Fyzika

Fyzika (z řeckého φυσικός (fysikos): přírodní, ze základu φύσις (fysis): příroda, přirozenost, archaicky též silozpyt) je exaktní vědní obor, který zkoumá zákonitosti přírodních jevů. Popisuje vlastnosti a projevy hmoty, antihmoty, vakua, přírodních sil, světla i neviditelného záření, tepla, zvuku atd. Vztahy mezi těmito objekty fyzika obvykle vyjadřuje matematickými prostředky. Mnoho poznatků fyziky je úspěšně aplikováno v praxi, což významně přispívá k rozvoji civilizace.

Fyziku lze velmi obecně rozdělit podle metod na teoretickou fyziku, experimentální fyziku, numerické simulace a aplikovanou fyziku. Teoretická fyzika se snaží vyvodit z matematických objevů a experimentálních výsledků obecnější platnost zákonů a určit teoretické hranice jejich platnosti. Cílem experimentální fyziky je potvrzení nebo vyvrácení existující teorie. Často přitom dochází k jiným novým objevům. Numerické simulace umožňují udělat si představu o důsledcích přírodních zákonů za daných podmínek a dávají předpovědi ověřitelné pozorováním. Aplikovaná fyzika vychází z potřeb praxe. Její rozvoj je motivován potřebami z výroby, lidské spotřeby a z potřeby ochrany životního prostředí. Hranice mezi tímto dělením nejsou striktní. Příkladem metody a přechodu mezi experimentální a teoretickou fyzikou, při níž se využívají poznatky z vědy o informatice je modelování fyzikálních stavů a dějů s pomocí informačních technologií.

Následující tabulka je přehledem mnoha oborů a podoborů fyziky společně s teoriemi a tématy, které zahrnují. V mnoha případech se podobory prolínají několika různými obory, proto je třeba brát přehled jen jako orientační.

Fyzika se někdy označuje jako věda fundamentální. Kdybychom disponovali neomezenou výpočetní silou, celá chemie by se redukovala na řešení rovnic kvantové teorie. Skutečnost je ale taková, že přímé výpočty ze základních rovnic jsou dnes proveditelné jen pro jednodušší případy. Proto chemie vychází z fyziky jen částečně. Obdobný vztah (přinejmenším podle redukcionistického pohledu) platí pro biologii, ale protože biologické systémy jsou ještě složitější, přímé výpočty jsou ještě méně praktické. Na pomezí mezi fyzikou, biologií a chemií leží biofyzika. Kromě výpočtů chování molekul mají velké uplatnění v biologii i lékařství zobrazovací metody založené na složitějších fyzikálních základech (NMR, PET, spektroskopie a další).

Fyzika těsně souvisí s astronomií.

Měřitelné fyzikální koncepty jsou v mozku vnímány jinak než ty neměřitelné.^[1]

Počátky fyziky lze hledat ve starověku. Fyzika převážně patřila do filozofie, rozvíjela se kosmologie. Převažující metodou poznání byla úvaha a pozorování. Aristotelova fyzika tak odpovídá přirozené, vypozorované zkušenosti – vržený předmět se zastaví, těžké předměty padají dolů, lehké míří nahoru. (Přestože v porovnání se současnou mechanikou se taková teorie zdá úplně špatná, v určitém smyslu pořád platí – je limitou mechaniky ve viskózním prostředí). Výjimkou značně předbíhající dobu byl Archimédés, který prováděl experimenty a odvodil některé přesné kvantitativní zákony.

Aristotelovo učení se stalo vrcholem poznání na tisíc let. Pokroků v chemii a astronomii dosáhli arabští učenci, ale ve fyzice vývoj nastal teprve v renesanci. V Itálii Galileo Galilei začal systematicky provádět experimenty, což se stalo základem rozvoje fyziky a vědecké metody vůbec. Galilei také odvodil některé výsledky v mechanice, mimo jiné princip relativity. V astronomii Mikuláš Koperník navrhl heliocentrický systém a Johannes Kepler odvodil zákony pohybu nebeských těles. René Descartes a další položili základy pozdější matematizace fyziky (kartézské souřadnice).

Ke konci 17. stol. Isaac Newton vydává asi nejvýznamnější dílo v dějinách fyziky vůbec Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Matematické základy filozofie přírody). Ustavuje exaktní vědu, která znamená kvalitativní přelom v metodě vědeckého poznání, zavádí jiný (diskrétní) filtr poznání, než je filtr přirozeného lidského poznání, jímž je vágnost. Dává tak vědě převratně účinný nástroj. Znamená to, že reálný svět může být modelován exaktním světem, jinak řečeno, věda matematizována. Newton pro účely tehdejší mechaniky vytváří nový typ jazyka (exaktní jazyk) - matematický aparát, teorii fluxí, trochu nemotorný, ale funkční infinitezimální počet (tj.integrál a derivace).Též tak nezávisle na něm, z jiných pohnutek, činí Leibniz. Newton matematicky formuluje zákony pohybu, které jsou základem klasické mechaniky až do 20. století. V jednotném rámci s mechanikou formuluje univerzální (platný nejen pro pozemské podmínky, ale pro vesmír) zákon gravitace a odvozuje z něj Keplerovy zákony.

