Ramos da física - Branches of physics

Domínios dos principais campos da física

A física é uma disciplina científica que visa construir e testar experimentalmente teorias do universo físico. Essas teorias variam em seu escopo e podem ser organizadas em vários ramos distintos, que são descritos neste artigo.

Mecânica clássica

A mecânica clássica é um modelo da física das forças agindo sobre os corpos; inclui subcampos para descrever o comportamento de sólidos , gases e fluidos . É muitas vezes referida como "mecânica newtoniana" em homenagem a Isaac Newton e suas leis do movimento . Também inclui a abordagem clássica fornecida pelos métodos Hamiltoniano e de Lagrange . Trata do movimento das partículas e do sistema geral das partículas.

Existem muitos ramos da mecânica clássica, tais como: estática , dinâmica , cinemática , mecânica contínua (que inclui a mecânica dos fluidos ), mecânica estatística , etc.

  • Mecânica: Um ramo da física em que estudamos o objeto e as propriedades de um objeto na forma de um movimento sob a ação da força.

Termodinâmica e mecânica estatística

O primeiro capítulo de The Feynman Lectures on Physics é sobre a existência de átomos , que Feynman considerou ser a declaração mais compacta da física, da qual a ciência poderia facilmente resultar, mesmo que todos os outros conhecimentos fossem perdidos. Modelando a matéria como coleções de esferas duras, é possível descrever a teoria cinética dos gases , na qual a termodinâmica clássica se baseia.

A termodinâmica estuda os efeitos das mudanças de temperatura , pressão e volume em sistemas físicos na escala macroscópica e a transferência de energia como calor . Historicamente, a termodinâmica se desenvolveu a partir do desejo de aumentar a eficiência dos primeiros motores a vapor .

O ponto de partida para a maioria das considerações termodinâmicas são as leis da termodinâmica , que postulam que a energia pode ser trocada entre sistemas físicos como calor ou trabalho . Eles também postulam a existência de uma quantidade chamada entropia , que pode ser definida para qualquer sistema. Na termodinâmica, as interações entre grandes conjuntos de objetos são estudadas e categorizadas. No centro disso estão os conceitos de sistema e ambiente . Um sistema é composto por partículas, cujos movimentos médios definem suas propriedades, que por sua vez se relacionam por meio de equações de estado . As propriedades podem ser combinadas para expressar energia interna e potenciais termodinâmicos , que são úteis para determinar as condições de equilíbrio e processos espontâneos .

Eletromagnetismo e fotônica

Equações de eletromagnetismo de Maxwell

O estudo do comportamento dos elétrons, meios elétricos, ímãs, campos magnéticos e interações gerais da luz.

Mecânica relativística

A teoria da relatividade especial tem uma relação com o eletromagnetismo e a mecânica; isto é, o princípio da relatividade e o princípio da ação estacionária em mecânica podem ser usados ​​para derivar as equações de Maxwell e vice-versa .

A teoria da relatividade especial foi proposta em 1905 por Albert Einstein em seu artigo " On the Electrodynamics of Moving Bodies ". O título do artigo se refere ao fato de que a relatividade especial resolve uma inconsistência entre as equações de Maxwell e a mecânica clássica. A teoria é baseada em dois postulados : (1) que as formas matemáticas das leis da física são invariantes em todos os sistemas inerciais ; e (2) que a velocidade da luz no vácuo é constante e independente da fonte ou do observador. Reconciliar os dois postulados requer uma unificação de espaço e tempo no conceito de espaço-tempo dependente de moldura .

A relatividade geral é a teoria geométrica da gravitação publicada por Albert Einstein em 1915/16. Ele unifica a relatividade especial, a lei da gravitação universal de Newton e o insight de que a gravitação pode ser descrita pela curvatura do espaço e do tempo. Na relatividade geral, a curvatura do espaço-tempo é produzida pela energia da matéria e da radiação.

Mecânica quântica, física atômica e física molecular

Os primeiros orbitais de elétrons do átomo de hidrogênio mostrados como seções transversais com densidade de probabilidade codificada por cores

A mecânica quântica é o ramo da física que trata os sistemas atômicos e subatômicos e sua interação com base na observação de que todas as formas de energia são liberadas em unidades discretas ou feixes chamados " quanta ". Notavelmente, a teoria quântica normalmente permite apenas cálculos prováveis ou estatísticos das características observadas das partículas subatômicas, entendidas em termos de funções de onda . A equação de Schrödinger desempenha o papel na mecânica quântica que as leis de Newton e conservação de energia servem na mecânica clássica - isto é, ela prediz o comportamento futuro de um sistema dinâmico - e é uma equação de onda que é usada para resolver funções de onda.

Por exemplo, a luz ou radiação eletromagnética emitida ou absorvida por um átomo tem apenas certas frequências (ou comprimentos de onda ), como pode ser visto a partir do espectro de linha associado ao elemento químico representado por aquele átomo. A teoria quântica mostra que essas frequências correspondem a energias definidas dos quanta de luz, ou fótons , e resultam do fato de que os elétrons do átomo podem ter apenas certos valores ou níveis de energia permitidos; quando um elétron muda de um nível permitido para outro, um quantum de energia é emitido ou absorvido cuja frequência é diretamente proporcional à diferença de energia entre os dois níveis. O efeito fotoelétrico confirmou ainda mais a quantização da luz.

