Практикум з фізики

Фізика як наука

Фі́зика (від грец. φυσικός природний, φύσις природа) — природнича наука, яка досліджує загальні властивості матерії та явищ у ній, а також виявляє загальні закони, які керують цими явищами. Це наука про закономірності природи в широкому сенсі цього слова. Фізики вивчають поведінку та властивості матерії в широких межах її проявів, від субмікроскопічних елементарних частинок, з яких побудоване все матеріальне (фізика елементарних частинок), до поведінки всього Всесвіту як єдиної системи (космологія).

Деякі з закономірностей, які встановлені фізикою, є загальними для всіх матеріальних систем. До таких можна віднести, наприклад, закон збереження енергії. Такі закономірності називають законами фізики. Фізику вважають фундаментальною наукою, тому що всі інші природничі науки (хімія, геологія, біологія тощо) мають справу з певними різновидами матеріальних систем, які підкоряються законам фізики. Наприклад, властивості хімічних речовин визначаються властивостями молекул та атомів, які їх складають, а ці властивості досліджують в таких галузях фізики, як квантова механіка, термодинаміка та/або електрика (електромагнетизм).

Фізика тісно пов’язана з математикою. Фізичні теорії, як правило, побудовані на основі певного математичного апарату, і цей апарат часто набагато складніший в порівнянні з іншими природничими науками. Але відмінність фізики від математики в тому, що фізика принципово зосереджена на описі матеріального світу, тоді як математика має справу з абстрактними ідеями та формулюваннями, які не обов’язково описують певну об’єктивну реальність. Позаяк чіткого поділу не існує, на перетині цих двох наук постала спеціальна дисципліна — математична фізика, яка вибудовує математичні структури фізичних теорій

Основні галузі фізики

Сучасні фізичні дослідження можна розподілити на окремі галузі, які вивчають різні аспекти матеріального світу. Фізика конденсованих середовищ, напевно одна з найбільших окремих галузей досліджень, сконцентрована на вивченні властивостей звичних проявів матерії, таких як тверді тіла та рідини. Їхні властивості випливають з властивостей та особливостей взаємодії атомів цих речовин. Атомна, молекулярна фізика та оптика мають справу саме з індивідуальними атомами та молекулами. Галузь фізики елементарних частинок, також знана під назвою фізики високих енергій, вивчає властивості субмікроскопічних, набагато менших ніж атоми, частинок, із яких побудована вся матерія. Нарешті, астрофізика застосовує фізичні закони до пояснення астрономічних феноменів, починаючи від Сонця та інших об’єктів Сонячної системі, і закінчуючи Всесвітом як таким.

Наукова революція

Період наукової революції характеризується утвердженням наукового методу досліджень, вичленовуванням фізики із загалу натурфілософії в окрему область і розвитком окремих розділів фізики: механіки, оптики, термодинаміки тощо.

Більшість істориків притримуються думки про те, що наукова революція розпочалася в 1543 році, коли Миколаю Копернику привезли з Нюрнберга вперше надрукований примірник його книги «Про обертання небесних сфер».

Впродовж століття відтоді знання людство збагатилося працями таких дослідників, як Галілео Галілей, Християн Гюйгенс, Йоганн Кеплер і Блез Паскаль. Галілей першим почав послідовно застосовувати науковий метод, проводячи експерименти, щоб підтвердити свої припущення і теорії. Він сформулював деякі закони динаміки і кінематики, зокрема закон інерції, і перевірив їх дослідним шляхом. В 1687 році Ісаак Ньютон опублікував книгу «Principia», в якій в подробицях описав дві основоположні фізичні теорії: закони руху тіл, відомі під назвою закони Ньютона, і закони тяжіння. Обидві теорії чудово узгоджувалися з експериментом. Книга також наводила теорії руху рідин. Згодом класична механіка була переформульована і розширена Леонардом Ейлером, Жозефом-Луї Лагранжем, Вільямом Гамільтоном та іншими. Закони гравітації заклали основу тому, що пізніше стало астрофізикою, яка використовує фізичні теорії для опису й пояснення астрономічних спостережень.

Після встановлення законів механіки Ньютоном, наступним дослідним полем стала електрика. Основи створення теорії електрики заклали спостереження й досліди таких вчених XVII століття, як Роберт Бойль, Стівен Ґрей, Бенджамін Франклін. Склалися основні поняття — електричний заряд та електричний струм.

У 1831 році англійський фізик Майкл Фарадей об’єднав електрику й магнетизм, продемонструвавши, що рухомий магніт індукує в електричному колі струм. Спираючись на цю концепцію, Джеймс Клерк Максвелл побудував теорію електромагнітного поля. Крім електромагнітних явищ рівняння Максвелла описують світло. Підтвердження цьому знайшов Генріх Герц, відкривши радіохвилі.

Із побудовою теорії електромагнітного поля та електромагнітних хвиль перемогою хвильової теорії світла, започаткованої Гюйгенсом, над корпускулярною теорією Ньютона, завершилася побудова класичної оптики. На цьому шляху оптика збагатилася розумінням дифракції та інтерференції світла, досягнутим завдяки працям Огюстена Френеля і Томаса Юнга.

У XVIII і на початку XIX століття були відкриті основні закони поведінки газів, а з добою теплових машин сформувалася наука термодинаміка. Всередині XIX століття Джеймс Прескотт Джоуль встановив еквівалентність механічної та теплової енергій, що призвело до формулювання закону збереження енергії. Завдяки Рудольфу Клаузіусу був сформульований другий закон термодинаміки, Джозая Гіббз заклав основи статистичної фізики, Людвіг Больцман запропонував статистичну інтерпретацію поняття ентропії.

Під кінець XIX століття фізики підійшли до значного відкриття — експериментального підтвердження існування атома.

Наприкінці XIX століття змінилася роль фізики в суспільстві. Виникнення нової техніки: електрики, радіо, автомобіля тощо, вимагало великого обсягу прикладних досліджень. Заняття наукою стало професією. Фірма General Electric першою відкрила власні дослідницькі лабораторії. Такі ж лабораторії стали з’являтися в інших фірмах