Materiaren egituraz eta behatzen dugun unibertsoaren oinarrizko osagaien arteko elkarrekintzez diharduen zientzia da fisika. Ikuspegi zabal batetik begiratuta, fisikak (grezierako physikos hitzetik dator) naturaren arlo guztietan dihardu, bai maila makroskopikoan, bai maila mikroskopikoa baino maila txikiagoetan ere. Fisikaren helburua ez da mugatzen indarren eraginpeko objektuen jokabidera, haratago doa; grabitate-indarraren, indar elektromagnetikoaren eta indar nuklearren izaera eta jatorria ezagutzera hedatzen da. Fisikaren azken helburua da, printzipio ulergarri gutxi batzuk formulatuz, bateratzea eta esplikatzea behatzen ditugun eta hain ezberdinak diren fenomeno guztiak.

Fisika oinarrizko zientzia fisikoa da. Duela “nahiko” gutxira arte, fisika eta filosofia natural terminoak bata zein bestea erabiltzen ziren zientzia adierazteko. Zientzia modernoak garatu eta, era berean, gero eta espezializatuago bilakatu ahala, fisikak zientzia fisikoetako esparru hauek galdu ditu: astronomia, kimika, geologia eta ingeniaritza. Hala ere, fisikak eginkizun garrantzitsua du natura-zientzia guztietan, eta arlo horiek guztiek esparruak dituzte, non fisikaren legeek eta neurketek garrantzi handia hartzen duten; eta honelako izenak dauzkate: astrofisika, geofisika, biofisika eta baita psikofisika ere. Fisika, oinarrian, materiaren, higiduraren eta energiaren zientzia gisa defini daiteke. Fisikaren legeak, oro har, matematika-hizkuntzan adierazten dira zehaztasunez. Bai esperimentuak (kontrolaturiko baldintzen pean ahal den zehaztasun handienarekin eginiko fenomenoen behaketa) eta bai teoriak (bateraturiko kontzeptuen euskarri baten formulazioa) funtsezko eta osagarria den funtzioa dute fisikaren garapenean. Fisikaren esperimentuak neurketa bilakatzen dira, eta teoriaren aurresanekin erkatzen dira. Teoria batek era fidagarrian aurresaten baditu (teoria aplika daitekeen esparruan) esperimentuaren emaitzak, orduan, teoria horrek fisikaren lege bat adierazten du. Hala ere, esperimentu berri batek horrela behartzen badu, legeak beti prest egon behar du aldatua izateko, ordezkatua izateko edo esparru mugatuago batera murriztua izateko.

Fisikaren azken helburua da, bai maila subatomikoko distantzietan (mikroskopikoa), bai gizakiaren eguneroko bizitzaren mailako distantzietan (makroskopikoa), bai distantzia handienetan (adibidez, galaxiaz kanpoko eskalan), materia, higidura eta energia gidatzen duten lege bateratuen multzoa formulatzea. Asmo handi hori, hein handi batean, burutu da. Nahiz eta fenomeno fisikoen bateraturiko teoria osoa ez den oraindik lortu (beharbada, inoiz ez da lortuko), fisikaren oinarrizko lege-multzo nahiko txiki batek kontuan hartzen ditu (horrela dirudi) ezagutzen diren fenomeno guztiak. XX. mendearen hasieraraino garaturiko fisika $—$fisika klasiko gisa ezagutua$—$ gai da, hein handi batean, objektu makroskopikoen higidura azaltzeko (argiaren abiadurarekiko astiro higitzen diren objektuena), eta baita honako fenomeno hauek esplikatzeko ere: beroa, soinua, elektrizitatea, magnetismoa eta argia. Erlatibitatearen eta teoria kuantikoaren garapen modernoek (aplikagarriak diren neurrian) abiadura handiagoetara, oso objektu masiboetara eta materiaren oinarrizko osagai txikietara (elektroiak, protoiak eta neutroiak) estrapolatu zituzten lege horiek.

Fisikaren barrutia

Segidan, fisika klasikoaren eta modernoaren adar edo eremuak deskribatuko ditugu.

