Карта физики Доминика Валлимана

Удивительную карту физики создал блогер Доминик Валлиман. На ней он показал весь путь развития физики от Ньютона до наших дней.

Физика – наука подчас загадочная, непонятная, даже парадоксальная, предстает перед нами в виде яркой выразительной иллюстрации.

Карта физики эмоционально озвучена самим автором.

Скачать карту физики в оригинале можно здесь.

Скачать карту физики в переводе на русский язык здесь.

Далее приводится перевод и краткие комментарии к физическим терминам.

Физика – это широкая научная область, охватывающая различные аспекты нашей жизни, начиная с галактик и заканчивая субатомными частицами. И если вы не разбираетесь в физике, это сложно иногда увидеть, как все эти вещи связаны друг с другом. И это моя попытка показать все в виде карты, карты физики. Надеюсь, вам понравится.

Физика может быть разбита на три основные части:

Классическая физика

Квантовая физика

Теория относительности

Начнем с классической физики, и лучше всего начать с Исаака Ньютона.

Классическая механика – наука о механическом движении любых материальных тел (кроме микрочастиц)  со скоростями малыми по сравнению со скоростью света и взаимодействия между ними. В основе классической механики лежат законы Ньютона.

Его законы механики описывают, как движутся материальные объекты, а его закон всемирного тяготения связывает движение планет в космосе с падением предметов на Земле в единую элегантную теорию. Также он ввел математический анализ, крайне важный раздел математики, использовавшийся на протяжении веков для новых исследований в физике.

Математический анализ – совокупность разделов математики, посвященных исследованию функций методами дифференциального и интегрального исчислений.

Конечно же, математический анализ является частью математики, но физика и математика неразделимы. Математика – это язык физики. Можете считать ее фундаментом, на котором построен мир физики. Ньютон также был успешен и в области оптики, физики света, и о том как он проходит через различные материалы.

Оптика – раздел физики, в котором исследуются процессы излучения света, его распространение в различных средах и взаимодействие света с веществом.

Она объясняет преломление в призмах и линзах, использующиеся для фокусировки света в телескопах, микроскопах и камерах. Телескопы позволили нам взглянуть в глубины космоса и наблюдать за массой различных объектов, развить физику и космологию. Оптика тесно связана с теорией волн, описывающая как энергия проходит расстояние через возбуждение среды, как рябь на поверхности пруда или звук в воздухе.

Свету не нужна среда для распространения, он может распространяться в вакууме космоса, но он подчиняется тем же принципам, что и все волны, а именно: отражение, преломление и дифракция. Это подводит нас к электромагнетизму: описанию магнитов, электричества или, точнее, электрических и магнитных полей.

Электромагнетизм – это область изучения фундаментального взаимодействия, в котором участвуют частицы, имеющие электрический заряд (или магнитный момент).

Физик Джеймс Клерк Максвелл открыл, что они проявления одной и той же сущности. И вывел изумительно элегантные законы электромагнетизма и теоретизировал, что свет – это электромагнитная волна. Электромагнетизм также объясняет все электрические явления.

Возвращаясь немного назад, классическая механика связана с законами Ньютона и охватывает свойства и движение твердых тел, как они движутся под воздействием сил, что происходит, когда они сцеплены друг с другом, как в шестернях, зданиях или мостах.

Гидродинамика описывает движение жидкостей и газов. Используя гидродинамику можно вычислить подъемную силу крыла самолета или насколько аэродинамична ваша машина. Гидродинамика довольно трудная, в основном, из-за того движения таких мелких объектов, как молекулы, усложняется очень быстро, что подводит нас к теории хаоса.

Теория хаоса – это описание больших сложных систем и того, как малые изменения в начальных условиях могут привести к совершенно различным последствиям.

Термодинамика – это описание энергетических процессов, как энергия перетекает из одного состояния в другое. Она включает в себя энтропию, мера порядка и беспорядка, и, в принципе, рассказывает, насколько полезны различные типы энергии. Энергия – фундаментальное понятие в физике, и хотя я написал «энергия» здесь, надо было написать это везде на этой карте, поскольку у всего есть энергия.

