A fizika (Görög φυσικός (füzikósz): természetes és φύσις (fűzisz): Természet) a legszélesebb értelemben vett természettudomány amelyből több ág vált ki a tudomány fejlődése során. A fizikusok az anyag tulajdonságait és kölcsönhatásait tanulmányozzák az elemi részecskék szintjétől a világegyetem egészéig. A fizikai jelenségeket matematikai modelleken keresztül igyekeznek kvantitatív módon megérteni.

A fizika szoros kapcsolatban áll a többi természettudománnyal, kiváltképpen a kémiával, a molekulák tudományával. A kémia a fizika sok területéből merít, különösképpen a kvantummechanikából, termodinamikából és elektromágnességből. A fizikusok és kémikusok között széles az egyetértés afelől, hogy a fizika törvényei írják le a legalapvetőbb szinten az összes kémiai kölcsönhatást.

Történetesen sok fizikus úgy tartja, hogy a fizika az egyetlen alapvető természettudomány. Érvelésük a következő: minden természettudomány - biológia, kémia, geológia stb. - az anyaggal foglalkozik; minden anyag atomokból áll; a fizika írja le az atomok dinamikáját és belső szerkezetét. Ennek a fizikacentrikus nézetnek a kiterjesztése mély filozófiai következményekhez vezethet. Például ha valaki elfogadja, hogy az emberi agy vezérli az emberi viselkedést, és ha elfogadja, hogy az agy atomokból áll, amiknek a viselkedését a fizika teljes mértékben leírja, akkor érthető módon megkérdőjelezheti, vajon az embernek van-e szabad akarata amivel irányíthatja tetteit. Mindenesetre a fizikának nem feladata filozófiai kérdések megválaszolása.

Az elméleti fizikusok célja, hogy a lehető legkevesebb törvénnyel írják le a világot, amik véges számú alapvető összetevő viselkedését szabják meg. Hogy a fizikai valóság redukálható-e ilyen módon, az nem világos; kiderülhet, hogy a világ végtelen fajtájú részecskéből áll, végtelen számú törvénynek engedelmeskedve, avagy éppen teljesen véletlenszerűen viselkedik időnként. Mindenesetre a fizikusok rendkívül eredményesek voltak idáig ebben a redukciós folyamatban a kísérleti fizikusoknak köszönhetően.

A fizikát (mint minden természettudományt) gyakran olyan kategóriákra osztják, mint elméleti fizika és kísérleti fizika avagy alapkutatás és alkalmazott fizika. Az elméleti fizikusok a természetre vonatkozó alapvető ismeretek után kutatnak, felhasználva a kísérleti fizikusok megfigyeléseit. A kísérleti fizikusok olyan kísérleteket végeznek, amivel eldönthetik, melyik elmélet a helyes. A kísérleti fizika gyakran felfedez olyan új jelenségeket, amiknek egyáltalán nincs elmélete, pl. az elektromágnességet, radioaktivitást stb. így fedezték fel. Az alapkutatás a természet alapvető szerkezetét kutatja, míg az alkalmazott kutatás a már meglévő tudást alkalmazza összetett rendszerekre, hogy a gyakorlati életben és a gazdaságban is alkalmazni lehessen azt. Mind az alapkutatásnak, mind az alkalmazott kutatásnak van elméleti és kísérleti aspektusa. Egy példaként megemlíthetjük az alkalmazott fizika egyik különösen termékeny területét, a szilárdtestfizikát, ami a kvantummechanika és az elektromágnesség alapvető törvényeit használja téridomot alkotó atomok viselkedésének vizsgálatára.

Meghatározó elméleti rendszerek

Megalapozott elméletek

Klasszikus mechanika · Termodinamika · Statisztikus mechanika · Elektromágnesség · Speciális relativitáselmélet · Általános relativitáselmélet · Kvantummechanika · Kvantumtérelmélet · Standard Modell · Hidrodinamika

Javasolt elméletek

A minden elmélete · Nagy egyesített elméletek · Szuperszimmetria · M-elmélet/Húrelmélet · Hurok kvantumgravitáció

Tapogatódzó elméletek

Hidegfúzió

Alapfogalmak

• Anyag · Antianyag · Elemi részecske · Bozon · Fermion

• Szimmetria · Mozgás · Megmaradási törvény · Tömeg · Energia · Impulzus · Impulzusmomentum · Spin

• Idő · Tér · Dimenzió · Téridő · Hosszúság · Sebesség · Erő · Forgatónyomaték

• Hullám · Hullámfüggvény · Harmonikus oszcillátor · Mágnesség · Elektromosság · Elektromágneses sugárzás · Hőmérséklet · Entrópia · Vákuumenergia · Zéróponti energia

• Fázisátmenet · Kritikus jelenségek · Szupravezetés · Szuperfolyékonyság · Kvantum fázisátmenet

