Fyzika

Různé příklady fyzikálních jevů

Sluncebrzy po západu osvětluje horní část oblačné stopyraketoplánuAtlantis(STS-98), zatímco spodní část je již ve stínuZemě.Oblakshodou okolností vrhá stín směrem kMěsíci,který je v úplňku, a tedy přímo naproti Slunci.Barvuoblohyasvětlana oblaku určujeRayleighůvaMieův rozptyl.

Fyzika(zřeckéhoφυσικός (fysikos): přírodní, ze základu φύσις(fysis):příroda,přirozenost,archaickytéžsilozpyt) je exaktnívědníobor, který zkoumá zákonitosti přírodních jevů. Popisuje vlastnosti a projevyhmoty,antihmoty,vakua,přírodních sil,světlai neviditelnéhozáření,tepla,zvukuatd. Vztahy mezi těmito objekty fyzika obvykle vyjadřujematematickýmiprostředky. Mnoho poznatků fyziky je úspěšně aplikováno v praxi, což významně přispívá k rozvojicivilizace.

Rozdělení fyziky

Fyziku lze velmi obecně rozdělit podle metod nateoretickou fyziku,experimentální fyziku,numerické simulaceaaplikovanou fyziku.Teoretická fyzika se snaží vyvodit z matematických objevů a experimentálních výsledků obecnější platnost zákonů a určit teoretické hranice jejich platnosti. Cílem experimentální fyziky je potvrzení nebo vyvrácení existující teorie. Často přitom dochází k jiným novým objevům. Numerické simulace umožňují udělat si představu o důsledcích přírodních zákonů za daných podmínek a dávají předpovědi ověřitelné pozorováním. Aplikovaná fyzika vychází z potřeb praxe. Její rozvoj je motivován potřebami z výroby, lidské spotřeby a z potřeby ochrany životního prostředí. Hranice mezi tímto dělením nejsou striktní. Příkladem metody a přechodu mezi experimentální a teoretickou fyzikou, při níž se využívají poznatky z vědy oinformaticeje modelování fyzikálních stavů a dějů s pomocí informačních technologií.

Následující tabulka je přehledem mnoha oborů a podoborů fyziky společně s teoriemi a tématy, které zahrnují. V mnoha případech se podobory prolínají několika různými obory, proto je třeba brát přehled jen jako orientační.

