Значение слова «физика» от древнегреческого φυσική буквально означает «знание природы». По определению, которое дает Оксфордский словарь:
«Физика — это отрасль науки, занимающаяся природой и свойствами вещества и энергии».
Однако определение очень общее. Более того, для тех, кто с физикой мало знаком, это определение непонятно. А для тех, кто хорош знаком, оно неточно (но об этом мы поговорим попозже).
Позвольте мне попытаться объяснить понятие «физика» более простыми словами:
Физика — это попытка человека исследовать и объяснить самые фундаментальные законы природы. Физики пытаются создать математическую модель, которая описывает экспериментально наблюдаемое явление. Если данная модель адекватно описывает явление и позволяет сделать прогнозы, которые могут быть доказаны экспериментально, то мы называем это Физической Теорией или Физическим Законом. Эти законы позволяют нам (людям) адекватно описать природные явления.
Хотя физика и стремится к открытию универсальных законов, её теории имеют определённые границы «применения». Грубо говоря, законы классической физики точно описывают системы, чьи размеры больше атомного масштаба и чьи скорости движения намного медленнее скорости света. За пределами этой области наблюдения не соответствуют предсказаниям классической механики. Альберт Эйнштейн создал концепцию специальной теории относительности, которая заменила понятия абсолютного времени и пространства понятием «пространство-время» и позволила точно описать системы, элементы которых имеют скорости, приближающиеся к скорости света. Макс Планк, Эрвин Шредингер и другие представили квантовую механику — вероятностное понятие частиц и взаимодействий, которое позволило точно описать атомные и субатомные масштабы. Позднее квантовая теория поля объединила квантовую механику и специальную теорию относительности. Общая теория относительности Эйнштейна учитывала динамическое искривленное пространство-время, с помощью которого системы с очень большой массой (такие как крупномасштабная структура вселенной) могут быть хорошо описаны. Общая теория относительности еще не объединена с другими теориями фундаментальных взаимодействий (в последние десятилетия физики активно работают над созданием подобных теорий; более того используются разные подходы и методы — например, теория струн или теория петлевой квантовой гравитации).
The image is licensed under the terms of the GNU Free Documentation License
Физика охватывает широкий спектр явлений, от взаимодействия элементарных частиц (таких как кварки, нейтрино и электроны) до динамики самых больших скоплений галактик. Более того, эти явления описывают все основные элементы, из которых состоят все возможные объекты во Вселенной. Поэтому физику иногда называют «фундаментальной наукой». Физика стремится описать различные явления, возникающие в природе, посредством более простых явлений. Таким образом, физика стремится соединить наблюдаемые человеком вещи с основными причинами, а затем соединить эти причины вместе.
Основные разделы физики могут быть представлены следующей схемой:
Но неправильно было бы думать, что физика объясняет все. Есть много фундаментальных, все еще нерешенных проблем в физике. Некоторые из основных нерешенных проблем являются теоретическими, что означает, что существующие теории неспособны объяснить определенный наблюдаемый феномен или экспериментальный результат.
Несколько примеров [Johan Hansson, The 10 Biggest Unsolved Problems in Physics, International Journal of Modern Physics and Applications Vol. 1, No. 1, 2015, pp. 12-16]:
- Есть ряд нерешенных вопросов в Стандартной Модели Элементарных Частиц (теория, описывающая три из четырех фундаментальных сил природы: Электромагнитное взаимодействие, Слабые и Сильные ядерные взаимодействия), такие как:
- Происхождение масс элементарных частиц. Почему у элементарных частиц именно такие массы? Нет однозначного обьяснения — в сушествующей теории для обьяснения масс элементарных частиц приходится вводить много численных параметров, не связанных с фундаментальными физическими константами (а это показатель того, что теория не полная).
- Нарушения CP-инвариантности в теории сильных взаимодействий (между кварками) . То есть, в теории сильных взаимодействий, существует определённая симметрия, которая теоретически может нарушаться. Но экспериментально нарушение этой симметрии не наблюдается. И это показатель того, что теория не полная.