• Spontán szimmetriasértés · Szuperszimmetria · Húrelmélet

Alapvető kölcsönhatások

Gravitáció · Elektromágneses · Gyenge · Erős

Elemi részecskék

Atom · Elektron · Gluon · Graviton · Neutron · Neutrínó · Kvark · Proton · Foton · W- és Z-bozonok · Fonon · Roton · Fermion · Bozon · Fotíno · Neutralínó · Higgs-bozon

Részdiszciplinák

Akusztika · Alacsony hőmérsékletek fizikája · Anyagtudomány · Atom- és molekulafizika · Asztrofizika · Felületek fizikája · Gyorsítók fizikája · Kondenzált anyagok fizikája · Kozmológia · Magfizika · Optika · Plazmafizika · Polimerek fizikája · Reaktorfizika · Részecskefizika · Statisztikus fizika · Szilárdtestfizika · Termodinamika

Kapcsolódó diszciplinák

Biofizika · Csillagászat · Geofizika · Fizikai kémia · Kozmológia · Matematikai fizika · Orvosi fizika

Módszerek

Tudományos módszer · Fizikai mennyiség · Mérés · Mérőeszköz · Dimenzióanalízis · Statisztikai módszerek · Skálázás

Fizikai táblázatok

fizikai mennyiség · SI mértékegységrendszer · SI prefixum

A fizika rövid története

Isaac Newton

Az emberek az ókorok óta próbalták megérteni az anyag viselkedését: miért esnek le az elengedett testek a földre, miért vannak a különféle anyagoknak különböző tulajdonságai, és így tovább. Ugyancsak misztikusak voltak számukra a Világegyetem jellemzői, mint például a Föld alakja, az égitestek, pl. a Nap és a Hold viselkedése. Sok, többségében helytelen elméletet állítottak fel. Nagy mértékben filozófiai terminusokban fektették őket, és soha nem ellenőrizték őket szisztematikus kísérletekkel. Voltak azonban kivételek és anakronizmusok, például Arkhimédész, a nagy görög gondolkodó a mechanika és a hidrosztika területén számos kvantitatív módon helyes következtetésre jutott.

A 17. század elején Galilei volt az úttörője a fizikai elméletek kísérletekkel való igazolásának, ami a tudományos módszer kulcsa. Galilei számos helyes képletet alkotott a dinamikában, különösképpen a tehetetlenség törvényében. 1687-ben Newton publikálta Principia Mathematica c. művét (Philosophiae Naturalis Principia Mathematica = A természetfilozófia matematikai alapjai), amiben két átfogó és sikeres fizikai elméletét részletezte: Newton mozgástörvényeit, amiből a klasszikus mechanika fejlődött ki és gravitációs törvényét, amely a gravitációt, az egyik alapvető kölcsönhatást írja le. Mindkét elmélet jól egyezett a kísérletekkel. A klasszikus mechanikát Lagrange, Hamilton és mások terjesztették ki kimerítően, új formalizmusokat és elveket fejlesztve ki. A gravitációs törvény ösztönözte az asztrofizikát, ami a csillagászati jelenségeket fizikai elvek segítségével írja le.

A 18. századtól kezdődően Boyle, Young és mások fejlesztették a termodinamikát. 1733-ban Bernoulli statisztikus érvekkel kombinálva a klasszikus mechanikát, hogy termodinamikai eredményeket kapjon, elindította a statisztikus fizika tudományát. 1798-ban Thompson demonstrálta a mechanikai munka hővé alakulását, 1847-ben pedig Joule felállította a mechanikai energiára és hőre együtt érvényes energiamegmaradás törvényét.

Az elektromosság és mágnesség tulajdonságait Ohm, Faraday és mások vizsgálták. 1855-ben Maxwell egyesítette a két jelenséget az elektromágnesség elméletében, amit a Maxwell-egyenletek írnak le. Az elmélet jóslata szerint a fény elektromágneses hullám.

1895-ben Röntgen felfedezte a röntgensugárzást, ami nagy frekvenciájú elektromágneses sugárzásnak bizonyult. A radioaktivitást Becquerel fedezte fel 1896-ban, majd Pierre Curie és Marie Curie tanulmányozták tovább. Ez indította el a magfizika fejlődését.

1897-ben Thomson felfedezte az elektront. 1904-ben ő javasolta az első modern atommodellt, az ún. mazsolás puding modellt. (Az atom létezését 1808-ban Dalton javasolta.)

1905-ben Albert Einstein megalkotta a speciális relativitáselméletet, ami a teret és időt az egységes téridőben egyesíti. A relativitáselmélet másféle formulákkal írja le a különböző vonatkoztatási rendszerek közötti transzformációt, mint a klasszikus mechanika, ami szükségessé tette a relativisztikus mechanika kifejlesztését a klasszikus mechanika helyett. Kis relatív sebességkülönbségek esetén a két elmélet jóslatai megegyeznek. 1915-ben Einstein kiterjesztette elméletét a gravitáció magyarázatára is, megalkotva az általános relativitáselméletet, ami helyettsíti Newton gravitációelméletét. Kis tömegek és energia esetén a két elmélet jóslatai megegyeznek.