Klasickou mechaniku rozvíjejí Joseph Louis Lagrange, William Rowan Hamilton, Leonhard Euler, Pierre Simon de Laplace a další. Úspěšně popisují mechaniku tekutin.

Charles-Augustin de Coulomb, Alessandro Volta a André-Marie Ampère studují elektrické jevy. Hans Christian Ørsted objevuje magnetické účinky elektrického proudu. Michael Faraday objevuje indukci. V druhé polovině 19. století James Clerk Maxwell přichází s teorií elektromagnetického pole, která spojuje a vysvětluje veškeré elektrické a magnetické jevy. Jako důsledek teorie předpovídá elektromagnetické vlny, a přivádí tak na stejný základ i optiku. Předpověď experimentálně ověřil Heinrich Rudolf Hertz.

Roku 1895 Wilhelm Conrad Röntgen objevuje „paprsky X“ (rentgenové záření), o rok později Henri Becquerel objevuje radioaktivitu, o další rok později Joseph John Thomson objevuje elektron. Pierre Curie a Marie Curie-Skłodowská studují jáchymovské radium. Vzniká tak jaderná fyzika.

V zázračném roce 1905 Albert Einstein zveřejňuje speciální teorii relativity, popisující chování časoprostoru při rychlostech větších než malých (časoprostorovou interpretaci STR popsal Hermann Minkowski). Kvantově vysvětluje fotoefekt – Einstein byl první, kdo vzal kvanta vážně. Další přelomovou práci Einsteina bylo vysvětlení Brownova pohybu pomocí statistické fyziky. Poslední Einsteinův článek zázračného roku se věnoval ekvivalenci hmotnosti a energie, z čehož vznikl známý vztah E=mc². O desetiletí později pak Einstein představuje obecnou teorii relativity, geometrickou relativistickou čtyřrozměrnou teorii gravitace.

Koncem 19. století se objevily problémy, které se nedaly vysvětlit tehdy známou (klasickou) mechanikou. Mezi ně patřilo spektrum záření absolutně černého tělesa, fotoelektrický jev a vztahy mezi polohami spektrálních čar prvků. Počátkem 20. století spektrum černého tělesa bylo odvozeno Planckem a chováni fotoefektu vysvětleno Einsteinem pomocí kvantové hypotézy. Niels Bohr a další vysvětlili diskrétní spektra prvků tím, že použili tuto hypotézu ke zlepšení modelu atomu. Ucelené teorie kvantové mechaniky ve dvacátých letech formulovali Werner Heisenberg („maticová mechanika“) a Erwin Schrödinger („vlnová mechanika“), který dokázal ekvivalenci obou přístupů. Teorii značně zdokonalili Paul Dirac a John von Neumann.

Souběžně s kvantovou mechanikou se fyzici snažili popsat kvantově i pole. V jazyce kvantové teorie pole se pak na přelomu 20. století podařilo popsat elektromagnetismus, o což se zvláště zasloužili Richard Feynman a Julian Schwinger. V druhé polovině 20. století pak byla v rámci jedné teorie popsána i slabá a silná interakce, a zároveň předpovězena či vysvětlena existence mnoha elementárních částic. Současnou všeobecně uznávanou teorií elementárních částic a interakcí je standardní model.

Rozvíjela se také kosmologie – naprostá většina současných teorií vychází z hypotézy velkého třesku a obvykle i z inflace. Aplikace fyziky plazmatu na raný vesmír umožnila testovat některé kosmologické hypotézy pomocí reliktního záření.

Poněkud stranou zájmu široké veřejnosti se vývoj odehrával také ve fyzice pevných látek a statistické fyzice. Obě oblasti se zabývají kvantovým popisem systémů mnoha částic, a tedy i projevy kvantového chování na makroskopické úrovni (významné zejména u jevů zkoumaných fyzikou nízkých teplot). Tento směr fyzikálního výzkumu měl a dosud má ohromný vliv na techniku a materiálové aplikace. Příkladem mohou být nové obory jako spintronika nebo metamateriálové technologie. Kromě toho ve fyzice pevných látek vznikla i řada teoretických konceptů, které našly uplatnění např. při sjednocování interakcí.

Na pomezí fyziky, matematiky a počítačové vědy od 70. let 20. století vznikl nový směr poznání, nazývaný teorie chaosu. Předmětem zkoumání jsou fraktály a nelineární systémy.

UNESCO vyhlásilo rok 2005 Světovým rokem fyziky.

