Физика (грч. φύσις, phisis: природа) је основна природна наука која проучава основна или суштинска својства природних појава и тела. Физичари проучавају основна својства, структуру и кретање материје у простору и времену. Физичке теорије се најчешће изражавају као математичке релације. Најутемељеније појаве се називају физичким законима или законима физике, међутим, и они су као и све друге научне теорије, подложни променама. При томе, нови физички закони обично не искључују старе, него само ограничавају домен њиховог важења.

Физика је уско повезана са другим природним наукама, као и математиком (због математичког описивања природе), посебно хемијом, науком која се бави атомима-хемијским елементима и молекулима-хемијским једињењима. Хемија се у многоме базира на физици, поготово на квантној механици, термодинамици и електромагнетизму. Ипак, хемијске појаве су довољно различите и комплексне тако да је хемија засебна дисциплина.

Домен и циљеви

Физика се бави широким спектром феномена, од физике субатомских честица, до физике галаксија. У ово спадају најосновнији објекти од којих су сачињени сви остали објекти и зато се за физику понекад каже да је фундаментална наука.

Циљ физике је да опише различите феномене који се дешавају у природи путем простијих феномена. Стога је задатак физике да повеже ствари које се могу видети са њиховим узроцима, а затим да повеже ове узроке заједно како би се нашао ултимативни разлог зашто је приорда таква кава је. На пример, древни Кинези су прометили да се нека врста камења (магнетит) привлаче или одбијају међусобно дејством неке невидљиве силе. Овај ефекат је касније назван магнетизам и први пут је озбиљно проучаван у 17. веку. Мало раније него Кинези, Стари Грци су знали да други предмети, као што је ћилибар протрљан крзном, изазивају слично привлачење или одбијање. Ово је такође први пут озбиљно проучавано у 17. веку и названо је електрицитетом. Даља истраживања у 19. веку су показала да су ове две силе само два различита аспекта једне силе - електромагнетизма. Процес „уједињавања сила“ се наставља и данас.

Научни метод

Физика користи научни метод да провери исправност неке физичке теорије, користећи методичан приступ да упореди импликације те теорије са закључцима добијеним из спроведених експеримената и посматрања. Експерименти и посматрања се сакупљају и пореде са предвиђањима и хипотезама које тврди теорија и тако помажу у одређивању истинитости или неистинитости теорије.

Теорије које су добро покривене подацима и нису никада пале на неком емпиријском тесту се често називају научни закони или закони природе. Све теорије, укључујући оне које се називају законима природе, се могу увек заменити прецизнијим, уопштенијим дефиницијама ако се пронађе неко неслагање теорије са прикупљеним подацима. Неки принципи, попут Њутнових закона кретања се још увек називају законима, иако се данас зна за неке случајеве у којима они не важе.

Теорија и експеримент

Теоретичари теже да развију математички модел који се и слаже са постојећим експериментима и који може успешно да предвиди будуће резултате, док експерименталисти смишљају и изводе експерименте да би проверили теоријска предвиђања и истражили нове феномене. Иако се теорија и експерименти развијају посебно, они јако зависе један од другог. Напредак у физици често настаје када експерименталисти открију нешто ново што постојеће теорије не могу да открију, или када нове теорије изводе закључке које се могу провериту ескпериментално, што инспирише нове експерименте. У одсуству експеримента, теоријска истраживања могу да оду у погрешном правцу; постоје критике против М-теорије, популарне теорије у физици великих енергија, за коју ниједан практични експеримент није икада осмишљен. Физичари који раде на и на пољу теорије и на пољу експеримента се често називају феноменологичари.

Теоријска физика је блиско повезана са математиком, која обезбеђује језик физичких теорија, а велики делови математике, као што је математичка анализа, су специјално осмишљени да би се решили проблеми у физици. Теоретичари могу такође да се ослоне на нумеричку анализу и рачунарске симулације. Поља математичке физике и рачунарске физике су активна поља у истраживањима. Теоријска физика се у својој историји ослањала на филозофију и метафизику; на овај начин су спојене теорије електрицитета и магнетизма у електромагнетизам. Изван познатог универзума, поље теоријске физике се такође бави хипотетичким питањима као што су паралелни универзуми или више димензије. Физичари спекулишу о овим могућностима и из њих постављају теорије. Концепт онога шта се може сматрати хипотетичним се може променити током времена. На пример, неки физичари из 19. века су исмевали постојање атома. До краја Другог светског рата, атоми нису више били хипотетичка ствар.

