Физиката (от старогръцки: φυσικός (фисикос) – „естествен“, φύσις (фисис) – „природа“) е естествена наука, изучаваща общите и фундаментални закономерности, определящи структурата и еволюцията на материалния свят. Физиката е точна наука, което означава, че се занимава с намирането на количествено описание на природните явления. Физиката се основава на теории, които дават ясни, измерими предвиждания. За физични се приемат само експериментални резултати, които могат да бъдат независимо възпроизведени. Такива резултати могат да потвърдят или отхвърлят дадена физична теория. Теоретичната и експерименталната физика са тясно свързани − понякога развитието на физичните теории мотивира провеждането на нови експерименти, а понякога нови експериментални данни провокират създаването на нова теория. За изучаването на природните явления тези два подхода са еднакво важни.
За първи път терминът физика е използван от древногръцкия философ и учен Аристотел през IV век пр.н.е. Физиката е една от най-старите области на познанието, макар в древността да не е оформена като отделна наука. Дълго време физиката и философията се ползват като синоними и едва в резултат на Научната революция от XVI – XVII век физиката се обособява като отделна наука.[1]
Въпреки невероятното количество натрупани познания за света, човешкото разбиране за процесите и явленията непрекъснато се мени и развива, новите изследвания повдигат нови и нерешени въпроси, за които трябват нови обяснения и теории. В този смисъл физиката е в непрекъснат процес на развитие и все още далече от възможността да обясни всички природни явления и процеси.
Предмет
Пример за природно явление, подчинено на физични закони: Параболичната траектория на частиците лава е в съответствие със закона на Галилей за свободното падане, а червеното им излъчване – със закона за излъчване на абсолютно черно тяло
Физиката има за цел изучаването на широк спектър от предмети и явления от всички възможни мащаби: от елементарните частици до най-големите звездни купове от галактики. В това число се включват и градивните елементи, изграждащи всички тела в природата, поради което физиката се нарича „фундаментална наука“.[2]
Физиката има за цел да опише различните сложни явления, наблюдавани в природата, като ги свежда до по-прости явления. Така физиката цели да обясни нещата, които ни заобикалят, като установи техните причини и след това се опитва да свърже тези причини помежду им в желанието да се намери окончателно обяснение на вечния човешки въпрос – защо природата е такава, каквато е.
Например в Древен Китай било наблюдавано, че определени скали (магнетит) се привличат една друга чрез невидими сили. Този ефект по-късно е наречен магнетизъм и бива сериозно изучен за първи път през XVII век. Малко по-рано, преди китайците, древните гърци са познавали свойствата на кехлибара, който при триене в кожа също предизвиква ефект на привличане. Това явление също е изучено подробно през XVII век и бива наречено електричество. В този смисъл физиката си поставя за цел да обясни нещо, наблюдавано в природата, според неговите причини. Чак през XIX век с по-нататъшния напредък на науката се разбира, че споменатите две явления – електричество и магнетизъм – са само два различни аспекта на едно и също взаимодействие – електромагнитното. Този процес на задълбочаване на знанията продължава и днес.
Научен метод
Физиката използва като научен метод емпиричната проверка: валидността на всяка физична теория се тества, като направените според нея хипотези и заключения се сравняват с резултати, извлечени от проведени експерименти и наблюдения.
Теории, които са добре подкрепени с експериментални данни и никога не са били опровергани с емпиричен опит (т.е. издържат емпиричната проверка), често се превръщат в научни закони или природни закони. Разбира се, всички теории, включително научните закони, могат винаги да бъдат заместени от нови, по-точни твърдения, които се търсят, когато има някакво несъгласие на дадена теория с наблюдаваните експериментални данни.[3]
При физиката има доста по-голяма степен на разделение между теория и експеримент, отколкото при други науки. Още от XII век повечето физици се специализират или в теоретичната, или в експерименталната физика и съответно се наричат теоретици и експериментатори. (В противовес на това, почти всички успешни теоретици в биологията или химията (например американският квантов химик и биологЛайнъс Полинг) са били също и експерименталисти, макар това да се променя в последно време.)
