Przedmiot i metody fizyki

Świat zjawisk fizycznych

Świat, w którym żyjemy jest piękny lecz niezmiernie skomplikowany, jest wypełniony różnorodnymi zjawiskami. Od niepamiętnych czasów człowiek stawiał sobie pytania dlaczego obserwowane zjawiska przebiegają tak a nie inaczej. Wyjaśnienia szukano najpierw w istnieniu mocy nadprzyrodzonych. Dopiero znacznie później narodził się światopogląd naukowy opierający się na założeniu, że wszystkie zjawiska przyrody podlegają powszechnym prawom, które człowiek może poznawać, wyjaśniać i rozumieć. Może je także przewidywać i badać, a zdobytą wiedzę wykorzystywać do zastosowań praktycznych.

Fizyka jako nauka we współczesnym rozumieniu bierze początek od prac Galileo Galilei (1564-1642) i Izaaka Newtona (1643-1727). Ukoronowaniem jej 300 letniego rozwoju było powstanie teorii elektromagnetyzmu Jamesa Maxwella (1831-1879).

Stworzenie przez Galileusza naukowej metody stało się początkiem burzliwego rozwoju nauk przyrodniczych, w szczególności fizyki. Odtąd niezmiernie szybko następowało odkrywanie nowych zjawisk i praw co prowadziło do nieustannego postępu technicznego.

Fizyka jest nauką przyrodniczą co oznacza, że przedmiotem jej badań jest świat materialny czyli przyroda. Fizycy badają własności świata materialnego oraz zachodzące w nim zjawiska i starają się poznać prawa rządzące materią. Od innych nauk przyrodniczych fizyka różni się tym, że zajmuje się najbardziej podstawowymi i ogólnymi własnościami materii. Podstawowa metoda badań stosowana w fizyce polega na dokonywaniu obserwacji zjawisk i przeprowadzaniu kontrolowanych doświadczeń czyli eksperymentów. Na podstawie danych doświadczalnych znajduje się zależności i związki przyczynowe, które są wyrażane w postaci równań matematycznych i formułowane są w postaci praw fizycznych. Zbiór logicznie powiązanych praw tworzy teorię. Metoda naukowa poszukiwań polegająca na przechodzeniu od najprostszych obserwacji do abstrakcyjnej teorii nosi nazwę metody indukcji. Z twierdzeń teorii fizycznych drogą dedukcji, czyli z pomocą logicznego wnioskowania, można przewidywać wyniki nowych doświadczeń i przewidywać nowe zjawiska. Sprawdzianem słuszności teorii jest jej zgodność z doświadczeniem.

Prawa fizyki są prawami przybliżonymi. Mają one ograniczony zakres stosowalności. W miarę rozwoju nauki prawa te stają się coraz dokładniejsze i ogólniejsze. Podstawowe prawa na których opiera się pewna teoria nazywają się zasadami. Głównym celem fizyki jest poszukiwanie i poznawanie podstawowych praw przyrody, od których zależą wszystkie zjawiska fizyczne.

Jako przykład rozważmy jak przebiegał rozwój nauki o elektryczności i magnetyzmie, która ma tak fundamentalne znaczenie dla nas dzisiaj : elektronika, telekomunikacja, energetyka, informatyka itd..

Już w starożytności wiedziano o oddziaływaniu ciał naelektryzowanych (potarty bursztyn przyciągał kawałki materii) i namagnesowanych (bryła magnetytu przyciągała drobne kawałki żelaza). Jednak dopiero w XVII wieku przeprowadzono pierwsze pomiary ilościowe i sformułowano pierwsze prawa fizyczne (prawo Coulomba). W XIX wieku odkryto oddziaływanie prądu z igłą magnetyczną (Oersted), oddziaływanie przewodników z prądem (Ampere), indukcję elektromagnetyczna (Faraday), prawo Ohma i w końcu sformułowano jednolitą teorię zjawisk elektromagnetycznych (prawa Maxwella). Teoria Maxwella zawierała jako przypadki szczególne poznane wcześniej prawa elektryczności i magnetyzmu, a także przewidywała istnienie i własności fal elektromagnetycznych .