Obor	Podobory	Hlavní teorie	Témata
Mechanika	Mechanika hmotných bodůatuhého tělesa;analytická mechanika;gravitační silové pole;mechanika kontinua– mechanikapružnostiapevnosti,mechanika tekutin,reologiea mechanika sypkých látek;speciální teorie relativity;mechanické kmitáníavlnění,akustika;mechanikachaotických systémů	Newtonovy pohybové zákony,Newtonův gravitační zákon,diferenciální (např.d'Alembertův) a integrální (např.Hamiltonův) principy mechaniky,Lagrangeovy pohybové rovnice,Hamiltonovy kanonické rovnice,Hamiltonova–Jacobiho rovnice,Lagrangeovaformulace teoriepoleateorém Noetherové,Einsteinův princip relativity,teorie chaosu	síla,práce,energie,hybnost,zákony zachování energie, hybnosti a momentu hybnosti,deformace,proudění,Poissonovy závorky,Lagrangeova funkce,Hamiltonova funkce,Lorentzova transformace,kontrakce délek,dilatace času,relativita současnosti,vlnová rovnice,atraktor
Termika	Termokinetika,tepelné děje v plynech,fázové přeměny,termodynamikasměsí a chemická termodynamika,termodynamikakondenzovaného stavu,termodynamikazáření,nerovnovážnátermodynamika	Zákony termodynamiky,Gibbsovo fázové pravidlo,Clausiusova–Clapeyronova rovnice,Stefanův–Boltzmannův zákon,Planckův vyzařovací zákon	teplota,stavové rovnice,teploa jehošíření,tepelné stroje,entropie,fáze,záření absolutně černého tělesa
Molekulová stavba látek (molekulová fyzika) astatistická fyzika	Kinetická teorie látek,molekulová fyzikaplynu,klasická (Maxwellova–Boltzmannova)statistická fyzika,molekulová stavbakapalin,molekulová fyzikapevných látek,krystalografie,statistická fyzikafermionůabosonů,fyzika plazmatu,statistická fyzikazáření,fyzikální kinetika a transportní jevy; fyzikachaotických systémů	Liouvilleův teorém;ekvipartiční teorém;Boltzmannův zákon;Maxwellovo–Boltzmannovo,Fermiho–DiracovoaBoseho–Einsteinovo rozdělení;grupykrystalovésymetrie,transportní teorie,teorie chaosu	molekula;fázový prostor;mikrokanonický,kanonickýagrandkanonický soubor;povrchové napětí;kovalentní,iontováakovová vazba,krystalová mřížka,krystalografická soustava;plazma;difuze,osmóza;viskozita,atraktor
Fyzikaelektromagnetismu	Optika,elektrostatika,elektrodynamika,elektrický proudvpevných látkách,kapalináchaplynech,elektrické obvodya jejich řešení,stacionární magnetické pole,nestacionárníelektromagnetické pole,elektromagnetické vlnění,materiálové elektromagnetické vlastnosti látek, magnetohydrodynamika	Coulombův zákon,Gaussův zákon elektrostatiky,Ampérův zákon,Biotův–Savartův zákon,Ohmův zákon,Faradayůvzákon elektromagnetické indukce,Maxwellovy rovnice,Lorentzova mikroskopická teorie,speciální teorie relativity	elektromagnetické pole,intenzita elektrického pole,elektrický potenciálanapětí,magnetická indukce,vektorový potenciálmagnetického pole, elektrický proud,elektrický vodič,dielektrikum,elektrický obvod
Optika	Vlnová optika,šířenísvětlaprostředím, paprsková optika,geometrická optika,fotometrie,optikabarev,kvantová optika	Huygensův–Fresnelův princip,Fermatův princip,Snelliův zákon lomu,Fresnelovy rovnice	vlnoplocha,koherence,interference světla,difrakce světla,polarizace,dvojlom,zrcadlo,čočka,zvětšení,svítivost,jas,barva,foton
Atomová fyzika(atomistika) = fyzikaatomového obalu	Modelyatomu,kvantová mechanika,atomováastrofyzika,kvantová chemie,spektrální optika,interakce záření s hmotným prostředím,fotonika	Bohrův–Sommerfeldův model atomu,kvantová teorie,fyzika kvantové informace	foton,atom,Schrödingerova rovnice,Diracova rovnice,atomový orbital,molekula,chemická vazba,elektromagnetické záření,laser,polarizace,spektrální čára,rozptyl světla,ionizace,Casimirův jev
Fyzika kondenzovaného stavu	fyzika pevných látek,fyzika vysokých tlaků,fyzika nízkých teplot,fyzika povrchů,nanotechnologie,fyzika polymerů	pásová teorie,BCS teorie,Blochova vlna,Fermiho plyn,Fermiho kapalina	skupenství(plynné,kapalné,pevné,Boseho–Einsteinův kondenzát,supravodič,supratekutina),elektřina,magnetismus,metamateriály,spin,samoorganizace,spontánní narušení symetrie
Jadernáa subjaderná fyzika	Fyzikaatomového jádra,radioaktivita,jaderné reakce,neutronová fyzika,ionizující zářenía jeho průchod prostředím,dozimetrie,fenomenologieelementárních částic,kvarkovýmodel, jaderná a částicováastrofyzika,	standardní model,kvantová teorie pole,kvantová elektrodynamika,kvantová chromodynamika,elektroslabá interakce,kalibrační invariance,supersymetrie,teorie velkého sjednocení,teorie superstrun,M-teorie	Základní interakce(gravitační,elektromagnetická,slabá,silná),elementární částice,lepton,kvark,spin,antihmota,spontánní narušení symetrie,oscilace neutrin,brána,superstruna,kvantová gravitace,teorie všeho,energie vakua
Astrofyzika	kosmologie,fyzika gravitace,astronomie vysokých energií,planetární vědy,fyzika plazmatu,fyzika hvězd	velký třesk,lambda-CDM model,kosmická inflace,obecná relativita,Newtonův gravitační zákon	černá díra,reliktní záření,kosmická struna,vesmír,temná hmota,temná energie,galaxie,gravitace,gravitační vlny,planeta,sluneční soustava,hvězda,supernova

Aplikovaná fyzika

fyzikaurychlovačů,akustika,agrofyzika,astronautika,biofyzika,chemická fyzika,dynamika dopravních prostředků,ekonofyzika,fyzikální eroze,inženýrská fyzika,geofyzika,lékařská fyzika,fyzika materiálů,mechanika,meteorologie,měřící přístroje,fyzika moří,nanotechnologie,teoretickáelektrotechnikaaradiotechnika,optika,optoelektronika,fotovoltaika,fyzikální chemie,fyzika počítačů,fyzika pevných látek,fyzikajaderných reaktorů,fyzika plazmatu,kvantová chemie,kvantová elektronika,fyzika kvantové informace,sportovní fyzika,statika staveb,dynamika tekutin,fyzika telekomunikací

