tomron87/hebrew-wikipedia-sentences-corpus huggingface dataset:
תרגום סלאבי עתיק (בולגרית עתיקה) נעשה במאה ה-10. תרגומיו השונים של הפיזיולוגוס היו למעשה ליצירה חדשנית, שמחד גיסא עשתה שימוש בגמישות ובעניין שעורר הטקסט אודות הטבע, ומאידך גיסא שילבה זאת עם המימד המוסרי והרוחני של הנצרות, דת חדשה יחסית שעדיין הייתה בהתהוות.
במרוצת השנים הוסיפו לו מתרגמים שונים פרשנויות מורכבות יותר שתאמו את התפתחות הנצרות בזמנם.
כך למשל, בעוד שסופרים יווניים ולטיניים תרגמו את הדף העוסק בנחש מהפיזיולוגוס כלשונו, יוחנן הבודד ויצחק מנינווה, במסורת הסורית, הוסיפו לטקסט שכבת פרשנות סגפנית.
כתבי יד מאוירים של פיזיולוגים הם יחסית נדירים.
הבישוף הנוצרי בן המאה ה-4, אפיפניוס מסלמיס השתמש בפיזיולוגוס בספרו "פנאריון", וציטוטים והתייחסויות רבות נוספות לפיזיולוגוס שנמצאים אצל אבות הכנסייה מראים שזוהי אחת היצירות הידועות ביותר של שלהי העת העתיקה.
תרגומים שונים היו נפוצים בימי הביניים.
ז'אנר הבסטיארי, או ספרי החיות התבסס על התשתית הרעיונית של הספר ואף על תאורי החיות שבו, אולם נוספו לו איורים והוא נעשה מורכב יותר, מחולק לנושאים, וניסה לשלב ידע מדעי מהתקופה, כמו אטימולוגיות.
אלא שהמעבר לז'אנר הבסטיארי לא הביא לסיום הפיזיולוגוס, והוא הוסיף להיות מודפס עד המאה ה-19 בעיקר ביוונית ובסלאבית.
המחקר המודרני של פיזיולוגוס החל עם פרנצ'סקו סבורדונה משנת 1936, אשר זיהה שלוש מסורות של הטקסט בכתבי היד ששרדו:
המסורת ה"פרימיטיבית": הגרסה הקרובה ביותר למקור מהמאה ה-2. היא פשוטה בלשונה וכוללת את הגרעין המקורי של סיפורי החיות.
המסורת הביזנטית או הפסאודו-אפיפנית: גרסה מעובדת מהתקופה הביזנטית, המיוחסת לאפיפניוס מסלמיס, כוללת רק 27 פרקים, כולם עוסקים בבעלי חיים (תשעה מהם נעדרו מהקובץ הראשון).
היא מאופיינת בחלקים נטורליסטיים, התפתחויות מוסרניות נרחבות ומגוונות יותר, סמליות תמציתית יותר ותוספות אטימולוגיות.
מסורת פסאודו-בזילית: גרסה שיוחסה לבזיליוס הגדול, אחד מאבות הכנסייה, על מנת להעניק לה סמכות דתית.
גרסה זו כוללת הרחבות תאולוגיות רבות.
המחקר האקדמי עוסק במגוון סוגיות הנוגעות לטקסט, כמו מוצאו, זמן חיבורו, זהות מחברו, אופן התפשטותו בעולם, השימוש שנעשה בו, והשינויים הרבים שחלו בו בין מתרגמים שונים בני תקופות שונות ובני תרבויות שונות.
ההנחה שהוא התחבר במצריים מבוססת על כך שמספר אגדות מתוכו, מקורן באמונות מצריות, כמו עוף החול שהיה הציפור הקדושה של העיר הליופוליס, שם סגדו לו כחלק מהפולחן של רע, אל השמש.
קיומו של תרגום אתיופי מוקדם של הפיזיולוגוס, מצביע אף הוא על אלכסנדריה כמקור, שכן הרוב המכריע של הטקסטים האתיופיים המוקדמים ביותר נגזרים ממודלים אלכסנדרוניים.
החוקרת אנה דורופבה טוענת כי המספר הרב של התירגומים השונים והגרסאות של הטקסט מרמזים לא רק על על חשיבותו של הפיזיולוגוס, אלא גם על היותו טקסט מגוון וגמיש שקל להתאימו לדרישות שונות כמו חינוך נזירים, כתיבת דרשות, הוכחת טענות תאולוגיות, ועוד.
על סמך טענה זו היא סותרת את ההנחה המקובלת כי הכתבים הקרולינגיים היו ביסודם העתקות של כתבי קדם שסייעו לשימור ידע מתרבות יוון ורומא אולם לא תרמו להוספת ידע.
לדבריה, "חשיבותם של אוספים אלה טמונה דווקא בגיוון התוכן שלהם.
אלו הם אוספים שנועדו להתאים לצרכים ולטעמים הספציפיים של מקום מסוים בתקופה מסוימת, והשימושים בהם רבים כסוגי הטקסטים".
פִיזִיקַת חֶלְקִיקִים היא ענף בפיזיקה שחוקר את המבנים הבסיסיים של החומר והקרינה ואת התגובות ביניהם.
ענף זה בפיזיקה נקרא גם לעיתים פיזיקה של אנרגיות גבוהות, מכיוון שחלקיקים יסודיים רבים אינם מופיעים במצבים רגילים בטבע, אך יכולים להיווצר ולהתגלות במהלך התנגשויות אנרגטיות של חלקיקים אחרים, כפי שקורה במאיצי חלקיקים.
מודל החלקיקים הבסיסי נקרא המודל הסטנדרטי והוא מאחד את כל החלקיקים היסודיים המוכרים והכוחות בטבע, מלבד כבידה.
התורה הפיזיקלית המשמשת כבסיס המתמטי לפיזיקת החלקיקים ולמודל הסטנדרטי היא תורת השדות הקוונטית.
פיזיקת חלקיקים מודרנית מתרכזת בחלקיקים תת-אטומיים, להם מבנה פחות מורכב מזה של אטום.
חלקיקים אלה כוללים את מרכיבי האטום, אלקטרונים, פרוטונים ונייטרונים (פרוטונים ונייטרונים הם, למעשה, חלקיקים מרוכבים, המורכבים מקווארקים), חלקיקים המיוצרים על ידי שיטות של הקרנה ופיזור, כמו הפוטון, הנייטרינו והמיואון, כמו גם קשת רחבה של חלקיקים אקזוטיים.
אם לדייק, המינוח "חלקיק" אינו שם מתאים כל-כך.
העצמים הנחקרים בפיזיקת חלקיקים מצייתים לעקרונות של מכניקת הקוונטים.
ככאלו, הם מצייתים לדואליות הגל-חלקיק, כלומר, מקיימים התנהגות חלקיקית תחת תנאי ניסוי מסוימים, והתנהגות גלית תחת תנאים אחרים.
באופן תאורטי, הם אינם יכולים להיות מתוארים כגלים, וגם לא כחלקיקים, אלא כווקטורי מצב במרחב הילברט מופשט.
לתיאור מפורט יותר, ראו את תורת השדות הקוונטית.
כל החלקיקים שנצפו עד כה כבר נחזו קודם לכן בתורת השדות הקוונטית בשם המודל הסטנדרטי, אליו מתייחסים לעיתים כאל התאוריה המוצלחת ביותר של פיזיקת החלקיקים עד היום.
המודל כולל 47 סוגים של חלקיקים יסודיים, כמה מהם יכולים להתרכב וליצור חלקיקים מרוכבים, מה שיוצר פתח לקיומם של עוד מאות סוגים של חלקיקים, שרובם נתגלו בסוף שנות ה-60.
המודל הסטנדרטי נמצא מדויק כמעט בכל המבחנים הניסויים שנעשו עד היום.
אך למרות זאת, רוב מדעני החלקיקים מאמינים שזהו תיאור חלקי בלבד של הטבע, ושישנה תאוריה בסיסית יותר שעתידה להתגלות.
בשנים האחרונות, מדידות של מסת הנייטרינו סיפקו את החריגות הראשונות מהמודל הסטנדרטי.
לפיזיקת חלקיקים הייתה השפעה גדולה מאוד על הפילוסופיה של המדע.
חלק מהעוסקים בתחום עדיין דבקים ברדוקציוניזם, מושג ישן אשר בנוגע אליו קיימת ביקורת רבה מצד פילוסופים ומדענים כאחד.
חלק מהדיון בעניין מתואר למטה.
בשנות ה-50 וה-60 נתגלה מגוון רחב של חלקיקים, בניסויים שונים.
דבר זה זכה לכינוי "גן החיות של החלקיקים", והוביל לשאלה: ממה מורכבים חלקיקים אלה.
בשנות ה-70 נוסח המודל הסטנדרטי, שבו קיומו של מספר רב כל-כך של חלקיקים הוסבר כצירופים של מספר קטן (יחסית) של חלקיקים בסיסיים.
על הרקע ההיסטורי להתפתחותה של פיזיקת החלקיקים ראו בערך מבנה החומר.
המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים
סיווג החלקיקים היסודיים הנוכחי נקרא "המודל הסטנדרטי".
הוא מתאר את הכוח הגרעיני החזק, הכוח הגרעיני החלש ואת הכוח האלקטרומגנטי, זאת תוך שימוש בבוזונים מתווכים בשם "בוזוני כוח".
הסוגים השונים של בוזוני הכוח הם הפוטון, בוזוני W ו-Z ושמונת סוגי הגלואונים.
המודל כולל גם 24 סוגים של חלקיקים יסודיים נוספים, והם מרכיבי החומר.
לבסוף, המודל חזה גם את קיומו של סוג של בוזון בשם בוזון היגס, אשר גילויו אושר ב-2013 וזיכה את פיטר היגס ופרנסואה אנגלר בפרס נובל לפיזיקה.
מנגנון היגס, המבוסס על שבירת סימטריה ספונטנית מסביר את היותם של הפרמיונים ובוזוני W ו-Z בעלי מסה.
בפיזיקת חלקיקים, שיתופי הפעולה הבינלאומיים הם:
CERN, הממוקם בגבול שווייץ-צרפת ליד ז'נבה.
המתקנים העיקריים שלו הם ה-LEP, מאיץ התנגשויות האלקטרון-פוזיטרון (לא בשימוש כעת), וה-LHC, מאיץ התנגשויות ההאדרונים.
