fysica
Natuurkunde is een natuurwetenschap die fundamentele verschijnselen in de natuur bestudeert. Om hun eigenschappen en gedrag te verklaren met behulp van kwantitatieve modellen en wetten, houdt ze zich met name bezig met materie en energie en hun interacties in ruimte en tijd .
Uitleggen betekent hier classificeren, vergelijken, meer algemene verschijnselen toekennen of afleiden uit algemene natuurwetten . [1] Dit vereist vaak het creëren van nieuwe, passende termen , soms ook die welke niet meer direct toegankelijk zijn. De natuurkunde kan geen verklaring geven in de filosofische zin van 'waarom' de natuur zich op deze manier gedraagt. In plaats daarvan gaat het over het "hoe". Ze kan bijvoorbeeld niet verklaren waarom menigten elkaar aantrekken. Dit gedrag kan alleen worden beschreven met verschillende modellen. Newton deed dit door aan te nemen dat er een aantrekkingskracht is tussen lichamen. Einstein had een heel ander idee, die de zwaartekracht verklaarde door te zeggen dat materie de ruimte-tijd buigt.
De manier waarop natuurkunde werkt, bestaat uit de interactie van experimentele methoden en theoretische modellering . Fysische theorieën bewijzen zichzelf in de toepassing op systemen van de natuur, in die zin dat ze voorspellingen over latere toestanden mogelijk maken met kennis van hun oorspronkelijke toestanden. Vooruitgang in kennis komt voort uit het samenspel van observatie of experiment met theorie. Een nieuwe of verder ontwikkelde theorie kan bekende resultaten voor het eerst beter of helemaal niet verklaren en kan ook nieuwe experimenten en waarnemingen stimuleren, waarvan de resultaten vervolgens de theorie bevestigen of tegenspreken. Onverwachte resultaten van waarnemingen of experimenten geven aanleiding tot theorieontwikkeling in verschillende vormen, van geleidelijke verbetering tot het volledig loslaten van een lang geaccepteerde theorie.
Bevindingen en modellen van de fysica worden intensief gebruikt in de chemie , geologie , biologie , geneeskunde en techniek .
Geschiedenis van het concept en de discipline van de natuurkunde
De discipline van de natuurkunde in zijn huidige vorm vindt zijn oorsprong in de filosofie , die zich sinds de oudheid bezighoudt met de redenen en oorzaken van alle dingen in de breedste zin van het woord. Van Aristoteles tot het begin van de 19e eeuw werd natuurkunde begrepen als de tak van de filosofie die zich bezighoudt met de realiteit van de natuur als de wetenschap van de natuur, natuurlijke historie, scheikunde of toegepaste wiskunde . [2] Vergeleken met de puur filosofische pogingen om natuurlijke processen te verklaren, speelde het soort kennis dat verkregen kan worden door systematische en nauwkeurige observatie, dus empirisch, lange tijd geen rol. Vanaf het midden van de 13e en in de loop van de 14e eeuw pleitten individuele filosofen en natuuronderzoekers - meestal één en dezelfde persoon zoals Roger Bacon - voor meer gewicht aan de kennis van de natuur die door observatie kon worden verkregen. In de 16e en 17e eeuw leidden deze tendensen, met Galileo Galilei en Isaac Newton in het bijzonder, tot de ontwikkeling van een methodologie van fysische kennis die primair gericht is op empirische en zelfs experimentele normen en, in geval van twijfel, zelfs prioriteit geeft aan deze over traditionele filosofische principes. Deze benadering werd aanvankelijk " experimentele filosofie " genoemd en leidde al snel tot aanzienlijke successen bij het begrijpen van veel verschillende natuurlijke processen. Toch was het pas in de 19e eeuw dat het eindelijk in staat was om zich in de natuurkunde te vestigen en het zo te vestigen als een onafhankelijke discipline in de huidige zin.
Met betrekking tot haar methode, haar vakgebied, haar wetenschappelijke systematische en institutionele locatie, is de natuurkunde in wezen verdeeld in twee grote gebieden. De theoretische fysica houdt zich voornamelijk bezig met formele wiskundige beschrijvingen en de natuurwetten . Het abstraheert processen en verschijningen in de echte natuur in de vorm van een systeem van modellen , algemene theorieën en natuurwetten, evenals intuïtief gekozen hypothesen . Bij het formuleren van theorieën en wetten maakt ze vaak gebruik van de methoden van wiskunde en logica . Het doel is om het gedrag van een systeem theoretisch te voorspellen , zodat dit kan worden gecontroleerd door vergelijking met de processen en verschijnselen in de echte natuur. Deze verificatie in de vorm van reproduceerbare metingen aan speciaal ontworpen natuurkundige experimenten of door het observeren van natuurlijke fenomenen is het terrein van de experimentele natuurkunde . Het resultaat van de controle bepaalt de validiteit en voorspellende kracht van het model en de daarin gekozen termen, hypothesen en methoden.
Natuurkunde is nauw verwant aan techniek en de andere natuurwetenschappen, van astronomie en scheikunde tot biologie en geowetenschappen . Natuurkunde wordt vaak gezien als een fundamentele of fundamentele wetenschap die zich het meest bezighoudt met de basisprincipes die natuurlijke processen bepalen. De afbakening naar de andere natuurwetenschappen is historisch ontstaan, maar wordt met de opkomst van nieuwe wetenschappelijke disciplines steeds moeilijker.
