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. In quanto tale, è un’area di studio vasta e diversificata.

Per dargli un senso, gli scienziati hanno concentrato 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 a volte è suddivisa in due grandi categorie, basate sulla storia della scienza: fisica classica, che comprende studi che sono nati dal Rinascimento all’inizio del XX secolo; e Modern Physics, che include quegli studi che sono stati iniziati da quel periodo. Parte della divisione potrebbe essere considerata 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 per dividere la fisica è la fisica applicata o sperimentale (fondamentalmente, gli usi pratici dei materiali) contro la fisica teorica (la costruzione di leggi generali su come funziona l’universo).

Mentre leggi le diverse forme di fisica, dovrebbe diventare ovvio che c’è qualche sovrapposizione. Ad esempio, la differenza tra astronomia, astrofisica e cosmologia a volte può essere praticamente priva di significato. A tutti, cioè, tranne agli astronomi, agli astrofisici e ai cosmologi, che possono prendere molto sul serio le distinzioni.

Fisica classica

Prima della fine 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 19 (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 include 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 i pianeti, le stelle, le galassie, lo spazio profondo e l’universo. L’astronomia è una delle scienze più antiche, che utilizza la matematica, la fisica e la chimica per comprendere tutto ciò che è 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.
  • Fluidodinamica / Meccanica dei fluidi: Lo studio delle proprietà fisiche dei “fluidi”, specificatamente definiti in questo caso liquidi e gas.
  • Geofisica: Lo studio delle proprietà fisiche della Terra.
  • Fisica matematica: Applicazione di metodi matematicamente rigorosi per risolvere 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 ampliando 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 hanno dimensioni comprese tra nanometri e micrometri. Alcuni dei campi della fisica moderna sono:

  • Astrofisica: Lo studio delle proprietà fisiche degli oggetti nello spazio. Oggi l’astrofisica è spesso usata in modo intercambiabile con l’astronomia e molti astronomi hanno lauree in fisica.
  • Fisica atomica: Lo studio degli atomi, in particolare le proprietà elettroniche dell’atomo, distinto dalla fisica nucleare che considera solo il nucleo. In pratica, i gruppi di ricerca di solito studiano la 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, nanotecnologia e bioingegneria, come la derivazione della struttura del DNA dalla cristallografia a raggi X. Gli argomenti possono includere bioelettronica, nanomedicina, 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 grandi 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 / Criogenia / Fisica delle basse temperature: Lo studio delle proprietà fisiche in situazioni di bassa temperatura, molto al di sotto del punto di congelamento dell’acqua.
  • Cristallografia: Lo studio dei cristalli e delle strutture cristalline.
  • Fisica delle alte energie: Lo studio della fisica in sistemi energetici estremamente elevati, 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 del laser: Lo studio delle proprietà fisiche dei laser.
  • Fisica molecolare: Lo studio delle proprietà fisiche delle molecole.
  • Nanotecnologia: la scienza della costruzione di circuiti e macchine da singole molecole e atomi.
  • Fisica Nucleare: Lo studio delle proprietà fisiche del nucleo atomico.
  • Fisica delle particelle: Lo studio delle particelle fondamentali e delle forze della loro interazione.
  • Fisica del plasma: Lo studio della materia in fase plasmatica.
  • Elettrodinamica quantistica: Lo studio di come interagiscono elettroni e fotoni 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 particellari fondamentali.
  • Relatività: Lo studio dei sistemi che mostrano le proprietà della teoria della relatività di Einstein, che generalmente prevede lo spostamento 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 di energia unidimensionali, in un universo a più dimensioni.

Fonti e ulteriori letture

  • Simonyi, Karoly. “Una storia culturale della fisica”. Trans. Kramer, David. Boca Raton: CRC Press, 2012.
  • Phillips, Lee. “Gli infiniti enigmi 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”. Science & Education 21.6 (2012): 771–96. Stampa.