Mekanika

Indarren eraginpeko objektuen higiduraren ikerketa ulertzen da eskuarki mekanika hitzaz. Mekanika klasikoak bi atal nagusi ditu: zinematika, higiduraren deskripzioaz ari dena, eta dinamika, zeinean indarrek higiduran duten eragina aztertzen den, edota geldi dauden gorputzen oreka estatikoa (azpiatal horri estatika deritzo). XX. mendeko gai nagusiak, mekanika kuantikoa, mekanika erlatibista, partikula subatomikoak, superjariakortasuna, supereroankortasuna, neutroi-izarrak eta beste hainbat fenomeno, izatez mekanikaren arlokoak dira, baina beste atal batean eztabaidatuko ditugu.

Isaac Newtonek plazaratu zituen higiduraren hiru legeak mekanika klasikoaren oinarria osatzen dute. Lege horien ondorioz, objektu baten higidura-egoera aldiuneren batean ezaguna bada eta objektua osatzen duten partikulen arteko indarrak eta objektuan kanpotik eragiten duten indarrak ezagutzen badira, mekanikaren lege horiek determinatzen dute objektuaren etorkizuneko higidura. Mekanika klasikoaren legeen ezaugarri determinista horretatik ondorio filosofiko sakonak (ziur aski, zuzenak ez direnak) atera ziren iraganean, eta gizartearen historiari aplikatu zitzaizkion.

Fisikaren maila oinarrizkoenean, mekanikaren legeak simetria-propietate batzuez ezaugarrituta daude, adibidez, Newtonen hirugarren legearekin loturiko akzio- eta erreakzio-indarren arteko simetriaz. Teoriaren simetria-propietateen ondorio matematikoak kontserbazio-legeak dira.

higidura; mekanika klasiko

Grabitazioa

Fisikaren adar hau, arrazoi historikoak tarteko, iraganean mekanika klasikoarekin batera kokatzen zen; izan ere, Newtonek perfekzio-maila altura ekarri zituen biak. Newtonen grabitazio-legeak dio unibertsoan dagoen edozein masak beste edozein masa erakartzen duela grabitate-indarraren eraginez. Newtonek, oinarrizko indar horren bidez, planeten eta Ilargiaren orbiten nolakotasuna zehaztapen oso handiz eman izana eta, halaber, ezin sumatuzko hainbat grabitazio-efektu (adibidez, Lurraren biraketa-ardatzaren aldaketa zikliko txikiari deitzen zaion ekinokzioen prezesioa) azaldu izana mekanika klasikoaren lehen arrakasta izan zen. Oinarrizko indar hori baino ez da behar, suzirien bidaien eta espazioan zeharreko hegalaldien ezaugarri nagusiak ulertzeko.

Albert Einsteinek formulatu zuen grabitazioaren teoria modernoari erlatibitatearen teoria orokorra deritzo. Ezaguna zen Newtonen legean ageri den “masaren” eta grabitazio-legean agertzen den masaren arteko berdintasunak aukera ematen duela azelerazio baten bidez grabitate-indarra lokalki anulatzeko (astronautei gertatzen zaien bezala, espazio-ontzi batean Lurra orbitatzen dutenean). Hori posible izateak harritu egiten zuen Einstein, eta harridura horrek eraman zuen espazio-denbora kurbatuaren kontzeptua proposatzera. Teoria hori 1915ean osatu zuen, eta hainbat urtean baliagarritzat jo zen, bereziki matematikoki “polita” zelako eta zuzen aurresaten zuelako argiaren kurbadura masa handiko objektu baten inguruan eta horrelako beste hainbat fenomeno “txiki”. Baina soilik azken urteotan bilakatu da ezinbesteko tresna, dela ikerketa teorikorako, dela esperimentalerako. Izan ere, egungo teoria kosmologiko guztien oinarria da. (Beherago eztabaidatzen den mekanika erlatibista Einsteinen erlatibitate bereziaren teoriari dagokio, eta ez da grabitazio-teoria).

grabitazio

Beroa, termodinamika eta mekanika estatistikoa

Beroa erradiazioaren edo materiaren osagai molekularren zorizko higidurarekin loturiko barne-energiaren forma bat da. Tenperatura gorputz batean ageri den barne-energiaren zati baten batezbesteko bat da (ez du kontuan hartzen molekulen lotura-energia, ez eta biraketa molekularrari dagokiona ere). Gorputz isolatu batek azkenean beti tenperatura uniforme bat lortzen du, hain zuzen, oreka termiko gisa ezaguturiko egoera, alegia, bi gorputz edo gehiago elkar ukitzen jarri ostean gertatzen dena. Oreka termikoan (edo oreka termikotik hurbil) materiaren egoeren ikerketaz arduratzen den esparruari termodinamika deritzo. Adar hori gai da oso desberdinak diren hainbat sistema termiko aztertzeko, haien mikroegitura zehatzak ezagutu gabe. Termodinamikaren garapena hiru legetan oinarriturik dago, eta oso garrantzitsua da entropia kontzeptua, sistema osatzen duten partikulen ordena-egoera neurtzen duena.