(c) ESA/Hubble, CC BY 4.0

Poznámka: Oproti popisu historického vývoje má tento oddíl nutně spekulativnější charakter, přestože je tato problematika předmětem mnoha zejména populárně-vědeckých článků i monografií.^[2][3][4][5]

Významná část teoretických fyziků považuje za obecný cíl snažení fyziky jednotný popis fyzikálních jevů, nejlépe v rámci jedné teorie (teorie všeho, finální teorie atp.). Z tohoto pohledu je největším problémem soudobé fyziky rozpor mezi standardním modelem, popisujícím tři interakce v rámci kvantové teorie pole, a Einsteinovou obecnou teorií relativity, popisující nekvantově čtvrtou interakci – gravitaci. Pokusy o nalezení konzistentní kvantové teorie gravitace (s nadsázkou nazývané „teorie všeho“), která by byla aplikovatelná pro mikrosvět i makrosvět a přinášela jednoznačné experimentálně ověřitelné výsledky, se dosud vytvořit nepodařilo.

Jedním z nadějných kandidátů na rámec, ve kterém kvantovou teorii gravitace bude možné formulovat, je teorii strun. Teorie strun se rozvíjí přibližně od 80. let 20. století a je nezpochybnitelné, že matematický aparát udělal ohromný krok kupředu. Na druhou stranu, teorie strun rozhodně není hotová. Pesimisté pochybují o vztahu současné teorie strun k realitě a vytýkají jí např. nedostatek nových testovatelných předpovědí.^[6]

Kromě tohoto hlubokého a velmi a velmi abstraktního problému existuje řada dalších otevřených problémů, z nichž některé mohou souviset. Některé z nich jsou natolik kontroverzní, že část fyziků vůbec zpochybňuje, že otázka patří do fyziky.

• „Fyzika mimo standardní model“ – supersymetrie, vysvětlení parametrů std. modelu. Přestože je standardní model všeobecně uznáván, má problémy s vysvětlením některých jevů a některé jeho předpovědi nejsou dosud ověřené experimentálně.
• Problémy v kosmologii a astrofyzice – otázka temné hmoty a temné energie, detaily popisu akrečních disků, fyziky černých děr (problém entropie), „nestandardních“ neutronových hvězd (kvarková hvězda, hyperonová hvězda), záblesků gama záření.
• Interpretace kvantové mechaniky – vztah kvantové teorie a „běžně vnímaného“ makroskopického světa není ani po mnoha desetiletích jasný. Nemusí zde jít pouze o filozofické interpretace kvantových jevů, ale i o výsostně fyzikální teorie kvantových korelací a dekoherence a o výzkum se širokým aplikačním potenciálem, jako je kvantová kryptografie, kvantová teleportace apod.
• Šipka času – otázka, jak souvisí preferovaný směr času z hlediska statické fyziky, kosmologie a času, který vnímáme? Existují stroje času?

Mezi otevřené problémy nemusí spadat jen vysoce abstraktní teoretické a filozofické otázky. Příkladem konkrétního fyzikálního jevu probíhajícího na Zemi a v běžných rozměrech (ani mikroskopických, ani astronomických) a přitom po několik staletí odolávajícího fyzikálnímu či fyzikálně chemickému vysvětlení je kulový blesk.

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Physics na anglické Wikipedii.

• KRAUS, Ivo, ZAJAC, Štefan. Česká a slovenská fyzika 1945–2005. Academia: Praha, 2020. ISBN 978-80-200-3134-1
• HOFMANN JAROSLAV, URBANOVÁ MARIE. Fyzika I, verze 1.0 [online]. VŠCHT v Praze, 2005. Dostupné online. 
• MAŠKA, Otokar. Přehled fysiky. I. díl: Mechanika, astronomie, thermika. 8. vyd. Brno: Barvič a Novotný, 1942. 96 s. 

• Fyzikální konstanty
• Fyzikální olympiáda

• Obrázky, zvuky či videa k tématu fyzika na Wikimedia Commons
• Téma Fyzika ve Wikicitátech
• Téma Fyzik ve Wikicitátech
• Slovníkové heslo fyzika ve Wikislovníku
• Kniha Kategorie:Fyzika ve Wikiknihách
• Kategorie Fyzika ve Wikiverzitě
• Téma Fyzika v Polytematickém strukturovaném hesláři Národní technické knihovny
• Encyklopedické heslo Fysika v Ottově slovníku naučném ve Wikizdrojích
• FYZWEB – fyzika pro každého
• Multimediální Encyklopedie Fyziky (MEF)
• Archiv článků z různých oblastí fyziky
• Skripta a další texty z různých oblastí matematiky a fyziky
• Maturitní otázky a referáty z fyziky pro střední školy – online Archivováno 10. 6. 2020 na Wayback Machine.