Fisika (Bahasa Yunani: φυσικός (physikos), "alamiah", dan φύσις (physis), "Alam") adalah sains atau ilmu tentang alam dalam makna yang terluas. Fisika mempelajari gejala alam yang tidak hidup atau materi dalam lingkup ruang dan waktu. Para
fisikawan
atau ahli fisika mempelajari perilaku dan sifat materi dalam bidang
yang sangat beragam, mulai dari partikel submikroskopis yang membentuk
segala materi (fisika partikel) hingga perilaku materi alam semesta
sebagai satu kesatuan kosmos.
Beberapa sifat yang dipelajari dalam fisika merupakan sifat yang ada dalam semua sistem materi yang ada, seperti hukum kekekalan energi. Sifat semacam ini sering disebut sebagai hukum fisika. Fisika sering disebut sebagai "ilmu paling mendasar", karena setiap ilmu alam lainnya (biologi, kimia, geologi, dan lain-lain) mempelajari jenis sistem materi tertentu yang mematuhi hukum fisika. Misalnya, kimia adalah ilmu tentang molekul
dan zat kimia yang dibentuknya. Sifat suatu zat kimia ditentukan oleh
sifat molekul yang membentuknya, yang dapat dijelaskan oleh ilmu fisika
seperti
mekanika kuantum,
termodinamika, dan
elektromagnetika.
Fisika juga berkaitan erat dengan matematika. Teori
fisika banyak dinyatakan dalam notasi matematis, dan matematika yang
digunakan biasanya lebih rumit daripada matematika yang digunakan dalam
bidang sains lainnya. Perbedaan antara fisika dan matematika adalah:
fisika berkaitan dengan pemerian dunia material, sedangkan matematika
berkaitan dengan pola-pola abstrak yang tak selalu berhubungan dengan
dunia material. Namun, perbedaan ini tidak selalu tampak jelas. Ada
wilayah luas penelitan yang beririsan antara fisika dan matematika,
yakni fisika matematis, yang mengembangkan struktur matematis bagi
teori-teori fisika.
Sekilas tentang riset Fisika
Fisika teoretis dan eksperimental
Budaya penelitian fisika berbeda dengan ilmu lainnya karena adanya pemisahan
teori dan
eksperimen. Sejak abad kedua puluh, kebanyakan fisikawan perseorangan mengkhususkan diri meneliti dalam
fisika teoretis atau
fisika eksperimental
saja, dan pada abad kedua puluh, sedikit saja yang berhasil dalam kedua
bidang tersebut. Sebaliknya, hampir semua teoris dalam biologi dan
kimia juga merupakan eksperimentalis yang sukses.
Gampangnya,
teoris berusaha mengembangkan teori yang dapat menjelaskan hasil
eksperimen yang telah dicoba dan dapat memperkirakan hasil eksperimen
yang akan datang. Sementara itu, eksperimentalis menyusun dan
melaksanakan eksperimen untuk menguji perkiraan teoretis. Meskipun teori
dan eksperimen dikembangkan secara terpisah, mereka saling bergantung.
Kemajuan dalam fisika biasanya muncul ketika eksperimentalis membuat
penemuan yang tak dapat dijelaska teori yang ada, sehingga mengharuskan
dirumuskannya teori-teori baru. Tanpa eksperimen, penelitian teoretis
sering berjalan ke arah yang salah; salah satu contohnya adalah
teori-M, teori populer dalam fisika energi-tinggi, karena eksperimen untuk mengujinya belum pernah disusun.
Teori fisika utama
Meskipun
fisika membahas beraneka ragam sistem, ada beberapa teori yang
digunakan secara keseluruhan dalam fisika, bukan di satu bidang saja.
Setiap teori ini diyakini benar adanya, dalam wilayah kesahihan
tertentu. Contohnya, teori
mekanika klasik
dapat menjelaskan pergerakan benda dengan tepat, asalkan benda ini
lebih besar daripada atom dan bergerak dengan kecepatan jauh lebih
lambat daripada
kecepatan cahaya. Teori-teori ini masih terus diteliti; contohnya, aspek mengagumkan dari mekanika klasik yang dikenal sebagai
teori chaos ditemukan pada abad kedua puluh, tiga abad setelah dirumuskan oleh
Isaac Newton.
