fizyka

Różne przykłady zjawisk fizycznych

Fizyka jest nauką , podstawowe zjawiska o charakterze badane. Aby wyjaśnić ich właściwości i zachowanie za pomocą modeli i praw ilościowych , zajmuje się w szczególności materią i energią oraz ich interakcjami w przestrzeni i czasie .

Wyjaśnianie tutaj oznacza klasyfikowanie, porównywanie, przypisywanie bardziej ogólnych zjawisk lub wnioskowanie z ogólnych praw przyrody . Wymaga to często stworzenia odpowiednich nowych terminów , czasem także takich, które nie są już dostępne dla bezpośredniej obserwacji. Fizyka nie potrafi wyjaśnić w filozoficznym sensie „dlaczego” natura zachowuje się w ten sposób. Zamiast tego zajmuje się „jak”. Na przykład nie potrafi wyjaśnić, dlaczego tłumy się przyciągają. To zachowanie można opisać tylko różnymi modelami. Newton zrobił to zakładając, że istnieje przyciąganie między ciałami. Einstein miał zupełnie inny pomysł, który wyjaśnił grawitację, mówiąc, że materia zakrzywia czasoprzestrzeń.

Sposób działania fizyki polega na interakcji metod eksperymentalnych i modelowania teoretycznego . Teorie fizyczne sprawdzają się w zastosowaniach do systemów przyrody, ponieważ umożliwiają przewidywanie stanów późniejszych ze znajomością ich stanów początkowych. Postęp w wiedzy wynika z interakcji obserwacji lub eksperymentu z teorią. Nowa lub dalej rozwijana teoria może lepiej lub w ogóle wyjaśniać znane wyniki, a także może stymulować nowe eksperymenty i obserwacje, których wyniki następnie potwierdzają lub zaprzeczają teorii. Nieoczekiwane wyniki obserwacji czy eksperymentów dają początek rozwojowi teorii w różnych formach, od stopniowego doskonalenia do całkowitego porzucenia teorii od dawna akceptowanej.

Odkrycia i modele fizyki są intensywnie wykorzystywane w chemii , geologii , biologii , medycynie i inżynierii .

Historia pojęcia i dyscypliny fizyki

Dyscyplina fizyki w swojej obecnej formie ma swoje początki w filozofii , która od czasów starożytnych zajmowała się przyczynami i przyczynami wszystkich rzeczy w najszerszym znaczeniu. Od Arystotelesa do początku XIX wieku fizyka była rozumiana jako gałąź filozofii zajmująca się realiami przyrody jako nauka o przyrodzie, historia naturalna, chemia czy matematyka stosowana . W porównaniu z czysto filozoficznymi próbami wyjaśnienia procesów naturalnych, ten rodzaj wiedzy, jaki można zdobyć poprzez systematyczną i precyzyjną obserwację, czyli empirycznie, przez długi czas nie odgrywał żadnej roli. Od połowy XIII i w ciągu XIV wieku indywidualni filozofowie i przyrodnicy – ​​w większości jedna i ta sama osoba, jak Roger Bacon – apelowali o nadanie większej wagi wiedzy o przyrodzie, którą można uzyskać poprzez obserwację. W XVI i XVII wieku, zwłaszcza Galileo Galilei i Isaac Newton , tendencje te doprowadziły do rozwoju metodologii wiedzy fizycznej, która jest zorientowana przede wszystkim na standardy empiryczne, a nawet eksperymentalne, a w razie wątpliwości daje im nawet pierwszeństwo. ponad tradycyjnymi zasadami filozoficznymi. To podejście zostało początkowo nazwane „ filozofią eksperymentalną ” i szybko doprowadziło do znaczących sukcesów w zrozumieniu wielu różnych procesów naturalnych. Niemniej jednak dopiero w XIX wieku udało się w końcu zadomowić w fizyce i tym samym ugruntować ją jako niezależną dyscyplinę w jej obecnym znaczeniu.

Ze względu na metodę, tematykę, naukowe położenie systemowe i instytucjonalne fizyka dzieli się zasadniczo na dwa duże obszary. W fizyce teoretycznej dotyczy głównie z formalnych opisów matematycznych i prawami natury . Abstrahuje procesy i zjawiska w przyrodzie rzeczywistej w postaci systemu modeli , ogólnych teorii i praw przyrody oraz intuicyjnie wybranych hipotez . Formułując teorie i prawa, często posługuje się metodami matematyki i logiki . Celem jest teoretyczne przewidywanie zachowania systemu, aby można było to sprawdzić przez porównanie z procesami i zjawiskami w przyrodzie rzeczywistej. Ta weryfikacja w postaci powtarzalnych pomiarów na specjalnie zaprojektowanych eksperymentach fizycznych lub poprzez obserwację zjawisk naturalnych jest dziedziną fizyki eksperymentalnej . Wynik sprawdzenia określa trafność i moc predykcyjną modelu oraz wybranych w nim terminów, hipotez i metod.

