Fisika

Antzinatik, jendea jakitun zen Naturaren erregulartasunaz[5]. Aspalditik zekiten ilargi-zikloak gutxi gorabehera 28 egun irauten zuela eta objektuak, euskarririk gabe, erori egiten zirela[6]. Hasieran, erregulartasun horiek azaltzen saiatu ziren metafisika eta mitologia erabiliz; erregulartasun horiek jainkoen eta jainkosen lana ziren, mundua beren nahierara kontrolatzen zutenak[7]. Hala ere, fisika, antzinatik XVIII. mendera arte filosofia natural gisa ezagutzen dena, fenomeno naturalen azalpen arrazionalak lortzeko saiakera gisa hasi zen, infiltrazio erlijioso edo magikoak saihestuz.

Lurraren gaineko hainbat tokitako herriak zientzia garatzen hasi ziren, beti filosofia naturalaren inguruan, garai eta garrantzi desberdinekin. Indiarrek gai fisikoei buruz hausnartzen zuten Kristo aurreko hirugarren milurtekotik[8]. K.a. IX. eta VI. mendeen artean, Indiako filosofoek heliozentrismoa eta atomismoa aldezten zituzten. K.a. IV. mendean, txinatarrek jadanik esana zuten gaur egun Newtonen Lehen Legea deitzen dena[9]. K.a. I. mendean, herri maiek zeroaren nozioa egina zuten, baita europarrek baino lehenago ere[10].

Aristoteles Antzinako Grezian fenomeno naturalen azalpenean gehien sakondu zuen filosofoen artean dago.

Fenomeno naturalei azalpen arrazionala emateko Mendebaldeko lehen saiakera greziarrekin iritsi ziren[11]. Tales Miletokoa izan ziren historikoki fenomeno naturalen naturaz gaindiko azalpenak, erlijiosoak edo mitologikoak baztertu zituen mendebaldeko lehen filosofoa, gertaera fisiko orok kausa naturala duela argudiatuz[12]. Pitagorasek eta haren jarraitzaileek uste zuten mundua, zenbaki-sistema osoa bezala, elementu finituetan banatuta zegoela, atomismoaren nozioa sortuz[13]. Demokrito, Leuzipo Miletokoa eta Epikurok, K.a. V. eta III. mendeen artean, atomismoaren filosofia bultzatu zuten, eta bertan proposatu zuten materia guztia atomo zatiezin txikiz osatuta zegoela[14]. Aristarko Samoskoak heliozentrismoaren lehen defendatzaileetako bat izan zen, nahiz eta Antzinako Grezian paradigma geozentrista gailendu zen[15]. Esperientzia, eskulan oro bezala, ez zen kontuan hartzen Antzinako Grezian, mundu fisikoaren azalpenak printzipio filosofiko gutxi batzuetan oinarritzen baitziren[16]. Arkimedesek, ordea, esperientzia baloratzen zuen: estatikaren eta hidrostatikaren oinarriak Arkimedesen dute jatorria. Flotagarritasun kontzeptuaren printzipioak azaldu zituen lehen aldiz Arkimedesek. Kontzeptu hori Arkimedesen printzipio gisa ezagutzen zen[17].

Aristoteles Antzinako Greziako filosofo natural nagusietako bat da. Haren aburuz, eta Enpedoklesen ideiari jarraituz, Unibertsoa oinarrizko lau elementuz osatuta zegoen: airea, lurra, ura eta sua, gehi bosgarren elementu bat, eterra, Ilargiaren orbitatik kanpo Unibertsoaren gainerakoa beteko zuen elementu perfektua. Aristotelesen aburuz, hutsaren eta infinituaren nozioa ulertezina zen. Elementu bakoitzak bere tokia izango luke Unibertsoan, Lurra Unibertsoaren erdian geratzeko tenkatuta, eta sua handik ihesi[18][19]. Fisika lanean, Aristotelesek dio mugimenduaren kausa indar eragilea dela; indarra utzi orduko, mugimendua eten egiten du. Mugimenduaren kausarekin kontaktua galdu ondoren egiten den mugimenduarekin jarraitzea izango litzateke aireak pasatzean jaurtigai batek uzten duen hutsa betetzeko duen joera. "Betetze" horren ondorioz, jaurtigaia aurrerantz bultzatuko lukeen indarra sortuko litzateke, baina efektu hori ez litzateke betiko izango, eta uneren batean amaituko litzateke[20].

Mugimendu planetarioa azaltzeko, Eudoxo Knidokoak, K.a. IV. mendean, lehenengo behaketa kuantitatiboak egin zituen planeten mugimenduen eredu matematikoa kalkulatzeko. Eudoxok esfera zentrokideen sistema garatu zuen, eta horietako bakoitzak planeta bat zuen[21][22]. Sistema hori hobetuz joan zen mendeak igaro ahala, grekoek sistema geozentriko batean sinesten baitzuten. Behatutako anomalia guztiak, hala nola planeten itxurazko erregresioa eta are Lurraren ardatzaren prezesioa, Hiparkok aurkitu zituenak, esferen sistema geozentrikoa gero eta konplexuagoa zelako azaltzen ziren[23]. Ptolomeok, K.a. II. mendean, 80 esfera eta epiziklo baino gehiagoko planeten sistema esferiko bat asmatu zuen, eta bere lana, Almagesto izenez ezagutu zen 13 liburuko bilduma batean laburtua, arabiarrek eta europarrek asko erabili zuten Goi Erdi Arora arte[24].