Vztah fyziky k dalším vědám

Fyzika se někdy označuje jako vědafundamentální.Kdybychom disponovali neomezenou výpočetní silou, celáchemieby se redukovala na řešení rovnickvantové teorie.Skutečnost je ale taková, že přímé výpočty ze základních rovnic jsou dnes proveditelné jen pro jednodušší případy. Proto chemie vychází z fyziky jen částečně. Obdobný vztah (přinejmenším podleredukcionistickéhopohledu) platí probiologii,ale protože biologické systémy jsou ještě složitější, přímé výpočty jsou ještě méně praktické. Na pomezí mezi fyzikou, biologií a chemií ležíbiofyzika.Kromě výpočtů chovánímolekulmají velké uplatnění v biologii ilékařstvízobrazovací metody založené na složitějších fyzikálních základech (NMR,PET,spektroskopiea další).

Fyzika těsně souvisí sastronomií.

Měřitelné fyzikální koncepty jsou v mozku vnímány jinak než ty neměřitelné.

Historie fyziky

Isaac Newton

Počátky fyziky lze hledat ve starověku. Fyzika převážně patřila dofilozofie,rozvíjela sekosmologie.Převažující metodou poznání byla úvaha a pozorování.Aristotelovafyzika tak odpovídá přirozené, vypozorované zkušenosti – vržený předmět se zastaví, těžké předměty padají dolů, lehké míří nahoru. (Přestože v porovnání se současnou mechanikou se taková teorie zdá úplně špatná, v určitém smyslu pořád platí – je limitou mechaniky ve viskózním prostředí). Výjimkou značně předbíhající dobu bylArchimédés,který provádělexperimentya odvodil některé přesné kvantitativní zákony.

Aristotelovo učení se stalo vrcholem poznání na tisíc let. Pokroků v chemii a astronomii dosáhli arabští učenci, ale ve fyzice vývoj nastal teprve vrenesanci.VItáliiGalileo Galileizačal systematicky provádět experimenty, což se stalo základem rozvoje fyziky avědecké metodyvůbec. Galilei také odvodil některé výsledky v mechanice, mimo jinéprincip relativity.V astronomiiMikuláš Koperníknavrhlheliocentrický systémaJohannes Keplerodvodilzákony pohybu nebeských těles.René Descartesa další položili základy pozdější matematizace fyziky (kartézské souřadnice).

Ke konci 17. stol.Isaac Newtonvydává asi nejvýznamnější dílo v dějinách fyziky vůbec Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Matematické základy filozofie přírody). Ustavujeexaktnívědu,která znamená kvalitativní přelom v metodě vědeckéhopoznání,zavádí jiný (diskrétní) filtr poznání, než je filtr přirozeného lidského poznání, jímž jevágnost.Dává tak vědě převratně účinný nástroj. Znamená to, že reálný svět může být modelován exaktním světem, jinak řečeno, věda matematizována. Newton pro účely tehdejší mechaniky vytváří nový typjazyka(exaktní jazyk) - matematický aparát, teorii fluxí, trochu nemotorný, ale funkčníinfinitezimální počet(tj.integráladerivace).Též tak nezávisle na něm, z jiných pohnutek, činíLeibniz.Newton matematicky formulujezákony pohybu,které jsou základem klasickémechanikyaž do 20. století. V jednotném rámci s mechanikou formuluje univerzální (platný nejen pro pozemské podmínky, ale pro vesmír) zákongravitacea odvozuje z něj Keplerovy zákony.

Klasickou mechaniku rozvíjejíJoseph Louis Lagrange,William Rowan Hamilton,Leonhard Euler,Pierre Simon de Laplacea další. Úspěšně popisujímechaniku tekutin.

Charles-Augustin de Coulomb,Alessandro VoltaaAndré-Marie Ampèrestudují elektrické jevy.Hans Christian Ørstedobjevuje magnetické účinkyelektrického proudu.Michael Faradayobjevujeindukci.V druhé polovině 19. stoletíJames Clerk Maxwellpřichází s teoriíelektromagnetického pole,která spojuje a vysvětluje veškeré elektrické a magnetické jevy. Jako důsledek teorie předpovídáelektromagnetické vlny,a přivádí tak na stejný základ i optiku. Předpověď experimentálně ověřilHeinrich Rudolf Hertz.