המתקן העיקרי שלו הוא HERA, הגורם להתנגשויות בין אלקטרונים או פוזיטרונים ופרוטונים.
SLAC, הממוקם ליד פאלו אלטו, ארצות הברית.
המתקן הראשי שלו הוא PEP-II, הגורם להתנגשויות בין אלקטרונים ופוזיטרונים.
פרמילאב, הממוקם ליד שיקגו, ארצות הברית.
המתקן העיקרי המפורסם שלו היה הטבאטרון, מאיץ התנגשויות של פרוטונים ואנטי-פרוטונים, כיום פועלים מספר מאיצים ומתקנים נוספים בניסויים שונים.
המעבדה הלאומית ברוקהייבן, הממוקמת בלונג-איילנד, ארצות הברית.
המתקן העיקרי הוא ה-RHIC, הגורם להתגשויות של יונים כבדים, כמו יוני זהב, עם פרוטונים.
זהו מאיץ התנגשויות היונים הראשון בעולם.
מכון בודקר לפיזיקה גרעינית, הממוקם בנובוסיבירסק, רוסיה.
מלבד אלה, קיימים עוד מאיצי חלקיקים ברחבי העולם.
פיזיקאי חלקיקים העוסקים בניסויים הם רק נתח קטן מכלל הפיזיקאים העוסקים בחלקיקים.
הקבוצה השנייה של פיזיקאים העוסקים בתחום זה הם תאורטיקנים.
בפיזיקת אנרגיות גבוהות, המילה תאורטיקן מתייחסת לפיזיקאי תאורטי שמטרתו העיקרית היא לפתח כלים תאורטיים ומתמטיים שעשויים לתאר ולהסביר את המציאות הפיזיקלית - זו שכבר נצפתה וזו שטרם נצפתה.
באשר למציאות הפיזיקליים שטרם נצפתה, הפיזיקאי התאורטיקן מנסה לספק ניבויים אשר ניתן (או ניתן יהיה) לבחון אותם בניסוי או בתצפית.
עבור חלק מהתאורטיקנים תיאור המציאות המוכרת נמצא בעדיפות שנייה והם עוסקים ב"גביע הקדוש" של הפיזיקה היינו, פיתוח תאוריית-על שמטרתה לתאר את כל הסקטורים של המציאות הפיזיקאלית באמצעות תאוריה מאוחדת.
רוב התאורטיקנים העוסקים באנרגיות גבוהות עובדים על תורת המיתרים.
אחרים עובדים על נגזרות או הרחבות של תורת היחסות הכללית בהקשר של תורת איחוד כללית, או על כבידה לולאתית.
תאורטיקנים שמטרתם העיקרית היא להסביר באופן כמותי תוצאות של ניסויים בהווה וניסויים מתוכננים לעתיד הקרוב נקראים פנומנולוגים, או לעיתים גם מרכיבי מודלים.
למרות שהם יכולים לקבל השראה מתורת המיתרים (תהא הסיבה לכך אשר תהא), הפורמליזם המתמטי העיקרי שלהם הוא ביצירת תיאורית שדה אפקטיבית.
בין התופעות הפיזיקליות האפשריות שהם מנסים ללמוד ניתן למצוא: סימטריית-על, מכניקת היגס, בעיית ההיררכיה, מודלי רנדל-סונדרום ומודלים אחרים עם ממדים נוספים, חבורות סימטריה שונות, ועוד.
החיפוש אחרי חלקיקים אלמנטריים יש בו משום שימוש ב"תערו של אוקאם".
במהלך ההתפתחות של פיזיקת החלקיקים היו התנגדויות רבות לגישה רדוקציוניסטית זו, שבה ניסו להסביר את הכל במונחים של חלקיקים יסודיים והתגובות ביניהם.
התנגדויות אלו הועלו על ידי אנשים ממגוון רחב של תחומים, הכוללים פיזיקאי חלקיקים מודרניים רבים, פיזיקאים העוסקים בפיזיקת מצב מעובה, כימאים, ביולוגים ועוד.
מבקרים אלו טוענים שאפילו ידע מוחלט על החלקיקים הבסיסיים לא ייתן ידע סופי על הטבע.
רדוקציוניסטים טוענים בדרך-כלל כי כל ההתקדמויות שנעשו בתחומי המדע היו תמיד מעורבות ברדוקציוניזם, עד גבול מסוים.
תוצאות ניסויים בפיזיקת חלקיקים מתקבלות תוך שימוש במאיצי חלקיקים עצומים בגודלם, שעלותם גבוהה מאוד.
מאיצים אלו דורשים כמויות גדולות של מימון ממשלתי, ומכיוון שכך, מחקרי פיזיקת חלקיקים מערבים נושאים הקשורים למדיניות ציבורית.
רבים טענו שההתקדמויות הפוטנציאליות של פיזיקת החלקיקים אינן מצדיקות את הסכומים הגבוהים, ושלמעשה פיזיקת חלקיקים "לוקחת" כסף ממחקרים חשובים יותר.
בשנת 1993, הקונגרס של ארצות הברית הפסיק את בנייתו של מאיץ העל SSC מסיבות אלו, לאחר ששני מיליארד דולר כבר הושקעו בבנייתו.
מדענים רבים, תומכים ומתנגדים של ה-SSC, מאמינים שההחלטה להפסיק את בנייתו של ה-SSC הייתה בחלקה בגלל סיומה של המלחמה הקרה, שעד אז הייתה תמריץ להאיץ את המחקר המדעי, מתוקף התחרות עם ברית המועצות.
טיעון נוסף אותו מעלה חלק מהקהילה המדעית הוא שפיזיקת החלקיקים מושפעת בחלקה גם מהזדקנות האוכלוסייה.
המחשבה היא שהאוכלוסייה מוטרדת הרבה יותר מנושאים הנוגעים לעתיד הקרוב ולבריאותם ולבריאות הוריהם, ושעובדה זו הסיטה את המימון המדעי מתחומי הפיזיקה לכיוון הביולוגיה והרפואה.
בניגוד לכך, מתנגדים רבים מעמידים בסימן שאלה את היכולת של מדינה יחידה לתמוך בהוצאות של פיזיקת החלקיקים, וטוענים שהפסקת הבנייה של ה-SSC נבעה מהצורך במימון בינלאומי בפיזיקת החלקיקים, במקום מימון ממשלתי יחיד.
תומכי מאיצי החלקיקים מחזיקים בעמדה שחקירת התאוריות הבסיסיות ביותר היא מטרה כה חשובה שהיא מצדיקה אפילו מימונים גדולים שכאלו, ושמימון זה תורם לתחומים אחרים של המדע בדרכים שונות.
הם מציינים שכל מאיצי החלקיקים בימים אלו הם פרויקטים בינלאומיים ומעמידים בסימן שאלה את הטענה שכספים שיילקחו מפיזיקת החלקיקים באמת יועברו לתחומים מדעיים אחרים.
פיזיקה של מצב מוצק (על פי האקדמיה ללשון העברית, שם הענף הפיזיקלי הוא פִיזִיקַת הַמַּצָּב הַמְּעֻבֶּה, או פִיזִיקַת הַמַּצָּב הַמּוּצָקִי) עוסקת בהתנהגות חומר במצב צבירה מוצק ובחישוב התכונות הפיזיקליות של מוצקים שונים, כגון: גבישים, מתכות ועוד.
בגביש גרעיני האטומים מסודרים בצורה מחזורית ובאריזות אופייניות, ואילו האלקטרונים נעים בגביש באופן חופשי יחסית.
חלק מהתכונות הנחקרות בפיזיקה של מצב מוצק נובעות מהמבנה הסריגי של גרעיני האטומים, כמו העברת חום, מהירות הקול ואנרגיה של פונונים, וחלקן נובעות מתנועתם של האלקטרונים כגון מוליכות חשמלית או פלזמונים.
כיום פיזיקת המצב המוצק נחשבת לתת-תחום של פיזיקה של חומר מעובה, שעוסקת גם בנוזלים, ג'לים וסוגי חומרים נוספים.
מכיוון שהתבנית הבסיסית של הגביש, הקרויה תא יחידה חוזרת על עצמה, נוצרת מחזוריות שמאפשרת להתבונן בתא יחידה בודד וממנו להסיק את תכונות הגביש כולו.
המחזוריות נשמרת גם במרחב התנע, לאחר התמרת פורייה, במבנה שנקרא סריג הופכי ותא היחידה המינימלי שלו נקרא אזור ברילואן הראשון, וכך נוח לבצע חישובים במרחב התנע כמו במרחב המקום.
פיזיקת המצב המוצק מנסה למדל מערכת עם מספר רב של חלקיקים, אך עם רמת סדר גבוהה, בניגוד לתחומי פיזיקה אחרים בהם מספר החלקיקים ניתן לספירה (כמו פיזיקת חלקיקים, פיזיקה גרעינית, פיזיקה אטומית ועוד).
עם זאת, רוב התופעות הנחקרות בפיזיקת המצב המוצק נובעות דווקא מהנקודות החריגות במבנה המחזורי (המכונות זיהומים).
לגבישים יש תכונות מגנטיות, אופטיות, חשמליות ומכניות אשר ניתן לנצל לשימושים הנדסיים.
ההנחה העומדת בבסיס התאוריה של פיזיקת המצב המוצק היא שהאלקטרונים מושפעים על ידי כוחות המשיכה (הממודלים על ידי פוטנציאל מחזורי) של כל גרעיני האטומים בסריג המחזורי, ולכן פונקציית הגל שלהם אינה ממוקמת עוד במרחב כי אם פרושה על פני הסריג כולו.
עקרון האיסור של פאולי מכריח את האלקטרונים לאכלס רמות אנרגיה שונות, כמספר האלקטרונים החופשיים בחומר.
מיקומה של רמת האנרגיה המלאה האחרונה בטמפרטורת האפס המוחלט (רמת פרמי) יקבע את עיקר תכונותיו של החומר - מוליך, מבודד, מוליך למחצה, מתכות למחצה וכן הלאה.
שלוש התאוריות העיקריות לתיאור פונקציות הגל הקוונטיות של האלקטרונים בחומר הן:
גז פרמי - הדחייה והמשיכה בין האלקטרונים וגרעיני האטומים מבטלות זו את זו ולכן האלקטרונים חופשיים לגמרי ללא אינטראקציות.
אלקטרונים כמעט חופשיים - המשיכה של האלקטרונים לגרעיני האטומים קטנה יחסית לאנרגיה הקינטית שלהם, ולכן ניתן לטפל בה על ידי תורת ההפרעות.
