Fizyka jako ważna dziedzina naszego życia

zasada antropiczna

Zasada mówiąca, że obserwowany Wszechświat jest taki, jaki jest, ponieważ gdyby był inny, nie można byłoby go obserwować. Istnieje wiele wersji tej zasady. Słaba zasada antropiczna dotyczy w szczególności warunków koniecznych do zaistnienia świadomego życia na Ziemi i twierdzi, że wyznaczone wartości liczbowe stałych podstawowych, jak stała grawitacyjna, stosują się do obecnej epoki, ponieważ w żadnych innych epokach nie było istot inteligentnych, które mogłyby zmierzyć te stałe. Silna zasada antropiczna dotyczy wszystkich możliwych wszechświatów i tego, czy istoty inteligentne mogą istnieć w jakimś innym wszechświecie, włączając w to możliwość innych stałych podstawowych i różnych praw fizyki. Wielu fizyków podchodzi z dużym sceptycyzmem do tej zasady.

zasada ekwipartycji energii

Zasada sformułowana przez Ludwiga Boltzmanna (1844–1906) i uzupełniona przez Jamesa Clerka Maxwella (1831–79), według której energia cząsteczek gazu w dużej próbce znajdującej się w stanie równowagi termodynamicznej jest równo podzielona pomiędzy dostępne stopnie swobody. Średnia energia przypadająca na każdy stopień swobody jest równa kT/2, gdzie k oznacza stałą Boltzmanna, a T temperaturę termodynamiczną. W ogólności zasada nie jest spełniona, gdy konieczne jest podejście kwantowe, lecz często jest dobrym przybliżeniem.

zasada Fermata

Droga przebywana przez promień światła między dwoma dowolnymi punktami w układzie jest zawsze drogą, której przebycie trwa najkrócej. Zasada ta prowadzi do prawa rozchodzenia się światła po liniach prostych w ośrodkach jednorodnych oraz do praw odbicia i załamania. Odkrył ją francuski matematyk Pierre de Fermat (1601–1665).

zasada Hildebranda

Zasada stwierdzająca, że jeżeli gęstość pary nad cieczą jest stała, to entropia parowania jednego mola cieczy jest stała. Zasada ta nie jest spełniona, jeżeli w cieczy występuje asocjacja cząsteczek lub zjawiska kwantowe, np. nadciekłość. Nazwa pochodzi od nazwiska amerykańskiego chemika Joela Henry'ego Hildebranda (1881–1983).

zasada Huygensa

Każdy punkt czoła fali można uważać za źródło fal wtórnych. Jeżeli zatem jest znane położenie czoła fali w danej chwili, to za pomocą prostej konstrukcji można narysować położenie czoła fali w dowolnej innej chwili. Konstrukcję tę po raz pierwszy wykorzystał Christiaan Huygens (1629–95).

zasada Landégo

Zasada dla widm atomowych stwierdzająca, że jeśli dla danego multipletu sprzężenie spinowo–orbitalne jest słabe, to różnice energii między dwoma poziomami odpowiadającymi kolejnym wartościom J (gdzie J oznacza wypadkowy całkowity moment pędu sprzężonych elektronów) są proporcjonalne do większej z dwóch wartości J. Zasadę tę podał w 1923 r. fizyk amerykański niemieckiego pochodzenia Alfred Landé (1888–1975). Można ją wyprowadzić z kwantowej teorii momentu pędu. U jej podstaw leżą dwa założenia: sprzężenie jest typu sprzężenia L-S oraz można zaniedbać oddziaływania między spinowymi momentami magnetycznymi; to ostatnie założenie nie jest poprawne dla bardzo lekkich atomów, jak hel. Zatem zasada Landégo jest najlepiej spełniona dla pośrednich wartości liczb atomowych.

zasada Macha

Bezwładności każdej wybranej części materii można przypisać oddziaływanie między tą częścią materii a resztą Wszechświata. Ciało izolowane miałoby bezwładność zerową. Zasadę tę podał w latach siedemdziesiątych XIX w. Ernst Mach (1838–1916). Została wykorzystana przez Einsteina w jego ogólnej teorii względności.

