Как устроена физика?

Физика – большая область, которая объединяет и черные дыры, и квантовую телепортацию, и гравитационные волны. Но если у вас нет углубленного знания предмета, то вряд ли вам легко уложить в голове, как все это сочетается между собой и с тем, что мы учили в школе. 

Чтобы во всем этом разобраться, Доминик Валлиман создал карту отраслей физики. Перевели ее для вас.

Если вам все еще не очень понятно, что к чему, то вы можете посмотреть ролик, в котором автор шаг за шагом разъясняет, как устроена физика, начиная с ее зарождения. 

А мы предлагаем его перевод.

«Физика – это широкая научная область, охватывающая разные аспекты нашей жизни. Начиная с галактик в глубинах космоса и заканчивая субатомными частицами. Если вы не разбираетесь в физике, сложно увидеть, как эти вещи связаны друг с другом. И это моя попытка показать все на карте физики.

Физика может быть разделена условно на три части: классическая физика, квантовая физика и теория относительности.

Начнем с классической физики. Лучше всего начать с Исаака Ньютона. Его законы механики описывают, как движутся материальные объекты. А его закон всемирного тяготения связывает движение планет в космосе с падением предметов на Земле в единую элегантную теорию. Также он ввел математический анализ, крайне важный раздел математики, который использовался на протяжении многих веков для новых исследований в физике. Конечно, матанализ – это часть математики. Но физика и математика неразделимы.

Математика – это язык физики. Ньютон также был успешен в области оптики, физике света. Она объясняет преломления в призмах и линзах, которые используются для фокусирования в микроскопах, телескопах и камерах. Телескопы позволили нам взглянуть в глубины космоса и наблюдать за массой различных объектов. Это позволило развить астрофизику и космологию. Оптика тесно связана с теорией волн, описывающей, как энергия проходит расстояния через возбуждение среды, как рябь на поверхности пруда или звук в воздухе. Свету не нужна среда, чтобы распространяться, он может перемещаться и вакууме космоса. Но он подчиняется всем принципам, которые релевантны для волн: отражение, преломление и дифракция.

Это подводит нас к электромагнетизму. Описанию магнитов, электричества, или, точнее, электрических и магнитных полей. Физик Джеймс Клерк Максвелл открыл, что они проявления одной и той же сущности. Он вывел элегантные законы электромагнетизма и теоретизировал, что свет – это электромагнитная волна. Электромагнетизм также объясняет все электричество.

Возвратимся немного назад. Классическая механика связана с законами Ньютона, охватывает свойства и движение твердых тел, и то, как они движутся под воздействием сил. Гидродинамика описывает движение жидкостей и газов. Используя гидродинамику можно вычислить подъемную силу крыла самолета и насколько аэродинамична ваша машина. Гидромеханика довольно сложна из-за того, что движение таких мелких частиц как молекулы усложняется очень быстро. Это нас подводит к теории хаоса.

Теория хаоса – это описание больших и сложных систем. И того, как малые изменения в начальных условиях могут привести к разнообразнейшим последствиям. Термодинамика – это описание энергетических процессов, как энергия перетекает из одного состояния в другое. Она также включает в себя энтропию. И рассказывает, насколько полезны различные типы энергии.

Энергия – фундаментальное понятие в физике, и вообще, стоило бы написать это слово повсюду в этой карте.

Итак, это вся классическая физика, картина мира, которая было до 1900-х годов. Она говорила о том, что вся Вселенная вокруг нас работает, как часы. И если бы мы могли измерить все с необходимой точностью, будущее было бы предопределено. Тем не менее, не все было решено и существовали пробелы в экспериментах, намекая на что-то большее. Меркурий двигался слишком быстро, странные вещи случались в малых масштабах с электронами и светом. Физики тех времен думали, что решат эти проблемы очень быстро, но оказалось, что за ними скрываются целые новые области физики.

Альберт Эйнштейн – гений, развивший теории специальной и общей относительности. Специальная теория относительности предсказывает, что скорость света постоянна для всех наблюдателей. Это означает, что если вы двигаетесь очень быстро, то вокруг начинают происходить странные вещи. Например, замедляется ход времени. Также Эйнштейн заявляет, что энергия и материя – это две стороны одной медали, выводя знаменитую формулу е=mc2.

Общая теория относительности говорит о том, что пространство и время – части одной ткани реальности пространства-времени. А гравитация – это результат искривления пространства-времени материальными телами, заставляющий остальные тела притягиваться к ним. В то время как теория относительности описывает "очень большие" явления, другие физики занимались описанием "очень маленьких" – в мире квантовой физики.

Атомная теория исследовала природу атома и давала ему все более детальное описание. Физика конденсированного состояния описывает квантовую физику многочисленных атомов в твердых телах и жидкостях. Многие замечательные технологии появились отсюда: компьютеры, лазеры, квантовая информатика.

Ядерная физика описывает поведение атомного ядра, радиацию, распад ядер. Расщепление атомов, используемое на атомных электростанциях и слияние ядер, происходящее на Солнце.

Физика элементарных частиц проникает еще глубже в исследование субатомных частиц, из которых все и сделано. И описывается в Стандартной модели элементарных частиц.

Квантовая теория поля берет всю квантовую физику и соединяет ее со специальной теорией относительности. И это лучшее описание Вселенной, которое у нас есть. К сожалению, она не включает в себя гравитацию. И физики не знают, как соединить квантовую теорию поля и общую теорию относительности. Это приводит нас к пропасти незнания.

Однажды в будущем мы надеемся перейти эту пропасть и подойти к теории всего, называемой квантовой гравитацией. Уже были попытки это сделать, например, теория струн или петлевая квантовая гравитация. Есть и другие теории. Но квантовая гравитация – это не единственная вещь, которую мы видим, но не можем понять. Существуют также загадки темной энергии и темной материи, из которой, кажется, состоит 95% Вселенной. То есть вся наша физика описывает только 5% всего сущего.

Облако тумана, витающего над всей физикой – это философия. Это серьезные вопросы, мотивирующие многих. Например, "какова фундаментальная природа реальности?" и "Почему зародилась Вселенная?". И, возможно, мы никогда не ответим на эти вопросы. Но это не причина сдаваться.

Источник: sciencealert.com

Источник перевода: futurist.ru