Fizika

Fizika (gr. φυσικός (physikos): natūralus, φύσις (physis): gamta) – gamtos mokslas, tiriantis visas materijos formas: nuo submikroskopinių dalelių, iš kurių sudarytos visos įprastinės medžiagos (dalelių fizika), iki visos materialios Visatos elgesio (kosmologija).
Kai kurios fizikos studijuojamos savybės yra bendros visoms materialioms sistemoms, pavyzdžiui, energijos tvermės dėsnis. Tokios savybės kartais yra vadinamos dėsniais. Taip pat fizika kartais vadinama „fundamentaliuoju mokslu“, nes visi kiti gamtos mokslai – (biologija, chemija, geologija ir pan.) – tiria tam tikras materialias sistemas, kurios savo ruožtu paklūsta fizikos dėsniams. Pavyzdžiui, chemija yra molekulių ir chemikalų, kurios tos molekulės sudaro, mokslas. Tų molekulių chemines savybes apibrėžia atitinkamos fizikinės savybės, tokios kaip kvantinės mechanikos, termodinamikos ir elektromagnetizmo.
Fizika yra artimai susijusi su matematika. Fizikos teorijos praktiškai visuomet aprašomos matematikos lygtimis. Dažniausiai matematinis fizikos modelis yra sudėtingesnis nei kitus gamtos mokslus aprašantis matematinis modelis. Esminis skirtumas tarp fizikos ir matematikos yra tas, kad fizikos tyrimų objektas yra materialus pasaulis, o matematika tiria abstrakčius dėsnius, nepriklausomai nuo to, ar jie turi prasmę materialiam pasaulyje. Tačiau skirtumas nėra visuomet aiškus. Didelė tyrimų dalis yra tarpinė, vadinama matematine fizika, kuri tiria matematinę fizikinių teorijų struktūrą.

Fizikos metodai

Fizikinių tyrimų kultūra skiriasi nuo kitų mokslų tuo, kad atskiria teoriją nuo eksperimento. Pradedant XX amžiumi, dauguma fizikų specializavosi arba teorinėje fizikoje, arba eksperimentinėje fizikoje, ir labai retas buvo labai sėkmingas abiejose. Tai skiriasi nuo, pavyzdžiui, chemijos ar biologijos, kur žymiausi teoretikai buvo ir eksperimentuotojai.
Kalbant apibendrintai, teoretikai vysto teorijas, kurios gali paaiškinti eksperimentų rezultatus, o eksperimentuotojai kuria ir vykdo eksperimentus, galinčius patikrinti teorinius spėjimus. Nors teorija ir eksperimentai kuriami atskirai, jie labai susiję. Fizikoje progresas dažniausiai įvyksta tada, kai eksperimentų rezultatų negali paaiškinti esamos teorijos. Tuomet kuriamos naujos teorijos, kurios galėtų paaiškinti naujų stebėjimų rezultatus. Be eksperimentų teorinės fizikos tyrimai dažnai nukrypsta neteisinga kryptimi. Tai pagrindinis argumentas prieš M teoriją – populiarią aukštos energijos fizikos teoriją, kuriai eksperimentas dar nėra sugalvotas.

Susijusios sritys

Yra daug sričių, kurios apjungia fiziką su kitom disciplinom. Pavyzdžiui, biofizika yra skirta fizikiniams principams, kurie daro įtaką biologinėms sistemoms. Kvantinė chemija tiria, kaip kvantinės mechanikos savybės kuria molekulių chemines savybes. Kai kurios iš tokių sričių yra išvardinta žemiau:
Akustika – Astronomija – Biofizika – Elektronika – Matematinė fizika

