I diversi campi della fisica

La fisica è la branca della scienza che si occupa della natura e delle proprietà della materia non vivente e dell'energia che non sono trattate dalla chimica o dalla biologia e dalle leggi fondamentali dell'universo materiale. Come tale, è un'area di studio vasta e diversificata.

Per dargli un senso, gli scienziati hanno focalizzato la loro attenzione su una o due aree più piccole della disciplina. Ciò consente loro di diventare esperti in quel campo ristretto, senza impantanarsi nell'enorme volume di conoscenza che esiste riguardo al mondo naturale.

I campi della fisica

La fisica è talvolta suddivisa in due grandi categorie, basate sulla storia della scienza: la fisica classica, che comprende studi nati dal Rinascimento all'inizio del XX secolo; e la fisica moderna, che comprende quegli studi che sono stati iniziati da quel periodo. Parte della divisione potrebbe essere considerata in scala: la fisica moderna si concentra su particelle più piccole, misurazioni più precise e leggi più ampie che influenzano il modo in cui continuiamo a studiare e comprendere il modo in cui funziona il mondo.

Un altro modo di dividere la fisica è la fisica applicata o sperimentale (fondamentalmente, gli usi pratici dei materiali) rispetto alla fisica teorica (la costruzione di leggi generali su come funziona l'universo).

Mentre leggi le diverse forme della fisica, dovrebbe diventare ovvio che c'è qualche sovrapposizione. Ad esempio, la differenza tra astronomia, astrofisica e cosmologia a volte può essere praticamente insignificante. Per tutti, cioè, tranne gli astronomi, gli astrofisici e i cosmologi, che possono prendere molto sul serio le distinzioni.

Fisica classica

Prima della svolta del XIX secolo, la fisica si concentrava sullo studio della meccanica, della luce, del suono e del moto ondoso, del calore e della termodinamica e dell'elettromagnetismo. I campi della fisica classica che sono stati studiati prima del 1900 (e continuano a svilupparsi e ad essere insegnati oggi) includono:

• Acustica: Lo studio del suono e delle onde sonore. In questo campo, studi le onde meccaniche in gas, liquidi e solidi. L'acustica comprende applicazioni per onde sismiche, urti e vibrazioni, rumore, musica, comunicazione, udito, suono subacqueo e suono atmosferico. In questo modo, comprende le scienze della terra, le scienze della vita, l'ingegneria e le arti.
• Astronomia: Lo studio dello spazio, inclusi pianeti, stelle, galassie, spazio profondo e universo. L'astronomia è una delle scienze più antiche, usando la matematica, la fisica e la chimica per capire tutto al di fuori dell'atmosfera terrestre.
• Fisica chimica: Lo studio della fisica nei sistemi chimici. La fisica chimica si concentra sull'uso della fisica per comprendere fenomeni complessi su una varietà di scale dalla molecola a un sistema biologico. Gli argomenti includono lo studio delle nanostrutture o delle dinamiche di reazione chimica.
• Fisica computazionale: L'applicazione di metodi numerici per risolvere problemi fisici per i quali esiste già una teoria quantitativa.
• Elettromagnetismo: Lo studio dei campi elettrici e magnetici, che sono due aspetti dello stesso fenomeno.
• Elettronica: Lo studio del flusso di elettroni, generalmente in un circuito.
• Fluid Dynamics / Fluid Mechanics: Lo studio delle proprietà fisiche dei "fluidi", specificamente definiti in questo caso come liquidi e gas.
• Geofisica: Lo studio delle proprietà fisiche della Terra.
• Fisica matematica: Applicare metodi matematicamente rigorosi per risolvere i problemi all'interno della fisica.
• Meccanica: Lo studio del moto dei corpi in un quadro di riferimento.
• Meteorologia / Fisica meteorologica: La fisica del tempo.
• Ottica / fisica della luce: Lo studio delle proprietà fisiche della luce.
• Meccanica statistica: Lo studio di sistemi di grandi dimensioni espandendo statisticamente la conoscenza di sistemi più piccoli.
• Termodinamica: La fisica del calore.

