Fisika

Astronomi kuno

Astronomi adalah ilmu alam tertua. Peradaban tertua yang tercatat sekitar tahun 3000 SM, seperti contohnya bangsa Sumeria, Mesir Kuno, dan Peradaban Lembah Indus. Semuanya memiliki pengetahuan prediktif dan pemahaman dasar mengenai pergerakan bulan, matahari, dan bintang. Bintang dan planet terkadang digunakan sebagai target penyembahan, mereka percaya bahwa itulah Tuhan mereka. Meskipun penjelasan mengenai fenomena ini seringkali tidak ilmiah dan lemahnya bukti yang ada, pengamatan awal ini menjadi dasar bagi ilmu astronomi berikutnya.
Menurut Asger Aaboe, awal mula dari astronomi dunia Barat dapat ditemukan di Mesopotamia, dan semua usaha Barat dalam ilmu eksak diturunkan dari zaman Babilonia akhir. Astronom Mesir meninggalkan monumen yang menunjukkan pengetahuan konstelasi dan pergerakan benda langit, sedangkan penyair Yunani Homer menuliskan berbagai benda langit dalam karyanya Iliad dan Odyssey; astronom Yunani berikutnya memberikan nama yang masih digunakan hingga saat ini, untuk sebagian besar konstelasi yang terlihat dari belahan utara.

Filsafat alam

Filsafat alam bersumber dari Yunani pada periode Arkais, (650 BCE – 480 BCE), ketika filsuf pra-Sokrates seperti Thales menolak penjelasan non-naturalistik untuk fenomena alam dan menyatakan bahwa setiap kejadian memiliki penyebab alamnya. Mereka mengusulkan ide yang dibuktikan dengan alasan dan pengamatan, dan banyak dari hipotesis mereka terbukti sukses dalam percobaan; contohnya, atomisme akhirnya dipastikan benar setelah 2000 tahun setelah pertama kali diajukan oleh Leukippos dan muridnya Demokritos.

Fisika dalam Islam Abad Pertengahan

Cendekiawan Islam telah menurunkan fisika Aristotelian dari Yunani dan selama Zaman Kejayaan Islam makin berkembang, menempatkan pengamatan dan pemikiran a priori sebagai fokusnya, mengembangkan bentuk awal dari metode ilmiah.
Penemuan paling penting adalah dalam bidang optik dan penglihatan, dihasilkan dari hasil karya banyak ilmuwan seperti Ibn Sahl, Al-Kindi, Ibn al-Haytham, Al-Farisi dan Avicenna. Hasil karya paling penting adalah The Book of Optics (juga dikenal dengan Kitāb al-Manāẓir), ditulis oleh Ibn Al-Haitham, di mana ia tidak hanya orang pertama yang menolak ide Yunani kuno mengenai penglihatan, tetapi juga memberikan teori baru. Di buku ini, ia juga yang pertama kali mempelajari studi kamera lubang jarum dan mengembangkannya. Dengan membedah dan menggunakan pengetahuan pemikir sebelumnya, ia dapat mulai menjelaskan bagaimana cahaya masuk ke mata, difokuskan, dan diproyeksikan kembali ke mata, serta membuat kamera obskura pertama di dunia ratusan sebelum pengembangan fotografi modern.
Tujuh volume buku Book of Optics (Kitab al-Manathir) berpengaruh besar dalam pemikiran lintas disiplin dari teori persepsi visual ke alam perspektif pada kesenian abad pertengahan baik di Timur maupun Barat, selama lebih dari 600 tahun. Banyak ilmuwan serta polimath Eropa berikutnya, mulai dari Robert Grosseteste dan Leonardo da Vinci hingga René Descartes, Johannes Kepler dan Isaac Newton, menggunakan pemikirannya. Pengaruh optika Ibn al-Haytham juga masuk dalam salah satu karya Newton berjudul sama, yang baru diterbitkan 700 tahun kemudian.
Terjemahan The Book of Optics memiliki dampak yang besar pada Eropa. Dimulai dari sana, cendekiawan Eropa dapat membuat peralatan yang sama seperti Ibn al-Haytham, dan memahami bagaimana cahaya bekerja. Dari sini, beberapa penemuan seperti kacamata, kaca pembesar, teleskop, dan kamera berkembang.

