fysikk

Fysikk er en naturvitenskap som studerer grunnleggende fenomener i naturen . For å forklare deres egenskaper og oppførsel ved hjelp av kvantitative modeller og lover, behandler hun spesielt materie og energi og deres interaksjoner i rom og tid .

Å forklare her betyr å klassifisere, sammenligne, tildele mer generelle fenomener eller utlede fra generelle naturlover . ^[1] Dette krever ofte at det opprettes nye, passende termer , noen ganger inkludert de som ikke lenger er direkte tilgjengelige. Fysikk kan ikke gi forklaringer i filosofisk forstand om "hvorfor" naturen oppfører seg på denne måten. I stedet omhandler det "hvordan". For eksempel kan hun ikke forklare hvorfor folkemengder tiltrekker hverandre. Denne oppførselen kan bare beskrives med forskjellige modeller. Newton gjorde dette ved å anta at det er en tiltrekning mellom kropper. Einstein hadde en helt annen idé, som forklarte tyngdekraften ved å si at materie bøyer rom-tid.

Måten fysikken fungerer på, består i samspillet mellom eksperimentelle metoder og teoretisk modellering . Fysiske teorier viser seg i søknaden på natursystemer ved at de tillater forutsigelser om senere stater med kunnskap om deres opprinnelige tilstander. Kunnskapsfremgang er et resultat av samspillet mellom observasjon eller eksperiment med teori. En ny eller videreutviklet teori kan forklare kjente resultater bedre eller i det hele tatt for første gang og kan også stimulere til nye eksperimenter og observasjoner, hvis resultater deretter bekrefter eller motsier teorien. Uventede resultater av observasjoner eller eksperimenter gir opphav til teoriutvikling i forskjellige former, fra gradvis forbedring til fullstendig oppgivelse av en teori som har vært akseptert i lang tid.

Funn og modeller for fysikk brukes intensivt innen kjemi , geologi , biologi , medisin og ingeniørfag .

Historien om fysikkens konsept og disiplin

Fysikkens disiplin i sin nåværende form har sitt utspring i filosofien , som har vært opptatt av årsakene og årsakene til alle ting i vid forstand siden antikken. Fra Aristoteles til begynnelsen av 1800 -tallet ble fysikk forstått som den filosofiske grenen som omhandler naturens realiteter som naturvitenskap, naturhistorie, kjemi eller anvendt matematikk . ^[2] Sammenlignet med de rent filosofiske forsøkene på å forklare naturlige prosesser spilte den type kunnskap som kan oppnås gjennom systematisk og presis observasjon, dvs. empirisk, ingen rolle på lang tid. Fra midten av 1200 -tallet og i løpet av 1300 -tallet ba individuelle filosofer og naturforskere - for det meste en og samme person som Roger Bacon - om større vekt på kunnskapen om naturen som kunne oppnås gjennom observasjon. På 1500- og 1600 -tallet, spesielt med Galileo Galilei og Isaac Newton , førte disse tendensene til utviklingen av en metodikk for fysisk kunnskap som først og fremst er orientert mot empiriske og til og med eksperimentelle standarder og, i tvilstilfeller, til og med prioriterer disse over tradisjonelle filosofiske prinsipper. Denne tilnærmingen ble opprinnelig kalt " eksperimentell filosofi " og førte raskt til betydelige suksesser med å forstå mange forskjellige naturlige prosesser. Likevel var det først på 1800 -tallet at det endelig var i stand til å etablere seg i fysikken og dermed etablere det som en uavhengig disiplin i sin nåværende betydning.

Når det gjelder metoden, fagområdet, dens vitenskapelige systematiske og institusjonelle beliggenhet, er fysikken i hovedsak delt inn i to store områder. Teoretisk fysikk er hovedsakelig opptatt av formelle matematiske beskrivelser og naturlovene . Den abstraherer prosesser og opptredener i ekte natur i form av et system av modeller , generelle teorier og naturlover samt intuitivt valgte hypoteser . Når hun formulerer teorier og lover, bruker hun ofte metodene for matematikk og logikk . Målet er å teoretisk forutsi oppførselen til et system slik at dette kan kontrolleres ved sammenligning med prosesser og fenomener i ekte natur. Denne verifiseringen i form av reproduserbare målinger på spesialdesignede fysiske eksperimenter eller ved å observere naturfenomener er feltet eksperimentell fysikk . Resultatet av sjekken bestemmer modellens gyldighet og prediktive kraft og vilkårene, hypotesene og metodene som er valgt i den.

