Fizik

Kapsam ve amaçları

Fizik kuarklar, nötrinolar ve elektronlar gibi temel parçacıklardan galaksi süperkümelerine kadar çok geniş bir yelpazede birçok fenomeni inceler. Diğer her şeyin kendilerinden oluştuğu bu fenomenleri incelemesi itibarıyla fizik zaman zaman “temel bilim” olarak da anılır. Fizik doğadaki çeşit çeşit fenomeni daha basit fenomenlerle açıklamaya çalışır. Böylece fizik hem gözlemlenebilir şeyleri temel nedenlere indirgemeye hem de bu temel nedenleri birbirleriyle ilişkilendirmeye çalışır.
Örnek olarak, Antik Çin'de insanlar mıknatıs taşlarının birbirini görünmez bir kuvvet ile çektiğini gözlemledi. Bu etki sonradan manyetizma olarak isimlendirildi ve esaslı olarak ilk kez 17. yüzyılda incelendi. Çinlilerden kısa bir zaman önce Yunanlar da aynı görünmez kuvvetin amber gibi bazı cisimlerin hayvan postuna sürtüldüğünde ortaya çıktığını keşfettiler. Bu ise ilk kez yine 17. yüzyılda araştırıldı ve elektrik olarak isimlendirildi. Böylece fizik doğadaki gözlemleri iki temel nedene indirgemiş oldu. Bunun üzerine, 19. yüzyılda bu iki kuvvetin aslında tek bir kuvvetin, elektromanyetik kuvvetin, iki farklı görünümü olduğu keşfedildi. Bu “birleştirme” süreci günümüzde de devam etmektedir; bugün elektromanyetizma ve zayıf nükleer çekimin, bunlardan daha temel olan elektrozayıf etkileşimin iki farklı görünümü olduğu düşünülmektedir. Fizik doğanın neden bu şekilde olduğuna dair nihai bir neden (Her Şeyin Teorisi) bulma yoluna devam ediyor.

Bilimsel metot

Fiziksel teorilerin geçerliliği bilimsel metot ile test edilir. Araştırılan teorinin sonuçları teoriyi test etmek için uygulanan deney verileriyle karşılaştırılır; deney ve gözlemlerden elde edilen bilgiler toplanır ve teorinin tahmin ve öngörüleriyle kıyaslanır, buna göre teorinin geçerli olup olmadığına karar verilir.
Deneysel verilerle çok iyi derecede örtüşen ve hiç yalanlanmamış teoriler sıklıkla bilimsel yasa ya da doğa yasası olarak adlandırılır. Tabii ki, bilimsel yasalar da dahil olmak üzere bütün teoriler deneylerle herhangi bir ters düşme söz konusu olduğunda daha tutarlı ve genel teorilerle değiştirilip düzeltilebilir.

Matematik ve diğer bilimlerle ilişkisi

Assayer'de (1622), Galileo, matematiğin doğanın kendi yasalarını belirttiği dil olduğunu söyler. Fizikteki çoğu deneysel sonuç numerik ölçümler şeklinde gelir ve teoriler bu matematiksel sonuçları karşılamak için matematiksel formda olurlar.
Fizik yasaların keskin olarak formülize edilebileceği mantıksal çerçeveyi sağlamak ve öngörüleri sayısal olarak ortaya koymak için matematiği kullanır. Analitik çözümlerin bulunamadığı durumlarda sayısal analiz yapılır ve simülasyonlar kullanılabilir.
Fizik ile matematik arasındaki temel fark fiziğin nihai olarak materyal gerçekliğin açıklanmasıyla ilgileniyor olduğudur. Fizik teorilerin öngörülerini deney ve gözlem sonuçlarıyla karşılaştırmak suretiyle ilerler, öte yandan matematik dünyada gözlemlenebilecek şeylerin ötesinde, soyut kalıplarla ilgilenir. Buna rağmen ikisinin arasındaki fark çok kesin sınırlarla çizili değildir. Fizik ile matematik arasında kalan geniş bir araştırma sahası vardır; matematiksel fizik.
Fizik öz itibarıyla diğer birçok bilim ile iç içedir, uygulamalı alanlarının mühendislik ve medikal bilimlerle iç içe olduğu gibi. Fiziğin prensipleri diğer doğa bilimlerinde de kendini gösterir, özellikle her türlü materyal sistem için geçerli olan enerjinin korunumu yasası gibi. Süperiletkenlik gibi bazı diğer fenomenler ise bu temel yasalardan türetilirler ve kendileri temel yasa değildir çünkü sadece belli başlı bazı sistemlerde kendilerini gösterirler.
Fiziğin (bazen kimyayı da içerecek biçimde) genellikle “temel bilim” olarak anılıyor oluşu diğer tüm disiplinlerin (biyoloji, kimya, jeoloji, malzeme bilimi, mühendislik, medikal bilimler) temel fizik yasalarına uyan belirli materyal sistemlerle ilgileniyor olduğundandır. Örneğin kimya madde kümelerinin (atom ve moleküllerden oluşan gaz ve sıvılar gibi) ve kimyasal maddelerin değişiminden kaynaklanan, kimyasal reaksiyon denilen süreçlerin incelenişidir. Kimyasal bileşenlerin yapısı, aktivitesi ve özellikleri onları oluşturan moleküllerin özelliklerinden çıkartılabilir. Bu temel özellikler kuantum mekaniği, kuantum kimyası, termodinamik ve elektromanyetizma gibi fiziğin alanlarıyla tanımlanır.