- Масса нейтрино. В соответствии с со стандартной моделью, у нейтрино не должно быть массы. Однако есть экспериментальные доказательства, что у нейтрино есть небольшая масса (осциляция нейтрино).
- Асимметрия вещества и антивещества. В стандартной модели нет никакого преимущества у материи перед антиматерией. Почему тогда практически все наблюдаемое вещество во вселенной существует в виде материи?
- Природа темной материи и темной энергии. Тёмная материя отвечает за динамику звёзд в галактиках и за за динамику сверх-больших масс, таких как скопления галактик. Тёмная энергия отвечет за динамику вселенной в целом — или она расширяется, или статична, или сужается. Однако их природа до сих пор неизвестна.
Последние два вопроса вызывают наибольший интерес, поскольку 74% всей энергии во вселенной — это темная энергия, и 21% всей энергии — это темная материя, физика до сих пор не понимает, что это такое, и только 4% — обычная материя, которую можно адекватно описать известными физическими теориями.
- Наличие стрелы времени: Почему время имеет направление (от прошлого к будущему)? Почему Вселенная имела такую низкую энтропию (энтропия — это мера беспорядка, маленькая энтропия — много порядка, большая энтропия — мало порядка) в прошлом, а время коррелирует с вселенским (но не локальным) увеличением энтропии из прошлого и будущего, согласно второму закону термодинамики? (То есть, читая научную статью, «порядка» в голове стало больше (энтропия уменьшилась). Но чтобы понять, что там написано, мозг выделил много энергии в виде тепла, нагревая воздух вокруг. То есть глобально (голова + весь окружающий мир), беспорядок (энтропия) увеличился- так как чем выше тмпература газа, тем больше беспорядка в расположении хаотично движущихся молекул. Почему нарушения СР-инвариантности (CP-симметрия — это симметрия в теории элементарных частиц, которая отвечает за идентичность всех законов относительно направления времени) наблюдается в определенных распадах слабых взаимодействий, но не в других местах? Являются ли нарушения СР-инвариантности как-то связаны со вторым законом термодинамики, или это отдельная стрела времени? Есть ли исключения из принципа «причинности» (причинно-следственная связь)? Есть ли единственное возможное прошлое? Является ли настоящий момент физически отличным от прошлого и будущего, или это только особенность восприятия нашего сознания? Что связывает квантовую стрелу времени (в элементарных частицах) с термодинамической стрелой времени (во вселенной в целом)?
- Несмотря на значительный прогресс в области физики высоких энергий, квантовой физики и астрофизики, многие повседневные явления, связанные с компексными системами, хаосом или турбулентностью, до сих пор плохо изучены. Сложные проблемы, которые, кажется, могут быть решены с помощью разумного применения динамики и механики, остаются нерешенными. Например, хаотическое поведение, свойственное турбулентным потокам — как во времени, так и в пространстве — все еще остается загадкой. А для сложных систем (таких как климат, землетрясения, сыпучие материалы (песок), стекла и т. д.) остается без ответа следующий вопрос: хотя все четыре известные фундаментальные взаимодействия (гравитация, электромагнетизм, сильное ядерное и слабое ядерное) относительно простые, практически невозможно на их основании детально предсказать поведение даже умеренно сложных систем. Является ли это реальным свойством природы или просто результатом того, что наши теории до сих пор формулировались неидеальными способами?
Но самое важное в физике — это дух. Дух любопытства, непредвзятости, творческого мышления и желания понять окружающий нас мир.
«Важно не перестать задавать вопросы. У любопытства есть своя причина существования. Нельзя не трепетать, созерцая тайны вечности, жизни, изумительной структуры реальности. Достаточно просто пытаться постичь немного этой тайны каждый день.
― Альберт Эйнштейн «Совет старика юноше:« Никогда не теряй любопытства ». Журнал LIFE (2 мая 1955 г.) с. 64”