fysik

Forskellige eksempler på fysiske fænomener

Fysik er en naturvidenskab, der studerer grundlæggende fænomener i naturen . For at forklare deres egenskaber og adfærd ved hjælp af kvantitative modeller og love beskæftiger hun sig især med stof og energi og deres interaktioner i rum og tid .

At forklare her betyder at klassificere, sammenligne, tildele mere generelle fænomener eller udlede af generelle naturlove . ^[1] Dette kræver ofte oprettelse af nye, passende termer , nogle gange inklusive dem, der ikke længere er direkte tilgængelige. Fysik kan ikke give forklaringer i filosofisk forstand om “hvorfor” naturen opfører sig på denne måde. I stedet handler det om "hvordan". For eksempel kan hun ikke forklare, hvorfor folkemængder tiltrækker hinanden. Denne adfærd kan kun beskrives med forskellige modeller. Newton gjorde dette ved at antage, at der er en attraktion mellem kroppe. Einstein havde en helt anden idé, som forklarede tyngdekraften ved at sige, at stof bøjer rum-tid.

Måden fysikken fungerer på, består i samspillet mellem eksperimentelle metoder og teoretisk modellering . Fysiske teorier beviser sig i anvendelsen på natursystemer, idet de tillader forudsigelser om senere stater med kendskab til deres oprindelige tilstande. Fremskridt i viden er resultatet af samspillet mellem observation eller eksperiment med teori. En ny eller videreudviklet teori kan forklare kendte resultater bedre eller overhovedet for første gang og kan også stimulere nye eksperimenter og observationer, hvis resultater derefter bekræfter eller modsiger teorien. Uventede resultater af observationer eller eksperimenter giver anledning til teoriudvikling i forskellige former, fra gradvis forbedring til fuldstændig opgivelse af en teori, der har været accepteret i lang tid.

Fund og modeller for fysik bruges intensivt inden for kemi , geologi , biologi , medicin og teknik .

Historien om fysikkens koncept og disciplin

Fysikkens disciplin i sin nuværende form har sit udspring i filosofien , som har været optaget af årsager og årsager til alle ting i den bredeste forstand siden oldtiden. Fra Aristoteles til begyndelsen af ​​1800 -tallet blev fysik forstået som den filosofiske gren, der omhandler naturens realiteter som naturvidenskab, naturhistorie, kemi eller anvendt matematik . ^[2] Sammenlignet med de rent filosofiske forsøg på at forklare naturlige processer spillede den type viden, der kan opnås gennem systematisk og præcis observation, dvs. empirisk, ingen rolle i lang tid. Fra midten af ​​det 13. og i løbet af 1300 -tallet bad individuelle filosoffer og naturforskere - for det meste en og samme person som f.eks. Roger Bacon - om større vægt på den viden om naturen, der kunne opnås ved observation. I det 16. og 17. århundrede, især med Galileo Galilei og Isaac Newton , førte disse tendenser til udviklingen af ​​en metode til fysisk viden, der primært er orienteret mod empiriske og endda eksperimentelle standarder og i tvivlstilfælde endda prioriterer disse over traditionelle filosofiske principper. Denne tilgang blev oprindeligt kaldt " eksperimentel filosofi " og førte hurtigt til betydelige succeser med at forstå mange forskellige naturlige processer. Ikke desto mindre var det først i 1800 -tallet, at det endelig var i stand til at etablere sig i fysikken og dermed etablerede det som en selvstændig disciplin i sin nuværende betydning.

Med hensyn til dens metode, sit fagområde, dets videnskabelige systematiske og institutionelle placering er fysikken i det væsentlige opdelt i to store områder. Teoretisk fysik beskæftiger sig hovedsageligt med formelle matematiske beskrivelser og naturlovene . Det abstraherer processer og optrædener i den virkelige natur i form af et system af modeller , generelle teorier og naturlove samt intuitivt valgte hypoteser . Når hun formulerer teorier og love, gør hun ofte brug af metoderne til matematik og logik . Målet er at teoretisk forudsige et systems adfærd , så dette kan kontrolleres ved sammenligning med processer og fænomener i den virkelige natur. Denne verifikation i form af reproducerbare målinger på specielt designet fysiske eksperimenter eller ved at observere naturfænomener er eksperimentel fysik . Resultatet af kontrollen bestemmer modellens validitet og forudsigelseskraft og de vilkår, hypoteser og metoder, der er valgt i den.

