Čime se to bavi fizika?

Kada bismo potražili u rječniku ili enciklopediji šta je to fizika, našli bismo da je to nauka koja proučava materiju i energiju te njihovo međudjelovanje. Međutim, šta to zapravo znači?

Riječ „fizika“ dolazi od starogrčke riječi physis, koja ima mnogo značenja, a jedno od njih je i priroda. Dakle, fizika bi trebala biti nauka koja proučava prirodu. Međutim, postoje još dvije nauke koje proučavaju prirodu – to su hemija i biologija. Zašto onda samo fizika ima ovakav naziv? Kao prvo, fizika je najstarija od tri nabrojane prirodne nauke. Fiziku, hemiju i biologiju zovemo prirodnim naukama. 

Zapravo, početke fizike nalazimo u drevnoj astronomiji: ljudi su još 3000 godina p.n.e proučavali kretanja nebeskih tijela, zvijezda i planeta. Iz tih prvobitnih proučavanja kretanja nebeskih tijela u drevnim civilizacijama Sumera, Mesopotamije, Egipta, Persije, Indije, Grčke i arapskog svijeta nastala je moderna fizika. Grčki filozof Demokrit je naslutio kako se nama opipljiv svijet sastoji iz sitnih čestica, atoma. Kasnije, moderna fizika će pokazati kako je Demokrit bio u pravu, ali će pokazati još nešto – da atom nije najmanja nedjeljiva čestica, nego da se sastoji od još manjih čestica. 

Prirodne nauke, kakve ih danas znamo – fizika, hemija i biologija, nastale su iz filozofije prirode međutim, hemija pa čak i biologija se na neki način naslanjaju se na znanje fizike te je mnoge stvari iz ove dvije nauke nemoguće razumjeti bez poznavanja fizike. 

Fizika često koristi neke pojmove, koje smo svi čuli, ali često ne znamo njihovo tačno značenje. Neki od tih osnovnih pojmova u fizici su materija, čestica, tijelo, kretanje, fizikalno polje i i fizikalni sistem.

Materija je zapravo sve ono što nas okružuje: drvo, zrak, voda, Sunčeva toplina, svjetlost, drugi ljudi, životinje. Osnovni oblici materije su supstanca ili tvar i fizikalno polje. Supstancu možemo neposredno osjetiti, što znači da je možemo opipati. Supstanca ima masu, što znači da je možemo izvagati. 

Recimo, komad magneta je supstanca, jedno jedinjenja metala željeza. Međutim, kada dva magneta primaknemo jedan drugom, oni će se privući ili odbiti, u ovisnosti kako su okrenuti jedan drugom. Mi ne možemo vidjeti niti opipati silu koja te magnete privlači ili odbija. Međutim, svjesni smo da između ta dva magneta postoji neko polje, koje slabi ako magnete udaljavamo jedan od drugoj. Na određenoj udaljenosti, ovi magneti se više neće međusobno privlačiti niti odbijati. Mi samo posredno možemo zaključiti da postoji nešto što djeluje između ta dva magneta, a to nešto nazivamo magnetno polje. Magnetno polje je primjer fizikalnog polja. 

Drugi primjer za fizikalno polje bi bio odnos Sunca i planeta u našem, Sunčevom sistemu: Sunce je zvijezda i veće je čak i od najvećih planeta našeg sistema kao što su Jupiter i Saturn. Zato što Sunce ima veliku masu, veću od svih planeta, ono drži Merkur, Veneru, Zemlju, Mars, Jupiter, Saturn, Uran i Neptun na okupu i te planete kruže oko Sunca. Zapravo, Sunce na planete djeluje silom gravitacije. Također, kako planeta Zemlja ima veću masu od svog prirodnog satelita Mjeseca, tako ona svojom gravitacijom privlači mjesec, ali i nas, koji imam mnogo manju masu od nje. Zato mi stojimo na Zemlji, ne lebdimo i zato jabuka pada na tlo. Polje u kojem se dešava ovakvo privlačenje tijela, nazivamo gravitaciono polje. Dakle fizikalno polje je nešto što ne možemo osjetiti čulima, ne možemo opipati, ali njegovo postojanje možemo utvrditi posredno, pomoću nekih instrumenata i uređaja.

Još neki oblici materije su  talasi te informacije.

Supstance se sastoje od čestica – od molekula i atoma. Atomi se sastoje od još manjih čestica, elektrona, protona i neutrona, a neutroni i protoni se sastoje od još manjih čestica koje zovemo kvarkovi. Kvarkovi se ne mogu dijeliti na još manje čestice.