In de huidige natuurkunde is de grens naar de chemie die wordt gemarkeerd door de atoom- en moleculaire fysica en de kwantumchemie vloeiend. Om het te onderscheiden van de biologie, wordt de natuurkunde vaak de wetenschap van de levenloze versus de levende natuur genoemd, maar dit houdt een beperking in die in de natuurkunde niet bestaat. De ingenieurswetenschappen onderscheiden zich van de natuurkunde door hun nauwe relatie met de praktische technische toepassing, aangezien in de natuurkunde het begrip van de fundamentele mechanismen op de voorgrond staat. Astronomie kan geen laboratoriumexperimenten uitvoeren en is daarom uitsluitend afhankelijk van observatie van de natuur, die hier wordt gebruikt om deze te onderscheiden van de natuurkunde.
methodologie
Het verwerven van kennis in de natuurkunde is nauw verbonden tussen experiment en theorie, d.w.z. het bestaat uit empirische gegevensverzameling en -evaluatie en tegelijkertijd het creëren van theoretische modellen om ze te verklaren . Desalniettemin ontwikkelden zich in de loop van de 20e eeuw specialisaties, die tegenwoordig vooral vorm geven aan professioneel geopereerde fysica. Zo kunnen experimentele natuurkunde en theoretische natuurkunde grofweg van elkaar worden onderscheiden.
Experimentele fysica
Terwijl sommige natuurwetenschappen, zoals astronomie en meteorologie , zich methodologisch moeten beperken tot observaties van hun onderzoeksobject, ligt in de natuurkunde de nadruk op het experiment. Experimentele fysica probeert wetten op te sporen door experimenten te ontwerpen, op te zetten, uit te voeren, te evalueren en te beschrijven met behulp van empirische modellen. Enerzijds probeert het nieuwe wegen in te slaan in de natuurkunde, anderzijds controleert het de voorspellingen van de theoretische natuurkunde.
De basis van een fysiek experiment is om de eigenschappen van een eerder voorbereid fysiek systeem, bijvoorbeeld een gegooide steen, een ingesloten gasvolume of een deeltje tijdens een botsingsproces, uit te drukken door in numerieke vorm te meten , bijvoorbeeld als botssnelheid, als de resulterende druk (gezien de randvoorwaarden) of als Lengte van de waarneembare deeltjessporen in de detector.
Concreet worden ofwel alleen de tijdonafhankelijke ( statische ) eigenschappen van een object gemeten of wordt gekeken naar de temporele ontwikkeling ( dynamiek ) van het systeem, bijvoorbeeld door het bepalen van de begin- en eindwaarden van een meetgrootheid voor en na de cursus van een proces of door het bepalen van continue tussenwaarden.
Theoretische fysica
Theoretische fysica tracht de empirische modellen van de experimentele fysica wiskundig te herleiden tot bekende basistheorieën of, indien dit niet mogelijk is, hypothesen te ontwikkelen voor een nieuwe theorie, die vervolgens experimenteel kan worden getest. Het leidt ook empirisch verifieerbare voorspellingen af van reeds bekende theorieën.
Bij het ontwikkelen van een model wordt de werkelijkheid fundamenteel geïdealiseerd; men concentreert zich aanvankelijk alleen op een vereenvoudigd beeld om de aspecten ervan te overzien en te onderzoeken. Nadat het model volwassen is geworden voor deze aandoeningen, wordt het verder veralgemeend.
De taal van de wiskunde wordt gebruikt voor de theoretische beschrijving van een fysiek systeem. De componenten ervan worden weergegeven door wiskundige objecten zoals scalairen of vectoren , die door middel van vergelijkingen aan elkaar gerelateerd zijn. Uit bekende grootheden worden bekende grootheden berekend en zo wordt bijvoorbeeld het resultaat van een experimentele meting voorspeld. Deze op kwantiteit gerichte opvatting onderscheidt de natuurkunde aanzienlijk van de filosofie en heeft tot gevolg dat niet-kwantificeerbare modellen, zoals bewustzijn , niet als onderdeel van de natuurkunde worden beschouwd.
De fundamentele maatstaf voor het succes van een wetenschappelijke theorie is de overeenstemming met waarnemingen en experimenten. Door het te vergelijken met het experiment kan het geldigheidsbereik en de nauwkeurigheid van een theorie worden bepaald; het kan echter nooit worden "bewezen". In principe is een enkel experiment voldoende om een theorie te weerleggen of de grenzen van het geldigheidsbereik ervan aan te tonen, op voorwaarde dat het reproduceerbaar blijkt te zijn.
Experimentele fysica en theoretische fysica zijn daarom voortdurend met elkaar verbonden. Het kan echter voorkomen dat resultaten van de ene discipline voorlopen op de andere: Zo kunnen veel van de voorspellingen van de snaartheorie op dit moment niet experimenteel worden geverifieerd; Aan de andere kant kunnen veel waarden uit het veld van de deeltjesfysica, waarvan sommige zeer nauwkeurig zijn gemeten, op dit moment (2009) niet worden berekend vanwege de bijbehorende theorie, de kwantumchromodynamica .
Andere aspecten
Naast deze fundamentele indeling van de natuurkunde wordt soms een onderscheid gemaakt tussen verdere methodologische subdisciplines, vooral wiskundige natuurkunde en toegepaste natuurkunde . Het werken met computersimulaties heeft ook eigenschappen op het eigen gebied van de natuurkunde.
Wiskundige natuurkunde
Wiskundige fysica wordt soms gezien als een tak van de theoretische fysica, maar verschilt ervan doordat het onderwerp van studie niet de concrete fysische verschijnselen zijn, maar de resultaten van de theoretische fysica zelf. Het abstraheert van elke toepassing en is in plaats daarvan geïnteresseerd in de wiskundige eigenschappen van een model, vooral de onderliggende symmetrieën . Op deze manier ontwikkelt ze generalisaties en nieuwe wiskundige formuleringen van reeds bekende theorieën, die op hun beurt kunnen worden gebruikt als werkmateriaal voor theoretische fysici bij het modelleren van empirische processen.
