В сочинениях какого мыслителя древности впервые появился термин физика

Фи́зика (от др.-греч. φύσις — природа) — область естествознания, наука, изучающая наиболее общие и фундаментальные закономерности, определяющие структуру и эволюцию материального мира. Законы физики лежат в основе всего естествознания.^[1]

Термин «физика» впервые появился в сочинениях одного из величайших мыслителей древности — Аристотеля, жившего в IV веке до нашей эры. Первоначально термины «физика» и «философия» были синонимичны, поскольку обе дисциплины пытаются объяснить законы функционирования Вселенной. Однако в результате научной революции XVI века физика выделилась в отдельное научное направление.

В русский язык слово «физика» было введено Михаилом Васильевичем Ломоносовым, когда он издал первый в России учебник физики в переводе с немецкого языка. Первый русский учебник под названием «Краткое начертание физики» был написан первым русским академиком П. И. Страховым.

В современном мире значение физики чрезвычайно велико. Всё то, чем отличается современное общество от общества прошлых веков, появилось в результате применения на практике физических открытий. Так, исследования в области электромагнетизма привели к появлению телефонов и позже мобильных телефонов, открытия в термодинамике позволили создать автомобиль, развитие электроники привело к появлению компьютеров.

Физическое понимание процессов, происходящих в природе, постоянно развивается. Большинство новых открытий вскоре получают применение в технике и промышленности. Однако новые исследования постоянно поднимают новые загадки и обнаруживают явления, для объяснения которых требуются новые физические теории. Несмотря на огромный объём накопленных знаний, современная физика ещё очень далека от того, чтобы объяснить все явления природы.

Общенаучные основы физических методов разрабатываются в теории познания и методологии науки.

Предмет физики

Физика — это наука о природе (естествознание) в самом общем смысле (часть природоведения). Она изучает различные субстанции бытия (материю, вещество, поля) и наиболее простые и вместе с тем наиболее общие формы её движения, а также фундаментальные взаимодействия природы, управляющие движением материи.

Некоторые закономерности являются общими для всех материальных систем, например, сохранение энергии, — их называют физическими законами. Физику иногда называют «фундаментальной наукой», поскольку другие естественные науки (биология, геология, химия и др.) описывают только некоторый класс материальных систем, подчиняющихся законам физики. Например, химия изучает атомы, образованные из них вещества и превращения одного вещества в другое. Химические же свойства вещества однозначно определяются физическими свойствами атомов и молекул, описываемыми в таких разделах физики, как термодинамика, электромагнетизм и квантовая физика.

Физика тесно связана с математикой: математика предоставляет аппарат, с помощью которого физические законы могут быть точно сформулированы. Физические теории почти всегда формулируются в виде математических выражений, причём используются более сложные разделы математики, чем обычно в других науках. И наоборот, развитие многих областей математики стимулировалось потребностями физических теорий (см. математическая физика).

Научный метод

Физика — естественная наука. В ее основе лежит экспериментальное исследование явлений природы, а ее задача — формулировка законов, которыми объясняются эти явления. Физика сосредоточивается на изучении фундаментальных и простейших явлений и на ответах на простые вопросы: из чего состоит материя, каким образом частицы материи взаимодействуют между собой, по каким правилам и законам осуществляется движение частиц и т. д. В основе физических исследований лежат наблюдения. Обобщение наблюдений позволяет физикам формулировать гипотезы о совместных общих черт этих явлений, по которым велись наблюдения. Гипотезы проверяются с помощью продуманного эксперимента, в котором явление проявлялось бы в как можно более чистом виде и не осложнялось бы другими явлениями. Анализ данных совокупности экспериментов позволяет сформулировать закономерность. На первых этапах исследований закономерности носят преимущественно эмпирический, феноменологический характер, то есть явление описывается количественно с помощью определенных параметров, характерных для исследуемых тел и веществ. Анализируя закономерности и параметры, физики строят физические теории, которые позволяют объяснить изучаемые явления на основе представлений о строении тел и веществ и взаимодействие между их составными частями. Физические теории, в свою очередь, создают предпосылки для постановки точных экспериментов, в ходе которых в основном определяются рамки их применения. Общие физические теории позволяют формулировки физических законов, которые считаются общими истинами, пока накопления новых экспериментальных результатов не потребует их уточнения.

Так, например, Стивен Грей заметил, что электричество можно передавать на довольно значительное расстояние с помощью увлажненных нитей и начал исследовать это явление. Георг Ом сумел найти для него количественную закономерность — ток в проводнике пропорционален напряжению (закон Ома). При этом, конечно, эксперименты Ома опирались на новые источники питания и на новые способы измерять действие электрического тока, что позволило количественно охарактеризовать его. По результатам дальнейших исследований удалось абстрагироваться от формы и длины проводников и ввести такие феноменологические характеристики, как удельное сопротивление проводника и внутреннее сопротивление источника питания. Закон Ома и поныне основа электротехники, однако исследования установили также рамки его применения — открыли элементы электрической цепи с нелинейными вольт-амперными характеристиками а также вещества, не имеющие электрического сопротивления — сверхпроводники. После открытия заряженных микроскопических частиц — электронов, была сформулирована микроскопическая теория электропроводности, объясняющая зависимости сопротивления от температуры посредством рассеяния электронов на колебаниях кристаллической решетки, примесях и т. д.

В. И. Ленин писал: «Одним словом, сегодняшний «физический» идеализм точно так же, как вчерашний «физиологический» идеализм, означает только то, что одна школа естествоиспытателей в одной отрасли естествознания скатилась к реакционной философии, не сумев прямо и сразу подняться от метафизического материализма к диалектическому материализму. Этот шаг делает и сделает современная физика, но она идет к единственно верному методу и единственно верной философии естествознания не прямо, а зигзагами, не сознательно, а стихийно, не видя ясно своей «конечной цели», а приближаясь к ней ощупью, шатаясь, иногда даже задом».( Ленин В. И. Материализм и эмпириокритицизм. — Полн. собр. соч., т. 18, с. 327. )

Количественный характер физики

Физика — количественная наука. Физический эксперимент опирается на измерения, то есть сравнение характеристик исследуемых явлений с определенными эталонами. С этой целью физика развила совокупность физических единиц и измерительных приборов. Отдельные физические единицы объединяются в системы физических единиц. Так, на современном этапе развития науки стандартом является Международная система СИ.

Полученные экспериментально количественные зависимости позволяют использовать для своей обработки математические методы и строить теоретические, то есть математические модели изучаемых явлений.

С изменением представлений о природе тех или иных явлений меняются также физические единицы, в которых измеряются физические величины. Так, например, для измерения температуры сначала были предложены произвольные температурные шкалы, которые делили промежуток температур между характерными явлениями (например, замерзанием и кипением воды) на определенное количество меньших промежутков, которые получили название градусов температуры. Для измерения количества теплоты была введена единица — калория, которая определяла количество теплоты, необходимой для нагрева грамма воды на один градус. Однако со временем физики установили соответствие между механической и тепловой формой энергии. Таким образом, оказалось, что предложенная ранее единица количества теплоты, калория, является излишней, как единица измерения температуры. И количество теплоты и температуру можно измерять в единицах механической энергии. В современную эпоху калория и градус не вышли из практического употребления, но между этими величинами и единицей энергии Джоулем существует точное числовое соотношение. Градус, как единица измерения температуры входит в систему СИ, а коэффициент перехода от температурной к энергетическим величинам, постоянная Больцмана, считается физической постоянной.

История физики

Физика — это наука о материи, ее свойствах и движении. Она является одной из наиболее древних научных дисциплин. Люди пытались понять свойства материи из древнейших времен: почему тела падают на землю, почему разные вещества имеют различные свойства и т. д. Интересовали людей также вопрос о строении мира, о природе Солнца и Луны. Сначала ответы на эти вопросы пытались искать в философии. В основном философские теории, которые пытались дать ответы на такие вопросы не проверялись на практике. Однако, несмотря на то, что нередко философские теории неправильно описывали наблюдения, еще в древние времена человечество добилось значительных успехов в астрономии, а греческий мудрец Архимед даже сумел дать точные количественные формулировки многих законов механики и гидростатики.

Некоторые теории древних мыслителей, как, например, идеи о атомах, которые были сформулированы в древних Греции и Индии, опережали время. Постепенно от общей философии начало отделяться естествознание, как и его часть, которая описывает окружающий мир. Одна из основных книг Аристотеля называется «Физика». Несмотря на некоторые неправильные утверждения, физика Аристотеля на протяжении веков оставалась основой знаний о природе.

См. также: Природное явление

Период до научной революции

Свойство человечества сомневаться и пересматривать положения, которые раньше считались единственно истинными, в поисках ответов на новые вопросы в итоге привела к эпохе великих научных открытий, которую сегодня называют научной революцией, начавшейся примерно со второй половины 16-го века. Предпосылки к этим коренным изменениям сложились благодаря достоянию древних мыслителей, наследие которых можно проследить до Индии и Персии. Сюда входят эллиптические модели планетарных орбит, опиравшиеся на гелиоцентрическую модель Солнечной системы, которую разработал индийский математик и астроном Ариабхата I, базовые положения атомизма, предложенные индусскими и джайнистськимы философами, теория о том, что свет эквивалентно энергетическим частицам буддистских мыслителей Дигнагы и Дхармакирти, оптическая теория арабского ученого Альхазена, изобретение персом Могаммадом аль Фазари астролябии. Персидский ученый Насир аль Дин ат Туси указал на значительные недостатки птолемеевской системы.

Средневековая Европа на какое-то время потеряла знания античных времен, но под влиянием Арабского халифата сохраненные арабами сочинения Аристотеля вернулись. В 12-13 веках нашли свой ​​путь в Европу также произведения индийских и персидских ученых. В Средние века начал складываться научный метод, в котором основная роль отводилась экспериментам и математическому описанию. Ибн аль-Хайсам (Альхазен) считается основоположником научного метода. В своей «Книге о оптике», написанной в 1021 году, он описывал эксперименты, поставленные для того, чтобы доказать справедливость своей теории зрения, которая утверждала, что глаз воспринимает свет, излучаемый другими объектами, а не сам глаз излучает свет, как считали раньше Евклид и Птолемей. В экспериментах Альхазена использовалась камера обскура. С помощью этого прибора он проверял свои гипотезы относительно свойств света: или свет распространяется по прямой, или смешиваются в воздухе различные лучи света.

Научная революция

Период научной революции характеризуется утверждением научного метода исследований, вычленением физики из массы натурфилософии в отдельную область и развитием отдельных разделов физики: механики, оптики, термодинамики и т. д.

Большинство историков придерживаются мнения о том, что научная революция началась в 1543 году, когда Копернику привезли из Нюрнберга впервые напечатанный экземпляр его книги «Об обращении небесных сфер».

На протяжении века с тех пор знания человечество обогатилось работами таких исследователей, как Галилео Галилея, Христиана Гюйгенса, Иоганна Кеплера и Блеза Паскаля. Галилей первым начал последовательно применять научный метод, проводя эксперименты, чтобы подтвердить свои предположения и теории. Он сформулировал некоторые законы динамики и кинематики, в частности закон инерции, и проверил их опытным путем. В 1687 году Ньютон опубликовал книгу «Principia», в которой в подробностях описал две основополагающие физические теории: законы движения тел, известные под названием законы Ньютона, и законы тяготения. Обе теории прекрасно согласовывались с экспериментом. Книга также приводила теории движения жидкостей. Впоследствии классическая механика была переформулирована и расширенная Леонардом Эйлером, Жозефом-Луи Лагранжем, Уильямом Гамильтоном и другими. Законы гравитации заложили основу тому, что позже стало астрофизикой, которая использует физические теории для описания и объяснения астрономических наблюдений.

После установления законов механики Ньютоном, следующим исследовательским полем стало электричество. Основы создания теории электричества заложили наблюдения и опыты таких ученых 17-го века, как Роберт Бойль, Стивен Грей, Бенджамин Франклин. Сложились основные понятия — электрический заряд и электрический ток. В 1831 году английский физик Майкл Фарадей объединил электричество и магнетизм, продемонстрировав, что движущийся магнит индуцирует в электрической цепи ток. Опираясь на эту концепцию, Джеймс Клерк Максвелл построил теорию электромагнитного поля. Кроме электромагнитных явлений уравнения Максвелла описывают свет. Подтверждение этому нашел Генрих Герц, открыв радиоволны.

С построением теории электромагнитного поля и электромагнитных волн победой волновой теории света, основанной Гюйгенсом, над корпускулярной теорией Ньютона, завершилось построение классической оптики. На этом пути оптика обогатилась пониманием дифракции и интерференции света, достигнутым благодаря трудам Френеля и Янга.

В 18-м и начале 19-го века были открыты основные законы поведения газов, а со временем тепловых машин сформировалась наука термодинамика. В 19-ом веке Джоуль установил эквивалентность механической и тепловой энергий, что привело к формулировке закона сохранения энергии. Благодаря Клаузиусу был сформулирован второй закон термодинамики, Гиббс заложил основы статистической физики, Людвиг Больцман предложил статистическую интерпретацию понятия энтропии.

Под конец девятнадцатого века физики подошли к значительному открытию — экспериментальному подтверждению существования атома.

В конце девятнадцатого века изменилась роль физики в обществе. Возникновение новой техники: электричества, радио, автомобиля и т. д., требовало большого объема прикладных исследований. Занятия наукой стало профессией. Фирма General Electric первой открыла собственные исследовательские лаборатории. Такие же лаборатории стали появляться в других фирмах.

Смена парадигм

Конец девятнадцатого, начало двадцатого века был временем, когда под давлением новых экспериментальных данных физикам пришлось пересмотреть старые теории и заменить их новыми, заглядывая все глубже в строение материи. Эксперимент Майкельсона — Морли выбил основу из-под ног электромагнетизма, поставив под сомнение существование эфира. Были открыты новые явления, такие как рентгеновские лучи и радиоактивность. Не успели физики доказать существование атома, как появились доказательства существования электрона, эксперименты с фотоэффекта и измерения спектра теплового излучения давали результаты, которые невозможно было объяснить, исходя из принципов классической физики. В прессе этот период назывался кризисом физики, но одновременно он стал периодом триумфа физики, сумевшей выработать новые революционные теории, которые не только объяснили непонятные явления, но и многие другие, открыв путь к новому пониманию природы.

В 1905 году Альберт Эйнштейн построил специальную теорию относительности, которая продемонстрировала, что понятие эфира не требуется при объяснении электромагнитных явлений. При этом пришлось изменить классическую механику Ньютона, дав ей новую формулировку, справедливую при больших скоростях. Коренным образом изменились также представления о природе пространства и времени. Эйнштейн развил свою теорию в общую теорию относительности, опубликованную в 1916 году. Новая теория включала в себя описание гравитационных явлений и открыла путь к становлению космологии — науки об эволюции Вселенной.

Рассматривая задачу о тепловом излучении абсолютно черного тела Макс Планк в 1900 году предложил невероятную идею, что электромагнитные волны излучаются порциями, энергия которых пропорциональна частоте. Эти порции получили название квантов, а сама идея начала построение новой физической теории — квантовой механики, которая еще больше изменила классическую ньютоновскую механику, на этот раз при очень малых размерах физической системы. В том же 1905-м году Альберт Эйнштейн применил идею Планка для успешного объяснения экспериментов с фотоэффектом, предположив, что электромагнитные волны не только излучаются, но и поглощаются квантами. Корпускулярная теория света, которая, казалось, потерпела сокрушительное поражение в борьбе с волновой теорией, вновь получила поддержку.

Спор между корпускулярной и волновой теорией нашел свое решение в корпускулярно-волновом дуализме, гипотезе, сформулированной Луи де Бройлем. По этой гипотезе не только квант света, а любая другая частица проявляет одновременно свойства, присущие как корпускул, так и волны. Гипотеза Луи де Бройля подтвердилась в экспериментах с дифракции электронов.

В 1911 году Эрнест Резерфорд предложил планетарную теорию атома, а в 1913 году Нильс Бор построил модель атома, в которой постулировал квантовый характер движения электронов. Благодаря работам Вернера Гайзенберга, Эрвина Шредингера, Вольфганга Паули, Поля Дирака и многих других квантовая механика нашла свое точную математическую формулировку, подтвердждённую многочисленными экспериментами. В 1927 году была произведена копенгагенская интерпретация, которая открывала путь для понимания законов квантового движения на качественном уровне.