מודל הקשירה ההדוקה - האלקטרונים קשורים לגרעין האטום כמו בחלקיק בודד בלי סריג, ונמשכים במשיכה חלשה גם לגרעיני האטומים השכנים כך שהם יכולים בהסתברות כלשהי לקפוץ אליהם.
בשני המודלים האחרונים נוצר מבנה פסים - פערים באנרגיה, כך שישנם ערכי אנרגיה אותם האלקטרונים לא יכולים לקבל.
מערכת שאנרגיית פרמי שלה תימצא בתוך הפער תתנהג בהכרח כמו מבודד (המוליכות יורדת עם הורדת הטמפרטורה).
פיזיקה גרעינית היא ענף בפיזיקה המודרנית העוסק בחקר גרעין האטום ותהליכי הגומלין המתרחשים בו.
העובדה כי לאטומים יש מבנה פנימי התגלתה בשלהי המאה ה-19, עד אז התייחסו לאטומים כאל חלקיקים נקודתיים ללא מבנה פנימי ושאינם ניתנים לחלוקה.
קיום מבנה פנימי באטומים אושש ניסיונית רק בתחילת המאה ה־20.
גרעין האטום התגלה על ידי ארנסט רתרפורד בשנת 1911, באמצעות ניסוי מפורסם בו רתרפורד מדד את הפיזור של חלקיקי אלפא (שהם גרעיני הליום) וגילה שהחלקיקים מפוזרים רק מאזור קטן של האטום.
מכך הסיק רתרפורד שהמטען החיובי של האטום מרוכז בגרעין קטן באמצעו ואילו המטען השלילי סובב סביבו.
עד לפיתוח מודל האטום של בוהר סברו הפיזיקאים שהאטום הוא מעין "מערכת שמש" קטנה של אלקטרונים הסובבים סביב גרעין.
התקדמות גדולה בחקר האטום התאפשרה בעקבות פיתוח תורת היחסות הפרטית (והנוסחה המפורסמת E=mc2) ומכניקת הקוונטים.
במסגרת מכניקת הקוונטים, נוסחו כללי אכלוס של האלקטרונים סביב האטום רק במספר בדיד של מסלולים מותרים סביב האטום ברמות אנרגיה שונות (שמספרן הוא בן מנייה).
עד היום, על אף מאמצים גדולים שהושקעו והתקדמות רבה שהושגה בהבנת גרעין האטום, אין בידנו הבנה מלאה של הגרעין.
הסיבות לכך נעוצות במבנה המורכב של הכוח הגרעיני, שהוא כוח שיורי שאיננו מתואר על ידי המודל הסטנדרטי, ובכך שמלבד הגרעינים הקלים ביותר הגרעין הוא מערכת רב גופית ולכן איננו ניתן לפתרון אנליטי.
יתרה מכך, מדובר במערכת רב גופית קוונטית ועל כן לא ניתן לפתור את הבעיה הרב גופית עבור גרעינים כבדים יותר מגרעין ההליום באופן נומרי בעזרת כח החישוב הקיים היום.
(זאת בניגוד למצב בקוסמולוגיה, למשל, שם פותרים את הבעיה הרב גופית הקלאסית בעזרת סימולצית מחשב).
גרעין אטום עשוי להכיל שני סוגים של חלקיקים:
פרוטון: חלקיק בגרעין הטעון ביחידת מטען יסודי חיובית אחת (שוות ערך ל קולון).
מסתו היא ~ 1.00728 יחידות מסה אטומית מאוחדת והיא גדולה בערך פי 1836 ממסת האלקטרון.
המספר האטומי של יסוד מציין את מספר הפרוטונים בגרעין והוא הגורם להבדל בין היסודות השונים.
מדענים מעריכים כי משך חייו של הפרוטון הוא אינסופי, אולם נושא זה עודנו שנוי במחלוקת.
כל גרעין אטום, ללא יוצא מן הכלל, מכיל לפחות פרוטון אחד.
נייטרון: חלקיק בגרעין שאינו נושא מטען.
הנייטרון כבד במקצת מהפרוטון (1.00867 ימ"א).
הנייטרון יציב כל עוד הוא נמצא בתוך גרעין האטום.
ברגע שהנייטרון נמצא מחוץ לגרעין האטום הוא עובר תהליך של התפרקות בהשפעתו של הכוח הגרעיני החלש.
תוצרי הפירוק הללו הם פרוטון, אלקטרון וחלקיק כמעט חסר מסה ומטען בשם אנטי-נייטרינו.
לנייטרון יש זמן מחצית חיים של כ 880 שניות.
גרעין המימן-1 הוא יוצא דופן לעומת כל הגרעינים האחרים, שכן הוא חסר נייטרונים ומכיל אך ורק פרוטון אחד.
דבר זה אינו מתקיים באיזוטופים אחרים של מימן, כגון דאוטריום.
בפיזיקה הגרעינית נדונים ארבעה כוחות יסודיים:
הכוח הגרעיני החזק (strong interaction): כוח זה פועל בתוך האדרונים.
עוצמתו גדולה פי 100 מזו של הכוח האלקטרומגנטי.
טווח הפעולה של הכוח הגרעיני החזק (או, בקיצור, הכוח החזק) הוא בסדר הגודל של מטר.
בפיזיקה הגרעינית נהוג לכנות מרחק זה בשם פרמי (fermi), על שם הפיזיקאי אנריקו פרמי.
הכוח החזק נובע מחילופים של בוזונים מסוג גלואונים בין הקווארקים המרכיבים את הנוקליאון, והוא אחראי לעיקר מסתו של הגרעין.
הכוח הגרעיני (nuclear force): כוח זה, שהוא השייר (residual) של הכוח הגרעיני החזק, הוא הכוח שמחבר יחד את הפרוטונים והנייטרונים בגרעין האטום.
הוא נישא על ידי שלושה סוגי בוזונים שהם מזונים: פאיונים, מזוני רו ומזוני אומגה.
טווח הפעולה של הכוח הגרעיני הוא כ-2 פרמי לכל היותר.
מעבר למרחק זה, עוצמתו של הכוח הגרעיני זניחה.
כתוצאה מכך ומהדחייה שמפעיל הכוח האלקטרומגנטי בין הפרוטונים בגרעין, גודלם המרבי של גרעינים מוגבל.
הכוח האלקטרומגנטי (electromagnetic interaction): הכוח השני בעוצמתו מבין ארבעת כוחות היסוד.
הוא פועל בין כל שני חלקיקים נושאי מטען חשמלי.
לפי האלקטרודינמיקה הקוונטית, כוח זה נובע מחילופי פוטונים בין החלקיקים.
בגרעין האטום, הכוח האלקטרומגנטי יוצר דחייה בין הפרוטונים המרכיבים את הגרעין, דחייה עליה מתגבר הכוח הגרעיני, השומר על לכידות הגרעין, עד גודל מסוים.
הכוח הגרעיני החלש (weak interaction): הכוח השלישי בעוצמתו מבין ארבעת כוחות היסוד.
כוח זה אחראי, בין היתר, לרדיואקטיביות מסוג קרינת בטא.
הסברת מנגנון הפקת האנרגיה של השמש וכוכבים אחרים.
פיזיקה סטטיסטית (או מכניקה סטטיסטית) היא תחום בפיזיקה, המנתח את התנהגותן של מערכות פיזיקליות בכלים מתמטיים של תורת ההסתברות.
הפיזיקה הסטטיסטית, בניגוד לתחומים פיזיקליים אחרים (כמו, למשל, מכניקה קלאסית), איננה שואפת לתאר את מצבה המדויק של מערכת פיזיקלית נתונה אלא את הערכים הממוצעים (או המסתברים ביותר) בהן היא יכולה להימצא.
מניתוח ההתנהגות הממוצעת של כל חלקיקי המערכת, יכולה הפיזיקה הסטטיסטית להגדיר ולנתח מאפיינים של המערכת הגדולה, מאפיינים כגון לחץ, נפח, טמפרטורה ואנטרופיה.
בכך הפיזיקה הסטטיסטית מניחה את הבסיס המיקרוסקופי לתורת התרמודינמיקה.
תיאור הכולל מידע אודות כל עצם במערכת ומאפייניו הפיזיקליים נקרא "תיאור מיקרוסקופי" ובהתאם למצבים השונים של העצמים מתאימים "מצבים מיקרוסקופיים".
מנגד, תיאור של מאפיינים כלליים של המערכת נקרא "תיאור מאקרוסקופי" ומצבים כלליים של המערכת נקראים "מצבים מאקרוסקופיים".
הצורך לבצע הערכות סטטיסטיות כלליות אודות מערכות פיזיקליות עולה בעת הניסיון לנתח מערכות מרובות חלקיקים, משום ששם מאבדות התורות המכניות הקלאסיות – הן הניוטונית והן הניסוחים האנליטיים – את יישומיותן.
הכלים אשר מספקת הפיזיקה הסטטיסטית ניתנים ליישום הן עבור מערכות קלאסיות והן עבור מערכות קוונטיות ויחסותיות.
כמו כן, בחלק מכלים אלו ניתן לטפל גם במערכות שאינן בהכרח פיזיקליות, בהן מערכות ביולוגיות, כלכליות, ונוספות.
להתפתחותה של הפיזיקה הסטטיסטית קשר הדוק להתפתחותה של תורת התרמודינמיקה שהתפתחה במאה ה-19. החלוצים בפיתוחה של תורה זו היו סאדי קרנו, יוליוס פון מאייר (Julius von Mayer) , הרמן פון הלמהולץ, ויליאם תומסון (הלורד קלווין) ורודולף קלאוזיוס.
מאייר היה הראשון שהציג גרסה של החוק הראשון של התרמודינמיקה במאמר משנת 1842 בו הראה שקילות בין עבודה לחום.
לתוצאות דומות הגיע גם ג'יימס ג'ול על סמך תוצאות ניסיוניות.
הלמהולץ, בעקבות מחקריו ובנפרד מעבודותיהם הקודמות של מאייר וג'ול, הגיע לגרסה המוכללת יותר של אותן ההבנות והציג את חוק שימור האנרגיה כחוק כללי בעל אופי אוניברסלי.
בשנת 1865 הציג קלאוזיוס גרסה נוספת של חוק זה, הקרובה יותר לזו המוכרת כיום, בה התייחס לראשונה לשינוי באנטרופיה – מושג שהפך בהמשך לאחד המרכזיים בפיזיקה סטטיסטית – כיחס שבין כמות החום שגוף מקבל לבין הטמפרטורה שלו.