Toegepaste fysica
Toegepaste natuurkunde onderscheidt zich (vaag) van experimentele natuurkunde, en soms ook van theoretische natuurkunde. Het essentiële kenmerk is dat het een bepaald fysiek fenomeen niet op zichzelf onderzoekt, maar eerder om de kennis die uit het onderzoek is verkregen te gebruiken om een (meestal) niet-fysiek probleem op te lossen. De toepassingen liggen op het gebied van technologie , maar bijvoorbeeld ook in de economie , waar methoden van theoretische vastestoffysica worden gebruikt bij risicobeheer . Er zijn ook de interdisciplinaire gebieden medische fysica , fysische chemie , astrofysica en biofysica .
Simulatie en computerfysica
Met de voortschrijdende ontwikkeling van computersystemen in de laatste decennia van de 20e eeuw, versneld sinds rond 1990, heeft computersimulatie zich ontwikkeld als een nieuwe methode binnen de natuurkunde. Computersimulaties worden vaak gebruikt als schakel tussen theorie en experiment om voorspellingen uit een theorie te halen; anderzijds kunnen simulaties ook een impuls geven aan de theoretische natuurkunde in de vorm van een effectieve theorie die een experimenteel resultaat repliceert. Uiteraard kent dit vakgebied van de natuurkunde tal van raakvlakken met de informatica .
Het bouwen van theorieën
De theoretische structuur van de natuurkunde is in zijn oorsprong gebaseerd op de klassieke mechanica . Dit werd aangevuld met andere theorieën in de 19e eeuw, met name elektromagnetisme en thermodynamica . De moderne natuurkunde is gebaseerd op twee uitbreidingen uit de 20e eeuw, de relativiteitstheorie en de kwantumfysica , die bepaalde basisprincipes van de klassieke mechanica veralgemeniseerden. Beide theorieën bevatten klassieke mechanica via het zogenaamde correspondentieprincipe als grensgeval en hebben dus een groter geldigheidsgebied dan dit. Terwijl de relativiteitstheorie deels gebaseerd is op dezelfde conceptuele fundamenten als de klassieke mechanica, breekt de kwantumfysica er duidelijk van af.
Klassieke mechanica
Klassieke mechanica werd grotendeels gesticht in de 16e en 17e eeuw door Galileo Galilei en Isaac Newton. Door de toen nog vrij beperkte technische mogelijkheden zijn de door de klassieke mechanica beschreven processen grotendeels zonder ingewikkelde hulpmiddelen waar te nemen, wat ze duidelijk maakt. Klassieke mechanica houdt zich bezig met systemen met een paar massieve lichamen, wat ze onderscheidt van elektrodynamica en thermodynamica. Ruimte en tijd zijn geen onderdeel van de dynamiek, maar een onbeweeglijke achtergrond waartegen fysieke processen plaatsvinden en lichamen bewegen. Voor zeer kleine objecten neemt de kwantumfysica de plaats in van de klassieke mechanica, terwijl de relativiteitstheorie geschikt is voor het beschrijven van lichamen met zeer grote massa's en energieën.
De wiskundige behandeling van de klassieke mechanica werd op beslissende wijze verenigd in de late 18e en vroege 19e eeuw in de vorm van het Lagrange-formalisme en het Hamilton-formalisme . Deze formalismen kunnen ook worden gebruikt bij de relativiteitstheorie en vormen daarom een belangrijk onderdeel van de klassieke mechanica. Hoewel klassieke mechanica alleen geldt voor middelgrote, beschrijvende systemen, is de wiskundige behandeling van complexe systemen wiskundig veeleisend, zelfs binnen het kader van deze theorie. Chaostheorie houdt zich voor een groot deel bezig met dergelijke complexe systemen van klassieke mechanica en is momenteel (2009) een actief onderzoeksgebied.
Elektrodynamica en optica
In de elektrodynamica worden verschijnselen beschreven met bewegende elektrische ladingen in interactie met in de tijd variërende elektrische en magnetische velden . Om de ontwikkeling van de theorieën over elektriciteit en magnetisme in de 18e en 19e eeuw samen te brengen, werd het noodzakelijk om de theoretische structuur van de klassieke mechanica uit te breiden. Het uitgangspunt was de door Michael Faraday ontdekte wet van inductie en de Lorentzkracht , genoemd naar Hendrik Antoon Lorentz , op een bewegende elektrische lading in een magnetisch veld. De wetten van de elektrodynamica werden in de 19e eeuw samengevat door James Clerk Maxwell en voor het eerst volledig geformuleerd in de vorm van de Maxwell-vergelijkingen . In principe werden elektrodynamische systemen behandeld met de methoden van de klassieke mechanica, maar de Maxwell-vergelijkingen maken ook een golfoplossing mogelijk die elektromagnetische golven zoals licht beschrijft. Deze theorie bracht onder meer een eigen formalisme voort in de vorm van golfoptica , dat fundamenteel verschilt van dat van de klassieke mechanica. Vooral de symmetrieën van de elektrodynamica zijn onverenigbaar met die van de klassieke mechanica. Deze tegenstelling tussen de twee theoretische gebouwen werd opgelost door de speciale relativiteitstheorie. Golfoptica is vandaag (2011) nog steeds een actief onderzoeksgebied in de vorm van niet-lineaire optica .
thermodynamica
Ongeveer tegelijkertijd met de elektrodynamica ontwikkelde zich een ander complex van theorieën, de thermodynamica, die fundamenteel verschilt van de klassieke mechanica. In tegenstelling tot de klassieke mechanica staan in de thermodynamica niet individuele lichamen op de voorgrond, maar een ensemble van vele kleine bouwstenen, wat leidt tot een radicaal ander formalisme. Thermodynamica is daarom geschikt voor de behandeling van media van alle aggregaattoestanden . De kwantumtheorie en de relativiteitstheorie kunnen worden ingebed in het formalisme van de thermodynamica, omdat ze alleen de dynamiek van de bouwstenen van het ensemble beïnvloeden, maar het formalisme voor het beschrijven van thermodynamische systemen niet fundamenteel veranderen.