Fysik er tæt forbundet med teknik og de andre naturvidenskaber fra astronomi og kemi til biologi og geovidenskab . Fysik ses ofte som en grundlæggende eller grundlæggende videnskab, der nærmest omhandler de grundlæggende principper, der bestemmer naturlige processer. Afgrænsningen til de andre naturvidenskaber er opstået historisk, men bliver stadig vanskeligere, især med fremkomsten af ​​nye videnskabelige discipliner.

I dagens fysik er grænsen til kemi markeret med atom- og molekylær fysik og kvantekemi flydende. For at skelne den fra biologi er fysik ofte blevet omtalt som videnskaben om livløs versus animeret natur, men dette indebærer en begrænsning, der ikke findes i fysikken. Ingeniørvidenskaberne adskiller sig fra fysik ved deres tætte relation til praktisk teknisk anvendelse, da forståelsen af ​​de grundlæggende mekanismer i fysikken er i forgrunden. Astronomi har ingen mulighed for at udføre laboratorieforsøg og er derfor udelukkende afhængig af observation af naturen, som bruges her til at skelne den fra fysik.

metodik

Erhvervelse af viden inden for fysik er tæt forbundet mellem eksperiment og teori, dvs. den består af empirisk dataindsamling og evaluering og samtidig oprettelse af teoretiske modeller til at forklare dem . Ikke desto mindre udviklede specialiseringer sig i løbet af det 20. århundrede, som især præger professionelt drevet fysik i dag. Følgelig kan eksperimentel fysik og teoretisk fysik groft skelnes fra hinanden.

Eksperimentel fysik

Multimeter til elektriske målinger

Mens nogle naturvidenskaber, såsom astronomi og meteorologi , metodisk må begrænse sig til observationer af deres undersøgelsesobjekt, er der i fysikken fokus på eksperiment. Eksperimentel fysik forsøger at spore love ved at designe, oprette, udføre og evaluere eksperimenter og beskrive dem ved hjælp af empiriske modeller. På den ene side forsøger den at bryde nye veje inden for fysik, på den anden side kontrollerer den forudsigelserne fra teoretisk fysik.

Grundlaget for et fysisk eksperiment er at udtrykke egenskaberne ved et tidligere forberedt fysisk system, f.eks. En kastet sten, et lukket volumen af ​​gas eller en partikel under en kollisionsproces ved at måle i numerisk form, for eksempel som slaghastighed, som resulterende tryk (givet randbetingelserne) eller som længden af ​​de observerbare partikelspor i detektoren.

Specifikt måles enten kun de tidsuafhængige ( statiske ) egenskaber for et objekt, eller også undersøges systemets tidsmæssige udvikling ( dynamik ), for eksempel ved at bestemme start- og slutværdierne for en målt variabel før og efter forløbet af en proces eller ved at bestemme kontinuerlige mellemværdier.

Teoretisk fysik

Lysuret , et velkendt tankeeksperiment

Teoretisk fysik søger matematisk at spore de empiriske modeller for eksperimentel fysik tilbage til kendte grundlæggende teorier eller, hvis dette ikke er muligt, at udvikle hypoteser for en ny teori, som derefter kan testes eksperimentelt. Det stammer også fra empirisk verificerbare forudsigelser fra allerede kendte teorier.

Når man udvikler en model, idealiseres virkeligheden grundlæggende; man koncentrerer sig først kun om et forenklet billede for at undersøge og undersøge dets aspekter. Efter at modellen er modnet til disse betingelser, generaliseres den yderligere.

Matematiksproget bruges til den teoretiske beskrivelse af et fysisk system. Dens komponenter repræsenteres af matematiske objekter såsom skalarer eller vektorer , der er relateret til hinanden ved hjælp af ligninger . Kendte mængder beregnes ud fra kendte mængder, og således forudsiges for eksempel resultatet af en eksperimentel måling. Denne opfattelse, der er fokuseret på størrelser , adskiller fysik betydeligt fra filosofi og har den konsekvens, at ikke-kvantificerbare modeller, såsom bevidsthed , ikke betragtes som en del af fysikken.

