Фі́зика (від природний, природа) — природнича наука, яка досліджує загальні властивості матерії та явищ у ній, а також виявляє загальні закони, які керують цими явищами. Це наука про закономірності природи в широкому сенсі цього слова. Фізики вивчають поведінку та властивості матерії в широких межах її проявів, від субмікроскопічних елементарних частинок, з яких побудоване все матеріальне (фізика елементарних частинок), до поведінки всього Всесвіту як єдиної системи (космологія).
Деякі з закономірностей, які встановлені фізикою, є загальними для всіх матеріальних систем. До таких можна віднести, наприклад, закон збереження енергії. Такі закономірності називають законами фізики. Фізику вважають фундаментальною наукою, тому що всі інші природничі науки (хімія, геологія, біологія тощо) мають справу з певними різновидами матеріальних систем, які підкоряються законам фізики. Наприклад, властивості хімічних речовин визначаються властивостями молекул та атомів, які їх складають, а ці властивості досліджують в таких галузях фізики, як квантова механіка, термодинаміка та/або електрика (електромагнетизм).
Фізика тісно пов'язана з математикою. Фізичні теорії, як правило, побудовані на основі певного математичного апарату, і цей апарат часто набагато складніший в порівнянні з іншими природничими науками. Але відмінність фізики від математики в тому, що фізика принципово зосереджена на описі матеріального світу, тоді як математика має справу з абстрактними ідеями та формулюваннями, які не обов'язково описують певну об'єктивну реальність. Позаяк чіткого поділу не існує, на перетині цих двох наук постала спеціальна дисципліна — математична фізика, яка вибудовує математичні структури фізичних теорій.
Загальний огляд фізичної науки
Науковий метод
Фізика — природнича наука. В її основі лежить експериментальне дослідження явищ природи, а її задача — формулювання законів, якими пояснюються ці явища. Фізика зосереджується на вивченні найфундаментальніших та найпростіших явищ і на відповідях на найпростіші запитання: з чого складається матерія, яким чином частинки матерії взаємодіють між собою, за якими правилами й законами здійснюється рух частинок тощо. В основі фізичних досліджень лежать спостереження. Узагальнення спостережень дозволяє фізикам формулювати гіпотези щодо спільних загальних рис тих явищ, за якими велися спостереження. Гіпотези перевіряються за допомогою продуманого експерименту, в якому явище проявлялося б у якомога чистішому вигляді й не ускладнювалося б іншими явищами. Аналіз даних сукупності експериментів дозволяє сформулювати закономірність. На перших етапах досліджень закономірності мають здебільшого емпіричний, феноменологічний характер, тобто явище описується кількісно за допомогою певних параметрів, характерних для досліджуваних тіл та речовин. Аналізуючи закономірності та параметри, фізики будують фізичні теорії, які дозволяють пояснити досліджувані явища на основі уявлень про будову тіл та речовин і взаємодію між їхніми складовими частинами. Фізичні теорії, в свою чергу, створюють передумови для постановки точніших експериментів, в ході яких здебільшого визначаються рамки їхнього застосування. Найзагальніші фізичні теорії дозволяють формулювання фізичних законів, які вважаються загальними істинами, доки накопичення нових експериментальних результатів не вимагатиме їхнього уточнення.
Наприклад, Стівен Ґрей помітив, що електрику можна передавати на доволі значну віддаль за допомогою зволожених ниток, і почав досліджувати це явище. Георг Ом зумів знайти для нього кількісну закономірність — струм у провіднику пропорційний напрузі (закон Ома). При цьому, звісно, експерименти Ома опиралися на нові джерела живлення та на нові способи вимірювати дію електричного струму, що дозволило кількісно охарактеризувати його. За результатами подальших досліджень вдалося абстрагуватися від форми та довжини провідників і ввести такі феноменологічні характеристики, як питомий опір провідника та внутрішній опір джерела живлення. Закон Ома й понині залишається основою електротехніки, однак дослідження встановили також рамки його застосування — відкрили елементи електричного кола з нелінійними вольт-амперними характеристиками і навіть речовини, які не мають електричного опору — надпровідники. Після відкриття заряджених мікроскопічних частинок — електронів, була сформульована мікроскопічна теорія електропровідності, яка пояснила залежності опору від температури розсіянням електронів на коливаннях кристалічної ґратки, домішках тощо.