בשנת 1738 פרסם דניאל ברנולי מאמר בו הגיע למשוואת המצב של גז אידיאלי על סמך מודל של כדורי ביליארד.
למודל זה חשיבות רבה הן משום שבעזרת כלים מודרניים יותר ניתן להסיקו במספר דרכים ולנתחו בצורה אנליטית מלאה והן משום שימושיו הרבים כמערכת מודל.
כך, למשל, בכלים מודרניים ניתן לגזור את חוק פעולת המסות מתוך מודל הגז האידיאלי.
הראשון שחיבר בין תרמודינמיקה לתורה האטומית היה אוגוסט קארל קרניג אשר בשנת 1856 פרסם מאמר בהשפעת זה של ברנולי בו הציג גז כאוסף של כדורים אלסטיים המבצעים תנועה כאוטית.
עבודותיו של קרניג, בהן שילב אלמנטים הסתברותיים לתיאור התנגשויות בין-מולקולריות, היו עבודות חלוציות בחידושן בפיתוח הפיזיקה הסטטיסטית.
בשנים 1857 ו-1858 פרסם קלאוזיוס מאמרים בהם סקר בהרחבה את התאוריה הקינטית של הגזים בהם הציג שני מושגים חדשים, הם מהלך חופשי ממוצע וחתך פעולה להתנגשות.
במקביל לקלאוזיוס, עבד על חקר תחום זה גם ג'יימס קלרק מקסוול אשר פרסם בשנת 1866 את התפלגות מקסוול (אשר נקראה לימים "התפלגות מקסוול-בולצמן") המציגה את ההסתברות של מולקולת גז להימצא במהירות מסוימת.
בשנת 1867 עמד מקסוול על אופיו הסטטיסטי של החוק השני של התרמודינמיקה והציע את הקשר בין אנטרופיה לאינפורמציה, אותו חידד באמצעות הניסוי המחשבתי הידוע אודות השד של מקסוול.
ברבות הימים, עם הכללת השימוש בכלים שסיפק ענף זה לפתירת בעיות שונות בפיזיקה החורגות מהתחום המכני גרידא, התקבל גם השם "פיזיקה סטטיסטית".
בשנת 1865 פרסם יוהאן לושמידט, מאוניברסיטת וינה, הערכה לגבי גודלן של מולקולות, בעזרתה חישב לימים מקס פלאנק את מספר אבוגדרו.
שנתיים קודם לכן התמנה יוזף סטפן לראש המחלקה לפיזיקה באוניברסיטה זו.
באותה השנה, 1863, החל לודוויג בולצמן את לימודיו באוניברסיטת ווינה.
בהשפעתם של לושמידט ושל סטפן, כמו גם של קלאוזיוס ומקסוול, החל בולצמן לעבוד על התורה הקינטית של הגז.
בשנת 1866 מצא את התפלגות האנרגיות בגז.בשנת 1871 ניסח בולצמן את הנחת הארגודיות, לה חשיבות רבה בניסוח המודרני של המכניקה הסטטיסטית.
לפי הנחה זו, ניתן להחליף את חישובו של ממוצע לפי הזמן של ערך פיזיקלי נתון בממוצע על אותו הערך על פני צבר.
שנה מאוחר יותר, בשנת 1872, פרסם בולצמן את משפט ה-H שמשמעותו, בהכללה, היא כי האנטרופיה של מערכת סטטיסטית עולה באופן בלתי-הפיך עם התקדמותה לעבר מצב של שיווי משקל תרמודינמי.
באותה השנה, 1872, נסע בולצמן לברלין ושם נפגש עם גוסטב קירכהוף ועם הלמהולץ.
במפגשים אלו החליפו רעיונות אשר השפיעו על המשך עבודותיהם.
במקביל לבולצמן, פיתח הפיזיקאי וילרד גיבס את גישת הצברים, לה תפקיד מרכזי בפיזיקה הסטטיסטית המודרנית.
גיבס היה הראשון שהצביע על חשיבות ושימושיות הטענה לפיה במערכות סגורות האנטרופיה של מערכת שואפת לערך מרבי, אותה הכליל ופיתח בולצמן במסגרת מחקריו.
במסגרת עבודתו על הצבר המיקרו-קנוני מצא כי הפרמטר בהתפלגות בולצמן אותו לא ידע בולצמן במדויק, הקושר בין ההסתברות של מערכת להימצא במצב מסוים לבין האנרגיה שלה בו, תלוי בטמפרטורה ובקבוע אשר נקרא לימים "קבוע בולצמן".
שכלול הרעיונות היסודיים ושילוב הפיזיקה הקוונטית
שנות הארבעים של אותה המאה הביאו עמן צורך טכנולוגי במנועים חזקים ובשכלול התעשייה הכימית שהתפתחה בימים אלו.
צרכים אלו האיצו את המחקר התרמודינמי ובשנים אלו פיתח הלמהולץ את רעיונות האנרגיה החופשית והוא ותלמידיו עבדו על חקר התרמודימיקה של תגובות כימיות ושל תאים גלווניים.
בין תלמידיו של הלמהולץ נמנה וילהלם וין אשר ניסח את חוק וין הדן בספקטרום הפליטה של גוף שחור.
הניסיון להסביר את החוק מתוך עקרונות תאורטיים עניין את הפיזיקאי מקס פלאנק אשר התעניין בגישתו הסטטיסטית של בולצמן.
חוסר ההצלחה להסביר את פליטת הגוף השחור בעזרת ההנחות הפיזיקליות אשר היו תקפות בזמנו הובילו את פלאנק להציע כי האור הנפלט מגוף שחור נפלט במנות קצובות, הנקראות כיום "קוונטות של אור" או "פוטונים" ובכך להניח את אחת מאבני היסוד של המכניקה הקוונטית.
לחוק סטפן בולצמן וחוק וין, הנגזרים מהנחה זו בעזרת כליה של המכניקה הסטטיסטית, חשיבות רבה באסטרופיזיקה, שכן הם מאפשרים להסיק מידע על הטמפרטורה של גרמי שמיים על סמך האור שהם פולטים.
קושי נוסף אשר העיב על התפתחות התחום הוצג בשנת 1890 כאשר הציג אנרי פואנקרה את משפט החזרה של פואנקרה על פיו בתנאים מסוימים מערכות סטטיסטיות יכולות להגיע למצב קרוב ככל רצוננו ביחס למצבן ההתחלתי בתוך זמן סופי.
משפט זה עמד, לכאורה, בסתירה לתאוריה הסטטיסטית כפי שנוסחה על ידי בולצמן וגיבס, ממנה עולה כי בתהליך לא הפיך תעלה האנטרופיה של מערכת סגורה.
טענה זו של פואנקרה הובילה לפקפוק בנכונותה של הנחת הארגודיות של בולצמן, אך למרות כך תאוריה זו המשיכה להיות כלי מרכזי בהתפתחות המכניקה הסטטיסטית.
גרעין ההסבר לבעיה זו נמצא אף הוא על ידי פואנקרה בשנת 1890.
בשנת 1905 ניסח ולטר נרנסט את החוק השלישי של התרמודינמיקה ובהסתמך עליו אף הציע כי ההפרש בין אנרגיה חופשית לאנרגיה פנימית של גוף שואף לאפס כאשר הטמפרטורה מתקרבת לאפס המוחלט.
פלאנק הכליל טענה זו לטענה "האנטרופיה של כל המערכות הנמצאות בשיווי משקל באפס המוחלט מתאפסת".
המחקר אודות התנהגותן של מערכות בטמפרטורה נמוכה עורר בעיות הנוגעות לקיבול חום.
מעבר לקשיים הטכניים במדידת קיבול חום בטמפרטורות נמוכות, הסתבר כי בטמפרטורות נמוכות יורד קיבול החום של מערכות באופן חריף, בניגוד לתחזיות התאורטיות.
פתרון לבעיה זו נמצא לבסוף על ידי הפיזיקאי אלברט איינשטיין אשר פרסם בשנת 1907 מאמר בו הראה כי תופעה זו נגרמת עקב אפקטים קוונטיים.
ניתוח זה היה מאבות הפיזיקה הסטטיסטית הקוונטית.
ראיות אמפיריות לנכונות הסברו של איינשטיין נמצאו בשנת 1910 על ידי נרנסט ושותפיו למחקר והיו לבין ההוכחות הניסיוניות הראשונות לתקופתה של מכניקת הקוונטים.
שנתיים קודם להסברו הזה של איינשטיין, בשנת 1905 (היא "שנת הפלאות") פרסם איינשטיין הסבר מתמטי לתופעת התנועה הבראונית, בה גופים קטנים (כמו אבקנים או אבק) מבצעים תנועה אקראית על פניו של נוזל תוך העזרות בכלים מתחום הפיזיקה הסטטיסטית.
הסבר איכותי ניתן לתופעה זו עוד קודם לכן בשנת 1889 על ידי לואי ז'ורז' גואי: תנועה זו נגרמת עקב תנועותיהן האקראיות של מולקולות הנוזל המחזיקות את הגופים.
איינשטיין, שלא הכיר את התופעה, חזה אותה מנימוקים תאורטיים כחלק ממחקר בו ניסה לבסס את התורה האטומית.
ההתאמה שבין הסברו של איינשטיין לתצפיות המדעיות, בצד התאמת התצפיות לחישוביו של פלאנק, הובילה לקבלת התאוריה התורה האטומית ולכן נחשב הסבר זה ל"הוכחה" לקיומם של אטומים.
באותה התקופה עבד איינשטיין על תורת היחסות הכללית ובמקביל חקר את תחום הפיזיקה הסטטיסטית.
בשנת 1916 עבד על נושא הפליטה הספונטנית, ההפליטה המאולצת ובליעת האנרגיה שהיו הבסיס לתורת הלייזרים.
בשנת 1924 פורסמו תחזיותיו של איינשטיין לגבי עיבוי בוז-איינשטיין, המתבססות על פיזיקה סטטיסטית קוונטית ששוכללה לצורך ניתוח זה.
תרומה תאורטית חשובה לתחום בוצעה על ידי המתמטיקאי קונסטנטין קרתיאודורי אשר פיתח ניסוח אקסיומטי של יסודות התרמודינמיקה בו הסביר את מושגי הטמפרטורה והאנטרופיה באמצעות התורה המתמטית של תבנית פאף דיפרנציאלית.