Thermodynamica is bijvoorbeeld geschikt voor het beschrijven van warmtemotoren, maar ook voor het verklaren van veel moderne onderzoeksonderwerpen zoals supergeleiding of superfluïditeit . Vooral op het gebied van de vastestoffysica wordt vandaag de dag (2009) nog veel gewerkt met de methoden van de thermodynamica.
relativiteitstheorie
De relativiteitstheorie van Albert Einstein introduceert een volledig nieuw begrip van de verschijnselen van ruimte en tijd. Volgens dit zijn dit geen universeel geldige ordestructuren, maar worden ruimtelijke en temporele afstanden door verschillende waarnemers verschillend beoordeeld. Ruimte en tijd versmelten tot een vierdimensionale ruimte - tijd . De zwaartekracht wordt toegeschreven aan een kromming van deze ruimte-tijd, die wordt veroorzaakt door de aanwezigheid van massa of energie . In de relativiteitstheorie wordt kosmologie voor het eerst een wetenschappelijk onderwerp. De formulering van de relativiteitstheorie wordt beschouwd als het begin van de moderne natuurkunde , ook al wordt er vaak naar verwezen als de voltooiing van de klassieke natuurkunde .
Kwantumfysica
De kwantumfysica beschrijft de natuurwetten op atomair en subatomair gebied en breekt zelfs radicaler met klassieke ideeën dan de relativiteitstheorie. In de kwantumfysica maken fysieke grootheden zelf deel uit van het formalisme en zijn ze niet langer louter parameters die een systeem beschrijven. Het formalisme maakt onderscheid tussen twee soorten objecten, de waarneembare objecten, die de hoeveelheden beschrijven, en detoestanden , die het systeem beschrijven. Ook het meetproces wordt actief in de theorie meegenomen. In bepaalde situaties leidt dit tot de kwantisering van de groottewaarden. Dit betekent dat de grootheden altijd alleen bepaalde discrete waarden aannemen. In de kwantumveldentheorie , de meest ontwikkelde relativistische kwantumtheorie, verschijnt materie alleen in delen, de elementaire deeltjes of quanta .
De wetten van de kwantumfysica ontwijken grotendeels de menselijke waarneming , en zelfs vandaag is er nog steeds geen consensus over huninterpretatie . Niettemin, in termen van empirisch succes, is het een van de best gevestigde kennis van de mensheid.
Vakgebieden van de moderne natuurkunde
De theorieën van de natuurkunde worden gebruikt in verschillende vakgebieden. De indeling van de natuurkunde in deelonderwerpen is niet duidelijk en de afbakening van de deelonderwerpen van elkaar is net zo moeilijk als de afbakening van de natuurkunde van andere wetenschappen. Er is dan ook veel overlap en onderlinge relaties tussen de verschillende gebieden. Hier wordt een verzameling van onderwerpgebieden gepresenteerd volgens de grootte van de beschouwde objecten en in de loop van deze verwijzing wordt verwezen naar onderwerpgebieden die daarmee verband houden. De genoemde onderwerpen kunnen niet eenduidig aan een theorie worden toegewezen, maar maken gebruik van verschillende theoretische concepten, afhankelijk van het onderzochte onderwerp.
Deeltjesfysica
Deeltjesfysica houdt zich bezig met elementaire deeltjes en hun interacties met elkaar. De moderne natuurkunde kent vier basiskrachten :
- De zwaartekracht of zwaartekracht,
- de elektromagnetische interactie ,
- de zwakke interactie die bijvoorbeeld verantwoordelijk is voor bepaalde radioactieve vervalprocessen en
- de sterke wisselwerking die de atoomkernen bij elkaar houdt.
Deze interacties worden beschreven door de uitwisseling van zogenaamde kalibratiebosonen . Deeltjesfysica sluit zwaartekracht momenteel uit (2009), omdat er nog steeds geen theorie van kwantumzwaartekracht is die de zwaartekrachtinteracties van elementaire deeltjes volledig kan beschrijven. In de deeltjesfysica worden relativistische kwantumtheorieën gebruikt om de verschijnselen te beschrijven.
Een van de doelen van deeltjesfysica is om alle basiskrachten te beschrijven in een uniform totaalconcept ( wereldformule ). Tot nu toe was het echter alleen mogelijk om de elektromagnetische interactie weer te geven als een combinatie van de elektrische en de magnetische interactie en ook om de elektromagnetische interactie en de zwakke interactie te combineren tot een zogenaamde elektrozwakke interactie . Onder andere de theorie van supersymmetrie is bedacht om de elektrozwakke en de sterke interactie te combineren, maar dit is nog niet experimenteel bevestigd. Zoals eerder vermeld ontstaan de grootste moeilijkheden op het gebied van zwaartekracht, aangezien er nog geen theorie van kwantumzwaartekracht bestaat, maar elementaire deeltjes kunnen alleen beschreven worden in het kader van de kwantumtheorie.
