Fizică

Fenomenele naturale fac obiectul studiului fizicii.
În sensul acelor de ceasornic, din stânga sus:
1) Dispersia optică a luminii prin picăturile de apă produce un curcubeu, fenomen studiat de optică ;
2) O aplicație: laserul ;
3) Baloane cu aer cald care folosesc puterea lui Arhimede pentru a zbura;
4) Un vârf rotativ , un sistem care poate fi studiat în mecanica clasică ;
5) Efectul unei coliziuni inelastice ;
6) Orbitalii atomului de hidrogen, explicabili cu mecanica cuantică ;
7) Explozia unei bombe atomice ;
8) Fulgerul , un fenomen electric ;
9) Galaxii fotografiate cu telescopul spațial Hubble .

Fizică (termen care derivă din latina physica , „natură” care derivă la rândul său din grecescul τὰ (tà) φυσικά ( physiká ), „(lucrurile naturale), născut din φύσις ( phýsis ), ambele derivate din indo-comunul Origine europeană) este știința naturii în sensul cel mai larg.

Născut cu scopul de a studia fenomenele naturale, adică toate evenimentele care pot fi descrise, sau cuantificate sau măsurate , prin mărimi fizice adecvate, pentru a stabili principii și legi care reglementează interacțiunile dintre mărimile în sine și variațiile lor, prin intermediul matematicii abstracții, acest obiectiv este atins prin aplicarea riguroasă a metodei științifice , al cărei scop final este de a oferi o schemă simplificată sau un model al fenomenului descris ^[1] : setul de principii și legi fizice referitoare la o anumită clasă dintre fenomenele observate definesc o teorie fizică deductivă , coerentă și relativ auto-consistentă, construită de obicei pornind de la inducția experimentală.

Istorie

Același subiect în detaliu: Istoria fizicii .

Revoluția științifică

Istoria fizicii se întinde cu siguranță pe o perioadă lungă de timp, dar nu există un acord cu privire la data nașterii fizicii. Unii cercetători au susținut că începutul documentat al acestuia ar fi avut loc în civilizația Indus Valley. Alți istorici ai științei îl identifică pe filosoful Thales printre primii care resping explicațiile non-naturaliste și non-raționale ale naturii (mituri și cosmogonii cu fond religios) și, prin urmare, identifică domeniul de studiu al științelor naturii. El a fost, de asemenea, printre primii care au pus întrebarea, care prevalează și astăzi fizicienilor, despre care este substanța fundamentală sau principiul material care stă la baza universului.

Empedocle a introdus conceptele forțelor atractive și respingătoare care reglează schimbările și interacțiunile dintre elementele materiale substanțiale ale cosmosului. Filozofii Leucipp și Democrit au afirmat conceptul de atomism, care va fi preluat de fizica modernă. Parmenide , considerat acum un filosof, a scris poezia Despre natură ( Περὶ φύσεως , Perì phýseōs ) care urmărea să ofere o imagine rațională a ceea ce este într-adevăr lumea fizică și care este structura sa esențială. Filosoful științei Popper a identificat o afinitate între gândirea acestuia din urmă și teorizarea lui Einstein a unui univers geometric și continuu complet, ^{[ fără sursă ],} încât Popper l-a redenumit pe Einstein „Parmenide”. ^[2]

Cu toate acestea, fizica propriu-zisă s-a născut odată cu Revoluția Științifică din secolul al XVII-lea de Niccolò Copernico , Keplero , Tycho Brahe , Galileo Galilei și metoda sa științifică , Leibniz și Newton, care au adus contribuții la mecanica cerească și la principiile mecanicii clasice , oferind și instrumente matematice adaptate. la acest scop, cum ar fi bazele calculului . Prin urmare, fizica reprezintă prima disciplină științifică din istoria științei din care s-a născut chimia în secolul al XVIII-lea , biologia și științele pământului în secolul al XIX-lea etc. În secolele al XVIII-lea și al XIX-lea teorii precum termodinamica și electromagnetismul . Întotdeauna la nivel istoric, fizica este de obicei împărțită în fizică clasică, care include mecanica clasică , termodinamica și electromagnetismul până la sfârșitul secolului al XIX-lea și fizica modernă de la începutul secolului al XX-lea, pornind de la teoria relativității , mecanica cuantică și tot celelalte teorii fizice din a doua jumătate a secolului XX.

Descriere

Galileo Galilei

Isaac Newton

Cunoscută și sub numele de regina științelor ^[3] , inițial o ramură a filosofiei , fizica a fost numită filozofie naturală cel puțin până în secolul al XVIII-lea ^[4] . Abia după codificarea metodei științifice a lui Galileo Galilei , în ultimii trei sute de ani a evoluat și s-a dezvoltat atât de mult și a obținut rezultate atât de importante încât a câștigat autonomie și autoritate deplină. S-a distins de filozofie din motive evidente ale metodei de investigare.

Investigația fizică se desfășoară strict urmând metoda științifică , cunoscută și sub numele de metodă experimentală : observarea fenomenului este urmată de formularea ipotezelor interpretative, a căror validitate este testată prin experimente . Ipotezele constau în explicarea fenomenului prin asumarea principiilor fundamentale, într-un mod similar cu ceea ce se face în matematică cu axiome și postulate . Observarea produce legi empirice ca o consecință directă. Dacă experimentarea confirmă o ipoteză, relația care o descrie se numește lege fizică . Ciclul cognitiv continuă cu îmbunătățirea descrierii fenomenului cunoscut prin noi ipoteze și noi experimente.

Un set de legi poate fi unificat într-o teorie bazată pe principii care permit să explice cât mai multe fenomene posibil: acest proces ne permite, de asemenea, să prezicem noi fenomene care pot fi descoperite experimental. Legile și teoriile fizice, la fel ca toate legile științifice, fiind construite pornind de la procese cognitive inductive- experimentale, sunt în principiu întotdeauna provizorii, în sensul că sunt considerate adevărate până când sunt cumva infirmate , adică până la apariția unui fenomen pe care nu îl au prezice sau dacă predicțiile lor despre fenomene se dovedesc a fi greșite. În cele din urmă, fiecare teorie poate fi înlocuită de o nouă teorie care permite prezicerea noilor fenomene observate cu o mai mare acuratețe și posibil într-un context mai larg de validitate.

Piatra de temelie a fizicii sunt conceptele de mărime fizică și măsurare : mărimile fizice sunt ceea ce poate fi măsurat conform criteriilor convenite (o metodă de măsurare și o unitate de măsură sunt stabilite pentru fiecare cantitate). Măsurătorile sunt rezultatul experimentelor. Prin urmare, legile fizice sunt exprimate în general ca relații matematice între mărimi, verificate prin măsurători ^[5] . Prin urmare, fizicienii studiază în general comportamentul și interacțiunile materiei în spațiu și timp . Datorită acestor caracteristici, adică rigoarea precisă a studiului fenomenelor analizate, este considerată în unanimitate știința dură prin excelență între toate științele experimentale sau științele exacte datorită abordării sale care vizează nu numai înțelegerea calitativă, ci și cantitativă cu elaborarea legilor universale menționate anterior, cu caracter matematic, capabile să ofere o predicție asupra stării viitoare a unui fenomen sau a unui sistem fizic.

Metodă științifică

Același subiect în detaliu: Metoda științifică .

Schema metodei științifice

Planul înclinat al Galilei

Bertrand Russell , a criticat metoda de inducție

Karl Popper și falsificismul

Metoda științifică este modul în care știința continuă să ajungă la o cunoaștere obiectivă , fiabilă , verificabilă și partajabilă a realității. Se deosebește de metoda aristotelică, prezentă înainte de 1600, datorită prezenței experimentării. Acesta constă, pe de o parte, în colectarea de dovezi empirice și măsurabile prin observare și experiment; pe de altă parte, în formularea de ipoteze și teorii care urmează să fie supuse din nou examinării experimentului.

