פיזיקה הוא ענף המדע העוסק באופי ותכונותיו של חומר שאינו חי אנרגיה שאינה מטופלת על ידי כימיה או ביולוגיה, וחוקי היסוד של החומר יקום. ככאלה, זהו תחום לימודים ענק ומגוון.
כדי להבין את זה, מדענים מיקדו את תשומת ליבם לאחד או שניים מתחומים קטנים יותר של המשמעת. זה מאפשר להם להיות מומחים בתחום הצר ההוא, מבלי להסתבך בהיקף הידע העצום שקיים בעולם הטבע.
שדות הפיזיקה
לפעמים הפיזיקה מחולקת לשתי קטגוריות רחבות, המבוססות על ההיסטוריה של המדע: פיסיקה קלאסית, הכוללת מחקרים שעלו מתקופת הרנסאנס לתחילת דרכה המאה ה -20; ו פיזיקה מודרנית, הכולל את המחקרים שהחלו מאז אותה תקופה. חלק מהחלוקה עשוי להיחשב בקנה מידה: הפיזיקה המודרנית מתמקדת בחלקיקים דקיקים יותר, מדויקים יותר מדידות וחוקים רחבים יותר המשפיעים על האופן בו אנו ממשיכים ללמוד ולהבין את דרך העולם עובד.
דרך נוספת לחלק את הפיזיקה היא פיזיקה מיושמת או ניסויית (בעיקרון, השימושים המעשיים של חומרים) לעומת פיסיקה תיאורטית (בניית חוקים כלליים לגבי אופן היקום עובד).
כשאתה קורא את צורות הפיזיקה השונות, צריך להיות ברור שיש חפיפה מסוימת. לדוגמא, ההבדל בין אסטרונומיה, אסטרופיזיקה וקוסמולוגיה יכול להיות חסר משמעות כמעט לפעמים. לכולם, כלומר למעט האסטרונומים, האסטרופיסיקאים והקוסמולוגים, שיכולים לקחת את ההבחנות ברצינות רבה.
פיזיקה קלאסית
לפני תחילת המאה ה -19, הפיזיקה התרכזה בחקר המכניקה, האור, הצליל ותנועת הגלים, החום והתרמודינמיקה והאלקטרומגנטיות. תחומי הפיזיקה הקלאסית שנלמדו לפני 1900 (וממשיכים להתפתח ונלמדים כיום) כוללים:
- אקוסטיקה: חקר גלי הקול והצליל. בתחום זה אתה לומד גלים מכניים בגזים, נוזלים ומוצקים. אקוסטיקה כוללת יישומים לגלים סיסמיים, הלם ורטט, רעש, מוזיקה, תקשורת, שמיעה, צליל מתחת למים וצליל אטמוספרי. באופן זה הוא מקיף את מדעי האדמה, מדעי החיים, ההנדסה והאמנויות.
- אסטרונומיה: חקר החלל, כולל כוכבי הלכת, הכוכבים, הגלקסיות, החלל העמוק והיקום. אסטרונומיה היא אחד המדעים העתיקים ביותר, תוך שימוש במתמטיקה, פיזיקה וכימיה בכדי להבין את כל מה שנמצא מחוץ לאווירת כדור הארץ.
- פיזיקה כימית: חקר הפיזיקה במערכות כימיות. פיזיקה כימית מתמקדת בשימוש בפיזיקה להבנת תופעות מורכבות במגוון סולמות מהמולקולה למערכת ביולוגית. הנושאים כוללים חקר מבני ננו או דינמיקת תגובה כימית.
- פיזיקה חישובית: יישום של שיטות מספריות לפיתרון בעיות פיזיקליות בהן קיימת כבר תיאוריה כמותית.
- אלקטרומגנטיות: חקר חשמל ו שדה מגנטישהם שני היבטים של אותה תופעה.
- מכשירי חשמל: חקר זרימת האלקטרונים, בדרך כלל במעגל.
- דינמיקה של נוזלים / מכניקת נוזלים: המחקר של התכונות הפיזיות של "נוזלים", מוגדר באופן ספציפי במקרה זה כנוזלים וגזים.
- גאופיזיקה: חקר התכונות הפיזיקליות של כדור הארץ.
- פיזיקה מתמטית: החלת שיטות קפדניות מתמטית לפיתרון בעיות בתוך הפיזיקה.
- מכניקה: חקר תנועת הגופים במסגרת התייחסות.
- מטאורולוגיה / פיסיקה של מזג אוויר: הפיזיקה של מזג האוויר.
- אופטיקה / פיזיקה קלה: חקר התכונות הפיזיות של האור.
- מכניקה סטטיסטית: חקר מערכות גדולות על ידי הרחבה סטטיסטית של הידע של מערכות קטנות יותר.
- תרמודינמיקה: הפיזיקה של החום.
