Fizik hakkında konuşurken ne konuşuyoruz
Fizikten hiç anlamayan biri size "Fizik nedir?" Diye sorduğunda, bir fizikçinin bile hemen güzel bir cevap vermesinin zor olduğunu düşünüyorum.
Belki cevaplayacaksınız: "Fizik, evrendeki en küçük şeylerin en büyük şeylere kadar özelliklerini ve yasalarını inceleyen bir bilimdir." Ancak, bu soru hakkında ne kadar çok düşünürsek, o kadar karmaşık hale gelecektir. Fizik sadece küçük ya da büyük şeylerden ibaret değildir.
Ya da şöyle diyebiliriz: "Fizik, evreni yöneten temel yasaları inceleyen bir bilim dalıdır." Bu, bir dizi sihirli şeyi kapsayan geniş ve kapsamlı bir tanımdır. Pek çok insan, fiziğin diğer tüm bilimlerden daha geniş kapsamı olan bir bilim olduğunu düşünüyor.
Duyduğum en zekice ama kusursuz özet şudur: "Fizik, fizikçilerin çalıştığı şeydir." Öyleyse, fizikçiler ne çalışır?
"Büyük ve küçük" fiziği
En küçük ölçek olan Planck uzunluğu ile başlayalım:
Planck uzunluğu: Planck sabiti, c ışık hızı ve G yerçekimi sabitidir.
Planck ölçeği altında, uzay-zamandaki kuantum dalgalanmaları önemli hale geliyor ve şu anda bildiğimiz her şeyin bu ölçekte sicimlerden veya diğer garip şeylerden oluşması çok olası. Ancak bu şu an için sadece bir tahmin.
Şimdi, doğrudan 17 mertebesinde yükseliyoruz ve giriyoruz Parçacık fiziği Gördüğümüz her şeyi oluşturan en temel parçacıklara odaklanır: altı tür kuark (yukarı, aşağı, tılsım, garip, üst ve alt) ve altı tür lepton (elektronlar, müonlar) Tau ve bunlara karşılık gelen nötrinolar) ve aralarındaki etkileşim.
Fermiyonlar: Solda üç kuşak yukarı (u), aşağı (d), tılsım (c), tek (s), üst (t) ve alt (b); sağda üç kuşak lepton vardır: elektron (e), Mezonlar ve tau mezonlar ve bunlara karşılık gelen nötrinolar (). (Resim kaynağı: Sandbox Studio, Ana Kova ile Chicago)
Ölçeği biraz artırırsak (yaklaşık 10 ^ -15 metre), gireceğiz Nükleer Fizik Sahada uğraşması gereken şey, daha fazla sayıda kuarkın proton ve nötron olmak üzere birleşmesidir. Bu alan, çekirdekteki partikül organizasyonunu ve kütle, spin, stabilite vb. Gibi gözlemleyebileceğimiz özellikleri nasıl ürettiklerini ve ayrıca çekirdeğin çalışmasını inceler.
Sadece ölçeği tekrar yukarı ayarlayın Atomik ve moleküler fizik (Yaklaşık 10 ^ -10 metre boyutunda), tüm atomu ve molekülü incelerler ve elektronların çekirdek etrafındaki dizilişini ve moleküldeki atomlar arasında nasıl paylaşıldıklarını içerirler.
Bir atom, proton (proton), nötron (Nötron) ve elektron bulutu (Elektron bulutu) içerir. (Resim kaynağı: DEUTSCHES ELEKTRONEN-SYNCHROTRON)
Yoğun Madde Fiziği Kendi araştırmasının kapsamı nanopartiküllerden (10 ^ -9 metre) çıplak gözle görülebilen makroskopik partiküllere kadar pek çok içeriği kapsıyor. Yoğun madde fiziği, bir katı veya sıvı içinde çok sayıda parçacığın kombinasyonunu içerir. Bu aynı zamanda fiziğin en büyük dalıdır. Bunun temel nedeni, yarı iletken endüstrisinin alanı olmasıdır.Silikonun katı özelliklerinin kontrolü sayesinde, buna değer Trilyonlarca dolar değerinde mikro transistör üretiliyor. Diğer alanlardaki araştırmalarla karşılaştırıldığında, bu alandaki ilgili araştırmaların manşetlerde görünme olasılığı çok daha düşüktür, ancak günlük yaşam üzerinde derin bir etkisi vardır.