Физика современности

С открытием радиоактивности Анри Беккерелем началось развитие ядерной физики, которая привела к появлению новых источников энергии: атомной энергии и энергии ядерного синтеза. Открытые при исследованиях ядерных реакции новые частицы: нейтрон, протон, нейтрино, дали начало физике элементарных частиц. Эти новые открытия на субатомном уровне оказались очень важными для физики на уровне Вселенной и позволили сформулировать теорию её эволюции — теорию Большого взрыва.

Сложилось окончательное разделение труда между физиками-теоретиками и физиками-экспериментаторами. Энрико Ферми был, пожалуй, последним выдающимся физиком, успешным как в теории, так и в экспериментальной работе.

Передний край физики переместился в область исследования фундаментальных законов, ставя перед собой цель создать теорию, которая объясняла бы Вселенную, объединив теории фундаментальных взаимодействий. На этом пути физика получила частичные успехи в виде теории электрослабого взаимодействия и теории кварков, обобщённой в так называемой стандартной модели. Однако, квантовая теория гравитации до сих пор не построена. Определенные надежды связываются с теорией струн.

Начиная с создания квантовой механики, быстрыми темпами развивается физика твердого тела, открытия которой привели к возникновению и развитию электроники, а с ней и информатики, которые внесли коренные изменения в культуру человеческого общества.

Теоретическая и экспериментальная физика

В основе своей физика — экспериментальная наука: все её законы и теории основываются и опираются на опытные данные. Однако зачастую именно новые теории являются причиной проведения экспериментов и, как результат, лежат в основе новых открытий. Поэтому принято различать экспериментальную и теоретическую физику.

Экспериментальная физика исследует явления природы в заранее подготовленных условиях. В её задачи входит обнаружение ранее неизвестных явлений, подтверждение или опровержение физических теорий. Многие достижения в физике были сделаны благодаря экспериментальному обнаружению явлений, не описываемых существующими теориями. Например, экспериментальное изучение фотоэффекта послужило одной из посылок к созданию квантовой механики (хотя рождением квантовой механики считается появление гипотезы Планка, выдвинутой им для разрешения ультрафиолетовой катастрофы — парадокса классической теоретической физики излучения).

В задачи теоретической физики входит формулирование общих законов природы и объяснение на основе этих законов различных явлений, а также предсказание до сих пор неизвестных явлений. Верность любой физической теории проверяется экспериментально: если результаты эксперимента совпадают с предсказаниями теории, она считается адекватной (достаточно точно описывающей данное явление).

При изучении любого явления экспериментальные и теоретические аспекты одинаково важны.

Прикладная физика

От своего зарождения физика всегда имела большое прикладное значение и развивалась вместе с машинами и механизмами, которые человечество использовало для своих нужд. Физика широко используется в инженерных науках, немало физиков были одновременно изобретателями и, наоборот. Механика, как часть физики, тесно связана с теоретической механикой и сопротивлением материалов, как инженерными науками. Термодинамика связана с теплотехникой и конструированием тепловых двигателей. Электричество связано с электротехникой и электроникой, для становления и развития которой очень важны исследования в области физики твердого тела. Достижения ядерной физики обусловили появление ядерной энергетики, и тому подобное.

Физика также имеет широкие междисциплинарные связи. На границе физики, химии и инженерных наук возникла и быстро развивается такая отрасль науки как материаловедение. Методы и инструменты используются химией, что привело к становлению двух направлений исследований: физической химии и химической физики. Все мощнее становится биофизика — область исследований на границе между биологией и физикой, в которой биологические процессы изучаются исходя из атомарного структуры органических веществ. Геофизика изучает физическую природу геологических явлений. Медицина использует методы, такие как рентгеновские и ультразвуковые исследования, ядерный магнитный резонанс — для диагностики, лазеры — для лечения болезней глаз, ядерное облучение — в онкологии, и тому подобное.

Основные теории

Хотя физика имеет дело с разнообразными системами, некоторые физические теории применимы в больших областях физики. Такие теории считаются в целом верными при дополнительных ограничениях. Например, классическая механика верна, если размеры исследуемых объектов намного больше размеров атомов, скорости существенно меньше скорости света, и гравитационные силы малы. Эти теории всё ещё активно исследуются; например, такой аспект классической механики, как теория хаоса был открыт только в XX веке. Они составляют основу для всех физических исследований.

Теория	Основные разделы	Понятия
Классическая механика	Законы Ньютона — Лагранжева механика — Гамильтонова механика — Теория хаоса — Гидродинамика — Механика сплошных сред	Вещество — Пространство — Время — Энергия — Движение — Масса — Длина — Скорость — Сила — Мощность — Работа — Закон сохранения — Момент инерции — Угловой момент — Момент силы — Волна — Действие — Размерность
Электромагнетизм	Электростатика — Электричество — Магнитостатика — Магнетизм — Уравнения Максвелла — Электродинамика	Электрический заряд — Напряжение — Ток — Электрическое поле — Магнитное поле — Электромагнитное поле — Электромагнитное излучение
Термодинамика и Статистическая физика	Тепловая машина — Молекулярно-кинетическая теория	Температура — Постоянная Больцмана — Энтропия — Свободная энергия — Термодинамическое равновесие — Статистическая сумма — Микроканоническое распределение — Большое каноническое распределение
Квантовая механика	Уравнение Шрёдингера — Интеграл Фейнмана — Квантовая теория поля	Гамильтониан — Тождественные частицы — Постоянная Планка — Измерение — Квантовый осциллятор — Волновая функция — Нулевая энергия — Перенормировка
Теория относительности	Специальная теория относительности — Общая теория относительности	Принцип относительности — 4-вектор — Пространство-время — Скорость света — Тензор энергии-импульса — Кривизна пространства-времени — Чёрная дыра

Разделы физики

Макроскопическая физика

• Механика
  • Классическая механика
  • Релятивистская механика
  • Механика сплошных сред
    • Гидродинамика
    • Акустика
    • Механика твердого тела
• Термодинамика
• Оптика
  • Физическая оптика
  • Кристаллооптика
  • Молекулярная оптика
  • Нелинейная оптика
• Электродинамика
  • Электродинамика сплошных сред
  • Магнитогидродинамика
  • Электрогидродинамика

Микроскопическая физика

• Статистическая физика
  • Статистическая механика
  • Статистическая теория поля
• Физика конденсированных сред
  • Физика твёрдого тела
  • Физика жидкостей
  • Физика атомов и молекул
  • Физика наноструктур
• Квантовая физика
  • Квантовая механика
  • Квантовая теория поля
  • Квантовая электродинамика
  • Квантовая хромодинамика
  • Теория струн
• Ядерная физика
  • Физика гиперядер
• Физика высоких энергий
• Физика элементарных частиц

Разделы физики на стыке наук

• Агрофизика
• Акустооптика
• Астрофизика
• Биофизика
• Гидрофизика
• Геофизика
  • Петрофизика
  • Сейсмология
  • Тектонофизика
• Космология
• Математическая физика
• Материаловедение
  • Кристаллография
• Медицинская физика
• Метрология
• Радиофизика
• Техническая физика
• Теория колебаний
• Теория динамических систем
• Химическая физика
• Физика атмосферы
• Физика плазмы
• Физическая химия

Справка

• Единицы измерения физических величин
• Фундаментальные физические константы
• Олимпиадные задачи по физике
• История физики

Важнейшие журналы

Российские

• Успехи физических наук (УФН)
• Журнал экспериментальной и теоретической физики (ЖЭТФ)
• Письма в ЖЭТФ
• Теоретическая и математическая физика

Зарубежные

• Nature Physics
• Журналы Американского физического общества
  • Physics — короткие обзорные статьи по результатам, опубликованным в других журналах общества.
  • Reviews of Modern Physics (RMP) Публикует обзорные статьи по большим разделам физики
  • Physical Review Letters (PRL) Наиболее престижный (после Nature и Science) журнал: короткие статьи по новейшим исследованиям
  • Physical Review (A,B,C,D,E) Статьи разного формата, более подробные, но менее оперативно публикуемые, чем в Phys. Rev. Lett.
  • Annals of Physics
• Журналы Американского института физики
  • Physics Today
  • Applied Physics Letters (APL)
  • Journal of Applied Physics
• Европейские журналы
  • Journal of Physics (A, B, C …)
    • Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical
    • Journal of Physics: Condensed Matter
  • New Journal of Physics
  • Physica (A, B, C …)
    • Physica A
  • Physics Letters A
  • Europhysics Letters
  • Zeitschrift für Physik Именно в этом журнале публиковались Эйнштейн, Гейзенберг, Планк…
  • Nuovo cimento (A, B, C …)
  • Foundations of Physics
• Научно-популярные журналы
  • Квант
  • Physics World

А также архив препринтов arXiv.org, на котором статьи появляются гораздо раньше их появления в журналах и доступны для свободного скачивания.

См. также

	Портал «Физика»
	Физика в Викисловаре?
	Физика в Викиучебнике?
	Физика в Викитеке?
	Физика на Викискладе?
	Физика в Викиновостях?

• Физика в конспектах
• Физики шутят
• Общая физика
• Нерешённые проблемы современной физики

Ссылки

• Физика в Open Encyclopedia Project
• Статья в «Физической энциклопедии»

Коды в системах классификации знаний

• УДК 53
• Государственный рубрикатор научно-технической информации (ГРНТИ) (по состоянию на 2001 год): 29 ФИЗИКА
• Physics and Astronomy Classification Scheme® (PACS)

Примечания

Литература

• Иванов Б. Н. Законы физики. Изд.3, М.:URSS, 2010 г., 368 с

Наука
Научные направления Гуманитарные • Естественные • Общественные • Прикладные • Технические • Точные
Астрономия • Биология • География • Геология • Информатика • История • Лингвистика • Математика • Медицина • Психология • Политология • Социология • Физика • Филология • Химия • Экономика • Юриспруденция
Список академических дисциплин

Области естествознания
Астрономия · Биология · Химия · Науки о Земле · Физика

Физика (от др.-греч. φύσις «природа») — область естествознания, наука, изучающая наиболее общие и фундаментальные закономерности, определяющие структуру и эволюцию материального мира.

Термин «Физика» впервые появился в сочинениях одного из величайших мыслителей древности — Аристотеля, жившего в IV веке до нашей эры. В русский язык слово «физика» было введено Михаилом Васильевичем Ломоносовым, когда он издал первый в России учебник физики в переводе с немецкого языка. Первый отечественный учебник под названием «Краткое начертание физики» был написан первым русским академиком Страховым.

Физика — это наука о природе в самом общем смысле (часть природоведения). Она изучает вещество (материю) и энергию, а также фундаментальные взаимодействия природы, управляющие движением материи.

Некоторые закономерности являются общими для всех материальных систем, например, сохранение энергии, — такие свойства называют физическими законами. Физику иногда называют «фундаментальной наукой», поскольку другие естественные науки (биология, геология, химия и др.) описывают только некоторый класс материальных систем, подчиняющихся законам физики. Например, химия изучает молекулы и образованные из них вещества. Химические же свойства вещества однозначно определяются физическими свойствами атомов и молекул, описываемыми в таких разделах физики, как термодинамика, электромагнетизм и квантовая физика.

Физика тесно связана с математикой: математика предоставляет аппарат, с помощью которого физические законы могут быть точно сформулированы. Физические теории почти всегда формулируются в виде математических выражений, причём используются более сложные разделы математики, чем обычно в других науках. И наоборот, развитие многих областей математики стимулировалось потребностями физических теорий.

Главными ветвями физики являются экспериментальная физика и теоретическая физика. И хотя может показаться, что они разделены, поскольку большинство физиков являются или чистыми теоретиками, или чистыми экспериментаторами, на самом деле теоретическая и экспериментальная физика развивается в постоянном контакте. Над одной и той же проблемой могут работать как теоретики, так и экспериментаторы. Первые описывают существующие экспериментальные данные и делают теоретические предсказания будущих результатов, вторые проводят эксперименты, проверяя существующие теории и получая новые результаты. Многие достижения в физике были вызваны экспериментальным наблюдением явлений, не описываемых существующими теориями (например, экспериментально обнаруженная абсолютность скорости света породила специальную теорию относительности), так же как и некоторым теориям удалось предсказать результаты, проверенные позже (например, открытие позитрона).

Как видите физика решает многие задачи. Чтобы не усложнять себе жизнь и не сушить мозги, доверьте решение своих задач нам.

Not to be confused with Physis.

Physics is the natural science that studies matter,^[a] its fundamental constituents, its motion and behavior through space and time, and the related entities of energy and force.^[2] Physics is one of the most fundamental scientific disciplines, with its main goal being to understand how the universe behaves.^[b][3][4][5] A scientist who specializes in the field of physics is called a physicist.

Physics is one of the oldest academic disciplines and, through its inclusion of astronomy, perhaps the oldest.^[6] Over much of the past two millennia, physics, chemistry, biology, and certain branches of mathematics were a part of natural philosophy, but during the Scientific Revolution in the 17th century these natural sciences emerged as unique research endeavors in their own right.^[c] Physics intersects with many interdisciplinary areas of research, such as biophysics and quantum chemistry, and the boundaries of physics are not rigidly defined. New ideas in physics often explain the fundamental mechanisms studied by other sciences^[3] and suggest new avenues of research in these and other academic disciplines such as mathematics and philosophy.

Advances in physics often enable advances in new technologies. For example, advances in the understanding of electromagnetism, solid-state physics, and nuclear physics led directly to the development of new products that have dramatically transformed modern-day society, such as television, computers, domestic appliances, and nuclear weapons;^[3] advances in thermodynamics led to the development of industrialization; and advances in mechanics inspired the development of calculus.

History

The word «physics» comes from Ancient Greek: φυσική (ἐπιστήμη), romanized: physikḗ (epistḗmē), meaning «knowledge of nature».^[8][9][10]

Ancient astronomy

Astronomy is one of the oldest natural sciences. Early civilizations dating back before 3000 BCE, such as the Sumerians, ancient Egyptians, and the Indus Valley Civilisation, had a predictive knowledge and a basic awareness of the motions of the Sun, Moon, and stars. The stars and planets, believed to represent gods, were often worshipped. While the explanations for the observed positions of the stars were often unscientific and lacking in evidence, these early observations laid the foundation for later astronomy, as the stars were found to traverse great circles across the sky,^[6] which could not explain the positions of the planets.

According to Asger Aaboe, the origins of Western astronomy can be found in Mesopotamia, and all Western efforts in the exact sciences are descended from late Babylonian astronomy.^[11] Egyptian astronomers left monuments showing knowledge of the constellations and the motions of the celestial bodies,^[12] while Greek poet Homer wrote of various celestial objects in his Iliad and Odyssey; later Greek astronomers provided names, which are still used today, for most constellations visible from the Northern Hemisphere.^[13]

Natural philosophy

Natural philosophy has its origins in Greece during the Archaic period (650 BCE – 480 BCE), when pre-Socratic philosophers like Thales rejected non-naturalistic explanations for natural phenomena and proclaimed that every event had a natural cause.^[14] They proposed ideas verified by reason and observation, and many of their hypotheses proved successful in experiment;^[15] for example, atomism was found to be correct approximately 2000 years after it was proposed by Leucippus and his pupil Democritus.^[16]

Medieval European and Islamic

The Western Roman Empire fell in the fifth century, and this resulted in a decline in intellectual pursuits in the western part of Europe. By contrast, the Eastern Roman Empire (also known as the Byzantine Empire) resisted the attacks from the barbarians, and continued to advance various fields of learning, including physics.^[17]

In the sixth century, Isidore of Miletus created an important compilation of Archimedes’ works that are copied in the Archimedes Palimpsest.

In sixth-century Europe John Philoponus, a Byzantine scholar, questioned Aristotle’s teaching of physics and noted its flaws. He introduced the theory of impetus. Aristotle’s physics was not scrutinized until Philoponus appeared; unlike Aristotle, who based his physics on verbal argument, Philoponus relied on observation. On Aristotle’s physics Philoponus wrote:

But this is completely erroneous, and our view may be corroborated by actual observation more effectively than by any sort of verbal argument. For if you let fall from the same height two weights of which one is many times as heavy as the other, you will see that the ratio of the times required for the motion does not depend on the ratio of the weights, but that the difference in time is a very small one. And so, if the difference in the weights is not considerable, that is, of one is, let us say, double the other, there will be no difference, or else an imperceptible difference, in time, though the difference in weight is by no means negligible, with one body weighing twice as much as the other^[19]

Philoponus’ criticism of Aristotelian principles of physics served as an inspiration for Galileo Galilei ten centuries later,^[20] during the Scientific Revolution. Galileo cited Philoponus substantially in his works when arguing that Aristotelian physics was flawed.^[21][22] In the 1300s Jean Buridan, a teacher in the faculty of arts at the University of Paris, developed the concept of impetus. It was a step toward the modern ideas of inertia and momentum.^[23]

Islamic scholarship inherited Aristotelian physics from the Greeks and during the Islamic Golden Age developed it further, especially placing emphasis on observation and a priori reasoning, developing early forms of the scientific method.