Em 1924, Louis de Broglie propôs que não apenas as ondas de luz às vezes exibem propriedades semelhantes às de partículas, mas as partículas também podem exibir propriedades semelhantes às de ondas. Duas formulações diferentes da mecânica quântica foram apresentadas seguindo a sugestão de de Broglie. A mecânica ondulatória de Erwin Schrödinger (1926) envolve o uso de uma entidade matemática, a função de onda, que está relacionada à probabilidade de encontrar uma partícula em um determinado ponto do espaço. A mecânica da matriz de Werner Heisenberg (1925) não faz menção a funções de onda ou conceitos semelhantes, mas mostrou-se matematicamente equivalente à teoria de Schrödinger. Uma descoberta particularmente importante da teoria quântica é o princípio da incerteza , enunciado por Heisenberg em 1927, que coloca um limite teórico absoluto na precisão de certas medições; como resultado, a suposição de cientistas anteriores de que o estado físico de um sistema poderia ser medido com exatidão e usado para prever estados futuros teve que ser abandonada. A mecânica quântica foi combinada com a teoria da relatividade na formulação de Paul Dirac . Outros desenvolvimentos incluem estatística quântica , eletrodinâmica quântica , preocupada com interações entre partículas carregadas e campos eletromagnéticos; e sua generalização, teoria quântica de campos .

Teoria das cordas

Uma possível candidata à teoria de tudo, essa teoria combina a teoria da relatividade geral e a mecânica quântica para fazer uma única teoria. Essa teoria pode prever propriedades de objetos pequenos e grandes. Esta teoria está atualmente em estágio de desenvolvimento.

Óptica e acústica

Óptica é o estudo dos movimentos da luz, incluindo reflexão, refração, difração e interferência.

A acústica é o ramo da física que envolve o estudo das ondas mecânicas em diferentes meios.

Física de matéria condensada

O estudo das propriedades físicas da matéria em uma fase condensada.

Física de partículas de alta energia e física nuclear

A física de partículas estuda a natureza das partículas, enquanto a física nuclear estuda os núcleos atômicos.

Cosmologia

A cosmologia estuda como o universo veio a existir e seu destino final. É estudado por físicos e astrofísicos .

Campos interdisciplinares

Aos campos interdisciplinares, que definem parcialmente ciências próprias, pertencem, por exemplo, o

Resumo

A tabela a seguir lista as teorias principais junto com muitos dos conceitos que elas empregam.

Teoria Subtópicos principais Conceitos
Mecânica clássica Leis de Newton , a mecânica de Lagrange , mecânica hamiltoniana , cinemática , estática , dinâmica , teoria do caos , acústica , dinâmica de fluidos , mecânica do contínuo Densidade , dimensão , gravidade , espaço , tempo , movimento , o comprimento , a posição, velocidade , aceleração , invariância Galileu , de massa , momento , impulso , força , energia , velocidade angular , momento angular , o momento de inércia , o torque , lei de conservação , oscilador harmónica , onda , trabalho , potência , ângulos Lagrangiano , Hamiltoniano , Tait – Bryan , ângulos de Euler , pneumático , hidráulico
Eletromagnetismo Eletrostática , eletrodinâmica , eletricidade , magnetismo , magnetostática , equações de Maxwell , óptica Capacitância , carga eléctrica , corrente , condutividade eléctrica , campo eléctrico , permitividade eléctrica , potencial eléctrico , resistência eléctrica , campo electromagnético , a indução electromagnética , a radiação electromagnética , a superfície de Gauss , o campo magnético , de fluxo magnético , monopolo magnético , permeabilidade magnética
Termodinâmica e mecânica estatística Motor térmico , teoria cinética Constante de Boltzmann , variáveis ​​conjugadas , entalpia , entropia , equação de estado , teorema da equipartição , energia livre termodinâmica , calor , lei dos gases ideais , energia interna , leis da termodinâmica , relações de Maxwell , processo irreversível , modelo de Ising , ação mecânica , função de partição , pressão , processo reversível , processo espontâneo , função de estado , conjunto estatístico , temperatura , equilíbrio termodinâmico , o potencial termodinâmico , processos termodinâmicos , estado termodinâmico , sistema termodinâmico , de viscosidade , de volume , de trabalho , de material granular
Mecânica quântica Formulação integral de caminho , teoria de espalhamento , equação de Schrödinger , teoria quântica de campos , mecânica estatística quântica Aproximação adiabática , radiação de corpo negro , princípio da correspondência , de partículas livres , Hamiltoniano , espaço de Hilbert , partículas idênticas , a mecânica da matriz , constante de Planck , efeito do observador , os operadores , os quanta , quantização , o entrelaçamento quântico , quântica oscilador harmónica , número quântico , encapsulamento quântica , o gato de Schrödinger , equação de Dirac , rotação , função de onda , onda mecânica , dualidade onda-partícula , a energia do ponto zero , o princípio de exclusão de Pauli , princípio Heisenberg incerteza
Relatividade Relatividade especial , relatividade geral , equações de campo de Einstein Covariância , variedade de Einstein , princípio de equivalência , quatro momentos , quatro vetores , princípio geral da relatividade , movimento geodésico , gravidade , gravitoeletromagnetismo , sistema de referência inercial , invariância , contração de comprimento , variedade Lorentziana , transformação de Lorentz , equivalência massa-energia , métrica , Diagrama de Minkowski , espaço de Minkowski , princípio da relatividade , comprimento adequado , tempo adequado , referencial , energia de repouso , massa de repouso , relatividade da simultaneidade , espaço-tempo , princípio da relatividade especial , velocidade da luz , tensor de tensão-energia , dilatação do tempo , gêmeos paradoxo , linha do mundo

Referências