Fizikia

Fizikia (kutoka neno la Kigiriki φυσικός, physikos, "ya kimaumbile", ambalo tena linatokana na φύσις, physis, "umbile") ni fani ya sayansi inayohusu maumbile ya ulimwengu, hususan asili ya dunia na viumbe vyote.

Sumaku ikielea juu ya kipitishiumeme kikuu kuonyesha Ifekti ya Meissner.

Ni taaluma yenye kushughulika na maada na uhusiano wake na nishati.^[1][2][3]

Fizikia imetoa mchango mkubwa katika sayansi, teknolojia na falsafa.^[4]

Utangulizi

Tangu nyakati za kale, wanafalsafa wa asili walijaribu kufafanua mafumbo ya ulimwengu, kama vile mienendo ya sayari na asili ya maada. Mwanzoni, mwelekeo huu ulijulikana kama Fizikisi (kutoka neno la Kiingereza Physics, lililoandikwa Physike kuiga matumizi ya Aristotle).

Kuibuka kwa Fizikia kama tawi huru la sayansi lililotengana na falsafa ya asili kulitokana na mapinduzi ya kisayansi ya karne ya 16 na 17, na kuendelea hadi hatua ya mwanzo ya sayansi ya kisasa mwanzoni mwa karne ya 20.

Fani hii imeendelea kupanuka sambamba na ukuaji wa utafiti, uliosababisha ugunduzi mbalimbali kama vile modeli rahisi ya chembe za kimsingi na maelezo yaliyopanuka kuhusu historia ya ulimwengu. Vilevile, imechangia katika mageuzi ya teknolojia mpya, kama utengenezaji wa silaha za nyuklia na semikonda.

Kwa sasa, utafiti unaendelea katika maeneo makubwa ya kimajaribio, ikiwa ni pamoja na utafiti juu ya upitishaji umeme katika joto la juu, ukokotoaji wa kikwantamu, utafutaji wa chembe ya Higgs Boson, na juhudi za kuendeleza nadharia ya mvutano wa kikwantamu. Fani hii imejengwa juu ya mitazamo, mbinu, na mkusanyiko wa nadharia zinazothibitishwa kwa misingi imara ya kihesabu.

Ugunduzi wa kisayansi umeathiri kwa upana nyanja zote za Sayansi Asilia. Fizikia hujulikana kama Sayansi ya Msingi, kwa kuwa sayansi nyingine kama Kemia na Biolojia huchunguza mifumo ambayo tabia zake hutegemea kanuni za Fizikia.

Kwa mfano, Kemia ni sayansi inayojihusisha na dutu zinazoundwa na atomi na molekuli, lakini tabia za kampaundi za kikemia hutegemea tabia za kimaumbile za molekuli zinazoziunda.

Fizikia ya vitendo inahusiana kwa karibu na uhandisi na teknolojia. Mwanafizikia anayefanya utafiti wa msingi huelekeza juhudi zake katika kubuni mifano ya kinadharia na kufanya majaribio kwa kutumia vifaa maalumu, kama vile vizuia mwendo wa chembe na biru. Kwa upande mwingine, mwanafizikia anayejikita katika matumizi hubuni teknolojia kama vile Upigaji Picha kwa Mwondoano wa Sumaku (kwa Kiingereza MRI, Magnetic Resonance Imaging) na aina mbalimbali za transista.

Fizikia ya kinadharia ina uhusiano wa karibu na Hisabati, ambayo hutoa lugha ya kuelezea nadharia za kimaumbile. Mara nyingi, hatua ya mwanzo katika nadharia ni kuchunguza na kuelewa uhusiano unaojitokeza katika ulimwengu kwa namna inayolingana na yale yanayotendeka. Hatua nyingine muhimu ni kuweka mahusiano hayo katika mfumo wa kihesabu.

Matumizi ya hisabati ndani ya nadharia huakisi dhana za kimawazo, katika mchakato wa kufikia hitimisho muhimu kupitia misingi rasmi ya ukokotoaji.

Hata hivyo, nafasi ya hisabati katika Fizikia ya Kinadharia mara nyingi husababisha hali ambayo mwanafizikia anaweza kukabili changamoto za kihesabu, na wakati mwingine hitaji la hesabu halilingani na hali halisi ya kimaumbile.

