Fizika

Fizika (, physis — ‘daba’) ir dabaszinātne, kurā tiek pētītas matērijas un enerģijas īpašības, to mijiedarbība laikā un telpā. Šī zinātne aplūko tādus jēdzienus kā, piemēram, spēks, enerģija, masa un lādiņš. Kā eksperimentālai zinātnei, tās mērķis ir izprast dabas likumus.

Fizika ir viena no vecākajām zinātnēm. Viena no fizikas nozarēm ir astronomija, tādēļ fiziku var saukt arī par pašu vecāko zinātni. Fizika ir cieši saistīta arī ar citām zinātnēm, piemēram, ar ķīmiju, bioloģiju, matemātiku un pat ar filozofiju. Ķīmijā it sevišķi izmanto atklājumus kvantu mehānikā, elektromagnētismā un termodinamikā. 17. gadsimtā, kad sākās zinātniskā revolūcija, fiziku vairs nevarēja strikti atdalīt no citām zinātnēm.

Fizikas atklājumi bieži tiek izmantoti tehnoloģiju jomā. Piemēram, elektromagnētisma izprašana ļāva izgudrot dažādas sadzīvē noderīgas elektriskas ierīces (televizorus, datorus, elektropreces utt.). Savukārt termodinamikas atklājumi ļāva izveidot motorizētus transportlīdzekļus. Fizikas atklājumi ietekmē arī citas zinātnes, piemēram, matemātiku un filozofiju. Mehānikas atklājumi pilnveidoja rēķināšanas metodes, kvantu ķīmija un mikrobioloģija pilnveidojās, tiklīdz tika izgudrots elektronmikroskops.

Etimoloģija 
Vārds fizika ir radies no grieķu vārda physis (φύσις), kas latviski nozīmē "daba". Pirmoreiz šis vārds rakstiskajos avotos ir parādījies Homēra rakstītajā eposā "Odiseja". Šajā darbā šis vārds ir uzrakstīts tikai vienu reizi, saistot to ar augu augšanu. Tikai pirmssokrata filozofi šo vārdu sāka saistīt ar citām lietām, ne tikai ar augiem un dzīvniekiem; un kopš Aristoteļa laikiem šo vārdu sāka izmantot, lai apzīmētu procesus un parādības, kuras mūsdienās izskaidro fizikas zinātne.

Vēsture 

Jau aizvēsturiskajos laikos cilvēki mēģināja izprast dažādu parādību cēloņus, kuras bija novērojamas dabā, piemēram, kāpēc priekšmeti vienmēr krīt uz zemes, kāpēc dažādām vielām ir atšķirīgas īpašības un tā tālāk. Bija neskaidra arī Visuma ietekme uz procesiem, kas norisinājās uz Zemes, piemēram, kā Zemes uzvedību iespaido debess ķermeņi, tas ir, Saule un Mēness. Tika piedāvātas vairākas teorijas dažādu parādību izskaidrošanai, bet vairākums no tām netika pierādītas. Lielākā daļa teoriju bija pilnas ar filozofiskiem terminiem un netika sistemātiski pierādītas ar eksperimentu palīdzību, kā to dara mūsdienās. No otras puses skatoties, pirmo lielo domātāju (Ptolemaja un Aristoteļa) darbi nebija vienkārši ikdienas cilvēka novērojumi. Bija protams arī daži izņēmumi, piemēram, Indijas filozofi un astronomi deva ļoti precīzus aprakstus atomismā un astronomijā, grieķu domātājs Arhimēds pierādīja vairākus likums mehānikā un hidrodinamikā un tā tālāk.

16. gadsimta beigās Galileo Galilejs sāka izmantot eksperimentus, lai apstiprinātu zinātniskas teorijas. Šāds eksperimentu izmantojums ir zinātniskās metodes pamatā. Galilejs veiksmīgi pētīja dinamiku, īpaši inerci. 1687. gadā Īzaks Ņūtons publicēja darbu "Matemātikas principi" (Principia Mathematica), kurā aprakstītas divas būtiskas fizikas teorijas: Ņūtona kustības likumi, uz kuriem balstās klasiskā mehānika, un Ņūtona gravitācijas likums, kas apraksta vienu no četrām mijiedarbībām gravitāciju. Gravitācijas likuma formulēšana aizsāka astrofizikas nozari, kas apraksta astronomiskus fenomenus, izmantojot fizikas teorijas.

Sākot ar 17. gadsimtu, veiksmīgi tika pētīta termodinamika. 1798. gadā Tompsons demonstrēja mehāniskā darba pārvēršanos siltumā, un 1847. gadā Džouls formulēja enerģijas nezūdamības likumu.

Maikls Faradejs, Oms un citi pētīja elektrību un magnētismu. 1855. gadā Džeims Klerks Maksvels abas teorijas apvienoja vienā — elektromagnētisma teorijā, ko apraksta Maksvela vienādojumi. Šī teorija paredzēja, ka gaisma ir elektromagnētisks vilnis.

1895. gadā Rentgens atklāja rentgenstarus, kas izrādījās esam augstas frekvences elektromagnētiskā radiācija. Radioaktivitāti 1896. gadā atklāja Anrī Bekerels un vēlāk pētīja Pjērs un Marija Sklodovska-Kirī, kā arī citi. Šādi aizsākās kodolfizikas nozare.