Although Aristotle’s principles of physics was criticized, it is important to identify his the evidence he based his views off of.  When thinking of the history of science and math, it is notable to acknowledge the contributions made by older scientists. Aristotle’s science was the backbone of the science we learn in schools today. Aristotle published many biological works including The Parts of Animals, in which he discusses both biological science and natural science as well. It is also integral to mention the role Aristotle had in the progression of physics and metaphysics and how his beliefs and findings are still being taught in science classes to this day. The explanations that Aristotle gives for his findings are also very simple. When thinking of the elements, Aristotle believed that each element (earth, fire, water, air) had its own natural place. Meaning that because of the density of these elements, they will revert back to their own specific place in the atmosphere.^[24] So, because of their weights, fire would be at the very top, air right underneath fire, then water, then lastly earth. He also stated that when a small amount of one element enters the natural place of another, the less abundant element will automatically go into its own natural place. For example, if there is a fire on the ground, if you pay attention, the flames go straight up into the air as an attempt to go back into its natural place where it belongs. Aristotle called his metaphysics “first philosophy” and characterized it as the study of “being as being”.^[25] Aristotle defined the paradigm of motion as a being or entity encompassing different areas in the same body. ^[25]Meaning that if a person is at a certain location (A) they can move to a new location (B) and still take up the same amount of space. This is involved with Aristotle’s belief that motion is a continuum. In terms of matter, Aristotle believed that the change in category (ex. place) and quality (ex. color) of an object is defined as “alteration”. But, a change in substance is a change in matter. This is also very close to our idea of matter today.

He also devised his own laws of motion that include 1) heavier objects will fall faster, the speed being proportional to the weight and 2) the speed of the object that is falling depends inversely on the density object it is falling through (ex. density of air).^[26] He also stated that, when it comes to violent motion (motion of an object when a force is applied to it by a second object) that the speed that object moves, will only be as fast or strong as the measure of force applied to it.^[26] This is also seen in the rules of velocity and force that is taught in physics classes today. These rules are not necessarily what we see in our physics today but, they are very similar. It is evident that these rules were the backbone for other scientists to come revise and edit his beliefs.

The most notable innovations were in the field of optics and vision, which came from the works of many scientists like Ibn Sahl, Al-Kindi, Ibn al-Haytham, Al-Farisi and Avicenna. The most notable work was The Book of Optics (also known as Kitāb al-Manāẓir), written by Ibn al-Haytham, in which he conclusively disproved the ancient Greek idea about vision and came up with a new theory. In the book, he presented a study of the phenomenon of the camera obscura (his thousand-year-old version of the pinhole camera) and delved further into the way the eye itself works. Using dissections and the knowledge of previous scholars, he was able to begin to explain how light enters the eye. He asserted that the light ray is focused, but the actual explanation of how light projected to the back of the eye had to wait until 1604. His Treatise on Light explained the camera obscura, hundreds of years before the modern development of photography.^[27]

The seven-volume Book of Optics (Kitab al-Manathir) hugely influenced thinking across disciplines from the theory of visual perception to the nature of perspective in medieval art, in both the East and the West, for more than 600 years. Many later European scholars and fellow polymaths, from Robert Grosseteste and Leonardo da Vinci to René Descartes, Johannes Kepler and Isaac Newton, were in his debt. Indeed, the influence of Ibn al-Haytham’s Optics ranks alongside that of Newton’s work of the same title, published 700 years later.

The translation of The Book of Optics had a huge impact on Europe. From it, later European scholars were able to build devices that replicated those Ibn al-Haytham had built and understand the way light works. From this, important inventions such as eyeglasses, magnifying glasses, telescopes, and cameras were developed.

Classical

Physics became a separate science when early modern Europeans used experimental and quantitative methods to discover what are now considered to be the laws of physics.^{[28][page needed]}

Major developments in this period include the replacement of the geocentric model of the Solar System with the heliocentric Copernican model, the laws governing the motion of planetary bodies (determined by Kepler between 1609 and 1619), Galileo’s pioneering work on telescopes and observational astronomy in the 16th and 17th Centuries, and Isaac Newton’s discovery and unification of the laws of motion and universal gravitation (that would come to bear his name).^[29] Newton also developed calculus,^[d] the mathematical study of continuous change, which provided new mathematical methods for solving physical problems.^[30]

The discovery of new laws in thermodynamics, chemistry, and electromagnetics resulted from research efforts during the Industrial Revolution as energy needs increased.^[31] The laws comprising classical physics remain very widely used for objects on everyday scales travelling at non-relativistic speeds, since they provide a very close approximation in such situations, and theories such as quantum mechanics and the theory of relativity simplify to their classical equivalents at such scales. Inaccuracies in classical mechanics for very small objects and very high velocities led to the development of modern physics in the 20th century.

Modern

Modern physics began in the early 20th century with the work of Max Planck in quantum theory and Albert Einstein’s theory of relativity. Both of these theories came about due to inaccuracies in classical mechanics in certain situations. Classical mechanics predicted that the speed of light depends on the motion of the observer, which could not be resolved with the constant speed predicted by Maxwell’s equations of electromagnetism. This discrepancy was corrected by Einstein’s theory of special relativity, which replaced classical mechanics for fast-moving bodies and allowed for a constant speed of light.^[32] Black-body radiation provided another problem for classical physics, which was corrected when Planck proposed that the excitation of material oscillators is possible only in discrete steps proportional to their frequency. This, along with the photoelectric effect and a complete theory predicting discrete energy levels of electron orbitals, led to the theory of quantum mechanics improving on classical physics at very small scales.^[33]

Quantum mechanics would come to be pioneered by Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger and Paul Dirac.^[33] From this early work, and work in related fields, the Standard Model of particle physics was derived.^[34] Following the discovery of a particle with properties consistent with the Higgs boson at CERN in 2012,^[35] all fundamental particles predicted by the standard model, and no others, appear to exist; however, physics beyond the Standard Model, with theories such as supersymmetry, is an active area of research.^[36] Areas of mathematics in general are important to this field, such as the study of probabilities and groups.

Philosophy

In many ways, physics stems from ancient Greek philosophy. From Thales’ first attempt to characterize matter, to Democritus’ deduction that matter ought to reduce to an invariant state the Ptolemaic astronomy of a crystalline firmament, and Aristotle’s book Physics (an early book on physics, which attempted to analyze and define motion from a philosophical point of view), various Greek philosophers advanced their own theories of nature. Physics was known as natural philosophy until the late 18th century.^[e]

By the 19th century, physics was realized as a discipline distinct from philosophy and the other sciences. Physics, as with the rest of science, relies on philosophy of science and its «scientific method» to advance our knowledge of the physical world.^[38] The scientific method employs a priori reasoning as well as a posteriori reasoning and the use of Bayesian inference to measure the validity of a given theory.^[39]

The development of physics has answered many questions of early philosophers but has also raised new questions. Study of the philosophical issues surrounding physics, the philosophy of physics, involves issues such as the nature of space and time, determinism, and metaphysical outlooks such as empiricism, naturalism and realism.^[40]

Many physicists have written about the philosophical implications of their work, for instance Laplace, who championed causal determinism,^[41] and Erwin Schrödinger, who wrote on quantum mechanics.^[42][43] The mathematical physicist Roger Penrose has been called a Platonist by Stephen Hawking,^[44] a view Penrose discusses in his book, The Road to Reality.^[45] Hawking referred to himself as an «unashamed reductionist» and took issue with Penrose’s views.^[46]

Core theories

Though physics deals with a wide variety of systems, certain theories are used by all physicists. Each of these theories was experimentally tested numerous times and found to be an adequate approximation of nature. For instance, the theory of classical mechanics accurately describes the motion of objects, provided they are much larger than atoms and moving at a speed much less than the speed of light. These theories continue to be areas of active research today. Chaos theory, a remarkable aspect of classical mechanics, was discovered in the 20th century, three centuries after the original formulation of classical mechanics by Newton (1642–1727).

These central theories are important tools for research into more specialized topics, and any physicist, regardless of their specialization, is expected to be literate in them. These include classical mechanics, quantum mechanics, thermodynamics and statistical mechanics, electromagnetism, and special relativity.

Classical

Classical physics includes the traditional branches and topics that were recognized and well-developed before the beginning of the 20th century—classical mechanics, acoustics, optics, thermodynamics, and electromagnetism. Classical mechanics is concerned with bodies acted on by forces and bodies in motion and may be divided into statics (study of the forces on a body or bodies not subject to an acceleration), kinematics (study of motion without regard to its causes), and dynamics (study of motion and the forces that affect it); mechanics may also be divided into solid mechanics and fluid mechanics (known together as continuum mechanics), the latter include such branches as hydrostatics, hydrodynamics, aerodynamics, and pneumatics. Acoustics is the study of how sound is produced, controlled, transmitted and received.^[47] Important modern branches of acoustics include ultrasonics, the study of sound waves of very high frequency beyond the range of human hearing; bioacoustics, the physics of animal calls and hearing,^[48] and electroacoustics, the manipulation of audible sound waves using electronics.^[49]

Optics, the study of light, is concerned not only with visible light but also with infrared and ultraviolet radiation, which exhibit all of the phenomena of visible light except visibility, e.g., reflection, refraction, interference, diffraction, dispersion, and polarization of light. Heat is a form of energy, the internal energy possessed by the particles of which a substance is composed; thermodynamics deals with the relationships between heat and other forms of energy. Electricity and magnetism have been studied as a single branch of physics since the intimate connection between them was discovered in the early 19th century; an electric current gives rise to a magnetic field, and a changing magnetic field induces an electric current. Electrostatics deals with electric charges at rest, electrodynamics with moving charges, and magnetostatics with magnetic poles at rest.

Modern

Classical physics is generally concerned with matter and energy on the normal scale of observation, while much of modern physics is concerned with the behavior of matter and energy under extreme conditions or on a very large or very small scale. For example, atomic and nuclear physics study matter on the smallest scale at which chemical elements can be identified. The physics of elementary particles is on an even smaller scale since it is concerned with the most basic units of matter; this branch of physics is also known as high-energy physics because of the extremely high energies necessary to produce many types of particles in particle accelerators. On this scale, ordinary, commonsensical notions of space, time, matter, and energy are no longer valid.^[50]

The two chief theories of modern physics present a different picture of the concepts of space, time, and matter from that presented by classical physics. Classical mechanics approximates nature as continuous, while quantum theory is concerned with the discrete nature of many phenomena at the atomic and subatomic level and with the complementary aspects of particles and waves in the description of such phenomena. The theory of relativity is concerned with the description of phenomena that take place in a frame of reference that is in motion with respect to an observer; the special theory of relativity is concerned with motion in the absence of gravitational fields and the general theory of relativity with motion and its connection with gravitation. Both quantum theory and the theory of relativity find applications in many areas of modern physics.^[51]

Fundamental concepts in modern physics

• Causality
• Covariance
• Action
• Physical field
• Symmetry
• Physical interaction
• Statistical ensemble
• Quantum
• Wave
• Particle

Difference

While physics aims to discover universal laws, its theories lie in explicit domains of applicability.

Loosely speaking, the laws of classical physics accurately describe systems whose important length scales are greater than the atomic scale and whose motions are much slower than the speed of light. Outside of this domain, observations do not match predictions provided by classical mechanics. Einstein contributed the framework of special relativity, which replaced notions of absolute time and space with spacetime and allowed an accurate description of systems whose components have speeds approaching the speed of light. Planck, Schrödinger, and others introduced quantum mechanics, a probabilistic notion of particles and interactions that allowed an accurate description of atomic and subatomic scales. Later, quantum field theory unified quantum mechanics and special relativity. General relativity allowed for a dynamical, curved spacetime, with which highly massive systems and the large-scale structure of the universe can be well-described. General relativity has not yet been unified with the other fundamental descriptions; several candidate theories of quantum gravity are being developed.

Relation to other fields

Prerequisites

Mathematics provides a compact and exact language used to describe the order in nature. This was noted and advocated by Pythagoras,^[52] Plato,^[53] Galileo,^[54] and Newton.

Physics uses mathematics^[55] to organise and formulate experimental results. From those results, precise or estimated solutions are obtained, or quantitative results, from which new predictions can be made and experimentally confirmed or negated. The results from physics experiments are numerical data, with their units of measure and estimates of the errors in the measurements. Technologies based on mathematics, like computation have made computational physics an active area of research.

Ontology is a prerequisite for physics, but not for mathematics. It means physics is ultimately concerned with descriptions of the real world, while mathematics is concerned with abstract patterns, even beyond the real world. Thus physics statements are synthetic, while mathematical statements are analytic. Mathematics contains hypotheses, while physics contains theories. Mathematics statements have to be only logically true, while predictions of physics statements must match observed and experimental data.

The distinction is clear-cut, but not always obvious. For example, mathematical physics is the application of mathematics in physics. Its methods are mathematical, but its subject is physical.^[56] The problems in this field start with a «mathematical model of a physical situation» (system) and a «mathematical description of a physical law» that will be applied to that system. Every mathematical statement used for solving has a hard-to-find physical meaning. The final mathematical solution has an easier-to-find meaning, because it is what the solver is looking for.^{[clarification needed]}

Pure physics is a branch of fundamental science (also called basic science). Physics is also called «the fundamental science» because all branches of natural science like chemistry, astronomy, geology, and biology are constrained by laws of physics.^[57] Similarly, chemistry is often called the central science because of its role in linking the physical sciences. For example, chemistry studies properties, structures, and reactions of matter (chemistry’s focus on the molecular and atomic scale distinguishes it from physics). Structures are formed because particles exert electrical forces on each other, properties include physical characteristics of given substances, and reactions are bound by laws of physics, like conservation of energy, mass, and charge. Physics is applied in industries like engineering and medicine.

Application and influence

Applied physics is a general term for physics research, which is intended for a particular use. An applied physics curriculum usually contains a few classes in an applied discipline, like geology or electrical engineering. It usually differs from engineering in that an applied physicist may not be designing something in particular, but rather is using physics or conducting physics research with the aim of developing new technologies or solving a problem.

The approach is similar to that of applied mathematics. Applied physicists use physics in scientific research. For instance, people working on accelerator physics might seek to build better particle detectors for research in theoretical physics.

Physics is used heavily in engineering. For example, statics, a subfield of mechanics, is used in the building of bridges and other static structures. The understanding and use of acoustics results in sound control and better concert halls; similarly, the use of optics creates better optical devices. An understanding of physics makes for more realistic flight simulators, video games, and movies, and is often critical in forensic investigations.

With the standard consensus that the laws of physics are universal and do not change with time, physics can be used to study things that would ordinarily be mired in uncertainty. For example, in the study of the origin of the earth, one can reasonably model earth’s mass, temperature, and rate of rotation, as a function of time allowing one to extrapolate forward or backward in time and so predict future or prior events. It also allows for simulations in engineering that drastically speed up the development of a new technology.

But there is also considerable interdisciplinarity, so many other important fields are influenced by physics (e.g., the fields of econophysics and sociophysics).

Research

Scientific method

Physicists use the scientific method to test the validity of a physical theory. By using a methodical approach to compare the implications of a theory with the conclusions drawn from its related experiments and observations, physicists are better able to test the validity of a theory in a logical, unbiased, and repeatable way. To that end, experiments are performed and observations are made in order to determine the validity or invalidity of the theory.^[58]

A scientific law is a concise verbal or mathematical statement of a relation that expresses a fundamental principle of some theory, such as Newton’s law of universal gravitation.^[59]

Theory and experiment

Theorists seek to develop mathematical models that both agree with existing experiments and successfully predict future experimental results, while experimentalists devise and perform experiments to test theoretical predictions and explore new phenomena. Although theory and experiment are developed separately, they strongly affect and depend upon each other. Progress in physics frequently comes about when experimental results defy explanation by existing theories, prompting intense focus on applicable modelling, and when new theories generate experimentally testable predictions, which inspire the development of new experiments (and often related equipment).^[60]

Physicists who work at the interplay of theory and experiment are called phenomenologists, who study complex phenomena observed in experiment and work to relate them to a fundamental theory.^[61]

Theoretical physics has historically taken inspiration from philosophy; electromagnetism was unified this way.^[f] Beyond the known universe, the field of theoretical physics also deals with hypothetical issues,^[g] such as parallel universes, a multiverse, and higher dimensions. Theorists invoke these ideas in hopes of solving particular problems with existing theories; they then explore the consequences of these ideas and work toward making testable predictions.