A fost aplicat și codificat de Galileo Galilei în prima jumătate a secolului al XVII-lea: anterior cercetarea naturii a constat în adoptarea unor teorii care explicau fenomenele naturale fără o verificare experimentală a teoriilor în sine considerate adevărate pe baza principiului autorității . Metoda experimentală modernă cere totuși ca teoriile fizice să se bazeze pe observarea fenomenelor naturale, să fie formulate ca relații matematice și să fie testate prin experimente:

«[...] stă întotdeauna pe concluzii naturale, atent la mișcările cerești, tratate cu demonstrații astronomice și geometrice, întemeiate mai întâi pe experiențe sensibile și observații foarte exacte. [...]. Având în vedere, așadar, acest lucru, mi se pare că în disputele legate de problemele naturale nu ar trebui să înceapă cu autoritățile locurilor din Scripturi, ci cu experiențe sensibile și demonstrațiile necesare "

( Galileo Galilei , Scrisoare către doamna Christina de Lorena, Marea Ducesă a Toscanei )

Calea urmată pentru a ajunge la elaborarea unei legi științifice (și în special a unei legi fizice) pornind de la observarea unui fenomen este împărțită în următoarele etape, repetate ciclic: ^[6]

Observarea unui fenomen fizic . Un fenomen fizic este orice eveniment în care sunt implicate cantități fizice , adică proprietățile unui corp care sunt măsurabile ^[7] .
Elaborarea unei ipoteze explicative și formularea unei prognoze de verificat care urmează ipoteza elaborată . Ipoteza este formulată de obicei prin simplificarea situației reale pentru a identifica relațiile dintre mărimile care sunt ușor de verificat, de obicei indicate prin expresia condiții ideale (un exemplu, în cazul experimentului plan înclinat este presupunerea că fricțiunea forței este neglijabil).
Efectuarea unui experiment . Experimentul constă în repetarea în condiții controlate a observațiilor unui fenomen fizic și în executarea măsurătorilor cantităților implicate în fenomenul în sine.
Analiza și interpretarea rezultatelor (confirmarea sau negarea ipotezei inițiale).

Având în vedere că condițiile în care are loc experimentul nu sunt niciodată ideale, contrar a ceea ce se presupune prin ipoteze, este adesea necesar să se efectueze un număr mare de măsurători și să se analizeze rezultatele cu metode statistice . Dacă ipoteza este confirmată, relația pe care o descrie devine o lege fizică, care poate fi dezvoltată în continuare prin:

Elaborarea unui model matematic
Unificarea legilor similare într-o teorie a validității generale
Prognoza noilor fenomene naturale

Fiecare observare a unui fenomen constituie un caz în sine, un exemplu particular al fenomenului observat. Repetarea observațiilor înseamnă multiplicarea cazurilor și colectarea altor fapte, adică alte „măsuri” ^[8] . Diferitele instanțe vor fi cu siguranță diferite între ele în detaliu (de exemplu datorită erorilor experimentale), chiar dacă în liniile lor generale indică faptul că fenomenul, toate celelalte lucruri fiind egale ^[9] , tinde întotdeauna să se repete la fel cale. Pentru a obține un rezultat de natură generală, este necesar să tundem diferitele instanțe ale particularităților lor și să păstrăm doar ceea ce este relevant și comun pentru fiecare dintre ele, până la atingerea așa-numitului model fizic . Dacă ipoteza este negată, atunci este respinsă și este necesar să se formuleze o nouă ipoteză și să se reia calea anterioară.

Ciclul cognitiv propriu metodei științifice este de tip inductiv : o procedură care, pornind de la cazuri particulare individuale, încearcă să stabilească o lege universală. În prima jumătate a secolului al XX-lea, filosoful și logicianul englez Bertrand Russell și filosoful austriac Karl Popper au ridicat obiecții cu privire la metoda inducției. Inducția nu are consistență logică, deoarece o lege universală nu poate fi formulată pe baza cazurilor individuale; de exemplu, observarea uneia sau mai multor lebede de culoare albă nu ne autorizează să spunem că toate lebedele sunt albe; există lebede negre. Popper a observat că în știință nu este suficient să „observăm”: trebuie să știm și ce să observăm. Observația nu este niciodată neutră, dar este întotdeauna îmbibată de acea teorie pe care, de fapt, s-ar dori să o testăm. Potrivit lui Popper, teoria precede întotdeauna observația: chiar și în orice presupusă abordare „empirică”, mintea umană tinde inconștient să-și suprapună propriile scheme mentale, cu propriile categorii, asupra realității observate. Prin urmare, metoda experimentală nu garantează că o lege fizică poate fi definitiv verificată, ci poate fi limitată doar la furnizarea de dovezi ale falsității unei ipoteze.

„Nicio cantitate de experimente nu va dovedi că am dreptate; un singur experiment poate dovedi că m-am înșelat ".

( Albert Einstein , scrisoare către Max Born din luna decembrie cu 4 anul 1926 )

Măsurare

Același subiect în detaliu: Metrologie .

Instrumente de măsurare

Măsurarea este procesul care vă permite să cunoașteți o calitate a unui obiect dat (de exemplu lungimea sau masa) dintr-un punct de vedere cantitativ, printr-o unitate de măsură , adică o cantitate standard care, luată de N ori, asociază o valoare unic pentru calitatea de măsurat. Ramura fizicii care se ocupă cu măsurarea mărimilor fizice se numește metrologie . Scopul său este de a defini unele mărimi fizice independente, numite fundamentale , din care este posibil să se derive toate celelalte (care se numesc derivate ), să definească metodele corecte de măsurare și să construiască probele unităților de măsură adoptate, astfel încât să au o valoare standard la care să se refere în orice moment.

Sistemul de unități universal acceptat de fizicieni este Sistemul Internațional (SI): se bazează pe șapte mărimi fundamentale, din care derivă toate celelalte, și anume: ^[10]

metrul (m), pentru lungime ;
a doua , pentru intervale de timp ;
kilogramul (kg), pentru masă ;
amperul (A), pentru intensitatea curentului ;
kelvinul (K), pentru temperatură ;
alunița (mol), pentru cantitatea de substanță ;
lumânarea (cd), pentru intensitatea luminoasă .

Acest sistem de măsurare derivă direct din sistemul MKS , care are ca măsură fundamentală doar contorul, al doilea și kilogramul și a fost înlocuit cu sistemul actual, deoarece fenomenele termodinamice, electromagnetice și fotometrice nu sunt luate în considerare.

Alte sisteme utilizate în trecut au fost sistemul CGS , în care unitățile de bază sunt centimetrul , gramul și al doilea, și sistemul imperial britanic (sau anglo-saxon). În plus, sistemul obișnuit al SUA , derivat din sistemul imperial britanic, este utilizat în prezent în SUA .

Erori experimentale

Reprezentarea apariției erorilor sistematice și a erorilor aleatorii (aleatorii).

Distributie normala

Unități de măsură antice

În orice procedură de măsurare a unei mărimi fizice , măsurarea este însoțită inevitabil de o incertitudine sau eroare asupra valorii măsurate. O caracteristică fundamentală a erorilor care influențează măsurătorile mărimilor fizice este că nu poate fi eliminată , adică o măsurare poate fi repetată de multe ori sau efectuată cu proceduri sau instrumente mai bune, dar în orice caz eroarea va fi întotdeauna prezentă. Incertitudinea face parte din însăși natura proceselor de măsurare. De fapt, într-un experiment nu este niciodată posibilă eliminarea unui număr mare de fenomene fizice care pot provoca perturbări ale măsurării, schimbând condițiile în care are loc experimentul. Prin urmare, o măsură poate furniza doar o estimare a adevăratei valori a unei cantități implicate într-un fenomen fizic. Incertitudinile care influențează o măsură sunt de obicei împărțite în funcție de caracteristicile lor în:

incertitudini aleatorii . Când influența lor asupra măsurătorii este complet imprevizibilă și independentă de condițiile în care are loc măsurarea ^[11] . Aceste incertitudini influențează măsurarea în mod aleatoriu, adică uneori conduc la o supraestimare a valorii cantității măsurate, alteori la o subestimare. Măsurile afectate numai de erori aleatorii pot fi tratate cu metode statistice deoarece sunt distribuite în jurul valorii adevărate în funcție de distribuția Gaussiană (sau distribuția normală).
incertitudini sistematice . Incertitudinile sistematice influențează întotdeauna o măsurare în același sens, adică conduc întotdeauna la o supraestimare sau subestimare a adevăratei valori. Sursele comune de erori sistematice pot fi: erori în calibrarea unui instrument sau erori în procedura de măsurare ^[12] . Contrar erorilor aleatorii, incertitudinile sistematice pot fi eliminate chiar dacă identificarea lor este dificilă, de fapt este posibil să se observe efectul incertitudinilor sistematice doar cunoscând a priori valoarea reală a cantității care trebuie măsurată sau comparând rezultatele măsurătorilor desfășurate cu diferite instrumente și proceduri.