Namun, hanya sedikit fisikawan yang menganggap teori-teori dasar ini
menyimpang. Oleh karena itu, teori-teori tersebut digunakan sebagai
dasar penelitian menuju topik yang lebih khusus, dan semua pelaku
fisika, apa pun spesialisasinya, diharapkan memahami teori-teori
tersebut.
| Teori | Subtopik utama | Konsep |
| Mekanika klasik | Hukum gerak Newton, Mekanika Lagrangian, Mekanika Hamiltonian, Teori chaos, Dinamika fluida, Mekanika kontinuum | Dimensi, Ruang, Waktu, Gerak, Panjang, Kecepatan, Massa, Momentum, Gaya, Energi, Momentum sudut, Torsi, Hukum kekekalan, Oscilator harmonis, Gelombang, Usaha, Daya |
| Elektromagnetik | Elektrostatik, Listrik, Magnetisitas, Persamaan Maxwell | Muatan listrik, Arus, Medan listrik, Medan magnet, Medan elektromagnetik, Radiasi elektromagnetis, Monopol magnetik |
| Termodinamika dan Mekanika statistik | Mesin panas, Teori kinetis | Konstanta Boltzmann, Entropi, Energi bebas, Panas, Fungsi partisi, Suhu |
| Mekanika kuantum | Path integral formulation, Persamaan Schrödinger, Teori medan kuantum | Hamiltonian, Partikel identik Konstanta Planck, Pengikatan kuantum, Oscilator harmonik kuantum, Fungsi gelombang, Energi titik-nol |
| Teori relativitas | Relativitas khusus, Relativitas umum | Prinsip ekuivalensi, Empat-momentum, Kerangka referensi, Waktu-ruang, Kecepatan cahaya |
Bidang utama dalam fisika
Riset dalam fisika dibagi beberapa bidang yang mempelajari aspek yang berbeda dari dunia materi.
Fisika benda kondensi, diperkirakan sebagai bidang fisika terbesar, mempelajari properti benda besar, seperti benda padat dan cairan yang kita temui setiap hari, yang berasal dari properti dan interaksi mutual dari
atom. Bidang
Fisika atomik, molekul, dan optik berhadapan dengan individual atom dan molekul, dan cara mereka menyerap dan mengeluarkan cahaya. Bidang Fisika partikel,
juga dikenal sebagai "Fisika energi-tinggi", mempelajari properti
partikel super kecil yang jauh lebih kecil dari atom, termasuk partikel dasar yang membentuk benda lainnya. Terakhir, bidang
Astrofisika menerapkan hukum fisika untuk menjelaskan fenomena astronomi, berkisar dari matahari dan objek lainnya dalam tata surya ke jagad raya secara keseluruhan.