Experimental physics expands, and is expanded by, engineering and technology. Experimental physicists who are involved in basic research design and perform experiments with equipment such as particle accelerators and lasers, whereas those involved in applied research often work in industry, developing technologies such as magnetic resonance imaging (MRI) and transistors. Feynman has noted that experimentalists may seek areas that have not been explored well by theorists.^[62]

Scope and aims

Physics covers a wide range of phenomena, from elementary particles (such as quarks, neutrinos, and electrons) to the largest superclusters of galaxies. Included in these phenomena are the most basic objects composing all other things. Therefore, physics is sometimes called the «fundamental science».^[57] Physics aims to describe the various phenomena that occur in nature in terms of simpler phenomena. Thus, physics aims to both connect the things observable to humans to root causes, and then connect these causes together.

For example, the ancient Chinese observed that certain rocks (lodestone and magnetite) were attracted to one another by an invisible force. This effect was later called magnetism, which was first rigorously studied in the 17th century. But even before the Chinese discovered magnetism, the ancient Greeks knew of other objects such as amber, that when rubbed with fur would cause a similar invisible attraction between the two.^[63] This was also first studied rigorously in the 17th century and came to be called electricity. Thus, physics had come to understand two observations of nature in terms of some root cause (electricity and magnetism). However, further work in the 19th century revealed that these two forces were just two different aspects of one force—electromagnetism. This process of «unifying» forces continues today, and electromagnetism and the weak nuclear force are now considered to be two aspects of the electroweak interaction. Physics hopes to find an ultimate reason (theory of everything) for why nature is as it is (see section Current research below for more information).^[64]

Research fields

Contemporary research in physics can be broadly divided into nuclear and particle physics; condensed matter physics; atomic, molecular, and optical physics; astrophysics; and applied physics. Some physics departments also support physics education research and physics outreach.^[65]

Since the 20th century, the individual fields of physics have become increasingly specialised, and today most physicists work in a single field for their entire careers. «Universalists» such as Einstein (1879–1955) and Lev Landau (1908–1968), who worked in multiple fields of physics, are now very rare.^[h]

The major fields of physics, along with their subfields and the theories and concepts they employ, are shown in the following table.

Field	Subfields	Major theories	Concepts
Nuclear and particle physics	Nuclear physics, Nuclear astrophysics, Particle physics, Astroparticle physics, Particle physics phenomenology	Standard Model, Quantum field theory, Quantum electrodynamics, Quantum chromodynamics, Electroweak theory, Effective field theory, Lattice field theory, Gauge theory, Supersymmetry, Grand Unified Theory, Superstring theory, M-theory, AdS/CFT correspondence	Fundamental interaction (gravitational, electromagnetic, weak, strong), Elementary particle, Spin, Antimatter, Spontaneous symmetry breaking, Neutrino oscillation, Seesaw mechanism, Brane, String, Quantum gravity, Theory of everything, Vacuum energy
Atomic, molecular, and optical physics	Atomic physics, Molecular physics, Atomic and molecular astrophysics, Chemical physics, Optics, Photonics	Quantum optics, Quantum chemistry, Quantum information science	Photon, Atom, Molecule, Diffraction, Electromagnetic radiation, Laser, Polarization (waves), Spectral line, Casimir effect
Condensed matter physics	Solid-state physics, High-pressure physics, Low-temperature physics, Surface physics, Nanoscale and mesoscopic physics, Polymer physics	BCS theory, Bloch’s theorem, Density functional theory, Fermi gas, Fermi liquid theory, Many-body theory, Statistical mechanics	Phases (gas, liquid, solid), Bose–Einstein condensate, Electrical conduction, Phonon, Magnetism, Self-organization, Semiconductor, superconductor, superfluidity, Spin,
Astrophysics	Astronomy, Astrometry, Cosmology, Gravitation physics, High-energy astrophysics, Planetary astrophysics, Plasma physics, Solar physics, Space physics, Stellar astrophysics	Big Bang, Cosmic inflation, General relativity, Newton’s law of universal gravitation, Lambda-CDM model, Magnetohydrodynamics	Black hole, Cosmic background radiation, Cosmic string, Cosmos, Dark energy, Dark matter, Galaxy, Gravity, Gravitational radiation, Gravitational singularity, Planet, Solar System, Star, Supernova, Universe
Applied physics	Accelerator physics, Acoustics, Agrophysics, Atmospheric physics, Biophysics, Chemical physics, Communication physics, Econophysics, Engineering physics, Fluid dynamics, Geophysics, Laser physics, Materials physics, Medical physics, Nanotechnology, Optics, Optoelectronics, Photonics, Photovoltaics, Physical chemistry, Physical oceanography, Physics of computation, Plasma physics, Solid-state devices, Quantum chemistry, Quantum electronics, Quantum information science, Vehicle dynamics

Nuclear and particle

Particle physics is the study of the elementary constituents of matter and energy and the interactions between them.^[66] In addition, particle physicists design and develop the high-energy accelerators,^[67] detectors,^[68] and computer programs^[69] necessary for this research. The field is also called «high-energy physics» because many elementary particles do not occur naturally but are created only during high-energy collisions of other particles.^[70]

Currently, the interactions of elementary particles and fields are described by the Standard Model.^[71] The model accounts for the 12 known particles of matter (quarks and leptons) that interact via the strong, weak, and electromagnetic fundamental forces.^[71] Dynamics are described in terms of matter particles exchanging gauge bosons (gluons, W and Z bosons, and photons, respectively).^[72] The Standard Model also predicts a particle known as the Higgs boson.^[71] In July 2012 CERN, the European laboratory for particle physics, announced the detection of a particle consistent with the Higgs boson,^[73] an integral part of the Higgs mechanism.

Nuclear physics is the field of physics that studies the constituents and interactions of atomic nuclei. The most commonly known applications of nuclear physics are nuclear power generation and nuclear weapons technology, but the research has provided application in many fields, including those in nuclear medicine and magnetic resonance imaging, ion implantation in materials engineering, and radiocarbon dating in geology and archaeology.

Atomic, molecular, and optical

Atomic, molecular, and optical physics (AMO) is the study of matter–matter and light–matter interactions on the scale of single atoms and molecules. The three areas are grouped together because of their interrelationships, the similarity of methods used, and the commonality of their relevant energy scales. All three areas include both classical, semi-classical and quantum treatments; they can treat their subject from a microscopic view (in contrast to a macroscopic view).

Atomic physics studies the electron shells of atoms. Current research focuses on activities in quantum control, cooling and trapping of atoms and ions,^[74][75][76] low-temperature collision dynamics and the effects of electron correlation on structure and dynamics. Atomic physics is influenced by the nucleus (see hyperfine splitting), but intra-nuclear phenomena such as fission and fusion are considered part of nuclear physics.

Molecular physics focuses on multi-atomic structures and their internal and external interactions with matter and light. Optical physics is distinct from optics in that it tends to focus not on the control of classical light fields by macroscopic objects but on the fundamental properties of optical fields and their interactions with matter in the microscopic realm.

Condensed matter

Condensed matter physics is the field of physics that deals with the macroscopic physical properties of matter.^[77][78] In particular, it is concerned with the «condensed» phases that appear whenever the number of particles in a system is extremely large and the interactions between them are strong.^[79]

The most familiar examples of condensed phases are solids and liquids, which arise from the bonding by way of the electromagnetic force between atoms.^[80] More exotic condensed phases include the superfluid^[81] and the Bose–Einstein condensate^[82] found in certain atomic systems at very low temperature, the superconducting phase exhibited by conduction electrons in certain materials,^[83] and the ferromagnetic and antiferromagnetic phases of spins on atomic lattices.^[84]

Condensed matter physics is the largest field of contemporary physics. Historically, condensed matter physics grew out of solid-state physics, which is now considered one of its main subfields.^[85] The term condensed matter physics was apparently coined by Philip Anderson when he renamed his research group—previously solid-state theory—in 1967.^[86] In 1978, the Division of Solid State Physics of the American Physical Society was renamed as the Division of Condensed Matter Physics.^[85] Condensed matter physics has a large overlap with chemistry, materials science, nanotechnology and engineering.^[79]

Astrophysics

Astrophysics and astronomy are the application of the theories and methods of physics to the study of stellar structure, stellar evolution, the origin of the Solar System, and related problems of cosmology. Because astrophysics is a broad subject, astrophysicists typically apply many disciplines of physics, including mechanics, electromagnetism, statistical mechanics, thermodynamics, quantum mechanics, relativity, nuclear and particle physics, and atomic and molecular physics.^[87]

The discovery by Karl Jansky in 1931 that radio signals were emitted by celestial bodies initiated the science of radio astronomy. Most recently, the frontiers of astronomy have been expanded by space exploration. Perturbations and interference from the earth’s atmosphere make space-based observations necessary for infrared, ultraviolet, gamma-ray, and X-ray astronomy.

Physical cosmology is the study of the formation and evolution of the universe on its largest scales. Albert Einstein’s theory of relativity plays a central role in all modern cosmological theories. In the early 20th century, Hubble’s discovery that the universe is expanding, as shown by the Hubble diagram, prompted rival explanations known as the steady state universe and the Big Bang.

The Big Bang was confirmed by the success of Big Bang nucleosynthesis and the discovery of the cosmic microwave background in 1964. The Big Bang model rests on two theoretical pillars: Albert Einstein’s general relativity and the cosmological principle. Cosmologists have recently established the ΛCDM model of the evolution of the universe, which includes cosmic inflation, dark energy, and dark matter.

Numerous possibilities and discoveries are anticipated to emerge from new data from the Fermi Gamma-ray Space Telescope over the upcoming decade and vastly revise or clarify existing models of the universe.^[88][89] In particular, the potential for a tremendous discovery surrounding dark matter is possible over the next several years.^[90] Fermi will search for evidence that dark matter is composed of weakly interacting massive particles, complementing similar experiments with the Large Hadron Collider and other underground detectors.

IBEX is already yielding new astrophysical discoveries: «No one knows what is creating the ENA (energetic neutral atoms) ribbon» along the termination shock of the solar wind, «but everyone agrees that it means the textbook picture of the heliosphere—in which the Solar System’s enveloping pocket filled with the solar wind’s charged particles is plowing through the onrushing ‘galactic wind’ of the interstellar medium in the shape of a comet—is wrong.»^[91]

Current research

Research in physics is continually progressing on a large number of fronts.

In condensed matter physics, an important unsolved theoretical problem is that of high-temperature superconductivity.^[92] Many condensed matter experiments are aiming to fabricate workable spintronics and quantum computers.^[79][93]

In particle physics, the first pieces of experimental evidence for physics beyond the Standard Model have begun to appear. Foremost among these are indications that neutrinos have non-zero mass. These experimental results appear to have solved the long-standing solar neutrino problem, and the physics of massive neutrinos remains an area of active theoretical and experimental research. The Large Hadron Collider has already found the Higgs boson, but future research aims to prove or disprove the supersymmetry, which extends the Standard Model of particle physics. Research on the nature of the major mysteries of dark matter and dark energy is also currently ongoing.^[94]

Although much progress has been made in high-energy, quantum, and astronomical physics, many everyday phenomena involving complexity,^[95] chaos,^[96] or turbulence^[97] are still poorly understood. Complex problems that seem like they could be solved by a clever application of dynamics and mechanics remain unsolved; examples include the formation of sandpiles, nodes in trickling water, the shape of water droplets, mechanisms of surface tension catastrophes, and self-sorting in shaken heterogeneous collections.^[i][98]

These complex phenomena have received growing attention since the 1970s for several reasons, including the availability of modern mathematical methods and computers, which enabled complex systems to be modeled in new ways. Complex physics has become part of increasingly interdisciplinary research, as exemplified by the study of turbulence in aerodynamics and the observation of pattern formation in biological systems. In the 1932 Annual Review of Fluid Mechanics, Horace Lamb said:^[99]

I am an old man now, and when I die and go to heaven there are two matters on which I hope for enlightenment. One is quantum electrodynamics, and the other is the turbulent motion of fluids. And about the former I am rather optimistic.

See also

Notes

References

Sources

External links

• Physics at Quanta Magazine
• Usenet Physics FAQ – FAQ compiled by sci.physics and other physics newsgroups
• Website of the Nobel Prize in physics – Award for outstanding contributions to the subject
• World of Physics – Online encyclopedic dictionary of physics
• Nature Physics – Academic journal
• Physics – Online magazine by the American Physical Society
• Physics/Publications at Curlie – Directory of physics related media
• The Vega Science Trust – Science videos, including physics
• HyperPhysics website – Physics and astronomy mind-map from Georgia State University
• Physics at MIT OpenCourseWare – Online course material from Massachusetts Institute of Technology
• The Feynman Lectures on Physics

Not to be confused with Physis.

Physics is the natural science that studies matter,^[a] its fundamental constituents, its motion and behavior through space and time, and the related entities of energy and force.^[2] Physics is one of the most fundamental scientific disciplines, with its main goal being to understand how the universe behaves.^[b][3][4][5] A scientist who specializes in the field of physics is called a physicist.

Physics is one of the oldest academic disciplines and, through its inclusion of astronomy, perhaps the oldest.^[6] Over much of the past two millennia, physics, chemistry, biology, and certain branches of mathematics were a part of natural philosophy, but during the Scientific Revolution in the 17th century these natural sciences emerged as unique research endeavors in their own right.^[c] Physics intersects with many interdisciplinary areas of research, such as biophysics and quantum chemistry, and the boundaries of physics are not rigidly defined. New ideas in physics often explain the fundamental mechanisms studied by other sciences^[3] and suggest new avenues of research in these and other academic disciplines such as mathematics and philosophy.

Advances in physics often enable advances in new technologies. For example, advances in the understanding of electromagnetism, solid-state physics, and nuclear physics led directly to the development of new products that have dramatically transformed modern-day society, such as television, computers, domestic appliances, and nuclear weapons;^[3] advances in thermodynamics led to the development of industrialization; and advances in mechanics inspired the development of calculus.

History

The word «physics» comes from Ancient Greek: φυσική (ἐπιστήμη), romanized: physikḗ (epistḗmē), meaning «knowledge of nature».^[8][9][10]

Ancient astronomy

Astronomy is one of the oldest natural sciences. Early civilizations dating back before 3000 BCE, such as the Sumerians, ancient Egyptians, and the Indus Valley Civilisation, had a predictive knowledge and a basic awareness of the motions of the Sun, Moon, and stars. The stars and planets, believed to represent gods, were often worshipped. While the explanations for the observed positions of the stars were often unscientific and lacking in evidence, these early observations laid the foundation for later astronomy, as the stars were found to traverse great circles across the sky,^[6] which could not explain the positions of the planets.

According to Asger Aaboe, the origins of Western astronomy can be found in Mesopotamia, and all Western efforts in the exact sciences are descended from late Babylonian astronomy.^[11] Egyptian astronomers left monuments showing knowledge of the constellations and the motions of the celestial bodies,^[12] while Greek poet Homer wrote of various celestial objects in his Iliad and Odyssey; later Greek astronomers provided names, which are still used today, for most constellations visible from the Northern Hemisphere.^[13]

Natural philosophy

Natural philosophy has its origins in Greece during the Archaic period (650 BCE – 480 BCE), when pre-Socratic philosophers like Thales rejected non-naturalistic explanations for natural phenomena and proclaimed that every event had a natural cause.^[14] They proposed ideas verified by reason and observation, and many of their hypotheses proved successful in experiment;^[15] for example, atomism was found to be correct approximately 2000 years after it was proposed by Leucippus and his pupil Democritus.^[16]

Medieval European and Islamic

The Western Roman Empire fell in the fifth century, and this resulted in a decline in intellectual pursuits in the western part of Europe. By contrast, the Eastern Roman Empire (also known as the Byzantine Empire) resisted the attacks from the barbarians, and continued to advance various fields of learning, including physics.^[17]

In the sixth century, Isidore of Miletus created an important compilation of Archimedes’ works that are copied in the Archimedes Palimpsest.