Imaginea din lateral arată efectul incertitudinilor asupra unei măsuri prin analogie cu jocul de săgeți: adevărata valoare a cantității este centrul țintei, fiecare lovitură (puncte albastre) reprezintă o măsură. Prin urmare, atunci când faceți o măsurare, trebuie să procedați la estimarea incertitudinii asociate cu aceasta sau, cu alte cuvinte, la estimarea erorii la măsurare. Prin urmare, fiecare măsurare trebuie să fie prezentată însoțită de propria incertitudine indicată de semnul ± și de unitatea relativă de măsură : $G=(l\pm \sigma )u.m.$ ${\ displaystyle G = (l \ pm \ sigma) um}$ $G = (l \ pm \ sigma) u.m.$ In care $G.$ ${\ displaystyle G}$ $G.$ este simbolul referitor la cantitatea măsurată, $L$ ${\ displaystyle l}$ $L$ este estimarea valorii măsurării, $\sigma$ ${\ displaystyle \ sigma}$ $\ sigma$ este incertitudinea e $tu . m .$ ${\ displaystyle um}$ $u.m.$ este unitatea de măsură ^[13] .

Când o măsurare se repetă de mai multe ori, este posibil să se evalueze incertitudinile aleatorii prin calcularea deviației standard a măsurătorilor (de obicei indicată cu litera greacă, $\sigma$ ${\ displaystyle \ sigma}$ $\ sigma$ ), estimarea valorii reale se obține prin calcularea mediei aritmetice a valorilor măsurate ^[14] . Dacă măsurătorile se repetă de câteva ori, rezoluția instrumentului este utilizată ca incertitudine. Incertitudinea trebuie să furnizeze o serie de valori în care, conform măsurii efectuate de experimentator, adevărata valoare a măsurii scade în funcție de un anumit nivel de încredere ^[15] ^[16] . Incertitudinea absolută poate fi utilizată pentru a cuantifica precizia măsurătorii, valoarea incertitudinii cu unitatea relativă de măsură se numește incertitudine absolută , incertitudinea relativă se calculează ca raport între incertitudinea absolută și valoarea reală a mărimii, estimată în general din valoarea medie a măsurătorilor efectuate. Incertitudinea relativă este un număr adimensional (adică fără o unitate de măsură). Incertitudinea relativă poate fi exprimată și ca procent. ^[17] ^[18]

Incertitudinile se propagă atunci când datele afectate de incertitudini sunt utilizate pentru a efectua calcule ulterioare (cum ar fi calcularea ariei unui tabel începând de la lungimea laturilor sale), conform unor reguli precise numite propagarea incertitudinilor . În cele din urmă, trebuie remarcat faptul că în fizica clasică erorile pot fi, în principiu, reduse întotdeauna la sensibilitatea tipică a instrumentului de măsurare, oricât de ideal sau teoretic este întotdeauna îmbunătățit, în timp ce în mecanica cuantică acest lucru nu este posibil datorită principiului incertitudinii de Heisenberg .

Spațiu și timp

Același subiect în detaliu: Spațiul (fizica) și Timpul (fizica) .

Sistem de coordonate carteziene în spațiu

Timpul și spațiul sunt cantități fundamentale de fizică, împreună cu masa , temperatura , cantitatea de substanță , intensitatea curentului și intensitatea luminii : toate cantitățile de fizică pot fi urmărite înapoi la aceasta din urmă. Unitatea de timp este a doua , care este definită ca durata a 9 192 631 770 perioade ale radiației corespunzătoare tranziției dintre două niveluri hiperfine, de la (F = 4, MF = 0) la (F = 3, MF = 0), a stării fundamentale a atomului de cesiu -133, în timp ce contorul este unitatea fundamentală a spațiului și este definit ca distanța parcursă de lumină în vid într-un interval de timp egal cu 1/299 792 458 de secundă.

Înainte de secolul al XX-lea, conceptele de spațiu și timp erau considerate absolute și independente: se credea că trecerea timpului și extensiile spațiale ale corpurilor erau independente de starea de mișcare a observatorului care le-a măsurat, sau mai bine zis de aleasă sistem de referință . După apariția teoriei relativității fizicienilor Einstein a trebuit să schimbe opinia: lungimile și intervalele de timp măsurate de doi observatori care se deplasează unul față de celălalt, pot fi mai mult sau mai puțin dilatați sau contractați, în timp ce există o „entitate, Minkowski intervalul , care este invariant și dacă este măsurat de ambii observatori dă același rezultat; această entitate este alcătuită din 3 coordonate spațiale plus o a patra, cea temporală, care fac ca acest obiect să aparțină unui spațiu 4-dimensional. Procedând astfel, spațiul și timpul nu mai sunt două mărimi fixe și independente, ci sunt corelate între ele și formează o bază nouă și nouă pe care să funcționeze, spațiu-timp .

Cu relativitatea generală , atunci, spațiul-timp este deformat de prezența obiectelor dotate cu masă sau energie (mai general, cu impuls-energie, vezi tensorul de energie al impulsului ).

Masa

Același subiect în detaliu: Masă (fizică) .

Masa de un kilogram

Masa este o cantitate fizică fundamentală. Are kilogramul ca unitate de măsură în sistemul internațional și este definit în mecanica newtoniană ca măsura inerției oferite de corpuri atunci când starea lor de mișcare se schimbă. În teoria gravitației universale a lui Newton joacă și rolul de încărcare a forței gravitaționale . Această dublă definiție a masei este unită în teoria relativității lui Einstein , prin principiul echivalenței și, de asemenea, este legată de „ energia unui corp folosind formula E = mc . Masa rămâne întotdeauna constantă spre deosebire de greutate. Exemplu: pe lună masa rămâne constantă, în timp ce greutatea devine o șesime.

Forța și câmpul

Același subiect în detaliu: Forța (fizica) și Câmpul (fizica) .

Reprezentarea liniilor de câmp ale câmpului magnetic al unui magnet .

În fizică, forța este definită ca rata de schimbare a impulsului în raport cu timpul. Dacă masa corpului este constantă, forța exercitată asupra unui corp este egală cu produsul masei în sine și cu accelerația corpului.

În formule:

{\vec {F}}={\frac {{\mbox{d}}(m{\vec {v}})}{{\mbox{d}}t}}=m{\vec {a}}

{\ displaystyle {\ vec {F}} = {\ frac {{\ mbox {d}} (m {\ vec {v}})} {{\ mbox {d}} t}} = m {\ vec { la}}}

{\ vec F} = {\ frac {{\ mbox {d}} (m {\ vec v})} {{\ mbox {d}} t}} = m {\ vec a}

Forța exprimă cantitativ interacțiunea a două corpuri. Interacțiunea dintre corpuri poate avea loc printr-o așa-numită „zonă de contact” (adesea comparabilă cu un punct) sau se poate manifesta la distanță, prin ceea ce se numește câmp de forță . Conceptul de câmp de forță poate fi clarificat dacă ne gândim la natura vectorială a forței: forța este de fapt descrisă din punct de vedere matematic de un vector , pentru care un câmp de forță este descris în matematică ca un câmp vectorial , adică câmpul de forțe indică punct cu punct direcția, direcția și modulul (sau intensitatea) forței care se exercită între două corpuri. Câmpul de forță poate fi vizualizat prin liniile sau câmpurile sale de câmp .

Câteva exemple de câmpuri de forță sunt: câmpul gravitațional , câmpul magnetic și câmpul electric .

Șablon

Același subiect în detaliu: Model (știință) și Model fizic .

