Физика: материя, энергия и законы взаимодействия

Классическая механика описывает движение тел законами движения и принципами сохранения. Ньютоновская, лагранжева и гамильтонова формулировки дают разные способы решать задачи.

Она применима, когда квантовые эффекты и релятивистские скорости несущественны для нужной точности.

Квантовая механика описывает системы через состояния, наблюдаемые величины и правила предсказания результатов измерений. Формализм позволяет рассчитывать вероятности исходов и не всегда задаёт классическую траекторию.

Теория объясняет свойства атомов, молекул и материалов. Волновая функция — один способ представить состояние; её интерпретация зависит от формализма и измерения.

Термодинамика описывает макроскопические состояния и ограничения на преобразование энергии и перенос тепла. Её законы связывают энергию, работу, тепло и энтропию.

Для анализа задают границы системы и возможный обмен с окружением. Тепловые машины и холодильные циклы — примеры применения.

Оптика изучает свет, его распространение и взаимодействие с веществом. Для разных задач используют лучевую, волновую и квантовую модели; отражение, преломление, интерференция и дифракция показывают, почему одной модели недостаточно.

Оптические приборы применяют эти принципы для формирования изображений и регистрации сигналов.

Теория электрических и магнитных явлений. Уравнения Максвелла (1865) объединили свет, электричество, магнетизм. Основа электротехники и радиосвязи.

Изучает элементарные частицы и фундаментальные взаимодействия. Стандартная модель, бозон Хиггса (открыт в 2012, ЦЕРН). Коллайдеры, тёмная материя.

Наука о звуке. Распространение волн, резонанс, ультразвук. Применяется в музыке, архитектуре, медицине (УЗИ), гидролокации (сонар).

Гипотетическая среда-носитель света (luminiferous aether, от лат. lumen = свет): господствовала в физике XVII-XIX веков для объяснения распространения света в вакууме (волны требуют среду, звук — воздух, свет — ?). Модели: эфир Декарта (вихри), эфир Юнга/Френеля (упругая среда для поперечных волн), эфир Максвелла (электромагнитные колебания). Свойства: должен быть невидимым, не оказывать сопротивления (планеты движутся без трения), но при этом жёстким (скорость света 300 000 км/с). Эксперимент Майкельсона-Морли (1887): измерение "эфирного ветра" (движение Земли через эфир должно менять скорость света в разных направлениях), результат — нулевой эффект (null result), опровержение эфира. Специальная теория относительности Эйнштейна (1905): свет распространяется без среды, постоянство скорости света в вакууме, эфир не нужен. Современность: "эфир" метафорически используется для квантового вакуума (виртуальные частицы), но не классическая среда

Теория относительности включает специальную теорию для описания пространства и времени без учёта гравитационной кривизны и общую теорию гравитации. Она связывает измерения с наблюдателем и геометрией пространства-времени; классическая механика сохраняется как приближение в подходящих условиях.

Статистическая физика применяет вероятностные методы к системам с большим числом взаимодействующих частей. Она связывает микросостояния с макроскопическими величинами и изучает равновесие и флуктуации.

Статистические ансамбли описывают состояния при заданных условиях; выбор зависит от фиксированных параметров и взаимодействия с окружением.

Физика конденсированного состояния исследует свойства вещества, возникающие при взаимодействии большого числа составляющих частиц. Она охватывает твёрдые тела, жидкости и другие конденсированные среды, включая электронные, магнитные и структурные явления.

Физика плазмы изучает ионизованное вещество, в котором существенны коллективные процессы и взаимодействие заряженных частиц с электромагнитными полями. Плазма встречается в космосе и лабораторных установках; степень ионизации и условия её существования могут различаться.

Динамика жидкостей и газов изучает движение текучей среды и силы, меняющие её состояние. В сплошной модели поля скорости, плотности и давления связывают законами сохранения массы, импульса и энергии.

Она охватывает упорядоченные ламинарные и сложные турбулентные течения. Применения связаны с погодой, океаном и инженерией, но предметом остаются модели движения текучих сред.

Ядерная физика исследует атомные ядра: их состав, структуру, устойчивость и реакции. Эксперименты с ускоренными пучками и редкими изотопами проверяют модели ядерного взаимодействия и происхождения элементов.

Она связана с физикой частиц, но сосредоточена на ядре как связанной системе нуклонов. Ядерная энергетика использует часть этих знаний, однако относится к отдельной инженерной системе.