IV. mendean Erromatar Inperioa erori zenean, Greziako filosofia natural gehienak eta hezkuntza osoak garrantzia galdu zuten[25]. Garai hori "Aro ilun" gisa ezagutu zen, ezagutza naturalaren historiari erreparatuz gero[26]. Hala ere, grekoen berezko ezagutza ez zen erabat galdu, Ekialde Ertainean eta Egipton mantendu eta garatu zen. Eskualde horretan bizi ziren arabiarrek literatura grekoa arabierara itzuli zuten. Hala, arabiarrek, greziar ezagutzak eskuratzeaz gain, perfekzionatu egin zituzten[27]. Al-Khwarizmi gaur egun ezagutzen dugun aljebraren sortzailetzat hartzen da[28]. Astrolabioa, ustez Ptolomeok asmatua, persiarrek hobetu zuten[29].

XI. mendean, espainiarrek Al-Andalusko zati handiak konkistatu ostean, haiek zituzten greziar testu gehienak latinera itzultzen hasi ziren. Hala, Erdi Aroko Europak filosofia naturala berriro ikusi zuen, hainbat mende ilun igaro ondoren. Dokumentu guztiak itzuli ondoren, eliza eta katedralekin batera ezarritako eskolek aztertu zituzten lehenik. Eskola horiek geroago bihurtu ziren Erdi Aroko lehen unibertsitateetan. XIII. mendean sortu ziren Cambridge eta Oxfordeko unibertsitateak. Hezkuntza eskolastikoa eskaintzeari utzi gabe, unibertsitate horiek lehen aurrerapen zientifikoei laguntzen hasi ziren.

Gilen Ockhamekoa Erdi Aroko filosofo natural garrantzitsuenetako bat izan zen. Mugimenduaren azalpen aristotelikoa eta impetusaren teoria baztertu zituen, Grezia zaharrean garatua eta Jean Buridanek itzulia. Ockhamek zioenez, jaurtitzailearekiko kontaktua galdu ondoren, mugitzen ari den objektu bat ez da jada inolako indarren "eramailea", impetuaren teoriaren arabera, jada ezin baita bereizi mugitzen ari den objektua: mugimenduan dagoen objektua jaurtigaia izan daiteke, jaurtitzailearen ikuspegitik, edo jaurtitzailea bera, jaurtigaiaren ikuspegitik. "Ockhamen labana"k ezartzen du edozein fenomenoren azalpenek hura azaltzeko behar-beharrezkoak diren premisak bakarrik hartu behar dituela bere gain, eta hipotesi edo teoriaren iragarpenetan itxurazko desberdintasunik eragiten ez duten guztiak ezabatu behar dituela.

De revolutionibus orbium coelestium, Kopernikoren lan garrantzitsua.

Pizkundea, Europan jakintza berraurkitzeko garaia izan zen. Hainbat gertakarik Europako gizartearen pentsaera aldatu zuten. 1543an, Nikolas Kopernikok De revolutionibus orbium coelestium argitaratu zuen, sistema heliozentriko baten eredu matematiko osoa aurkezten zuena[30]. Galileo Galilei zientzia modernoaren sortzailetzat hartzen da[31]. Galileoren arabera, zientzialariak ez du zeresan handirik naturan gertatzen diren fenomenoak zergatik gertatzen diren azaltzeko, bere egin beharra horiek azaltzea baino ez da. Bere lanetako batean, Galileok ez zuen esan erorketa librea esplikatzen zuenik. Galileo izan zen, halaber, Europan inertziaren kontzeptua asmatzen lehena, eta fisikaren sortzailea izan zen, gaur egun ezagutzen dugun bezala, matematikak fenomeno naturalak deskribatzeko erabiltzen baititu, esperimentazioak berretsita. Teleskopioaren garapenari egindako ekarpenak heliozentrismoa pixkanaka finkatzen lagundu zuen, Jupiterren sateliteak aurkitu eta gero[32].

Galileoren metodo zientifikoak Francis Bacon eta René Descartesek garatzen zuten filosofia-forma berriaren deribazio bat ziren, filosofia natural islamiarraren "urrezko arotik" saiatutako metodo zientifikoaren oinarriak formulatuz. Baconen arabera, zientzia esperimentala, kualitatiboa eta induktiboa da. Errefusatu zituen a priori kasuak, eta, behar adina behaketa egonez gero, horiek oinarrizko printzipioak eragiteko edo orokortzeko balioko lukete. Pentsamendu honen garapenari metodo zientifiko izena eman zaio[33].

René Descartesek beste logika bat proposatu zuen: gertaera "gordinekin" egindako behaketetatik abiatu ordez, Descartesek uste zuen Natura arautzen duten oinarrizko printzipioak arrazoimen hutsaren eta logika matematikoaren konbinazioaren bidez lor zitezkeela. Haren ikuspegia analitikoa zen; problemak "deskonposatu" eta logikoki berrantolatu behar ziren. Fenomenoak oinarrizko osagaietaraino murriztu eta azter zitezkeen. Funtsezko osagaiak ulertzen baziren, fenomenoa ere ulertzen zen. Baconen eta Descartesen pentsamenduen arteko kongruentziak, eztabaida batzuetan sartu arren, ikerketa zientifikoak menderatu zituen hurrengo hiru mendeetan.

