπόβαθρο για τη συμπεριφορά των ατόμων και των μορίων, το οποίο αναπτύσσεται σε τομείς της φυσικής όπως η κβαντομηχανική (εν προκειμένω κβαντική χημεία), η Ατομική Φυσική, η θερμοδυναμική και ο ηλεκτρομαγνητισμός.
Η Φυσική επίσης, έχει πολύ ιδιαίτερη σχέση με τα μαθηματικά, τα οποία παρέχουν το λογικό πλαίσιο ανάπτυξης και εδραίωσης των μοντέρνων θεωριών. Η διαφορά της φυσικής με τα μαθηματικά έγκειται στο ότι η φυσική χρησιμοποιεί τα μαθηματικά ως εργαλείο περιγραφής του υλικού κόσμου και των φαινομένων που τον διέπουν και τον χαρακτηρίζουν, ενώ τα μαθηματικά έχουν ως σκοπό την προώθηση του ίδιου του μαθηματικού λογισμού, χωρίς να υπόκεινται σε δεσμεύσεις ανάπτυξης υπό μία συγκεκριμένη σκοπιά. Ωστόσο, η διάκριση μεταξύ φυσικής και μαθηματικών δεν είναι πάντα ξεκάθαρη. Υπάρχει ένα ευρύ πεδίο έρευνας μεταξύ της φυσικής και των μαθηματικών, η μαθηματική φυσική, που είναι αφιερωμένη στην ανάπτυξη των μαθηματικών δομών που απαρτίζουν τις θεωρίες της φυσικής.

Βασικές φυσικές θεωρίες

Αν και οι φυσικοί μελετούν μια μεγάλη ποικιλία φαινομένων, υπάρχουν κάποιες θεωρίες οι οποίες χρησιμοποιούνται από όλους τους φυσικούς. Κάθε μία από αυτές τις θεωρίες έχει ελεγχθεί σε μεγάλο αριθμό πειραμάτων και έχει αποδειχθεί μια σωστή προσέγγιση της ίδιας της φύσης. Για παράδειγμα, η θεωρία της κλασικής μηχανικής περιγράφει με ακρίβεια την κίνηση των αντικειμένων, υπό την προϋπόθεση ότι είναι πολύ μεγαλύτερα από τα άτομα και πολύ πιο αργά από την ταχύτητα του φωτός. Ενώ αυτές οι θεωρίες έχουν κατανοηθεί και επεξεργαστεί για πολύ καιρό, συνεχίζουν να είναι πεδία ερευνών. Για παράδειγμα, μια αξιοσημείωτη πτυχή της κλασικής μηχανικής γνωστή ως θεωρία του χάους ανακαλύφθηκε τον 20ό αιώνα, τρεις αιώνες μετά την αρχική εγκαθίδρυση της κλασικής φυσικής από τον Ισαάκ Νεύτωνα. Οι κεντρικές θεωρίες είναι σημαντικά εργαλεία για περαιτέρω έρευνα σε πιο ειδικευμένα πεδία της φυσικής, και όλοι οι φυσικοί πρέπει να είναι καλά εκπαιδευμένοι και άνετοι πάνω σε αυτές.

Κλασική μηχανική

Η Κλασική μηχανική είναι ένα μοντέλο της φυσικής των δυνάμεων που ασκούνται σε κάποια σώματα. Συχνά αναφέρεται και ως "Νευτώνεια μηχανική" από τον Νεύτωνα και τους νόμους της κίνησης. Η κλασική μηχανική χωρίζεται στην στατική, όπου τα αντικείμενα είναι σε ηρεμία, στην κινηματική, όπου τα αντικείμενα είναι σε κίνηση, και στη δυναμική, η οποία περιγράφει αντικείμενα που υπόκεινται σε δυνάμεις. Η θεωρία ξεπερνιέται από τη σχετικιστική μηχανική για συστήματα που κινούνται με μεγάλες ταχύτητες, κοντά σε αυτή του φωτός, από την κβαντική μηχανική για συστήματα σε κλίμακα πολύ μικρών αποστάσεων, και από την σχετικιστική κβαντική μηχανική για συστήματα που ισχύουν και οι δύο παραπάνω ιδιότητες. Παρ' όλα αυτά, η κλασική μηχανική παραμένει πολύ χρήσιμη, καθώς εφαρμόζεται πολύ πιο εύκολα και απλά από αυτές τις άλλες θεωρίες, και έχει ένα αρκετά μεγάλο εύρος ισχύος. Η κλασική μηχανική μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να περιγράψει την κίνηση μακροσκοπικών αντικειμένων, στην κλίμακα του ανθρώπου (όπως μπάλες και αυτοκίνητα), πολλά αστρονομικά αντικείμενα (όπως πλανήτες και γαλαξίες), και μερικά μικροσκοπικά αντικείμενα (όπως τα οργανικά μόρια).