1900-tól kezdve Planck, Einstein, Bohr és mások kvantumelméleteket fejlesztettek ki a kísérleti eredmények megmagyarázására diszkrét energiaszintek bevezetésével. 1925-ben Schrödinger és 1926-ban Heisenberg és Dirac megfogalmazták a kvantummechanikát, ami megmagyarázta a megelőző kvantumelméleteket. A kvantummechanikában a kísérletek kimenetele lényegüktől fogva valószínűségi, az elmélet ezen valószínűségek kiszámítását adja meg és sikeresen írja le az anyag viselkedését a kis távolságok skáláján.

Fénykép az első Solvay-konferencia résztvevőiről, 1911-ből. Ülnek (balról): Walther Nernst, Marcel Brillouin, Ernest Solvay, Hendrik Lorentz, Emil Warburg, Jean Baptiste Perrin, Wilhelm Wien, Marie Curie és Henri Poincaré. Állnak (balról): Robert Goldschmidt, Max Planck, Heinrich Rubens, Arnold Sommerfeld, Frederick Lindemann, Maurice de Broglie, Martin Knudsen, Friedrich Hasenöhrl, Georges Hostelet, Edouard Herzen, James Hopwood Jeans, Ernest Rutherford, Heike Kamerlingh Onnes, Albert Einstein és Paulangevin.

A kvantummechanika adja az elméleti eszközöket kondenzált anyagok fizikája kezébe, ami a szilárd testek és folyadékok viselkedését írja le, ideértve az olyan jelenségeket, mint a szupravezetés és a félvezetők. A kondenzált anyagok fizikájának úttörői között van Bloch, aki 1928-ban az elektronoknak kristálystruktúrákban való viselkedésének kvantummechanikai magyarázatát adta.

A második világháború idején mindkét fél a magfizikára fektette a hangsúlyt, hogy létrehozhassa az atombombát. A Heisenberg vezette német erőfeszítés nem járt sikerrel, de a szövetséges Manhattan-terv igen. Az Egyesült Államokban, a Chicagói Egyetemen Fermi csoportja 1942-ben létrehozta az első nukleáris láncreakciót, és 1945-ben az első nukleáris bombát felrobbantották Alamogordo mellett, Új-Mexikóban.

A kvantumtérelméletet azért alkották meg, hogy a kvantummechanika összhangba kerüljön a speciális relativitáselmélettel. Modern formáját a késő 1940-es években nyerte el Feynman, Tomonaga, Schwinger és Dyson munkássága nyomán. Ők fogalmazták meg a kvantumelektrodinamikát, ami az elektromágneses kölcsönhatást írja le. A kvantumtérelmélet adja a modern részecskefizika kereteit, ami az elemi részecskéket és az alapvető kölcsönhatásokat kutatja. 1954-ben Yang és Mills fejlesztette ki a mértékelméletek alapjait, amik a standard modell vázát alkotják. A standard modell, amit az 1970-es években fejeztek be, sikeresen írja le szinte az összes eddig felfedezett elemi részecskét.

Az ENSZ 2005-öt a fizika világévének nyilvánította.

A fejlődés irányai

2003-ban a helyzet a következő.

A kondenzált anyagok fizikájában a legnagyobb megoldatlan probléma a magas hőmérsékletű szupravezetés. Nagy, főleg kísérleti erőfeszítéseket tesznek a működőképes spintronika és kvantumszámítógépek létrehozására.

A részecskefizikában a standard modellen túli fizika létezésére utaló első kísérleti bizonyítékok megjelenni látszanak. Mindenekelőtt annak jele, hogy a neutrínó nem nulla tömegű. Ezek a kísérleti eredmények megoldani látszanak a napfizika régi problémáját, a napneutrínó-problémát a neutrínó-oszcilláció útján. A tömeggel rendelkező neutrínók problémája jelenleg aktív elméleti és kísérleti kutatások tárgya. Az elkövetkező évek részecskegyorsítói a TeV-es energiaskálán fognak vizsgálódni, ahol a kísérleti fizikusok remélik, hogy bizonyítékot találnak a Higgs-bozon és a szuperszimmetrikus részecskék létezésére.

Fél évszázada terítéken van a kvantummechanika és az általános relativitáselmélet egyesítése. A jelenlegi legígéretesebb jelöltek az M-elmélet és a hurok kvantumgravitáció.

Sok csillagászati jelenséget meg kell még magyarázni, ilyen például az ultramagas energiájú kozmikus sugarak és a galaxisok anomális forgásperiódusának problémája. A megoldásul javasolt elméletek között található a duplán speciális relativitáselmélet, a módosított Newton-dinamika és a sötét anyag létezése. Továbbá az elmúlt évek kozmológiai feltételezései ellentmondanak a legutóbbi kísérleti bizonyítékoknak, miszerint a Világegyetem tágulása gyorsul.

Bővebb információért ld. a megoldatlan fizikai problémák szócikket.