Den grundlæggende foranstaltning til succes for en videnskabelig teori er aftalen med observationer og eksperimenter. Ved at sammenligne det med eksperimentet kan rækkevidden af ​​validitet og nøjagtighed af en teori bestemmes; det kan dog aldrig "bevises". I princippet er et enkelt eksperiment tilstrækkeligt til at tilbagevise en teori eller for at vise grænserne for dets gyldighedsområde, forudsat at det viser sig at være reproducerbart .

Eksperimentel fysik og teoretisk fysik hænger derfor konstant sammen. Det kan dog ske, at resultaterne fra den ene disciplin løber foran den anden: For eksempel kan mange af de forudsigelser, som strengteori laver, ikke eksperimentelt verificeres i øjeblikket; På den anden side kan mange værdier fra området partikelfysik, hvoraf nogle er blevet målt meget præcist, ikke beregnes på nuværende tidspunkt (2009) på grund af den tilhørende teori, kvantekromodynamik .

Andre aspekter

Ud over denne grundlæggende opdeling af fysik skelnes der undertiden mellem yderligere metodiske underdiscipliner, især matematisk fysik og anvendt fysik . Arbejde med computersimuleringer har også funktioner inden for sit eget fysikområde.

Matematisk fysik

Matematisk fysik ses undertiden som en gren af ​​teoretisk fysik, men adskiller sig fra det ved at emnet ikke er konkrete fysiske fænomener, men resultaterne af selve teoretisk fysik. Det abstraherer fra enhver anvendelse og er i stedet interesseret i de matematiske egenskaber ved en model, især dens underliggende symmetrier . På den måde udvikler hun generaliseringer og nye matematiske formuleringer af allerede kendte teorier, som igen kan bruges som arbejdsmateriale for teoretiske fysikere i modelleringen af ​​empiriske processer.

Anvendt fysik

Anvendt fysik er (fuzzy) differentieret fra eksperimentel fysik og nogle gange også fra teoretisk fysik. Dens væsentlige egenskab er, at den ikke forsker i et givet fysisk fænomen for sin egen skyld, men snarere at bruge den viden, der er opnået fra undersøgelsen, til at løse et (normalt) ikke-fysisk problem. Dens anvendelser er inden for teknologi , men også for eksempel inden for økonomi , hvor metoder til teoretisk solid-state fysik bruges i risikostyring . Der er også de tværfaglige områder inden for medicinsk fysik , fysisk kemi , astrofysik og biofysik .

Simulering og computerfysik

Med den fremadskridende udvikling af computersystemer i de sidste årtier af det 20. århundrede, accelereret siden omkring 1990, har computersimulering udviklet sig som en ny metode inden for fysik. Computersimuleringer bruges ofte som en forbindelse mellem teori og eksperiment for at få forudsigelser fra en teori; på den anden side kan simuleringer også give en impuls til teoretisk fysik i form af en effektiv teori, der replikerer et eksperimentelt resultat. Naturligvis har dette fysikområde talrige berøringspunkter med datalogi .

Opbygning af teorier

Den fysiske teoretiske struktur er baseret på sin klassiske mekanik . Dette blev suppleret med andre teorier i det 19. århundrede, især elektromagnetisme og termodynamik . Moderne fysik er baseret på to udvidelser fra det 20. århundrede, relativitetsteorien og kvantefysikken , som generaliserede visse grundlæggende principper for klassisk mekanik. Begge teorier indeholder klassisk mekanik via det såkaldte korrespondanceprincip som grænsetilfælde og har derfor et større gyldighedsområde end dette. Mens relativitetsteorien delvis er baseret på de samme konceptuelle fundamentals som klassisk mekanik, bryder kvantefysikken klart fra den.

Klassisk mekanik

Isaac Newton

Klassisk mekanik blev stort set grundlagt i det 16. og 17. århundrede af Galileo Galilei og Isaac Newton. På grund af de stadig ret begrænsede tekniske muligheder på det tidspunkt kan de processer, der er beskrevet af klassisk mekanik, stort set observeres uden komplicerede hjælpemidler, hvilket gør dem klare. Klassisk mekanik omhandler systemer med et par massive kroppe, som adskiller dem fra elektrodynamik og termodynamik. Rum og tid er ikke en del af dynamikken, men en ubevægelig baggrund, som fysiske processer finder sted og kroppe bevæger sig imod. For meget små objekter indtager kvantefysikken stedet for den klassiske mekanik, mens relativitetsteorien er velegnet til at beskrive kroppe med meget store masser og energier.