zasada nieoznaczoności

Zasada, która mówi, że nie można z dowolną dokładnością wyznaczyć jednocześnie położenia i pędu cząstki. Zasada ta, odkryta w 1927 r. przez Wernera Heisenberga (1901–76), jest zwykle zapisywana w postaci: DxDp_x ł h/4p, gdzie Dx jest nieokreślonością współrzędnej x cząstki, Dp_x nieokreślonością składowej wzdłuż x pędu cząstki, a h stałą Plancka. Występowanie nieoznaczoności można wyjaśnić w następujący sposób: aby dokładnie zlokalizować cząstkę, obserwator musi umieć spowodować, by wyemitowała ona foton promieniowania; ów akt lokalizacji sam w sobie zmienia zatem położenie cząstki w nieprzewidywalny sposób. Aby dokładnie określić położenie cząstki, należałoby użyć fotonów o małej długości fali. Duży pęd takich fotonów wywarłby jednak duży wpływ na położenie cząstki. Z drugiej strony użycie fotonów o małym pędzie miałoby mniejszy wpływ na położenie cząstki, ale byłoby mniej dokładne z powodu ich większej długości fali. Zasada nieoznaczoności wywarła głęboki wpływ na myśl naukową, ponieważ zdaje się przeczyć klasycznemu związkowi między przyczyną i skutkiem na poziomie atomowym, czyli zawiera elementy indeterminizmu.

zasada przyczynowości

Zasada mówiąca, że wynik nie może poprzedzać przyczyny. Zasada ta jest szczególnie użyteczna w połączeniu ze stwierdzeniem, że najwyższą osiągalną prędkością we Wszechświecie jest prędkość światła w próżni. Zasadę przyczynowości wykorzystuje się w analizie wyników doświadczeń związanych z rozpraszaniem oraz w optyce.

zasada superpozycji

Wypadkowe zaburzenie w dowolnym punkcie obszaru, do którego docierają dwie fale tego samego rodzaju, jest sumą algebraiczną zaburzeń wywołanych w tym punkcie przez każdą falę z osobna. Obie fale opuszczają obszar superpozycji (czyli nakładania się) nie zmienione.

zasada termodynamiki Nernsta (twierdzenie Nernsta)

Sformułowanie w ograniczonej postaci trzeciej zasady termodynamiki: jeżeli między czystymi kryształami zachodzi wymiana chemiczna w temperaturze zera bezwzględnego, entropia się nie zmienia.

zasady dynamiki Newtona

Trzy prawa ruchu, na których opiera się mechanika newtonowska.
(1) Ciało pozostaje w stanie spoczynku lub ruchu jednostajnego po linii prostej, jeśli nie działa na nie żadna siła zewnętrzna.
(2) Tempo zmiany pędu poruszającego się ciała jest proporcjonalne do siły i ma ten sam kierunek, w którym działa siła, F = d(mv)/dt, gdzie F jest działającą siłą, v prędkością ciała, a m jego masą. Jeżeli masa pozostaje stała, F = mdv/dt, czyli F = ma, gdzie a jest przyspieszeniem.
(3) Jeżeli jedno ciało działa na inne ciało pewną siłą, wtedy to drugie ciało działa na pierwsze ciało taką samą siłą, lecz przeciwnie skierowaną.