Теоретиците се стремят да развият математически модели, които едновременно да описват съществуващите експерименти и успешно да предвиждат бъдещи резултати, докато експериментаторите предлагат и извършват експерименти, за да проверят теоретичните предвиждания и да изследват нови явления. Макар че теория и експеримент се развиват от различни учени, те са силно свързани помежду си. Прогресът във физиката често се осъществява, когато учените направят експериментално откритие, което съществуващите теории не могат да обяснят или, от друга страна, когато нови теории генерират предположения, подлежащи на проверка, вдъхновявайки поставянето на нови експерименти.
Също така има физици, които работят едновременно върху теория и експеримент и които се наричат феноменологисти. Феноменологистите свързват емпирични наблюдения над определени феномени помежду им по начин, който е в съгласие с фундаменталната теория, но не произтича директно от нея.
Теоретичната физика е исторически вдъхновена от философията и метафизиката, например обединението на електричеството и магнетизма в единна теория – електромагнетизъм е станало по този начин.[4] Извън познатата ни Вселена, в полето на теоретичната физика се включва и боравенето с хипотетични въпроси,[5] като паралелни вселени, мултивселена и по-високи измерения.
Експерименталната физика е в основата на техниката и технологиите. Експериментаторите в областта на фундаменталните изследвания работят например с ускорители на частици и лазери, докато тези в областта на приложните изследвания често работят за индустрията, например създавайки транзистори или метода на ядрен магнитен резонанс.
В голяма степен физиката произлиза от древногръцката философия – от първия опит на Талес да характеризира материята, през заключението на Демокрит, че материята трябва да се редуцира до инвариантно състояние и астрономията на кристалния небосвод на Птолемей до книгата на АристотелФизика гръцките философи развивали различни възгледи и теории за природата. Чак до средата на XVIII век физиката се нарича естествена философия (натур-философия).
Към XIX век физиката вече се възприема като позитивна и отделна наука, различна от философията и другите науки. От друга страна, физиката заедно с другите науки разчита на философията на науката да даде адекватно описание на научния метод.[6] Научният метод включва априорно и апостериорно мислене, както и вероятностни оценки, за да се прецени валидността на дадена теория.[7]
Развитието на физиката дава отговори на много от питанията на ранните философи, но в същото време поставя и нови въпроси.
Изследването на философските въпроси, отнасящи се до физиката, включва по-конкретно теми като: същност на пространство-времето, детерминизъм, както и метафизически перспективи като емпиризъм, натурализъм и научен реализъм.[8]
Научното знание съществува откакто съществува човечеството, хората са се опитвали да си обяснят естествения свят още от древността. Цивилизации се раждат и умират, а знанието се пренася от едно място на друго, допълва и разширява, а понякога се губи и преоткрива отново.
Център на знанието в древността са арабският свят, Вавилон, Египет, Индия, Китай, а по-късно древен Рим и древна Гърция. Ранните физични теории се развиват основно като философия и не са верифицирани систематично чрез тестове, такава каквато е практиката днес. Докато Европа тъне в невежеството на тъмните векове, философските и научни знания на древните цивилизации са запазени от мюсюлманските държави, там възниква експерименталната физика, развивана от средновековните мюсюлмански физици, сред които най-известен е Алхацен (Ибн ал-Хайтам).
Съвременната физика, такава каквато я познаваме днес, започва с Галилео Галилей, поради което той често е наричан бащата на модерната физика. Той е първият, който използва научния подход, научния метод, в същността на който е идеята, че всяка теория трябва да бъде потвърдена с научни експерименти и наблюдения. Исак Нютон се ражда в годината, в която умира Галилей. Той взема идеите му и ги превръща в теория, като създава един цял дял на физиката, наречен класическа механика. През XX век работата на Алберт Айнщайн маркира една изцяло нова посока във физиката, която продължава и днес.
Алберт Айнщайн – смятан за един от най-влиятелните и известни учени и интелектуалци на XX век. Развива специалната и общата теории на относителността и доказва съществуването на атомите.