Mi rastemo i razvijamo se. Također se krećemo. Sastavljeni smo od molekula i atoma. Dakle i mi smo oblik materije. Voda teče, a u hidrocentrala pokreće turbine pomoću kojih se u generatorima stvara električna struja, Dakle, materija se kreće i mijenja se: mi možemo narasti i promijeniti se, a također starimo i mijenjamo se. Kretanje vode se pretvorilo u električnu struju, a ako ta struja dođe do sijalice, pretvara se u svjetlost. Sunce nam daje svjetlosnu i toplotnu energiju, a hrana koju jedemo hemijsku energiju. Biljke mogu pretvarati Sunčevu energiju u hemijsku energiju. Za energiju kažemo da je to sposobnost tijela da vrši rad i ona je važan pojam u fizici. Međutim, energija je toliko komplikovana da ova definicija nije dovoljna da je objasni. Zapravo, fizičari još uvijek istražuju šta je to energija.

Međutim, iz ovoga vidimo da se sve na svijetu kreće. Kreću se i elektroni u atomu. Čak i kada mi mislimo da neko tijelo stoji, čestice unutar njega vibriraju. Zapravo, kada bi neko od nas morao opisati cijeli svijet u jednoj rečenici, ta rečenica bi bila: Sve se kreće. Druga rečenica kojom bismo mogli opisati supstancu jeste: Supstanca se sastoji od atoma.

Kada fizičari govore o predmetima, bez obzira kako oni bili jako mali ili jako veliki, oni obično kažu da je to neko tijelo. Fizičari će i za nevidljivu česticu reći da je tijelo, ali će to reći i za Sunce, za zvijezde veće od Sunca, kao što je to zvijezda Antares ili za planete. Tijelo, u fizikalnom smislu, dakle, fizikalno tijelo, je skup čestica tvari koje su povezane tako da se zajedno kreću tj. gibaju. Fizikalno tijelo može imati različita stanja: može biti tečno, čvrsto, ali može imati i neka svojstva: može biti nebesko tijelo, može biti elastično tijelo, može čak biti i aposlutno crno tijelo, ako upija svu energiju ili tačkasto tijelo, ako je jako malo.

Dakle, fizikalna tijela se sastoje od tvari. Recimo kocka leda je fizičko tijelo, a tvar od koje je napravljena je voda.  Magnet je tijelo, a tvar je magnetit. Zlatni prsten je tijelo, a tvar je zlato, a daska je fizikalno tijelo od tvari drveta. Tijela zauzimaju određen prostor i imaju određenu masu, a mogu se razlikovati u različitim svojstvima – mogu biti lagana ili teška, gusta ili manje gusta, mogu biti topla ili hladna, mogu se naelektrisati ili ne, mogu trajno promijeniti oblik, pa kažemo da su se deformisala, a mogu se i razbiti.

Upravo prema svojstvima tijela i tvari mi možemo vršiti određene podjele i poređenja, pa kažemo da se tijela i tvari mogu klasificirati i porediti.

Kada se tvari mijenjaju – bilo da mijenjaju svoj položaj, stanje, oblik, temperaturu kažemo da mijenjaju svoje stanje. Voda, kada se zaledi, prelazi u čvrsto stanje, a kada se zagrije, prelazi u gasovito stanje. Promjene svojstava i stanja tijela zovemo fizikalnim promjenama. Postoje i hemijske promjene, koje se događaju u hemijskim reakcijama, a u kojima se mijenja sastav tvari. Recimo, topljenje leda je fizička promjena, a rđanje željeza hemijska.

Na tvari i fizička tijela djeluju fizičke sile i to u svakom trenutku: na nas uvijek djeluje sila gravitacije, a atome drži na okupu nuklearna sila, dok su Sunčeva energija, privlačenje ili odbijanje magneta posljedice postojanja elektromagnetne sile. Kada fudbaler udari loptu, i lopta se počne kretati. Fizičari bi rekli da je došlo do međudjelovanja. Međudjelovanje tijela opisujemo silom. Sila je mjera međudjelovanja tijela.

Tvari zauzimaju određen prostor, pa kažemo da imaju zapreminu (volumen). Tako, recimo, čaša nikad nije prazna – ako u njoj nema tekućine, onda bar ima zraka. Kada uronimo tu naizgled praznu čašu u vodu, iz nje će početi izlaziti mjehurići zraka, a voda će početi ulaziti.

Kada fizičari kažu da je nešto fizikalni sistem, to znači da je to skup nekih tvari ili tijela kojeg čine dvije ili više tvari, odnosno, tijela. Sunčev sistem je jedan takav fizikalni sistem, dva magneta koji se privlače ili odbijaju također predstavljaju neki fizikalni sistem.

Fizika proučava jako male stvari, kao što su atomi i čestice koje čine atome, pa čak i još manje stvari, ali proučava i ogromne stvari kao što je svemir. Tako postoje različite grane fizike, kao što su mehanika, koja proučava kretanje, akustika, koja proučava zvuk, optika, koja proučava svjetlo, astrofizika koja proučava nebeska tijela, elektromagnetizam koji proučava električnu i magnetnu silu, nuklearna fizika, koja proučava jezgro atoma. Postoje još i relativistička mehanika, kvantna fizika, termodinamika, teorijska fizika i još neke grane fizike.