1897. gadā Tomsons atklāja elementārdaļiņas elektrona eksistenci. 1904. gadā viņš piedāvāja pirmo atoma modeli.

1905. gadā Alberts Einšteins formulēja savu speciālo relativitātes teoriju, kas laiku un telpu apvienoja laiktelpā. Relativitātes teorija piedāvā no klasiskās mehānikas būtiski atšķirīgu fizikālās pasaules struktūras ideju. 1915. gadā Einšteins formulēja savu vispārīgo relativitātes teoriju, kas izskaidroja arī gravitāciju, tā nomainīdama Ņūtona gravitācijas likumu. Abas teorijas sakrīt, kad runa ir par nelieliem ķermeņiem un enerģijas daudzumiem.

1911. gadā Ernests Rezerfords atklāja atoma kodola un protonu eksistenci. Neitronu eksistenci 1932. gadā atklāja Čedviks.

Sākot ar 1900. gadu, Makss Planks, Alberts Einšteins un Nilss Bors attīstīja kvantu teorijas, lai izskaidrotu dažādus neparastus eksperimentu rezultātus, ieviešot diskrētos enerģijas līmeņus. 1925. gadā Verners Heizenbergs un 1926. gadā Šrēdingers un Diraks formulēja kvantu mehāniku, kas izskaidroja iepriekšējās kvantu teorijas. Kvantu mehānikā fizisko mērījumu rezultāti ir būtībā nenoteikti; teorija apraksta ar šo nenoteiktību saistītos aprēķinus. Tā veiksmīgi apraksta matērijas uzvedību, kad runa par ļoti sīkiem lielumiem.

Otrā pasaules kara laikā gan ASV, gan Vācija aktīvi nodarbojās ar kodolfizikas pētniecību ar nolūku radīt atombumbu. Vāciešiem Heizenberga vadībā šo mērķi sasniegt neizdevās, savukārt amerikāņu Manhetenas projekts vainagojās ar panākumiem. 1945. gadā Trīsvienībā netālu no Alamogordo, Ņūmeksikas, tika detonēts pirmais atomspridzeklis.

Kvantu lauku teorija tika attīstīta, lai paplašinātu kvantu teoriju un tā nebūtu pretrunā ar speciālo relativitātes teoriju. To 1940. gados attīstīja tādi zinātnieki kā Fainmens, Švingers, Tomonaga un Daisons. Viņi formulēja kvantu elektrodinamikas teoriju, kas apraksta elektromagnētisko mijiedarbību.

Kvantu lauku teorija kļuva par pamatu modernajai daļiņu fizikai, kas pētī fundamentālās mijiedarbības un elementārdaļiņas. Līdz 1970. gadiem tika izveidots tā dēvētais standartmodelis, kas veiksmīgi apraksta gandrīz visas līdz šim novērotās elementārdaļiņas.

Mūsdienās ikvienam skolēnam, beidzot skolu, ir jāapgūst fizikas pamati. Fizika tiek pasniegta vispārizglītojošajās skolās, sākot ar 8. klasi, un fizikas kurss noslēdzas, 12. klasi beidzot.

Fizikas nozares 
Fizikas nozares var izšķirt pēc pētāmo objektu veida (piemēram, cieta ķermeņa fizika) vai pēc pētāmo norišu veida (piemēram, nepārtrauktas vides mehānika).

Fizikas saistība ar citām zinātnēm 
Tā kā nav iespējams uzstādīt noteiktas robežas starp fiziku un citām zinātnēm, pastāv daudzas starpdisciplinārās zinātnes, kuru sastāvdaļa ir fizika: fizikālā ķīmija, biofizika un citas.

Fizikas izziņa 
Pirmā fizikas pētīšanas pakāpe ir novērojums — kādas parādības pētīšana dabiskos apstākļos. Nākamā pakāpe ir eksperiments — kādas parādības novērošana mākslīgos apstākļos, kas sniedz iespēju izslēgt atsevišķus faktorus, izpētīt noteiktu faktoru ietekmi uz parādību. Pēc eksperimanta ir abstraktā domāšana, ar kuru tiek izvirzītas hipotēzes un radīti abstraktie modeļi (piemēram, materiāls punkts, absolūti ciets ķermenis, punktveida lādiņš, matemātiskais svārsts, absolūti elastīgs ķermenis, elektronu gāze, absolūti melns ķermenis, ideāla gāze). Hipotēžu atbilstība īstenība tiek pārbaudīta kārtējos eksperimentos, ja šī atbilstība tiek pierādīta, hipotēze kļūst par teoriju vai fizikas likumu.

Attīstība mūsdienās 
Par vienu no mūsdienu izcilākajiem fiziķiem tiek uzskatīts Stīvens Hokings, kura ievērojamākie darbi saistīti ar melnajiem caurumiem un termodinamiku.

Atsauces

Ārējās saites 

  
 Latvijas Universitātes Fizikas un matemātikas fakultātes vortāls
 Fizikas formulu lapa

 
Dabaszinātnes
Fizikālas zinātnes