Prawa Maxwella są prawami ogólnymi, które zawierają w sobie jako przypadki szczególne nie tylko wszystkie prawa elektryczności i magnetyzmu, ale także wyjaśniają właściwości światła jako fali elektromagnetycznej. Maxwell w swej teorii elektromagnetyzmu dokonał syntezy uprzednio odkrytych praw cząstkowych elektryczności i magnetyzmu. Głębsze zrozumienie jedności elektryczności i magnetyzmu uzyskano na gruncie mechaniki relatywistycznej. Nie ulega wątpliwości, że zjawiskami przyrody rządzi stosunkowo niewielka liczba praw ogólnych. Wielkim celem fizyki teoretycznej jest stworzenie jednolitej teorii wszystkich oddziaływań. Dotychczas udało się połączyć w jednej teorii oddziaływania słabe i elektromagnetyczne. Duże nadzieje wiąże się w tym względzie z teorią superstrun.

Na przełomie XIX i XX wieku wydawało się, że osiągnięto pełne zrozumienie istoty zjawisk fizycznych. Pewne fakty doświadczalne z fizyki atomowej, jak też dotyczące obiektów bardzo szybko poruszających się, nie dawały wyjaśnić się metodami ówczesnej fizyki, którą obecnie określa się jako klasyczną. Ich zrozumienie wymagało wprowadzenia nowych pojęć służących do opisu czasu, przestrzeni i własności mikrocząstek. W wyniku tego powstała fizyka współczesna. Pod tym pojęciem rozumie się między innymi szczególną i ogólną teorię względności oraz fizykę kwantową stosowaną do opisu zjawisk mikroświata, czyli świata atomów i cząstek elementarnych. Badanie tego co jest najbardziej podstawowe w świecie fizycznym prowadzi do badania cząstek elementarnych, ich właściwości i oddziaływań między nimi. Właściwości cząstek określają także strukturę kosmosu, gwiazd i galaktyk. Tak więc fizycy zajmują się badaniem zjawisk materialnych zachodzących w szerokiej skali przestrzennej, od wnętrza cząstek do całego kosmosu. Prawa mikroświata i kosmosu wiążą się wzajemnie również przy badaniu powstania i ewolucji Wszechświata, szczególnie w pierwszych momentach po Wielkim Wybuchu.

Wszystkie zjawiska obserwowane we Wszechświecie wynikają z czterech podstawowych oddziaływań.

Cztery podstawowe oddziaływania.

Typ oddziaływań	Źródło	Względne natężenie	Zasięg
Grawitacyjne Słabe Elektromagnetyczne Jądrowe	Masa Wszystkie cząstki elementarne Ładunek elektryczny Hadrony (protony,neutrony,mezony)	~ 10^-38 ~ 10^-15 ~ 10^-2 1	Długi Krótki (10^-18m) Długi Krótki (10^-15m)

Podstawowy charakter cząstek elementarnych i ich oddziaływań przejawia się np. w tym, że objaśniają one zarówno świat małych jak i dużych wielkości (gwiazdy, galaktyki).

Historia poznawania makroświata zjawisk fizycznych miała bardzo dynamiczny przebieg.