Fysikk er nært knyttet til ingeniørfag og de andre naturvitenskapene fra astronomi og kjemi til biologi og geofag . Fysikk blir ofte sett på som en grunnleggende eller grunnleggende vitenskap som mest omhandler de grunnleggende prinsippene som bestemmer naturlige prosesser. Avgrensningen til de andre naturvitenskapene har oppstått historisk, men blir stadig vanskeligere, spesielt med fremveksten av nye vitenskapelige disipliner.

I dagens fysikk er grensen til kjemi preget av atom- og molekylær fysikk og kvantekjemi flytende. For å skille den fra biologi, har fysikk ofte blitt referert til som vitenskapen om livløs versus animert natur, men dette innebærer en begrensning som ikke eksisterer i fysikk. Ingeniørvitenskapene skilles fra fysikk ved sitt nære forhold til praktisk teknisk anvendelse, siden i fysikk er forståelsen av de grunnleggende mekanismene i forgrunnen. Astronomi har ingen mulighet til å utføre laboratorieforsøk og er derfor utelukkende avhengig av observasjon av naturen, som brukes her for å skille den fra fysikk.

metodikk

Tilegnelse av kunnskap i fysikk er nært knyttet mellom eksperiment og teori, det vil si at den består av empirisk datainnsamling og evaluering og samtidig opprettelse av teoretiske modeller for å forklare dem . Ikke desto mindre utviklet det seg spesialiseringer i løpet av 1900 -tallet, noe som særlig preger profesjonelt drevet fysikk i dag. Følgelig kan eksperimentell fysikk og teoretisk fysikk grovt skilles fra hverandre.

Eksperimentell fysikk

Selv om noen naturvitenskap, for eksempel astronomi og meteorologi , må begrense seg metodisk til observasjoner av undersøkelsesobjektet, er det i fysikk fokuset på eksperiment. Eksperimentell fysikk prøver å spore opp lover ved å designe, sette opp, gjennomføre og evaluere eksperimenter og beskrive dem ved hjelp av empiriske modeller. På den ene siden prøver den å bryte ny grunn i fysikk, på den andre siden sjekker den spådommene fra teoretisk fysikk.

Grunnlaget for et fysisk eksperiment er å uttrykke egenskapene til et tidligere forberedt fysisk system, for eksempel en kastet stein, et lukket gassvolum eller en partikkel under en kollisjonsprosess ved å måle i numerisk form, for eksempel som slaghastighet, som resulterende trykk (gitt grensebetingelsene) eller som lengden på de observerbare partikkelsporene i detektoren.

Nærmere bestemt måles enten bare de tidsuavhengige ( statiske ) egenskapene til et objekt eller så undersøkes systemets tidsmessige utvikling ( dynamikk ), for eksempel ved å bestemme start- og sluttverdiene til en målt variabel før og etter kurset av en prosess eller ved å bestemme kontinuerlige mellomverdier.

Teoretisk fysikk

Teoretisk fysikk søker å matematisk spore de empiriske modellene for eksperimentell fysikk tilbake til kjente grunnleggende teorier eller, hvis dette ikke er mulig, å utvikle hypoteser for en ny teori, som deretter kan testes eksperimentelt. Det henter også empirisk verifiserbare spådommer fra allerede kjente teorier.

Når man utvikler en modell, idealiseres virkeligheten grunnleggende; man konsentrerer seg først om et forenklet bilde for å kartlegge og forske på aspektene. Etter at modellen har modnet for disse forholdene, blir den ytterligere generalisert.