Теоретична та експериментальна фізика
Принципи фізичних пошуків дещо відрізняються від досліджень в інших науках тому, що тут існує чітко визначений розподіл на теорію та експеримент, і з XX століття більшість фізиків спеціалізується або на теоретичній фізиці, або на експериментальній, і дуже мало таких, які б досягли успіхів в обох напрямах. Для порівняння, практично всі успішні теоретики біології та хімії також були і експериментаторами.
Теоретики займаються пошуком теорій, які могли б пояснити відомі експериментальні результати та передбачити нові, тоді як експериментатори організують свої практичні дослідження для перевірки результатів теорій. Тобто, попри існування двох чітких напрямів, вони тісно пов'язані один з одним. Тому прориви в фізиці часто відбуваються саме тоді, коли експериментатори виявляють, що наявні теорії не можуть пояснити їхніх результатів, і це потребує побудови нових фізичних теорій.
Поділ фізиків на теоретиків та експериментаторів пов'язаний із особливою складністю математичного апарату сучасної фізики з одного боку та складністю сучасного експериментального устаткування — з іншого. З появою потужної комп'ютерної техніки виділився новий клас фізиків, які займаються комп'ютерним моделюванням фізичних процесів та розробкою програмного забезпечення для складних фізичних розрахунків. Частково таке моделювання проводиться ab initio, тобто виходячи з основних принципів фізичної теорії, частково, ґрунтуючись на феноменологічних теоріях та використовуючи бази даних фізичних параметрів частинок, атомів чи речовин.
Кількісний характер фізики
Фізика — кількісна наука. Фізичний експеримент опирається на вимірювання, тобто порівняння значення величини з одиницею вимірювання з використанням спеціальних технічних засобів. З цією метою фізика розвинула сукупність фізичних одиниць та засобів вимірювальної техніки. Окремі фізичні одиниці об'єднуються в системи фізичних одиниць. Так, на сучасному етапі розвитку науки стандартом є Міжнародна система одиниць (SI).
Отримані експериментально кількісні залежності дозволяють використовувати для своєї обробки математичні методи і будувати теоретичні, тобто, математичні моделі досліджуваних явищ. Зі зміною уявлень про природу тих чи інших явищ змінюються також фізичні одиниці, в яких вимірюються фізичні величини. Наприклад, для вимірювання температури спочатку були запропоновані довільні температурні шкали, які ділили проміжок температур між характерними явищами (наприклад, замерзанням і кипінням води) на певну кількість менших проміжків, що отримали назву . Для вимірювання кількості теплоти була запроваджена одиниця — калорія, яка визначала кількість теплоти, необхідної для нагрівання граму води на один градус. Проте з часом фізики встановили відповідність між механічною і тепловою формою енергії. Виявилося, що запропонована раніше одиниця кількості теплоти, калорія, є зайвою, як і одиниця вимірювання температури — градус. І кількість теплоти й температуру можна вимірювати в одиницях механічної енергії. В сучасну епоху калорія та градус не вийшли з практичного вжитку, але між цими одиницями і одиницею енергії Джоулем існує точне числове співвідношення. Коефіцієнт переходу від температурної до енергетичної величини (стала Больцмана) вважається фізичною сталою.
Базові фізичні теорії
Фізики мають справу з неймовірно широким спектром різних об'єктів та систем, але існує декілька теорій, які використовуються фізиками майже завжди та незалежно від конкретної галузі. Кожна з цих теорій вважається здебільшого вірною, хоча має певні межі застосування.