W drugiej połowie XVII wieku Christian Huygens po raz pierwszy ocenił odleglość gwiazd zakładając, że Syriusz jest gwiazdą taką jak nasze Słońce, a jego mała jasność wynika z większej odległości od Ziemi. Porównał więc jasność Syriusza z jasnością obrazu małej części tarczy Słońca w szklanej kulce i na tej podstawie oszacował, że Syriusz jest około 28 tysięcy razy bardziej oddalony od Ziemi niż Słońce. Współczesne pomiary wskazują, że odległość ta jest kilkanaście razy większa. W roku 1838 Bessel zmierzył odległość do gwiazdy znajdującej się w gwiazdozbiorze Łabędzia, bezpośrednią metodą „triangulacji”, oceniając ją na 10 ¹⁷ m. Na początku naszego stulecia oceniono rozmiary naszej Galaktyki - Drogi Mlecznej. W latach dwudziestych stwierdzono, ze tzw. mgławice spiralne są odległymi galaktykami, podobnymi do naszej. Równocześnie oszacowano odległość do jednej z najbliższych galaktyk na 10 ²² m. W latach sześćdziesiątych odkryto kwazary, obiekty charakteryzujące się olbrzymią mocą promieniowania i znajdujące się bardzo daleko. Na tej podstawie oceniono się, że granice obserwowanego Wszechświata są równe 10 ²⁶ m.

Historia poznawania mikroświata zjawisk fizycznych miała również bardzo dynamiczny przebieg. W roku 1865 Loschmidt ocenił rozmiary cząsteczek i atomów na około 10 ^-10 m. Wówczas struktura atomów i cząsteczek nie była jeszcze znana. W roku 1911 Rutherford wysunął na podstawie doświadczeń rozproszeniowych wniosek, że wewnątrz atomu istnieje jądro o średnicy rzędu 10 ^-14 m. W ostatnich latach uzyskano dane na temat rozmiarów nukleonów: ich promień wynosi około 10 ^-15 m. Wiadomo również, że nukleony mają pewną strukturę, ponieważ udało się zmierzyć w nich rozkład gęstości ładunku elektrycznego. Promienia elektronu nie udało się dotychczas zmierzyć, jest on jednak bardzo mały tak, że elektron można we wszystkich doświadczeniach traktować jako cząstkę punktową.

Rozpiętość rozmiarów w obserwowanym świecie jest równa 42 rzędom wielkości, a rozpiętość mas wynosi 81 rzędów wielkości. Skala czasowa przebiegu procesów fizycznych jest bardzo szeroka. Wiek Ziemi szacuje się na około 5 miliardów lat a wiec około 10 ¹⁷ s. Jest on przypuszczalnie o rząd wielkości mniejszy od wieku galaktyk i Wszechświata. W fizyce operuje się jeszcze większymi liczbami. Na przykład ocenia się, że okres połowicznego zaniku niektórych pierwiastków jest rzędu 10 ²⁴ s. Najkrótsze są zaś czasy życia odkrytych w ostatnim ćwierćwieczu cząstek elementarnych, mianowicie 10 ^-23 s. Celem porównania, średni czas życia człowieka jest równy 10 ⁹ s.

Materia na Ziemi występuje w trzech stanach skupienia : stałym, ciekłym i gazowym w warunkach normalnych, lub niewiele odbiegających od nich. W miarę poznania odkrywane i badane są jednak obiekty astronomiczne o coraz to różniących się własnościach w warunkach daleko odbiegających od normalnych, ziemskich. Z drugiej strony w laboratoriach tworzy się warunki coraz to bardziej odbiegające od normalnych i bada się własności materii przy bardzo wysokich i bardzo niskich ciśnieniach, temperaturach i gęstościach. Jeśli chodzi o kosmos to dopiero w roku 1930 ustalono doświadczalnie istnienie rozrzedzonej materii międzygwiazdowej, oraz potwierdzono istnienie supergęstych gwiazd neutronowych, w roku 1968. Na podstawie obserwacji rozmieszczenia galaktyk ustalono, że średnia gęstość materii galaktycznej we Wszechświecie jest równa około 10 ^{- 34} kg / cm ³ . W roku 1912 odkryto promieniowanie kosmiczne, które wypełnia całą Galaktykę. W roku 1965 Penzias i Wilson odkryli „przypadkowo” promieniowanie reliktowe, które wypełnia całą przestrzeń i jest ono pozostałością po Wielkim Wybuchu. Średnia gęstość energii fotonów tego promieniowania, równa około 1 eV na cm ³ , jest porównywalna z gęstością energii światła gwiazd, docierającego do Ziemi z kosmosu. Wiadomo również od niedawna, że cały Wszechświat jest wypełniony neutrinami emitowanymi nieustannie przez gwiazdy. Znanych jest już ponad sto pierwiastków chemicznych, z których kilkanaście, zwanych pierwiastkami transuranowymi zostało wytworzonych w laboratoriach, gdyż w przyrodzie, w stanie naturalnym nie występują. Znanych jest ponad 1000 różnych jąder atomowych trwałych i nietrwałych. Atomy łącząc się tworzą cząsteczki związków chemicznych, których jest znanych już kilka milionów. Zastosowanie fizycznych metod badawczych pozwoliło w ostatnim czasie rozszyfrować strukturę wielkich i złożonych cząsteczek biologicznych DNA i RNA, które są nosicielami informacji genetycznych.