Нилс Бор – един от създателите на съвременната физика, със значителен принос към теорията за структурата на атома и към квантовата механика.
Стивън Хокинг – допринася съществено за развитието на теорията за черните дупки и космологията и квантовата механика, известен популяризатор на науката.
Класическата механика е един от подразделите на механиката, която от своя страна е раздел на физиката и описва движението на телата и силите, които го причиняват. Другите три подраздела са небесна механика, квантова механика и релативистка механика. Терминът „класическа“ има за цел разграничение от модерните теории от XX век – квантова механика и теория на относителността. Нуждата от тях възниква при описанието на обекти, които са извън ежедневието (поне исторически, в днешно време много от модерните технологии се основават на принципите на квантовата механика). Класическата механика възниква с формулирането на математическите методи на диференциалното и интегралното смятане, чиито основоположници са Исак Нютон и Готфрид Лайбниц.
Класическата механика се дели на статика, динамика и кинематика. Статиката изучава равновесието на телата, кинематиката – движението, а динамиката – причините за движението или равновесието на тялото.
Електромагнетизмът е дял от физиката, чийто обект на изследване е електромагнитното поле: това е полето, обхващащо цялото пространство около частици, притежаващи електричен заряд, което упражнява сила върху тях и на свой ред се влияе от присъствието и движението на такива частици. Теорията на електромагнетизма разглежда редица електромагнитни явления, сред които могат да се обособят електростатика, магнитостатика, електродинамика, електрически вериги и други.
Термодинамиката (от гръцки: θέρμη, топлина и δύναμις, сила; буквално може да се преведе като топлосила) е раздел от физиката, занимаващ се с топлинните процеси протичащи в телата, следствие промяната на температура, обем и налягане. Термодинамиката се дели на класическа, статистическа и химическа и в основата и са законите на термодинамиката – постулати, които постановяват, че енергия може да се обменя между системите във формата на работа или топлина. Те също така постулират съществуването на физична величина, наречена ентропия, която е напълно определена за всяка изолирана система в термодинамично равновесие. Общо казано, термодинамиката описва как отделни системи реагират на промени в околната среда.
Статистическата механика описва взаимодействията между голям брой частици (най-често от порядъка на числото на Авогадро) и свърза свойствата на елементарните частици с тези на макроскопичните обекти и свойства на материалите, както се наблюдават във всекидневния живот. Познатата ни термодинамика намира своята обосновка в рамките на статистическата физика. Главното предимство на статистическата механика пред термодинамиката е способността на статистическата механика да обясни свойствата на веществата на базата на теорията за взаимодействията между съставляващите ги частици.
Квантовата механика е фундаментална физична теория, описваща поведението на микроскопичните частици. При тях тя замества класическата механика на Нютон и теорията на електромагнетизма, защото те не обясняват адекватно наблюдаваните явления на атомно и субатомно ниво.
Теория на относителността е събирателен термин, който се отнася за специалната и общата теории на относителността на Алберт Айнщайн. Също така понятието може да се отнася за галилеевото разбиране за относителност. СТО е теория за структурата на пространство-времето. За пръв път е въведена през 1905 от Айнщайн в статията му „За електродинамиката на движещите се тела“. ОТО е теория на гравитацията, развита от Айнщайн между 1907 и 1915 г. В основата ѝ е принципът на еквивалентността, според който състоянието на тяло в покой, намиращо се в определено гравитационно поле се описва по еднакъв начин като ускорително движение на същото тяло, без наличие на гравитационно поле. През 1915 г. Айнщайн предлага идеята за изкривено пространство-време.
Математиката е широко прилагана във физиката и може да се каже, че тя е нейният „език“. Математическата физика прилага математически методи за решаване на физични проблеми и формулиране на физични теории.
В историята често се случва така, че получените резултати във физиката и астрономията, както и в някои други науки, влизат в конфликт с някои политически или държавни органи, както и с обществени или религиозни организации и институции. Последните боравят с набор от убеждения и вярвания, които дават някаква представа за света и законите на Вселената, но в крайно догматична форма.