Ηλεκτρομαγνητισμός

Ο Ηλεκτρομαγνητισμός είναι η φυσική του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, ένα πεδίο της φυσικής που παράγεται από την παρουσία και την κίνηση φορτισμένων σωματιδίων και αναπτύσσει δυνάμεις μεταξύ τους. Η ηλεκτροδυναμική περιγράφει τη συμπεριφορά των κινούμενων φορτισμένων σωματιδίων που αλληλεπιδρούν με ηλεκτρομαγνητικά πεδία. Ο ηλεκτρομαγνητισμός περιγράφει διάφορα ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα του απτού κόσμου. Ουσιαστικά, το φως είναι ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο σε ταλάντωση, το οποίο ακτινοβολείται από επιταχυνόμενα φορτισμένα σωματίδια. Πέρα από τη βαρύτητα, σχεδόν όλες οι δυνάμεις που αντιλαμβανόμαστε στην καθημερινή μας ζωή, είναι αποτέλεσμα του ηλεκτρομαγνητισμού.

Θερμοδυναμική

Η Θερμοδυναμική είναι ο κλάδος της φυσικής που έχει να κάνει μη τη δράση της θερμότητας και τις μετατροπές της ενέργειας από τη μια μορφή στην άλλη. Η θερμοδυναμική ασχολείται συγκεκριμένα με το πώς αυτές οι αλλαγές επηρεάζουν μεγέθη όπως η θερμοκρασία, η πίεση, ο όγκος, η μηχανική δράση, η εντροπία και το έργο. Η Στατιστική μηχανική, που σχετίζεται με τη θερμοδυναμική, είναι ο κλάδος της φυσικής που αναλύει τα μακροσκοπικά θερμοδυναμικά συστήματα εφαρμόζοντας στατιστικές αρχές στα μικροσκοπικά τους στοιχεία. Μπορεί να εφαρμοστεί ώστε να υπολογιστούν οι θερμοδυναμικές ιδιότητες υλικών, από τις ιδιότητες των μορίων τους, κάτι που είναι η βάση της στατιστικής θερμοδυναμικής

Κβαντική μηχανική

Η Κβαντική μηχανική είναι ο κλάδος της μαθηματικής φυσικής που ασχολείται με ατομικά και υποατομικά συστήματα και την αλληλεπίδρασή τους με την ακτινοβολία. Βασίζεται στην παρατήρηση ότι όλες οι μορφές της ενέργειας απελευθερώνονται σε διακριτές μονάδες που καλούνται κβάντα. Η κβαντική μηχανική παρέχει μια φυσική θεωρία της ύλης που βασίζεται στην έννοια του κυματοσωματιδιακού δυϊσμού και παρέχει μια μαθηματική ερμηνεία της δομής και των αλληλεπιδράσεων της ύλης στη βάση αυτής της ιδιότητας-- επίσης καλείται και Κυματική μηχανική. Το ενδιαφέρον είναι πως η κβαντική θεωρία παρέχει μόνο πιθανούς ή στατιστικούς υπολογισμούς των παρατηρούμενων ιδιοτήτων των υποατομικών σωματιδίων, μέσω της κυματοσυνάρτησης. Η ανακάλυψη της κβαντικής μηχανικής στις αρχές του 20ού αιώνα υπήρξε επαναστατική για τη φυσική, και είναι πλέον θεμελιώδης στους περισσότερους κλάδους της σύγχρονης έρευνας.