Araştırma alanları

Günümüzdeki araştırma alanları kabaca katı hal fiziği, atomik, moleküler ve optik fizik, parçacık fiziği,  astrofizik, jeofizik ve biyofizik olarak sıralanabilir. Bazı fizik bölümlerinde fizik eğitimi alanında da araştırmalar yapılmaktadır.
20. yüzyıldan bu yana fiziğin spesifik alanları oldukça özelleşmiştir ve çoğu fizikçi kariyeri boyunca sadece tek bir alanla ilgilenir olmuştur. Albert Einstein ve (1879-1955) ve Lev Landau (1908-1968) gibi fiziğin birden çok alanıyla ilgilenenler günümüzde çok az sayıdadır.
Fiziğin temel alanları, onlara bağlı alt branşlar ve teoriler

Atomik, moleküler, nükleer ve optik fizik

Atomik, moleküler ve optik fizik (AMO) bir ya da birkaç atomdan oluşan yapılar düzeyinde madde-madde ve madde-ışık etkileşimini inceler. Üç alan birbirleriyle karşılıklı ilişkileri, kullandıkları metotların benzerliği, enerji düzeylerinin ortaklığı sebebiyle tek bir isim altında toplanmıştır. Üç alan da hem klasik hem kuantum uygulamalarını içerir, makroskopik analizin tersine etkileşimlere mikroskopik analiz ile de yaklaşabilirler.
Atomik fizik atomlardaki elektron kabuklarıyla ilgilenir. Günümüzde atom ve iyonların kuantum kontrolü, soğutması ve çarpıştırılmasına, zayıf etkileşimli gazların (Bose-Einstein yoğuşması ve seyreltik Fermi dejenere sistemleri gibi) kolektif davranışlarına, fiziğin temel sabitlerinin yüksek duyarlılıkla ölçülmesine ve yapı ve dinamik üzerinde elektron korelasyonunun etkisine odaklanılmıştır. Atomik fizik çekirdek fiziği tarafından etkilenir fakat çekirdekler arası fizyon ve füsyon etkileşimleri yüksek enerji fiziğinin alanına dahildir.
Moleküler fizik çoklu-atom yapılarıyla ve bu yapıların madde-ışık bağlamında iç ve dış etkileşimleriyle ilgilenir. Optik fizik optikten farklı bir disiplindir, optik makroskopik objeler ve klasik ışık alanlarının kontrolüyle ilgilenirken optik fizik optik alanların temel özellikleri ve mikroskopik düzeyde madde ile etkileşimini inceler.
Atom Fiziği, maddelerin yapısını oluşturan atom ve atomlar arası ilişkileri, atomların ve moleküllerin yapılarını, dalga fonksiyonları, enerji düzeyleri, moleküler bağlar gibi atom fiziği kapsamındaki konuları irdeleyen bir fizik dalıdır.
Optik; ışığın yapısını, ışığın kırılmasını, ışığın yansımasını ve kırınımını, ışığın girişim olaylarını ve ışığın davranışını, özelliklerini, madde ile etkileşimini inceleyen fizik dalıdır. Mercek, dürbün, mikroskop, teleskop gibi araçlar yapılırken fiziğin optik dalından yararlanılmaktadır.
Nükleer Fizik ya da Çekirdek Fiziği, Atom çekirdeklerindeki olaylar bütünü ve etkileşimlerini inceleyen, çekirdeklerde bulunan parçacıkları; nötron ve protonları bir arada tutan nükleer kuvvetleri ve bunların etkileşimlerini inceleyen fizik daldır. Nükleer fizik uygulama alanları; nükleer tıp, manyetik rezosans, iyon implantasyonundan nükleer enerji üretilmesi, nükleer silah teknolojisi vb. alanlardır. Nükleer fizik, 1896 yılında Henri Becquerel ’in uranyum tuzlarının fosforesansını araştırırken radyoaktiviteyi keşfiyle başlamış, 1 yıl sonrasında  J.J. Thomson ‘un elektronu keşfetmesi ve atomun iç yapıya sahip olduğunun farkedilmesiyle gelişim göstermiştir.