Итак, это вся классическая физика, картина Вселенной до 1900-х годов. Она говорила нам, что мы живем во Вселенной, в которой все работает как часы. Если бы вы могли измерить все с необходимой точностью, будущее было бы предопределено. Однако не все было решено, было несколько пробелов в экспериментах, которые намекали на что-то еще. Движение Меркурия немного быстрее, и странные вещи случались в малых масштабах с электронами и светом. Они не имели объяснения. Физики того времени думали, что они разрешат и объяснят их довольно скоро, но вместо этого вскрыли огромные новые области теории относительности и квантовой механики и перевернули наше представление о Вселенной с ног на голову.

Альберт Эйнштейн – гений, развивший теории специальной и общей относительности. Специальная теория относительности предсказывает, что скорость света постоянна для всех наблюдателей, что означает, если вы двигаетесь очень быстро, странные вещи начинают происходить вокруг, например замедляется ход времени. Также она заявляет, что энергия и материя – две стороны одной медали, знаменитая формула E=mc².

Общая теория относительности говорит, пространство и время – части одной ткани реальности, пространства-времени, а гравитация – результат искривления пространства-времени материальными телами, заставляющий остальные тела притягиваться к ним. В то время как теория относительности описывала «очень большие» явления, другие физики были заняты описанием «очень маленьких», в мире квантовой физики.

Атомная теория исследовала природу атома и давала все более детальное описание атому. Начиная с крохотной сферы, к электронам движущиеся по орбитам, к энергетическим уровням и, наконец, электроны, которые являются волноподобными распределениями заряда.

Физика конденсированного состояния описывает квантовую физику многочисленных атомов в твердых телах и жидкостях, многие замечательные технологии появились отсюда, как компьютеры, лазеры и квантовая информатика.

Физика конденсированного состояния – одно из направлений физики, где изучается поведение сложных систем (систем с большим числом степеней свободы) с сильной связью.

Ядерная физика описывает поведение атомного ядра, радиацию, распад ядер, расщепление атомов, используемое на атомных станциях, слияние ядер, происходящее на Солнце, и, надеюсь в скором будет использоваться здесь, на Земле.

Физика элементарных частиц проникает еще глубже в исследование субатомных частиц, из которых все и сделано и описывается в Стандартной модели элементарных частиц.

Квантовая теория поля собирает в себе всю квантовую физику, соединяет ее со специальной теорией относительности, и это лучшее описание Вселенной, которое у нас есть.

К сожалению, квантовая теория поля не включает в себя гравитацию, и физики не знают, как соединить квантовую теорию с общей теорией относительности, что приводит нас к пропасти незнания.

Однажды, в будущем, мы надеемся закрыть пропасть и прийти к теории всего, называемой теорией квантовой гравитации.

Теорией квантовой гравитации – направление исследования в теоретической физике, целью которого является квантовое описание гравитационного взаимодействия.

Многочисленные попытки сделать это, например: Теория струн, петлевая квантовая гравитация, есть и другие. Но квантовая гравитация не единственная вещь, которую мы видим, но не можем понять.

Существую также важные загадки темной энергии и темной материи, из которых, кажется, состоит 95% Вселенной. Вся наша физика описывает всего 5% о существовании чего мы знаем, все остальное на данный момент – загадка. И еще есть множество других загадок, ка Большой Взрыв, и, без сомнений, есть вещи, про которые мы даже не знаем, что не знаем. Что приводит к облаку тумана, летающее над всей физикой – философии.

Хотя многие физики смеются над философией, это серьезные философские  вопросы, мотивирующие многих, например: «Какова фундаментальная природа реальности?», «Почему же Вселенная существует?», «Если у нас свобода, если мы сделаны из физики?», «Откуда мы знаем, что то, как мы занимаемся физикой и другими науками, приводит нас к фундаментальной правде Вселенной?» и, просто, «Почему физика такая, какая она есть?». Это все серьезные вопросы, на которые, возможно, мы никогда и не ответим. Но нет причин сдаваться, в конце концов, физики не трусы. И это была карта физики.