Mekanika estatistikoaren zientziak, aztergai den sistema osatzen duten molekulen propietate mekanikoak kontuan hartuz eta probabilitatearen legeak erabiliz, sistemaren propietate makroskopikoak ondorioztatzen ditu. Mekanika estatistikoa gai da, arrazoibide matematiko zehatzak erabiliz, termodinamikaren legeak ondorioztatzeko, baina haratago doa; termodinamikak azaldu ezin dituen fluktuazioak deskribatzeko gai baita (hau da, behin-behineko oreka termodinamikotik gertatzen diren desbideratzeak). Fluktuazio fenomenoaren adibide bat higidura browndarra da. Mekanika estatistiko kuantiko deiturikoak garrantzi handia du zientzia modernoaren beste hainbat esparrutan, esaterako, plasma-fisikan (erabat ionizaturiko gasen ikerketan), egoera solidoko fisikan eta izarren egituraren ikerketan.

entropia; tenperatura; termodinamika

Elektrizitatea eta magnetismoa

Nahiz eta XIX. mendera arte fenomeno desberdin gisa hartu ziren, egun elektrizitatea eta magnetismoa elektromagnetismo esparru bateratuaren osagaitzat jotzen dira. Karga elektrikoa duten partikulek elkarri eragiten diote indar elektriko baten bidez, eta, hortaz gainera, higitzen ari badira, indar magnetikoak ere sortzen eta jasaten dituzte. Hainbat azpipartikulak, elektrikoki kargaturiko elektroia eta protoia eta elektrikoki neutroa den neutroia tarteko, iman elementalek bezala jokatzen dute. Bestalde, nahiz eta bila ibili, ez da sekula monopolo magnetikorik (karga elektrikoaren kide magnetikoa) aurkitu.

Eremu kontzeptuak funtsezko funtzioa du elektromagnetismoaren formulazio klasikoan. Fisika klasikoaren eta gaur egungoaren beste hainbat arlotan ere antzeko garrantzia du. Bi partikula kargaturen arteko indar elektrikoa deskribatzen duen eremuak honako era honetan jokatzen du: partikula bakoitzak eremu elektriko bat sortzen du murgildurik dagoen espazioan eta baita beste partikula kokaturik dagoen tokian ere; partikula bakoitzak kokatuta dagoen tokiko eremu elektrikoak egiten dion indarrari erantzuten dio. Elektromagnetismo klasiko osoa laburbiltzen da eremu elektrikoek eta magnetikoek karga elektrikoei eta imanei eragiten dieten ekintza-legeetan eta XIX. mendean James Clerk Maxwellek formulatu zituen lau ekuazio bikainetan. Azken ekuazio horiek karga elektrikoek eta korronteek eremu elektrikoak zein magnetikoak nola sortzen dituzten deskribatzen dute, eta eremu magnetiko aldakorrek eremu elektrikoak nola sortzen dituzten (alderantzizkoa ere bai). Maxwellek ekuazio horietatik uhin elektromagnetikoen existentzia ondorioztatu zuen. Gizakien begirako sentikorra den argia espektro elektromagnetikoaren tarte estu bat besterik ez da. Espektro elektromagnetikoa uhin-luzera luzeko irrati-uhinetatik uhin-luzera laburreko gamma izpietara zabaltzen da, eta tarte horretan daude X izpiak, mikrouhinak eta erradiazio infragorria (edo beroa).

elektrizitate; elektromagnetismo; magnetismo

Optika

Argia uhin elektromagnetikoz osaturik dagoenez, argiaren hedapena elektromagnetismoaren adar gisa jo daiteke. Hala ere, hainbatetan, optika deituriko esparru berezi gisa hartzen da; argi-izpien marrazketarekin loturiko atalari optika geometriko deritzo; uhin fenomenoarekin loturiko zatiari, berriz, optika fisiko. Azkenaldian, adar berri eta indartsua garatu da laserraren teoria eta aplikazioekin lotuta: optika kuantikoa.