Filosofia kartesiarrak, edo kartesianismoak, ezezkoa ematen dio autoritateari ezagutza lortzeko bide gisa. Natura arautzen duten oinarrizko printzipioak arrazoimen hutsaren eta logika matematikoaren konbinazioaren bidez lor daitezke. Bestela esanda, egiaren bilaketa arrazoian bakarrik oinarritzen da. Paradigma horretatik kanpo geratu ziren dogma erlijiosoak, aurreiritzi sozialak, zentsura politikoak eta zentzumenek emandako alderdiak[34]. Matematika zientziarekin zerikusia zuten ezagutza guztien eredu eta hizkuntza bihurtu zen. Filosofia kartesiarretik zenbait pentsamendu-korronte sortu ziren, hala nola arrazionalismoa eta enpirismoa, eta haietatik sortu ziren determinismoa, erredukzionismoa eta mekanizismoa.

Isaac Newton, historiako fisikaririk garrantzitsuenetako bat.

Galileoren ondoren, Isaac Newton mekanika klasikoaren garapenean zientzialari garrantzitsuenetakoa izan zen[35]. Bere hiru legeak mekanika guztiaren oinarri izan ziren XX. mendearen hasiera arte. Haren mekanika etorkizuneko teoria zientifikoak eraikitzeko eredu bihurtu zen[36]. Bere liburuan, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, historiako argitalpen zientifikorik emankorrena[37][38], bere legeen unibertsaltasuna deskribatu zuen, eta fisikaren historiaren lehen bateratze handia amaitu zuen, Galileok hasia, zerua eta lurra lege fisiko berberekin, hots, grabitazio unibertsalarekin, elkartzean.

Lurrun-makinaren asmakuntzak, Thomas Newcomenek eta James Wattek hobetuak, interes zientifiko handia piztu zuen beroa aztertzeko orduan. XIX. mendean, Sadi Carnot frantsesak makina termikoak ulertzeko oinarriak ezarri zituen. Joseph Black beroa neurtzen hasi zen, substantzien bero-ahalmena neurtuz. James Prescott Joulek lanaren eta beroaren arteko zenbakizko baliokidetasuna ezarri zuen, eta frogatu zuen ${\displaystyle I}$ erresistentzia-eroale batean korronte elektriko batek sortutako beroa ${\displaystyle I^{2}R}$ dela, gaur egun Jouleren Legea deritzona. Jouleren lanak energiaren kontserbazioaren printzipioa ezarri zuen, eta printzipio hori termodinamikaren lehen legearen oinarri bihurtu zen, Rudolf Clausius eta William Thomsonek (Lord Kelvin) formulatua. Clausiusek entropia kontzeptua ere azaldu zuen, termodinamikaren bigarren legearen oinarria. Mekanika newtondarra oinarrizko hiru legetan oinarritzen den bezala, termodinamikaren lau legeek arlo horretako ezagutza guztiak sostengatzen dituzte.

Indar magnetiko eta elektrikoak antzinatik ezagutzen dira. Hala ere, elektrizitatearen eta magnetismoaren azterketa zientifikoa XVII. mendean hasi zuen William Gilbertek De Magnete liburuan. Otto von Guerickek egin zuen lehen sorgailu elektrostatikoa. Pieter van Musschenbroek karga elektrikoak metatzen dituen Leidenen lehen botila eraiki zuen[39]. Alessandro Voltak lehen pila voltaikoa eraiki zuen, korronte elektriko jarraitua eman zezakeena[40].

Benjamin Franklin izan zen tximista elektrizitate mota bat zela proposatu zuen lehenetariko bat. Karga elektrikoak bi motatan banatzea ere proposatu zuen, negatiboak eta positiboak, aldaratzen ziren karga elektriko berdinekin eta erakartzen ziren kontrako kargekin. Hans Christian Ørsteden arabera, korronte elektrikoak magnetismoa sortzen du hari eroalearen inguruan. André-Marie Ampèrek magnetismoaren lehen euskarri matematikoa eman zuen korronte elektrikoaren arabera[41]. Michael Faradayk adierazi zuen kontrakoa ere egia zela, eremu magnetikoaren aldaketak korronte elektrikoa sortzea eragiten baitzuen. Faradayk eredu kualitatibo bat garatu zuen indar elektriko eta magnetikoek nola jarduten duten azaltzeko. Eremu magnetiko eta elektrikoaren kontzeptuak ere garatu zituen. James Clerk Maxwellek Ampère, Faraday eta Gaussen teoria elektriko eta magnetikoak bateratu zituen, eta teoria elektromagnetikoaren sorrera ekarri zuen, bere aurrekoen lan esperimentala matematikoki lau ekuaziotan laburtuz (Maxwellen ekuazioak)[42]. Maxwellek uhin elektromagnetikoak izatea proposatu zuen eta argia bera uhin elektromagnetikoaren adibidea zela iradoki zuen. Uhin horien existentzia Heinrich Hertzek frogatu zuen 1888an[43], eta argia uhin elektromagnetiko gisa ulertzeak fisikaren beste bateratze handi bat osatu zuen, elektrizitatea, magnetismoa eta optika teoria elektromagnetikoaren barruan bateratuz.

