Vật lý học

Triết học vật lý

Theo nhiều cách, vật lý học bắt nguồn từ Triết học Hy Lạp cổ đại. Từ những cố gắng đầu tiên của Thales nhằm phân loại vật chất, cho đến lập luận của Democritus về vật chất cấu tạo bởi những hạt nhỏ không thể phân chia được, mô hình địa tâm của Ptolemy trong đó bầu trời là mái vòm đặc, và đến cuốn sách Vật lý của Aristotle (một trong những cuốn sách đầu tiên về vật lý, với nội dung mô tả và phân tích các chuyển động theo quan điểm triết học), và nhiều nhà triết học Hy Lạp khác đã tự phát triển những lý thuyết khác nhau về tự nhiên. Vật lý được coi là một ngành của triết học tự nhiên cho đến tận cuối thế kỷ XVIII.
Cho đến thế kỷ XIX, vật lý đã tách ra khỏi triết học và trở thành một ngành khoa học riêng. Vật lý, cũng như các ngành khoa học khác, dựa trên triết học của khoa học để đưa ra những miêu tả phù hợp cho phương pháp khoa học. Phương pháp khoa học áp dụng lý luận tiên nghiệm và hậu nghiệm và sử dụng suy luận Bayes trong đó các quan sát hay bằng chứng được dùng để cập nhật hoặc suy luận ra xác suất cho việc xem xét một giả thuyết có thể là đúng hay không.
Sự phát triển của vật lý học đã mang lại câu trả lời cho nhiều câu hỏi của các nhà triết học trước đây, nhưng cũng đặt ra nhiều câu hỏi mới. Các vấn đề của triết học trong vật lý, triết học của vật lý, bao gồm bản chất của không gian và thời gian, quyết định luận, và những lý thuyết trừu tượng như chủ nghĩa kinh nghiệm, chủ nghĩa tự nhiên và thực tại luận.
Nhiều nhà vật lý cũng đã viết về ý nghĩa triết học trong các công trình của họ, như Laplace, người đưa ra học thuyết quyết định luận nhân quả, và Erwin Schrödinger, khi ông viết về ý nghĩa thực tại của cơ học lượng tử. Stephen Hawking đã gọi nhà toán lý Roger Penrose là người theo chủ nghĩa Plato. Trong thảo luận ở cuốn sách của Penrose, The Road to Reality. Hawking coi Penrose là "người theo chủ nghĩa giản lược không biết đến xấu hổ" và không đồng tình với những quan điểm của Penrose.

Những lý thuyết cốt lõi

Mặc dù vật lý bao hàm rất nhiều hiện tượng trong tự nhiên, nhưng các nhà vật lý chỉ cần một số lý thuyết để miêu tả những hiện tượng này. Những lý thuyết này không những được kiểm tra bằng thực nghiệm rất nhiều lần với kết quả đúng xấp xỉ trong những phạm vi nhất định mà còn mang lại nhiều ứng dụng cho xã hội. Ví dụ, cơ học cổ điển miêu tả chính xác chuyển động của những vật vĩ mô lớn hơn nguyên tử nhiều lần và di chuyển với vận tốc nhỏ hơn nhiều tốc độ ánh sáng. Những lý thuyết này vẫn còn được nghiên cứu áp dụng cho tới ngày nay, và một nhánh của cơ học cổ điển là lý thuyết hỗn loạn mới chỉ hình thành từ thế kỷ XX, ba thế kỷ sau khi cơ học cổ điển ra đời từ những công trình của Isaac Newton (1642–1727).
Những lý thuyết trung tâm này là công cụ quan trọng cho nghiên cứu những vấn đề cụ thể, và đối với bất kỳ nhà vật lý nào, không kể họ quan tâm tới lĩnh vực nghiên cứu nào, cũng đều được học những lý thuyết này ở trường đại học. Chúng bao gồm cơ học cổ điển, cơ học lượng tử, nhiệt động lực học và cơ học thống kê, điện từ học, và thuyết tương đối hẹp.