Matematikkspråket brukes til den teoretiske beskrivelsen av et fysisk system. Komponentene er representert av matematiske objekter som skalarer eller vektorer , som er relatert til hverandre ved hjelp av ligninger . Kjente mengder beregnes ut fra kjente mengder, og for eksempel er resultatet av en eksperimentell måling forutsagt. Dette synet, som er fokusert på størrelser , skiller fysikk vesentlig fra filosofi og har som konsekvens at ikke-kvantifiserbare modeller, for eksempel bevissthet , ikke blir sett på som en del av fysikken.

Det grunnleggende tiltaket for å lykkes med en vitenskapelig teori er avtalen med observasjoner og eksperimenter. Ved å sammenligne det med eksperimentet, kan gyldighetsområdet og nøyaktigheten til en teori bestemmes; det kan imidlertid aldri "bevises". I prinsippet er et enkelt eksperiment tilstrekkelig til å tilbakevise en teori eller for å vise grensene for dens gyldighetsområde, forutsatt at det viser seg å være reproduserbart .

Eksperimentell fysikk og teoretisk fysikk henger derfor stadig sammen. Imidlertid kan det skje at resultater fra den ene disiplinen går foran den andre: For eksempel kan mange av spådommene fra strengteori ikke verifiseres eksperimentelt for øyeblikket; På den annen side kan mange verdier fra feltet partikkelfysikk, hvorav noen har blitt målt veldig presist, ikke beregnes på det nåværende tidspunkt (2009) på grunn av den tilhørende teorien, kvantekromodynamikk .

Andre aspekter

I tillegg til denne grunnleggende fysikkinndelingen, blir det noen ganger skilt mellom ytterligere metodiske underdisipliner, fremfor alt matematisk fysikk og anvendt fysikk . Å jobbe med datasimuleringer har også funksjoner innen sitt eget fysikkområde.

Matematisk fysikk

Matematisk fysikk blir noen ganger sett på som en gren av teoretisk fysikk, men skiller seg fra det ved at emnet ikke er konkrete fysiske fenomener, men resultatene av selve teoretisk fysikk. Det abstraherer fra enhver applikasjon og er i stedet interessert i de matematiske egenskapene til en modell, spesielt dens underliggende symmetrier . På denne måten utvikler hun generaliseringer og nye matematiske formuleringer av allerede kjente teorier, som igjen kan brukes som arbeidsmateriale for teoretiske fysikere i modelleringen av empiriske prosesser.

Anvendt fysikk

Anvendt fysikk er (uklar) differensiert fra eksperimentell fysikk, og noen ganger også fra teoretisk fysikk. Den vesentlige egenskapen er at den ikke forsker på et gitt fysisk fenomen for sin egen skyld, men snarere å bruke kunnskapen fra undersøkelsen til å løse et (vanligvis) ikke-fysisk problem. Dens anvendelser er innen teknologi , men også for eksempel innen økonomi , der metoder for teoretisk solid-state fysikk brukes i risikostyring . Det er også de tverrfaglige områdene medisinsk fysikk , fysisk kjemi , astrofysikk og biofysikk .

Simulering og datafysikk

Med den fremskredne utviklingen av datasystemer i de siste tiårene av 1900 -tallet, akselerert siden rundt 1990, har datasimulering utviklet seg som en ny metode innen fysikk. Datasimuleringer brukes ofte som en kobling mellom teori og eksperiment for å få spådommer fra en teori; på den annen side kan simuleringer også gi en impuls til teoretisk fysikk i form av en effektiv teori som replikerer et eksperimentelt resultat. Naturligvis har dette fysikkområdet mange kontaktpunkter med informatikk .

Bygging av teorier

Den fysiske teoretiske strukturen er basert på klassisk mekanikk . Dette ble supplert med andre teorier på 1800 -tallet, særlig elektromagnetisme og termodynamikk . Moderne fysikk er basert på to utvidelser fra det 20. århundre, relativitetsteorien og kvantefysikken , som generaliserte visse grunnleggende prinsipper for klassisk mekanikk. Begge teoriene inneholder klassisk mekanikk via det såkalte korrespondanseprinsippet som et grensetilfelle og har derfor et større gyldighetsområde enn dette. Selv om relativitetsteorien delvis er basert på de samme konseptuelle grunnleggende elementene som klassisk mekanikk, bryter kvantefysikken tydelig fra den.