Typische experimenten om de theorieën van deeltjesfysica te testen worden uitgevoerd bij deeltjesversnellers met hoge deeltjesenergieën. Om hoge botsingsenergieën te bereiken, worden voornamelijk collider- experimenten gebruikt, waarbij deeltjes tegen elkaar worden geschoten en niet op een vast doelwit. Daarom wordt de term hoge-energiefysica vaak bijna congruent gebruikt met de term deeltjesfysica. De deeltjesversneller met de momenteel (2011) hoogste botsingsenergie is de Large Hadron Collider . Neutrino-detectoren zoals de Super-Kamiokande zijn speciaal ontworpen voor het onderzoeken van de eigenschappen van neutrino's en vormen daarmee een bijzondere, maar niettemin belangrijke klasse van experimenten.
Hadron en atoomkernfysica
De elementaire deeltjes die onderhevig zijn aan de sterke wisselwerking, de zogenaamde quarks , komen niet afzonderlijk voor, maar altijd alleen in gebonden toestanden, de hadronen , waaronder het proton en het neutron . De Hadronfysica heeft veel raakvlakken met de elementaire deeltjesfysica, omdat veel verschijnselen alleen kunnen worden verklaard door er rekening mee te houden dat hadronen uit quarks bestaan. De beschrijving van de sterke interactie door kwantumchromodynamica, een relativistische kwantumveldentheorie, kan de eigenschappen van hadronen echter niet voorspellen, daarom wordt het onderzoek naar deze eigenschappen als een onafhankelijk onderzoeksgebied beschouwd. Daarom wordt gezocht naar een uitbreiding van de theorie van de sterke wisselwerking voor kleine energieën waarbij de hadronen worden gevormd.
Atoomkernen vertegenwoordigen het volgende niveau van complexiteit in vergelijking met elementaire deeltjes Ze bestaan uit verschillende nucleonen , d.w.z. protonen en neutronen, waarvan de interacties worden onderzocht. In atoomkernen overheersen de sterke en de elektromagnetische interactie. Kernfysische onderzoeksgebieden zijn onder meer radioactief verval en stabiliteit van atoomkernen. Het doel is het ontwikkelen core modellen die deze verschijnselen kan verklaren. Een gedetailleerde uitwerking van de sterke wisselwerking zoals in de hadronfysica ontbreekt echter.
Deeltjesversnellers worden gebruikt om de eigenschappen van hadronen te onderzoeken, hoewel de focus hier niet zozeer ligt op hoge botsingsenergieën als in de deeltjesfysica. In plaats daarvan worden doelexperimenten uitgevoerd, die lagere zwaartepuntenergieën opleveren, maar een veel groter aantal gebeurtenissen. Collider-experimenten met zware ionen worden echter vooral gebruikt om kennis op te doen over hadronen. In de kernfysica worden zware atomen met elkaar in botsing gebracht om transuraniumelementen te genereren en wordt radioactiviteit onderzocht met verschillende experimentele opstellingen.
Atoom- en moleculaire fysica
Atomen bestaan uit de atoomkern en meestal meerdere elektronen en vertegenwoordigen het volgende niveau van complexiteit van materie.Een van de doelen van de atoomfysica is om de lijnspectra van de atomen te verklaren, waarvoor een nauwkeurige kwantummechanische beschrijving van de interacties tussen de elektronen van de atomen nodig. Omdat moleculen uit meerdere atomen bestaan, werkt de moleculaire fysica met vergelijkbare methoden, maar met name grote moleculen vertegenwoordigen meestal aanzienlijk complexere systemen, wat de berekeningen veel gecompliceerder maakt en vaak het gebruik van computersimulaties vereist.
Atoom- en moleculaire fysica zijn nauw verwant aan optica door de studie van de optische spectra van atomen en moleculen. Zo is het functionele principe van de laser , een belangrijke technische ontwikkeling, grotendeels gebaseerd op de resultaten van de atoomfysica. Omdat de moleculaire fysica zich ook intensief bezighoudt met de theorie van chemische bindingen , overlapt dit vakgebied met de scheikunde.
Een belangrijke experimentele benadering is blootstelling aan licht. Zo zijn optische spectra van atomen en moleculen gerelateerd aan hun kwantummechanische eigenschappen. Omgekeerd kunnen dan spectroscopische methoden worden gebruikt om de samenstelling van een mengsel van stoffen te onderzoeken en om met behulp van sterrenlicht uitspraken te doen over de elementen in de atmosfeer van de ster. Andere onderzoeksmethoden houden rekening met het gedrag onder invloed van elektrische en magnetische velden. Beispiele sind die Massenspektroskopie oder die Paulfalle .
Kondensierte Materie und Fluiddynamik
Die Physik der kondensierten Materie und die Fluiddynamik sind in dieser Auflistung das Gebiet mit der größten thematischen Bandbreite, von der Festkörperphysik bis zur Plasmaphysik . All diesen Bereichen ist gemeinsam, dass sie sich mit makroskopischen Systemen aus sehr vielen Atomen, Molekülen oder Ionen befassen. Dementsprechend ist in allen Bereichen dieses Themengebiets die Thermodynamik ein wichtiger Teil des theoretischen Fundamentes. Je nach Problem kommen aber auch Quantentheorie und Relativitätstheorie zum Einsatz, um die Systeme zu beschreiben. Auch Computersimulationen sind ein fester Bestand der Forschung an solchen Vielteilchensystemen.