Podziw budzi bogactwo zjawisk fizycznych oraz to, ze już tyle z nich zostało poznane, zmierzone i wyjaśnione. Jednak nie wszystkie wielkości w świecie fizycznym znane są z jednakową dokładnością. Na przykład masa Ziemi znana jest z dokładnością 0,1% , masa elektronu z dokładnością 0,0005% . Jedną z najdokładniej wyznaczonych wielkości w fizyce jest częstość promieniowania elektromagnetycznego, które jest emitowane przez atom wodoru, przy przejściu między dwoma poziomami energetycznymi struktury nadsubtelnej. Wynosi ona : 1420,405751767 ± 0,000000001 MHz a więc jest znana z dokładnością do jednej dziesięciomiliardowej części procenta.

Rozwój teorii fizycznych jest nieodłącznie związany z rozumieniem sensu czasu i przestrzeni. Klasyczna fizyka newtonowska traktowała te wielkości jako absolutne czyli istniejące niezależnie od materii i stałe. Oddziaływania pomiędzy obiektami fizycznymi były przenoszone nieskończenie szybko. Nowoczesna teoria grawitacji łączy czas z przestrzenią w jedną czasoprzestrzeń, której własności są zależne od gęstości materii lub gęstości energii ponieważ masa jest jedną z form energii. Oddziaływania są przenoszone ze skończoną prędkością, co najwyżej równą prędkości światła w próżni.

Obecnie wydaje się, że unifikacja teorii grawitacji i teorii kwantowej wymaga kolejnej rewizji poglądów na czas i przestrzeń co jest związane z własnościami mikrocząstek oraz całego Wszechświata. Pogląd taki wynika z badań w ramach fizyki kwantowej, w której oddziaływania przenoszone są przez cząstki elementarne będące nośnikami tych oddziaływań.

Czym jest fizyka

Fizyka jest podstawową nauką przyrodniczą. Fizycy zajmują się ona badaniem najbardziej podstawowych i uniwersalnych własności materii i zjawisk w otaczającym nas świecie. Własności te wynikają z oddziaływań pomiędzy cząstkami elementarnymi a więc fizyka jest nauką badającą elementarne składniki materii i oddzialywania między nimi. Fizyka jest nauką ścisłą, gdyż posługuje się wielkościami fizycznymi, które można ujmować ilościowo. Wyniki badań fizycznych podawane są w postaci wielkości liczbowych i praw wyrażanych matematycznie.

Wielkościami fizycznymi nazywa się takie właściwości ciał lub zjawisk, które można porównać ilościowo z takimi samymi właściwościami innych ciał lub zjawisk. Na przykład powszechnie znanymi wielkościami fizycznymi są długość, kąt, czas, prędkość, przyśpieszenie, masa, siła, praca, ładunek elektryczny, natężenie prądu, pojemność elektryczna.

W fizyce wykonuje się pomiary wielkości fizycznych. Pomiar polega na porównaniu określonej wielkości fizycznej z wielkością fizyczną tego samego rodzaju, która jest ustalona jako jednostka tej wielkości. Dzięki temu wielkości fizyczne potrafimy wyrażać liczbowo.