termodynamika

Dział fizyki zajmujący się badaniem praw rządzących przemianą energii z jednej postaci w inną, kierunkiem przepływu energii i możliwościami używania energii do wykonywania pracy. Jest ona oparta na koncepcji zakładającej, że w układzie odosobnionym, leżącym w dowolnej części Wszechświata, istnieje mierzalna ilość energii, zwana energią wewnętrzną U układu. Jest to całkowita energia kinetyczna i potencjalna atomów i cząsteczek różnego rodzaju, tworzących układ, którą można przekazać w postaci ciepła; nie obejmuje ona zatem energii chemicznej i jądrowej. Wartość U może ulec zmianie, jeśli układ przestaje być odosobniony. W tych okolicznościach U może zmienić się dzięki przypływowi masy do układu lub jej odpływowi z układu, przepływowi energii na sposób ciepła Q z lub do układu albo dzięki przekazaniu energii na sposób pracy W wykonanej nad układem lub przez niego. Dla układu adiabatycznego (Q = 0) o stałej masie zachodzi DU = W. Zgodnie z ogólnie przyjętą konwencją W uważa się za dodatnie, jeśli praca została wykonana nad układem, a za ujemne, jeśli praca została wykonana przez układ. Dla układów nieadiabatycznych o stałej masie mamy DU = Q + W. Związek ten, równoważny zasadzie zachowania energii, jest znany jako pierwsza zasada termodynamiki.
Wszystkie procesy naturalne spełniają tę zasadę, ale nie wszystkie procesy, które ją spełniają, mogą zachodzić w przyrodzie. Większość procesów naturalnych to procesy nieodwracalne, tj. mogą one zachodzić tylko w jednym kierunku. Kierunek, w którym mogą przebiegać procesy naturalne, stanowi treść drugiej zasady termodynamiki, którą można sformułować na wiele sposobów. Rudolf Emanuel Clausius (1822–88) sformułował ją na dwa sposoby: „ciało nie może przekazywać ciepła innemu ciału o wyższej temperaturze bez wywołania innych zmian w układzie lub otoczeniu” oraz „entropia układu zamkniętego rośnie z upływem czasu”. Twierdzenia te wprowadzają termodynamiczne koncepcje temperatury T i entropii S; obie te wielkości są funkcjami stanu określającymi kierunek, w którym może przebiegać proces nieodwracalny. Temperatura ciała lub układu określa, czy ciepło będzie przepływać do niego, czy odpływać od niego; entropia ciała jest miarą niedostępności jego energii dla zamiany na pracę. Tak więc T oraz S określają związek między Q oraz W, występującymi w sformułowaniu pierwszej zasady. Związek ten jest zwykle uwzględniany przez podawanie drugiej zasady w postaci DU = TDS – W.
Druga zasada dotyczy zmian entropii. Trzecia zasada termodynamiki określa bezwzględną skalę wartości entropii mówiąc, że dla przemian zachodzących w idealnych, krystalicznych ciałach stałych w temperaturze zera bezwzględnego zmiana całkowitej entropii wynosi zero. Zasada ta umożliwia przypisywanie entropii wartości bezwzględnych.
W termodynamice stosuje się jeszcze inną zasadę. Ponieważ jest ona fundamentalna w stosunku do innych zasad termodynamiki, które zakładają, że jest ona spełniona, znana jest jako zerowa zasada termodynamiki. Mówi ona, że jeśli dwa ciała są w równowadze termicznej z trzecim, to wszystkie trzy ciała są względem siebie w równowadze termicznej.

zasady zachowania

Prawa mówiące, że całkowita wartość pewnej wielkości fizycznej w układzie, np. masy, energii lub ładunku elektrycznego, pozostaje niezmienna, mimo że może zachodzić wymiana tej wielkości pomiędzy składnikami układu. Jeśli na przykład na stole stoi butelka z roztworem soli (NaCl), butelka z roztworem azotanu srebra (AgNO₃) i zlewka, to masa stołu i tego, co na nim stoi, nie zmieni się, gdy zawartość butelek wlejemy do zlewki. W wyniku reakcji między substancjami chemicznymi pojawią się w zlewce nowe związki (chlorek srebra i azotan sodu):
NaCl + AgNO₃

AgCl + NaNO₃,ale całkowita masa stołu i tego, co się na nim znajduje, nie ulegnie zmianie. Ta zasada zachowania masy ma szerokie i ogólne zastosowanie. Jest ona prawdziwa dla Wszechświata jako całości, jeśli Wszechświat można uważać za układ zamknięty, z którego nic nie ucieka i do którego nic się nie przedostaje. Zgodnie z einsteinowską zależnością między masą i energią, każda ilość energii E odpowiada masie m równej E/c², gdzie c jest prędkością światła w próżni. Jeśli zatem masa jest zachowana, zasada zachowania energii musi mieć równie szerokie zastosowanie. (Częściej to zagadnienie ujmuje się od drugiej strony, przypisując zasadzie zachowania energii – a nie masy – znaczenie nadrzędne). Zasadę zachowania pędu i zasadę zachowania momentu pędu także uważa się za zawsze prawdziwe.
Ponieważ nieznana jest metoda tworzenia ani metoda niszczenia ładunku elektrycznego, zasada zachowania ładunku jest także prawem, które stosuje się uniwersalnie. Istnieją też inne wielkości zachowywane w oddziaływaniach między cząstkami elementarnymi.