Aufgrund der thematischen Bandbreite existieren Überschneidungen mit nahezu allen anderen Gebieten der Physik, zum Beispiel mit der Optik in Form laseraktiver Medien oder nichtlinearer Optik, aber auch mit der Akustik, Atom-, Kern- und Teilchenphysik. Auch in der Astrophysik spielt die Fluiddynamik eine große Rolle bei der Erstellung von Modellen zur Entstehung und zum Aufbau von Sternen sowie bei der Modellierung vieler anderer Effekte. Viele Forschungsbereiche sind dabei sehr anwendungsorientiert, wie die Materialforschung , die Plasmaphysik oder die Erforschung der Hochtemperatursupraleiter .
Die Bandbreite der experimentellen Methoden in diesem Bereich der Physik ist sehr groß, sodass sich keine typischen Methoden für das ganze Gebiet angeben lassen. Die quantenmechanischen Effekte wie Supraleitung und Suprafluidität , die eine gewisse Bekanntheit erlangt haben, werden der Tieftemperaturphysik zugerechnet, die mit typischen Kühlungsmethoden einhergeht.
Astrophysik und Kosmologie
Astrophysik und Kosmologie sind interdisziplinäre Forschungsgebiete, die sich stark mit der Astronomie überschneiden. Nahezu alle anderen Themenbereiche der Physik gehen in die astrophysikalischen Modelle ein, um Prozesse auf verschiedenen Größenskalen zu modellieren. Ziel dieser Modelle ist es, astronomische Beobachtungen auf der Grundlage der bisher bekannten Physik zu erklären.
Die Kosmologie baut insbesondere auf den Grundlagen der allgemeinen Relativitätstheorie auf, allerdings sind im Rahmen der Quantenkosmologie auch die Quantentheorien sehr bedeutsam um die Entwicklung des Universums in sehr viel früheren Phasen zu erklären. Das derzeit (2009) am meisten vertretene kosmologische Standardmodell baut dabei maßgeblich auf den Theorien der Dunklen Materie und der Dunklen Energie auf. Weder Dunkle Materie noch Dunkle Energie konnte bisher direkt experimentell nachgewiesen werden, es existieren aber eine Vielzahl von Theorien, was genau diese Objekte sind.
Da in der Astrophysik nur in sehr beschränktem Ausmaß Experimente möglich sind, ist dieses Teilgebiet der Physik sehr stark auf die Beobachtung unbeeinflussbarer Phänomene angewiesen. Dabei kommen auch Erkenntnisse der Atomphysik und der Teilchenphysik und typische Messmethoden dieser Fachgebiete zur Anwendung, um Rückschlüsse auf astrophysikalische oder kosmologische Zusammenhänge zu ziehen. Beispielsweise geben die Spektren von Sternenlicht Auskunft über die Elementverteilung der Sternenatmosphäre, die Untersuchung der Höhenstrahlung erlaubt Rückschlüsse auf die kosmische Strahlung und Neutrinodetektoren messen nach einer Supernova einen erhöhten Neutrinostrom, der gleichzeitig mit dem Licht der Supernova beobachtet wird.
Interdisziplinäre Themenbereiche
Methoden der Physik finden in vielen Themengebieten Anwendung, die nicht zum Kernthemenbereich der Physik gehören. Einige dieser Anwendungen sind in den vorigen Kapiteln bereits angesprochen worden. Die folgende Aufzählung gibt einen kurzen Überblick über die wichtigsten interdisziplinären Themenbereiche.
- Die Astrophysik wendet physikalische Methoden auf das Studium astronomischer Phänomene an.
- In der Biophysik werden die physikalischen Gesetzmäßigkeiten untersucht, denen Lebewesen und ihre Wechselwirkung mit der Natur unterliegen.
- Die Medizinische Physik nutzt physikalische Phänomene wie zum Beispiel Laser, Radioaktivität, Röntgenstrahlung und Kernspinresonanz für medizinische Diagnostik und Therapie.
- Bei der physikalischen Chemie werden Methoden der Physik auf die Anschauungsobjekte der Chemie angewendet.
- Die Geophysik nutzt physikalische Modelle und Methoden zur Erklärung geowissenschaftlicher Vorgänge und Fragestellungen.
- Die Technische Physik befasst sich mit den technischen Anwendungen physikalischen Wissens. Wichtige Teilbereiche sind die Quantenelektronik und die Theorie der Quantencomputer .
- Die Umweltphysik beschäftigt sich in ihrer Forschung vor allem mit den Bereichen Energie und Klima .
- Soziophysik und Ökonophysik wenden physikalische und statistische Methoden auf gesellschaftliche, wirtschaftliche, kulturelle und politische Phänomene an.
Grenzen der physikalischen Erkenntnis
Der derzeitige Stand der Physik ist nach wie vor mit noch ungelösten Problemen konfrontiert. Zum einen handelt es sich dabei um den weniger grundsätzlichen Fall von Problemen, deren Lösung prinzipiell möglich, aber mit den derzeitigen mathematischen Möglichkeiten bestenfalls annäherbar ist. Zum anderen gibt es eine Reihe von Problemen, für die noch unklar ist, ob eine Lösung im Begriffsrahmen der heutigen Theorien überhaupt möglich sein wird. So ist es bislang nicht gelungen, eine vereinheitlichte Theorie zu formulieren, welche sowohl Phänomene beschreibt, die der elektroschwachen wie der starken Wechselwirkung unterliegen, wie auch solche, welche der Gravitation unterliegen. Erst bei einer solchen Vereinigung von Quantentheorie und Gravitationstheorie (allgemeiner Relativitätstheorie) könnten alle vier Grundkräfte einheitlich behandelt werden, sodass eine vereinheitlichte Theorie der Elementarteilchen resultierte.