| Bidang | Sub-bidang | Teori utama | Konsep |
| Astrofisika | Kosmologi, Ilmu planet, Fisika plasma | Big Bang, Inflasi kosmik, Relativitas umum, Hukum gravitasi universal | Lubang hitam, Latar belakang radiasi kosmik, Galaksi, Gravitasi, Radiasi Gravitasi, Planet, Tata surya, Bintang |
| Fisika atomik, molekul, dan optik | Fisika atom, Fisika molekul, Optik, Photonik | Optik quantum | Difraksi, Radiasi elektromagnetik, Laser, Polarisasi, Garis spectral |
| Fisika partikel | Fisika akselerator, Fisika nuklir | Model standar, Teori penyatuan besar, teori-M | Gaya Fundamental (gravitasi, elektromagnetik, lemah, kuat), Partikel elemen, Antimatter, Putar, Pengereman simetri spontan, Teori keseluruhan Energi vakum |
| Fisika benda kondensi | Fisika benda padat, Fisika material, Fisika polimer, Material butiran | Teori BCS, Gelombang Bloch, Gas Fermi, Cairan Fermi, Teori banyak-tubuh | Fase (gas, cair, padat, Kondensat Bose-Einstein, superkonduktor, superfluid), Konduksi listrik, Magnetism, Pengorganisasian sendiri, Putar, Pengereman simetri spontan |
Bidang yang berhubungan
Ada banyak area riset yang mencampur fisika dengan bidang lainnya. Contohnya, bidang
biofisika yang mengkhususkan ke peranan prinsip fisika dalam sistem biologi, dan bidang
kimia kuantum
yang mempelajari bagaimana teori kuantum mekanik memberi peningkatan
terhadap sifat kimia dari atom dan molekul. Beberapa didata di bawah:
Akustik -
Astronomi -
Biofisika -
Fisika penghitungan -
Elektronik -
Teknik -
Geofisika -
Ilmu material -
Fisika matematika -
Fisika medis -
Kimia Fisika -
Dinamika kendaraan
Teori palsu
Fusi dingin -
Teori gravitasi dinamik -
Luminiferous aether -
Energi orgone -
Teori bentuk tetap
Sejarah
Artikel utama: Sejarah fisika. Lihat juga Fisikawan terkenal dan Penghargaan Nobel dalam Fisika. Sejak jaman purbakala, orang telah mencoba untuk mengerti sifat dari benda: mengapa objek yang tidak ditopang jatuh ke tanah, mengapa material yang berbeda memiliki properti yang berbeda, dan seterusnya. Lainnya adalah sifat dari jagad raya, seperti bentuk Bumi dan sifat dari objek celestial seperti Matahari dan Bulan.
Beberapa teori diusulkan dan banyak yang salah. Teori tersebut banyak tergantung dari istilah filosofi, dan tidak pernah dipastikan oleh eksperimen sistematik seperti yang populer sekarang ini. Ada pengecualian dan
anakronisme: contohnya, pemikir
Yunani Archimedes menurunkan banyak deskripsi kuantitatif yang benar dari
mekanik dan
hidrostatik.
Pada awal abad 17,
Galileo membuka penggunaan eksperimen untuk memastikan kebenaran teori fisika, yang merupakan kunci dari
metode sains. Galileo memformulasikan dan berhasil mengetes beberapa hasil dari
dinamika mekanik, terutama Hukum
Inert. Pada 1687,
Isaac Newton menerbitkan
Filosofi Natural Prinsip Matematika, memberikan penjelasan yang jelas dan teori fisika yang sukses:
Hukum gerak Newton, yang merupakan sumber dari
mekanika klasik; dan
Hukum Gravitasi Newton, yang menjelaskan
gaya dasar gravitasi. Kedua teori ini cocok dalam eksperimen. Prinsipia juga memasukan beberapa teori dalam
dinamika fluid. Mekanika klasik dikembangkan besar-besaran oleh
Joseph-Louis de Lagrange,
William Rowan Hamilton, dan lainnya, yang menciptakan formula, prinsip, dan hasil baru. Hukum Gravitas memulai bidang
astrofisika, yang menggambarkan fenomena
astronomi menggunakan teori fisika.
Dari sejak abad 18 dan seterusnya,
termodinamika dikembangkan oleh
Robert Boyle,
Thomas Young, dan banyak lainnya. Pada 1733,
Daniel Bernoulli menggunakan argumen statistika dalam mekanika klasik untuk menurunkan hasil termodinamika, memulai bidang
mekanika statistik. Pada 1798,
Benjamin Thompson mempertunjukkan konversi kerja mekanika ke dalam panas, dan pada 1847
James Joule menyatakan hukum konservasi energi, dalam bentuk panasa juga dalam energi mekanika.
Sifat
listrik dan
magnetisme dipelajari oleh
Michael Faraday,
George Ohm, dan lainnya. Pada 1855,
James Clerk Maxwell menyatukan kedua fenomena menjadi satu teori
elektromagnetisme, dijelaskan oleh
persamaan Maxwell. Perkiraan dari teori ini adalah cahaya adalah
gelombang elektromagnetik.