I. Vật lí thiên văn và vũ trụ học
- Thời cổ đại, con người đã quan sát bầu trời và xây dựng nên những mô hình đầu tiên của vũ trụ. Từ thế kỉ XVI, việc sáng chế ra kính thiên văn, nổi bật là sáng chế kính thiên văn phản xạ của Newton đặt nền móng cho quang phổ học
- Ngày nay, thiên văn học là một phần của vật lí học. Bằng lí thuyết và thực nghiệm, các nhà khoa học sẽ cung cấp những thông tin quan trọng nhất về sự hình thành nên vũ trụ của chúng ta.
- Lí thuyết Vụ nổ lớn (Vụ nổ nguyên thuỷ) là một trong các lí thuyết của vật lí hiện đại về giai đoạn sơ khai của sự hình thành vũ trụ.
- Trong mấy thập kỉ gần đây đã có rất nhiều phát kiến lớn nhờ sử dụng các kính viễn vọng đặt trên mặt đất hoặc trong không gian.
- Con người còn chế tạo các con tàu vũ trụ để thám hiểm không gian.
Vật lí thiên văn và vũ trụ nghiên cứu trên phạm vi rộng lớn, các hướng nghiên cứu chủ yếu như sau:
+ Thiên văn: Nghiên cứu các thiên thể và các hiện tượng tự nhiên có nguồn gốc ngoài Trái Đất
+ Công nghệ vệ tinh: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, vận hành vệ tinh đưa vào không gian để phục vụ truyền hình, thông tin liên lạc,...
+ Viễn thám: Đo đạc, thu thập, nghiên cứu, xử lí thông tin các đối tượng trên bề mặt Trái Đất và khí quyền thông qua các ảnh chụp từ vệ tinh trên phạm vi rộng lớn như: tác động của biến đổi khí hậu và nước biển dâng; quản lí đất đai, theo dõi mùa vụ, đánh giá biến động của rừng; dự báo, giám sát và đánh giá thiên tai, bão lũ, sạt lở đất đá và an ninh quốc phòng.
II. Vật lí y sinh
Vật lí y sinh là môn khoa học liên ngành, ứng dụng lí thuyết và phương pháp của khoa học vật lí vào sinh học, y học. Nghiên cứu các hiện tượng xảy ra trong các tổ chức và cơ thể sống dựa trên những thành tựu của Vật lí.
Nội dung nghiên cứu của vật lí y sinh rất rộng, như cơ chế sinh bệnh và tác dụng của các yếu tố từ môi trường và các yếu tố vật lí, các kĩ thuật chẩn đoán và điều trị bệnh hiện đại. Ngoài ra còn nghiên cứu chế tạo thiết bị hỗ trợ, phục hồi chức năng vận động và thiết bị nano để điều hoà chức năng sinh học.
Ví dụ: các kĩ thuật như khuếch đại PCR có thể dùng để xem kết quả thí nghiệm bằng mắt thường hoặc với thiết bị phóng đại quang học
III. Vật lí chất ngưng tụ
Một số đối tượng nghiên cứu của vật lí chất ngưng tụ:
- Nghiên cứu hiệu ứng ngưng tự Bose-Einstein để chế tạo bit lượng tử (qubit) và laser nguyên tử (atom laser) từ các hệ nguyên tử siêu lạnh phục vụ cho các nghiên cứu về máy tính lượng tử và các công nghệ đo lường chính xác cao.
- Nghiên cứu liên ngành với hoá học, công nghệ nano... về các tính chất điện và từ của các loại vật liệu, cấu trúc của mạng tinh thể để chế tạo những vật liệu mới với những tính chất ưu việt như ống nano carbon, graphene,....
– Nghiên cứu về vật liệu bán dẫn phục vụ ngành điện – điện tử và ngành công nghiệp về bán dẫn như chế tạo vi xử lí trung tâm của máy tính, vi mạch điện tử,..
Một số ứng dụng của Vật lí ngưng tụ Bose-Einstein:
- Trong lĩnh vực đo lường độ chính xác cao: Trạng thái BEC là cơ sở quan trọng để các nhà vật lí phát triển công nghệ laser nguyên tử siêu lạnh, phục vụ cho công nghệ đo đạc yêu cầu độ phân giải cao về mặt không gian.
- Trong lĩnh vực thông tin lượng tử và máy tính lượng tử: Nhờ vào sự phát triển của công nghệ giam giữ và điều khiển nguyên tử siêu lạnh, điển hình là mạng quang học các nhà vật lí có thể kiểm soát và trích xuất tính chất lượng tử của từng nguyên tử.
IV. Vật lí hạt cơ bản và năng lượng cao
- Ý tưởng về vật chất được tạo bởi các hạt nhỏ bé, không phân chia được, đã được đưa ra từ thế kỉ VI trước Công nguyên, cho đến năm 1810, Dalton (Đan-tơn, 1766 – 1844) mới đưa ra luận điểm chứng minh được "mọi vật đều được cấu tạo bởi các hạt cực nhỏ, gọi là các nguyên tử".