Lise veya üniversitede seçmeli fiziğiniz varsa, maruz kaldığınız fiziğin çoğu, makroskopik nesnelerin (araba veya basketbol gibi) hareketi ve devreler ve mıknatıslar bilgisi gibi günlük yaşamla ilgilidir. Fizik bilimlerinin başladığı yer burasıdır.Bu alanlar artık modern fiziğin araştırma noktaları olmamakla birlikte, insan yaşamı ve işiyle yakından ilgilidir ve aynı zamanda akademik öğretimin merkezidir, bu nedenle fizik eğitimi araştırmalarında önemli bir rol oynar.
Güneş sistemi. (Resim kaynağı: illustrydom)
Kadar devam et Jeofizik ile Gezegen bilimi Boyutları birkaç kilometreden binlerce kilometreye kadar değişen gezegenlerde veya en azından asteroitlerde yer alan fiziksel süreçleri inceleyen o gerçek "büyük adamlarla" tanışabileceksiniz. Bundan daha büyük bir ölçek olması durumunda, birim olarak metre kullanmak değil, ışığın yayılması için gereken süreyi değiştirmek daha iyidir. Astrofizik Çalışmanın amacı, birkaç ışık saatinden oluşan güneş sistemi ve binlerce ışıkyılı galaksilerdir.
Sonunda, kozmoloji Evreni bir bütün olarak inceleyen bilim alanıdır, milyarlarca ışık yılı uzaktaki olayları izler. Kozmoloji, tüm evrenin kökeni ve nihai kaderi ile ilgilenir, tüm evreni paketler ve orijinal görünümüne sıkıştırır.Büyük Patlama'yı izleyen her şeyin parçacık fiziği tarafından çözülmesi gerekir.
Evrenin büyüklüğü gözlemlenebilir. Bunun ötesinde, bir boşlukta sürekli olarak yaratılan daha fazla evren olabilir, ancak kimse bunların gerçekten var olup olmadığını bilmiyor. İşte bir boyut örneği: Bir protonun çok küçük olduğunu biliyoruz, ancak bir protonun uzunluğu Planck'tan yaklaşık 100 milyon kat daha uzundur ve 1 trilyon kat ile çarpılır. Bu nasıl bir oran? Protonun boyutunu gözlemlenebilir evrenin boyutuna ölçeklendirirsek, Planck uzunluğu Tokyo'dan Chicago'ya olan mesafedir. 14 saatlik bir uçuş bizim için yeterince uzun olsa da, evrenin ölçeğine kıyasla gerçekten önemsiz.
Bu kapsamlardan, her şeyin fizik olduğunu düşünebilirsiniz, çünkü günlük yaşamımızda temas ettiğimiz her şey en temel parçacıklardan oluşur ve bu büyük patlamanın ardından yaşanır. Evren. Ayrıca bu ifade nedeniyle, birçok fizikçi kibirli olmakla ünlüdür ve özellikle kimyagerler ve biyologlar tarafından popüler değildirler.
Fiziğin tüm kimyayı ve biyolojiyi belirli bir dar seviyeden kapsadığını düşünseniz de, bu şok edici bir gerçek değildir, çünkü farklı bilimler çok farklı işler. Kimya ve biyolojiye çok benzeyen moleküler fizik ve yoğunlaştırılmış maddede bile fiziğin araştırma yöntemleri çok farklıdır. birçok yönden Fiziğin en iyi tanımı, inceledikleri tarafından verilmez, ancak bize dünyayı anlamamız için bir yol sunar.
Küresel İnek
Bilim camiasında dolaşan eski bir şaka var: Hikaye, inekten yeterince süt alamamaktan rahatsız olan bir süt çiftçisinin çeşitli uzmanlara danışması ve kimsenin problemini çözememesi hakkında. Bu yüzden umutsuzluk içinde, bilinen bir teorik fizikçiden yardım etmesini istedi (sadece bir şakada bir tür umutsuzluk) Teorik fizikçi, "Bir düşüneyim" dedi. Birkaç gün sonra, fizikçi aradı. Bir çözüm bulduğu mandıra çiftçisini arayın. Mandıra çiftçisi hemen üniversiteye koştu ve bir konferans salonunda bir fizikçiyle buluştu.
Fizikçi boğazını temizledi, tahtaya bir daire çizdi ve şöyle dedi: "Her şeyden önce, bu ineğin küresel olduğunu varsaymamız gerekiyor ..." Xie Er'in görüntüsü zihninde mi beliriyor?
Tüm "profesyonel" temelli mizah gibi, bu da "eğlenceli", en azından büyük ölçüde, çünkü doğru. Bu son saçma olsa da, fizikçilerin dünyayı anlama şeklini doğru bir şekilde tanımlıyor - bir inek açıkça bir top değil, bir ineği bir top olarak hayal etmek tam olarak bir fizikçinin yapacağı şeydir.