Mwanafizikia wa kinadharia pia hutumia uchanganuzi wa kinamba na uigaji wa mifumo kwa kutumia kompyuta ili kuona na kufasiri matokeo. Kwa sababu hii, kompyuta na uundaji programu zimekuwa nyenzo muhimu katika kutengeneza modeli za kimfumo.

Kwa kweli, uwanja wa Hisabati na Uigaji wa Kikompyuta ni mojawapo ya maeneo yenye utafiti wenye msukumo mkubwa.

Fizikia ya kinadharia mara nyingi pia huhusiana na falsafa na metafizikia, hasa inapojadili mawazo ya nadharia za mazingira yaliyopanuliwa, kama vile nafasi zenye vipimo vingi na dhana za uwepo wa ulimwengu sambamba.

Nadharia

Atomu za haidrojeni chache za kwanza obiti za elektroni zilizooneshwa kwa sura ya mkatizo zikiwa zimetiwa rangi alama densiti ya uwezekanivu.

Ingawaje mwanafizikia husoma aina mbalimbali za mafumbo ya maisha, kuna baadhi ya nadharia zinazotumika kwa wanafizikia wote. Kila moja kati ya hizi nadharia imejaribiwa kwa idadi ya vitendo na kuhakikishwa makadirio sahihi ya asili iliyopo ndani ya mizingo yenye kubadilika umakini. Kwa mfano, nadharia ya utafiti.

Historia

Astronomia inatajwa kuwa sayansi ya kale zaidi. Jamii za mwanzo zilizostaarabika, kama Wasumeri, Wamisri wa kale, na jamii zilizokuwa kwenye eneo la Uwanda wa Mto Indus takriban miaka 3000 KK, zilikuwa na uelewa juu ya maarifa ya kutabiri mienendo ya jua, mwezi na nyota. Nyota na mwezi mara nyingi zilichukuliwa kama alama za kidini.

Ingawa maelezo ya matukio hayo mara nyingi hayakuwa ya kisayansi, na mara nyingi yalikuwa na upungufu wa uthibitisho, maono hayo ya enzi hizo ndiyo yaliyojenga msingi wa maendeleo ya baadaye ya astronomia.

Kwa mujibu wa Asger Aaboe, chanzo cha astronomia ya Kimagharibi kinapatikana Mesopotamia, na juhudi zote za watu wa Magharibi kuelekea sayansi ya uhalisia zimerithiwa kutoka astronomia ya kale ya Kibabuloni.

Wanaastronomia wa Misri walitoa michoro kwenye makaburi na kumbukumbu nyingine kuhusu makundi ya nyota na mienendo ya miili mingine ya angani..^[5][6][7]

Homer, mshairi mashuhuri wa Ugiriki wa kale, aliandika katika Iliad na Odyssey kuhusu miili mbalimbali ya angani. Baadaye, wanaastronomia wa Kigiriki waliyapa majina makundi mengi ya nyota yanayoonekana katika eneo la kizio cha kaskazini cha dunia, majina ambayo bado yanatumika hadi leo.

Falsafa ya asili

Falsafa ya asili ina chimbuko lake nchini Ugiriki katika kipindi cha kale (takriban 650 KK – 480 KK), ambapo wanafalsafa wa kabla ya Sokrates, kama Thales, walikataa maelezo yasiyo ya kiasili kuhusu matukio ya kimaumbile. Walisisitiza kwamba kila tukio lina sababu ya kiasili.

Walidai kwamba mawazo lazima yathibitishwe kwa hoja makini na kwa uangalizi wa moja kwa moja. Nadharia nyingi walizopendekeza baadaye zilibainika kuwa sahihi kupitia majaribio mbalimbali. Kwa mfano, wazo la atomi lilithibitishwa karibu miaka 2000 baada ya kupendekezwa kwa mara ya kwanza na Leucippus na mwanafunzi wake Democritus.^[8]

Fizikia ya zamani

Isaac Newton (1643–1727) aliweka wazi sheria za mwendo na mvutano ambazo zilikuwa hatua kubwa katika fizikia ya kale.

Fizikia ilianza kujitambulisha kama somo huru la sayansi wakati Wazungu walipoanza kutumia mbinu za majaribio na upimaji ili kugundua kile ambacho leo kinatambuliwa kama sheria za fizikia.

Mojawapo ya maendeleo makubwa katika kipindi hicho ilikuwa kubadilishwa kwa mtazamo wa mfumo wa jua kutoka mfumo wa jiosentriki kwenda mfumo wa heliosentriki uliopendekezwa na Copernicus.