Manyetizma ve elektrik fiziği

Elektrik Fizik ya da Elektrik Fiziği; Elektrik yükünü, elektrik yükünün hareketleriyle oluşan elektirk akımını, yükün hareketsiz durumu ve potansiyelini inceleyen fizik dalıdır.
Manyetizma Fiziği, Demir, Nikel, Kobalt (Fe, Ni ve Co) benzeri maddeleri çeken cisimleri, mıknatısın çevresinde oluşan manyetik alan, manyetik kuvvet ve bunların etkileşimlerini araştıran fizik dalıdır.

Temel fizik

Evrensel kanunları bulmaya çalışan fiziğin teorilerinin farklı uygulama alanları vardır. Kabaca, klasik fiziğin yasaları atomik boyutların üzerinde ve ışık hızının altında olan sistemleri açıklamak için yeterli bir çerçeve sunar. Bu ön gereksinimler karşılanmadığında gözlemler klasik fiziğin tahminleriyle örtüşmez. Albert Einstein mutlak zaman ve mekan kavramları yerine uzay-zaman kavramını koyan özel görelilik kuramını geliştirdi ve böylece ışık hızına yaklaşan hızlardaki sistemleri açıklamak mümkün oldu. Max Planck, Erwin Schrödinger ve diğerlerinin atomik ve atomaltı boyutlardaki sistemleri açıklamak için parçacıkların ve etkileşimlerin olasılıksal algılanışını içeren kuantum mekaniğini ortaya atmaları ile çok küçük boyutlardaki sistemleri deneylerle tutarlı bir biçimde açıklayabiliyoruz. Daha sonra, kuantum alan teorisi kuantum mekaniği ve özel göreliliği birleştirdi. Genel relativite yüksek kütleli ve büyük boyutlu yapıların açıklanması için dinamik, doğrusal olmayan bir uzay-zaman kavrayışı ortaya attı fakat bu teori diğer temel açıklamalarla henüz birleştirilemedi; söz konusu birleştirme için kuantum gravitasyonunu açıklayacak aday teoriler halen geliştirilmekte.

Uygulamaları ve etkileri

Uygulamalı fizik, genel olarak, fiziğin özel bir kullanım sahasında geliştirilmesidir. Bir uygulamalı fizik programı genellikle jeoloji ve elektrik mühendisliği gibi birkaç uygulama disiplininden dersler içerir. Mühendislikten temel farklı uygulamalı fizikçinin özel bir düzenek tasarlamaması, bunun yerine, yeni teknolojilerin gelişimi ya da belli bir problemin çözümü için fiziği kullanmasıdır.
Yaklaşım uygulamalı matematiğin yaklaşımının benzeridir. Uygulamalı fizikçiler aynı zamanda fiziğin bilimsel araştırmada kullanımıyla da ilgilenebilirler. Örneğin akseleratör fiziğiyle ilgilenen fizikçiler daha iyi parçacık detektörlerinin yapımı için çalışabilirler.
Fiziğin mühendislikte geniş bir uygulama sahası vardır. Örneğin mekaniğin bir alt kolu olan statik köprü ve benzeri yapıların inşasında kullanılır. Akustiğin daha iyi anlaşılması daha efektif konser salonlarının yapılması için, benzer şekilde optiğin daha iyi anlaşılması optiksel araçların daha iyi ve kullanışlı üretilmesi için teorik zemin sağlar. Fiziğin anlaşılması daha gerçekçi uçuş simülasyonları, bilgisayar oyunları ve filmlerin üretilmesine yardım eder.
Standart kabule göre fizik yasaları evrenseldir ve zamanla değişmez; bu nedenle, belirsizlik içinde kalınan bazı sorunların çözümü için de fizik kullanılır. Örneğin, Dünya'nın merkezinin araştırılması ancak Dünya'nın kütlesi, sıcaklığı ve dönüş oranının bilinmesiyle mümkündür. Aynı zamanda fizik mühendislikte simülasyon üretilmesini sağlayarak yeni teknolojilerin gelişmesinde çok büyük bir rol oynar.
Fizikte interdisipliner (disiplinler arası) yöntemlerin yeri önemlidir ve diğer birçok alan fizik tarafından etkilenmektedir, örnek olarak ekonofizik ve sosyofizik verilebilir.