Den matematiske behandling af klassisk mekanik blev afgørende forenet i slutningen af ​​1700- og begyndelsen af ​​1800 -tallet i form af Lagrange -formalismen og Hamilton -formalismen . Disse formalismer kan også bruges sammen med relativitetsteorien og er derfor en vigtig del af den klassiske mekanik. Selvom klassisk mekanik kun er gældende for mellemstore, beskrivende systemer, er den matematiske behandling af komplekse systemer matematisk meget krævende, selv inden for rammerne af denne teori. Kaosteori beskæftiger sig i vid udstrækning med så komplekse systemer af klassisk mekanik og er i øjeblikket (2009) et aktivt forskningsområde.

Elektrodynamik og optik

De velkendte Maxwell-ligninger for elektromagnetisme er opkaldt efter James Clerk Maxwell

I elektrodynamik beskrives fænomener med bevægelige elektriske ladninger i interaktion med tidsvarierende elektriske og magnetiske felter . For at samle udviklingen af ​​teorierne om elektricitet og magnetisme i det 18. og 19. århundrede blev det nødvendigt at udvide den teoretiske struktur af klassisk mekanik. Udgangspunktet var induktionsloven opdaget af Michael Faraday og Lorentz -styrken , opkaldt efter Hendrik Antoon Lorentz , på en elektrisk ladning i bevægelse i et magnetfelt. Lovene om elektrodynamik blev opsummeret af James Clerk Maxwell i det 19. århundrede og formuleret fuldt ud for første gang i form af Maxwell -ligningerne . Grundlæggende blev elektrodynamiske systemer behandlet med metoderne i klassisk mekanik, men Maxwell -ligningerne muliggør også en bølgeløsning, der beskriver elektromagnetiske bølger som lys. Blandt andet frembragte denne teori sin egen formalisme i form af bølgeoptik , som er fundamentalt anderledes end den klassiske mekanik. Især symmetrierne ved elektrodynamik er uforenelige med klassisk mekanik. Denne modsætning mellem de to teoretiske bygninger blev løst ved den særlige relativitetsteori. Wave optik er stadig et aktivt forskningsområde i dag (2011) i form af ikke-lineær optik .

termodynamik

På omtrent samme tid som elektrodynamikken udviklede et andet kompleks af teorier, termodynamik, som adskiller sig fundamentalt fra klassisk mekanik. I modsætning til klassisk mekanik er det i termodynamikken ikke individuelle kroppe, der er i forgrunden, men et ensemble af mange små byggesten, hvilket fører til en radikalt anderledes formalisme. Termodynamik er derfor velegnet til behandling af medier i alle aggregattilstande . Kvanteteorien og relativitetsteorien kan indlejres i termodynamikkens formalisme, da de kun påvirker dynamikken i byggestenene i ensemblet, men ikke fundamentalt ændrer formalismen til beskrivelse af termodynamiske systemer.

Termodynamik er for eksempel egnet til at beskrive varmemotorer, men også til at forklare mange moderne forskningsemner som f.eks. Superledning eller superfluiditet . Især inden for solid state fysik arbejdes der stadig meget med termodynamikens metoder i dag (2009).

relativitetsteori

Relativitetsteorien grundlagt af Albert Einstein introducerer en helt ny forståelse af fænomenerne rum og tid. Ifølge dette er disse ikke universelt gyldige ordensstrukturer, men rumlige og tidsmæssige afstande vurderes forskelligt af forskellige observatører. Rum og tid smelter sammen til et fire -dimensionelt rum - tid . Gravitationen tilskrives en krumning af denne rumtid, som er forårsaget af tilstedeværelsen af masse eller energi . I relativitetsteorien bliver kosmologi for første gang et videnskabeligt emne. Formuleringen af ​​relativitetsteorien anses for at være begyndelsen på moderne fysik , selvom den ofte omtales som færdiggørelse af klassisk fysik .