Fisika klasik

Fisika menjadi ilmu terpisah ketika orang awal Eropa modern menggunakan metode percobaan dan kuantitatif untuk menemukan apa yang disebut sebagai hukum fisika.
Pengembangan utama dalam periode ini diantaranya penggantian model geosentris tata surya dengan model Copernicus yang heliosentris, hukum yang mengatur gerak planet yang dikemukakan oleh Johannes Kepler antara tahun 1609 dan 1619, percobaan pada teleskop dan pengamatan astronomi oleh Galileo Galilei pada abad ke-16 dan ke-17, serta penemuan Isaac Newton mengenai hukum gerak dan hukum gravitasi universal. Newton juga mengembangkan kalkulus, studi perubahan matematis, yang memberikan metode matematika baru untuk menyelesaikan masalah-masalah fisika.
Penemuan hukum baru dalam termodinamika, kimia, dan elektromagnetisme dihasilkan dari usaha penelitian pada Revolusi Industri karena dibutuhkan tambahan energi. Hukum-hukum fisika klasik ini masih digunakan luas sampai saat ini untuk objek sehari-hari yang melaju dengan kecepatan non-relativistik, karena mereka memberikan perkiraan yang sangat baik pada kondisi tersebut. Teori-teori seperti mekanika kuantum dan teori relativistik dapat disederhanakan menjadi ekivalen klasiknya. Namun, ketidak-akuratan mekanika klasik untuk benda sangat kecil dan benda sangat cepat mendorong pengembangan fisika modern pada abad ke-20.

Fisika modern

Fisika modern berawal pada awal abad ke-20 ketika Max Planck melakukan penelitian pada teori kuantum dan Albert Einstein melakukan penelitian mengenai teori relativitas. Kedua teori ini muncul akibat ketidak-akuratan mekanika klasik pada kondisi tertentu. Mekanika klasik memprediksi bahwa laju cahaya beragam, tidak sesuai dengan laju konstan yang diperkirakan oleh persamaan Maxwell mengenai elektromagnetisme. Kesalahan ini akhirnya dikoreksi oleh Einstein melalui teorinya relativitas khusus, yang kemudian menggantikan mekanika klasik untuk benda bergerak-cepat dan kecepatannya mendekati laju cahaya. Radiasi benda-hitam juga menjadi masalah bagi fisika klasik, yang kemudian diperbaiki ketika Planck mengusulkan bahwa eksitasi osilator material hanya mungkin dalam langkah diskret (discrete step) sebanding dengan frekuensinya. Teori ini, bersama dengan efek fotolistrik dan kemudian menjadi teori yang lebih lengkap memprediksi tingkat energi diskret orbital elektron, akhirnya membuat teori mekanika kuantum menggantikan fisika klasik untuk tataran benda sangat kecil.
Mekanika kuantum muncul dipelopori oleh Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger dan Paul Dirac. Dari hasil karya awal ini, Model standar partikel fisika diturunkan. Setelah penemuan partikel dengan karakteristik yang konsisten dengan Higgs boson di CERN tahun 2012, semua partikel dasar yang diprediksi oleh model standar, muncul dan diperhitungkan; namun, fisika di luar Model Standar, seperti teori supersimetri, adalah area penelitian yang berkembang. Ilmu matematika secara umum penting dalam bidang ini, seperti studi probabilitas dan kelompok.