Istorija

Nuo Antikos laikų žmonės bandė suprasti materijos elgesį ir savybes: kodėl paleisti daiktai krenta žemyn, kodėl skirtingos medžiagos pasižymi skirtingomis savybėmis, ir pan. Paslaptis gaubė ir visatos keliamus klausimus – Žemės forma, kosmoso šviesulių Saulės, Mėnulio, planetų bei žvaigždžių judėjimas ir kilmė. Buvo sukurta keletas teorijų, dauguma iš jų buvo neteisingos. Tos teorijos buvo labiau filosofinio pobūdžio, niekada nepatikrintos naudojant mokslinio metodo sistemą. Tačiau būta ir išimčių, anachronizmų: pavydžiui, graikų mąstytojas Archimedas išvedė daug kiekybinių mechanikos ir hidrostatikos formulių. Pirmasis terminą fizika panaudojo Aristotelis IV amžiuje pr. m. e.
XVII a. pradžioje Galilėjus pradėjo naudoti eksperimentus siekdamas patikrinti teorijų teisingumą, tuo padėdamas pagrindus moksliniam metodui. Galilėjus suformulavo ir sėkmingai patikrino keletą dinamikos rezultatų. 1687 m. Izaokas Niutonas išleido knygą „Philosophiae Naturalis Principia Mathematica“ (liet. Matematiniai gamtos filosofijos pagrindai), kurioje aprašomos dvi išsamios fizikos teorijos: Niutono judėjimo dėsniai, iš kurių kilo klasikinė mechanika ir Niutono gravitacijos dėsnis, aprašantis fundamentalią gravitacijos jėgą. Abi teorijos sutapo su eksperimentais. Knygoje taip pat aprašytos kelios skysčių dinamikos teorijos. Klasikinės mechanikos teorijos vėliau buvo išsamiai išnagrinėtos Džosefo Lui Lagranžo, Viljamo Hamiltono ir kitų, kurie sukūrė naujas formuluotes, principus bei gavo naujus rezultatus. Gravitacijos dėsnis padėjo pagrindą naujai astrofizikos sričiai, kuri pasinaudodama fizikos teorijomis nagrinėja astronominius reiškinius.
XVIII a. Robertas Boilis ir kiti išvystė termodinamikos teoriją. 1733 m. Danielius Bernulis naudojo statistinius metodus ir klasikinę mechaniką aprašyti termodinamikos rezultatus, tuo padėdamas pagrindus statistinei mechanikai. 1798 m. Bendžaminas Tompsonas pademonstravo mechaninio darbo virtimą šiluma. 1874 m. Džeimsas Preskotas Džaulis nustatė energijos tvermės dėsnį, apjungiantį šiluminę ir mechaninę energijas.
Elektros ir magnetizmo savybes tyrė Maiklas Faradėjus, Džordžas Omas ir kt. 1855 m. Džeimsas Klarkas Maksvelas sujungė abu reiškinius į vieną elektromagnetizmo teoriją, suformuluodamas Maksvelio lygtis. Ši teorija teigė, kad šviesa yra elektromagnetinė banga.
1895 m. Vilhelmas Rentgenas atrado spindulius, dabar vadinamus jo vardu. Kaip vėliau paaiškėjo, tai buvo itin aukšto dažnio elektromagnetinis spinduliavimas. 1896 m. Henris Bekerelis atrado radioaktyvumą, kurį vėliau tyrė Marija Kiuri, Pjeras Kiuri ir kt. Tai padėjo pagrindus branduolio teorijai.
1897 m. Džozefas Džonas Tomsonas atrado elektroną. 1904 m. jis pasiūlė pirmą atomo modelį, pavadintą „slyvų pudingo modelis“. Galimybę, kad elementariosios medžiagos dalelės – atomai – egzistuoja, 1808 m. pasiūlė Džonas Daltonas.
1905 m. Albertas Einšteinas suformulavo specialiąją reliatyvumo teoriją, apjungdamas erdvę ir laiką į vieną – erdvėlaikį. Reliatyvumo teorija aprašo transformacijas tarp atskaitos sistemų, kurios skiriasi nuo klasikinės mechanikos. Tai tapo reliatyvistinės mechanikos pagrindu. Kai objektai juda mažais greičiais, abi teorijos sutampa. 1915 m. Einšteinas išplėtė specialiąją reliatyvumo teoriją, paaiškindamas gravitaciją bendrojoje reliatyvumo teorijoje, pastarąja pakeisdamas Niutono gravitacijos dėsnį. Objektams, turintiems mažą masę ir energiją, abi teorijos duoda vienodus rezultatus.
1911 m. Ernestas Rezerfordas iš sklaidos eksperimentų nuspėjo atomo branduolio, kuris sudarytas iš teigiamą krūvį turinčių dalelių protonų, egzistavimą. 1932 m. Džeimas Čadvikas atrado neutronus – daleles, neturinčios krūvio.
Pradedant 1900 m., Maksas Plankas, Einšteinas, Nilsas Boras ir kiti kūrė teorijas, pagrįstas kvantavimu, siekdami paaiškinti įvairius anomalius eksperimentų rezultatus. 1925 m. Verneris Heizenbergas, 1926 m. Ervinas Šriodingeris ir Polis Dirakas formulavo kvantinę mechaniką, kuri pagrindė iki tol sukurtas teorijas. Kvantinėje mechanikoje fizinių dalelių matavimai yra iš prigimties atsitiktiniai, o kvantinės mechanikos formulės leidžia apskaičiuoti tų matavimų tikimybes. Ši teorija sėkmingai aprašo materijos elgesį ypač mažuose atstumuose – atominiame ir subatominiame lygyje.
Kvantinė mechanika padėjo sukurti kondensuotųjų medžiagų fizikai, kuri tiria kristalines struktūras, puslaidininkius, superlaidininkus. Šios srities pionieriumi buvo Feliksas Blochas. Jis 1928 m. sukūrė elektronų kristalinėje struktūroje elgesio kvantinį modelį.
Per Antrąjį pasaulinį karą abi kariaujančios pusės vystė branduolio fiziką siekdamos sukurti branduolinę bombą. Vokiečiai, vadovaujami Heizenbergo, tikslo nepasiekė, tačiau sąjungininkų Manheteno projektas buvo sėkmingas. JAV Enriko Fermio vadovaujama komanda 1942 m. įvykdė pirmą žmogaus sukurtą grandininę branduolinę reakciją, o 1945 m. netoli Alamogordo, Nju Meksiko valstijoje, buvo detonuotas pirmas branduolinis užtaisas.
Bandant kvantinę mechaninką sujungti su specialiąja reliatyvumo teorija, buvo sukurta kvantinio lauko teorija. Penkto dešimtmečio gale ją suformulavo Ričardas Feinmanas, Džulianas Švingeris ir Frymanas Daisonas. Jie suformulavo kvantinės elektrodinamikos teoriją, kuri aprašo elektromagnetinę sąveiką.
Kvantinio lauko teorija tapo modernios dalelių fizikos pagrindu. Dalelių fizika tiria elementariąsias daleles ir fundamentalias sąveikas. 1954 m. Chen Ning Yang ir Robertas Milsas suformulavo teorijas, kurios leido sukurti standartinį modelį. Standartinis modelis, užbaigtas aštuntame XX amžiaus dešimtmetyje, sėkmingai aprašo beveik visas iki šiol atrastas elementarias daleles.
2012 m. CERN atrasta dalelė, savo savybėmis atitinkanti  Higso bozoną.
Jungtinės Tautos 2005 m. paskelbė pasaulio fizikos metais.