A. Piccard, E. Henriot, P. Ehrenfest, E. Herzen, Th. De Donder, E. Schrödinger, J.E. Verschaffelt, W. Pauli, W. Heisenberg, R.H. Fowler, L. Brillouin.
P. Debye, M. Knudsen, W.L. Bragg, H.A. Kramers, P.A.M. Dirac, A.H. Compton, L. de Broglie, M. Born, N. Bohr.
I. Langmuir, M. Planck, M. Curie, H.A. Lorentz, A. Einstein, P. Langevin, Ch. E. Guye, C.T.R. Wilson, O.W. Richardson
Solvayko konferentziaren 5. edizioa, 1927.
Irudia handitu

XIX. mendearen amaieran, fisikaren teoria klasikoak oso finkatuta zeuden. Fisikariei konstante unibertsalen neurketa zehatzagoak egitea eta ikasitakoa etorkizuneko teknologietan aplikatzea geratzen zitzaien. "Fenomeno menderakaitzak" arazo bat ziren, baina "denbora-kontua besterik ez" zen horiek indarrean zeuden teorietara egokitzea. Hala ere, "fenomeno bihurri" horiek erronka handia bihurtu ziren fisikarentzat XIX. mendearen amaieran eta XX. mendearen hasieran.

Fenomeno errebeldeen artean, gorputz beltzaren erradiazioa[44], efektu fotoelektrikoa eta oinarrizko izpien espektroa zeuden. 1900ean, Max Planckek, gorputz beltzaren erradiazioari matematika-laguntza emateko saiakera batean, erradiazioa eragiten zuten osziladoreen bibrazioan energia-muga bat zegoela proposatu zuen; osziladore batek ezin zuen edozein energiarekin bibratu, energia "mugatu" batzuekin baizik, hau da, energia diskretuekin, zeinaren balioak zenbaki naturalen multiploak baitziren. Energiaren eskualde diskretuei energia kuantu deitu zitzaien. Kopuru horien energia zenbaki natural baten, maiztasunaren eta konstante unibertsal baten biderkadurak emango luke, eta Plancken konstante izena hartu zuen.

1905ean, Albert Einsteinek bost artikulu argitaratu zituen Annalen der Physik aldizkari alemanean, eta erlatibitatearen eta mekanika kuantikoaren hastapenak aurkeztu zizkion munduari. Plancken konstanterako emaitza bera lortu ondoren, Einsteinek efektu fotoelektrikoa ere azaldu zuen eta energia-kopuru guztiak egoteko argudio fisikoak eman zituen. Halaber, adierazi zuen argiaren abiadura konstantea dela edozein erreferentzia-marko inertzialetan. Hamar urte geroago, Einsteinek erlatibitate orokorraren teoria argitaratu zuen, eta erlatibitatea inertzialak ez diren erreferentzietara eta grabitaziora zabaltzen zuen.

CERNen LHC azeleragailuko CMS esperimentuaren nukleoa.

1924an, Louis de Brogliek uhin-partikula dualtasuna proposatu zuen elektroiarentzat, eta, bi urte geroago, Erwin Schrödingerrek bere ekuazioa argitaratu zuen, mekanika kuantiko modernoaren oinarria. Hurrengo urtean, Werner Heisenbergek argudiatu zuen ezin dela aldi berean partikula subatomiko baten posizioa eta abiadura neurtu, Ziurgabetasunaren Printzipioa ezarriz. 1940ko hamarkadaren amaieran, Richard Feynmanek elektrodinamika kuantikoa garatu zuen, gizakiak inoiz asmatu duen teoria zehatzenetako bat. Feynmanek eremuen lehen teoria kuantikoetako bat garatu zuen, eta, quarkak idealizatu eta aurkituz, kromodinamika kuantikoa garatu zen. Elektrodinamika eta kromodinamika kuantikoa eredu estandar izeneko eremu-teoria kuantikoen multzo baten oinarriak dira. Teoria horrek naturaren lau funtsezko indarretatik hiru deskribatzen ditu.

Hala ere, Eredu Estandarra ez da gai grabitazioa deskribatzeko, zientzia modernoaren hasieratik aztertu baita, Galileok erorketa askearen esperimentua egin zuenean. Grabitazioak oraindik ez du fisika modernoan sustraitutako euskarri esperimentalik. Einsteinen erlatibitate orokorra ez dator bat mekanika kuantikoarekin, eta gaur egungo fisikari teoriko eta esperimentalen erronka handienetako bat da. Higgsen bosoiarekin bat datozen propietateak dituen partikula bat aurkitu ondoren CERNen[45], 2012an, eredu estandarraren bidez predikatzen diren oinarrizko partikula guztiak, eta bat ere ez gehienago, existitzen direla dirudi; hala ere, fisikak, eredu estandarretik harantzago, supersimetria bezalako teoriekin, ikerketa-eremu aktiboa da[46]. Matematikaren arloak, oro har, garrantzitsuak dira eremu horretarako, hala nola probabilitateen eta taldeen azterketa.