In sixth-century Europe John Philoponus, a Byzantine scholar, questioned Aristotle’s teaching of physics and noted its flaws. He introduced the theory of impetus. Aristotle’s physics was not scrutinized until Philoponus appeared; unlike Aristotle, who based his physics on verbal argument, Philoponus relied on observation. On Aristotle’s physics Philoponus wrote:

But this is completely erroneous, and our view may be corroborated by actual observation more effectively than by any sort of verbal argument. For if you let fall from the same height two weights of which one is many times as heavy as the other, you will see that the ratio of the times required for the motion does not depend on the ratio of the weights, but that the difference in time is a very small one. And so, if the difference in the weights is not considerable, that is, of one is, let us say, double the other, there will be no difference, or else an imperceptible difference, in time, though the difference in weight is by no means negligible, with one body weighing twice as much as the other^[19]

Philoponus’ criticism of Aristotelian principles of physics served as an inspiration for Galileo Galilei ten centuries later,^[20] during the Scientific Revolution. Galileo cited Philoponus substantially in his works when arguing that Aristotelian physics was flawed.^[21][22] In the 1300s Jean Buridan, a teacher in the faculty of arts at the University of Paris, developed the concept of impetus. It was a step toward the modern ideas of inertia and momentum.^[23]

Islamic scholarship inherited Aristotelian physics from the Greeks and during the Islamic Golden Age developed it further, especially placing emphasis on observation and a priori reasoning, developing early forms of the scientific method.

Although Aristotle’s principles of physics was criticized, it is important to identify his the evidence he based his views off of.  When thinking of the history of science and math, it is notable to acknowledge the contributions made by older scientists. Aristotle’s science was the backbone of the science we learn in schools today. Aristotle published many biological works including The Parts of Animals, in which he discusses both biological science and natural science as well. It is also integral to mention the role Aristotle had in the progression of physics and metaphysics and how his beliefs and findings are still being taught in science classes to this day. The explanations that Aristotle gives for his findings are also very simple. When thinking of the elements, Aristotle believed that each element (earth, fire, water, air) had its own natural place. Meaning that because of the density of these elements, they will revert back to their own specific place in the atmosphere.^[24] So, because of their weights, fire would be at the very top, air right underneath fire, then water, then lastly earth. He also stated that when a small amount of one element enters the natural place of another, the less abundant element will automatically go into its own natural place. For example, if there is a fire on the ground, if you pay attention, the flames go straight up into the air as an attempt to go back into its natural place where it belongs. Aristotle called his metaphysics “first philosophy” and characterized it as the study of “being as being”.^[25] Aristotle defined the paradigm of motion as a being or entity encompassing different areas in the same body. ^[25]Meaning that if a person is at a certain location (A) they can move to a new location (B) and still take up the same amount of space. This is involved with Aristotle’s belief that motion is a continuum. In terms of matter, Aristotle believed that the change in category (ex. place) and quality (ex. color) of an object is defined as “alteration”. But, a change in substance is a change in matter. This is also very close to our idea of matter today.

He also devised his own laws of motion that include 1) heavier objects will fall faster, the speed being proportional to the weight and 2) the speed of the object that is falling depends inversely on the density object it is falling through (ex. density of air).^[26] He also stated that, when it comes to violent motion (motion of an object when a force is applied to it by a second object) that the speed that object moves, will only be as fast or strong as the measure of force applied to it.^[26] This is also seen in the rules of velocity and force that is taught in physics classes today. These rules are not necessarily what we see in our physics today but, they are very similar. It is evident that these rules were the backbone for other scientists to come revise and edit his beliefs.

The most notable innovations were in the field of optics and vision, which came from the works of many scientists like Ibn Sahl, Al-Kindi, Ibn al-Haytham, Al-Farisi and Avicenna. The most notable work was The Book of Optics (also known as Kitāb al-Manāẓir), written by Ibn al-Haytham, in which he conclusively disproved the ancient Greek idea about vision and came up with a new theory. In the book, he presented a study of the phenomenon of the camera obscura (his thousand-year-old version of the pinhole camera) and delved further into the way the eye itself works. Using dissections and the knowledge of previous scholars, he was able to begin to explain how light enters the eye. He asserted that the light ray is focused, but the actual explanation of how light projected to the back of the eye had to wait until 1604. His Treatise on Light explained the camera obscura, hundreds of years before the modern development of photography.^[27]

The seven-volume Book of Optics (Kitab al-Manathir) hugely influenced thinking across disciplines from the theory of visual perception to the nature of perspective in medieval art, in both the East and the West, for more than 600 years. Many later European scholars and fellow polymaths, from Robert Grosseteste and Leonardo da Vinci to René Descartes, Johannes Kepler and Isaac Newton, were in his debt. Indeed, the influence of Ibn al-Haytham’s Optics ranks alongside that of Newton’s work of the same title, published 700 years later.

The translation of The Book of Optics had a huge impact on Europe. From it, later European scholars were able to build devices that replicated those Ibn al-Haytham had built and understand the way light works. From this, important inventions such as eyeglasses, magnifying glasses, telescopes, and cameras were developed.

Classical

Physics became a separate science when early modern Europeans used experimental and quantitative methods to discover what are now considered to be the laws of physics.^{[28][page needed]}

Major developments in this period include the replacement of the geocentric model of the Solar System with the heliocentric Copernican model, the laws governing the motion of planetary bodies (determined by Kepler between 1609 and 1619), Galileo’s pioneering work on telescopes and observational astronomy in the 16th and 17th Centuries, and Isaac Newton’s discovery and unification of the laws of motion and universal gravitation (that would come to bear his name).^[29] Newton also developed calculus,^[d] the mathematical study of continuous change, which provided new mathematical methods for solving physical problems.^[30]

The discovery of new laws in thermodynamics, chemistry, and electromagnetics resulted from research efforts during the Industrial Revolution as energy needs increased.^[31] The laws comprising classical physics remain very widely used for objects on everyday scales travelling at non-relativistic speeds, since they provide a very close approximation in such situations, and theories such as quantum mechanics and the theory of relativity simplify to their classical equivalents at such scales. Inaccuracies in classical mechanics for very small objects and very high velocities led to the development of modern physics in the 20th century.

Modern

Modern physics began in the early 20th century with the work of Max Planck in quantum theory and Albert Einstein’s theory of relativity. Both of these theories came about due to inaccuracies in classical mechanics in certain situations. Classical mechanics predicted that the speed of light depends on the motion of the observer, which could not be resolved with the constant speed predicted by Maxwell’s equations of electromagnetism. This discrepancy was corrected by Einstein’s theory of special relativity, which replaced classical mechanics for fast-moving bodies and allowed for a constant speed of light.^[32] Black-body radiation provided another problem for classical physics, which was corrected when Planck proposed that the excitation of material oscillators is possible only in discrete steps proportional to their frequency. This, along with the photoelectric effect and a complete theory predicting discrete energy levels of electron orbitals, led to the theory of quantum mechanics improving on classical physics at very small scales.^[33]

Quantum mechanics would come to be pioneered by Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger and Paul Dirac.^[33] From this early work, and work in related fields, the Standard Model of particle physics was derived.^[34] Following the discovery of a particle with properties consistent with the Higgs boson at CERN in 2012,^[35] all fundamental particles predicted by the standard model, and no others, appear to exist; however, physics beyond the Standard Model, with theories such as supersymmetry, is an active area of research.^[36] Areas of mathematics in general are important to this field, such as the study of probabilities and groups.

Philosophy

In many ways, physics stems from ancient Greek philosophy. From Thales’ first attempt to characterize matter, to Democritus’ deduction that matter ought to reduce to an invariant state the Ptolemaic astronomy of a crystalline firmament, and Aristotle’s book Physics (an early book on physics, which attempted to analyze and define motion from a philosophical point of view), various Greek philosophers advanced their own theories of nature. Physics was known as natural philosophy until the late 18th century.^[e]

By the 19th century, physics was realized as a discipline distinct from philosophy and the other sciences. Physics, as with the rest of science, relies on philosophy of science and its «scientific method» to advance our knowledge of the physical world.^[38] The scientific method employs a priori reasoning as well as a posteriori reasoning and the use of Bayesian inference to measure the validity of a given theory.^[39]

The development of physics has answered many questions of early philosophers but has also raised new questions. Study of the philosophical issues surrounding physics, the philosophy of physics, involves issues such as the nature of space and time, determinism, and metaphysical outlooks such as empiricism, naturalism and realism.^[40]

Many physicists have written about the philosophical implications of their work, for instance Laplace, who championed causal determinism,^[41] and Erwin Schrödinger, who wrote on quantum mechanics.^[42][43] The mathematical physicist Roger Penrose has been called a Platonist by Stephen Hawking,^[44] a view Penrose discusses in his book, The Road to Reality.^[45] Hawking referred to himself as an «unashamed reductionist» and took issue with Penrose’s views.^[46]

Core theories

Though physics deals with a wide variety of systems, certain theories are used by all physicists. Each of these theories was experimentally tested numerous times and found to be an adequate approximation of nature. For instance, the theory of classical mechanics accurately describes the motion of objects, provided they are much larger than atoms and moving at a speed much less than the speed of light. These theories continue to be areas of active research today. Chaos theory, a remarkable aspect of classical mechanics, was discovered in the 20th century, three centuries after the original formulation of classical mechanics by Newton (1642–1727).

These central theories are important tools for research into more specialized topics, and any physicist, regardless of their specialization, is expected to be literate in them. These include classical mechanics, quantum mechanics, thermodynamics and statistical mechanics, electromagnetism, and special relativity.

Classical

Classical physics includes the traditional branches and topics that were recognized and well-developed before the beginning of the 20th century—classical mechanics, acoustics, optics, thermodynamics, and electromagnetism. Classical mechanics is concerned with bodies acted on by forces and bodies in motion and may be divided into statics (study of the forces on a body or bodies not subject to an acceleration), kinematics (study of motion without regard to its causes), and dynamics (study of motion and the forces that affect it); mechanics may also be divided into solid mechanics and fluid mechanics (known together as continuum mechanics), the latter include such branches as hydrostatics, hydrodynamics, aerodynamics, and pneumatics. Acoustics is the study of how sound is produced, controlled, transmitted and received.^[47] Important modern branches of acoustics include ultrasonics, the study of sound waves of very high frequency beyond the range of human hearing; bioacoustics, the physics of animal calls and hearing,^[48] and electroacoustics, the manipulation of audible sound waves using electronics.^[49]

Optics, the study of light, is concerned not only with visible light but also with infrared and ultraviolet radiation, which exhibit all of the phenomena of visible light except visibility, e.g., reflection, refraction, interference, diffraction, dispersion, and polarization of light. Heat is a form of energy, the internal energy possessed by the particles of which a substance is composed; thermodynamics deals with the relationships between heat and other forms of energy. Electricity and magnetism have been studied as a single branch of physics since the intimate connection between them was discovered in the early 19th century; an electric current gives rise to a magnetic field, and a changing magnetic field induces an electric current. Electrostatics deals with electric charges at rest, electrodynamics with moving charges, and magnetostatics with magnetic poles at rest.

Modern

Classical physics is generally concerned with matter and energy on the normal scale of observation, while much of modern physics is concerned with the behavior of matter and energy under extreme conditions or on a very large or very small scale. For example, atomic and nuclear physics study matter on the smallest scale at which chemical elements can be identified. The physics of elementary particles is on an even smaller scale since it is concerned with the most basic units of matter; this branch of physics is also known as high-energy physics because of the extremely high energies necessary to produce many types of particles in particle accelerators. On this scale, ordinary, commonsensical notions of space, time, matter, and energy are no longer valid.^[50]

The two chief theories of modern physics present a different picture of the concepts of space, time, and matter from that presented by classical physics. Classical mechanics approximates nature as continuous, while quantum theory is concerned with the discrete nature of many phenomena at the atomic and subatomic level and with the complementary aspects of particles and waves in the description of such phenomena. The theory of relativity is concerned with the description of phenomena that take place in a frame of reference that is in motion with respect to an observer; the special theory of relativity is concerned with motion in the absence of gravitational fields and the general theory of relativity with motion and its connection with gravitation. Both quantum theory and the theory of relativity find applications in many areas of modern physics.^[51]

Fundamental concepts in modern physics

• Causality
• Covariance
• Action
• Physical field
• Symmetry
• Physical interaction
• Statistical ensemble
• Quantum
• Wave
• Particle

Difference

While physics aims to discover universal laws, its theories lie in explicit domains of applicability.

Loosely speaking, the laws of classical physics accurately describe systems whose important length scales are greater than the atomic scale and whose motions are much slower than the speed of light. Outside of this domain, observations do not match predictions provided by classical mechanics. Einstein contributed the framework of special relativity, which replaced notions of absolute time and space with spacetime and allowed an accurate description of systems whose components have speeds approaching the speed of light. Planck, Schrödinger, and others introduced quantum mechanics, a probabilistic notion of particles and interactions that allowed an accurate description of atomic and subatomic scales. Later, quantum field theory unified quantum mechanics and special relativity. General relativity allowed for a dynamical, curved spacetime, with which highly massive systems and the large-scale structure of the universe can be well-described. General relativity has not yet been unified with the other fundamental descriptions; several candidate theories of quantum gravity are being developed.

Relation to other fields

Prerequisites

Mathematics provides a compact and exact language used to describe the order in nature. This was noted and advocated by Pythagoras,^[52] Plato,^[53] Galileo,^[54] and Newton.

Physics uses mathematics^[55] to organise and formulate experimental results. From those results, precise or estimated solutions are obtained, or quantitative results, from which new predictions can be made and experimentally confirmed or negated. The results from physics experiments are numerical data, with their units of measure and estimates of the errors in the measurements. Technologies based on mathematics, like computation have made computational physics an active area of research.

Ontology is a prerequisite for physics, but not for mathematics. It means physics is ultimately concerned with descriptions of the real world, while mathematics is concerned with abstract patterns, even beyond the real world. Thus physics statements are synthetic, while mathematical statements are analytic. Mathematics contains hypotheses, while physics contains theories. Mathematics statements have to be only logically true, while predictions of physics statements must match observed and experimental data.

The distinction is clear-cut, but not always obvious. For example, mathematical physics is the application of mathematics in physics. Its methods are mathematical, but its subject is physical.^[56] The problems in this field start with a «mathematical model of a physical situation» (system) and a «mathematical description of a physical law» that will be applied to that system. Every mathematical statement used for solving has a hard-to-find physical meaning. The final mathematical solution has an easier-to-find meaning, because it is what the solver is looking for.^{[clarification needed]}

Pure physics is a branch of fundamental science (also called basic science). Physics is also called «the fundamental science» because all branches of natural science like chemistry, astronomy, geology, and biology are constrained by laws of physics.^[57] Similarly, chemistry is often called the central science because of its role in linking the physical sciences. For example, chemistry studies properties, structures, and reactions of matter (chemistry’s focus on the molecular and atomic scale distinguishes it from physics). Structures are formed because particles exert electrical forces on each other, properties include physical characteristics of given substances, and reactions are bound by laws of physics, like conservation of energy, mass, and charge. Physics is applied in industries like engineering and medicine.

Application and influence

Applied physics is a general term for physics research, which is intended for a particular use. An applied physics curriculum usually contains a few classes in an applied discipline, like geology or electrical engineering. It usually differs from engineering in that an applied physicist may not be designing something in particular, but rather is using physics or conducting physics research with the aim of developing new technologies or solving a problem.

The approach is similar to that of applied mathematics. Applied physicists use physics in scientific research. For instance, people working on accelerator physics might seek to build better particle detectors for research in theoretical physics.

Physics is used heavily in engineering. For example, statics, a subfield of mechanics, is used in the building of bridges and other static structures. The understanding and use of acoustics results in sound control and better concert halls; similarly, the use of optics creates better optical devices. An understanding of physics makes for more realistic flight simulators, video games, and movies, and is often critical in forensic investigations.

With the standard consensus that the laws of physics are universal and do not change with time, physics can be used to study things that would ordinarily be mired in uncertainty. For example, in the study of the origin of the earth, one can reasonably model earth’s mass, temperature, and rate of rotation, as a function of time allowing one to extrapolate forward or backward in time and so predict future or prior events. It also allows for simulations in engineering that drastically speed up the development of a new technology.