Modelul atomic al lui Bohr

Modelul fizic este o versiune aproximativă a sistemului observat efectiv. Utilizarea sa nediscriminatorie prezintă unele riscuri, dar are avantajul unei generalități mai mari și, prin urmare, a aplicabilității la toate sistemele similare sistemului studiat. Construcția modelului fizic este cea mai puțin formalizată fază a procesului cognitiv, ceea ce duce la formularea de legi și teorii cantitative. Modelul fizic are funcția fundamentală de reducere a sistemului real și a evoluției acestuia, la un nivel abstract, dar care poate fi tradus în formă matematică, utilizând definiții ale mărimilor implicate și relații matematice care le leagă. Această traducere poate fi completată și prin utilizarea unui computer, cu așa-numitele programe de simulare , cu care sunt studiate cele mai disparate fenomene.

Il modello matematico , che ovviamente si colloca ad un livello di astrazione ancora superiore a quello del modello fisico, ovvero al massimo livello di astrazione nel processo conoscitivo, è costituito normalmente da equazioni differenziali che, quando non siano risolvibili in maniera esatta, devono essere semplificate opportunamente o risolte, più o meno approssimativamente, con metodi numerici (al calcolatore ). Si ottengono in questo modo delle relazioni analitiche o grafiche fra le grandezze in gioco, che costituiscono la descrizione dell'osservazione iniziale.

Tali relazioni, oltre a descrivere l'osservazione, possono condurre a nuove previsioni. In ogni caso esse sono il prodotto di un processo che comprende diverse approssimazioni:

nella costruzione del modello fisico
nelle relazioni utilizzate per costruire il modello matematico
nella soluzione del modello matematico.

La soluzione del modello matematico va quindi interpretata tenendo conto delle varie approssimazioni che sono state introdotte nello studio del fenomeno reale, per vedere con quale approssimazione riesce a rendere conto dei risultati dell'osservazione iniziale e se le eventuali previsioni si verificano effettivamente e con quale precisione. Questo può venire confermato solo dall'esperienza, creando una sorta di schema in retroazione , che è il ciclo conoscitivo .

Principali fenomeni fisici e teorie fisiche

Onda superficiale

Esempio di Sistema termodinamico

La fisica si compone di più branche che sono specializzate nello studio di diversi fenomeni oppure che sono caratterizzate dall'utilizzo estensivo delle stesse leggi di base. In base alla prima classificazione si possono distinguere quattro classi principali di fenomeni fisici:

i fenomeni corpuscolari che coinvolgono oggetti dotati di massa propria sia a livello macroscopico che microscopico ( meccanica classica e meccanica quantistica ) caratterizzandone la cinematica , la dinamica nello spazio-tempo a partire dalla cause che generano il moto ( forze ) e la loro energia meccanica .
i fenomeni ondulatori che coinvolgono i fenomeni di propagazione di energia sotto forma di onde sia a livello macroscopico che microscopico ( onde meccaniche , acustica , ottica , elettrodinamica , meccanica quantistica ).
i fenomeni termici che coinvolgono il trasferimento del calore da un corpo ad un altro ( calorimetria e termometria ) e la sua trasformazione in lavoro meccanico ( termodinamica ), comprese nella termologia .
i fenomeni elettrici e magnetici stazionari nel tempo che coinvolgono le cariche elettriche ( elettricità ) ei materiali magnetici .
la struttura della materia ovvero i costituenti elementari e non elementari della materia fisica e le interazioni fondamentali .

Ciascuna classe di fenomeni osservabili in natura è interpretabile in base a dei principi e delle leggi fisiche che insieme definiscono una teoria fisica deduttiva , coerente e relativamente autoconsistente. Benché ogni teoria fisica sia intrinsecamente falsificabile per la natura tipicamente induttiva del metodo di indagine scientifico, allo stato attuale esistono teorie fisiche più consolidate di altre seguendo il percorso storico di evoluzione della fisica stessa.

In base alla seconda classificazione si può invece distinguere tra fisica classica e fisica moderna , ^[19] poiché quest'ultima fa uso continuamente delle teorie relativistiche , della meccanica quantistica e delle teorie di campo , che non sono invece parte delle teorie cosiddette classiche.

Fisica classica

Lo stesso argomento in dettaglio: Fisica classica .

Illustrazioni di meccanica in un'enciclopedia del 1728.

La fisica classica studia tutti i fenomeni che possono essere spiegati senza ricorrere alla relatività generale e alla meccanica quantistica . Le teorie principali che la compongono sono la meccanica classica (in cui si ricomprende l' acustica ), la termodinamica , l' elettromagnetismo (in cui si ricomprende l' ottica ) e la teoria newtoniana della gravità . Sostanzialmente tutte le teorie che sono state prodotte prima dell'inizio del XX secolo fanno parte della fisica classica. Le leggi della fisica classica, nonostante non siano in grado di spiegare alcuni fenomeni, come la precessione del perielio di Mercurio , o l' effetto fotoelettrico , sono in grado di spiegare gran parte dei fenomeni che si possono osservare sulla Terra. Le teorie, invece, falliscono quando è necessario spingersi oltre i limiti di validità delle stesse, ovvero nelle scale atomiche e subatomiche, o in quello dei corpi molto veloci, per cui è necessario fare ricorso alle leggi della fisica moderna.

La fisica classica utilizza un numero relativamente ridotto di leggi fondamentali che a loro volta si basano su una serie di principi assunti alla base della teoria. Fra questi quelli più importanti sono i concetti di spazio assoluto e tempo assoluto che sono poi alla base della relatività galileiana . Molto importanti sono anche i principi di conservazione .

Fisica moderna

Lo stesso argomento in dettaglio: Fisica moderna .

Orbitale atomico

Se la fisica classica aveva di per sé esaurito brillantemente quasi del tutto lo studio dei fenomeni fisici macroscopici (in realtà, con la nascita della teoria del caos , si è scoperto che così non era), con il successivo passo, ovvero con la fisica moderna, lo studio fisico si incentra su tutti quei fenomeni che avvengono a scala atomica e subatomica o con velocità prossime a quelle della luce; le teorie principali che costituiscono questa nuova fisica sono la meccanica quantistica e la relatività generale . Più precisamente fanno parte di questa categoria tutte le teorie che sono state prodotte a partire dal XX secolo per cercare di spiegare alcuni fenomeni che le teorie classiche non riuscivano a dimostrare.

Queste nuove teorie rappresentarono una "spaccatura" netta nel disegno teorico tracciato dalla fisica classica precedente in quanto ne hanno completamente rivisto idee e concetti di fondo in cui l'uomo aveva sempre creduto fin dai tempi più antichi:

lo spazio e il tempo non sono più considerati assoluti, ma sono relativi al sistema di riferimento che si sceglie, e non sono separati, ma formano un'unica entità chiamata spazio-tempo .
la velocità della luce è la massima velocità possibile nell' universo .
il concetto di misura e osservabile fisico vengono completamente rivisti in quanto con il principio di indeterminazione di Heisenberg si stabilisce che esistono coppie di grandezze fisiche non misurabili simultaneamente con precisione arbitraria.
la stessa materia fisica dell'universo mostra inoltre una doppia natura, corpuscolare e ondulatoria, attraverso il noto dualismo onda-particella espresso nel principio di complementarità .

Ambiti di validità delle teorie principali della fisica.

Fisica sperimentale e fisica teorica

Lo stesso argomento in dettaglio: Fisica sperimentale e Fisica teorica .

Rappresentazione visiva di un Wormhole di Schwarzschild

Un'altra classificazione vuole la distinzione tra fisica sperimentale e fisica teorica in base alla suddivisione del processo di indagine scientifica rispettivamente nella fase dell'osservazione dei dati dell' esperimento e della loro successiva interpretazione ed elaborazione all'interno di teorie fisico-matematiche: stretto è dunque il loro legame di collaborazione. Entrambe queste distinzioni possono essere fatte all'interno sia della fisica classica che della fisica moderna. A metà strada fra le due si colloca la fisica computazionale , che permette di simulare gli esperimenti per mezzo del computer.

Fisica applicata

Lo stesso argomento in dettaglio: Fisica applicata .