Θεωρία και πείραμα

O τρόπος της έρευνας στη φυσική διαφέρει από τις περισσότερες επιστήμες, όσον αφορά το διαχωρισμό της θεωρίας με το πείραμα. Από τον 20ό αιώνα, οι περισσότεροι φυσικοί εξειδικεύονται είτε στη θεωρητική φυσική, είτε στην πειραματική φυσική. Ο σπουδαίος Ιταλός φυσικός Ενρίκο Φέρμι (1901–1954), ο οποίος έκανε θεμελιώδεις συνεισφορές και στη θεωρία και στα πειράματα στην πυρηνική φυσική, ήταν μια αξιοσημείωτη εξαίρεση. Αντίθετα, σχεδόν όλοι οι γνωστοί θεωρητικοί στη βιολογία και στη χημεία υπήρξαν και πειραματικοί.
Οι θεωρητικοί προσπαθούν να αναπτύξουν μέσω μαθηματικών μοντέλων διάφορες θεωρίες, οι οποίες μπορούν να περιγράφουν και να ερμηνεύουν υπάρχοντα πειραματικά αποτελέσματα, και να προβλέπουν επιτυχώς μελλοντικά αποτελέσματα, ενώ οι πειραματικοί εκτελούν πειράματα ώστε να εξερευνήσουν νέα φαινόμενα και να ελέγξουν τις θεωρητικές προβλέψεις. Αν και η θεωρία και το πείραμα αναπτύσσονται ξεχωριστά, εξαρτώνται πολύ το ένα από το άλλο. Η πρόοδος στη φυσική γίνεται συχνά όταν οι πειραματικοί ανακαλύπτουν κάτι που οι υπάρχουσες θεωρίες δεν έχουν λάβει υπ' όψιν, κάνοντας εμφανή την ανάγκη για δημιουργία νέων θεωριών. Παρόμοια, ιδέες που προκύπτουν από τη θεωρία, συχνά εμπνέουν νέα πειράματα. Χωρίς το πείραμα, η θεωρητική έρευνα μπορεί να πάρει λάθος δρόμο. Αυτό είναι και ένα από τα επιχειρήματα εναντίον της Θεωρίας-Μ, μιας δημοφιλούς θεωρίας στη φυσική υψηλών ενεργειών, για την οποία δεν έχουν εκτελεστεί ποτέ πειράματα.

Μελλοντικές κατευθύνσεις

Η έρευνα στη φυσική εξελίσσεται συνεχώς σε ένα μεγάλο αριθμό θεμάτων, και είναι πιθανό πως θα συνεχίσει έτσι για το άμεσο μέλλον.
Στη φυσική συμπυκνωμένης ύλης, το πιο μεγάλο άλυτο θεωρητικό πρόβλημα αφορά την εξήγηση της υψηλής θερμοκρασίας υπεραγωγιμότητας. Πολλές προσπάθειες, κυρίως πειραματικές, γίνονται ώστε να κατασκευαστούν κβαντικοί υπολογιστές και spintronics.
Στη σωματιδιακή φυσική, τα πρώτα κομμάτια πειραματικών αποδείξεων για τη φυσική πέρα από το καθιερωμένο μοντέλο αρχίζουν και παίρνουν τη θέση τους. Οι κυριότερες είναι οι ενδείξεις ότι τα νετρίνα έχουν μη μηδενική μάζα. Αυτά τα πειραματικά αποτελέσματα φαίνεται να έχουν λύσει το μακροχρόνιο πρόβλημα που αφορούσε τα ηλιακά νετρίνα. Η φυσική των νετρίνων είναι αυτή τη στιγμή ένα πεδίο ενεργούς θεωρητικής και πειραματικής έρευνας. Στα επόμενα χρόνια, οι επιταχυντές σωματιδίων θα αρχίσουν να πιάνουν ενέργειες της τάξης του TeV, όπου οι πειραματικοί φυσικοί ελπίζουν πως θα βρουν ενδείξεις για το μποζόνιο Χιγκς και τα υπερσυμμετρικά σωματίδια.

Οι θεωρητικές απόπειρες ένωσης της κβαντικής μηχανικής και της γενικής σχετικότητας σε μια μόνο θεωρία κβαντικής βαρύτητας, που γίνονται εδώ και μισό αιώνα περίπου, δεν έχουν αποδώσει καρπούς. Αυτή τη στιγμή, οι υποψήφιες θεωρίες είναι η Θεωρία-Μ, η Θεωρία Υπερχορδών και η Κβαντική βαρύτητα βρόχων.
Πολλά αστρονομικά και κοσμολογικά φαινόμενα δεν έχουν ακόμη εξηγηθεί ικανοποιητικά, συμπεριλαμβανομένης της βαρυονικής ασυμμετρίας, των πολύ υψηλών κοσμικών ακτίνων, της επιτάχυνσης του σύμπαντος και των ανώμαλους ρυθμούς στροφής των γαλαξιών.
Αν και μεγάλη πρόοδος έχει γίνει στην στην κβαντική φυσική, στην αστρονομία και στη φυσική υψηλών ενεργειών, πολλά καθημερινά φαινόμενα που συμπεριλαμβάνουν πολυπλοκότητα, χάος ή τύρβη δεν έχουν εξηγηθεί. Πολύπλοκα φαινόμενα που φαίνονται πως θα ήταν επιλύσιμα με απλή εφαρμογή της μηχανικής και δυναμικής, όπως η κατανομή των αμμόλοφων, το σχήμα των σταγόνων του νερού ή η γρήγορη ροή του νερού, παραμένουν άλυτα.