But there is also considerable interdisciplinarity, so many other important fields are influenced by physics (e.g., the fields of econophysics and sociophysics).

Research

Scientific method

Physicists use the scientific method to test the validity of a physical theory. By using a methodical approach to compare the implications of a theory with the conclusions drawn from its related experiments and observations, physicists are better able to test the validity of a theory in a logical, unbiased, and repeatable way. To that end, experiments are performed and observations are made in order to determine the validity or invalidity of the theory.^[58]

A scientific law is a concise verbal or mathematical statement of a relation that expresses a fundamental principle of some theory, such as Newton’s law of universal gravitation.^[59]

Theory and experiment

Theorists seek to develop mathematical models that both agree with existing experiments and successfully predict future experimental results, while experimentalists devise and perform experiments to test theoretical predictions and explore new phenomena. Although theory and experiment are developed separately, they strongly affect and depend upon each other. Progress in physics frequently comes about when experimental results defy explanation by existing theories, prompting intense focus on applicable modelling, and when new theories generate experimentally testable predictions, which inspire the development of new experiments (and often related equipment).^[60]

Physicists who work at the interplay of theory and experiment are called phenomenologists, who study complex phenomena observed in experiment and work to relate them to a fundamental theory.^[61]

Theoretical physics has historically taken inspiration from philosophy; electromagnetism was unified this way.^[f] Beyond the known universe, the field of theoretical physics also deals with hypothetical issues,^[g] such as parallel universes, a multiverse, and higher dimensions. Theorists invoke these ideas in hopes of solving particular problems with existing theories; they then explore the consequences of these ideas and work toward making testable predictions.

Experimental physics expands, and is expanded by, engineering and technology. Experimental physicists who are involved in basic research design and perform experiments with equipment such as particle accelerators and lasers, whereas those involved in applied research often work in industry, developing technologies such as magnetic resonance imaging (MRI) and transistors. Feynman has noted that experimentalists may seek areas that have not been explored well by theorists.^[62]

Scope and aims

Physics covers a wide range of phenomena, from elementary particles (such as quarks, neutrinos, and electrons) to the largest superclusters of galaxies. Included in these phenomena are the most basic objects composing all other things. Therefore, physics is sometimes called the «fundamental science».^[57] Physics aims to describe the various phenomena that occur in nature in terms of simpler phenomena. Thus, physics aims to both connect the things observable to humans to root causes, and then connect these causes together.

For example, the ancient Chinese observed that certain rocks (lodestone and magnetite) were attracted to one another by an invisible force. This effect was later called magnetism, which was first rigorously studied in the 17th century. But even before the Chinese discovered magnetism, the ancient Greeks knew of other objects such as amber, that when rubbed with fur would cause a similar invisible attraction between the two.^[63] This was also first studied rigorously in the 17th century and came to be called electricity. Thus, physics had come to understand two observations of nature in terms of some root cause (electricity and magnetism). However, further work in the 19th century revealed that these two forces were just two different aspects of one force—electromagnetism. This process of «unifying» forces continues today, and electromagnetism and the weak nuclear force are now considered to be two aspects of the electroweak interaction. Physics hopes to find an ultimate reason (theory of everything) for why nature is as it is (see section Current research below for more information).^[64]

Research fields

Contemporary research in physics can be broadly divided into nuclear and particle physics; condensed matter physics; atomic, molecular, and optical physics; astrophysics; and applied physics. Some physics departments also support physics education research and physics outreach.^[65]

Since the 20th century, the individual fields of physics have become increasingly specialised, and today most physicists work in a single field for their entire careers. «Universalists» such as Einstein (1879–1955) and Lev Landau (1908–1968), who worked in multiple fields of physics, are now very rare.^[h]

The major fields of physics, along with their subfields and the theories and concepts they employ, are shown in the following table.

Field	Subfields	Major theories	Concepts
Nuclear and particle physics	Nuclear physics, Nuclear astrophysics, Particle physics, Astroparticle physics, Particle physics phenomenology	Standard Model, Quantum field theory, Quantum electrodynamics, Quantum chromodynamics, Electroweak theory, Effective field theory, Lattice field theory, Gauge theory, Supersymmetry, Grand Unified Theory, Superstring theory, M-theory, AdS/CFT correspondence	Fundamental interaction (gravitational, electromagnetic, weak, strong), Elementary particle, Spin, Antimatter, Spontaneous symmetry breaking, Neutrino oscillation, Seesaw mechanism, Brane, String, Quantum gravity, Theory of everything, Vacuum energy
Atomic, molecular, and optical physics	Atomic physics, Molecular physics, Atomic and molecular astrophysics, Chemical physics, Optics, Photonics	Quantum optics, Quantum chemistry, Quantum information science	Photon, Atom, Molecule, Diffraction, Electromagnetic radiation, Laser, Polarization (waves), Spectral line, Casimir effect
Condensed matter physics	Solid-state physics, High-pressure physics, Low-temperature physics, Surface physics, Nanoscale and mesoscopic physics, Polymer physics	BCS theory, Bloch’s theorem, Density functional theory, Fermi gas, Fermi liquid theory, Many-body theory, Statistical mechanics	Phases (gas, liquid, solid), Bose–Einstein condensate, Electrical conduction, Phonon, Magnetism, Self-organization, Semiconductor, superconductor, superfluidity, Spin,
Astrophysics	Astronomy, Astrometry, Cosmology, Gravitation physics, High-energy astrophysics, Planetary astrophysics, Plasma physics, Solar physics, Space physics, Stellar astrophysics	Big Bang, Cosmic inflation, General relativity, Newton’s law of universal gravitation, Lambda-CDM model, Magnetohydrodynamics	Black hole, Cosmic background radiation, Cosmic string, Cosmos, Dark energy, Dark matter, Galaxy, Gravity, Gravitational radiation, Gravitational singularity, Planet, Solar System, Star, Supernova, Universe
Applied physics	Accelerator physics, Acoustics, Agrophysics, Atmospheric physics, Biophysics, Chemical physics, Communication physics, Econophysics, Engineering physics, Fluid dynamics, Geophysics, Laser physics, Materials physics, Medical physics, Nanotechnology, Optics, Optoelectronics, Photonics, Photovoltaics, Physical chemistry, Physical oceanography, Physics of computation, Plasma physics, Solid-state devices, Quantum chemistry, Quantum electronics, Quantum information science, Vehicle dynamics

Nuclear and particle

Particle physics is the study of the elementary constituents of matter and energy and the interactions between them.^[66] In addition, particle physicists design and develop the high-energy accelerators,^[67] detectors,^[68] and computer programs^[69] necessary for this research. The field is also called «high-energy physics» because many elementary particles do not occur naturally but are created only during high-energy collisions of other particles.^[70]

Currently, the interactions of elementary particles and fields are described by the Standard Model.^[71] The model accounts for the 12 known particles of matter (quarks and leptons) that interact via the strong, weak, and electromagnetic fundamental forces.^[71] Dynamics are described in terms of matter particles exchanging gauge bosons (gluons, W and Z bosons, and photons, respectively).^[72] The Standard Model also predicts a particle known as the Higgs boson.^[71] In July 2012 CERN, the European laboratory for particle physics, announced the detection of a particle consistent with the Higgs boson,^[73] an integral part of the Higgs mechanism.

Nuclear physics is the field of physics that studies the constituents and interactions of atomic nuclei. The most commonly known applications of nuclear physics are nuclear power generation and nuclear weapons technology, but the research has provided application in many fields, including those in nuclear medicine and magnetic resonance imaging, ion implantation in materials engineering, and radiocarbon dating in geology and archaeology.

Atomic, molecular, and optical

Atomic, molecular, and optical physics (AMO) is the study of matter–matter and light–matter interactions on the scale of single atoms and molecules. The three areas are grouped together because of their interrelationships, the similarity of methods used, and the commonality of their relevant energy scales. All three areas include both classical, semi-classical and quantum treatments; they can treat their subject from a microscopic view (in contrast to a macroscopic view).

Atomic physics studies the electron shells of atoms. Current research focuses on activities in quantum control, cooling and trapping of atoms and ions,^[74][75][76] low-temperature collision dynamics and the effects of electron correlation on structure and dynamics. Atomic physics is influenced by the nucleus (see hyperfine splitting), but intra-nuclear phenomena such as fission and fusion are considered part of nuclear physics.

Molecular physics focuses on multi-atomic structures and their internal and external interactions with matter and light. Optical physics is distinct from optics in that it tends to focus not on the control of classical light fields by macroscopic objects but on the fundamental properties of optical fields and their interactions with matter in the microscopic realm.

Condensed matter

Condensed matter physics is the field of physics that deals with the macroscopic physical properties of matter.^[77][78] In particular, it is concerned with the «condensed» phases that appear whenever the number of particles in a system is extremely large and the interactions between them are strong.^[79]

The most familiar examples of condensed phases are solids and liquids, which arise from the bonding by way of the electromagnetic force between atoms.^[80] More exotic condensed phases include the superfluid^[81] and the Bose–Einstein condensate^[82] found in certain atomic systems at very low temperature, the superconducting phase exhibited by conduction electrons in certain materials,^[83] and the ferromagnetic and antiferromagnetic phases of spins on atomic lattices.^[84]

Condensed matter physics is the largest field of contemporary physics. Historically, condensed matter physics grew out of solid-state physics, which is now considered one of its main subfields.^[85] The term condensed matter physics was apparently coined by Philip Anderson when he renamed his research group—previously solid-state theory—in 1967.^[86] In 1978, the Division of Solid State Physics of the American Physical Society was renamed as the Division of Condensed Matter Physics.^[85] Condensed matter physics has a large overlap with chemistry, materials science, nanotechnology and engineering.^[79]

Astrophysics

Astrophysics and astronomy are the application of the theories and methods of physics to the study of stellar structure, stellar evolution, the origin of the Solar System, and related problems of cosmology. Because astrophysics is a broad subject, astrophysicists typically apply many disciplines of physics, including mechanics, electromagnetism, statistical mechanics, thermodynamics, quantum mechanics, relativity, nuclear and particle physics, and atomic and molecular physics.^[87]

The discovery by Karl Jansky in 1931 that radio signals were emitted by celestial bodies initiated the science of radio astronomy. Most recently, the frontiers of astronomy have been expanded by space exploration. Perturbations and interference from the earth’s atmosphere make space-based observations necessary for infrared, ultraviolet, gamma-ray, and X-ray astronomy.

Physical cosmology is the study of the formation and evolution of the universe on its largest scales. Albert Einstein’s theory of relativity plays a central role in all modern cosmological theories. In the early 20th century, Hubble’s discovery that the universe is expanding, as shown by the Hubble diagram, prompted rival explanations known as the steady state universe and the Big Bang.

The Big Bang was confirmed by the success of Big Bang nucleosynthesis and the discovery of the cosmic microwave background in 1964. The Big Bang model rests on two theoretical pillars: Albert Einstein’s general relativity and the cosmological principle. Cosmologists have recently established the ΛCDM model of the evolution of the universe, which includes cosmic inflation, dark energy, and dark matter.

Numerous possibilities and discoveries are anticipated to emerge from new data from the Fermi Gamma-ray Space Telescope over the upcoming decade and vastly revise or clarify existing models of the universe.^[88][89] In particular, the potential for a tremendous discovery surrounding dark matter is possible over the next several years.^[90] Fermi will search for evidence that dark matter is composed of weakly interacting massive particles, complementing similar experiments with the Large Hadron Collider and other underground detectors.

IBEX is already yielding new astrophysical discoveries: «No one knows what is creating the ENA (energetic neutral atoms) ribbon» along the termination shock of the solar wind, «but everyone agrees that it means the textbook picture of the heliosphere—in which the Solar System’s enveloping pocket filled with the solar wind’s charged particles is plowing through the onrushing ‘galactic wind’ of the interstellar medium in the shape of a comet—is wrong.»^[91]

Current research

Research in physics is continually progressing on a large number of fronts.

In condensed matter physics, an important unsolved theoretical problem is that of high-temperature superconductivity.^[92] Many condensed matter experiments are aiming to fabricate workable spintronics and quantum computers.^[79][93]

In particle physics, the first pieces of experimental evidence for physics beyond the Standard Model have begun to appear. Foremost among these are indications that neutrinos have non-zero mass. These experimental results appear to have solved the long-standing solar neutrino problem, and the physics of massive neutrinos remains an area of active theoretical and experimental research. The Large Hadron Collider has already found the Higgs boson, but future research aims to prove or disprove the supersymmetry, which extends the Standard Model of particle physics. Research on the nature of the major mysteries of dark matter and dark energy is also currently ongoing.^[94]

Although much progress has been made in high-energy, quantum, and astronomical physics, many everyday phenomena involving complexity,^[95] chaos,^[96] or turbulence^[97] are still poorly understood. Complex problems that seem like they could be solved by a clever application of dynamics and mechanics remain unsolved; examples include the formation of sandpiles, nodes in trickling water, the shape of water droplets, mechanisms of surface tension catastrophes, and self-sorting in shaken heterogeneous collections.^[i][98]

These complex phenomena have received growing attention since the 1970s for several reasons, including the availability of modern mathematical methods and computers, which enabled complex systems to be modeled in new ways. Complex physics has become part of increasingly interdisciplinary research, as exemplified by the study of turbulence in aerodynamics and the observation of pattern formation in biological systems. In the 1932 Annual Review of Fluid Mechanics, Horace Lamb said:^[99]

I am an old man now, and when I die and go to heaven there are two matters on which I hope for enlightenment. One is quantum electrodynamics, and the other is the turbulent motion of fluids. And about the former I am rather optimistic.

See also

Notes

References

Sources

External links

• Physics at Quanta Magazine
• Usenet Physics FAQ – FAQ compiled by sci.physics and other physics newsgroups
• Website of the Nobel Prize in physics – Award for outstanding contributions to the subject
• World of Physics – Online encyclopedic dictionary of physics
• Nature Physics – Academic journal
• Physics – Online magazine by the American Physical Society
• Physics/Publications at Curlie – Directory of physics related media
• The Vega Science Trust – Science videos, including physics
• HyperPhysics website – Physics and astronomy mind-map from Georgia State University
• Physics at MIT OpenCourseWare – Online course material from Massachusetts Institute of Technology
• The Feynman Lectures on Physics

Фи́зика (от др.-греч. φύσις — природа) — область естествознания: наука о простейших и, вместе с тем, наиболее общих законах природы, о материи, её структуре и движении. Законы физики лежат в основе всего естествознания.

Термин «физика» впервые фигурирует в сочинениях одного из величайших мыслителей древности — Аристотеля (IV век до нашей эры). Первоначально термины «физика» и «философия» были синонимами, так как в основе обеих дисциплин лежало стремление объяснить законы функционирования Вселенной. Однако в результате научной революции XVI века физика развилась в самостоятельную научную отрасль.

В современном мире значение физики чрезвычайно велико. Всё то, чем отличается современное общество от общества прошлых веков, появилось в результате применения на практике физических открытий. Так, исследования в области электромагнетизма привели к появлению телефонов и позже мобильных телефонов, открытия в термодинамике позволили создать автомобиль, развитие электроники привело к появлению компьютеров. Развитие фотоники способно дать возможность создать принципиально новые — фотонные — компьютеры и другую фотонную технику, которые сменят существующую электронную технику. Развитие газодинамики привело к появлению самолётов и вертолётов.

Знания физики процессов, происходящих в природе, постоянно расширяются и углубляются. Большинство новых открытий вскоре получают технико-экономическое применение (в частности в промышленности). Однако перед исследователями постоянно встают новые загадки, — обнаруживаются явления, для объяснения и понимания которых требуются новые физические теории. Несмотря на огромный объём накопленных знаний, современная физика ещё очень далека от того, чтобы объяснить все явления природы.

Общенаучные основы физических методов разрабатываются в теории познания и методологии науки.

В русский язык слово «физика» было введено М. В. Ломоносовым, издавшим первый в России учебник физики — свой перевод с немецкого языка учебника «Вольфианская экспериментальная физика» Х. Вольфа (1746). Первым оригинальным учебником физики на русском языке стал курс «Краткое начертание физики» (1810), написанный П. И. Страховым.