אף על פי שניסוח זה לא התקבל בתחילה, למרות תמיכה רבה שהביע בו פלאנק, הוא הפך ברבות הימים למרכזי בניסוחים המודרניים של התורה.
אף על פי שבמבט ראשון נראה היה כי תחומים אלו אינם קשורים זה לזה, הסתבר עם חלוף הזמן כי לתורת הדינמיקה הלא ליניארית קשר הדוק ליסודות התורה הסטטיסטית.
הראשון שעמד על טיב הקשר בין תורת האינפורמציה לבין פיזיקה סטטיסטית היה מקסוול בניסויו המחשבתי, בו בחן את הקשר בין מעבר האינפורמציה מן המערכת אל הצופה המודד לבין תכונותיה האנטרופיות.
צעד משמעותי נוסף בכיוון זה בוצע על ידי לאו סילארד שעבודת התיזה שכתב בשנת 1927 עסקה בקשר בין אינפורמציה לאנטרופיה.
עבודה זו נחשבת כיום לבסיסית בנוגע ליישום של שיטות הסתברותיות בפיזיקה סטטיסטית.
גם עבודתו של סילארד, כמו של פון נוימן שהיה חברו, עסקה בהיבטים תרמודינמיים של המדידה הקוונטית.
במסגרת עבודותיו בנושא מערכות שאינן בשיווי משקל, עסק אדווין תומפסון ג'יינס בביסוס יסודותיה של המכניקה הסטטיסטית על סמך ידע מתורת האינפורמציה.
דמיטרי זובארב המשיך לפתח את רעיונותיו של ג'יינס ולחקור את ההבטים האינפורמטיביים של מערכות בהן האנטרופיה שואפת לערכה המרבי.
קלוד שנון פרסם בשנים 1938 ו-1948 מספר חיבורים הנוגעים לתורת האינפורמציה שתרמו להבנת התאוריה של מערכות סטטיסטיות.
חקר התנהגותם של חומרים בטמפרטורות מסדר גודל של קלווין ספורים, ובפרט תופעות המוליכות-על והנוזליות-על, החל להחקר באינטנסיביות בשנות השלושים של המאה העשרים ונמשך עד לימינו.
תופעות אלו מתייחסות להתנהגויות ייחודיות של חומרים מסוימים בטמפרטורות אלו.
על-מוליכות היא מצב המתקיים בתנאים מסוימים (של טמפרטורה ושדה מגנטי) בהם מאבדים מספר חומרים את ההתנגדות החשמלית שלהם ומתנהגים כמוליכים מושלמים.
על-נוזלים, בטמפרטורות נמוכות, מאבדים את צמיגותם ונוטים לזלוג מדפנות מכלים בהם הם נשמרים.
בשנת 1934 הראו קורנליוס גורטר והנדריק קזימיר שעל-מוליכים דוחים מפניהם שדות מגנטיים.
היבטים מסוימים של תופעת העל נוזליות תוארו בשנת 1937 על ידי קאפיצה במקביל לאלן ולמיסנר.
הסבר עקרוני של התופעה ניתן על ידי לב לנדאו בשנת 1941 וזיכה אותו בפרס נובל לפיזיקה, אך הסבר מלא ומפורט טרם נמצא עד היום.
בשנת 1950 הוצג מודל מודל גינזבורג-לנדאו על שמם של לב לנדאו וויטאלי גינזבורג המתאר את התופעה היטב בצורה מקרוסקופית ומסביר, בין היתר, את אפקט מייסנר.
על סמך מודל זה הראה אלכסיי אבריקוסוב כי מוליכי העל העונים על תיאור זה צפויים להתחלק לשתי קבוצות בעלי תכונות שונות, כפי שנחזה מאוחר יותר בניסוי.
על גילויים אלו זכו גינצבורג ואבריקוסוב בפרס נובל לפיזיקה בשנת 2003. במקביל לפרסום מודל גינצבורג-לנדאו, הציע הרברט פרליך כי אינטראקציות של החלפת פונונים הן אחד מגורמי תופעת העל-מוליכות זו ובכך הציע לראשונה מודל המשלב את תורת השדות הקוונטית עם הפיזיקה הסטטיסטית.
בשנת 1956 הוצע לתופעה הסבר כולל, התואם את התוצאות הניסיוניות, על ידי לאון קופר, ג'ון ברדין וג'ון רוברט שריפר.
לפי הסבר זה, נגרמת התופעה על ידי אינטראקציה בה משתתפים זוגות אלקטרונים הנקראים זוגות קופר המחליפים ביניהם פונונים.
לתופעת המוליכות-על בטמפרטורות גבוהות, שהתגלתה בשנת 1987, טרם נמצא הסבר.
תופעה זו מתייחסת להתנהגות של מספר חומרים כעל-מוליכים בטמפרטורות גבוהות יחסית לאלו של על-מוליכים "רגילים".
תאורה הסטטיסטי של מערכת פיזיקלית מורכבת ממומש על ידי רעיון הצבר, הוא אוסף גדול מאוד של מערכות הזהות בתנאיהן החיצוניים למערכת הנחקרת.
על ידי חקר סטטיסטי של המערכות השונות בצבר ניתן ללמוד על אופייה של המערכת הנחקרת.
כך, למשל, אם נרצה לחקור את הטמפרטורה האופיינית לכוס תה מסוימת, נוכל לערוך ניסוי מחשבתי בו נדון באוסף הכולל כמות עצומה של כוסות תה להן מספר תכונות מקרוסקופיות זהות, לדוגמה, כמות זהה של תה, בכולן אגורה אותה כמות של אנרגיה, אותו נפח וכדומה.
אם נחקור את כל הכוסות שבצבר, הרי שגם אם לכולן אנרגיה זהה, יכולים להיות הבדלים בתיאור המיקרוסקופי שלהן.
כדי לתאר את המערכת בצורה סטטיסטית נוכל לדון בהסתברות למצוא את הכוס במצבים מיקרוסקופים שונים.
ניתן לחקור מערכת זהה באשר המאפיינים הקבועים בצבר המאפיין אותה שונים.
כך, למשל, אם נחזור לדוגמת כוס התה, ניתן לוותר על ההגבלה לפיה כמות האנרגיה האגורה בכל כוס שכזו היא זהה ולדון במקומה בצבר בו לכל הכוסות טמפרטורה זהה וכך לחקור את האנרגיה האופיינית של כוס התה.
כל אוסף תנאים שכזה, הקובע את מאפייניו של הצבר, מתאים לפתרונן של בעיות פיזיקליות שונות ומכתיב תיאור מתמטי שונה של המערכת.
כך, למשל, צבר המערכות בהן האנרגיה, הנפח וכמות החלקיקים זהים נקרא "צבר מיקרו-קאנוני".
לעומת כך, החלפת אילוץ האנרגיה הזהה באילוץ על טמפרטורה זהה מגדיר צבר הנקרא "הצבר הקאנוני".
באופן דומה, אם מוחלף האילוץ על כמות החלקיקים המערכת באילוץ על מספר החלקיקים הממוצע או באילוץ על המחיר האנרגטי של הוספת/גריעת חלקיק מהמערכת, הרי שהצבר המתאים למערכת נקרא "הצבר הגראנד קאנוני".
אחד הרעיונות החשובים בפיזיקה סטטיסטית הוא שעבור מערכות בעלות מספר גדול של חלקיקים, הצברים השונים שקולים זה לזה משום במערכות גדולות הסטיות מן הממוצע הן קטנות יחסית ולכן תנאי המערכת קובעים את המצב המסתבר ביותר בצורה טובה למדי.
המשך הדיון בפרק זה הוא איכותי ואילו דיון מתמטי מפורט יותר במאפייני הצברים השונים נמצא בערך צבר.
בשפה מתמטית, אם למערכת נתונה מצבים זמינים, אזי הסיכוי שהיא תמצא באחד מהם הוא
להלכה, לא ניתן לאמת הנחה זו בצורה ניסויית, אך ניתן להצדיקה משיקולים תאורטיים או לבדוק את המסקנות המתקבלות ממנה בצורה ניסויית.
מצב מקרוסקופי של מערכת נתונה יכול להתקבל, באופן הכללי ביותר, על ידי מספר מצבים מיקרוסקופיים.
כך, למשל, בכלי בו מולקולות גז רבות, ישנן מספר דרכים לסדר את מולקולות הגז כך שמחציתן תהיינה בחלקו האחד ומחציתן השנייה באחר.
מכאן ניתן להסיק כי ההסתברות שהמערכת תהיה במצב מקרוסקופי מסוים שווה לסכום כל ההסתברויות של המצבים המיקרוסקופיים המתאימים לאותו המצב המקרוסקופי.
בשפה מתמטית, אם למצב מקרוסקופי מסוים מתאימים מצבים מיקרוסקופיים, אזי ההסתברות כי המערכת תמצא בו היא .
מתוך ההנחה כי לכל מצב מיקרוסקופי אותה ההסתברות עולה כי המצב המקרוסקופי המסתבר ביותר בכל הצבר המיקרוקאנוני הוא זה לו מתאים המספר הרב ביותר של מצבים מיקרוסקופיים.
ניסוח פורמלי של הטענה האחרונה שקול לטענה "בין שתי מערכות ביניהן מגע תרמי יזרום חום עד אשר הטמפרטורות של שתי המערכות תשתוונה."
ניתוח של צבר מערכות מיקרוקאנוניות איננו נוח משום שההגבלות בו אינן תמיד מתקיימות באופן מעשי – להלכה, ישנן מערכות פיזיקליות רבות בהן האנרגיה, הנפח או מספר החלקיקים אינם קבועים.
על מנת לטפל במערכות מסוג זה, ננקטת גישה שונה במעט.
במקרים אלו מניחים כי המערכת מוצמדת אל מערכת נוספת, עצומת ממדים ובעלת כמות גדולה כרצוננו של חום וחלקיקים.
מערכת מסוג זה נקראת "מאגר חום" כאשר היא קובעת את כמות החום במערכת, "מאגר חלקיקים" כאשר היא קובעת את כמות החלקיקים במערכת, "מאגר לחץ" כשהיא קובעת את הלחץ במערכת וכדומה, בהתאם להקשר הנדון.
כך, לדוגמה, בחדר בו החלונות פתוחים ובו טמפרטורה קבועה, ישנו נפח קבוע אך מולקולות אוויר תזרומנה אל האטמוספירה החיצונית או ממנה עד להגעה לשיווי משקל.