Albert Einstein

Roku1895Wilhelm Conrad Röntgenobjevuje „paprsky X “(rentgenové záření), o rok pozdějiHenri Becquerelobjevuje radioaktivitu, o další rok pozdějiJoseph John Thomsonobjevujeelektron.Pierre CurieaMarie Curie-Skłodowskástudujíjáchymovskéradium.Vzniká takjaderná fyzika.

Vzázračném roce1905Albert Einsteinzveřejňujespeciální teorii relativity,popisující chováníčasoprostorupři rychlostech větších než malých (časoprostorovou interpretaci STR popsalHermann Minkowski). Kvantově vysvětlujefotoefekt– Einstein byl první, kdo vzal kvanta vážně. Další přelomovou práci Einsteina bylo vysvětleníBrownova pohybupomocí statistické fyziky. Poslední Einsteinův článek zázračného roku se věnoval ekvivalencihmotnostiaenergie,z čehož vznikl známý vztahE=mc².O desetiletí později pak Einstein představujeobecnou teorii relativity,geometrickou relativistickou čtyřrozměrnou teorii gravitace.

Koncem 19. století se objevily problémy, které se nedaly vysvětlit tehdy známou (klasickou) mechanikou. Mezi ně patřilo spektrum zářeníabsolutně černého tělesa,fotoelektrický jeva vztahy mezi polohamispektrálních čarprvků. Počátkem20. stoletíspektrum černého tělesa bylo odvozeno Planckem a chováni fotoefektu vysvětleno Einsteinem pomocí kvantové hypotézy.Niels Bohra další vysvětlili diskrétní spektra prvků tím, že použili tuto hypotézu ke zlepšení modelu atomu. Ucelené teoriekvantové mechanikyve dvacátých letech formulovaliWerner Heisenberg(„maticová mechanika “) aErwin Schrödinger(„vlnová mechanika “), který dokázal ekvivalenci obou přístupů. Teorii značně zdokonaliliPaul DiracaJohn von Neumann.

Souběžně s kvantovou mechanikou se fyzici snažili popsat kvantově ipole.V jazycekvantové teorie polese pak na přelomu20. stoletípodařilo popsatelektromagnetismus,o což se zvláště zasloužiliRichard FeynmanaJulian Schwinger.V druhé polovině20. stoletípak byla v rámci jedné teorie popsána i slabáasilná interakce,a zároveň předpovězena či vysvětlena existence mnohaelementárních částic.Současnou všeobecně uznávanou teorií elementárních částic a interakcí jestandardní model.

Rozvíjela se takékosmologie– naprostá většina současných teorií vychází z hypotézyvelkého třeskua obvykle i zinflace.Aplikace fyzikyplazmatuna raný vesmír umožnila testovat některé kosmologické hypotézy pomocíreliktního záření.

Poněkud stranou zájmu široké veřejnosti se vývoj odehrával také ve fyzice pevných látek a statistické fyzice. Obě oblasti se zabývají kvantovým popisem systémů mnoha částic, a tedy i projevy kvantového chování na makroskopické úrovni (významné zejména u jevů zkoumaných fyzikou nízkých teplot). Tento směr fyzikálního výzkumu měl a dosud má ohromný vliv natechnikua materiálové aplikace. Příkladem mohou být nové obory jakospintronikanebometamateriálovétechnologie. Kromě toho ve fyzice pevných látek vznikla i řada teoretických konceptů, které našly uplatnění např. při sjednocování interakcí.

Na pomezí fyziky, matematiky a počítačové vědy od 70. let 20. století vznikl nový směr poznání, nazývanýteorie chaosu.Předmětem zkoumání jsoufraktályanelineární systémy.

UNESCOvyhlásilo rok2005Světovým rokem fyziky.

Otevřené problémy

Binární systéms hvězdou, která je pohlcovánačernou dírou,kolem které je zformovánakreční disk(umělecká představa)

Poznámka: Oproti popisu historického vývoje má tento oddíl nutně spekulativnější charakter, přestože je tato problematika předmětem mnoha zejména populárně-vědeckých článků i monografií.

Významná část teoretických fyziků považuje za obecný cíl snažení fyziky jednotný popis fyzikálních jevů, nejlépe v rámci jedné teorie (teorie všeho,finální teorie atp.). Z tohoto pohledu je největším problémem soudobé fyziky rozpor mezistandardním modelem,popisujícím třiinterakcev rámcikvantové teorie pole,aEinsteinovou obecnou teorií relativity,popisující nekvantově čtvrtou interakci –gravitaci.Pokusyo nalezení konzistentníkvantové teorie gravitace(s nadsázkou nazývané „teorie všeho “), která by byla aplikovatelná pro mikrosvět i makrosvět a přinášela jednoznačné experimentálně ověřitelné výsledky, se dosud vytvořit nepodařilo.