Историја

Од давнина су људи покушавали да схвате понашање и особине материје; зашто објекти падају на земљу када изгубе ослонац, зашто различити материјали имају различите особине, и слично. Тајновита је била и природа свемира, као на пример облик Земље, понашање и кретање Сунца и Месеца. Мноштво теорија је покушавало да објасни те појаве, али већина од њих на погрешан начин, јер никада нису биле потврђене огледом. Ипак постојало је неколико изузетака, као на пример Архимед који је извео неколико значајних и тачних закона механике и хидростатике.

Током касног 16. века, Галилеј је увео огледе као начин проверавања физичких теорија и он је успешно формулисао и огледима потврдио неколико закона динамике, као што је закон инерције. 1687, Њутн је објавио Математичке принципе филозофије природе, (Principia Mathematica Philosophia Naturalis), његово чувено дело у којем су детаљно изложени Њутнови закони кретања, на којима почива класична механика; и Њутнов закон гравитације, који описује једну од четири основне силе у природи, гравитацију. Обе ове теорије су се слагале са извршеним огледима. Класичној механици су такође значајно допринели Лагранж, Хамилтон, и други, који су открили нове формулације, принципе и резултате. Закон гравитације је подстакао и развој астрофизике, који описује астрономске појаве физичким теоријама.

Од 18. века па надаље, термодинамика је доживела значајна открића која су имали Бојл, Јанг, и многи други. 1733, Бернули је користио статистичке методе са класичном механиком да би извео термодинамичке резултате, иницирајући тиме развој статистичке механике. 1798, Томпсон је демонстрирао претварање механичког рада у топлоту, а 1847 Џул је формулисао закон о одржању енергије, било у облику топлоте или механичке енергије.

Електрицитет и магнетизам су проучавали Фарадеј, Ом, и други. 1855, Максвел је ујединио ове две појаве у јединствену теорију електромагнетизма, и описао их је Максвеловим једначинама. Ова теорија је претпоставила да је светлост електромагнетни талас.

1895, Рентген (нем. Wilhelm Conrad Roentgen) је открио X-зраке, који представљају електромагнетно зрачење високе фреквенције. Радиоактивност је открио 1896 Хенри Бекерел, а даље су је проучавали Пјер Кири, Марија Кири и други. Ово је поставило темеље новом пољу нуклеарне физике.

1897, Томсон је открио електрон, једну од основних честица носиоца наелектрисања. 1904, предложио је први модел атома. (Постојање атома је познато још од 1808, када га је предвидео Далтон.

1905, Ајнштајн је уобличио теорију релативности (специјалну и општу), уједињавајући простор и време у јединствен ентитет и створио нову, релативистичку, теорију гравитације. Био је један од неколицине научника који су поставили темеље квантној физици.

1911, Радерфорд је из огледа са расејањем алфа честица на атомима злата извео постојање компактног атомског језгра, са позитивно наелектрисаним јединицама протонима. Неутрално наелектрисане честице, неутроне, је открио Чедвик, 1932.

Почетком 1900, Планк, Ајнштајн, Бор, и други су развили квантну теорију, да би објаснили аномалије у експерименталним резултатима, те су тада увели појам дискретних енергетских нивоа. 1925, Хајзенберг и Шредингер су формулисали квантну механику, која је објединила дотада стечена сазнања о квантном-микросвету и објаснила резултате многобројних експеримената. У квантној механици, исходи физичког мерења подлежу законима вероватноће; теорија је прописала начине и правила за израчунавање ових вероватноћа.

Квантна механика је такође развила теоретске алате за физику чврстог стања, која изучава физичка својства чврстих тела и физику флуида која проучава супстанције у течном стању, укључујући појаве као што су кристална структура, полупроводност и суперпроводност, као и суперфлуидност или течне кристале. Међу пионире ове области физике спада Блох, који је описао понашање електрона у кристалним структурама 1928.

Током Другог светског рата, све зараћене стране су истраживале нуклеарну физику, желећи да направе атомску бомбу. Немачки напори нису успели, али је савезнички Пројекат Менхетн остварио циљ. У Америци, тим предвођен Фермијем је остварио прву вештачки произведену нуклеарну ланчану реакцију 1942, а 1945 прва нуклеарна експлозија је изведена у Аламагорду, у Њу Мексику .

Квантна теорија поља је формулисана да би обезбедила конзистентност квантне механике и Специјалне теорије релативности. Свој модерни облик је достигла у касним 1940-тим радовима Фејнмана, Швингера, Томонаге и Дајсона. Они су формулисали теорију квантне електродинамике, која, квантним методама, описује електромагнетне интеракције.

Квантна теорија поља је обезбедила оквир за модерну теорију честица, која изучава основне силе природе и основне честице. 1954, Јанг и Милс су поставили темеље који су довели до стандардног модела, који је употпуњен 1970, и успешно описује све до сада познате честице.

Поделе физике