Fisika klasikoak XX. mendearen hasiera baino lehen onartutako eta ondo garatutako adar eta gai tradizionalak biltzen ditu: mekanika klasikoa, akustika, optika, termodinamika eta elektromagnetismoa. Mekanika klasikoa indarrez eta higiduran dauden gorputzez arduratzen da, eta honela bana daiteke: estatika (azeleraziorik gabeko gorputz baten edo gorputzen gaineko indarren azterketa), zinematika (mugimenduaren azterketa, arrazoiak kontuan hartu gabe) eta dinamika (higiduraren eta hari eragiten dioten indarren azterketa); mekanika ere zati daiteke solidoen mekanika eta jariakinen mekanika (pneumodinamika gisa ezagutzen dena); azken hori hidrodinamikaren adarra da. Soinua nola sortzen, kontrolatzen, transmititzen eta jasotzen den aztertzea da akustika. Akustikaren adar moderno garrantzitsuen artean hauek daude: ultrasoinuak, oso maiztasun handiko soinu-uhinen azterketa, giza entzumenaren helmenetik haratago; bioakustika, ahotsaren fisika eta animalien entzumena[53], eta elektroakustika, elektronikaren bidez entzun daitezkeen soinu-uhinen manipulazioa[54].

Optikak, argiaren azterketak, argi ikusgaiaz gain, erradiazio infragorriaz eta erradiazio ultramoreaz ere arduratzen da. Erradiazio horiek argi ikusgaiaren fenomeno guztiak erakusten dituzte, ikuspena izan ezik, hala nola islapena, errefrakzioa, interferentzia, difrakzioa, sakabanaketa eta argiaren polarizazioa. Beroa energia-mota bat da, substantzia bat osatzen duten partikulek duten barne-energia; termodinamika beroaren eta beste energia-forma batzuen arteko erlazioez arduratzen da. Elektrizitatea eta magnetismoa fisikaren adar bakar gisa aztertu dira, XIX. mendearen hasieran haien arteko lotura estua aurkitu zenetik; korronte elektriko batek eremu magnetiko bat sortzen du, eta eremu magnetiko aldakor batek korronte elektrikoa eragiten du. Elektrostatika pausagunean dauden karga elektrikoez, mugitzen ari diren kargen elektrodinamikaz eta atsedenean dauden polo magnetikoen magnetostatikaz arduratzen da.

Fisika klasikoa, oro har, materiaz eta energiaz arduratzen da behaketa-eskala arruntean; fisika modernoaren parte handi bat, berriz, materiaren portaeraz eta energiaz arduratzen da, muturreko baldintzetan edo oso eskala handian edo oso txikian. Adibidez, fisika atomikoak eta fisika nuklearrak materia eskala txikienean aztertzen dute, non elementu kimikoak identifika daitezkeen. Oinarrizko partikulen fisika are eskala txikiagoan dago, materiaren unitate oinarrizkoenez arduratzen baita; fisikaren adar horri energia handiko fisika ere esaten zaio, partikula-azeleragailuetan partikula mota asko sortzeko behar diren energia oso altuengatik. Eskala horretan, espazioaren, denboraren, materiaren eta energiaren nozio arrunt eta komunak jada ez dira baliozkoak[55].

Fisika modernoaren bi teoria nagusiek espazioari, denborari eta materiari buruzko kontzeptuen irudi desberdina ematen dute, fisika klasikoak aurkeztutakoaren aldean. Mekanika klasikoak jarraitu gisa hurbiltzen du natura; teoria kuantikoak, berriz, fenomeno askoren izaera diskretuaz arduratzen da, maila atomikoan eta subatomikoan, eta partikulen eta uhinen alderdi osagarriez, fenomeno horien deskribapenean. Erlatibitatearen teoria behatzaile batekiko mugimenduan dagoen erreferentzia-esparru batean gertatzen diren fenomenoen deskribapenaz arduratzen da; erlatibitatearen teoria berezia eremu grabitatoriorik gabeko mugimenduaz eta mugimenduaren erlatibitatearen eta grabitazioarekin duen loturaren teoria orokorraz arduratzen da. Bai teoria kuantikoak bai erlatibitatearen teoriak fisika modernoaren arlo guztietan dituzte aplikazioak.

Emmy Noether, goren mailako fisiko teorikoa. Eraztunen, gorputzen eta aljebren teoriak irauli zituen. Bere izena daraman teoremak, Noetherren teoremak berak formulatuak, fisikako simetriaren eta kontserbazio-legeen arteko funtsezko lotura azaltzen du.

Fisika teorikoa fisikaren adarra da, eta matematika-hizkuntza erabiliz teoriak eta ereduak sortzen ditu, fenomeno fisikoak azaldu eta ulertzeko, eta sistema fisikoen portaera aztertzeko eta iragartzeko beharrezko tresnak ematen ditu. Fisika teorikoaren helburua unibertsoa ulertzea da, naturaren fenomenoak arrazionalizatu, azaldu eta aurresateko erabiltzen diren errealitateko eredu matematiko eta kontzeptualak eginez, errealitatearen teoria fisiko bat planteatuz.[56]

Aurreko lanak diziplina horren zatitzat har daitezkeen arren, fisika teorikoak indar berezia hartzen du mekanika analitikoaren formulaziotik (Joseph-Louis Lagrange, William Rowan Hamilton), eta lehen mailako garrantzia hartzen du XX. mendearen hasierako iraultza kuantiko eta erlatibistetatik abiatuta (adibidez, bonba atomikoa fisika teorikoaren iragarpen bat izan zen).