Kvantefysik

Kvantfysik beskriver naturlovene i det atomare og subatomære område og bryder endnu mere radikalt med klassiske ideer end relativitetsteorien. I kvantefysikken er fysiske størrelser i sig selv en del af formalismen og er ikke længere blot parametre, der beskriver et system. Formalismen skelner mellem to typer objekter, de observerbare , som beskriver mængderne, og de tilstande , der beskriver systemet. Måleprocessen er også aktivt inkluderet i teorien. I visse situationer fører dette til kvantisering af størrelsesværdierne. Det betyder, at mængderne altid kun tager visse diskrete værdier . I kvantefeltteorien , den mest udviklede relativistiske kvanteteori, forekommer stof kun i portioner, elementarpartiklerne eller kvanta .

Lovene i kvantefysikken undgår stort set menneskelig opfattelse , og selv i dag er der stadig ingen konsensus om deres fortolkning . Ikke desto mindre er det med hensyn til dets empiriske succes en af ​​de bedst etablerede viden om menneskeheden.

Fagområder inden for moderne fysik

Teorien om fysik bruges inden for forskellige fagområder. Opdelingen af ​​fysik i delemner er ikke klar, og afgrænsningen af ​​delemnerne fra hinanden er lige så vanskelig som afgrænsningen af ​​fysik fra andre videnskaber. Derfor er der stor overlapning og indbyrdes forhold mellem de forskellige områder. Her præsenteres en samling af emneområder i henhold til størrelsen af ​​de betragtede objekter og henvises i løbet af denne til emneområder, der er relateret til dem. De opførte emner kan ikke klart tildeles en teori, men snarere gøre brug af forskellige teoretiske begreber afhængigt af det undersøgte emne.

Partikelfysik

Partikelfysik beskæftiger sig med elementarpartikler og deres interaktioner med hinanden. Moderne fysik kender fire grundlæggende kræfter :

• Den gravitation eller tyngdekraft,
• den elektromagnetiske interaktion ,
• den svage interaktion, der f.eks. er ansvarlig for visse radioaktive henfaldsprocesser og
• den stærke vekselvirkning, der holder atomkernerne sammen.

Disse interaktioner beskrives ved udveksling af såkaldte kalibreringsbosoner . Partikelfysik udelukker i øjeblikket tyngdekraften (2009), da der stadig ikke er nogen teori om kvantegravitation, der fuldt ud kan beskrive elementære partiklers tyngdekraftsinteraktioner. I partikelfysik bruges relativistiske kvanteteorier til at beskrive fænomenerne.

Et af målene med partikelfysik er at beskrive alle grundlæggende kræfter i et samlet samlet begreb ( verdensformel ). Indtil videre har det imidlertid kun været muligt at repræsentere den elektromagnetiske interaktion som en kombination af den elektriske og den magnetiske vekselvirkning og også at kombinere den elektromagnetiske interaktion og den svage interaktion til en såkaldt elektro svag interaktion . Blandt andet blev teorien om supersymmetri udtænkt til at kombinere den elektro svage og den stærke interaktion, men dette er endnu ikke blevet bekræftet eksperimentelt. Som allerede nævnt opstår de største vanskeligheder inden for tyngdekraftsområdet, da der endnu ikke er nogen teori om kvantegravitation, men elementarpartikler kan kun beskrives inden for rammerne af kvanteteorien.

Typiske eksperimenter for at teste teorierne om partikelfysik udføres ved partikelacceleratorer med høje partikelenergier. For at opnå høje kollisionsenergier anvendes hovedsageligt kolliderforsøg , hvor partikler skydes mod hinanden og ikke mod et fast mål. Derfor bruges udtrykket højenergifysik ofte næsten kongruent med udtrykket partikelfysik. Partikelacceleratoren med den aktuelt (2011) højeste kollisionsenergi er Large Hadron Collider . Neutrino-detektorer som Super-Kamiokande er specielt designet til at undersøge neutrinoers egenskaber og repræsenterer dermed en særlig, men ikke desto mindre vigtig klasse af eksperimenter.

Hadron og atomkernfysik

Elementarpartiklerne, der er underlagt den stærke vekselvirkning, de såkaldte kvarker , forekommer ikke individuelt, men altid kun i bundne tilstande, hadronerne , som omfatter protonen og neutronen . Hadrons fysik har mange overlapninger med elementær partikelfysik, da mange fænomener kun kan forklares ved at tage højde for, at hadroner består af kvarker. Beskrivelsen af ​​kvantekromodynamikkens stærke vekselvirkning, en relativistisk kvantefeltteori, kan imidlertid ikke forudsige hadrons egenskaber, hvorfor undersøgelsen af ​​disse egenskaber betragtes som et uafhængigt forskningsområde. Der søges derfor en forlængelse af teorien om den stærke vekselvirkning for små energier, hvor hadronerne dannes.