Sheria zinazotawala miendo ya sayari katika mfumo wa jua ziliainishwa na Johannes Kepler kati ya mwaka 1609 na 1619.

Kazi za mwanzo za matumizi ya darubini na uchunguzi wa unajimu zilifanywa na Galileo Galilei katika karne ya 16 na 17. Aidha, Isaac Newton aligundua na kuunganisha sheria za mwendo na sheria za mvutano wa ulimwengu, ambazo baadaye zilijulikana kwa jina lake.

Newton pia aliendeleza kalikulasi, somo la mahesabu ya mabadiliko, ambalo lilitoa njia mpya ya kukokotoa matukio ya kimaumbile.

Ugunduzi wa sheria mpya za joto (thermodynamics), kemia, na sumakuumeme ulitokana na juhudi kubwa za uchunguzi katika kipindi cha mapinduzi ya viwanda, kutokana na kuongezeka kwa mahitaji ya nishati.

Sheria za fizikia ya zamani ziliendelea kutumika katika matukio ya kawaida, ambako maada husafiri kwa mwendokasi isiyokaribia mwendo wa mwanga, kwa kuwa zilitolewa kwa makadirio yenye usahihi wa kutosha. Nadharia kama ya kwanta ya kimakanika na ile ya relativiti zilipata urahisi wa kutoa majibu yanayoendana na yale ya fizikia ya awali.while Greek poet Homer wrote of various celestial objects in his Iliad and Odyssey; later Greek astronomers provided names, which are still used today, for most constellations visible from the Northern Hemisphere.

Hata hivyo, mapungufu katika fizikia ya kale, hasa katika kuelezea tabia ya vitu vidogo sana na vile vinavyosafiri kwa mwendo unaokaribia ule wa mwanga, yalichochea kuibuka kwa fizikia ya kisasa katika karne ya 20.

Fizikia ya kisasa

Kazi za Albert Einstein (1879–1955) kuhusu athari za kifotoelektriki na nadharia ya relativiti ndizo zilizochochea mapinduzi ya fizikia katika karne ya 20.

Max Planck (1858–1947) alianzisha nadharia ya kwanta ya kimakenika na dhana ya vifurushi vya kimakanika.

Nadharia hizi zote ziliibuka kutokana na ukweli kwamba mekaniki ya zamani ilitoa majibu yasiyo sahihi katika baadhi ya matukio.

Mekaniki ya zamani ilitabiri mabadiliko katika mwendokasi wa mwanga, jambo ambalo halikulingana na mwendokasi usiobadilika uliotabiriwa na milinganyo ya sumakuumeme ya Maxwell. Utata huu ulitenguliwa na nadharia ya relativiti maalum ya Einstein, ambayo ilichukua nafasi ya mekaniki ya zamani katika matukio yanayohusu mwendo wa kasi kubwa, na ikathibitisha kwamba mwendokasi wa mwanga haubadiliki.

Mnururisho wa mwili mweusi ulikuwa changamoto nyingine kwa mekaniki ya zamani, ambayo Planck aliitatua kwa kupendekeza kwamba mwanga husafiri katika vifurushi vidogo vinavyoitwa fotoni. Pamoja na athari za fotoni katika mionzi ya umeme na nadharia inayotabiri ngazi tofauti za obiti za elektroni, hii ilisababisha kuibuka kwa nadharia ya vifurushikimakenika (kwa Kiingereza Quantum Mechanics), ambayo ilishika nafasi ya mekaniki ya zamani katika mizania midogo sana.

Nadharia ya vifurushikimakenika ilijengwa kutoka kwenye kazi za awali za Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, na Paul Dirac. Kupitia michango yao katika maeneo tofauti, muundo wa kiwango kinachotambulika wa fizikia ya chembe ndogo (muundo sanifu) uliundwa.

Kufuatia ugunduzi wa tabia za chembe zilizoendana na Higgs boson katika kituo cha CERN mwaka 2012, chembe zote za msingi zilizotabiriwa na muundo sanifu ziliweza kuthibitishwa, na hakuna chembe nyingine mpya zilizogunduliwa. Hata hivyo, utafiti unaendelea katika kutafuta fizikia inayovuka muundo sanifu, ikiwemo nadharia kama supersymmetry.