האטמוספירה מתפקדת, במקרה זה, כמאגר חום וחלקיקים.
רעיון השימוש במאגר שימושי משום שכאשר מניחים כי המערכת אותה אנו מעוניינים לנתח, ביחד עם המאגר, מהוות מערכת מיקרו-קאנונית אחת, מבחינה מתמטית, הדבר מאפשר שימוש בפורמליזם המתמטי המתאר את הצבר המיקרו-קאנוני כבסיס לקבלת התיאור המתמטי המאפיין צברים אחרים.
כך, למשל, בצורה זו ניתן לקבל את התפלגות בולצמן, המתארת את המשקל ההסתברותי המתאים למצבי אנרגיה שונים במערכת שבה תתכנה אנרגיות שונות.
אם נניח, לשם הדגמה, כי המערכת בה אנו דנים היא בעלת טמפרטורה קבועה, הרי שמאגר החום מצוי באותה הטמפרטורה, כך שעם כל שינוי במצב המערכת, המערכת תחליף אנרגיה עם מאגר החום עד שהטמפרטורות שלהן תשתווינה וכך תקבע לבסוף טמפרטורת המערכת, מבלי שתשנה הטמפרטורה של המאגר בעצמו, עקב גודלו הרב.
אם נשוב לדוגמת החדר, הרי שהתייצבות הטמפרטורה בחדר איננה משנה את טמפרטורת האטמוספירה בצורה נראית לעין.
למעשה, בפועל, נמדד מצבה של מערכת סטטיסטית אחת, ולא של צבר.
אם כך, מדוע דן הפורמליזם של הפיזיקה הסטטיסטית בצברים?
מדידת מצבה של מערכת פיזיקלית כלשהו מתבצע לאורך זמן מסוים ואיננה יכול להתבצע מיידית.
לכן, תוצאות מעשיות של מדידת ערך פיזיקלי של מערכת מסוימת מניבות ערך שהוא ממוצע על פני זמן המדידה.
כאשר מדובר במערכת דינמית הנמצאת בשיווי משקל, אזי אין משמעות למשך המדידה עצמו, אשר יכול להיות גם אינסופי, כיוון שהמערכת לא משתנה במהלכו, ולכן אותו ערך ממוצע של המערכת יתקבל בכל מדידה.
עם זאת, במערכת סטטיסטית, בה משוואות התנועה אינן בהכרח פתירות ושבה הפתרונות אינם בהכרח יציבים בזמן, חישוב ממוצע לאורך זמן איננו אפשרי.
על מנת להתגבר על קושי זה, הציע בולצמן את הנחת הארגודיות.
לפי הנחה זו, ניתן להחליף את חישוב הממוצע של גודל פיזיקלי על פני זמן בחישוב הממוצע שלו על פני צבר.
הרעיון אשר הנחה את בולצמן הוא כי במהלך זמן המדידה המערכת נמצאת במצבים מיקרוסקופיים שונים (שיווי משקל תרמודינמי הוא שיווי משקל דינמי, היינו – המערכת משתנה במהלכו, אך השינויים בה מקזזים אלו את אלו) ולכן מיצוע על פני מצבים שונים בצבר יהיה שקול למיצוע על פני מצבים שונים בזמן.
הנחתו של בולצמן עוררה עניין רב גם בקרב מתמטיקאים, אשר עסקו בה במקביל לפיתוחה של תורת המידה באותם הזמנים.
הענף המתמטי אשר פותח על מנת לטפל בתורתו של בולצמן נקרא "מתמטיקה ארגודית", או "התורה הארגודית".
עם השנים נמצא כי הנחת הארגודיות, לפחות בניסוחה הפשטני כפי שהוצג כאן, איננה מתקיימת בהכרח.
עקב מרכזיותה בניסוח של הפיזיקה הסטטיסטית ועקב עמידת המסקנות שהוסקו ממנה במבחן הניסוי, ניסו פיזיקאים ומתמטיקאים למצוא לה תחליף.
הפתרון לבעיה זו נמצא עם עבודותיהם של ניומן ובירקוף אשר הציגו תיקונים תאורטיים להנחה בדמות תורה המכונה כיום "התורה הקווזי-ארגודית", לפיה החלפת ממוצע על זמן אינסופי בכמעט כל מרחב הפאזה ניתן להחלפה בממוצע על פני צבר.
בתרמודינמיקה הוגדרה האנטרופיה על ידי רודולף קלאוזיוס כיחס שבין כמות החום שגוף מקבל לבין הטמפרטורה המוחלטת שלו.
בולצמן הוכיח, במסגרת משפט ה-H, כי האנטרופיה של מערכת סגורה יכולה רק לגדול עם הגעתה לשיווי משקל.
תהליך זה, כפי שתואר על ידי בולצמן, הוא בלתי הפיך, בניגוד לכללי המכניקה הקלאסית, בה בהינתן תנאי התחלה מתאימים וכל הכוחות הפועלים במערכת, ניתן תאורטית לחשב את מצבה בעבר.
מחקר נוסף הביא לנוסחת האנטרופיה של בולצמן, שהאנטרופיה של מערכת פרופורציונית ללוגריתם של מספר המצבים המיקרוסקופיים המתאימים לה: .
כיום, נהוג להגדיר את קבוע הפרופורציה בתור קבוע בולצמן (כך שמתקיים ), או פשוט, כאחד (כך שמתקיים
משמעותה של טענה זו, בשפה ציורית, היא כי האנטרופיה של מערכת סטטיסטית קשורה לחוסר הסדר בה, וכי חוסר סדר זה שואף תמיד לעלות בדרכה של המערכת לשיווי משקל.
כדוגמה, בהינתן בקבוק בושם פתוח, המצב בו כל מולקולות הבושם נמצאות בתוך הבקבוק, שהוא מצב "מסודר" יחסית, יתחלף עם מצב שבו מולקולות הבושם מפוזרות בחדר ב"אי-סדר" כאשר בקבוק הבושם והחדר יגיעו לשיווי משקל תרמודינמי.
חוק עליית האנטרופיה במערכת סגורה הוא מבין החוקים החשובים ביותר של המכניקה הסטטיסטית ולו השלכות מדעיות נרחבות, כמו הגדרת כיוונו של חץ הזמן ככיוון שבו האנטרופיה של היקום הנראה גדלה.
נוהגים למנות את המשתנים המאפיינים צברים בזוגות מתאימים שקביעת אחד מהם קובעת את השני, כך שלמכפלתם ממדים של אנרגיה.
זוגות משתנים אלו נקראים "זוגות קאנוניים".
לדוגמה, בצבר קאנוני נקבע נפח המערכת, אשר קובע את לחצה ואילו בצבר האיזותרמי-איזוברי, הלחץ הקבוע, קובע את הנפח.
זוגות נוספים הם, למשל, מספר החלקיקים והפוטנציאל הכימי או השדה המגנטי והמגנוט.
בזוגות אלו, כל זוג כולל משתנה אקסטנסיבי, הוא משתנה התלוי באופן ישר בגודל המערכת, ומשתנה אינטנסיבי, שאיננו תלוי ישירות בגודל המערכת.
כך, לדוגמה, אם נקח שתי קופסאות מבודדות זהות בהן גז ונחברן לאחת, הנפח, מספר החלקיקים והאנטרופיה של המערכת החדשה יוכפלו פי שניים ולכן אלו משתנים אקסטנסיביים ואילו הלחץ, הפוטנציאל הכימי והטמפרטורה יישארו, בקירוב, זהים ולכן הם מאפיינים אינטנסיביים.
קירוב זה מתבסס על ההנחה שעקב גודלן של המערכות, ניתן להזניח השפעות שפה.
במקרה הקופסה, למשל, בחיבור שתי קופסאות לאחת, הורסים את הדפנות המשותפות שלהן, שהאינטראקציות שלהן עם חלקיקי הגז השפיעו על מאפייני כל אחת מהקופסאות המקוריות, ועתה השפעתן אובדת.
עם זאת, בהנחה של מערכות גדולות, המתאפשרת עקב ריבוי החלקיקים במערכות בהן עוסקת הפיזיקה הסטטיסטית, מזניחים השפעה זו ומניחים כי עיקר התרומה לתכונות המערכת מגיעה מן המערכת עצמה ומתנאי סביבה חיצוניים קבועים, ולא מהשפה.
כשם שבצבר מיקרו-קנוני הגעה לשיווי משקל גורמת להגעת האנרגיה אל ערך קיצוני, הרי שבצברים האחרים מגיעות כמויות אחרות אל ערך הקיצון שלהן.
כמויות אלו נקראות פוטנציאלים תרמודינמיים.
מבחינה מתמטית, פוטנציאלים אלו מתקבלים על ידי הפעלת טרנספורם לז'נדר זה על זה.
פוטנציאלים אלו הם בעלי ממדים של אנרגיה ומורכבים ממכפלות של זוגות קנוניים.
כך, גזירת פוטנציאל תרמודינמי לפי אחד ממאפייני הצבר לו הוא מתאים, מניבה את המשתנה הקנוני הצמוד לו (עד כדי סימן).
כך, למשל, אנרגיה חופשית היא הפוטנציאל המאפיין את הצבר הקנוני ונגזרתה לפי הנפח, אשר הוא משתנה המגדיר צבר קנוני, היא לחץ (עם סימן הפוך).
כאשר הוא לחץ, אנרגיה חופשית של הלמהולץ, נפח והאותיות ו- שמימין לסוגריים מציינות כי הטמפרטורה ומספר החלקיקים במערכת קבועים.
כפי שרומז שמם, מקורם של גדלים אלו הוא בתורה התרמודינמית, אך בפורמליזם של המכניקה הסטטיסטית מתקבלים שוב גדלים אלו על סמך הנחות היסוד של הפיזיקה הסטטיסטית.
ככלל, הפיזיקה הסטטיסטית מאפשרת הגדרת גדלים מקרוסקופיים של מערכות, אשר הוצגו עם התפתחותה הראשונית של התרמודינמיקה כגדלים בעלי חשיבות אמפירת כמו לחץ או טמפרטורה, על ידי תכונותיהן המיקרוסקופיות של המערכות הנידונות.
הפוטנציאלים התרמודינמיים קשורים מתמטית לפונקציות המגדירות את מספר המצבים הזמינים בכל צבר – פונקציות הנקראות "פונקציות החלוקה" – וניתנים לחישוב על ידן.