ТеоріяОсновні розділиКонцепції Класична механіка Закони Ньютона, Механіка Лагранжа, Механіка Гамільтона, Теорія хаосу, Гідродинаміка, Механіка суцільних середовищ Вимірювання, Простір, Час, Рух, Швидкість, Прискорення, Маса, Імпульс, Сила, Енергія, Момент імпульсу, Закони збереження, Гармонічний осцилятор, Хвиля, Робота, Потужність Електромагнетизм Електростатика, Електрика, Магнетизм, Рівняння Максвелла Електричний заряд, Електричний струм, Електричне поле, Магнітне поле, Електромагнітне поле, Електромагнітне випромінювання, Магнітний монополь Термодинаміка, Статистична механіка Кінетична теорія Стала Больцмана, Ентропія, Вільна енергія, Теплота, Температура Квантова механіка Інтеграл вздовж траєкторій, Рівняння Шредінгера Гамільтоніан, Ідентичні частинки, Стала Планка, Квантове зчеплення, Квантовий гармонічний осцилятор, Хвильова функція, Квантове число, Спін Теорія відносності Спеціальна теорія відносності, Загальна теорія відносності Принцип еквівалентності, 4-імпульс, Система відліку, Простір-час, Швидкість світла Квантова теорія поля Квантова електродинаміка, Квантова хромодинаміка, Стандартна модель Регуляризація, Перенормування, Ренормгрупа, Фізичний вакуум, Фундаментальна частинка, Кварк
Основні галузі фізики
Сучасні фізичні дослідження можна розподілити на окремі галузі, які вивчають різні аспекти матеріального світу. Фізика конденсованих середовищ, напевно одна з найбільших окремих галузей досліджень, сконцентрована на вивченні властивостей звичних проявів матерії, таких як тверді тіла та рідини. Їхні властивості випливають з властивостей та особливостей взаємодії атомів цих речовин. Атомна, молекулярна фізика та оптика мають справу саме з індивідуальними атомами та молекулами. Галузь фізики елементарних частинок, також знана під назвою фізики високих енергій, вивчає властивості субмікроскопічних, набагато менших ніж атоми, частинок, із яких побудована вся матерія. Нарешті, астрофізика застосовує фізичні закони до пояснення астрономічних феноменів, починаючи від Сонця та інших об'єктів Сонячної системі, і закінчуючи Всесвітом як таким.
ГалузьНапрямОсновні теоріїПоняття Астрофізика Космологія, Планетологія, Фізика плазми Великий вибух, Розширення Всесвіту, Загальна теорія відносності, Закон всесвітнього тяжіння Чорна діра, Реліктове випромінювання, Галактика, Гравітація, Гравітаційна хвиля, Планета, Сонячна система, Зоря Атомна, молекулярна фізика та оптика Атомна фізика, Молекулярна фізика, Оптика, Квантова оптика Дифракція, Електромагнітне випромінювання, Лазер, Поляризація, Спектр Фізика елементарних частинок Фізика прискорювачів, Ядерна фізика Стандартна модель, теорії великого об'єднання, Теорія струн Фундаментальні взаємодії (гравітація, електромагнетизм, слабка взаємодія, сильна взаємодія), Елементарна частинка, Антиматерія, Спін, Теорія всього, Енергія вакууму Фізика конденсованих середовищ Фізика твердого тіла, Фізика гірських порід, Фізика полімерів, Гідродинаміка, Фізика плазми Хвиля Блоха, Фермі-газ, Фермі-рідина Основні агрегатні стани (газ, рідина, тверде тіло, плазма, конденсація Бозе — Ейнштейна), Електропровідність, Магнетизм, Самоорганізація, Спін
Прикладна фізика
Від свого зародження фізика завжди мала велике прикладне значення й розвивалася разом із машинами й механізмами, які людство використовувало для своїх потреб. Фізика широко використовується в інженерних науках, чимало фізиків було водночас винахідниками і навпаки. Механіка, як частина фізики, тісно пов'язана з теоретичною механікою та опором матеріалів, як інженерними науками. Термодинаміка зв'язана з теплотехнікою та конструюванням теплових двигунів. Електрика пов'язана з електротехнікою та електронікою, для становлення і розвитку якої дуже важливі дослідження в галузі фізики твердого тіла. Досягнення ядерної фізики зумовили появу ядерної енергетики тощо.