Azkenaldian, fisikako ikerketaren kultura espezializatu egin da, eta, horren ondorioz, bereizi egin dira teorian aritzen diren fisikoak eta esperimentuetan aritzen diren beste batzuk. Emaitza esperimentalak azalduko dituzten eta etorkizuneko emaitzak aurresaten lagunduko duten eredu matematikoak bilatzen dituzte teorialariek. Beraz, teoria eta esperimentuak estu lotuta daude. Fisikako aurrerapena, askotan, esperimentu batek emaitza bat aurkitzen duenean gertatzen da, eta emaitza hori ezin da azaldu gaur egungo teoriekin; beraz, ikuspegi kontzeptual berri bat bilatu behar da problema ebazteko.

Fisika teorikoak erlazio garrantzitsua du fisika matematikoarekin. Azken horretan, fisika teorikoan erabiltzen diren egitura matematikoen propietateak aztertzen dira, eta fisika teorikoan aztertutako sistemen deskribapen matematiko konplexuago eta orokorrago gisa balio dezaketen orokortasunak teorizatzen dira. Fisika teorikoa oso lotuta dago matematikarekin, matematikek ematen baitute teoria fisikoak garatzeko erabilitako hizkuntza. Teorialariek kalkulu diferentzial eta integralean, zenbakizko analisian eta ordenagailu bidezko simulazioetan sinesten dute beren eredu fisikoak balioztatu eta probatzeko. Fisika konputazionalaren eta matematikaren eremuak ikerketa-arlo aktiboak dira.

Teorialariek zenbait kontzeptu uler ditzakete, hala nola unibertso paraleloak, dimentsio anitzeko espazioak, bibratzen duten hari ñimiñoak edo osotasunaren teoria, eta hortik abiatuta, hipotesi fisikoak egin.

Materia kondentsatuaren fisika materiaren propietate makroskopikoak aztertzen dituen fisikaren atala da. Bereziki, fase "kondentsatuetan" espezializatzen da zeinetan sistema osatzen duten osagaien kopurua oso altua den eta osagai horien arteko elkarrekintzak oso indartsuak direnean. Fase hauen adibiderik ohikoenak likidoa eta gasa dira, zeinak atomoen arteko elkarrekintza elektromagnetikoengatik eratzen diren. Fase hauen adibide ez hain ohikoak tenperatura baxuetan dauden sistema atomikoetan eratzen superfluidoa eta Bose-Einstein kondentsatua eta supereroankortasunaren fasea dira.

Materia kondentsatuaren fisika, gaur egungo fisikaren atalik garrantzitsuena da duda izprik gabe eta azken urteotan aurrerapen handiak egin dira materia kondentsatuaren fisika teorikoan. Historikoki, materia kondentsatuaren fisika egoera solidoaren fisikatik jaiotako fisikaren atala da, orain azken hau materia kondentsatuaren fisikaren azpiatal garrantzitsuena delarik. "Materia kondentsatuaren fisika"-ren izenaren egiletzat Philip Anderson kontsideratu da,1967an bere ikerkuntza taldeari izen hau jarri zionean (aurretik Egoera Solidoaren Teoria izena zuen honek).

Izena aldatzeko arrazoietariko bat zera da: solidoetan ikerturiko propietate asko fluidoen sistemetara ere zabal daitezkeela. Esate baterako, materia kondentsatuaren fisikak zerikusi handia du kimika, nanoteknologia eta materialen zientziarekin.

Diamante baten egitura.

Fisika molekularra fisikaren adarra da, eta materiaren egitura atomikoarekin eta ingurunearekin, hau da, materiarekin edo argiarekin, duen elkarreraginarekin zerikusia duten arazoak aztertzen ditu.

Adibidez, dinamika eta erreakzioak, sakabanaketa, eremu elektromagnetiko estatiko eta dinamikoekiko interakzioak, atomoen hoztea eta harrapatzea, interferometria atomikoa, ioi- eta atomo-sorten elkarrekintzak gainazal eta solidoekin. Gainera, lotura ugari ditu biologiarekin, fisiko-kimikarekin, materialen zientziekin, optikarekin, atmosferaren fisikarekin, plasmaren fisikarekin eta astrofisikarekin, besteak beste. Funtsezko zeregina du atomoen eta molekulen azterketan ebatzi gabeko funtsezko galderak ebazteko.

Fisika molekularrak tratamendu klasikoak nahiz kuantikoak ditu, bere arazoak ikuspuntu mikroskopiko edo makroskopikoetatik trata ditzakeelako.