Fizyka jest ściśle związana z inżynierią i innymi naukami przyrodniczymi, od astronomii i chemii po biologię i nauki o Ziemi . Fizyka jest często postrzegana jako podstawowa lub fundamentalna nauka, która najściślej zajmuje się podstawowymi zasadami determinującymi procesy naturalne. Odgraniczenie od innych nauk przyrodniczych powstało historycznie, ale staje się coraz trudniejsze, zwłaszcza wraz z pojawieniem się nowych dyscyplin naukowych.

We współczesnej fizyce granica chemii wyznaczona przez fizykę atomową i molekularną oraz chemię kwantową jest płynna. Aby odróżnić ją od biologii, fizykę często nazywa się nauką o naturze nieożywionej kontra ożywionej, ale oznacza to ograniczenie, które nie istnieje w fizyce. Nauki inżynierskie różnią się od fizyki ścisłym związkiem z praktycznym zastosowaniem technicznym, ponieważ w fizyce na pierwszy plan wysuwa się zrozumienie podstawowych mechanizmów. Astronomia nie ma możliwości przeprowadzenia eksperymentów laboratoryjnych i dlatego jest uzależniona wyłącznie od obserwacji przyrody, która służy tutaj do odróżnienia jej od fizyki.

metodologia

Pozyskiwanie wiedzy z zakresu fizyki jest ściśle powiązane między eksperymentem a teorią, tj. polega na pozyskiwaniu i ocenie danych empirycznych , a jednocześnie tworzeniu modeli teoretycznych do ich wyjaśniania . Niemniej jednak w ciągu XX wieku rozwinęły się specjalizacje, które szczególnie dziś kształtują profesjonalnie prowadzoną fizykę. W związku z tym fizykę doświadczalną i fizykę teoretyczną można z grubsza odróżnić.

Fizyka eksperymentalna

Multimetr do pomiarów elektrycznych

Podczas gdy niektóre nauki przyrodnicze, takie jak astronomia i meteorologia , muszą ograniczać się metodologicznie w dużej mierze do obserwacji obiektu ich badań, w fizyce nacisk kładziony jest na eksperyment. Fizyka eksperymentalna stara się wyśledzić prawa poprzez projektowanie, konstruowanie, wdrażanie i ocenę eksperymentów oraz opisywanie ich za pomocą modeli empirycznych. Z jednej strony stara się otwierać nowe obszary w fizyce, z drugiej sprawdza przewidywania fizyki teoretycznej.

Podstawą eksperymentu fizycznego jest wyrażenie właściwości wcześniej przygotowanego układu fizycznego, na przykład rzuconego kamienia, zamkniętej objętości gazu lub cząstki podczas procesu zderzenia poprzez pomiar w postaci liczbowej, na przykład jako prędkości uderzenia, jako wynikowe ciśnienie (w warunkach brzegowych) lub jako Długość obserwowalnych torów cząstek w detektorze.

W szczególności mierzone są albo niezależne od czasu ( statyczne ) właściwości obiektu, albo badany jest rozwój czasowy ( dynamika ) systemu, na przykład poprzez określenie wartości początkowej i końcowej mierzonej zmiennej przed i po przebiegu procesu lub przez określenie ciągłych wartości pośrednich.

Fizyka teoretyczna

Fizyka teoretyczna stara się matematycznie prześledzić modele empiryczne fizyki eksperymentalnej do znanych podstawowych teorii lub, jeśli nie jest to możliwe, opracować hipotezy dla nowej teorii, którą można następnie przetestować eksperymentalnie. Wyprowadza również empirycznie weryfikowalne przewidywania z już znanych teorii.

Podczas opracowywania modelu rzeczywistość jest zasadniczo wyidealizowana; skupiamy się początkowo tylko na uproszczonym obrazie, aby zbadać i zbadać jego aspekty. Po tym, jak model dojrzeje do tych warunków, jest on dalej uogólniany.

Język matematyki służy do teoretycznego opisu systemu fizycznego. Jej składowe są reprezentowane przez obiekty matematyczne, takie jak skalary lub wektory , które są ze sobą powiązane za pomocą równań . Znane wielkości są obliczane ze znanych wielkości, a tym samym na przykład przewidywany jest wynik pomiaru eksperymentalnego. Pogląd ten , skoncentrowany na ilościach , znacząco odróżnia fizykę od filozofii i powoduje, że modele niewymierne, takie jak świadomość , nie są uważane za część fizyki.