Die bisherigen Kandidaten von Quantengravitations theorien, Supersymmetrie und Supergravitations -, String- und M-Theorien versuchen, eine solche Vereinheitlichung zu erreichen. Überhaupt ist es ein praktisch leitendes Ziel heutiger Physiker, sämtliche Vorgänge der Natur durch eine möglichst geringe Anzahl von möglichst einfachen Naturgesetzen zu beschreiben. Diese sollen das Verhalten möglichst grundlegender Eigenschaften und Objekte (etwa Elementarteilchen ) beschreiben, sodass höherstufige ( emergente ) Prozesse und Objekte auf diese Beschreibungsebene reduzierbar sind.
Ob dieses Ziel prinzipiell oder praktisch erreichbar ist, ist eigentlich nicht mehr Gegenstand der einzelwissenschaftlichen physikalischen Erkenntnisbemühung, ebenso wenig, wie es allgemeine Fragen darüber sind, welchen Gewissheitsgrad physikalische Erkenntnisse grundsätzlich erreichen können oder faktisch erreicht haben. Derartige Fragen sind Gegenstand der Epistemologie und Wissenschaftstheorie . Dabei werden ganz unterschiedliche Positionen verteidigt. Relativ unbestritten ist, dass naturwissenschaftliche Theoriebildungen in dem Sinne nur Hypothesen sind, dass man nicht mit Gewissheit wissen kann, ob es sich dabei um wahre und gerechtfertigte Auffassungen handelt. Man kann hier noch in spezifischerer Weise vorsichtig sein, indem man sich auf die Theorie- und Begriffsvermitteltheit aller empirischen Erkenntnisse beruft oder auf die Tatsache, dass der Mensch als erkennendes Subjekt ja unter den Gegenstandsbereich physikalischer Theorien fällt, aber nur als wirklich Außenstehender sicheres Wissen haben könnte. Denn für Beobachter, die mit ihrem Erkenntnisobjekt interagieren, bestehen prinzipielle Grenzen der Prognostizierbarkeit im Sinne einer Ununterscheidbarkeit des vorliegenden Zustandes – eine Grenze, die auch dann gelten würde, [3] wenn der Mensch alle Naturgesetze kennen würde und die Welt deterministisch wäre. Diese Grenze hat praktische Bedeutung bei deterministischen Prozessen, für welche geringe Änderungen des Anfangszustands zu großen Abweichungen in Folgezuständen führen – Prozesse, wie sie durch die Chaostheorie beschrieben werden. Aber nicht nur eine praktische Voraussagbarkeit ist in vielen Fällen nur begrenzt möglich, auch wird von einigen Wissenschaftstheoretikern eine Aussage fähigkeit physikalischer Modelle über die Realität überhaupt bestritten. Dies gilt in verschiedenen Ausarbeitungen eines sogenannten wissenschaftstheoretischen Antirealismus in unterschiedlichem Ausmaß: für unterschiedliche Typen physikalischer Begriffe wird eine reale Referenz bestritten oder für unwissbar gehalten. [4] Auch eine prinzipielle oder wahrscheinliche Zusammenführbarkeit einzelner Theorien wird von einigen Wissenschaftstheoretikern bestritten. [5]
Beziehung zu anderen Wissenschaften
Die Beziehungen zur Philosophie sind traditionell eng, hat sich doch die Physik aus der klassischen Philosophie entwickelt, ohne ihr jemals grundsätzlich zu widersprechen, und waren nach heutigen Kategorien zahlreiche bedeutende Physiker zugleich wichtige Philosophen und umgekehrt. Gemäß der heutigen philosophischen Disziplinenunterscheidung ist die Physik insbesondere auf die Ontologie bezogen, welche die Grundstrukturen der Realität in möglichst allgemeinen Begriffen zu beschreiben versucht, darüber hinaus auf die Erkenntnistheorie , welche die Gütekriterien von Wissen überhaupt zu erfassen versucht, spezieller noch auf die Wissenschaftstheorie , welche die allgemeinen Methoden wissenschaftlicher Erkenntnis zu bestimmen versucht und natürlich auf die Naturphilosophie bzw. Philosophie der Physik , die oftmals als Unterdisziplin der Ontologie oder Wissenschaftstheorie behandelt wird, jedenfalls aber spezieller gerade auf die Einzelerkenntnisse der Physik bezogen arbeitet, deren Begriffssystem analysiert und ontologische Interpretationen physikalischer Theorien diskutiert.
Auch die Beziehungen zur Mathematik sind eng. Die gesamte Physik verwendet die mathematische Sprache. Zahlreiche bedeutende Physiker waren nach heutigen Kategorien zugleich wichtige Mathematiker und umgekehrt.
Gemäß der heutigen mathematischen Disziplinenunterscheidung ist die Physik insbesondere auf die Geometrie bezogen, die die Grundstrukturen des Raumes in möglichst allgemeinen Begriffen zu beschreiben versucht, darüber hinaus auf die Algebra , spezieller noch auf die Algebraische Geometrie , auf die Differentialgeometrie und die Mathematische Physik .
Physik in der Gesellschaft
Da die Physik als die grundlegende Naturwissenschaft gilt, werden physikalisches Wissen und Denken bereits in der Schule meist im Rahmen eines eigenen Schulfaches unterrichtet. Im Rahmen des Schulsystems wird Physik in der Regel als Nebenfach ab Klassenstufe 5–7 unterrichtet und wird in der Oberstufe oft auch als Leistungskurs geführt.
- Die meisten Universitäten bieten das Studienfach Physik an.
- Seit 1901 vergibt die Schwedische Akademie der Wissenschaften jährlich den Nobelpreis für Physik .