Fisica applicata è un termine generico che indica la parte della fisica che si interessa di particolari utilizzi tecnologici. "Applicata" si distingue da "pura" attraverso una sottile combinazione di fattori quali le motivazioni e le modalità della ricerca e le relazioni tra tecnologia e scienza influenzate dal lavoro.

Branche della fisica

Fisica matematica

Lo stesso argomento in dettaglio: Fisica matematica .

Teoria del Caos

La fisica matematica è quella disciplina scientifica che si occupa delle applicazioni della matematica ai problemi della fisica e dello sviluppo di metodi matematici adatti alla formulazione di teorie fisiche e alle relative applicazioni. È una branca della fisica tipicamente teorica. In tempi recenti l'attività dei fisici-matematici si è concentrata principalmente sulle seguenti aree:

meccanica razionale o meccanica analitica nelle sue branche meccanica lagrangiana e meccanica hamiltoniana ;
meccanica statistica : in particolare la teoria delle transizioni di fase ;
meccanica quantistica ( operatore di Schrödinger ): con i collegamenti a quell'insieme di discipline che spesso vengono indicate come fisica dello stato solido ;
teoria dei sistemi dinamici non lineari: in particolare i sistemi caotici ei sistemi hamiltoniani completamente integrabili (e le perturbazioni di questi ultimi), anche infinito-dimensionali ( equazioni solitoniche );
teoria quantistica dei campi : con particolare riferimento alla costruzione di modelli;
teorie relativistiche del campo gravitazionale : incluse le applicazioni alla cosmologia ei tentativi di costruire una teoria quantistica della gravità .

L'evoluzione della fisica in questo senso va verso la cosiddetta teoria del tutto ovvero una teoria omnicomprensiva che spieghi la totalità dei fenomeni fisici osservati in termini delle interazioni fondamentali a loro volta unificate.

Fisica atomica

Lo stesso argomento in dettaglio: Fisica atomica .

Modello di un atomo

La fisica atomica è invece la branca della fisica che studia l'atomo nella sua interezza ovvero comprendendo nucleo ed elettroni. Si tratta di un campo della fisica studiato all'inizio del XX secolo con la fornitura dei vari modelli atomici fino al modello attuale ritenuto più verosimile ovvero con nucleo interno ed elettroni esterni di tipo orbitale . Si tratta di un campo assestato già nella prima metà del XX secolo.

Fisica della materia condensata

Lo stesso argomento in dettaglio: Fisica della materia condensata .

Condensato di Bose-Einstein

La più ampia branca della fisica della materia condensata (comunemente detta fisica della materia ) è la fisica dello stato solido e riguarda lo studio delle proprietà dei solidi , sia elettroniche , che meccaniche , ottiche e magnetiche .

Il grosso della ricerca teorica e sperimentale della fisica dello stato solido è focalizzato sui cristalli , sia a causa della loro caratteristica struttura atomica periodica, che ne facilita la modellizzazione matematica , che per il loro ampio utilizzo tecnologico. Con il termine stato solido in elettronica ci si riferisce in generale a tutti i dispositivi a semiconduttore . A differenza dei dispositivi elettromeccanici, quali ad esempio i relè , i dispositivi a stato solido non hanno parti meccaniche in movimento. Il termine è utilizzato anche per differenziare i dispositivi a semiconduttore dai primi dispositivi elettronici: le valvole ei diodi termoionici .

Il punto di partenza di gran parte della teoria nell'ambito della fisica dello stato solido è la formulazione di Schrödinger della meccanica quantistica non relativistica. La teoria si colloca generalmente all'interno dell' approssimazione di Born - Oppenheimer e dalla struttura periodica del reticolo cristallino si ricavano le condizioni periodiche di Born-von Karman e il Teorema di Bloch , che caratterizza la funzione d'onda nel cristallo. Le deviazioni dalla periodicità sono trattate ampiamente tramite approcci perturbativi o con altri metodi più innovativi, quali la rinormalizzazione degli stati elettronici. Appartiene alla fisica dello stato solido anche la fisica delle basse temperature la quale studia gli stati della materia a temperature prossime allo zero assoluto ei fenomeni ad essi connessi (ad es. condensato di Bose-Einstein , superconduttività ecc..).

Fisica nucleare e delle particelle

Lo stesso argomento in dettaglio: Fisica nucleare e Fisica delle particelle .

Reazione nucleare

La fisica nucleare è la branca della fisica che studia il nucleo atomico nei suoi costituenti protoni e neutroni e le loro interazioni. Si distingue dalla fisica atomica che invece studia l' atomo , sistema composto dal nucleo atomico e dagli elettroni . Si distingue a sua volta dalla fisica delle particelle o fisica subnucleare che invece ha come oggetto lo studio delle particelle più piccole del nucleo atomico. La fisica delle particelle o subnucleare è stata per molto tempo considerata una branca della fisica nucleare. Il termine fisica subnucleare sta cadendo in disuso poiché si riferiva allo studio di particelle interne al nucleo, mentre oggi la maggior parte delle particelle note non sono costituenti nucleari.

L' energia nucleare è la più comune applicazione della fisica nucleare , ma il campo di ricerca è anche alla base di molte altre importanti applicazioni, come in medicina ( medicina nucleare , risonanza magnetica nucleare ), in scienza dei materiali ( implantazioni ioniche ) o archeologia ( radiodatazione al carbonio ).

Modello standard

La fisica delle particelle è la branca della fisica che studia i costituenti fondamentali e le interazioni fondamentali della materia ; essa rappresenta la fisica dell' infinitamente piccolo . Talvolta viene anche usata l'espressione fisica delle alte energie , quando si vuole far riferimento allo studio delle interazioni tra particelle elementari che si verificano ad altissima energia e che permettono di creare particelle non presenti in natura in condizioni ordinarie, come avviene con gli acceleratori di particelle .

In senso stretto, il termine particella non è del tutto corretto. Gli oggetti studiati dalla Fisica delle particelle, obbediscono ai principi della meccanica quantistica . Come tali, mostrano una dualità onda-corpuscolo , in base alla quale manifestano comportamenti da particella sotto determinate condizioni sperimentali e comportamenti da onda in altri. Teoricamente, non sono descritte né come onde né come particelle, ma come vettori di stato in un'astrazione chiamata spazio di Hilbert .

Fisica dei sistemi complessi

Lo stesso argomento in dettaglio: Sistema complesso e Teoria della complessità .

Sistema complesso

È una branca relativamente recente della fisica moderna che studia appunto il comportamento fisico di sistemi complessi come ad esempio il sistema economico ( econofisica ) o il sistema climatico assunti come sistemi dinamici non lineari ea multicomponenti.

Fisica cibernetica

Lo stesso argomento in dettaglio: Cibernetica .

Questa branca della fisica (la fisica cibernetica ), nata nella seconda metà del XX secolo, si è sviluppata a tal punto che è ora ricompresa all'interno di varie discipline tecnico-applicative quali l' automatica , la meccatronica e l' informatica ( intelligenza artificiale ).

Fisica medica

Lo stesso argomento in dettaglio: Fisica medica .

La fisica medica o fisica sanitaria è un'attività che riguarda, in generale, tutti i settori della fisica applicata alla medicina e alla radioprotezione . Più in particolare, le strutture di fisica sanitaria ospedaliere si occupano, in prevalenza, dell'impiego delle radiazioni ionizzanti e non ionizzanti ( diagnostica per immagini , radioterapia , medicina nucleare , ...), ma anche di informatica , di modellistica , ecc.

Biofisica

Lo stesso argomento in dettaglio: Biofisica .

La biofisica consiste nello studio dei fenomeni biologici dal punto di vista fisico. Si occupa, ad esempio, della dinamica ( e della termodinamica) delle macromolecole organiche (come proteine o acidi nucleici ), o della fisica delle membrane cellulari . Uno dei principali problemi irrisolti della biofisica è, ad esempio, la comprensione del ripiegamento delle proteine .

Astrofisica

Lo stesso argomento in dettaglio: Astrofisica .

Illustrazione dell'esperimento sulla relatività generale effettuato con l'ausilio della sonda Cassini.