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D0%BA%D0%B0

---

Комплексная наука • Естествознание
Физика Φυσική
Предмет изучения	Материя (в виде вещества и полей) и наиболее общие формы её движения, а также фундаментальные взаимодействия природы, управляющие движением материи.
Период зарождения	V век до н. э. — XVI век

Фи́зика (от др.-греч. φύσις — природа):

1. как раздел наук — область естествознания;
2. совокупность физических свойств объекта (например Солнца);^{[источник не указан 2480 дней]}

Физика — наука о простейших и вместе с тем наиболеобщих законах природы, о материи, её структуре и движении. Законы физики лежат в основе всего естествознания^[1][2].

Термин «физика» впервые фигурирует в сочинениях одного из величайших мыслителей древности — Аристотеля, жившего в IV веке до нашей эры. Первоначально термины «физика» и «философия» были синонимами, так как в основе обеих дисциплин лежало стремление объяснить законы функционирования Вселенной. Однако в результате научной революции XVI века физика развилась в самостоятельную научную отрасль.

В русский язык слово «физика» было введено М. В. Ломоносовым, издавшим первый в России учебник физики — свой перевод с немецкого языка учебника «Вольфианская экспериментальная физика» Х. Вольфа (1746). Первым оригинальным учебником физики на русском языке стал курс «Краткое начертание физики» (1810), написанный П. И. Страховым.

В современном мире значение физики чрезвычайно велико. Всё то, чем отличается современное общество от общества прошлых веков, появилось в результате применения на практике физических открытий. Так, исследования в области электромагнетизма привели к появлению телефонов и позже мобильных телефонов, открытия в термодинамике позволили создать автомобиль, развитие электроники привело к появлению компьютеров. Развитие фотоники способно дать возможность создать принципиально новые — фотонные — компьютеры и другую фотонную технику, которые сменят существующую электронную технику.

Знания физики процессов, происходящих в природе, постоянно расширяются и углубляются. Большинство новых открытий вскоре получают технико-экономическое применение (в частности в промышленности). Однако перед исследователями постоянно встают новые загадки, — обнаруживаются явления, для объяснения и понимания которых требуются новые физические теории. Несмотря на огромный объём накопленных знаний, современная физика ещё очень далека от того, чтобы объяснить все явления природы.

Общенаучные основы физических методов разрабатываются в теории познания и методологии науки.

Предмет физики

Физика —

Фи́зика (от др.-греч. φύσις — природа) — область естествознания: наука о простейших и вместе с тем наиболее общих законах природы, о материи, её структуре и движении. Законы физики лежат в основе всего естествознания.

Таково типичное философское определение физики. Но если смотреть на историю физики и структуру физического знания, то вырисовывается другая картина. Физика появляется вется (тела, жидкости) — были очевидны, считалось, что цель физики — нахождение законов движения, чему способствовала и метафора, которой следовали Галилей и Ньютон: «Природа — это книга написанная на языке математики». В «неклассический» период, начинающийся с электромагнитного поля Фарадея-Максм материалом для теорий (теоретических моделей) явлений служат идеальные сущности, которые задаются в основаниях разделов физики (раздел физики выделяется тем, что имеет собственные основания). Такая двухуровневая структура — основания и теории явлений — существует с «Математических начал натуральной философии» И.Ньютона. При этом специфика физики определяется теми типами моделей, которые она использует (то же можно сказать про другие естественные науки — химические, биологические, которые используют другие типы моделей). Специфика физики задается тем, что 1)в центре любого раздела физики есть свой физический процесс, который описывается как переход физического объекта A из одного состояния S_A(1) в другое S_A(2), как правило номером состояния служит момент времени (этой схемой выделяется понятия объекта); 2) эти объекты находятся в пространстве (отсюда особое положение законов сохранения для интегралов движения (энергии, импульса, момента импульса) и особое место теории относительности, объектом которой оказывается метрика пространства и времени); 3) все множество исходных объектов строится на базе всего двух прототипов: локальной частицы, состояние которой задается набором величин (понятие о которой можно получить из классической механики) и нелокальной (имеющей 1-, 2- или 3-мерный объем) сплошной среды, состояние которой задается набором функций (понятие о которой можно получить из гидродинамики идеальной жидкости). Модель сплошной среды лежит в основе механик сплошной среды, термодинамики (равновесной и неравновесной), электродинамики (в вакууме и среде). Смешанные корпускулярно-волновые модели лежат в основе квантовой механики и квантовой теории поля, а также в основе статистической физики в виде молекулярной среды^[3].

Некоторые закономерности являются общими для всех материальных систем (например сохранение энергии), — их называют физическими законами. Физику иногда называют «фундаментальной наукой», поскольку другие естественные науки, — биология, геология, химия и др. — описывают только некоторый класс материальных систем, подчиняющихся законам физики. Например, химия изучает атомы, состоящие из них вещества и превращения одного вещества в другое. Химические же свойства вещества однозначно определяются физическими свойствами атомов и молекул, описываемыми в таких разделах физики, как термодинамика, электромагнетизм и квантовая физика.

Такой довольно распространенный редукционистский взгляд является не бесспорным. Даже у химии, не говоря о биологии, есть свои специфические модели, лишь фрагменты которых могут быть представлены как физическое явление

Физика тесно связана с математикой, ибо описание движения в физике использует двухслойную конструкцию:в слое физической модели задается объект и его состояния, определяемые соответствующими измеримыми величинами, но связь между состояниями задается в математическом слое с помощью уравнения движения (закона движения), связывающего математические образы состояний объекта, математика предоставляет аппарат, с помощью которого физические законы могут быть точно сформулированы. При этом могут использоваться сложные разделы математики. И наоборот, развитие многих областей математики стимулировалось потребностями физической науки. Однако в центре оказывается определяющая понимание физическая модель, на что указывает и возможность альтернативных математических описаний (математических представлений) одной физической модели явления, например ньютоновского, лагранжевого, Гамильтона-Якоби — в классической физике, Шрёдингера, Гайзенберга, взаимодействия и др. — в квантовой механике ^[3]. «Математика есть лишь орудие, и нужно уметь владеть физическими идеями безотносительно к их математической форме», — говорил П.Дирак ^[4].

Научный метод

Физика — естественная наука. В её основе лежит экспериментальное исследование явлений природы, а её задача — формулировка законов, которыми объясняются эти явления. Физика сосредоточена на изучении фундаментальных и простейших явлений и на ответах на простые вопросы: из чего состоит материя, каким образом частицы материи взаимодействуют между собой, по каким правилам и законам осуществляется движение частиц и т. д.

В основе физических исследований лежат наблюдения. Обобщение наблюдений позволяет физикам формулировать гипотезы о совместных общих чертах этих явлений, по которым велись наблюдения. Гипотезы проверяются с помощью продуманного эксперимента, в котором явление (феномен) проявлялось бы в как можно более чистом виде и не осложнялось бы другими явлениями (феноменами). Анализ данных совокупности экспериментов позволяет выявить и сформулировать закономерность. На первых этапах исследований закономерности носят преимущественно эмпирический, феноменологический характер, — то есть явление описывается количественно с помощью определённых параметров, характерных для исследуемых тел и веществ. Анализируя закономерности и параметры, физики строят физические теории, которые позволяют объяснить изучаемые явления на основе представлений о строении тел и веществ и взаимодействие между их составными частями. Физические теории, в свою очередь, создают предпосылки для постановки точных экспериментов, в ходе которых в основном определяются как рамки их применимости. Общие физические теории позволяют формулировать физические законы, которые считаются общими истинами, пока накопления новых экспериментальных результатов не потребует их уточнения или пересмотра.

Так, например, Стивен Грей заметил, что электричество можно передавать на довольно значительное расстояние с помощью увлажнённых нитей и начал исследовать это явление. Георг Ом сумел выявить для него количественную закономерность, — ток в проводнике прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению проводника току. Эта закономерность известна как закон Ома. При этом, конечно, эксперименты Ома опирались на новые источники питания и на новые способы измерять действие электрического тока, что позволило количественно охарактеризовать его. Результаты дальнейших исследований позволили абстрагироваться от формы и длины проводников тока и ввести такие феноменологические характеристики, как удельное сопротивление проводника и внутреннее сопротивление источника питания. Закон Ома и поныне основа электротехники, однако исследования также выявили и рамки его применимости, — открыты элементы электрической цепи с нелинейными вольт-амперными характеристиками, а также вещества, в определенных ситуациях не имеющие никакого электрического сопротивления — сверхпроводники. После открытия заряженных микрочастиц — электронов (позже протонов и других), была сформулирована микроскопическая теория электропроводности, объясняющая зависимости сопротивления от температуры посредством рассеяния электронов на колебаниях кристаллической решетки, примесях и т. д.

Вместе с тем было бы неправильным считать, что только эмпирический подход определяет развитие физики. Многие важные открытия были совершены «на кончике пера», или экспериментальной проверкой теоретических гипотез. Например, принцип наименьшего действия Пьер Луи де Мопертюи сформулировал в 1744 году на основе общих соображений, и справедливость его невозможно установить экспериментальным путём в силу всеобщности принципа. В настоящее время классическая и квантовая механика, теория поля основаны на принципе наименьшего действия. В 1899 году Макс Планк ввёл понятия кванта электромагнитного поля, кванта действия, что также не было следствием наблюдений и экспериментов, а чисто теоретической гипотезой. В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал работу по специальной теории относительности, построенную дедуктивным путём из самых общих физических и геометрических соображений. Анри Пуанкаре — математик — прекрасно разбиравшийся в научных методах физики, писал, что ни феноменологический, ни умозрительный подход по отдельности не описывают и не могут описывать физическую науку ^[5].

Количественный характер физики

Физика — количественная наука. Физический эксперимент опирается на измерения, то есть сравнение характеристик исследуемых явлений с определенными эталонами. С этой целью физика развила совокупность физических единиц и измерительных приборов. Отдельные физические единицы объединяются в системы физических единиц. Так, на современном этапе развития науки стандартом является Международная система СИ, но большинство теоретиков по-прежнему предпочитает пользоваться Гауссовой системой единиц.

Полученные экспериментально количественные зависимости позволяют использовать для своей обработки математические методы и строить теоретические, то есть математические модели изучаемых явлений.

С изменением представлений о природе тех или иных явлений меняются также физические единицы, в которых измеряются физические величины. Так, например, для измерения температуры сначала были предложены произвольные температурные шкалы, которые делили промежуток температур между характерными явлениями (например, замерзанием и кипением воды) на определенное количество меньших промежутков, которые получили название градусов температуры. Для измерения количества теплоты была введена единица — калория, которая определяла количество теплоты, необходимой для нагрева грамма воды на один градус. Однако со временем физики установили соответствие между механической и тепловой формой энергии. Таким образом, оказалось, что предложенная ранее единица количества теплоты, калория, является излишней, как и единица измерения температуры. И количество теплоты, и температуру можно измерять в единицах механической энергии. В современную эпоху калория и градус не вышли из практического употребления, но между этими величинами и единицей энергии Джоулем существует точное числовое соотношение. Градус, как единица измерения температуры входит в систему СИ, а коэффициент перехода от температурной к энергетическим величинам — постоянная Больцмана — считается физической постоянной.

История физики

Физика — это наука о материи, её свойствах и движении. Она является одной из наиболее древних научных дисциплин. Люди пытались понять свойства материи из древнейших времен: почему тела падают на землю, почему разные вещества имеют различные свойства и т. д. Интересовали людей также вопрос о строении мира, о природе Солнца и Луны. Сначала ответы на эти вопросы пытались искать в философии. В основном философские теории, которые пытались дать ответы на такие вопросы, не проверялись на практике. Однако, несмотря на то, что нередко философские теории неправильно описывали наблюдения, ещё в древние времена человечество добилось значительных успехов в астрономии, а великий греческий учёный Архимед даже сумел дать точные количественные формулировки многих законов механики и гидростатики.

Некоторые теории древних мыслителей, как, например, идеи об атомах, которые были сформулированы в древних Греции и Индии, опережали время. Постепенно от общей философии начало отделяться естествознание, важнейшей составной частью которого стала физика. Уже Аристотель использовал название «Физика» в заголовке одного из основных своих трактатов^[6]. Несмотря на ряд неправильных утверждений, физика Аристотеля на протяжении веков оставалась основой знаний о природе.

Период до научной революции

Свойство человечества сомневаться и пересматривать положения, которые раньше считались единственно истинными, в поисках ответов на новые вопросы в итоге привело к эпохе великих научных открытий, которую сегодня называют научной революцией, начавшейся в середине XVI века. Предпосылки к этим коренным изменениям сложились благодаря достоянию древних мыслителей, наследие которых можно проследить до Индии и Персии. Сюда входят эллиптические модели^{[источник не указан 3379 дней]} планетарных орбит, опиравшиеся на гелиоцентрическую модель Солнечной системы, которую разработал индийский математик и астроном Ариабхата, базовые положения атомизма, предложенные индусскими и джайнистскими философами, теория буддистских мыслителей Дигнаги и Дхармакирти о том, что свет эквивалентен энергетическим частицам, оптическая теория арабского учёного Ибн ал-Хайсама (Альхазена). Персидский учёный Насир ад-Дин ат-Туси указал на значительные недостатки птолемеевской системы.

Средневековая Европа на какое-то время потеряла знания античных времен, но под влиянием Арабского халифата сохраненные арабами сочинения Аристотеля вернулись. В XII—XIII веках нашли свой путь в Европу также произведения индийских и персидских учёных. В Средние века начал складываться научный метод, в котором основная роль отводилась экспериментам и математическому описанию. Ибн ал-Хайсам считается ^[кем?] основоположником научного метода. В своей «Книге о оптике», написанной в 1021 году, он описывал эксперименты, поставленные для того, чтобы доказать справедливость своей теории зрения, которая утверждала, что глаз воспринимает свет, излучаемый другими объектами, а не сам глаз излучает свет, как считали раньше Евклид и Птолемей. В экспериментах Ибн ал-Хайсама использовалась камера-обскура. С помощью этого прибора он проверял свои гипотезы относительно свойств света: или свет распространяется по прямой, или смешиваются в воздухе различные лучи света.

Научная революция

Период научной революции характеризуется утверждением научного метода исследований, вычленением физики из массы натурфилософии в отдельную область и развитием отдельных разделов физики: механики, оптики, термодинамики и т. д.

Большинство историков придерживаются мнения о том, что научная революция началась в 1543 году, когда Николаю Копернику привезли из Нюрнберга впервые напечатанный экземпляр его книги «О вращении небесных сфер».

После этого в течение примерно ста лет человечество обогатилось работами таких исследователей, как Галилео Галилей, Христиан Гюйгенс, Иоганн Кеплер, Блез Паскаль и др. Галилей первым начал последовательно применять научный метод, проводя эксперименты, чтобы подтвердить свои предположения и теории. Он сформулировал некоторые законы динамики и кинематики, в частности закон инерции, и проверил их опытным путем. В 1687 году Исаак Ньютон опубликовал книгу «Principia», в которой в подробностях описал две основополагающие физические теории: законы движения тел, известные как законы Ньютона, и законы тяготения. Обе теории прекрасно согласовывались с экспериментом. Книга также приводила теории движения жидкостей. Впоследствии классическая механика была переформулирована и расширена Леонардом Эйлером, Жозефом Луи Лагранжем, Уильямом Роуэном Гамильтоном и другими. Законы гравитации заложили основу тому, что позже стало астрофизикой, которая использует физические теории для описания и объяснения астрономических наблюдений.
В России первым Ломоносов внёс значительный вклад в развитие физической минералогии, математической физике, биофизике и в астрономии, в разделе северных сияний, физике «хвостов» комет. Среди наиболее значимых научных достижений Ломоносова в области физики является его атомно-корпускулярная теория строения вещества и материи. Работы Ломоносова и его соратника Г. В. Рихмана внесли важный вклад в понимание электрической природы грозовых разрядов. Ломоносов не только провёл блестящее многолетнее исследование атмосферного электричества и установил ряд эмпирических закономерностей грозовых явлений, но и в работе «Слово о явлениях воздушных, от электрической силы происходящих» (1753) объяснил причину возникновения электричества в грозовых облаках конвекцией теплого воздуха (у поверхности Земли) и холодного воздуха (в верхних слоях атмосферы). Ломоносов разработал теорию света и выдвинул трёхкомпонентную теорию цвета, с помощью которой объяснил физиологические механизмы цветовых явлений. По мысли Ломоносова, цвета вызываются действием трёх родов эфира и трёх видов цветоощущающей материи, составляющей дно глаза. Теория цвета и цветового зрения, с которой Ломоносов выступил в 1756 году, выдержала проверку временем и заняла должное место в истории физической оптики.
После установления законов механики Ньютоном, следующим исследовательским полем стало электричество. Основы создания теории электричества заложили наблюдения и опыты таких учёных XVII и XVIII веков, как Роберт Бойль, Стивен Грей, Бенджамин Франклин. Сложились основные понятия — электрический заряд и электрический ток. В 1831 году английский физик Майкл Фарадей показал связь электричества и магнетизма, продемонстрировав, что движущийся магнит индуцирует в электрической цепи ток. Опираясь на эту концепцию, Джеймс Клерк Максвелл построил теорию электромагнитного поля. Из системы уравнений Максвелла следовало существование электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света. Экспериментальное подтверждение этому нашел Генрих Герц, открыв радиоволны.