Klassisk mekanikk

Klassisk mekanikk ble stort sett grunnlagt på 1500- og 1600 -tallet av Galileo Galilei og Isaac Newton. På grunn av de fortsatt ganske begrensede tekniske mulighetene på den tiden, kan prosessene beskrevet av klassisk mekanikk stort sett observeres uten kompliserte hjelpemidler, noe som gjør dem klare. Klassisk mekanikk omhandler systemer med noen få massive kropper, som skiller dem fra elektrodynamikk og termodynamikk. Rom og tid er ikke en del av dynamikken, men en ubevegelig bakgrunn som fysiske prosesser finner sted og kropper beveger seg mot. For veldig små objekter tar kvantefysikken plassen til klassisk mekanikk, mens relativitetsteorien er egnet for å beskrive kropper med veldig store masser og energier.

Den matematiske behandlingen av klassisk mekanikk ble avgjørende forent på slutten av 1700- og begynnelsen av 1800 -tallet i form av Lagrange -formalismen og Hamilton -formalismen . Disse formalismene kan også brukes med relativitetsteorien og er derfor en viktig del av klassisk mekanikk. Selv om klassisk mekanikk bare er gyldig for mellomstore, beskrivende systemer, er matematisk behandling av komplekse systemer matematisk svært krevende, selv innenfor rammen av denne teorien. Kaosteori omhandler i stor grad slike komplekse systemer for klassisk mekanikk og er for tiden (2009) et aktivt forskningsområde.

Elektrodynamikk og optikk

I elektrodynamikk beskrives fenomener med elektriske ladninger i bevegelse i samspill med tidsvarierende elektriske og magnetiske felt . For å samle utviklingen av teoriene om elektrisitet og magnetisme på 1700- og 1800 -tallet, ble det nødvendig å utvide den teoretiske strukturen til klassisk mekanikk. Utgangspunktet var induksjonsloven oppdaget av Michael Faraday og Lorentz -styrken, oppkalt etter Hendrik Antoon Lorentz , på en elektrisk ladning i bevegelse i et magnetfelt. Lovene for elektrodynamikk ble oppsummert av James Clerk Maxwell på 1800 -tallet og formulert i sin helhet for første gang i form av Maxwell -ligningene . I utgangspunktet ble elektrodynamiske systemer behandlet med klassisk mekanikk, men Maxwell -ligningene muliggjør også en bølgeløsning som beskriver elektromagnetiske bølger som lys. Blant annet produserte denne teorien sin egen formalisme i form av bølgeoptikk , som er fundamentalt forskjellig fra klassisk mekanikk. Spesielt elektrodynamikkens symmetri er uforenlig med klassisk mekanikk. Denne motsetningen mellom de to teoretiske bygningene ble løst med den spesielle relativitetsteorien. Wave optikk er fremdeles et aktivt forskningsområde i dag (2011) i form av ikke-lineær optikk .

termodynamikk

Omtrent samtidig med elektrodynamikk utviklet et annet kompleks av teorier seg, termodynamikk, som skiller seg fundamentalt fra klassisk mekanikk. I motsetning til klassisk mekanikk, i termodynamikk er det ikke individuelle legemer som er i forgrunnen, men et ensemble av mange bittesmå byggesteiner, noe som fører til en radikalt annerledes formalisme. Termodynamikk er derfor egnet for behandling av medier i alle aggregattilstander . Kvanteteorien og relativitetsteorien kan være innebygd i termodynamikkens formalisme, siden de bare påvirker dynamikken i byggesteinene i ensemblet, men ikke endrer formalismen grunnleggende for å beskrive termodynamiske systemer.