L' astrofisica è una scienza che applica la teoria ei metodi delle altre branche della fisica per studiare gli oggetti di cui è composto l' universo , quali ad esempio le stelle , i pianeti , le galassie ei buchi neri . L'astrofisica si differenzia dall' astronomia in quanto l'astronomia si pone come obiettivo la comprensione dei movimenti degli oggetti celesti , mentre l'astrofisica tenta di spiegare l'origine, l'evoluzione e il comportamento degli oggetti celesti stessi, rappresentando quindi la fisica dell' infinitamente grande . Un'altra disciplina con cui l'astrofisica è intimamente correlata è la cosmologia , che ha come oggetto di studio l' origine dell'universo . I telescopi spaziali (tra cui va ricordato il telescopio spaziale Hubble ) sono strumenti indispensabili alle indagini dell'astrofisica: grazie ad essi gli astrofisici hanno trovato conferma di molte teorie sull'universo.

Geofisica

Lo stesso argomento in dettaglio: Geofisica .

Geomagnetismo

La geofisica (anche detta fisica terrestre ) è in generale l'applicazione di misure e metodi fisici allo studio delle proprietà e fenomeni fisici tipici del pianeta Terra .

La geofisica è una scienza di tipo preminentemente sperimentale, che condivide il campo di applicazione sia con la fisica che con la geologia e comprende al suo interno diverse branche, quali ad esempio:

fisica della terra fluida (o geofluidodinamica).
geomagnetismo
sismologia

La geofisica applicata studia la parte solida più superficiale della Terra e rivolge il suo campo di ricerche all'individuazione di strutture idonee per l'accumulo di idrocarburi , nonché alla risoluzione di problemi nel campo dell' ingegneria civile , ingegneria idraulica , ingegneria mineraria e per l'individuazione di fonti di energia geotermica . Le prospezioni geofisiche (prospezioni sismiche, elettriche, elettromagnetiche, radiometriche, gravimetriche) rappresentano alcuni metodi fisici utilizzati nel campo dell'esplorazione geologica.

Rapporti con le altre discipline

I principi fisici sono alla base di numerose discipline tecnico-scientifiche sia teoriche sia più vicine al campo applicativo ( tecnica ). Allo stesso tempo la fisica si avvale degli strumenti tecnici e matematici messi a disposizione da queste discipline per aiutarsi nel suo continuo processo di indagine scientifica dei fenomeni dell'universo.

Matematica

Lo stesso argomento in dettaglio: Modelli matematici in fisica .

Ipersfera

Geometria differenziale

Toro

Nel testo Il Saggiatore del 1623 , Galileo Galilei afferma:

«La filosofia ^[20] è scritta in questo grandissimo libro che continuamente ci sta aperto innanzi a gli occhi (io dico l'universo), ma non si può intendere se prima non s'impara a intender la lingua, e conoscer i caratteri, né quali è scritto. Egli è scritto in lingua matematica, ei caratteri son triangoli, cerchi, ed altre figure geometriche, senza i quali mezzi è impossibile a intenderne umanamente parola; senza questi è un aggirarsi vanamente per un oscuro laberinto.»

( Galileo Galilei , Il Saggiatore )

In generale, gli elementi che caratterizzano il modello matematico di un sistema fisico sono due: lo spazio degli stati e la dinamica. Il primo è un insieme che contiene tutti i possibili stati in cui il sistema si può trovare, dove per stato si intende una collezione di grandezze fisiche che, se conosciute in un certo istante, sono sufficienti per predire come evolverà il sistema, cioè quali stati saranno occupati negli istanti futuri; ad esempio, per un sistema meccanico di n particelle libere di muoversi nello spazio, uno stato è un insieme di 6 n numeri reali , 3 n per le posizioni (3 coordinate per ogni particella), ei restanti 3 n per le velocità (3 componenti per ogni particella). Lo spazio degli stati può essere molto complicato, sia geometricamente (ad esempio nella meccanica dei sistemi vincolati e nella teoria della relatività generale , dove in genere è una varietà differenziale , ie uno spazio "curvo") che analiticamente (ad esempio in meccanica quantistica , dove è uno spazio di Hilbert proiettivizzato ). La dinamica, invece, è la legge che, dato uno stato iniziale, descrive l'evoluzione del sistema. Solitamente, è data in forma differenziale, cioè collega lo stato in un certo istante a quello in un istante successivo "infinitamente vicino" nel tempo.

Le più grandi rivoluzioni della fisica moderna (la teoria della relatività generale , la meccanica quantistica e la teoria quantistica dei campi ) si possono ricondurre all'inadeguatezza della fisica classica a descrivere i nuovi fenomeni sperimentali riscontrati verso la fine dell'Ottocento e l'inizio del Novecento (l' esperimento di Michelson-Morley ei vari esperimenti in cui si presentano fenomeni quantistici, tra cui, l' esperimento della doppia fenditura , il corpo nero , l' effetto fotoelettrico e l' effetto Compton ). Le maggiori aree della matematica che forniscono strumenti utili allo studio sia della forma dello spazio degli stati che della dinamica sono:

topologia , topologia algebrica e differenziale : giocano un ruolo in quasi tutte le branche della fisica, dalla meccanica classica , alla teoria quantistica dei campi e le teorie delle stringhe ;
geometria differenziale : ha forti applicazioni nella modellazione dei sistemi meccanici classici , nella teoria della relatività generale e nelle moderne teorie delle stringhe ;
analisi funzionale : permette di formalizzare la meccanica quantistica , sta alla base dei tentativi di formalizzazione della teoria quantistica dei campi (assieme, recentemente, alla geometria non commutativa ), ed è il principale mezzo di studio delle equazioni differenziali alle derivate parziali che si incontrano un po' ovunque in fisica ( equazione di Hamilton-Jacobi , equazione di Poisson , equazione delle onde , equazione del calore e molte altre ancora);
algebra : la teoria dei gruppi entra in gran parte della fisica (ogni volta che ci sono delle simmetrie nel sistema in studio), ma gioca un ruolo particolarmente rilevante nella meccanica quantistica . Il prodotto tensoriale degli spazi tangenti e dei loro duali sono usati per definire dei particolari fibrati vettoriali che svolgono un ruolo importante in geometria differenziale e quindi in tutte le branche della fisica ad essa legate. Ci sono poi le algebre di Clifford e la teoria dei spinori , usate nello studio degli operatori ellittici e di Dirac e quindi nella teoria quantistica dei campi e nelle teorie delle stringhe ;
teoria della misura , teoria della probabilità e teoria ergodica : nella meccanica statistica .

Statistica

Lo stesso argomento in dettaglio: Statistica .

Regressione lineare

Gli strumenti della statistica sono utilizzati durante la fase di rilevamento dei dati a partire dal modello fisico e nella fase successiva di trattamento dei dati. Particolarmente utile nella prima fase di rilevamento dei dati è la metodica del campionamento statistico (in inglese sampling ) ^[21] , che consiste nel selezionare una particolare serie di dati all'interno dell'intervallo di condizioni studiate.

Una volta ottenuti i dati, viene effettuata la cosiddetta analisi di regressione , che permette di ottenere dall'insieme di dati più o meno sparsi (in quanto affetti da errori di varia natura) una relazione matematica precisa. Nel caso più semplice in cui la relazione matematica tra i dati venga rappresentata da una retta, si parla di regressione lineare . Molti concetti statistici sono poi presi a prestito dalla fisica statistica laddove non è possibile avere informazioni deterministiche sui sistemi o fenomeni a molti gradi di libertà e variabili.

Informatica

Lo stesso argomento in dettaglio: Informatica .

Simulazione della propagazione delle onde sonore in un ambiente marino.

I computer vengono utilizzati in più fasi del processo conoscitivo: durante la fase di osservazione possono essere utilizzati ad esempio per effettuare un campionamento delle misurazioni, ovvero il valore della grandezza da misurare viene letto ad intervalli determinati, in modo da avere più misure in un ristretto lasso di tempo. Il calcolatore può svolgere anche la funzione di strumento registratore : i dati relativi all'osservazione vengono ad essere archiviati per lo svolgimento di operazioni successive di valutazione e/o confronto con altri dati. L'intero sistema per la misurazione, il trattamento e la registrazione dei dati, costituito dal calcolatore e da strumentazioni specifiche ad esso interfacciate, viene denominato sistema di acquisizione dati (o DAQ).