- Vào những năm 1930, các nhà khoa học đã khám phá và chứng minh được rằng: có hai loại hạt, hạt cơ bản và hạt quark.
- Vật lí hạt nghiên cứu về các hạt sơ cấp chứa trong vật chất và những tương tác giữa chúng. Và được gọi là vật lí năng lượng cao.
- Các ứng dụng phổ biến nhất được biết đến của vật lí hạt nhân là sự tạo năng lượng hạt nhân và đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực như sử dụng năng lượng hạt nhân để sản xuất điện, chụp hình ảnh cộng hưởng điện từ, cấy ion trong kĩ thuật vật liệu, bức xạ carbon xác định tuổi trong địa chất học và khảo cổ học.
- Kĩ sư ngành kĩ thuật hạt nhân hoạt động trên phạm vi rộng. Họ có thể thực hiện nghiên cứu cơ bản và ứng dụng liên quan đến bức xạ hạt nhân, thực hiện các công việc liên quan đến thiết kế, chế tạo, vận hành, bảo trì bảo dưỡng các thiết bị, hệ thống ứng dụng bức xạ hạt nhân trong y tế, công nghiệp, nông nghiệp
V. Vật lí Nano
- Đối tượng nghiên cứu: nghiên cứu vật chất hay các thiết bị có kích thước từ 1 tới 100 nm, chia thành hai ngành nhỏ hơn là khoa học nano và công nghệ nano
Ở kích cỡ nano, vật liệu có tính chất điện, tính chất từ, tính chất quang và các tính chất hoá học khác hẳn với tinh chất của chúng tại các kích cỡ lớn hơn.
Khoa học nano nghiên cứu các tính chất vật lí, hoá học đặc biệt của các loại vật liệu ở cấp độ nanômét. Ví dụ, ống nano carbon
Công nghệ nano tập trung triển khai những thành tựu của khoa học nano vào thực tế.
Hình ảnh: ống nano carbon
- Một số ứng dụng của vật lí nano
Các loại vật liệu nano được dùng trong các linh kiện điện tử hay chế tạo xe, máy bay và phục vụ may mặc. Ngoài ra, nano còn được ứng dụng trong công nghệ sản xuất hàng tiêu dùng.
Trong y học thì có robot với kích thước nano được dùng trong điều trị ung thư.
Hình ảnh: robot với kích thước nano
Trong sản xuất năng lượng, sử dụng các vật liệu nano chế tạo các loại pin, tụ điện làm tăng tính hiệu quả dự trữ điện năng hoặc tạo ra vật liệu siêu dẫn.
Trong đời sống hằng ngày, công nghệ nano có nhiều ứng dụng như sử dụng các hạt nano bạc trong sản xuất vải có khả năng tiêu diệt vi khuẩn, loại bỏ tạp chất.
VI. Vật lí Laser
Laser là từ viết tắt tiếng Anh "LightAmplification by Stimulated Emission of Radiation" (sự khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cảm ứng), là nguồn ánh sáng thu được nhờ sự khuếch ánh sáng bằng bức xạ phát ra khi kích hoạt đại các phần tử của một môi trường vật chất.
Vật lí Laser nghiên cứu các lĩnh vực sau:
– Nghiên cứu cấu trúc của nguyên tử, phân tử thông qua các hiệu ứng quang phi tuyến.
– Nghiên cứu để quan sát sự hình thành các liên kết hoá học trong thời gian rất ngắn bằng cách sử dụng những xung laser cực ngắn nhằm tạo ra độ phân giải thời gian phù hợp.
– Nghiên cứu chế tạo các thiết bị quang học, quang – điện tử mới có những tính năng vượt trội.
– Nghiên cứu chế tạo công cụ, thiết bị để bẫy nguyên tử hay các hạt có kích thước từ micrômét đến nanômét
- Nghiên cứu phát triển công nghệ chụp ảnh cấu trúc vật liệu mà không phá huỷ mẫu vật.
- Nghiên cứu phát triển các công nghệ mới để chẩn đoán và điều trị bệnh trong lĩnh vực y học.
Laser được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực:
- Trong công nghiệp chế tạo, laser được sử dụng để cắt kim loại.
- Trong y học, laser được sử dụng như một dao mổ để phẫu thuật.
- Sử dụng laser trong viễn thông để truyền tin tức.
– Sử dụng tia laser trong nghiên cứu vũ trụ như: đo những khoảng cách cực lớn; xác định vị trí của các vật thể trong vũ trụ; theo dõi, điều khiển và liên lạc với các tàu vũ trụ.
VII. Vật lí bán dẫn
Vật lí bán dẫn là lĩnh vực nghiên cứu những tính chất và cơ chế vật lí xảy ra trong các chất bán dẫn.
Thiết bị bán dẫn có lịch sử khá lâu đời, vào năm 1874, Rraun đã khám phá ra bản chất của sự dẫn điện giữa các tiếp điểm kim loại và chất bán dẫn.
Vật liệu bán dẫn trở thành vật liệu chủ yếu trong kĩ thuật điện tử hiện đại như chế tạo mạch IC, thiết bị cảm biến.
Hình ảnh. Mạch IC