С построением теории электромагнитного поля и электромагнитных волн, победой волновой теории света, основанной Гюйгенсом, над корпускулярной теорией Ньютона, завершилось построение классической оптики. На этом пути оптика обогатилась пониманием дифракции и интерференции света, достигнутым благодаря трудам Огюстена Френеля и Томаса Юнга.

В XVIII и начале XIX века были открыты основные законы поведения газов, а работы Сади Карно по теории тепловых машин открыли новый этап в становлении термодинамики. В XIX веке Юлиус Майер и Джеймс Джоуль установил эквивалентность механической и тепловой энергий, что привело к расширенной формулировке закона сохранения энергии (первый закон термодинамики). Благодаря Рудольфу Клаузиусу был сформулирован второй закон термодинамики и введено понятие энтропии. Позже Джозайя Уиллард Гиббс заложил основы статистической физики, а Людвиг Больцман предложил статистическую интерпретацию понятия энтропии.

К концу XIX века физики подошли к значительному открытию — экспериментальному подтверждению существования атома. В это время существенно изменилась и роль физики в обществе. Возникновение новой техники (электричества, радио, автомобиль и т. д.) требовало большого объёма прикладных исследований. Занятия наукой стало профессией. Фирма General Electric первой открыла собственные исследовательские лаборатории; такие же лаборатории стали появляться в других фирмах.

Смена парадигм

Конец девятнадцатого, начало двадцатого века был временем, когда под давлением новых экспериментальных данных физикам пришлось пересмотреть старые теории и заменить их новыми, заглядывая все глубже в строение материи. Эксперимент Майкельсона — Морли выбил основу из-под ног классического электромагнетизма, поставив под сомнение существование эфира. Были открыты новые явления, такие как рентгеновские лучи и радиоактивность. Не успели физики доказать существование атома, как появились доказательства существования электрона, эксперименты с фотоэффектом и изучение спектра теплового излучения давали результаты, которые невозможно было объяснить, исходя из принципов классической физики. В прессе этот период назывался кризисом физики, но одновременно он стал периодом триумфа физики, сумевшей выработать новые революционные теории, которые не только объяснили непонятные явления, но и многие другие, открыв путь к новому пониманию природы.

В 1905 году Альберт Эйнштейн построил специальную теорию относительности, которая продемонстрировала, что понятие эфира не требуется при объяснении электромагнитных явлений. При этом пришлось изменить классическую механику Ньютона, дав ей новую формулировку, справедливую при больших скоростях. Коренным образом изменились также представления о природе пространства и времени. Эйнштейн развил свою теорию в общую теорию относительности, опубликованную в 1916 году. Новая теория включала в себя описание гравитационных явлений и открыла путь к становлению космологии — науки об эволюции Вселенной.

Рассматривая задачу о тепловом излучении абсолютно чёрного тела, Макс Планк в 1900 году предложил невероятную идею, что электромагнитные волны излучаются порциями, энергия которых пропорциональна частоте. Эти порции получили название квантов, а сама идея начала построение новой физической теории — квантовой механики, которая ещё больше изменила классическую ньютоновскую механику, на этот раз при очень малых размерах физической системы. В том же 1905-м году Альберт Эйнштейн применил идею Планка для успешного объяснения экспериментов с фотоэффектом, предположив, что электромагнитные волны не только излучаются, но и поглощаются квантами. Корпускулярная теория света, которая, казалось, потерпела сокрушительное поражение в борьбе с волновой теорией, вновь получила поддержку.

Спор между корпускулярной и волновой теорией нашел своё решение в корпускулярно-волновом дуализме, гипотезе, сформулированной Луи де Бройлем. По этой гипотезе не только квант света, а любая другая частица проявляет одновременно свойства, присущие как корпускулам, так и волнам. Гипотеза Луи де Бройля подтвердилась в экспериментах с дифракцией электронов.

В 1911 году Эрнест Резерфорд предложил планетарную теорию атома, а в 1913 году Нильс Бор построил модель атома, в которой постулировал квантовый характер движения электронов. Благодаря работам Вернера Гайзенберга, Эрвина Шредингера, Вольфганга Паули, Поля Дирака и многих других квантовая механика нашла своё точную математическую формулировку, подтверждённую многочисленными экспериментами. В 1927 году была создана копенгагенская интерпретация, которая открывала путь для понимания законов квантового движения на качественном уровне.

Физика современности

С открытием радиоактивности Анри Беккерелем началось развитие ядерной физики, которая привела к появлению новых источников энергии: атомной энергии и энергии ядерного синтеза. Открытые при исследованиях ядерных реакций новые частицы: нейтрон, протон, нейтрино, дали начало физике элементарных частиц. Эти новые открытия на субатомном уровне оказались очень важными для физики на уровне Вселенной и позволили сформулировать теорию её эволюции — теорию Большого взрыва.

Сложилось окончательное разделение труда между физиками-теоретиками и физиками-экспериментаторами. Энрико Ферми был, пожалуй, последним выдающимся физиком, успешным как в теории, так и в экспериментальной работе.

Передний край физики переместился в область исследования фундаментальных законов, ставя перед собой цель создать теорию, которая объясняла бы Вселенную, объединив теории фундаментальных взаимодействий. На этом пути физика получила частичные успехи в виде теории электрослабого взаимодействия и теории кварков, обобщённой в так называемой стандартной модели. Однако, квантовая теория гравитации до сих пор не построена. Определенные надежды связываются с теорией струн.

Начиная с создания квантовой механики, быстрыми темпами развивается физика твердого тела, открытия которой привели к возникновению и развитию электроники, а с ней и информатики, которые внесли коренные изменения в культуру человеческого общества.

Теоретическая и экспериментальная физика

В основе своей физика — экспериментальная наука: все её законы и теории основываются и опираются на опытные данные. Однако зачастую именно новые теории являются причиной проведения экспериментов и, как результат, лежат в основе новых открытий. Поэтому принято различать экспериментальную и теоретическую физику.

Экспериментальная физика исследует явления природы в заранее подготовленных условиях. В её задачи входит обнаружение ранее неизвестных явлений, подтверждение или опровержение физических теорий. Многие достижения в физике были сделаны благодаря экспериментальному обнаружению явлений, не описываемых существующими теориями. Например, экспериментальное изучение фотоэффекта послужило одной из посылок к созданию квантовой механики (хотя рождением квантовой механики считается появление гипотезы Планка, выдвинутой им для разрешения ультрафиолетовой катастрофы — парадокса классической теоретической физики излучения).

В задачи теоретической физики входит формулирование общих законов природы и объяснение на основе этих законов различных явлений, а также предсказание до сих пор неизвестных явлений. Верность любой физической теории проверяется экспериментально: если результаты эксперимента совпадают с предсказаниями теории, она считается адекватной (достаточно точно описывающей данное явление).

При изучении любого явления экспериментальные и теоретические аспекты одинаково важны.

Прикладная физика

От своего зарождения физика всегда имела большое прикладное значение и развивалась вместе с машинами и механизмами, которые человечество использовало для своих нужд. Физика широко используется в инженерных науках, немало физиков были одновременно изобретателями и, наоборот. Механика, как часть физики, тесно связана с теоретической механикой и сопротивлением материалов, как инженерными науками. Термодинамика связана с теплотехникой и конструированием тепловых двигателей. Электричество связано с электротехникой и электроникой, для становления и развития которой очень важны исследования в области физики твердого тела. Достижения ядерной физики обусловили появление ядерной энергетики, и тому подобное.

Физика также имеет широкие междисциплинарные связи. На границе физики, химии и инженерных наук возникла и быстро развивается такая отрасль науки как материаловедение. Методы и инструменты используются химией, что привело к становлению двух направлений исследований: физической химии и химической физики. Все мощнее становится биофизика — область исследований на границе между биологией и физикой, в которой биологические процессы изучаются исходя из атомарной структуры органических веществ. Геофизика изучает физическую природу геологических явлений. Медицина использует методы, такие как рентгеновские и ультразвуковые исследования, ядерный магнитный резонанс — для диагностики, лазеры — для лечения болезней глаз, ядерное облучение — в онкологии, и тому подобное.

Основные теории

Хотя физика имеет дело с разнообразными системами, некоторые физические теории применимы в больших областях физики. Такие теории считаются в целом верными при дополнительных ограничениях. Например, классическая механика верна, если размеры исследуемых объектов намного больше размеров атомов, скорости существенно меньше скорости света, и гравитационные силы малы. Эти теории всё ещё активно исследуются; например, такой аспект классической механики, как теория хаоса был открыт только в XX веке. Они составляют основу для всех физических исследований. В рамках этих теорий Ломоносов М. В.объяснил причины агрегатных состояний веществ (твёрдое, жидкое и газообразное состояния) и разработал теорию теплоты.

Теория	Основные разделы	Понятия
Классическая механика	Законы Ньютона — Лагранжева механика — Гамильтонова механика — Теория хаоса — Гидродинамика — Геофизическая гидродинамика — Механика сплошных сред	Вещество — Пространство — Время — Энергия — Движение — Масса — Длина — Скорость — Сила — Мощность — Работа — Закон сохранения — Момент инерции — Угловой момент — Момент силы — Волна — Действие — Размерность
Электромагнетизм	Электростатика — Электричество — Магнитостатика — Магнетизм — Уравнения Максвелла — Электродинамика— Магнитная гидродинамика	Электрический заряд — Напряжение — Ток — Электрическое поле — Магнитное поле — Электромагнитное поле — Электромагнитное излучение
Термодинамика и Статистическая физика	Тепловая машина — Молекулярно-кинетическая теория— Неравновесная термодинамика	Температура — Постоянная Больцмана — Энтропия — Свободная энергия — Термодинамическое равновесие — Статистическая сумма — Микроканоническое распределение — Большое каноническое распределение
Квантовая механика	Уравнение Шрёдингера — Интеграл Фейнмана — Квантовая теория поля	Гамильтониан — Тождественные частицы — Постоянная Планка — Измерение — Квантовый осциллятор — Волновая функция — Нулевая энергия — Перенормировка
Теория относительности	Специальная теория относительности — Общая теория относительности — Релятивистская гидродинамика	Принцип относительности — 4-вектор — Пространство-время — Скорость света — Тензор энергии-импульса — Кривизна пространства-времени — Чёрная дыра

Разделы физики

Макроскопическая физика

• Механика
  • Классическая механика
  • Релятивистская механика
  • Механика сплошных сред
    • Гидродинамика
    • Акустика
    • Механика твёрдого тела
• Термодинамика
• Оптика
  • Физическая оптика
  • Кристаллооптика
  • Молекулярная оптика
  • Нелинейная оптика
• Электродинамика
  • Электродинамика сплошных сред
  • Магнитогидродинамика
  • Электрогидродинамика

Микроскопическая физика

• Атомная физика
• Статистическая физика
  • Статистическая механика
  • Статистическая теория поля
  • Физическая кинетика
• Физика конденсированных сред
  • Физика твёрдого тела
  • Физика жидкостей
  • Физика атомов и молекул
  • Физика наноструктур
• Квантовая физика
  • Квантовая механика
  • Квантовая теория поля
  • Квантовая электродинамика
  • Квантовая хромодинамика
  • Теория струн
• Ядерная физика
  • Физика гиперядер
• Физика высоких энергий
• Физика элементарных частиц

Разделы физики на стыке наук

• Агрофизика
• Акустооптика
• Астрофизика
• Биофизика
• Вычислительная физика
• Гидрофизика
• Геофизика
  • Петрофизика
  • Сейсмология
  • Тектонофизика
  • Геофизическая гидродинамика
• Космология
• Математическая физика
• Материаловедение
  • Кристаллография
• Медицинская физика
• Метрология
• Радиофизика
  • Квантовая радиофизика
  • Статистическая радиофизика
• Техническая физика
• Теория колебаний
• Теория динамических систем
• Химическая физика
• Физика атмосферы
• Физика плазмы
• Физическая химия

Справка

• Единицы измерения физических величин
• Фундаментальные физические константы
• Олимпиадные задачи по физике
• История физики

Важнейшие журналы

Российские

• Журнал технической физики (ЖТФ)
• Журнал экспериментальной и теоретической физики (ЖЭТФ)
• Письма в ЖЭТФ
• Теоретическая и математическая физика
• Успехи физических наук (УФН)

Зарубежные

• Nature Physics
• Журналы Американского физического общества
  • Physics — короткие обзорные статьи по результатам, опубликованным в других журналах общества.
  • Reviews of Modern Physics (RMP) Публикует обзорные статьи по большим разделам физики
  • Physical Review Letters (PRL) Наиболее престижный (после Nature и Science) журнал: короткие статьи по новейшим исследованиям
  • Physical Review (A,B,C,D,E) Статьи разного формата, более подробные, но менее оперативно публикуемые, чем в Phys. Rev. Lett.
  • Annals of Physics
• Журналы Американского института физики
  • Physics Today
  • Applied Physics Letters (APL)
  • Journal of Applied Physics
• Европейские журналы
  • Journal of Physics (A, B, C …)
    • Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical
    • Journal of Physics: Condensed Matter
  • New Journal of Physics
  • Physica (A, B, C …)
    • Physica A
  • Physics Letters A
  • Europhysics Letters
  • Zeitschrift für Physik Именно в этом журнале публиковались Эйнштейн, Гейзенберг, Планк…
  • Nuovo cimento (A, B, C …)
  • Foundations of Physics
• Научно-популярные журналы
  • Квант
  • Physics World

А также архив препринтов arXiv.org, на котором статьи появляются гораздо раньше их появления в журналах и доступны для свободного скачивания.

Коды в системах классификации знаний

• УДК 53
• Государственный рубрикатор научно-технической информации (ГРНТИ) 29 ФИЗИКА
• Physics and Astronomy Classification Scheme

См. также

• Физика в конспектах
• Физики шутят
• Общая физика
• Нерешённые проблемы современной физики

Примечания

Литература

• Иванов Б. Н. Законы физики. Изд.3, М.:URSS, 2010 г., 368 с
• Липкин А.И. Основания физики. Взгляд из теоретической физики. М.: URSS, 2014 г., 207 с. 

Ссылки

• Физика в Open Encyclopedia Project(предложить контент)
• Статья в «Физической энциклопедии»
• Большой адронный коллайдер как инструмент развития математики 4:18

---

Википедия Физика адрес Викисловарь — адрес Викицитатник — адрес Викиучебник — адрес Викитека — адрес Викиновости — адрес Викиверситет — адрес Викигид — адрес

Выделить Физика и найти в: Вокруг света адрес Академик адрес Астронет адрес Элементы адрес Научная Россия адрес Кругосвет адрес Научная Сеть Традиция — адрес Циклопедия — адрес Викизнание — адрес

Google Bing Yahoo Яндекс Mail.ru Рамблер Нигма.РФ Спутник Google Scholar Апорт Онлайн-переводчик Архив Интернета Научно-популярные фильмы на Яндексе Документальные фильмы

Список ru-вики Вики-сайты на русском языке Список крупных русскоязычных википроектов Каталог wiki-сайтов Русскоязычные wiki-проекты Викизнание:Каталог wiki-сайтов Научно-популярные сайты в Интернете Лучшие научные сайты на нашем портале Лучшие научно-популярные сайты Каталог научно-познавательных сайтов НАУКА В РУНЕТЕ: каталог научных и научно-популярных сайтов

---

• Страница 0 — краткая статья
• Страница 1 — энциклопедическая статья
• Разное — на страницах: 2 , 3 , 4 , 5
• Прошу вносить вашу информацию в «Физика 1», чтобы сохранить ее

Комментарии читателей: