Физична картина на света и деление на физиката

Една от най-важните представи за материалния свят, на които се основава съвременната физика е представата за прекъснатия строеж на материята. Според тази представа всяко, макроскопично тяло, което човек може да възприема само със своите сетива без помощта на уреди, е изградено от много малки градивни частици -молекули, йони, атоми. От своя страна тези частици също имат собствена структура и се състоят от още по-малки и прости частици - молекулите са изградени от атоми, атомите от своя страна имат ядра, съставени от протони и неутрони и електронни обвивки от електрони. Протоните, неутроните и електроните, както и още много други частици, от които се състои материята, се наричат елементарни частици. Разделът от физиката, който изучава свойствата, начините за класифициране, както и възможността за създаване на теория за произхода и строежа на самите елементарни частици се нарича физика на елементарните частици.

Елементарните частици непрекъснато променят положението си в пространството, както се казва, извършват механично движение. При движението си се случва да се сблъскват и да взаимодействат, при което претърпяват изменения - променят посоките на движението си, превръщат се от един вид в друг, или се появяват нови частици.

Съвременната физика е открила четири вида взаимодействия между елементарните частици, които се наричат: силно, слабо, електромагнитно и гравитационно.

Силното взаимодействие се проявява между частиците, влизащи в състава на атомните ядра, както и между някои други елементарни частици. Строежът и превръщанията на атомните ядра се изучават от ядрената физика.

Слабото взаимодействие се проявява между една част от елементарните частици, които носят общото наименование лептони. Към лептоните спада и електрона. Слабото взаимодействие се проявява при някои превръщания и разпадания на елементарни частици и атомни ядра.

Електромагнитното взаимодействие се проявява между частици, които притежават свойството, наречено електричен заряд. Това взаимодействие играе важна роля в природата поради това, че протоните, влизащи в състава на атомните ядра и електроните, които образуват електронната обвивка около ядрата, са частици с електричен заряд (протоните - с положителен, електроните - с отрицателен заряд) и участват в електромагнитно взаимодействие помежду си. Електромагнитното взаимодействие обуславя съществуването и стабилността на атомите на химичните елементи. Известно е, че зарядът на ядрото на всеки атом е точно равен по големина на общия заряд на електроните в атома, така че пълният електричен заряд на атома е нула. При доближаване един до друг на два атома най-външните електрони от електронните обвивки и на двата атома влизат в общо взаимодействие с двете ядра. Това взаимодействие е причина за възникване на химичните връзки и за образуването на молекули. Също поради електромагнитно взаимодействие възникват и сили на привличане или отблъскване (в зависимост от разстоянието) и между неутрални молекули, които се наричат Ван дер Ваалсови сили. Електромагнитното взаимодействие има широко техническо приложение в енергетиката, електротехниката, електрониката, телекомуникациите. Тази важност на електромагнитното взаимодействие създава необходимостта от специалното му разглеждане в отделен дял от физиката, който се нарича електродинамика.

Гравитационното взаимодействие се нарича още всемирно привличане и се проявява в съществуването на сила на привличане между телата. Тази сила е пропорционална на масите на всяко от телата и обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях. Гравитационната сила е достатъчно голяма, че да оказва влияние при движението на телата, когато поне едно от тях има сравнително голяма маса и представлява например цяла планета, спътник на планета, звезда или др. небесно тяло. Между по-малки тела гравитационните сили са много малки и не се забелязват на фона на много пъти по-силните от тях електромагнитни или други сили.

Взаимодействието между тела се проявява не само при близък сблъсък и допир, но и когато телата се намират на разстояние. Дори и на разстояние и във вакуум има сили на привличане или отблъскване - гравитационни или електромагнитни. Това предаване на взаимодействието на разстояние става посредством друга, невеществена форма на материята, наричана поле. Около всяко тяло или частица, притежаващо свойство да участва в даден вид взаимодействие възниква поле от съответния вид -гравитационно, електромагнитно, ядрено. Полето съществува около едни тела и действа върху други тела, попадащи в него. Полето не само предава на разстояние взаимодействието от едно тяло на друго, но то може да съществува и да се разпространява и самостоятелно (пример: електромагнитните вълни или гравитационните вълни в космоса). Разделът от физиката, който изучава общите свойства на физическите полета се нарича теория на полето. От своя страна теорията на полето бива класическа и квантова. Класическата теория на полето, разглежда физическите полета като непрекъснати, променящи плавно свойствата си в пространството и времето. Тя намира приложение при изучаване на полета създавани от големи тела, състоящи се от огромен брой елементарни частици. Квантовата теория на полето е възникнала, защото е установено, че при взаимодействието между елементарни частици полето проявява прекъснат строеж и се състои от специфични за всеки вид поле образоувания (порции, кванти), представата за които съвпада с представата за частици. (Електромагнитното поле, например, се състои от фотони, а ядреното - от частици наречени π -мезони.)

Във физическата картина на света основна роля играе механичното движение на частиците или изградените от тях по-големи тела, което се състои в изменение на взаимното положение на телата в пространството с течение на времето. Механичното движение се изучава от механиката. Механиката, която изучава движението на елементарните частици се нарича квантова механика, а тази изучаваща движението на тела с много по-големи маси и малки скорости - класическа механика. Установено е, че освен от размерите (масите) на телата, закономерностите на движението зависят и от скоростта. При големи скорости, близки до скоростта на светлината, са открити по-особени закономерности, които са намерили обяснение благодарение на Специалната теория на относителността, предложена от немския физик Алберт Айнщайн. Движението на тела със скорости близки до скоростта на светлината се изучава от релативистката механика.

Със средствата на механиката могат да се изследват само системи състоящи се от малък брой тела. Броят на градивните частици, които влизат в състава на едно макроскопично тяло е толкова голям, че цялостно изследване на движението на всички частици, взети заедно е неосъществимо. Ето защо за изучаване свойствата на макроскопичните тела от гледна точка на техния строеж се прилагат методи за усредняване и за изследване не на движението на всички частици поотделно, а само на средния общ характер на съвкупното движение. Този начин на изучаване на макроскопичните тела, се нарича статистическа физика. Със средствата на статистическата физика се обясняват свойствата и явленията, които стават с макроскопичните тела, чрез особеностите на техния строеж. Тези свойства се оказват, качествено различни от свойствата, които се проявяват при механично движение и представляват интерес да бъдат изучавани не само със средствата на статистическата физика, а и отделно, на основата на опити и наблюдения. Особен интерес представляват състоянията, при които физичните величини, описващи изучаваните макроскопични системи, запазват постоянни стойности. Такива състояния се наричат състояния на термодинамично равновесие и се изучават от термодинамиката. Макроскопични системи, които не се намират в състояние на термодинамично равновесие се изучават във физическата кинетика.

Наред със споменатите до тук основни дялове във физиката има и специални раздели, изучаващи отделни явления или обекти, като например: физика на твърдото тяло, физика на полупроводниците, оптика, атомна физика, и т.н. в тези раздели се прилагат познатите от основните дялове методи и резултати, като се съставят и подлагат на експерименталана проверка теоретични модели на съответните явления.