Termodynamikk er for eksempel egnet for å beskrive varmemotorer, men også for å forklare mange moderne forskningsemner som superledning eller superfluiditet . Spesielt innen solid state -fysikk er det fortsatt mye arbeid med termodynamikkens metoder i dag (2009).

relativitetsteorien

Relativitetsteorien grunnlagt av Albert Einstein introduserer en helt ny forståelse av fenomenene rom og tid. I henhold til dette er dette ikke universelt gyldige ordensstrukturer, men romlige og tidsmessige avstander vurderes ulikt av forskjellige observatører. Rom og tid smelter sammen til et fire -dimensjonalt rom - tid . Gravitasjonen tilskrives en krumning av denne romtiden, som er forårsaket av tilstedeværelse av masse eller energi . I relativitetsteorien blir kosmologi et vitenskapelig tema for første gang. Formuleringen av relativitetsteorien anses å være begynnelsen på moderne fysikk , selv om den ofte omtales som fullføring av klassisk fysikk .

Kvantefysikk

Kvantfysikk beskriver naturlovene i atom- og subatomære området og bryter enda mer radikalt med klassiske ideer enn relativitetsteorien. I kvantefysikk er fysiske størrelser i seg selv en del av formalismen og er ikke lenger bare parametere som beskriver et system. Formalismen skiller mellom to typer objekter, de observerbare , som beskriver mengdene, og statene , som beskriver systemet. Måleprosessen er også aktivt inkludert i teorien. I visse situasjoner fører dette til kvantisering av størrelsesverdiene. Dette betyr at mengdene alltid bare tar visse diskrete verdier . I kvantefeltteorien , den mest utviklede relativistiske kvanteteorien, vises materie bare i deler, elementarpartiklene eller kvanta .

Lovene i kvantefysikken eliminerer i stor grad menneskelig oppfatning , og selv i dag er det fremdeles ingen konsensus om tolkningen av dem . Likevel, når det gjelder den empiriske suksessen, er det en av de best etablerte kunnskapene om menneskeheten.

Fagområder i moderne fysikk

Teoriene om fysikk brukes i forskjellige fagområder. Inndelingen av fysikk i delemner er ikke klar, og avgrensningen av delemnene fra hverandre er like vanskelig som avgrensningen av fysikk fra andre vitenskaper. Følgelig er det mye overlapping og gjensidige forhold mellom de forskjellige områdene. Her presenteres en samling emneområder i henhold til størrelsen på objektene som er vurdert, og i løpet av denne refereres det til emneområder som er relatert til dem. Emnene som er oppført kan ikke tydelig tilordnes en teori, men heller bruke ulike teoretiske begreper avhengig av emnet som blir undersøkt.

Partikkelfysikk

Partikkelfysikk omhandler elementære partikler og deres interaksjoner med hverandre. Moderne fysikk kjenner fire grunnleggende krefter :

• Den gravitasjon eller tyngdekraft,
• den elektromagnetiske interaksjonen ,
• den svake interaksjonen som for eksempel er ansvarlig for visse radioaktive forfallsprosesser og
• den sterke interaksjonen som holder atomkjernene sammen.

Disse interaksjonene er beskrevet ved utveksling av såkalte kalibreringsbosoner . Partikkelfysikk utelukker for tiden tyngdekraften (2009), ettersom det fremdeles ikke er noen teori om kvantegravitasjon som fullt ut kan beskrive gravitasjonsinteraksjonene til elementære partikler. I partikkelfysikk brukes relativistiske kvanteteorier for å beskrive fenomenene.

Et av målene med partikkelfysikk er å beskrive alle grunnleggende krefter i et samlet konsept ( verdensformel ). Så langt har det imidlertid bare vært mulig å representere den elektromagnetiske interaksjonen som en kombinasjon av den elektriske og den magnetiske interaksjonen og også å kombinere den elektromagnetiske interaksjonen og den svake interaksjonen til en såkalt elektrodesvak interaksjon . Blant annet ble teorien om supersymmetri utarbeidet for å kombinere den elektro svake og den sterke interaksjonen, men dette er ennå ikke bekreftet eksperimentelt. Som allerede nevnt, oppstår de største vanskelighetene innen gravitasjonskraft, ettersom det ikke er noen teori om kvantegravitasjon ennå, men elementære partikler kan bare beskrives innenfor rammen av kvanteteorien.