כך ניתן, במקרים רבים, לחשב גדלים תרמודינמיים של מערכות נתונות על סמך מאפייניהן הסטטיסטיים על ידי חישוב פונקציות חלוקה, שהוא חישוב בעל אופי קומבינטורי.
לדוגמה, הקשר בין פונקציית החלוקה לאנרגיה החופשית של הלמהולץ נתון על ידי הביטוי
כאשר היא טמפרטורה הוא קבוע בולצמן.
כך, ניתן לפתח חלקים רבים מתורת התרמודינמיקה, שהתפתחה במקור כתורה אמפירית, על סמך עקרונות יסוד סטטיסטיים.
להתפלגויות סטטיסטיות אלו שימושים רבים בתחומי הפיזיקה.
כך, לדוגמה, בפיזיקת מצב מוצק משתמשים רבות בהתפלגות פרמי-דיראק כדי לתאר תכונות של אלקטרונים בגבישים.
פיזיקת מצב מעובה עוסקת במערכות של חומר מעובה, ובפרט במוצקים ונוזלים.
מערכות אלו כוללות מספר רב של אטומים ומולקולות ולכן הפיזיקה הסטטיסטית משמשת בהן ככלי מרכזי להסברת תופעות שונות ופיתוח הפורמליזם המתמטי של מודלים שונים במצב מעובה נעזר בכלים סטטיסטיים.
כך, למשל, מודל איזינג המשמש לתיאור תכונות מגנטיות, הוא מודל סטטיסטי וכן התיאור המתמטי של מבנה הפסים בחומר נעזר בהתפלגות פרמי-דיראק כדי לחזות כמה אלקטרונים יאכלסו כל מצב נתון.
יתר על כן, בעזרת הפיזיקה הסטטיסטית נחזה מראש קיומו של מצב צבירה חדש, הוא עיבוי בוז-איינשטיין, עוד בטרם נצפה בניסוי.
כלים מתחום הפיזיקה הסטטיסטית שימושיים בתחומים רבים הדנים במערכות גדולות, הן בפיזיקה והן בתחומים נוספים.
כך, למשל, בחקר הקרינה האלקטרומגנטית משמשת הפיזיקה הסטטיסטית לתיאור מערכות גדולות שבהן יש אינטראקציה בין קרינה וחומר כמו גופים שחורים ובעזרתה ניתן להסיק את חוק פלאנק ואת חוק סטפן-בולצמן.
משוואות הקצב של איינשטיין המתארות את קצב הבליעה והפליטה של פוטונים מתקבלים על ידי שימוש בחוק פלאנק וכן תיאור כמותי של פעילות לייזר נעזר בכלים אלו.
באסטרונומיה משתמשים לעיתים ברעיונות מפיזיקה סטטיסטית על מנת לתאר תיאור איכותי של מערכות מרובות כוכבים, המתנהגות כמעין "גז כוכבים".
כך, למשל, ניתן להתבונן על תהליך ההתפרקות של צביר כוכבים ועל פיזור המהירויות בו כעל תופעה סטטיסטית שבה נתונה מערכת כוכבים שבה שחוק עליית האנטרופיה גורם לעזיבת כוכבים את הצביר ואילו המהירויות של הכוכבים מקיימות, בקירוב, את התפלגות מקסוול-בולצמן.
רעיונות וכלים מתחום הפיזיקה הסטטיסטית שימושיים גם בתיאור מערכות גדולות ומורכבות שלא מתחום הפיזיקה.
שתי דוגמאות בולטות הן שימושים בכלכלה ובביולוגיה, בהן משמשים רעיונות וכלים שמקורם בפיזיקה הסטטיסטית לתיאור כמותי של מערכות רבות-עצמים והתנהגותן.
דוגמה ליישום – גז אידיאלי
גז אידיאלי הוא מודל לגז שצפיפותו נמוכה.
הגז האידיאלי הוא דוגמה למערכת בה על ידי חישוב בעל אופי סטטיסטי מתקבל מידע התואם ידע שחלקו נוסח קודם לכן בצורה אמפירית.
הנחת היסוד של המודל היא כי מולקולות הגז הן נקודתיות וכי לא פועלים כוחות ביניהן.
במצב זה, בהינתן גז בתוך כלי שהטמפרטורה, מספר החלקיקים והנפח בו נקבעים על ידי גורמים חיצוניים, מאפיינים את המערכת על ידי חישוב בעל אופי קומבינטורי המשקלל את כל האפשרויות בהן יכול להימצא הגז בתלות בהסתברויות שלהן – זוהי, למעשה, פונקציית החלוקה שלו.
החישוב מתבצע על ידי סכימת ההסתברויות של כל המצבים הזמינים (אשר במקרה רציף זה מומרת לאינטגרל).
מפונקציית החלוקה ניתן לקבל את האנרגיה החופשית של הלמהולץ, שהיא גודל תרמודינמי המבטא את כמות העבודה המרבית שניתן להפיק מהמערכת וממנה על ידי נוסחאות תרמודינמיות ניתן למצוא מאפיינים נוספים של הגז, כמו לחץ .
על ידי ביצוע חישוב זה מתקבלת משוואת המצב של גז אידיאלי, היא
לתוצאת החישוב והסברים נוספים ראו גז אידיאלי.
קודם לפיתוח הפיזיקה הסטטיסטית, נצפו התנהגויות התואמות משוואה זו בצורה אמפירית, ונוסחו בחוק בויל-מריוט, חוק גה-ליסאק וחוק שארל.
הגז האידיאלי הוא מודל שימושי בעזרתו ניתן להבין את תכונותיו הכלליות של חומרים בצפיפות נמוכה.
בעזרתו ניתן לקבל, למשל, את חוק פעולת המסות.
עם זאת, לקבלת תיאור מציאותי יותר, כמו מעבר מצבי צבירה, מודל זה איננו מספק ולכן פותחו מודלים משוכללים יותר המרחיבים אותו, כמו מודל גז ואן דר ואלס.
במכניקה הקלאסית נהוג להתאים לכל גוף במערכת משוואת תנועה ולפתור את אוסף המשוואות שמתקבלות עבור מספר גופים רב.
עם זאת, בהינתן מספר גדול מאוד של עצמים במערכת משימה זו הופכת לבלתי אפשרית ולכן, במקום זאת, משתמשת הפיזיקה הסטטיסטית בכלים מתחום הסטטיסטיקה וההסתברות על מנת למצוא ערכים המאפיינים את המערכת כולה.
מקורה של הנחה זו הוא חוק המספרים הגדולים.
הנחת היסוד של הפיזיקה הסטטיסטית היא, כאמור, כי לכל המצבים הזמינים במערכת מיקרו-קנונית הסתברות שווה.
בשפה מתמטית, שקולה טענה זו לאמירה כי המצבים המיקרוסקופיים הם חלק ממרחב הסתברות אחיד.
במרחב כזה, ההסתברות למאורע מסוים הוא מספר האפשרויות במאורע, כיחס מתוך גודל המרחב כולו.
בכתיב מתמטי, אם מרחב התפלגות אחיד עם קבוצה המייצגת מאורע כלשהו, אזי ההסתברות כי המאורע יתרחש היא .
על מנת להגדיר את מרחב המדגם של מערכות סטטיסטיות כדי להגדיר בצורה ריגורוזית את המשמעות הפיזיקלית של מושג ההסתברות משתמשים בפיזיקה סטטיסטית במושג הצבר, שהוא אוסף עצום אף ביחס למספר העצמים במערכת של מערכות סטטיסטיות המוגדרות על ידי אותם מאפיינים מקרוסקופיים בסיסיים.
כיוון שלהלכה יצירת מספר כה גדול של מערכות ובדיקת מצביהן המיקרוסקופיים איננה משימה אפשרית עקב המספר הרב של המערכות, ההסתברות של מצב מיקרוסקופי מוגדרת על ידי התשובה לשאלה הבאה המתוארת על ידי ניסוי מחשבתי: לו היינו יוצרים צבר שכזה, כמה מערכות מתוכו היו נמצאות באותו המצב המיקרוסקופי?
הנחה זו נתמכת על ידי ידע אמפירי ומתבססת, מבחינה מתמטית, על משפט הגבול המרכזי הקובע כי סכומם של משתנים מקריים בלתי תלויים ושווי-פילוג מתפלג נורמלית עם סטיית תקן הפרופורציונית לשורש ריבועי של מספר המשתנים.
כך, היחס בין סטיית התקן של גודל נמדד לבין מספר המשתנים המקריים המרכיבים אותו יורד משמעותית ככל שמספר המשתנים גדל.
במקרים מסוג זה, בחישוב ממוצע הסתברותי משוקלל של גדלים, הנקרא בשפה מתמטית תוחלת, ניתן משקל רב יותר לערכים של המערכת הקרובים לערך המסתבר ביותר ולכן, במערכות מסוג זה, הערך הממוצע של גודל מסוים קרוב מאוד אל הערך המסתבר ביותר.
במערכות גדולות (מסדר הגודל בו עוסקת המכניקה הסטטיסטית) ניתן במקרים רבים להתייחס אל הערך המסתבר ביותר ואל ערך התוחלת כאל זהים, משום שרוב הערכים המתקבלים נמצאים בקרבת הערך המסתבר ביותר.
ניסוח הנחת הארגודיות העומדת בבסיס גישת הצברים בפיזיקה הסטטיסטית הצריך פיתוח כלים מתמטיים חדשים והוליד את התורה הארגודית, שהתפתחה במקביל לתורת המידה.
תיאורים מאוחרים יחסית של התורה משתמשים בכלים מתמטיים מתחום תורת האינפורמציה וכן בתבניות פאף דיפרנציאלית.
את המצבים האפשריים של מולקולות חומר הלכודות בתיבת נפח נתונה, אפשר לתאר כנקודות במרחב, שאותו אפשר ללמוד בכלים טופולוגיים.
לדוגמה, תפזורת של n כדורים זהים ברדיוס אפשר לתאר כווקטור ב- , כאשר שלוש קואורדינטות רצופות מתארות את מיקומו של הכדור ה-i, והמרחקים בין המרכזים הם לפחות .
אוסף הווקטורים המותרים הוא מרחב פאזות מממד 3n, שתכונותיו הטופולוגיות עשויות ללמד על התנהגות החומר בתנאים דומים.
באופן סכמטי אפשר לצפות שפרמטרים המתארים גז (מעט מולקולות לכל תא שטח) יתאימו למרחב קשיר מסילתית (אפשר לעבור מכל מצב לכל מצב אחר), וככל ש- גדל (או, בהתאמה, ככל שתא הנפח קטן) המרחב מאבד מקשירותו.
