Ramos da física - Branches of physics
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
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
- agrofísica é um ramo da ciência que faz fronteira com a agronomia e a física
- astrofísica , a física do universo, incluindo as propriedades e interações dos corpos celestes na astronomia .
- biofísica , estudando as interações físicas dos processos biológicos.
- física química , a ciência das relações físicas na química .
- física computacional , a aplicação de computadores e métodos numéricos a sistemas físicos.
- econofísica , que trata dos processos físicos e suas relações na ciência da economia .
- física ambiental , o ramo da física preocupado com a medição e análise das interações entre os organismos e seu ambiente.
- física de engenharia , a disciplina combinada de física e engenharia.
- geofísica , as ciências das relações físicas em nosso planeta.
- física matemática , matemática relativa a problemas físicos.
- física médica , a aplicação da física na medicina para prevenção, diagnóstico e tratamento.
- físico-química , lidando com processos físicos e suas relações na ciência da físico-química .
- oceanografia física , é o estudo das condições físicas e processos físicos dentro do oceano, especialmente os movimentos e propriedades físicas das águas do oceano.
- psicofísica , a ciência das relações físicas em psicologia
- computação quântica , o estudo de sistemas de computação mecânica quântica.
- a sociofísica ou física social, é um campo da ciência que usa ferramentas matemáticas inspiradas na física para compreender o comportamento das multidões humanas
Resumo
A tabela a seguir lista as teorias principais junto com muitos dos conceitos que elas empregam.