Fisika atomikoa atomoen propietateak eta portaera (elektroiak eta nukleo atomikoak) aztertzen dituen fisikaren adarra da, baita materia-materia eta argi-materia elkarrekintzak ere atomo indibidualen eskalan. Fisika atomikoaren azterketak ioiak, atomo neutroak eta atomoen zatitzat hartzen den beste edozein partikula hartzen ditu barne. Fisika atomikoak tratamendu klasikoak zein kuantikoak barne hartzen ditu, bere arazoak ikuspuntu mikroskopiko eta makroskopikoetatik trata ditzakeelako.

Fisika atomikoak eta fisika nuklearrak gai ezberdinak jorratzen dituzte, lehenak atomoaren zati guztiekin tratatzen du, bigarrenak atomoaren nukleoarekin bakarrik egiten duen bitartean, azken hau berezia delarik bere konplexutasunagatik. Esan liteke fisika atomikoak atomoaren indar elektromagnetikoekin tratatzen duela eta nukleoa partikula puntual bihurtzen duela, masa, karga eta spinaren propietate intrintsekoak dituena.

Fisika atomikoaren gaur egungo ikerketak hainbat jarduera ditu ardatz, hala nola atomoak eta ioiak hoztea eta atzematea, eta hori interesgarria da neurrietan "zarata" ezabatzeko eta beste esperimentu edo neurketa batzuk egiteko orduan zehaztasunik eza saihesteko (erloju atomikoetan, adibidez); halaber, funtsezko konstante fisikoen neurketen zehaztasuna handitzen du, eta horrek beste teoria batzuk baliozkotzen laguntzen du, hala nola erlatibitatea edo eredu estandarra; Egitura eta dinamika atomikoa, eta elkarrekintza ahula duten gas-atomoen portaera kolektiboaren neurketa eta ulermena (adibidez, atomo gutxiko Bose-Einstein kondentsatu batean)

Fisika nuklearra atomoaren nukleoa aztertzeaz arduratzen den fisikaren adarra da. Bere zereginen artean daude: nukleo atomikoa osatzen duten funtsezko partikulen (protoia eta neutroia, hots, nukleoiak) izaera eta euren elkarrekintzak egiaztatzea, nukleoaren ezaugarriak sailkatu eta azaltzea, desintegrazio nuklearrak azaltzea eta erreakzio nuklearrak aztertzea. Fisika nuklearra ez da fisika atomikoarekin nahastu behar.

Nukleoak hainbat partikulaz daude osatuta (goian aipatutako funtsezko protoi eta neutroiaz gain). Kristalak ez bezala, txikiegiak dira elementu periodikoak bezala deskribatzeko. Hau dela eta, nukleoak teorikoki azaltzea ez da erraza eta normalean saiakuntzetarako proposatzen diren nukleo ereduak izaera nuklearraren ezaugarri ia guztiak azaltzen dituzte.

Partikulen fisika fisikaren adarra da, materiaren oinarrizko osagaiak eta haien arteko elkarreraginak aztertzen ditu. Energia handiko fisika izena ere hartzen du, partikula horietako asko partikula-azeleragailuetan eragindako talka handietan baino ezin baitira ikusi.

Gaur egun, oinarrizko partikulak bi talde handitan sailkatzen dira eredu estandarra deritzonaren arabera: bosoiak eta fermioiak. Bosoiek spin osoa dute (0, 1 edo 2), eta materiarekin elkarreragiten duten partikulak dira; fermioiek, berriz, espin erdiak dituzte (1/2 edo 3/2), eta materia eratzen duten partikulak dira. Eredu estandarrean, partikula (bosoi) formako oinarrizko elkarrekintzek materia-partikulekin (fermioi) nola eragiten duten azaltzen da. Hala, elektromagnetismoak fotoi izeneko partikula du, elkarrekintza nuklear sendoak gluoia, elkarrekintza nuklear ahulak W eta Z bosoiak, eta grabitateak grabitoi izeneko partikula hipotetiko bat. Fermioien artean aldaera gehiago daude; bi mota daude: leptoiak eta quarkak. Oro har, eredu estandarrak materia osatzen duten 24 partikula nagusi ditu (12 partikula-pare eta horiei dagozkien partikula-antipartikulak), elkarreraginak garraiatzeko ardura duten gauge-bosoien hiru familiarekin batera[57].

Partikulei buruzko ikerketa-zentro nagusiak Fermi edo Fermilab Laborategi Nazionala (AEB) eta Ikerketa Nuklearrerako Europako Zentroa (CERN) dira, Suitzaren eta Frantziaren arteko mugan. Laborategi horietan, Big Bangean izan zirenen antzeko energiak lortzen dira, eta, hala, unibertsoaren jatorriaren gero eta froga gehiago lortu nahi dira[58].

Andromeda galaxiaren irudia

Astrofisika unibertsoaren izaera eta bertan dauden astroak (adibidez, kometak, galaxiak eta erreakzio nuklearrak) aztertzen dituen fisikaren arloa da.