- Die Frage nach der Ethik naturwissenschaftlicher Forschung wurde erstmals explizit aufgeworfen, als physikalische Entdeckungen Ende der 1930er Jahre auf die Möglichkeit einer Atombombe hindeuteten. Dieses Thema wird auch in der Literatur , etwa in Friedrich Dürrenmatts Theaterstück Die Physiker aufgegriffen.
- Es gab Versuche, die Physik weltanschaulich zu instrumentalisieren. Beispielsweise gab es in der Zeit des Nationalsozialismus die gegen Einstein gewandte Deutsche Physik und die Wehrphysik als angewandte Physik. Repräsentanten solcher Bestrebungen waren die Physikdidaktiker und Schulpolitiker Erich Günther († 1951), dessen Lehrbuch Wehrphysik (ein Handbuch für Lehrer) [6] bis 1975 benutzt wurde, und der 1959 zum Ehrendoktor der Universität Gießen ernannte Karl Hahn (1879–1963), der als Reichssachbearbeiter die Theorien jüdischer Physiker aus seinen Lehrwerken tilgte und dessen Schulbücher bis in die 1960er Jahre verbreitet waren. [7]
- 2005 war das Jahr der Physik .
Siehe auch
Literatur
- Ludwig Bergmann , Clemens Schaefer , Thomas Dorfmüller, Wilhelm T. Hering, Klaus Stierstadt: Lehrbuch der Experimentalphysik . 11. Auflage, de Gruyter, 1998, ISBN 3-11-012870-5 .
- Hans Breuer : dtv-Atlas zur Physik , Bd. 1, Mechanik, Akustik, Thermodynamik, Optik, 3. Aufl., 46.–60. Tsd., Dt. Taschenbuch-Verl., München 1992, ISBN 978-3-423-03226-1 .
- Wolfgang Demtröder : Experimentalphysik. 4. Auflage, Springer, 2005, ISBN 3-540-26034-X
- Lew Dawidowitsch Landau , Jewgeni Michailowitsch Lifschitz : Lehrbuch der theoretischen Physik in 10 Bänden, Akademie-Verlag Berlin, neu: Harri Deutsch-Verlag Frankfurt/Main
- Richard Feynman , Robert Leighton , Matthew Sands : Feynman-Vorlesungen über Physik Oldenbourg, 1999, ISBN 3-486-25857-5 .
- Christian Gerthsen , Dieter Meschede : Gerthsen Physik . 23. Auflage. Springer-Verlag, 2006, ISBN 3-540-25421-8 .
- Walter Seitter : Physik des Daseins. Bausteine zu einer Philosophie der Erscheinungen . Sonderzahl, Wien 1997, ISBN 3-85449-120-4 .
- Paul A. Tipler , Gene Mosca: Physik für Wissenschaftler und Ingenieure. 2. Auflage, Elsevier Spektrum Akademischer Verlag, München/Heidelberg 2004, ISBN 3-8274-1164-5 .
- Pedro Waloschek : Wörterbuch Physik , Directmedia Publishing , Berlin 2006, ISBN 978-3-89853-541-0 .
Weblinks
- Deutsche Physikalische Gesellschaft e. V. (DPG) – Gemeinnütziger Verein, der mit Tagungen, Veranstaltungen und Publikationen den Wissenstransfer innerhalb der wissenschaftlichen Gemeinschaft fördert und allen Neugierigen ein Fenster zur Physik öffnen möchte. Älteste nationale physikalische Fachgesellschaft der Welt.
- Welt der Physik – Gemeinsames Internetportal der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG) und des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF)
- Studienatlas Physik – Angebot der Konferenz der Fachbereiche Physik und der Deutschen Physikalischen Gesellschaft mit Daten zu den Physik-Studiengängen in Deutschland.
- lp.uni-goettingen.de – E-Learning-Inhalte zum Kanon des Physikstudiums, Georg-August-Universität Göttingen
- www.leifiphysik.de – Physikportal auf Schülerniveau
Einzelnachweise
- ↑ Richard Feynman schrieb dazu: Die Neugier verlangt, dass wir fragen, dass wir … versuchen, die Vielfalt der Gesichtspunkte vielleicht als Ergebnis des Zusammenwirkens einer relativ geringen Anzahl elementarer Dinge und Kräfte zu verstehen … Richard P. Feynman u. A.: Feynman Vorlesungen über Physik . Bd. 1, Teil 1, übersetzt von H. Köhler. Deutsch-engl.Ausgabe, Oldenbourg Verlag 1974, Seite 2–1.
- ↑ Rudolf Stichweh: Zur Entstehung des modernen Systems wissenschaftlicher Disziplinen – Physik in Deutschland 1740–1890 , Suhrkamp Verlag, Frankfurt 1984
- ↑ Vgl. Esfeld , Naturphilosophie, 128.
- ↑ Vgl. Eintrag in Edward N. Zalta (Hrsg.): Stanford Encyclopedia of Philosophy .
- ↑ Vgl. Scientific Progress. In: Edward N. Zalta (Hrsg.): Stanford Encyclopedia of Philosophy . undThe Unity of Science. In: Edward N. Zalta (Hrsg.): Stanford Encyclopedia of Philosophy . ; Esfeld, Naturphilosophie, S. 100–115.
- ↑ Erich Günther: Handbuch für Wehrphysik. Frankfurt am Main 1936.
- ↑ Jörg Willer: Fachdidaktik im Dritten Reich am Beispiel der Physik. In: Medizinhistorische Mitteilungen. Zeitschrift für Wissenschaftsgeschichte und Fachprosaforschung. Band 34, 2015, ISBN 978-3-86888-118-9 , S. 105–121, hier: S. 113 und 119.