Конфликтите между религията и науката започват ясно да се проявяват през XVII век със спора между Птолемеевата и Коперниковата представа за Слънчевата система и след това със съдебния процес над Галилей през 1633 година. Галилей избягва осъждане, като на думи се отрича от убежденията си, но в действителност продължава да вярва, че полският астроном Николай Коперник е прав. Църквата приема хелиоцентричната система едва през 1757 година.[15]
Много от пионерите на науката в Европа се научават на предпазливо отношение към властите. Те си дават сметка, че могат да попаднат под ударите на Инквизицията. Едно от предизвикателствата е това, че някои пасажи от Библията, например за Бог като цар на Вселената, са написани по твърде неясен начин и могат да се тълкуват различно. Ако се тълкуват буквално, влизат в директно противоречие с предложените физични теории на Галилей, Кеплер и Нютон.[16] Така например Джордано Бруно, бивш доминиканскимонах, който отказва да се отрече от твърдението си, че Вселената е безкрайна и поддържа теорията на Коперник, е изгорен на клада от Инквизицията през 1600 година в Рим.
Ситуацията започна да се изяснява отчасти през XIX век, наречен векът на атеизма, особено след Френската революция, поради реорганизирането и оформянето на граждански и християнски организации. Осъществява се призив за завръщане към оригиналните текстове на Библията, написани на иврит и на гръцки, както и за определяне на правила за тълкуване, така че да не се приема буквалното им значение.
Бележки
↑Novum Organum (1620) на Франсис Бейкън е критична към развиването на научния метод.
↑Лекции на Файнман върху физиката. Том I. Feynman, Leighton и Sands. ISBN 0-201-02115-3. Виж Глава 3: „Отношение на физиката към другите науки“ („The Relation of Physics to Other Sciences“) за обща дискусия. За философската тема – дали другите науки следва да бъдат „редуцирани“ до физиката, виж редукционизъм и специални науки).
↑Някои принципи като Нютоновите закони за движение са все още наричани „закони“, дори и днес да е известно, че са частни случаи на по-нови теории. За това например Томас Броди, Философията зад физиката (Thomas Brody, 1993, Luis de la Peña and Peter Hodgson, eds., The Philosophy Behind PhysicsISBN 0-387-55914-0), стр. 18 – 24 (Глава 2), обяснява 'епистемологичния цикъл', в който студент по физика открива, че физиката не е краен и завършен продукт, но вместо това е процес на създаване [на този продукт].
↑Концепции, които са първоначално означени като хипотетични, могат да се променят с времето. Например атомът през XIX век е бил омаловажаван от някои автори, включително критиката на Ернст Мах на формулировката на Лудвиг Болцман за статистическата механика. В края на Втората световна война атомът вече не е смятат за хипотетичен.
↑Rosenberg, Alex. Philosophy of Science. Routledge, 2006. ISBN 0-415-34317-8. (на английски) Вж Глава 1 за дискусия върху необходимостта от философия на науката.
↑((en)) Peter Godfrey-Smith (2003), Глава 14 „Bayesianism and Modern Theories of Evidence“ Theory and Reality: an introduction to the philosophy of scienceISBN 0-226-30063-3
↑((en)) Peter Godfrey-Smith (2003), Глава 15 „Empiricism, Naturalism, and Scientific Realism?“ Theory and Reality: an introduction to the philosophy of scienceISBN 0-226-30063-3
↑Вж ((en)) Laplace, Pierre Simon, A Philosophical Essay on Probabilities, превод на английски от 6-ото френско издание от Frederick Wilson Truscott, Frederick Lincoln Emory, Dover Publications (New York, 1951)
↑Вж Интерпретация на квантовата механика – ((en)) „The Interpretation of Quantum Mechanics“ Ox Bow Press (1995) ISBN 1-881987-09-4. и „My View of the World“ Ox Bow Press (1983) ISBN 0-918024-30-7.
↑((en)) Stephen Hawking, Roger Penrose (1996), The Nature of Space and TimeISBN 0-691-05084-8 p.4 „Мисля, че Роджър е платоник в сърцето си, но все пак той трябва да отговаря за себе си.“
.jpg)
.JPG)