Teori inti

Meski fisika mempelajari berbagai macam sistem, teori tertentu digunakan oleh semua fisikawan. Setiap teori ini diuji coba dengan eksperimen berkali-kali dan menjadi perkiraan alam yang memadai. Contohnya, teori mekanika klasik menjelaskan gerak benda yang bergerak jauh lebih pelan dari laju cahaya dan berukuran jauh lebih besar dari atom. Teori ini masih menjadi area penelitian sampai sekarang. Teori chaos, aspek penting dalam mekanika klasik ditemukan abad ke-20, tiga abad setelah formulasi awal dari Isaac Newton (1642–1727).
Teori utama ini adalah alat yang penting bagi penelitian untuk menuju topik yang lebih terspesialisasi, dan fisikawan manapun, tidak peduli spesialisasinya apa, diharapkan untuk tahu. Diantaranya adalah mekanika klasik, mekanika kuantum, termodinamika, mekanika statistika, elektromagnetisme, dan relativitas khusus.

Fisika klasik

Fisika klasik mencakup diantaranya adalah cabang dan topik yang telah diketahui dan dikembangkan sebelum abad ke-20: mekanika klasik, akustik, optik, termodinamika, dan elektromagnetisme. Mekanika klasik mempelajari benda yang bergerak akibat gaya dan dapat dibagi menjadi statika (studi mengenai benda diam), kinematika (studi mengenai gerak tanpa peduli penyebabnya) dan dinamika (studi mengenai gerak dan gaya yang mempengaruhinya). Mekanika juga dapat dibagi menjadi mekanika padat dan mekanika fluida (dikenal bersama sebagai mekanika kontinuum), cabang turunannya seperti hidrostatik, hidrodinamika, aerodinamika, dan pneumatika. Akustik adalah studi mengenai bagaimana bunyi dibuat, dikontrol, dikirim, dan diterima. Cabang modern penting dari akustik diantaranya ultrasonik, studi mengenai gelombang bunyi pada frekuensi sangat tinggi diatas kemampuan manusia; bioakustik, fisika tentang pendengaran pada hewan, dan elektroakustik, manipulasi gelombang bunyi menggunakan elektronik.
Optik, studi mengenai cahaya, tidak hanya peduli pada cahaya tampak namun juga untuk inframerah dan radiasi ultraviolet, yang menjelaskan semua fenomena cahaya terlihat seperti pemantulan, refraksi, interferensi, difraksi, dispersi, dan polarisasi cahaya. Panas adalah salah satu bentuk energi, energi dalam yang dimiliki partikel yang berasal dari substansi pembentuknya; termodinamika mempejari hubungan antara panas dan bentuk energi lainnya. Listrik dan magnetisme dipelajari sebagai salah satu cabang fisika karena kedekatannya yang mulai diteliti awal abad ke-19; sebuah arus listrik dapat menimbulkan medan magnet, dan perubahan medan magnet menginduksi arus listrik. Elektrostatik mempelajari muatan listrik ketika diam, elektrodinamika dengan muatan bergerak, dan magnetostatik untuk kutub magnet saat diam.

Fisika modern

Fisika klasik sebagian besar berfokus pada materi dan energi pada skala pengamatan normal, sedangkan sebagian besar fisika modern berfokus pada perilaku materi dan energi pada kondisi ekstrim atau pada skala sangat besar/sangat kecil. Contohnya, atom dan fisika nuklir mempelajari materi pada skala kecil di mana elemen kimia dapat diidentifikasi. Fisika partikel elementer bahkan lebih kecil lagi karena fokusnya pada satuan materi paling dasar; cabang fisika ini dikenal sebagai fisika energi tinggi karena diperlukan energi luar biasa besar untuk memproduksi banyak tipe partikel pada pemercepat partikel. Pada skala ini, notasi biasa untuk ruang, waktu, materi, dan energi tidak valid lagi.
Dua teori utama fisika modern memberikan gambaran konsep yang berbeda mengenai ruang, waktu, dan materi dari fisika klasik. Mekanika klasik memperkirakan alam adalah kontinu, sedangkan teori kuantum fokus pada sifat alami diskret banyak fenomena pada skala atom dan subatom dan aspek tambahan partikel dan gelombang untuk menjelaskan fenomena ini. Teori relativitas fokus pada penjelasan fenomena yang bertempat pada sebuah kerangka acuan yang bergerak terhadap pengamat; teori relativitas khusus fokus pada gerak seragam relatif pada garis lurus dan teori relativitas umum dengan gerak dipercepat dan hubungannya dengan gravitasi. Teori kuantum dan teori relativitas digunakan pada semua area fisika modern.

Perbedaan antara fisika modern dan fisika klasik

Meski fisika bertujuan untuk menemukan hukum universal, teorinya bersandar pada domain penggunaan tertentu. Bicara umum, hukum fisika klasik dapat secara akurat menjelaskan sistem yang ukurannya lebih besar dari skala atom dan geraknya jauh lebih lambat dari kecepatan cahaya. Di luar ini, pengamatan yang ada tidak sesuai dengan prediksi yang dilakukan. Albert Einstein berkontribusi pada kerangka relativitas khusus, yang menggantikan notasi ruang dan waktu absolut dengan ruangwaktu dan memungkinkan deskripsi akurat mengenai sistem yang komponennya bergerak mendekati laju cahaya. Max Planck, Erwin Schrödinger, dan fisikawan lain memperkenalkan mekanika kuantum, notasi probabilistik partikel dan interaksinya yang memungkinkan deskripsi akurat pada skala atom dan subatom. Di akhir, teori medan kuantum menggabungkan mekanika kuantum dan relativitas khusus. Relativitas umum memungkinkan untuk ruangwaktu melengkung, dinamis, dengan sistem yang luar biasa masif dan struktur alam semesta skala besar dapat dijelaskan. Relativitas umum belum digabungkan; beberapa kandidat teori gravitasi kuantum sedang dikembangkan.

Fisika teoretis dan eksperimental

Budaya penelitian fisika berbeda dengan ilmu lainnya karena adanya pemisahan teori dan eksperimen. Sejak abad kedua puluh, kebanyakan fisikawan perseorangan mengkhususkan diri meneliti dalam fisika teoretis atau fisika eksperimental saja, dan pada abad kedua puluh, sedikit saja yang berhasil dalam kedua bidang tersebut. Sebaliknya, hampir semua teoris dalam biologi dan kimia juga merupakan eksperimentalis yang sukses.
Gampangnya, teoris berusaha mengembangkan teori yang dapat menjelaskan hasil eksperimen yang telah dicoba dan dapat memperkirakan hasil eksperimen yang akan datang. Sementara itu, eksperimentalis menyusun dan melaksanakan eksperimen untuk menguji perkiraan teoretis. Meskipun teori dan eksperimen dikembangkan secara terpisah, mereka saling bergantung. Kemajuan dalam fisika biasanya muncul ketika eksperimentalis membuat penemuan yang tak dapat dijelaskan dari teori yang ada, sehingga mengharuskan dirumuskannya teori-teori baru. Tanpa eksperimen, penelitian teoretis sering berjalan ke arah yang salah; salah satu contohnya adalah teori-M, teori populer dalam fisika energi-tinggi, karena eksperimen untuk mengujinya belum pernah disusun.