Fizyka jest ściśle powiązana z innymi naukami przyrodniczymi. To samo zjawisko może być przedmiotem badań fizyki i na przykład chemii. Fizyk badając zjawisko elektrolizy wprowadza pewne wielkości fizyczne takie jak stopień dysocjacji, ruchliwość jonów, natężenie pola elektrycznego, przewodnictwo a następnie poszukuje ogólnych praw rządzących tym zjawiskiem. Natomiast chemik zainteresuje się przede wszystkim reakcjami chemicznymi zachodzącymi podczas elektrolizy. O ile dla fizyka będzie bez znaczenia czy badaną substancją jest chlorek sodu NaCl czy też siarczan miedzi CuSO₄ o tyle dla chemika nie będzie bez znaczenia z jaką substancją ma do czynienia. Dlatego można powiedzieć, że nie ma wyraźnej linii podziału między fizyką a chemią jeśli chodzi o przedmiot badań. Występują natomiast różnice jeśli chodzi o stosowane metody i cel badań. Fizyka korzysta z osiąganych przez inne nauki przyrodnicze wyników badań albo zajmuje się interpretacją tych wyników. Udostępnia też innym naukom swe metody badawcze a także wyniki badań. Na pograniczu między fizyką i innymi naukami przyrodniczymi (biologią, chemią, astronomią, geologią) powstało wiele odrębnych dziedzin takich jak biofizyka, astrofizyka, geofizyka, chemia fizyczna.

Wyniki badań fizycznych znajduja zawsze zastosowanie praktyczne dlatego mowi się, że „fizyka jest matką techniki”. Zastosowania praktyczne odkryć fizycznych są czasem dziełem fizyków a czasem dziełem inżynierów i techników. Fizyka doświadczalna zawdzięcza wiele technice ponieważ korzysta z coraz bardziej doskonałych i precyzyjnych przyrzadów.

Celem fizyki jest poznanie praw fizyki. Prawa fizyki są to zwiazki i korelacje między faktami i zjawiskami fizycznymi wyrażone w postaci wzorów matematycznych. Prawa fizyki mają na ogół prostą i zwięzłą postać. Na przykład słynny wzór Einsteina wyrażający związek między masą i energią E = m c ² . Z pomocą praw fizyki dokonana została systematyzacja ogromnego dorobku naukowego setek lat badań fizycznych. Nie znamy jeszcze wszystkich praw fizyki, natomiast te znane ulegają ciągłej weryfikacji i doskonaleniu ponieważ mają one charakter przybliżony.

Szczególne znaczenie wśród praw fizyki mają zasady zachowania. Jest ich kilkanaście. Stanowia one fundament wiedzy fizycznej. W oparciu o zasady zachowania, które związane są z własnościami symetrii obiektów fizycznych, wyrażane są podstawowe prawdy o świecie fizycznym.

Podstawową cechą praw fizycznych jest ich niezmienniczość i uniwersalizm. Na przykład doświadczenie wykonane w określonych warunkach w laboratorium da taki sam wynik, w tych samych warunkach, sto lat później - jest to wyraz niezmienniczości praw fizyki względem przesunięć w czasie. Podobnie wyniki doświadczeń wykonywanych w różnych laboratoriach, w tych samych warunkach, są identyczne - jest to wyraz niezmienniczości praw fizyki względem przesunięć w przestrzeni.

Prawa fizyki są identyczne dla wszystkich obserwatorów - jest to treść ogólnej zasady względności, podanej przez Einsteina w 1916 roku. Początkowo twierdzenie to dotyczyło tylko obserwatorów w inercjalnych układach odniesienia i było treścią szczególnej teorii względności - podanej przez Einsteina w 1905 roku. Potem zostało uogólnione przez Einsteina w 1916 roku w jego teorii grawitacji ( ogólnej teorii względności ).

1

---