Irudien eraketa leiarren, mikroskopioen, teleskopioen eta beste tresna optikoen bidez deskribatzen du izpien optikak. Izpien optikak oinarritzat hartzen du argiaren hedapena lerro zuzenen bidez adieraz daitekeela, hots, izpien bidez. Aitzitik, argi ikusgaiaren uhin-propietateek sortzen dituzten efektuak azaltzeko, optika fisikoa behar da. Oinarrizko uhin-efektu bi interferentzia eta difrakzioa dira. Tresna optikoak erabil daitezke, interferometroa eta difrakzio-sarea, adibidez, argiaren uhin-luzera zehaztasun handiz neurtzeko.

optika

Materia kondentsatuaren fisika

Fisikaren atal hau da solidoen eta likidoen propietate termiko, elastiko, elektriko, magnetiko eta optikoez arduratzen dena. Azken urte hauetan, ikaragarri hazi da, eta hainbat arrakasta zientifiko eta tekniko lortu ditu, besteak beste, transistorea. Material solidoen artean, aurrerapen teoriko nabarienak material kristalinoetan gertatu dira, kristalak atomoen gelaxka bat errepikatuz simulatu daitezkeenez mekanika kuantikoaren tratamendua erraztu egiten baita. Solido kristalinoetan atomoak bata bestearekin distantzia luzeetaraino koordinaturik daudenez, atomoetarako eta molekuletarako aproposa den teoriatik haratago joan behar du solidoaren teoriak. Eroaleak, erdieroaleak eta isolatzaileak, kristalinoak zein amorfoak, fisikaren esparru honetan ikertzen diren materialak dira.

Materia kondentsatua egoera likidoaz, kristal likidoez eta zero absolutuaren inguruko likido kuantiko deritzenez ere arduratzen da. Azken horiek superjariakortasun deituriko propietatea erakusten dute (inolako marruskadurarik gabeko jariotasuna), fenomeno kuantiko makroskopikoen adibide dena. Antzeko fenomeno kuantiko makroskopikoa supereroankortasunean ere agertzen da (inolako erresistentzia elektrikorik gabeko elektrizitatea). Supereroankortasuna, tenperatura baxuetan, metal eta material zeramiko batzuetan ageri da. Egoera likido makroskopiko kuantikoak eta egoera solido kuantikoak garrantzi handikoak dira teknologian, baina baita izarren, adibidez, neutroi-izarren, egituraren teoria astrofisikoan ere.

materia kondentsatuaren fisika

Fisika nuklearra

Fisikaren adar hau nukleo atomikoaren egituraz eta nukleo ezegonkorren erradiazioaz arduratzen da. Atomoa baino 10.000 aldiz txikiagoa izan arren, nukleoa osatzen duten partikulen (neutroiak eta protoiak) arteko erakarpena hain handia denez, energia nuklearrak gutxi gorabehera 1.000.000 aldiz handiagoak dira ohiko energia atomikoak baino.

Atomo kitzikatuetan gertatzen den bezalaxe, nukleo erradioaktibo ezegonkorrek erradiazio elektromagnetikoa igor dezakete. Fotoi nuklear indartsu horiei gamma izpi deritze. Nukleo erradiaktiboek partikulez osaturiko beta eta alfa izpiak ere igor ditzakete.

Fisika nuklearraren ikerketa-tresna garrantzitsua itu nuklear baten aurka zuzenduriko partikula-sortak dira (adibidez, protoi- zein elektroi-sortak). Talka osteko zatiki nuklearrak detektatzen dira, eta euren norabideak eta energiak aztertu ostean egitura nuklearraren xehetasunak ematen dituzte; hala, indar nuklearrari buruz gehiago ikas daiteke. Askoz ere ahulagoa den beste indar nuklearra, elkarrekintza ahul deritzona, beta izpien igorpenaren arduraduna da.