Fisika partikel

Fisika partikel adalah studi mengenai konstituen pembentuk materi dan energi dan interaksi di antara mereka. Selain itu, fisikawan partikel juga mendesain dan mengembangkan akselerator energi tinggi, detektor, dan program komputer yang diperlukan dalam penelitian ini. Cabang ini juga dikenal sebagai "fisika energi-tinggi" karena banyak partikel elementer tidak muncul secara alami namun hanya bisa dibuat ketika partikel saling bertabrakan dengan energi tinggi.
Saat ini, interaksi antara partikel elementer dan medan dijelaskan oleh Model Standar. Model ini mencakup 12 partikel materi yang diketahui (kuark dan lepton) yang berinteraksi melalui gaya fundamental kuat, lemah, dan elektromagnetik. Dinamika dijelaskan dalam hal partikel materi bertukar gauge boson (gluon, boson W dan Z, dan foton, berurutan). Model Standar juga memprediksi sebuah partikel yang dikenal sebagai Higgs boson. Bulan Juli 2012 CERN, laboratorium Eropa untuk fisika partikel, mengumumkan bahwa mereka mendeteksi sebuah partikel yang konsisten dengan Higgs boson, bagian integral dari mekanisme Higgs.
Fisika nuklir adalah cabang fisika yang mempelajari pembentuk dan interaksi nukleus atom. Aplikasi paling terkenal dari fisika nuklir adalah pembangkit listrik daya nuklir dan teknologi senjata nuklir, tetapi penelitiannya telah juga diaplikasikan di banyak bidang, seperti nuklir medis dan magnetic resonance imaging, implantasi ion dalam teknik material, dan penanggalan radiokarbon pada geologi dan arkeologi.

Fisika atomik, molekul, dan optik

Fisika atomik, molekul, dan optik mempelajari interaksi materi-materi dan materi-cahaya pada skala atom dan molekul tunggal. 3 bidang ini dikelompokkan menjadi satu karena antarhubungannya, kemiripan metode yang digunakan, dan skala energi yang relevan. Ketiga bidang ini tercakup di fisika klasik, semi-klasik, dan kuantum; dapat diperlakukan dari sudut pandang mikroskopik.
Fisika atom mempelajari atom. Penelitian saat ini berfokus pada kontrol kuantum, pendinginan, dan penangkapan atom dan ion, dinamika tabrakan suhu-rendah dan efek korelasi elektron pada struktur dan dinamika. Nukleus atom dipengaruhi oleh nukleus (cth. hyperfine splitting), tetapi fenomena antar-nuklir seperti fisi nuklir dan fusi nuklir dianggap sebagai bagian dari fisika energi tinggi.
Fisika molekul berfokus pada struktur multi atom dan interaksi dalam dan luar dengan materi dan cahaya. Fisika optik beda dengan optik dalam hal kecenderungan untuk berfokus bukan pada kontrol cahaya oleh benda makroskopik namun pada properti dasar medan optik dan interaksinya dengan materi pada skala mikroskopik.

Fisika zat terkondensasi

Fisika zat terkondensasi adalah bidang fisika yang mempelajari properti fisik materi berukuran makroskopik. Secara khusus, ia berkutat pada fasa terkondensasi yang muncul apabila jumlah partikel dalam sistem sangat besar dan interaksi di antara mereka kuat.
Salah satu contoh paling mudah dari fasa terkondensasi adalah padat dan cairan, yang muncul dari ikatan gaya elektromagnetik antar atom. Fasa terkondensasi lain diantaranya superfluida dan kondensat Bose–Einstein yang ditemukan pada sistem atomik tertentu pada temperatur sangat rendah, fasa superkonduktivitas yang ditunjukkan oleh elektron konduksi pada material tertentu, and fasa feromagnetik dan antiferomagnetik dari spin pada struktur kristal.
Fisika zat terkondensasi adalah bidang fisika kontemporer terbesar. Dari sejarahnya, fisika zat terkondensasi muncul dari fisika keadaan padat namun saat ini dianggap sebagai subbidang. Istilah fisika zat terkondensasi dicetuskan oleh Philip Anderson ketika ia menamai ulang penelitiannya pada tahun 1967. Tahun 1978, Divisi Fisika Fasa Padat di Perkumpulan Fisika Amerika diubah namanya menjadi Divisi Zat Terkondensasi. Fisika zat terkondensasi seringkali beririsan dengan kimia, ilmu material, nanoteknologi dan rekayasa.