Atomkerner repræsenterer det næste kompleksitetsniveau sammenlignet med elementarpartikler. De består af flere nukleoner , dvs. protoner og neutroner, hvis interaktioner undersøges. I atomkerner dominerer den stærke og den elektromagnetiske interaktion. Forskningsområder inden for atomfysik omfatter radioaktivt henfald og stabilitet af atomkerner. Målet er at udvikle kernemodeller, der kan forklare disse fænomener. Imidlertid undgår man en detaljeret uddybning af den stærke interaktion som i hadronfysikken.

Partikelacceleratorer bruges til at undersøge egenskaberne ved hadroner, selvom fokus her ikke er så meget på høje kollisionsenergier som i partikelfysik. I stedet for målgruppen er eksperimenter udført, som giver lavere tyngdepunkt energier men en meget højere antal hændelser. Imidlertid bruges kolliderforsøg med tunge ioner hovedsageligt til at få viden om hadroner. I atomfysik bringes tunge atomer til kollision for at generere transuranelementer, og radioaktivitet undersøges med en række forskellige eksperimentelle opsætninger.

Atomisk og molekylær fysik

Atomer består af de atomare kerne og sædvanligvis flere elektroner og repræsenterer den næste niveau af kompleksitet af stof. Et af målene for atomfysik er at forklare Liniespektre atomerne, for hvilke en præcis kvantemekanisk beskrivelse af samspillet mellem elektronerne af atomerne er nødvendig. Da molekyler består af flere atomer, arbejder molekylær fysik med lignende metoder, men især store molekyler repræsenterer normalt betydeligt mere komplekse systemer, hvilket gør beregningerne meget mere komplicerede og ofte kræver brug af computersimuleringer.

Atomisk og molekylær fysik er tæt forbundet med optik gennem studiet af de optiske spektre for atomer og molekyler. For eksempel er laserens funktionelle princip, en større teknisk udvikling, stort set baseret på atomfysikkens resultater. Da molekylær fysik også intensivt beskæftiger sig med teorien om kemiske bindinger , overlapper dette fagområde med kemi.

En vigtig eksperimentel tilgang er eksponering for lys. For eksempel er optiske spektre for atomer og molekyler relateret til deres kvantemekaniske egenskaber. Omvendt kan spektroskopiske metoder derefter bruges til at undersøge sammensætningen af ​​en blanding af stoffer og fremsætte udsagn om elementerne i stjernens atmosfære ved hjælp af stjernelys. Andre undersøgelsesmetoder overvejer adfærden under påvirkning af elektriske og magnetiske felter. 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

Logo des Jahres der Physik 2005

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

Portal: Physik – Übersicht zu Wikipedia-Inhalten zum Thema Physik

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

Commons : Physik – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Physik – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Wikibooks: Freie Bücher zu physikalischen Themen – Lern- und Lehrmaterialien

Wikiquote: Physik – Zitate

Wikisource: Physik – Quellen und Volltexte

• 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

1. ↑ 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.
2. ↑ Rudolf Stichweh: Zur Entstehung des modernen Systems wissenschaftlicher Disziplinen – Physik in Deutschland 1740–1890 , Suhrkamp Verlag, Frankfurt 1984
3. ↑ Vgl. Esfeld , Naturphilosophie, 128.
4. ↑ Vgl. Eintrag in Edward N. Zalta (Hrsg.): Stanford Encyclopedia of Philosophy . Vorlage:SEP/Wartung/Parameter 1 und weder Parameter 2 noch Parameter 3
5. ↑ Vgl. Scientific Progress. In: Edward N. Zalta (Hrsg.): Stanford Encyclopedia of Philosophy . Vorlage:SEP/Wartung/Parameter 1 und Parameter 2 und nicht Parameter 3 undThe Unity of Science. In: Edward N. Zalta (Hrsg.): Stanford Encyclopedia of Philosophy . Vorlage:SEP/Wartung/Parameter 1 und Parameter 2 und nicht Parameter 3 ; Esfeld, Naturphilosophie, S. 100–115.
6. ↑ Erich Günther: Handbuch für Wehrphysik. Frankfurt am Main 1936.
7. ↑ 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.