Vật lý cổ điển

Vật lý cổ điển bao gồm những nhánh và chủ đề truyền thống đã được công nhận và phát triển hoàn thiện trước thế kỷ XX—cơ học cổ điển, âm học, quang học, nhiệt động lực học, và điện từ học.
Cơ học cổ điển nghiên cứu vật thể chịu tác dụng của lực cũng như trạng thái chuyển động của chúng; và có thể chia ra thành môn tĩnh học (nghiên cứu trạng thái đứng yên của vật), động học (nghiên cứu chuyển động của vật mà không xét tới nguyên nhân gây ra chuyển động), và động lực học (nghiên cứu chuyển động và lực ảnh hưởng lên vật); cơ học cũng có thể chia thành các môn cơ học vật rắn và cơ học chất lưu (cả hai môn này thuộc về cơ học môi trường liên tục), và cơ học chất lưu có những nhánh con như thủy tĩnh học, thủy động lực học, khí động lực học, và khí nén học (pneumatics).
Âm học, ngành nghiên cứu âm thanh, mà các nhà vật lý thường coi là một nhánh của cơ học bởi vì âm thanh là do chuyển động của các hạt hay phân tử trong không khí hoặc trong môi trường khác gây ra sóng âm và do đó có thể giải thích theo các định luật của cơ học. Một trong những nhánh quan trọng của âm học là siêu âm học, nghiên cứu sóng siêu âm với tần số cao hơn tần số nghe của con người.
Quang học, bộ môn nghiên cứu chuyển động của ánh sáng, không những chỉ nghiên cứu ánh sáng khả kiến mà còn bao gồm bức xạ hồng ngoại và tử ngoại, mà có tính chất tương tự như ánh sáng ngoại trừ mắt người không thể thấy được, như tính phản xạ, khúc xạ, giao thoa, nhiễu xạ, phân cực và khuếch tán ánh sáng.
Nhiệt lượng là một dạng năng lượng dự trữ trong vật chất nhờ vào chuyển động nhiệt hỗn loạn của các hạt cấu tạo nên vật chất; nhiệt động lực học nghiên cứu các mối liên hệ giữa nhiệt lượng và những dạng năng lượng khác hoặc với các khái niệm như entropy và môn này có liên hệ mật thiết với cơ học thống kê.
Điện học và từ học trở thành một ngành riêng của vật lý kể từ những khám phá mới liên quan đến chúng vào đầu thế kỷ XIX; với quy luật dòng điện chạy qua dây dẫn sinh ra từ trường và một từ trường biến đổi sinh ra dòng điện cảm ứng. Tĩnh điện học nghiên cứu các hạt điện tích đứng yên, Điện động lực học nghiên cứu hành xử của các điện tích chuyển động, và tĩnh từ học nghiên cứu các cực từ đứng yên, như nam châm.

Sự khác nhau giữa vật lý cổ điển và vật lý hiện đại

Trong khi vật lý học hướng đến phát hiện ra những định luật tổng quát miêu tả và giải thích các hiện tượng, thì các lý thuyết của nó áp dụng và đúng cho những phạm vi cụ thể. Nói một cách ngắn gọn, các định luật của vật lý cổ điển miêu tả chính xác những hệ thống có khoảng cách lớn hơn thang đo nguyên tử và chuyển động với vận tốc rất nhỏ so với tốc độ ánh sáng. Bên ngoài phạm vi này, những quan sát thực nghiệm không còn đúng với tiên đoán của cơ học cổ điển. Albert Einstein đóng góp vào khuôn khổ của thuyết tương đối hẹp, thay thế một không gian và thời gian tuyệt đối bằng không thời gian phụ thuộc vào tốc độ của hệ quy chiếu và miêu tả chính xác những hệ có vận tốc xấp xỉ tốc độ ánh sáng. Max Planck, Erwin Schrödinger, và những nhà khoa học khác khai phá cơ học lượng tử, với khái niệm phân bố xác suất liên quan đến các tính chất của hạt cũng như tương tác trao đổi giữa chúng và lý thuyết miêu tả một cách chính xác hành trạng của thế giới nguyên tử và hạt hạ nguyên tử. Sau đó, lý thuyết trường lượng tử thống nhất cơ học lượng tử và thuyết tương đối hẹp miêu tả các hạt vi mô chuyển động gần và bằng tốc độ ánh sáng. Thuyết tương đối rộng tổng quát thuyết tương đối hẹp, miêu tả không thời gian cong có tính động lực và phụ thuộc vào sự có mặt và tính chất của vật chất, nó miêu tả những vật thể khối lượng lớn và cấu trúc vĩ mô của toàn vũ trụ cũng như tiên đoán phù hợp với thực nghiệm về sự tiến hóa của vũ trụ. Các nhà vật lý lý thuyết vẫn chưa thống nhất được thuyết tương đối tổng quát miêu tả trường hấp dẫn với ba tương tác cơ bản miêu tả bởi cơ học lượng tử: tương tác mạnh, tương tác yếu và tương tác điện từ; và một vài lý thuyết về hấp dẫn lượng tử đã được đề xuất.