Koperniko eta Galileo zientzialarien garaian lortu ziren gai honetan lehen aurkikuntza nagusiak. Aurrez behaketak egin eta datuak bildu ziren, eta ondoren teoriak eman, Keplerrek planeten higidurari buruz emandako legeak adibidez. Newton izan zen fisikako legeak astronomian baliatu zituen lehenetakoa, Kepler-en teoriatik abiatuta haren oinarrian grabitazioaren dinamika zegoela baieztatuz. XVII. eta XVIII. mendeetan aurrerapen handia izan zen teknikari dagokionez. Horren ondorioz ezagutu ahal izan ziren eguzki-sistemako planetak eta sateliteak. Astrofisika, zientzia moderno gisa, XIX. mendean jaio zen, espektroskopia garatu zenean. Hari esker, urrutiko izarren konposizioa jakin daiteke. Astrofisikaren beste teknika batzuk fotometria eta astrofotografia dira. XX. mendean, teleskopio erraldoiak eraiki ziren, Wilson mendikoa eta Palomar mendikoa, adibidez. Lallemand zientzialariak teleskopio elektronikoa asmatu zuen; horri esker, ohiko teleskopio optikoen indarra ehun aldiz handiagoa da. Teknikari dagokionez, azken hamarkadetan berrikuntza handiak izan dira: alde batetik, argi ikusgaiaz gain erradiazio elektromagnetikoaren beste maiztasun batzutan ere aztertzen da unibertsoa (irrati astronomia, izpi ultramoreak... ); bestetik, atmosferatik at teleskopioak orbitan jartzeak abantaila handiak dakartza, hala nola atmosferak eragindako distortsioak saihestea, 24 orduz etenik gabe behatu ahal izatea eta atmosfera zeharkatu ezin duten maiztasunetan behatzea (ultramorea).

Izarren higidura, masa, neurria eta elkarrekiko distantzia astronomiaren aurrerapenei esker ezagutu dira, gure galaxiaren egitura zehaztu egin da, astroen arteko gaiak zein eginkizun betetzen duen jakin da, izarren artean taldeak bereizi dira, elkarrekiko distantzia eta bakoitzaren higidura neurtu ahal izan da. Hori guztia, ordea, ez da nahikoa; ikuspegia zurruna da, ez aldakorra. Gaur egun, grabitazioaren teoriaz gainera, erlatibitatearen teoria ere erabiltzen da. Hala, ideien garapenaren ildotik esperientzia berriak bultzatzen dira, eta etengabe aldatuz doan zerbait bilakatu da unibertsoa azken urteotan.

Biofisikak biologia aztertzen du fisikaren printzipio eta metodoekin, zelula eta organismo bizidunen jardueraren fenomeno fisikoak deskribatzeko[59][60]. Biomekanika, bioelektromagnetismoa eta termodinamikaren eta beste diziplina batzuen aplikazioa sistema biologikoen funtzionamendua ulertzeko. Berriki egindako saio batean, mekanika kuantikoaren aplikazioa eta sistema biologikoen probabilitate-izaera sartzen dira; horri esker, propietate biologikoak azaltzeko metodo fisiko hutsak lor daitezke.

Biofisika fisikaren, biologiaren edo bien adarra den eztabaidatzen da. Esan daiteke ezagutza trukeak biologia besterik ez duela helburu, kontzeptu fisikoez aberastuz joan baita, eta ez alderantziz. Ikuspuntu batetik, pentsa daiteke fisika puruan metatutako ezagutzak eta ikuspegiak sistema biologikoen azterketan aplika daitezkeela. Kasu horretan, biofisikak ezagutza ematen dio biologiari, baina ez fisikari. Hala ere, biofisikak teoria berresteko aukera ematen duen ebidentzia esperimentala eskaintzen dio fisikari. Horren adibide dira, besteak beste, entzumenaren fisika, biomekanika, motor molekularrak eta komunikazio molekularra. Biomekanika, esate baterako, dinamika klasikoaren eta solido deformagarrien mekanikaren kontzeptuak gorputzeko atalen portaera zinematikoari, dinamikoari eta egiturazkoari aplikatzean datza.

Karl Pearsonek sortu zuen biofisika terminoa 1892an[61]. Biofisika terminoa ere erregularki erabiltzen da esparru akademikoan, sistema biologikoetako kantitate fisikoen (korronte elektrikoaren, tenperaturaren, estresaren, entropiaren) azterketa adierazteko. Beste zientzia biologiko batzuek organismo bizien propietate biofisikoak ere ikertzen dituzte, hala nola biologia molekularra, biologia zelularra, biologia kimikoa eta biokimika.

XXI. mendearen hasieran, fisikariek, biologoek eta kimikariek laborategietan bertan duten elkartzea handitu egingo dela kalkulatzen da. Neurozientziako azterketek, adibidez, gora egin dute, eta gero eta emaitza hobeak izan dituzte elektromagnetismoaren, optikaren eta fisika molekularraren legeak neuronen azterketara ezartzen hasi zirenetik.

Beste azterketa batzuen arabera, fisikaren adar batzuk sakonki garatu behar dira, bizitako materiarekin lotutako arazo fisiko gisa. Hala, adibidez, polimero biologikoak (hala nola proteinak) ez dira sistema mekaniko gisa tratatzeko bezain handiak, eta, aldi berean, ez dira disoluzioan dauden molekula bakun gisa tratatzeko bezain txikiak. Entzima batek katalizatutako erreakzio kimiko batean gertatzen diren energia-aldaketek, edo akoplamendu kimiko-osmotikoak, esaterako, ikuspegi fisiko teoriko sakona eskatzen dute ebaluazio biologikoa baino gehiago.