Fisica moderna

La fisica moderna abbraccia l'atomo e le sue parti componenti, la relatività e l'interazione delle alte velocità, la cosmologia e l'esplorazione dello spazio e la fisica mesoscopica, quei pezzi dell'universo che cadono di dimensioni tra nanometri e micrometri. Alcuni dei campi della fisica moderna sono:

• Astrofisica: Lo studio delle proprietà fisiche degli oggetti nello spazio. Oggi l'astrofisica viene spesso usata in modo intercambiabile con l'astronomia e molti astronomi hanno gradi di fisica.
• Fisica atomica: Lo studio degli atomi, in particolare le proprietà degli elettroni dell'atomo, distinti dalla fisica nucleare che considera il solo nucleo. In pratica, i gruppi di ricerca di solito studiano fisica atomica, molecolare e ottica.
• Biofisica: Lo studio della fisica nei sistemi viventi a tutti i livelli, da singole cellule e microbi ad animali, piante e interi ecosistemi. La biofisica si sovrappone alla biochimica, alla nanotecnologia e alla bioingegneria, come la derivazione della struttura del DNA dalla cristallografia a raggi X. Gli argomenti possono includere bioelettronica, nano-medicina, biologia quantistica, biologia strutturale, cinetica enzimatica, conduzione elettrica nei neuroni, radiologia e microscopia.
• Caos: Lo studio di sistemi con una forte sensibilità alle condizioni iniziali, quindi un leggero cambiamento all'inizio diventa rapidamente importanti cambiamenti nel sistema. La teoria del caos è un elemento della fisica quantistica e utile nella meccanica celeste.
• Cosmologia: Lo studio dell'universo nel suo insieme, comprese le sue origini ed evoluzione, incluso il Big Bang e come l'universo continuerà a cambiare.
• Criofisica / Criogenica / Fisica delle basse temperature: Studio delle proprietà fisiche in situazioni a bassa temperatura, molto al di sotto del punto di congelamento dell'acqua.
• Cristallografia: Lo studio di cristalli e strutture cristalline.
• Fisica ad alta energia: Lo studio della fisica in sistemi a energia estremamente elevata, generalmente nell'ambito della fisica delle particelle.
• Fisica ad alta pressione: Lo studio della fisica in sistemi ad altissima pressione, generalmente legati alla fluidodinamica.
• Fisica laser: Lo studio delle proprietà fisiche dei laser.
• Fisica molecolare: Lo studio delle proprietà fisiche delle molecole.
• nanotecnologie: la scienza della costruzione di circuiti e macchine a partire da singole molecole e atomi.
• Fisica Nucleare: Lo studio delle proprietà fisiche del nucleo atomico.
• Fisica delle particelle: Lo studio delle particelle fondamentali e le forze della loro interazione.
• Fisica del plasma: Lo studio della materia nella fase plasmatica.
• Elettrodinamica quantistica: Lo studio di come elettroni e fotoni interagiscono a livello di meccanica quantistica.
• Meccanica quantistica / Fisica quantistica: Lo studio della scienza in cui i più piccoli valori discreti, o quanti, di materia ed energia diventano rilevanti.
• Ottica quantistica: L'applicazione della fisica quantistica alla luce.
• Teoria quantistica dei campi: L'applicazione della fisica quantistica ai campi, comprese le forze fondamentali dell'universo.
• Gravità Quantistica: L'applicazione della fisica quantistica alla gravità e l'unificazione della gravità con le altre interazioni fondamentali delle particelle.
• Relatività: Lo studio di sistemi che mostrano le proprietà della teoria della relatività di Einstein, che generalmente implica muoversi a velocità molto vicine alla velocità della luce.
• Teoria delle stringhe / Teoria delle superstringhe: Lo studio della teoria secondo cui tutte le particelle fondamentali sono vibrazioni di stringhe unidimensionali di energia, in un universo di dimensioni superiori.

Fonti e ulteriori letture

• Simonyi, Karoly. "Una storia culturale di fisica". Trans. Kramer, David. Boca Raton: CRC Press, 2012.
• Phillips, Lee. "I rompicapo infiniti della fisica classica." Ars Technica, 4 agosto 2014.
• Teixeira, Elder Sales, Ileana Maria Greca e Olival Freire. "La storia e la filosofia della scienza nell'insegnamento della fisica: una sintesi di ricerca di interventi didattici." Educazione scientifica 21,6 (2012): 771-96. Stampa.