Tiền đề

Toán học là ngôn ngữ để miêu tả một cách gọn gàng và logic thứ bậc trong tự nhiên, đặc biệt là các định luật của vật lý. Điều này được chú ý và ủng hộ bởi Pythagoras, Plato, Galileo, và Newton.
Các lý thuyết vật lý sử dụng ngôn ngữ toán học để nhận được những công thức chính xác miêu tả các đại lượng vật lý, thu được những nghiệm chính xác hay những giá trị ước lượng và tiên đoán những hệ quả. Những kết quả thí nghiệm hay thực nghiệm của vật lý đều biểu hiện bằng giá trị số. Những công nghệ dựa trên toán học và máy tính, như khoa học tính toán đã đưa ngành vật lý tính toán trở thành lĩnh vực nhiều triển vọng.
Bản thể luận là một lý thuyết tiên quyết cho vật lý học, nhưng không phải cho toán học. Điều đó có nghĩa là vật lý hoàn toàn chỉ mô tả thế giới thực tại, trong khi toán học phát triển đưa ra nhiều ngành trừu tượng, thậm chí vượt khỏi phạm vi thế giới thực. Do vậy những phát biểu vật lý mang tính tổng hợp, trong khi các phát biểu toán học mang tính phân tích. Toán học chứa những tiên đề và giả thuyết, trong khi vật lý học dựa trên những định luật, các nguyên lý cơ bản và công cụ toán học. Các phát biểu toán học chỉ cần thỏa mãn về mặt logic, trong khi các tiên đoán của phát biểu vật lý phải phù hợp với dữ liệu quan sát và thực nghiệm.
Sự khác biệt giữa hai khoa học là rõ ràng, nhưng không phải lúc nào cũng vậy. Ví dụ, ngành vật lý toán áp dụng các công cụ toán học vào vật lý. Phương pháp nghiên cứu của nó bằng toán học, nhưng các đối tượng quan tâm thuộc về vật lý học. Vấn đề trong ngành này bắt đầu bằng "mô hình hóa toán học một hệ vật lý" và "miêu tả các định luật vật lý bằng toán học". Mỗi phát biểu toán học cho mỗi lời giải thường khó tìm được ý nghĩa vật lý trong đó. Lời giải toán học cuối cùng phải thể hiện ý nghĩa vật lý một cách dễ hiểu hơn bởi nó là điều mà người giải đang tìm.
Vật lý là một ngành khoa học cơ bản, không phải là khoa học ứng dụng. Nó là "khoa học cơ bản" bởi vì lĩnh vực nghiên cứu của mọi ngành khoa học tự nhiên như hóa học, thiên văn học, địa chất học, sinh học... đều bị chi phối bởi các định luật vật lý. Ví dụ, hóa học nghiên cứu tính chất, cấu trúc và phản ứng của vật chất (hóa học tập trung nghiên cứu thang nguyên tử và phân tử). Những cấu trúc và hợp chất hóa học hình thành và tuân theo tương tác điện từ, cũng như các định luật bảo toàn năng lượng, khối lượng và điện tích.

Phương pháp khoa học

Các nhà vật lý sử dụng các phương pháp khoa học để kiểm chứng một lý thuyết vật lý là đúng hay bác bỏ nó, sử dụng cách tiếp cận phương thức luận nhằm so sánh kết quả tiên đoán của lý thuyết với những giá trị thu được từ thí nghiệm hay quan trắc kiểm chứng nó; và do vậy hỗ trợ các nhà khoa học đi đến quyết định lý thuyết đó là đúng trong một phạm vi nhất định hay phải loại bỏ nó và đi tìm một lý thuyết khác lý giải các kết quả thực nghiệm.
Một định luật khoa học là một phát biểu súc tích hoặc thể hiện dưới công thức toán học liên hệ các đại lượng trong một nguyên lý cơ bản của lý thuyết, như định luật vạn vật hấp dẫn của Newton.