פיזיקה מודרנית
הפיזיקה המודרנית חובקת את האטום ואת חלקיו המרכיבים, את היחסות ואת האינטראקציה של מהירויות גבוהות, קוסמולוגיה ו- חקר חלל ופיזיקה מזוסקופית, אותם חתיכות ביקום הנופלים בגודל בין ננומטר ל מיקרומטר. חלק מהתחומים בפיזיקה המודרנית הם:
- אסטרופיזיקה: חקר התכונות הפיזיקליות של עצמים במרחב. כיום, לרוב משתמשים באסטרופיזיקה להחלפה עם אסטרונומיה ולאסטרונומים רבים יש תארים בפיזיקה.
- פיזיקה אטומית: חקר האטומים, במיוחד תכונות האלקטרונים של האטום, להבדיל מהפיזיקה הגרעינית הרואה את הגרעין בלבד. בפועל, קבוצות מחקר בדרך כלל לומדות פיזיקה אטומית, מולקולרית ואופטית.
- ביופיזיקה: חקר הפיזיקה במערכות חיות בכל הרמות, מתאים ומיקרובים בודדים לבעלי חיים, צמחים ומערכות אקולוגיות שלמות. ביופיזיקה חופפת ביוכימיה, ננו-טכנולוגיה וביו-הנדסה, כמו נגזרת מבנה ה- DNA מקריסטלוגרפיה של רנטגן. הנושאים יכולים לכלול ביו-אלקטרוניקה, ננו-רפואה, ביולוגיה קוונטית, ביולוגיה מבנית, קינטיקה באנזים, הולכה חשמלית בנוירונים, רדיולוגיה ומיקרוסקופיה.
- אי סדר: חקר מערכות עם רגישות חזקה לתנאים ראשוניים, כך ששינוי קל בתחילת הדרך הופך במהרה לשינויים גדולים במערכת. תורת הכאוס היא מרכיב בפיזיקה קוונטית ושימושי במכניקה שמימית.
- קוסמולוגיה: חקר היקום בכללותו, כולל מקורותיו והתפתחותו, כולל המפץ הגדול וכיצד היקום ימשיך להשתנות.
- קריופיזיקה / קריוגניקה / פיזיקה בטמפרטורה נמוכה: חקר התכונות הפיזיות במצבים בטמפרטורה נמוכה, הרבה מתחת לנקודת הקפאה של מים.
- קריסטלוגרפיה: חקר גבישים ומבנים גבישיים.
- פיזיקה באנרגיה גבוהה: ה לימוד פיזיקה במערכות אנרגיה גבוהות במיוחד, בדרך כלל בפיזיקת החלקיקים.
- פיזיקה בלחץ גבוה: חקר הפיזיקה במערכות בלחץ גבוה במיוחד, הקשורים בדרך כלל לדינמיקת הנוזלים.
- פיזיקת לייזר: חקר התכונות הפיזיות של לייזרים.
- פיזיקה מולקולרית: המחקר של תכונות גשמיות של מולקולות.
- ננו-טכנולוגיה: מדע בניית מעגלים ומכונות ממולקולות בודדות ואטומים.
- פיזיקה גרעינית: חקר התכונות הפיזיקליות של הגרעין האטומי.
- פיזיקת החלקיקים: חקר החלקיקים הבסיסיים וכוחות האינטראקציה שלהם.
- פיזיקת פלזמה: חקר החומר בשלב הפלזמה.
- אלקטרודנמיקה קוונטית: המחקר כיצד אלקטרונים ופוטונים משתלבים זה בזה ברמה המכנית הקוונטית.
- מכניקה קוונטית / פיזיקה קוונטית: חקר המדע בו הערכים הנבדלים הקטנים ביותר, או הקוונטה, של חומר ואנרגיה הופכים רלוונטיים.
- אופטיקה קוונטית: היישומון של פיזיקה קוונטית להאיר.
- תורת השדות הקוונטית: היישום של פיזיקה קוונטית על שדות, כולל כוחות יסוד של היקום.
- כוח הכבידה: יישום הפיזיקה הקוונטית על כוח המשיכה ואיחוד הכובד עם אינטראקציות החלקיקים היסודיים האחרים.
- יחסיות: חקר מערכות המציגות את המאפיינים של איינשטיין תורת היחסות, שכרוך בדרך כלל בתנועה במהירויות קרובות מאוד למהירות האור.
- תורת המיתרים / תיאוריית המתח: חקר התיאוריה כי כל החלקיקים הבסיסיים הם תנודות של מיתרי אנרגיה חד מימדיים, ביקום בעל ממדים גבוהים יותר.
מקורות וקריאה נוספת
- סימוני, קרולי. "היסטוריה תרבותית של פיזיקה." טרנס. קרמר, דייויד. בוקה רטון: CRC Press, 2012.
- פיליפס, לי. "המחבלים הבלתי נגמרים של הפיזיקה הקלאסית." Ars Technica, 4 באוגוסט 2014.
- טייקסיירה, מכירות זקנות, אילנה מריה גרקה, ואוליב פרייר. "ההיסטוריה והפילוסופיה של המדע בהוראת הפיזיקה: סינתזה מחקרית של התערבויות דידקטיות." חינוך מדעי 21.6 (2012): 771–96. הדפס.