Erradioaktibitatean eta nukleoren apurketara bideraturiko talketan, karga nuklearraren aldaketa gertatzen den guztietan, itu nuklearraren identitatea aldatzen da. Fisioko erreakzio nuklearretan, non nukleo ezegonkorrak nukleo txikiagotan zatitzen diren, eta fusioko erreakzio nuklearretan, non nukleo handiagoak osatzen diren, askatzen den energia askoz handiagoa da edozein erreakzio kimikotan askatzen dena baino.

erradioaktibitate; fisio nuklear; fusio nuklear

Partikulen fisika

Gaur egungo fisikaren adar esanguratsuenetarikoa materiaren atomo azpiko oinarrizko osagaien ikerketa da, hots, oinarrizko partikulena. Esparru hau 1930ean agertu zen, eta hainbatetan energia handiko fisika deitzen zaio. Hasiera batean, ikertzaileek izpi kosmikoak ikertzen zituzten, hau da, Lurraren eguratsean elkarri eragiten dioten energia oso handiko erradiazio estralurtarra (ikus, beherago, Fisikaren metodologia). Bigarren Mundu Gerraren ostean, zientzialariek apurka-apurka hasi ziren energia handiko partikulen azeleragailuak erabiltzen partikula subatomnikoak lortzeko. Eremuen teoria kuantikoa $—$beste motatako indar-eremuetarako elektrodinamika kuantikoaren (QED) orokorpena dena$—$ behar beharrezkoa da energia handiko fisika aztertzeko.

Azken hamarkadetan lortu da materiaren azpi-azpiko mailetako partikulen irudi koherente bat osatzea eredu estandarraren bidez. Hiru partikula-mota ageri dira, leptoiak, quarkak eta eremu-kuantu deiturikoak, eta euren existentziaren ebidentzia ona da. Quark bakoitzak eta leptoi bakoitzak antipartikula bat du, eta antipartikularen propietateak partikularen ispilu dira (negatiboki kargaturiko elektroiaren antipartikula elektroi positiboa edo positroia da; neutrinoarena, aldiz, antineutrinoa). Propietate elektrikoez eta magnetikoez gain, quarkek oso indar nuklear bortitzak dituzte, eta elkarrekintza ahulean ere parte hartzen dute; leptoiek, berriz, elkarrekintza ahulean hartzen dute parte soilik.

Quarkek eta leptoiek batera eragiten diote elkarri eremu-kuantuen bitartez. Eremu-kuantuak kuantu izeneko partikula-motako objektuez osatuta daude. Ezagutu zen lehen kuantua eremu elektromagnetikoarena izan zen: fotoia. Elkarrekintza ahularen eta elektromagnetikoaren teoria bateratu modernoak $—$teoria elektroahul izena du$—$ proposatzen du protoiak baino 100 aldiz masa gehiago duten partikulen trukeaz osatuta dagoela elkarrekintza nuklear ahula. Masa handiko kuantu horiek behatu dira: bi partikula kargatu, W⁺ eta W^$–$, eta neutro bat, Z⁰.

eredu estandar

Mekanika kuantikoa

Nahiz eta fisikaren zenbait adar berdinak ez izan metodo esperimentalei eta hurbilketa teorikoei dagokienez, fisikaren adar guztiek printzipio orokor batzuk jarraitzen dituzte. Fisikaren oraingo aurrerapenaren abangoardia maila submikroskopikoan dago, hots, maila atomikoan, nuklearrean, materia kondentsatuan, plasman, partikulen fisikan, optika kuantikoan edo izarren egituran. Horiek guztiak teoria kuantikoan (hau da, mekanika kuantikoan eta eremuen teoria kuantikoan) eta erlatibitatean oinarriturik daude, hain zuzen, fisika modernoaren oinarrizko teoria osatzen duten bi teorietan. Teoria klasikoan, hainbat magnitude fisiko jarraituki aldatzen dira balio-tarte batean, baina teoria kuantikoan mugatuta daude balio diskretuak (ez-jarraituak) edukitzera. Fisika klasikoak berez duen ezaugarri determinista teoria kuantikoan berez ez ziurra bihurtzen da.

Teoria kuantikoaren arabera, erradiazio elektromagnetikoa ez da beti uhin jarraituez osaturik egoten; aldiz, baldintza batzuetan partikula-itxurako fotoi-sorta gisa ikus daiteke erradiazio elektromagnetikoa. Alderantziz, fisika klasikoan partikula diruditen elektroiek eta beste objektuek teoria kuantikoan uhin-ezaugarriak dituzte. Kasu bietan, teoria kuantikoaren ezaugarri den ekintza ageri da (ekintza = energia $\times$ denbora); hau da, $h$, Plancken konstantea.