Phạm vi và mục đích

Vật lý học nghiên cứu nhiều hiện tượng, từ các hạt cơ bản (như quark, neutrino và electron) cho đến những siêu đám thiên hà. Bao quát những hiện tượng và vật chất cơ bản này là những thứ cấu thành lên mọi sự vật và hiện tượng khác. Do vậy vật lý còn được gọi là "khoa học cơ bản". Vật lý học có mục đích miêu tả càng nhiều hiện tượng khác nhau trong tự nhiên chỉ bằng một số nhỏ các quy luật đơn giản nhất. Do vậy, vật lý học nhằm mục đích liên hệ những thứ mà con người quan sát được với nguyên nhân gây ra chúng, và sau đó kết nối những nguyên nhân này với nhau.
Ví dụ, người Hy Lạp cổ đại đã biết rằng những vật như hổ phách khi chà vào lông thú có thể khiến hai vật hút nhau. Hiệu ứng này lần đầu tiên được nghiên cứu vào thế kỷ XVII, và gọi là điện học. Trong khi đó, từ lâu người ta cũng biết có những cục nam châm có thể hút thanh sắt và sử dụng làm la bàn, hay môn từ học. Do vậy, vật lý có mục đích hiểu được bản chất của hai hiện tượng theo một số nguyên nhân nào đó. Tuy vậy, những nghiên cứu sâu hơn trong thế kỷ XIX cho thấy hai lực này chỉ là những khía cạnh khác nhau của cùng một lực—lực điện từ. Quá trình "thống nhất" các lực vẫn còn tiếp tục cho đến ngày nay, và lực điện từ và lực hạt nhân yếu hiện nay được thống nhất thành tương tác điện yếu. Các nhà vật lý hy vọng cuối cùng sẽ tìm ra được lý thuyết thống nhất được cả bốn tương tác cơ bản trong tự nhiên (xem Nghiên cứu hiện tại ở dưới).

Vật lý nguyên tử, phân tử, và quang học

Vật lý nguyên tử, phân tử, và quang học (AMO) nghiên cứu tương tác giữa vật chất–vật chất và ánh sáng–vật chất trên cấp độ nguyên tử và phân tử. Cả ba ngành này có sự trao đổi qua lại lẫn nhau, chúng có thể sử dụng phương pháp nghiên cứu tương tự nhau, giống nhau về mức năng lượng của hệ nghiên cứu. Cả ba ngành đều có cách tiếp cận bao gồm của vật lý cổ điển, bán cổ điển và lượng tử; các nhà vật lý có thể xét ba lĩnh vực này từ cấp độ vi mô (ngược với quan điểm vĩ mô).
Vật lý nguyên tử nghiên cứu các lớp vỏ electron trong nguyên tử. Những nghiên cứu hiện tại tập trung vào điều khiển lượng tử, làm lạnh và bẫy nguyên tử và ion, động lực học va chạm giữa những hệ nhiệt độ thấp và hiệu ứng tương quan eletron trên cấu trúc và động lực của hệ. Vật lý nguyên tử cũng bị ảnh hưởng bởi kết quả nghiên cứu của vật lý hạt nhân (ví dụ như, cấu trúc siêu tinh tế), nhưng các hiệu ứng liên hạt nhân như phân hạch và tổng hợp hạt nhân được xem là thuộc về lĩnh vực vật lý năng lượng cao.
Vật lý phân tử tập trung vào các cấu trúc đa nguyên tử và những tương tác nội và ngoại phân tử với vật chất và ánh sáng. Vật lý quang học và ngành con quang học lượng tử khác với quang học cổ điển đó là nó không nghiên cứu cách điều khiển trường ánh sáng bằng phương pháp vĩ mô, thay vào đó là nghiên cứu các tính chất cơ bản của trường quang học và tương tác của chúng với vật chất trong thang vi mô.