Podstawową miarą sukcesu teorii naukowej jest zgodność z obserwacjami i eksperymentami. Porównując ją z eksperymentem, można określić zakres ważności i trafność teorii; jednak nigdy nie można tego „udowodnić”. W zasadzie jeden eksperyment wystarczy, aby obalić teorię lub wykazać granice jej zakresu ważności, pod warunkiem, że da się ją odtworzyć .

Fizyka eksperymentalna i fizyka teoretyczna są zatem stale ze sobą powiązane. Może się jednak zdarzyć, że wyniki jednej dyscypliny wyprzedzą drugą: na przykład wielu przewidywań teorii strun nie można obecnie zweryfikować doświadczalnie; Z drugiej strony, wiele wartości z dziedziny fizyki cząstek elementarnych, z których część została zmierzona bardzo dokładnie , nie może być obecnie wyliczonych (2009) przy użyciu powiązanej teorii chromodynamiki kwantowej .

Inne aspekty

Oprócz tego fundamentalnego podziału fizyki, czasami dokonuje się rozróżnienia między dalszymi poddyscyplinami metodologicznymi, przede wszystkim fizyką matematyczną i fizyką stosowaną . Praca z symulacjami komputerowymi ma również cechy we własnym obszarze fizyki.

Fizyka matematyczna

Fizyka matematyczna jest czasami postrzegane jako gałąź fizyki teoretycznej, ale różni się od niego tym, że przedmiotem badania jest nie konkretne zjawiska fizyczne, ale wyniki fizyki teoretycznej siebie. Abstrahuje ona z dowolnej aplikacji, a zamiast tego jest zainteresowany tym matematycznych właściwości model, zwłaszcza jego symetrie leżące u podstaw . W ten sposób opracowuje uogólnienia i nowe sformułowania matematyczne znanych już teorii, które z kolei mogą służyć jako materiał roboczy dla fizyków teoretycznych w modelowaniu procesów empirycznych.

Fizyka stosowana

Fizyka stosowana ma (rozmyte) rozgraniczenie od fizyki eksperymentalnej, a czasem także od fizyki teoretycznej. Jego zasadniczą cechą jest to, że nie bada ona danego zjawiska fizycznego dla niego samego, ale raczej wykorzystuje wiedzę uzyskaną z badań do rozwiązania (zazwyczaj) problemu niefizycznego. Jej zastosowania znajdują się w dziedzinie technologii , ale także np. w ekonomii , gdzie w zarządzaniu ryzykiem wykorzystuje się metody teoretycznej fizyki ciała stałego. Istnieją również interdyscyplinarne dziedziny fizyki medycznej , chemii fizycznej , astrofizyki i biofizyki .

Symulacja i fizyka komputerowa

Wraz z postępującym rozwojem systemów obliczeniowych nastąpiło w ostatnich dziesięcioleciach XX wieku przyspieszenie od około 1990 roku, czyli symulacji komputerowej jako nowej metodologii opracowanej w ramach fizyki. Symulacje komputerowe są często używane jako łącznik między teorią a eksperymentem w celu uzyskania przewidywań z teorii; z drugiej strony symulacje mogą również dać impuls do fizyki teoretycznej w postaci skutecznej teorii, która powiela wynik eksperymentu. Naturalnie ta dziedzina fizyki ma liczne punkty styku z informatyką .

Budowanie teorii

Teoretyczna struktura fizyki opiera się na mechanice klasycznej . Zostało to uzupełnione w XIX wieku innymi teoriami, w szczególności elektromagnetyzmem i termodynamiką . Współczesna fizyka opiera się na dwóch rozszerzeniach z XX wieku, teorii względności i fizyce kwantowej , które uogólniły pewne podstawowe zasady mechaniki klasycznej. Obie teorie zawierają mechanikę klasyczną poprzez tak zwaną zasadę korespondencji jako przypadek graniczny, a zatem mają większy obszar ważności niż ten. Chociaż teoria względności częściowo opiera się na tych samych podstawach pojęciowych, co mechanika klasyczna, fizyka kwantowa wyraźnie od niej odchodzi.

Klasyczna mechanika

Mechanika klasyczna została w dużej mierze założona w XVI i XVII wieku przez Galileo Galilei i Izaaka Newtona. Ze względu na wciąż dość ograniczone możliwości techniczne w tym czasie, procesy opisane przez mechanikę klasyczną można w dużej mierze obserwować bez skomplikowanych pomocy, co czyni je czytelnymi. Mechanika klasyczna zajmuje się układami o kilku masywnych ciałach, co odróżnia je od elektrodynamiki i termodynamiki. Przestrzeń i czas nie są częścią dynamiki, ale nieruchomym tłem, na którym zachodzą procesy fizyczne i poruszają się ciała. W przypadku bardzo małych obiektów fizyka kwantowa zastępuje mechanikę klasyczną, podczas gdy teoria względności nadaje się do opisu ciał o bardzo dużych masach i energiach.