Mekanika kuantikoak azal dezake fisika atomiko eta molekular guztia (atomoen egitura eta dinamika barne), elementuen taula periodikoa eta haien jokabide kimikoa eta baita atomoen eta molekulen eta materia kondentsatuaren propietate espektroskopikoak, elektrikoak eta beste hainbat propietate fisiko ere. Sistema atomikoak energia diskretu batzuetara edo kuantizatuetara mugatuta daude. Atomo batek trantsizio ez-jarraitu bat egiten duenean, edo jauzi kuantiko bat, atomoaren energia bortizki aldatzen da oso zehazki mugatutako balio batez; atomoaren energia gutxitzen denean, balio hori duen fotoi bat igortzen da, eta fotoi bat xurgatu,  aurkako kasuan.

Energia atomikoak zehaztasun handiz defini daitezkeen arren, atomoen barnean elektroiek dituzten posizioak ez; mekanika kuantikoak baino ez du ematen elektroiak posizio konkretu batean aurkitzeko probabilitatea. Teoria kuantikoa fisikako beste hurbilketa guztietatik aldentzen duen emaitzagatik gertatzen da hori, hots, Werner Heisenbergen ziurgabetasun-printzipioagatik. Ziurgabetasunaren azken gradua Plancken konstantearen balioak mugatzen du, eta hain txikia denez itxuraz ez du eraginik, mikroegitura-munduan ez bada. Mundu horretan, hala ere, etorkizuneko historia aurresateko partikularen posizioa eta momentua zehaztasun osoz ezagutu behar direnez aldiuneren batean, teoria kuantikoak horrelako aurresanak baztertu egiten ditu, eta, beraz, ez da determinista.

Ziurgabetasun-printzipioaren beste adibide bat dira erradiazio elektromagnetikoaren eta partikula materialen uhin-partikula ezaugarri osagarriak edo uhin-partikula dualtasunak. Niels Bohrek (egitura atomikoaren teoriaren aurrendaria) plazaratu zuen osagarritasun-printzipioak dio mundu fisikoa hainbat irudi osagarritan agertzen dela, horietariko bat ere ez dela osoa eta irudi osagarri horiek guztiak beharrezkoak direla gure mundua erabat ulertzeko. Horrenbestez, uhina eta partikula, biak dira beharrezkoak elektroia eta fotoia ulertzeko.

Nahiz eta probabilitateekin eta ziurgabetasunekin aritu, teoria kuantikoa oso-oso arrakastatsua izan da, beste era batera ezagutezina den fenomenologia atomikoa esplikatu duelako eta azterketa esperimental guztiak gainditu dituelako. Teoria kuantikoaren aurresanak dira, bereziki elektrodinamika kuantikoarenak, sekula fisikan egin diren zehatzenak eta hobekien aztertu direnak; izan ere, horietariko batzuen zehaztasuna mila milioirenaren mailakoa izan da.

mekanika kuantiko

Mekanika erlatibista

Fisika klasikoan espazioa imajinatzen da, izate absolutua izango balitz bezala, hots, antzeztoki huts bat izango balitz bezala, non naturaren gertaerak jazotzen eta zabaltzen diren denborak era independentean aurrera egiten duen heinean. Behatzaile batentzat aldiberekoak diren gertaerak, beste edozein behatzailerentzat ere aldiberekoak direla suposatzen da; ezinezkoa da masa sortzea eta ezabatzea; eta partikula bat behar bezain beste energiaz elikatuz gero hartzen duen abiadura mugarik gabe handitu daiteke. Erlatibitate bereziaren teoriak, batez ere Einsteinek 1905ean garatu eta egun esperimentuen bidez aski ongi baieztaturik lege fisikoaren estatusa duenak, erakusten du esandako hori guztia eta beste hainbat bistako suposizio faltsuak direla.

Berariazko zein ohiko ez diren efektu erlatibistak Einsteinen bi postulatutik zuzen-zuzenean lortzen dira. Lehen postulatuak egi esperimentala den argiaren abiaduraren konstantetasuna ematen du, eta hortik erlatibitatean berezituak diren espazioaren uzkurdura, denboraren zabalkuntza eta aldiberekotasunaren erlatibitatea fenomenoak eta lau dimentsioko espazio-denboraren osaketa lortzen dira. Bigarren postulatua erlatibitate-printzipioa da. Mekanika klasikoan betetzen da printzipioa, baina ordura arte kontuan hartzen ez zuen elektrodinamika klasikoa ere barne hartu zuen Einsteinek. Erlatibitatearen arabera, masa eta energia baliokideak dira eta truka daitezke. Baliokidetasun horrek Einsteinen ekuazio oso ezaguna ematen digu: E = mc².

Erlatibitatea moralarekin eta beste erlatibitate-motekin nahasten duten kaleko ikuskera arruntekin alderatuz, Einsteinen teoriak ez du esaten “oro erlatiboa da”. Alderantziz, aldatzen ez diren ezaugarri fisikoetan, aldagaitzetan, oinarriturik dago teoria.

Erlatibitatearen teoria orokorra Einsteinen grabitazio-teoria da (gorago eztabaidatu da).

erlatibitate

Oinarrizko indarrak eta eremuak

Naturaren oinarrizko indarrak, intentsitate txikiena dutenetik handiena dutenera zerrendatuak, hauek direla pentsatzen da: (1) masa duten partikulen arteko grabitate-indarra; (2) karga elektrikoa edo magnetismoa edo biak dituzten partikulen arteko indar elektromagnetikoa; (3) quarken arteko kolore-indarra (indar nuklear bortitza); eta (4) elkarrekintza nuklear ahula. Azken horri esker, adibidez, quark-mota alda daiteke; horrela, neutroi bat  protoi, elektroi eta antineutrino partikuletan desintegratzen da. Elkarrekintza nuklear bortitza $—$neutroiak eta protoiak nukleoan lotzen dituena$—$ fisio, fusio eta beste erreakzio nuklearren arduraduna da, eta oinarrian kolore-indarraren ondorio da. Beraz, fisika nuklearra kromodinamika kuantikoarekin (QCD) erlazionatuta dago, kimika fisika atomikoarekin erlazionaturik dagoen bezala.

Eremuen teoria kuantikoaren arabera, oinarrizko elkarrekintza bakoitzaren bitartekoa eremu-kuantuen trukea da, eta elkarrekintza bakoitzari dagokion kuantuak ezaugarri komunak partekatzen ditu beste elkarrekintzen eremu-kuantuekin. Denek, $h$ Plancken konstantearen baliotan neurturik, unitate bateko spin intrintsekoa dute (leptoien eta quarken spina unitate-erdia da). Egun, fisika teorikoa, QCD eta teoria elektroahula (elektromagnetismoaren eta elkarrekintza ahulen teoria bateratua) bateratzen saiatzen ari dira. Eta asmo handiagoa ere badago: teoria horiek bateratzea grabitazioaren bertsio kuantikoa baliatuz, non indarra masa gabeko kuantu baten bidez transmitituko litzatekeen, hots, 2 spina lukeen grabitoiaren bidez.

eredu estandar

Fisikaren metodologia

Fisika estrategia sinple bat jarraitu gabe garatu da eta ari da garatzen. Oinarrian zientzia esperimentala da, eta neurketa gero eta xeheagoek ustekabeko jokaerak erakuts ditzakete. Bestalde, existitzen diren teorien estrapolazio matematikoak arlo teoriko berriak sor ditzake, eta funtzio garrantzitsua izan dezakete fisikaren garapenean itxuraz berehalakoak diruditen baina aztertu ez diren suposizioen berrazterketa kritikoek, simetriaz edo antzekotasunaz egindako argumentuek, epai estetikoek, istripuz agerturiko fenomenoek eta susmoek eta abarrek. Horrela, adibidez, Planckek proposaturiko hipotesi kuantikoaren oinarria da gorputz beltzaren ezaugarri den erradiazioak elektromagnetismo klasikoak aurresaten zuen igorpenarekiko behaturiko desbideratzeak. Diracek positroiaren existentzia proposatu zuen elektroiaren teoria kuantikoari zabaltze erlatibista bat egitean. Neutrino hautemangaitza, kargarik eta masarik gabea, hipotesitzat hartu zuen Wolfgang Paulik alternatiba gisa beta desintegrazioaren prozesuan kontserbazioaren legeak haustea saihesteko. Maxwellek susmatu zuen eremu magnetiko aldakorrek eremu elektrikoak sortzen badituzte (hori bazekiten) eremu elektriko aldakorrek eremu magnetikoak sor zitzaketela; susmo horretatik abiatuta plazaratu zuen Maxwellek argiaren teoria elektromagnetikoa. Einsteinen erlatibitate bereziaren teorian oinarritu zen aldiberekotasunaren berrazterketa kritiko batean; bere teoria orokorra, berriz, inertzia- eta grabitazio-masen baliokidetasunean oinarritzen da.

Taktika problema batetik bestera aldatzen bada ere, kasu guztietan fisikaria saiatzen da aurre egin ezinezko problemak tratagarriagoak egiten eredu idealizatuak eraikiz. Hala ere, segidako eredu bakoitza problema fisiko errealaren errepresentazio hurbilagoa izaten da. Horrela, gasen teorian, molekulak, hasierako hurbilketan, billarreko bolak bezala, egiturarik gabeak eta neurri oso-oso txikikoak direla jotzen da. Eredu ideal hori urratsez urrats hobetuz joaten da.

Niels Bohrek teoria kuantikoaren testuinguruan formulatu zuen korrespondentziaren printzipioa oso gida erabilgarria da teorien interpretazioak zabaltzeko. Printzipio horrek dio baliozko teoria bat eskualde zabalago batera orokortzen denean, teoria berriaren aurresanek, biak gainezartzen eta aplikagarri diren eskualdean, zaharraren aurresanekin bat egin behar dutela. Adibidez, argiaren uhin-luzerarekiko proportzionalak diren efektuak baztergarriak direnean (uhin-luzeraren txikitasuna dela eta), zabalagoa den optika fisikoaren teoriaren emaitzek bat egin behar dute murritzagoa den izpi-optikaren teoriaren emaitzekin. Era berean, mekanika kuantikoak mekanika klasikoak ematen dituen emaitza berberak eman behar ditu, Plancken konstantea baztergarritzat jo daitekeenean. Era berean, abiadurak argiaren abiadurarekiko txikiak direnean (adibidez, esku-pilotako abiaduretan), mekanika erlatibistak Newtonen mekanika klasikoarekin bat egin behar du.

Fisikari teorikoek eta esperimentalek problemak ebazteko jarraitzen dituzten bideak honako adibide hauetan erakutsiko ditugu. Oinarrizko partikulen ikerketa esperimental modernoak egiten hasi ziren erradiazio estralurtarrak (bereziki, energia handiko protoiak) eguratsa erasotzean sortzen zituen partikula ezegonkor berriak detektatu zirenean. Partikula berriak Geiger zenbatzaileetan detektatu ziren, eta laino-ganbera deituriko tresnan utzitako arrastoei esker (argazki-plaketan jasoak) identifikatu ziren. II. Mundu Gerraren ostean, partikulen fisika $—$orduan energia handiko fisika nuklear zeritzona$—$ zientziaren esparru handienetarikoa bihurtu zen. Egungo energia handiko partikulen azeleragailuak oso luzeak dira, kilometrotakoak (LHC berria 27 km-koa), ehunka (edo milaka) euro milioiko kostua izaten dute, eta partikulak energia ikaragarri handietara (trilioi elektronvolterainokoetara) azeleratzen dituzte. Genevan, Partikulen Fiskako Europako Laborategian (CERN), indar nuklear ahularen W⁺, W^$–$ eta Z⁰ eremu-kuantuak aurkitu zituen talde esperimentala hainbat herrialdetako ehun fisikarik baino gehiagok osatzen zuten, eta laguntza-lanetan teknikari mordo bat ari ziren. Sortutako data-andana interpretatzeko, hainbat ikus-teknika eta teknika elektroniko erabiltzen dira, eta partikulen fisikako laborategiek teknologia aurreratuena erabiltzen dute, dela iman supereroaleak dela superkonputagailuak.

Fisika teorikoak matematika erabiltzen du, bai teoria garatzeko tresna logiko moduan, bai esperimentuekin erkatzeko teoriaren aurresanak kalkulatzeko. Newtonek grabitazio unibertsalaren legearen formulaziorako oinarrizkoa zen kalkulu integrala asmatu behar izan zuen, Lurrak berak masa osoa zentroan kokaturiko partikula puntual gisa jokatzen duela ondorioztatzeko. Fisika modernoan, Diracek ezagutzen ez zen positroia aurresan zuen, elektroia deskribatzeko mekanika kuantikoa eta erlatibitatearen teoria berezia uztartzen zituen ekuazioa aurkitzean.