Fizika Lietuvoje

Fizikos srityje dirbo daugelis žinomų Vilniaus universiteto profesorių: Osvaldas Krygeris (1598–1665), Tomas Žebrauskas (1714–1758), Juozapas Mickevičius (1743–1817), Steponas Stubelevičius (1762–1814) ir kiti.

Ateities kryptys

Kondensuotųjų medžiagų fizikoje didžiausia neišspręsta teorinė problema yra aukštos temperatūros superlaidumo paaiškinimas. Taip pat intensyviai vykdomi eksperimentai, kuriais siekiama sukurti veikiančią spintroniką ir kvantinį kompiuterį.
Dalelių fizikoje vykdyti eksperimentais gauti rezultatai leidžia teigti, kad standartinis modelis nėra baigtas. Didžiausias to įrodymas yra tai, kad neutrinai nėra masės neturinčios dalelės. Šie eksperimentai atrodo paaiškino ilgai neišspręstą Saulės neutrinų problemą. Sunkių neutrinų fizika yra aktyviai tyrinėjama tiek teoriškai, tiek ir eksperimentiškai. Per ateinančius keletą metų pradės veikti nauji dalelių greitintuvai (plačiau – LHC) kurie leis pagreitinti daleles iki kelių teraelektronvoltų (TeV) energijų. Tokiu būdu tikimasi atrasti Higso bozono ir supersimetrinių dalelių įrodymus.
Teoriniai bandymai sujungti kvantinę mechaniką ir bendrąjį reliatyvumą į vieningą teorija – kvantinę gravitaciją– tikslas, kurio siekiama jau daugiau nei 50 metų – vis dar nedavė patenkinamų rezultatų. Šiuo metu vilčių teikia M-teorija.
Vis dar lieka nepaaiškinta daug astronominių reiškinių. Tarp jų ultra aukštos energijos kosminiai spinduliai ir galaktikų sukimosi problema. Sukurta keletas teorijų, bandančių paaiškinti stebėjimus: dvigubai speciali reliatyvumo teorija, modifikuota Niutono dinamika, tamsiosios medžiagos egzistavimas. 1998 metais, remiantis Ia tipo supernovų stebėjimų duomenimis, buvo aptikta, kad Visatos plėtimasis greitėja. Tai privertė peržiūrėti ankstesnes kosmologines teorijas ir įvesti tamsiosios energijos sąvoką.