Gli strumenti informatici possono quindi fungere da "strumento" durante le diverse fasi dell'esperienza, ma possono anche andare oltre, costituendo un vero e proprio sistema virtuale , che sostituisce e "imita" il sistema fisico reale; si parla in questo caso di simulazione del processo in esame. Il sistema simulato presenta il vantaggio rispetto al sistema reale di avere un controllo su tutti gli elementi di disturbo che influenzano il fenomeno studiato; d'altra parte è necessaria una precedente conoscenza del modello matematico associato al modello fisico per la creazione del modello simulato. La simulazione quindi affianca in primis l'osservazione diretta durante il processo conoscitivo, con lo scopo di convalidare il modello matematico ipotizzato, e una volta che la corrispondenza tra modello fisico e modello simulato è stata accertata, è possibile utilizzare la simulazione per effettuare delle stime in condizioni contemplate dal modello matematico, ma che sono differenti da quelle in cui è avvenuta la precedente osservazione diretta.

Chimica

Lo stesso argomento in dettaglio: Chimica .

Chimica

La fisica è strettamente connessa alla chimica (la scienza delle molecole ) con cui si è sviluppata di pari passo nel corso degli ultimi due secoli. La chimica prende molti concetti dalla fisica, soprattutto nei campi di termodinamica , elettromagnetismo , e meccanica quantistica . Tuttavia i fenomeni chimici sono talmente complessi e vari da costituire una branca del sapere distinta. Nella chimica, come nella fisica, esiste il concetto di forza come "interazione tra i corpi". Nel caso della chimica "i corpi" hanno dimensioni dell'ordine dell' Ångström , e sono appunto le molecole , gli atomi , gli ioni , i complessi attivati , e altre particelle di dimensioni ad essi confrontabili. Le forze di interazione tra questi corpi sono i legami chimici (legami intramolecolari) e altre forze di interazione più blande (ad esempio le forze di Van der Waals , il legame a idrogeno e le forze di London ).

Ingegneria

Lo stesso argomento in dettaglio: Ingegneria .

Costruzione della sonda Pioneer 10

È probabilmente la disciplina che più di ogni altra si avvale dei principi della fisica per sviluppare teorie proprie dedicate all'ideazione, progettazione, realizzazione e gestione di sistemi utili alle esigenze dell'uomo e della società: nel campo dell' ingegneria edile e dell' ingegneria civile strutture edili e opere civili (case, strade, ponti) sfruttano le conoscenze nel campo della statica e sulla resistenza meccanica dei materiali sottoposti a stress o sollecitazioni meccaniche e/o termiche; l' ingegneria meccanica e l' ingegneria motoristica sfruttano le conoscenze offerte dalla termodinamica per la progettazione e la realizzazione delle macchine termiche ; l' ingegneria energetica sfrutta le conoscenze fisiche per la realizzazione di sistemi di produzione e distribuzione dell' energia ( energia nucleare , energie rinnovabili , energia da combustibili fossili ); l' ingegneria dell'informazione sfrutta i segnali e le onde elettromagnetiche emesse dalle sorgenti per il trasporto dell' informazione a distanza.

Economia

Lo stesso argomento in dettaglio: Econofisica .

L'approccio metodologico utilizzato nel campo della fisica è applicato dall'inizio degli anni novanta anche a problematiche di tipo economico nell'ambito della disciplina denominata econofisica come tentativo di superamento dell'approccio classico economico di tipo semi-quantitativo.

Ad esempio vengono studiate le fluttuazioni dei mercati finanziari ei crash del mercato azionario a partire da modelli normalmente utilizzati per studiare fenomeni di tipo fisico quali: modelli di percolazione , modelli derivati dalla geometria frattale , modelli di arresto cardiaco, criticalità auto-organizzata e previsione dei terremoti, tipicamente modelli per sistemi complessi e caotici ovvero non-lineari.

Filosofia

Lo stesso argomento in dettaglio: Filosofia della fisica .

Prima dell'avvento del metodo scientifico , l'interpretazione dei fenomeni naturali era riservata alla filosofia, per cui per lungo tempo la fisica fu denominata "filosofia naturale". Tra i primi tentativi di descrivere la materia in ambito filosofico, si ricorda Talete . Successivamente Democrito tentò di descrivere la materia attraverso i concetti di vuoto e atomo ^[22] . Ad oggi la fisica mantiene stretti rapporti con la filosofia attraverso branche come l' epistemologia e la filosofia della scienza .

Contributi e sviluppi conoscitivi

Come in ogni altra disciplina scientifica i contributi scientifici alla nascita ed allo sviluppo di teorie fisiche avvengono attraverso pubblicazioni scientifiche su riviste scientifiche soggette ai ben noti e rigorosi processi di revisione paritaria .

Note

^ Paul Adrien Maurice Dirac , fisico inglese, disse: «[...] dovremmo ricordare che il principale obiettivo delle scienze fisiche non è la fornitura le di modelli, ma la formulazione di leggi che governano i fenomeni e l'applicazione di queste leggi per la scoperta di nuovi fenomeni. Se un modello esiste è molto meglio, ma il fatto che esista o meno è una questione di secondaria importanza» - PAM Dirac - The principles of quantum mechanics - 4ª ed. Oxford Clarendon Press 1958 - Cap. 1
^ KR Popper, Unended Quest: An Intellectual Autobiography , Routledge Classics, Routledge, 2002, pp. 148–150, ISBN 978-0-415-28589-6 , LCCN 2002067996 .
^ DISF - Dizionario Interdisciplinare di Scienza e Fede | Chimica
^ Ad esempio Newton intitolò un suo famoso scritto del 1687 " Philosophiae Naturalis Principia Mathematica ", "I principi matematici della filosofia naturale".
^ Per esempio, in elettrotecnica, la legge di Ohm afferma che le grandezze potenziale elettrico V, resistenza R e intensità di corrente I sono legate dalla relazione: V = RI. In un esperimento questo si traduce nel fatto che moltiplicando il valore misurato della corrente e della resistenza (tenendo conto delle unità di misura) si debba ottenere un valore compatibile con quello misurato per il potenziale
^ Turchetti , pp. 2-3 .
^ Questa definizione può comprendere una vasta gamma di eventi, che possono essere oggetto di studio di discipline diverse. Per esempio la formazione di una molecola può essere studiata, evidenziando aspetti diversi, dalla chimica o dalla fisica.
^ Non sempre è possibile riprodurre sperimentalmente le osservazioni naturali: ad esempio, in astronomia o meteorologia non è possibile riprodurre molti dei fenomeni osservati e allora si ricorre ad osservazioni e simulazioni numeriche. Un altro esempio è l' evoluzionismo di Charles Darwin , che per essere verificato direttamente richiederebbe tempi d'osservazione (milioni di anni) irriproducibili in laboratorio; in questi casi le verifiche sperimentali si basano sull'analisi genetica e dei fossili
^ È raro che le condizioni in cui avviene l'osservazione risultino perfettamente invariate; più comunemente si hanno piccole variazioni, trascurabili ai fini dell'esperimento o tanto piccole da potere essere considerate un semplice "disturbo".
^ Turchetti , p. 10 .
^ per esempio nella misura della massa volumica , o densità, di un liquido ( glicerina ) le fluttuazioni della temperatura della stanza in cui si svolge la misura influenzano il valore della densità. In generale, infatti, più alta è la temperatura è più basso è il valore della densità misurata.
^ Un esempio di errore sistematico è dato da un cronometro che ritarda in modo costante (ad esempio misura 4 s ogni 5 s, ritardando di 1 s), infatti le misure di tempo svolte con questo cronometro saranno sempre sottostimate rispetto al valore vero. Un altro esempio relativo alla lettura di strumenti analogici è dato dall' errore di parallasse .
^ Ad esempio, per presentare la misura della lunghezza del lato di un tavolo si può scrivere: $L=(0,24\pm 0,02)m$ $L=(0,24\pm 0,02)m$ $L=(0,24\pm 0,02)m$
^ La giustificazione matematica di questa procedura risiede nelteorema del limite centrale
^ Per esempio, utilizzando la deviazione standard per la valutazione delle incertezze casuali è possibile dimostrare che il valore vero della grandezza cade all'interno di intervallo medio centrato intorno al valore stimato e di ampiezza $1\sigma$ $1\sigma$ $1\sigma$ con un livello di confidenza (o confidence level , CL) del 68%.
^ Un altro esempio, se effettuiamo una misura col dinamometro e vediamo che la molla oscilla fra due divisioni della scala, è ragionevole scegliere come incertezza 2 divisioni.
^ Nell'esempio $L=(0,24\pm 0,02)m$ $L=(0,24\pm 0,02)m$ $L=(0,24\pm 0,02)m$ , l'incertezza assoluta è 0,02 m, l'incertezza relativa è 0,083 e l'incertezza percentuale è dell'8,3%.
^ Nelle rappresentazione delle misure attraverso dei grafici solitamente una misura corrisponde ad un punto e l'errore viene evidenziato con una barra ( barra di errore ) che rappresenta i valori che la variabile può assumere entro un certo intervallo di confidenza , che di solito corrisponde ad una deviazione standard
^ The Columbia Encyclopedia .
^ Galileo chiama la fisica con il suo antico nome, cioè "Filosofia della Natura".
^ Il campionamento statistico non va confuso con il campionamento dei segnali .
^ L'"atomo" veniva pensato nella grecia antica come il costituente più piccolo della materia, e il suo significato originario è molto diverso da quello odierno.