Jedním z nadějných kandidátů na rámec, ve kterém kvantovou teorii gravitace bude možné formulovat, jeteorii strun.Teorie strun se rozvíjí přibližně od 80. let20. stoletía je nezpochybnitelné, že matematický aparát udělal ohromný krok kupředu. Na druhou stranu, teorie strun rozhodně není hotová.Pesimistépochybují o vztahu současné teorie strun k realitě a vytýkají jí např. nedostatek novýchtestovatelnýchpředpovědí.

Kromě tohoto hlubokého a velmi a velmiabstraktníhoproblému existuje řada dalších otevřených problémů, z nichž některé mohou souviset. Některé z nich jsou natolikkontroverzní,že část fyziků vůbec zpochybňuje, že otázka patří do fyziky.

• „Fyzika mimostandardní model“–supersymetrie,vysvětlení parametrů std. modelu. Přestože je standardní model všeobecně uznáván, má problémy s vysvětlením některých jevů a některé jeho předpovědi nejsou dosud ověřenéexperimentálně.
• Problémy vkosmologiiaastrofyzice– otázkatemné hmotyatemné energie,detaily popisuakrečních disků,fyzikyčerných děr(problémentropie), „nestandardních “neutronových hvězd (kvarková hvězda,hyperonová hvězda),záblesků gama záření.
• Interpretace kvantové mechaniky– vztah kvantové teorie a „běžně vnímaného “makroskopickéhosvěta není ani po mnoha desetiletích jasný. Nemusí zde jít pouze ofilozofickéinterpretace kvantových jevů, ale i o výsostně fyzikální teorie kvantových korelací a dekoherence a o výzkum se širokým aplikačním potenciálem, jako je kvantovákryptografie,kvantováteleportaceapod.
• Šipka času– otázka, jak souvisí preferovaný směrčasuz hlediskastatické fyziky,kosmologiea času, který vnímáme? Existují stroje času?

Mezi otevřené problémy nemusí spadat jen vysoce abstraktní teoretické a filozofické otázky. Příkladem konkrétního fyzikálního jevu probíhajícího na Zemi a v běžných rozměrech (ani mikroskopických, ani astronomických) a přitom po několik staletí odolávajícího fyzikálnímu či fyzikálně chemickému vysvětlení jekulový blesk.

Reference

V tomto článku byl použitpřekladtextu z článkuPhysicsna anglické Wikipedii.

Literatura

• KRAUS, Ivo, ZAJAC, Štefan.Česká a slovenská fyzika 1945–2005.Academia: Praha, 2020.ISBN 978-80-200-3134-1
• HOFMANN JAROSLAV, URBANOVÁ MARIE.Fyzika I, verze 1.0[online]. VŠCHT v Praze, 2005.Dostupné online.
• MAŠKA, Otokar.Přehled fysiky. I. díl: Mechanika, astronomie, thermika.8. vyd. Brno: Barvič a Novotný, 1942. 96 s.

Související články

• Fyzikální konstanty
• Fyzikální olympiáda

Externí odkazy

• Obrázky, zvuky či videa k tématufyzikanaWikimedia Commons
• TémaFyzikave Wikicitátech
• TémaFyzikve Wikicitátech
• Slovníkové heslofyzikave Wikislovníku
• KnihaKategorie:Fyzikave Wikiknihách
• KategorieFyzikave Wikiverzitě
• TémaFyzikavPolytematickém strukturovaném heslářiNárodní technické knihovny
• Encyklopedické hesloFysikavOttově slovníku naučnémve Wikizdrojích
• FYZWEB – fyzika pro každého
• Multimediální Encyklopedie Fyziky (MEF)
• Archiv článků z různých oblastí fyziky
• Skripta a další texty z různých oblastí matematiky a fyziky
• Maturitní otázky a referáty z fyziky pro střední školy – onlineArchivováno10. 6. 2020 naWayback Machine.

Autoritní data	NKC:ph114601 PSH:2910 BNF:cb11933127h(data) GND:4045956-1 HDS:008284 LCCN:sh85101653 NARA:10644534 NDL:00561121 NLI:987007546013105171 NLK:KSH1998014364

Portály:Fyzika