Podela i osnovne oblasti fizike

Fizika je nauka koja se bavi proučavanjem strukture materije i međusobnim odnosima fundamentalnih činilaca vidljivog univerzuma. Dugo se zvala prirodna filozofija, po grčkoj rečiphysikos, što znači “prirodno”. Spada u osnovne prirodne nauke koje proučavaju osnovna ili suštinska svojstva prirodnih tela i pojava. Fizika proučava sve aspekte prirode, uključujući i ponašanje objekata pod dejstvom sila, kao i prirodu i poreklo gravitacionog, elektromagnetnog i nuklearnog energetskog polja. Zadatak fizike je da formuliše sveobuhvatne principe koji povezuju i objašnjavaju sve raspoznatljive fenomene. Fizika se bavi širokim spektrom fenomena, od subatomskih čestica do galaksija. U ovo spadaju najosnovniji objekti od kojih su sačinjeni svi ostali objekti i zato se za fiziku kaže da je fundamentalna nauka.


Fizika se bavi proučavanjem osnovnih svojstava, strukture i kretanja materije u prostoru i vremenu. Fizičke teorije se najčešće izražavaju kao matematičke relacije. Najutemeljenije pojave se nazivaju fizičkim zakonima i oni su, kao i sve druge naučne teorije, podložni promenama. Pri tome, novi fizički zakoni obično ne isključuju stare, nego samo ograničavaju domen njihovog važenja. Fizika je usko povezana sa drugim prirodnim naukama, posebno hemijom koja se umnogome bazira na fizici, pogotovo na kvantnoj mehanici, termodinamici i elektromagnetizmu.




Podela i osnovne oblasti fizike


Fizika se na osnovu načina na koji proučava tela i pojave deli na teorijsku i eksperimentalnu fiziku.


Osnovne oblasti fizike su:


a) klasična mehanika – proučava pojave kretanja i ravnoteže materijalnih tela pod delovanjem fizičkih sila;


b) statistička fizika – oblast fizike koja se bavi fizičkim sistemima sastavljenim od velikog broja čestica (reda veličine Avogadrovog broja);


c) elektromagnetika – oblast fizike koja proučava električne i magnetne pojave u prirodi;


č) termodinamika – grana fizike koja proučava posledice promene pritiska, temperature i zapremine u makroskopskim fizičkim sistemima;


ć) kvantna mehanika – fundamentalna grana teorijske fizike kojom su zamenjene klasična mehanika i klasična elektrodinamika pri opisivanju atomskih i subatomskih pojava;


d) relativistička fizika – fizička teorija prostora i vremena koja se bavi proračunima u inercijalnim sistemima referencije;


dž) fizika čestica – oblast koja se bavi proučavanjem fundamentalnih sastavnih delova materije i zračenja.




Teorija i eksperimenti


Krajem XVI veka italijanski fizičar i matematičar Galileo Galilei uveo je eksperimente kao način proveravanja fizičkih teorija. On je uspešno formulisao i eksperimentima potvrdio nekoliko zakona dinamike, među kojima je i zakon inercije. Teoretičari teže da razviju matematički model koji se slaže sa postojećim eksperimentima i koji može uspešno da predvidi buduće rezultate, dok eksperimentalisti smišljaju i izvode eksperimente da bi proverili teorijska predviđanja i istražili nove fenomene. Iako se teorija i praksa razvijaju posebno, između njih postoji neraskidiva veza. Često otkrića u polju teorijske fizike prethode primeni istih u praksi, dok se nekada otkrića dogode eksperimentalnim putem i primenjuju se u praksi, a teorijska objašnjenja uslede tek nakon toga.


Teorije koje su dobro pokrivene podacima i nisu nikada pale na nekom empirijskom testu često se nazivaju naučni zakoni ili zakoni prirode. Sve teorije, uključujući i one koje se nazivaju zakonima prirode, mogu se uvek zameniti preciznijim, uopštenijim definicijama ukoliko dođe do neslaganje teorije sa dobijenim eksperimentalnim podacima. Neki principi, poput Njutnovih zakona kretanja, još se nazivaju zakonima iako se danas zna za neke slučajeve u kojima oni ne važe.




Antimaterija je supstancija sastavljena od elementarnih čestica koje imaju masu i električni naboj obične materije (kao što su elektroni i protoni), ali za koju su naboj i odnosna magnetska svojstva suprotni po polu. Kao što kombinacijom čestica nastaje materija, tako i kombinacijom odgovarajućih antičestica nastaje antimaterija. Za svaku česticu postoji i odgovarajuća antičestica, čije su neke osobine (na primer masa ili spin) jednake, a druge osobine, poput naelektrisanja ili magnetnog momenta, suprotne. Najpoznatiji primer čine elektron i pozitron (antielektron), kod kojih su naelektrisanje i magnetni moment suprotni, a sve ostale osobine identične.


Otkriće postojanja antimaterije bilo je rezultat elektronske teorije engleskog fizičara Pola Diraka (1902–1984). On je pretpostavio postojanje antičestica i antimaterije uvodeći 1928. godine koncept pozitivno naelektrisanog elektrona, tj. pozitrona, čije je postojanje potvrđeno četiri godine kasnije. Naime, 1932. godine je u kosmičkim zracima otkriven pozitron, posle čega su otkriveni antiproton i antineutron korišćenjem akceleratora čestica. Pozitroni, antiprotoni i antineutroni (koji se zajedničkim imenom nazivaju antičestice) predstavljaju antičestice elektrona, protona i neutrona.


Materija i antimaterija ne mogu postojati jedna pored druge. Kada se nađu u neposrednoj blizini, dolazi do međusobnog poništavanja u deliću sekunde (anihilacije), pri čemu se oslobađa velika količina energije u obliku gama-zračenja ili drugih čestica.




Anihilacija




Anihilacija (od latinskog nihil, što znači “ništa”) znači totalno uništenje, a u fizici označava proces u kojem se čestica sudara sa svojom antičesticom. Pošto energija i impuls prvobitnih čestica moraju da budu očuvani, čestica i antičestica se u sudaru ne pretvaraju “u ništa”, već u nove čestice. Ponekad su novonastale čestice bez mase mirovanja (fotoni), pa može da se kaže da se sudarom čestice i antičestice materija (masa mirovanja) uništila. Aditivni kvantni brojevi antičestica suprotni su kvantnim brojevima odgovarajućih čestica, tako da je suma svih kvantnih brojeva prvobitnog para jednaka nuli. To znači da u sudaru čestice i njene antičestice mogu da nastanu svakakve kombinacije čestica, pod uslovom da je zbir njihovih kvantnih brojeva jednak nuli i da su zadovoljeni zakon održanja energije i zakon održanja impulsa. Kad se radi o niskoenergetskim anihilacijama, najčešće dolazi do stvaranja fotona, dok u visokoenergetskim anihilacijama (sudaračima čestica) mogu da nastanu brojne egzotične teške čestice.


NA = 6,02214 × 1023 mol-1


Ovaj broj, poznat još i kao Avogadrova konstanta, predstavlja broj molekula u jednom molu date supstance. Avogadrov broj je prvobitno definisan kao broj atoma ugljenikovog izotopa C-12 u 12 grama ove supstance (zbog stabilnosti i prirodne rasprostranjenosti, ugljenikov izotop C-12 je izabran kao standard za jedinicu atomske mase – 1/12 mase izotopa C-12) i nije imao svoju mernu jedinicu, dok je mol definisan kao Avogadrov broj atoma, molekula ili nekih drugih čestica. Tek kada je mol, 1971. godine, dobio svoje mesto u Međunarodnom sistemu jedinica (Systeme International d’Units), Avogadrovom broju je promenjena definicija. Brojčana vrednost je ostala ista, ali je sada dobio i mernu jedinicu, i time postao fizička konstanta. Avogadrov broj se koristi za određivanje ne samo broja molekula, već i broja atoma, elektrona ili jona, zavisno od prirode supstancije i karaktera reakcije (ako je uopšte ima). Označava se simbolom NA ili L, po austrijskom fizičaru Johanu Jozefu Lošmitu (1821–1895), koji je prvi odredio približnu veličinu molekula, ali se ova oznaka izbegava zato što je L oznaka i za Lošmitovu konstantu.


Avogadrov broj je osnovna fizička konstanta koja povezuje makroskopski fizički svet objekata koje možemo da vidimo sa submikroskopskim (nevidljivim) svetom atoma. Konstanta je nazvana po italijanskom fizičaru i hemičaru Amadeu Avogadru (1776–1856), koji je 1811. godine prvi predložio da različiti gasovi koji zauzimaju iste zapremine, a imaju iste temperature i pritiske, sadrže isti broj molekula. Međutim, on nikada nije pokušao da izračuna ovu konstantu. To je uradio Lošmit 1865. godine, koristeći kinetičku teoriju gasova (teorija koja na zadovoljavajući način opisuje mnoge osobine razređenog gasa). Mnogo godina posle Avogadrove smrti uveden je koncept mola i eksperimentalno je utvrđeno da jedan mol (molekularna težina u gramima) bilo koje supstance sadrži isti broj molekula. Francuski fizičar Žan Perin predložio je 1909. godine naziv konstante u čast Avogadra.