Bibliografia

Michelangelo Fazio, SI, MSKA, CGS & Co., dizionario e manuale delle unità di misura , Bologna, Zanichelli, 1995, ISBN 88-08-08962-2 .
Enrico Turchetti, Romana Fasi, Elementi di Fisica , 1ª ed., Zanichelli, 1998, ISBN 88-08-09755-2 .
( EN ) David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker, Fundamentals of Physics , 9ª ed., John Wiley and Sons, 2010, ISBN 0-470-46911-0 .
( EN ) The Columbia Encyclopedia - "physics" , New York, Columbia University Press, 2008.

Voci correlate

Persone

Premio Nobel per la fisica

Tabelle

Campi

Altre

Testi famosi

Altri progetti

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Collegamenti esterni

Fisica , su Treccani.it – Enciclopedie on line , Istituto dell'Enciclopedia Italiana .
( IT , DE , FR ) Fisica , su hls-dhs-dss.ch , Dizionario storico della Svizzera .
( EN ) Fisica , su Enciclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
( EN ) Fisica , su The Encyclopedia of Science Fiction .
( EN ) Opere riguardanti Fisica , su Open Library , Internet Archive .
sito della Società Italiana di Fisica , su sif.it . URL consultato il 12 ottobre 2009 (archiviato dall' url originale il 9 febbraio 2010) .
sito del Premio Nobel per la fisica , su nobelprize.org .
sito dell'American Physical Society , su aps.org .
sito dell'American Association of Physics Teachers , su aapt.org .
sito dell'American Institute of Physics , su aip.org .
sito dell'Institute of Physics , su iop.org .
Dal Brahaman alla Teoria delle Stringhe: la via orientale della fisica , su elapsus.it .

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[modello-1] Paul Adrien Maurice Dirac , fisico inglese, disse: «[...] dovremmo ricordare che il principale obiettivo delle scienze fisiche non è la fornitura le di modelli, ma la formulazione di leggi che governano i fenomeni e l'applicazione di queste leggi per la scoperta di nuovi fenomeni. Se un modello esiste è molto meglio, ma il fatto che esista o meno è una questione di secondaria importanza» - PAM Dirac - The principles of quantum mechanics - 4ª ed. Oxford Clarendon Press 1958 - Cap. 1

[Popper2002-2] KR Popper, Unended Quest: An Intellectual Autobiography , Routledge Classics, Routledge, 2002, pp. 148–150, ISBN 978-0-415-28589-6 , LCCN 2002067996 .

[3] DISF - Dizionario Interdisciplinare di Scienza e Fede | Chimica

[4] Ad esempio Newton intitolò un suo famoso scritto del 1687 " Philosophiae Naturalis Principia Mathematica ", "I principi matematici della filosofia naturale".

[5] Per esempio, in elettrotecnica, la legge di Ohm afferma che le grandezze potenziale elettrico V, resistenza R e intensità di corrente I sono legate dalla relazione: V = RI. In un esperimento questo si traduce nel fatto che moltiplicando il valore misurato della corrente e della resistenza (tenendo conto delle unità di misura) si debba ottenere un valore compatibile con quello misurato per il potenziale

[6] Turchetti , pp. 2-3 .

[7] Questa definizione può comprendere una vasta gamma di eventi, che possono essere oggetto di studio di discipline diverse. Per esempio la formazione di una molecola può essere studiata, evidenziando aspetti diversi, dalla chimica o dalla fisica.

[8] Non sempre è possibile riprodurre sperimentalmente le osservazioni naturali: ad esempio, in astronomia o meteorologia non è possibile riprodurre molti dei fenomeni osservati e allora si ricorre ad osservazioni e simulazioni numeriche. Un altro esempio è l' evoluzionismo di Charles Darwin , che per essere verificato direttamente richiederebbe tempi d'osservazione (milioni di anni) irriproducibili in laboratorio; in questi casi le verifiche sperimentali si basano sull'analisi genetica e dei fossili

[9] È raro che le condizioni in cui avviene l'osservazione risultino perfettamente invariate; più comunemente si hanno piccole variazioni, trascurabili ai fini dell'esperimento o tanto piccole da potere essere considerate un semplice "disturbo".

[10] Turchetti , p. 10 .

[11] r esempio nella misura della massa volumica , o densità, di un liquido ( glicerina ) le fluttuazioni della temperatura della stanza in cui si svolge la misura influenzano il valore della densità. In generale, infatti, più alta è la temperatura è più basso è il valore della densità misurata.

[12] Un esempio di errore sistematico è dato da un cronometro che ritarda in modo costante (ad esempio misura 4 s ogni 5 s, ritardando di 1 s), infatti le misure di tempo svolte con questo cronometro saranno sempre sottostimate rispetto al valore vero. Un altro esempio relativo alla lettura di strumenti analogici è dato dall' errore di parallasse .

[13] Ad esempio, per presentare la misura della lunghezza del lato di un tavolo si può scrivere: $L=(0,24\pm 0,02)m$ $L=(0,24\pm 0,02)m$ $L=(0,24\pm 0,02)m$

[14] La giustificazione matematica di questa procedura risiede nelteorema del limite centrale

[15] Per esempio, utilizzando la deviazione standard per la valutazione delle incertezze casuali è possibile dimostrare che il valore vero della grandezza cade all'interno di intervallo medio centrato intorno al valore stimato e di ampiezza $1\sigma$ $1\sigma$ $1\sigma$ con un livello di confidenza (o confidence level , CL) del 68%.

[16] Un altro esempio, se effettuiamo una misura col dinamometro e vediamo che la molla oscilla fra due divisioni della scala, è ragionevole scegliere come incertezza 2 divisioni.

[17] Nell'esempio $L=(0,24\pm 0,02)m$ $L=(0,24\pm 0,02)m$ $L=(0,24\pm 0,02)m$ , l'incertezza assoluta è 0,02 m, l'incertezza relativa è 0,083 e l'incertezza percentuale è dell'8,3%.

[18] Nelle rappresentazione delle misure attraverso dei grafici solitamente una misura corrisponde ad un punto e l'errore viene evidenziato con una barra ( barra di errore ) che rappresenta i valori che la variabile può assumere entro un certo intervallo di confidenza , che di solito corrisponde ad una deviazione standard

[19] The Columbia Encyclopedia .

[20] Galileo chiama la fisica con il suo antico nome, cioè "Filosofia della Natura".

[21] Il campionamento statistico non va confuso con il campionamento dei segnali .

[22] L'"atomo" veniva pensato nella grecia antica come il costituente più piccolo della materia, e il suo significato originario è molto diverso da quello odierno.

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