Typiske eksperimenter for å teste teoriene om partikkelfysikk utføres ved partikkelakseleratorer med høye partikkelenergier. For å oppnå høye kollisjonsenergier brukes hovedsakelig kolliderforsøk , der partikler blir skutt mot hverandre og ikke mot et fast mål. Derfor brukes begrepet høyenergifysikk ofte nesten kongruent med begrepet partikkelfysikk. Partikkelakseleratoren med den (2011) høyeste kollisjonsenergien er Large Hadron Collider . Neutrino-detektorer som Super-Kamiokande er spesielt designet for å undersøke egenskapene til nøytrinoer og representerer dermed en spesiell, men likevel viktig klasse av eksperimenter.

Hadron og Atomic Nuclear Physics

Elementarpartiklene som er utsatt for den sterke interaksjonen, de såkalte kvarkene , forekommer ikke individuelt, men alltid bare i bundne tilstander, hadronene , som inkluderer proton og nøytron . Hadron fysikk har mange overlappinger med elementær partikkelfysikk, da mange fenomener bare kan forklares ved å ta i betraktning at hadroner består av kvarker. Imidlertid kan beskrivelsen av den sterke interaksjonen mellom kvantekromodynamikk, en relativistisk kvantefeltteori, ikke forutsi egenskapene til hadroner, og derfor blir undersøkelsen av disse egenskapene sett på som et uavhengig forskningsområde. Det søkes derfor en forlengelse av teorien om det sterke samspillet for små energier som hadronene dannes ved.

Atomkjerner representerer det neste kompleksitetsnivået sammenlignet med elementære partikler. De består av flere nukleoner , dvs. protoner og nøytroner, hvis interaksjoner blir undersøkt. I atomkjerner dominerer den sterke og den elektromagnetiske interaksjonen. Forskningsområder for kjernefysikk inkluderer radioaktivt forfall og stabilitet av atomkjerner. Målet er å utvikle kjernemodeller som kan forklare disse fenomenene. Imidlertid er en detaljert utdypning av det sterke samspillet som innen hadronfysikk unnviket.

Partikkelakseleratorer brukes til å forske på egenskapene til hadroner, selv om fokuset her ikke er så mye på høye kollisjonsenergier som i partikkelfysikk. I stedet target blir utført forsøk, noe som gir lavere tyngdepunkt energier, men et langt høyere antall hendelser. Imidlertid brukes kolliderforsøk med tunge ioner hovedsakelig for å få kunnskap om hadroner. I kjernefysikk bringes tunge atomer til kollisjon for å generere transuranelementer og radioaktivitet blir undersøkt med en rekke eksperimentelle oppsett.

Atomisk og molekylær fysikk

Atomer bestå av atomkjernen og vanligvis flere elektroner og representerer det neste nivå av kompleksitet av materie. Et av målene med atomfysikk er å forklare linjespektra av atomene, til hvilke en nøyaktig kvantemekanisk beskrivelse av interaksjoner mellom elektronene av atomene er nødvendig. Siden molekyler består av flere atomer, jobber molekylær fysikk med lignende metoder, men spesielt store molekyler representerer vanligvis betydelig mer komplekse systemer, noe som gjør beregningene mye mer kompliserte og ofte krever bruk av datasimuleringer.

Atomisk og molekylær fysikk er nært knyttet til optikk gjennom studiet av de optiske spektraene til atomer og molekyler. For eksempel er laserens funksjonelle prinsipp, en stor teknisk utvikling, i stor grad basert på resultatene av atomfysikk. Siden molekylær fysikk også intensivt omhandler teorien om kjemiske bindinger , overlapper dette fagområdet med kjemi.

En viktig eksperimentell tilnærming er eksponering for lys. For eksempel er optiske spektre for atomer og molekyler relatert til deres kvantemekaniske egenskaper. Motsatt kan spektroskopiske metoder deretter brukes til å undersøke sammensetningen av en blanding av stoffer og komme med uttalelser om elementene i stjernens atmosfære ved hjelp av stjernelys. Andre undersøkelsesmetoder vurderer oppførselen under påvirkning av elektriske og magnetiske felt. 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

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.