מעבר הפאזה שבו המרחב מפסיק להיות קשיר אמור להתאים למעברי הפאזה בין גז, נוזל ומוצק.
החוקרים אינם יודעים רבות על תכונותיו של המרחב הטופולוגי הזה.
התפתחותה של הפיזיקה הסטטיסטית העלתה מספר סוגיות פילוסופיות לדיון, בעיקר אודות המשמעויות של מונחים הסתברותיים בה, הנחת הארגודיות, אי-הפיכות התאוריה וחוק עליית האנטרופיה.
מרכזיותה של תורת ההסתברות בתאורן של מערכות גדולות מעלה מספר שאלות לגבי מהותה של ההסתברות במדעי הטבע ככלל.
כך, למשל, כיצד "יודעות" מערכות גדולות להסתדר לפי חוקי ההסתברות?
בין התשובות אשר ניתנו לשאלה זו, אחת מציעה כי חוקי ההסתברות נובעים מתוך משקל שונה של גורמים רבים המאפיינים תהליך מסוים.
גישה אחרת מציעה כי לטבע אופי הסתברותי מיסודו.
הקשיים שהעלתה הנחת הארגודיות והניסיונות לשפרה העלו מספר שאלות אף הם.
מהי המשמעות של "זמנים אינסופיים" המופיעים בניסוח של תורות אלו?
האם מונחים כאלו הם כלל רלוונטיים?
מהי המשמעות של אי-התקפות של חוקים פיזיקליים על "קבוצות בעלות מידה אפס", כפי שמתוארת התורה הקווזי-ארגודית?
האם יש בכך פגיעה בשלמות החוק?
הסתירה המתגלה, לכאורה, בין האופי הבלתי-הפיך של התורה לבין חוקי ניוטון מעלה לדיון את השאלה "מהו הגורם לאיבוד ההפיכות בתאורן של מערכות גדולות?".
מספר תשובות הוצעו לשאלה זו במסגרת הפיזיקה הקלאסית, ביניהן בולט ההסבר כי מקור ההבדל הוא באי-יציבות של תהליכים המאפיינים מערכות גדולות.
הסברים נוספים מגיעים מתחום תורת האינפורמציה.
לחוק עליית האנטרופיה, שהוא אחד מהישגיה המרכזיים של הפיזיקה הסטטיסטית, השלכות פילוסופיות נרחבות.
כך, למשל: האם חוסר הסימטריה בעליית האנטרופיה אך בכיוון העתיד ואי-הפיכות החוק הם הגורמים לחוסר הסימטריה של סיבתיות בזמן, כך שהעבר גורם להתרחשויות בעתיד, אך לא להפך?
האם החוק גורם לכך שלמול ידיעת העבר אין יכולת לחזות את העתיד?
האם עליית האנטרופיה מעידה על דטרמיניזם או היעדרו?
האם כשם שהכבידה מגדירה את הכיוון "למטה" ככיוון בו היא פועלת ("ולמעלה" כהיפוכו) כך שהרחק מכוחות כבידה למונחים אלו אין משמעות, כך מפרשים אנו את מושג הזמן?
פיזיקה קלאסית הוא שם כולל לתורות פיזיקליות שאינן מתחשבות בתורת הקוונטים.
לעיתים משמש שם זה גם תורות פיזיקליות שאינן מתחשבות בתורת היחסות הכללית ובתורת היחסות הפרטית.
באופן כללי ניתן להתייחס לכל תאוריה פיזיקלית שפותחה עד המאה ה-20 כשייכת לתחום הפיזיקה הקלאסית.
ענפי הפיזיקה הנכללים בפיזיקה הקלאסית:
המכניקה הניוטונית נחשבת לתחילתה של הפיזיקה הקלאסית, פיזיקה שהגיעה לשיאה במאה ה-19 עם גילוי משוואות מקסוול, וחוקי התרמודינמיקה.
הגדרת המונח "פיזיקה מודרנית" אינה הגדרה קשיחה, ויכולה להכיל רק את תורת הקוואנטים, או את כל הפיזיקה של המאה ה-20 ושל המאה ה-21.
מערכת פיזיקלית קלאסית היא מערכת שבה חוקי הפיזיקה הקלאסית תקפים.
בדרך כלל חוקי הפיזיקה הקלאסית תקפים בכל מערכת שמרכיביה הם אטומים ומולקולות או גדולים מאלה, כולל מערכות אסטרונומיות.
חוקי הפיזיקה הקלאסית אינם תקפים לתיאור התופעות הפיזיקליות בתוך מולקולות ואטומים.
יתרה מכך, התיאור הקלאסי של הקרינה האלקטרומגנטית מוגבל במערכות מסוימות, כיוון שהאור הוא תופעה קוונטית.
בניגוד לתורת הקוונטים, הפיזיקה הקלאסית מאופיינת בגישה דטרמיניסטית מוחלטת.
המשוואות המתמטיות המתארות את תופעות הפיזיקה הקלאסית הן משוואות שלא מופיע בהן קבוע פלאנק.
לפי עקרון ההתאמה של בוהר, התיאור הקוונטי של מערכת חופף לתיאור הקלאסי כאשר גודל או מסת המערכת מגיעים לתחום הקלאסי (ישנן תופעות יוצאות דופן כמו נוזל-על שאינן מקיימות את עקרון ההתאמה).
לכן תורת הקוונטים לא משפיעה כמעט על התוצאות המוכרות לנו כשמדובר במערכות בהן אנחנו עוסקים באופן יומיומי (לדוגמה: מנוע, רדיו, מטוס וכולי).
אחד מתחומי המחקר הפופולריים בפיזיקה היום הוא מציאת ההתאמה בין הפיזיקה הקלאסית לתורת הקוונטים - כלומר, ניסיון לענות על השאלה "כיצד נובעים החוקים הקלאסיים מהקוונטיים בגבול בו המערכת גדולה מספיק?".
פיזיקה של מצב מעובה היא ענף בפיזיקה אשר עוסק בחומר שנמצא במצב צבירה מעובה.
מצב צבירה זה מאופיין בכך שהמולקולות בחומר קשורות אחת לשנייה בקשרים אלקטרומגנטיים (דוגמת קשרי ואן דר ואלס).
שני מצבי הצבירה המעובים העיקריים הם מוצק ונוזל, בניגוד לגז בו המולקולות נחשבות לחופשיות.
ענף זה צמח מתוך פיזיקה של מצב מוצק וכיום הוא כולל גם ענף זה.
חוץ ממוצקים ונוזלים, ענף זה עוסק במצבי צבירה מיוחדים אחרים, לדוגמה:
פיזיקה רפואית היא ענף של הפיזיקה היישומית, העוסק ביישום הפיזיקה למטרות הרפואה.
יישומי הפיזיקה ברפואה משמשים ברובם לצורכי הדמיות רפואיות ורדיותרפיה, אך גם נוגעים בתחומים רבים נוספים של הרפואה.
מחלקות של פיזיקה רפואית מצויות בבתי חולים ובאוניברסיטאות ועיסוקן כולל מחקר, פיתוח וטיפול רפואי.
בענף פועלים 50 חברים בלבד, במספר מצומצם של בתי חולים הפרוסים לאורך מדינת ישראל:
בית החולים רבקה זיו, צפת.
בית החולים תל השומר, רמת גן
בית החולים איכילוב תל אביב
ביה"ח שערי צדק, ירושלים (עתיד להיפתח)
ביה"ח אסותא אשדוד (עתיד להיפתח)
בישראל אין הכשרה מסודרת למקצוע פיזיקה רפואית ולפיזיקאים הממלאים את התפקיד תואר ראשון בהנדסה גרעינית או תואר בפיזיקה.
פיזיקה תאורטית היא ענף בפיזיקה המשתמש במודלים מתמטיים ומערכות פיזיקליות מופשטות כדי לתאר ולנבא התנהגות של מערכות פיזיקליות טבעיות.
זאת בניגוד לפיזיקה ניסויית המשתמשת בכלים ניסויים כדי לבדוק מערכות אלו.
התקדמות המדע תלויה באופן כללי ביחס בין מחקרים ניסויים לבין התאוריה.
במקרים מסוימים, התאוריה מוגבלת על ידי כללים מתמטיים ומשאירה מעט משקל לתצפיות ותוצאות מחקר.
לדוגמה כאשר פיתח אלברט איינשטיין את תורת היחסות הכללית, היה מוטרד מכך שטרנספורמציות לורנץ משאירות את משוואות מקסוול אינווריאנטיות, אך היה חסר עניין בניסוי מייקלסון-מורלי של מעבר כדור הארץ באתר (פיזיקה).
מצד שני זכה בפרס נובל על הסבר האפקט הפוטואלקטרי, אשר היה עד אז אוסף תצפיות מחוסרות תאוריה שתסביר אותן.
פיזיקה גרמנית או פיזיקה ארית הייתה תנועה פסאודו-מדעית בגרמניה הנאצית שהתנגדה למה שנתפס בעיניה כ"פיזיקה יהודית", שהייתה בשעתו המחקר הפיזיקאי המתקדם של התקופה, ובעיקר תורת הקוונטים ותורת היחסות, שלהן תרמו רבות מדענים יהודים או ממוצא יהודי (למשל אלברט איינשטיין ונילס בוהר).
שם התנועה היה כותרתו של ספר משנת 1936 של הפיזיקאי פיליפ לנארד, זוכה פרס נובל ואנטישמי, שניסה להסביר את התגליות החדשות באותה תקופה תוך שימוש בפיזיקה קלאסית, ללא שימוש בתורות ה"יהודיות", בין היתר באמצעות תורות שהיו ידועות כשגויות בתקופתו כמו האתר.
התנועה החלה בעקבות מלחמת העולם הראשונה והסכם ורסאי, שהציתו רגשות לאומניים בגרמניה.
נראה שגם שמרנות מדעית תרמה להצלחת התנועה, בעיקר ניסיון להגן על הפיזיקה הקלאסית שבה התמחו הפיזיקאים עד אותה תקופה, והתנגדותם לתורות המודרניות שגרמו לשינוי רדיקלי של כל אופן החשיבה בפיזיקה.
התנועה קיבלה תמיכה שלטונית מהמפלגה הנאצית, שמצאה בה דרך ולגיטימציה נוספת למימוש רעיונותיה הגזעניים בשנות ה-30.
התנועה זכתה להצלחות מסוימות אך נתקלה בקשיים.