Fizikçiler dünyayı anladıklarında, benimsenen temel ilke, karmaşık şeyleri basitleştirmektir. Fizikçi, karmaşık gerçek dünyadan kısa ve net bir model oluşturmak istiyor. Bu genellikle, "küresel ineğin" bacakları, kuyruğu ve başı gibi daha az önemli bazı ayrıntıları görmezden gelebilecekleri anlamına gelir. Bazı sorular için, bu detaylar gerçekten göz ardı edilebilir.Örneğin, "İnek ile dünya arasındaki çekim kuvveti nedir?" Diye sorarsanız, o zaman ineğin tam şeklinin doğru cevap üzerinde fazla etkisi olmayacaktır ve inek olarak kabul edilir. Bir küre düşünmek daha uygundur.
Çok sayıda parçacığın dahil olduğu karmaşık yoğun madde gibi alanlarda bile amaç, basitleştirmeyi başarmaktır. Bunun, çok sayıda ayrık parçacığın enerji bandı ve fonon spektrumuna hareketini birleştiren soyut bir matematiksel işlemle başarılması gerekir. Bu, sorunu daha da zorlaştırıyor gibi görünüyor, çünkü bunu yapmak için ileri matematik uygulamalısın. Ancak matematiği öğrendikten sonra, bu yöntemin çok basit ve güçlü olduğunu göreceksiniz.
Bu fenomen fizikte çok yaygındır, örneğin " Fermi sorunu ". Fizikçi Enrico Fermi, insanlardan görünüşte cevaplanamaz soruları tahmin etmelerini isteme alışkanlığına sahiptir. Klasik bir Fermi sorusu," Chicago'da kaç piyano tuneri vardır? " "Bu soruyu 1950'lerde sorduğumda, piyano sahibi birçok kişi vardı, ancak hiç kimsenin Google'ı kullanabilecek bir akıllı telefonu yoktu. Makul bir cevap verebileceğinizi düşünmeyebilirsiniz, ancak aslında Tam sayı dikkate alınmadan sadece büyüklük tahmininde bulunarak cevaba çok yakın bir sonuç elde edilir.
Her şeyden önce, Chicago bölgesinin o zamanki nüfusunun yaklaşık 10 milyon olduğunu tahmin edebilirsiniz, bu kesinlikle bir milyondan fazla, ancak 100 milyondan azdır. O zaman belki 100 kişiden birinde piyano vardır veya çok ya da biraz daha azdır, ancak bunun onda biri veya binde biri olma olasılığı çok düşüktür, bu nedenle Chicago'da yaklaşık yüz bin kişi alırsınız ve ayarlanması gerekir. Piyano sesinin sonucu. Bundan sonra, piyanonun akort edilmesi gereken frekansı ve bir seferde akort etmenin ne kadar süreceğini tahmin edebilirsiniz.Sonunda, şehirdeki piyanonun hoş olmasını sağlamak için Chicago bölgesinde kaç piyano tunerine ihtiyaç duyulduğuna dair bir numara alacaksınız.
Fermi bu oyunu öğrencileri ve meslektaşları ile oynardı. Bu büyüklük sırasına göre çıkarıma dayandıkları sürece, elde edebilecekleri tahmini değer gerçek sonucun 2 katı (yani, gerçek değerin yarısı ile iki katı arasında). Bu çok "fizikçi" bir oyun ve diğer bilim adamları arasında pek popüler değil. Öyleyse, fizikçilerin günlük yaşamda yaklaşık tahminleri kullanmaya daha alışkın göründüklerini, kimyagerlerin ve biyologların ise kesin sayıları kullanmayı tercih ettiklerini söyleyen bir söz var.
Yani, fiziğin başka bir tanımı da İnekleri küreler olarak inceleyen bir tür doğa bilimidir. "Yeterince iyi" olmayı engellememek için, en basit ve en önemli evrensel özelliklerin ve ilkelerin ortaya çıkması için bazı soyut detaylar çıkarılır.
Bu nedenle, bazı insanlar iktisadı "sosyal bilimlerde fizik" olarak adlandırırken ikisi arasındaki benzerlikleri tarif ediyorlar. İktisatçıların şakalarında, "küresel inek" kadar eski bir hikaye var: Birkaç bilim insanı ıssız bir adada mahsur kalmıştı ve mühürlü hayat kurtaran tayın kutularını açmanın bir yolu yoktu. Her biri kendi profesyonel düşüncesini bulmaya çalıştı. Çin, teneke kutuları açmak için araçlar kullanabilir, ancak ekonomistin yaklaşımı "konserve açacağımız olduğunu varsayarak" başlamaktır ...