Matematyczne podejście do mechaniki klasycznej zostało zdecydowanie ujednolicone pod koniec XVIII i na początku XIX wieku w formie formalizmu Lagrange'a i formalizmu Hamiltona . Te formalizmy mogą być również używane z teorią względności i dlatego są ważną częścią mechaniki klasycznej. Chociaż mechanika klasyczna jest ważna tylko dla średnich systemów opisowych, matematyczne traktowanie złożonych systemów jest matematycznie bardzo wymagające, nawet w ramach tej teorii. Teoria chaosu dotyczy w dużej mierze z takich złożonych systemów mechaniki klasycznej, a obecnie (2009) aktywnym obszarem badań.

Elektrodynamika i optyka

Dobrze znane równania Maxwella elektromagnetyzmu są nazwane po James Clerk Maxwell

W elektrodynamice opisano zjawiska z poruszającymi się ładunkami elektrycznymi w interakcji ze zmiennymi w czasie polami elektrycznymi i magnetycznymi . Aby połączyć rozwój teorii elektryczności i magnetyzmu w XVIII i XIX wieku, konieczne stało się poszerzenie struktury teoretycznej mechaniki klasycznej. Punktem wyjścia było prawo indukcji odkryte przez Michaela Faradaya i siłę Lorentza , nazwaną na cześć Hendrika Antoon Lorentza , na poruszającym się ładunku elektrycznym w polu magnetycznym. Prawa elektrodynamiki zostały podsumowane przez Jamesa Clerka Maxwella w XIX wieku i po raz pierwszy sformułowane w całości w postaci równań Maxwella . Zasadniczo układy elektrodynamiczne potraktowano metodami mechaniki klasycznej, ale równania Maxwella umożliwiają również rozwiązanie falowe, które opisuje fale elektromagnetyczne, takie jak światło. Między innymi teoria ta wytworzyła swój własny formalizm w postaci optyki falowej , która zasadniczo różni się od mechaniki klasycznej. Zwłaszcza symetrie elektrodynamiki są niezgodne z symetriami mechaniki klasycznej. Tę sprzeczność między dwoma budynkami teoretycznymi rozwiązała szczególna teoria względności. Optyka falowa jest nadal aktywnym obszarem badań (2011) w postaci optyki nieliniowej .

termodynamika

Mniej więcej w tym samym czasie co elektrodynamika rozwinął się inny kompleks teorii, termodynamika, który zasadniczo różni się od mechaniki klasycznej. W przeciwieństwie do mechaniki klasycznej, w termodynamice na pierwszym planie wysuwają się nie pojedyncze ciała, ale zespół wielu malutkich cegiełek, co prowadzi do radykalnie odmiennego formalizmu. Termodynamika nadaje się zatem do obróbki ośrodków o wszystkich stanach skupienia . Teorię kwantową i teorię względności można osadzić w formalizmie termodynamiki, ponieważ wpływają one tylko na dynamikę elementów składowych zespołu, ale nie zmieniają zasadniczo formalizmu opisu układów termodynamicznych.

Termodynamika nadaje się na przykład do opisu silników cieplnych, ale także do wyjaśnienia wielu współczesnych tematów badawczych , takich jak nadprzewodnictwo czy nadciekłość . Zwłaszcza w dziedzinie fizyki ciała stałego nadal wykonuje się wiele pracy z metodami termodynamiki dzisiaj (2009).

teoria względności

Teoria względności założona przez Alberta Einsteina wprowadza zupełnie nowe rozumienie zjawisk przestrzeni i czasu. Zgodnie z tym nie są to powszechnie obowiązujące struktury porządkowe, ale odległości przestrzenne i czasowe są różnie oceniane przez różnych obserwatorów. Przestrzeń i czas łączą się w czterowymiarową czasoprzestrzeń . Grawitacja jest wstecz do krzywizny tej przestrzenno-czasowego, które jest spowodowane przez obecność masy i energii . W teorii względności kosmologia po raz pierwszy staje się tematem naukowym. Sformułowanie teorii względności uważa się za początek współczesnej fizyki , nawet jeśli często nazywa się je zakończeniem fizyki klasycznej .

Fizyka kwantowa

Fizyka kwantowa opisuje prawa natury w obszarze atomowym i subatomowym i zrywa z klasycznymi ideami jeszcze bardziej radykalnie niż teoria względności. W fizyce kwantowej same wielkości fizyczne są częścią formalizmu i nie są już jedynie parametrami opisującymi układ. Formalizm rozróżnia dwa typy obiektów, obserwable opisujące wielkości i stany opisujące system. Proces pomiaru jest również aktywnie włączony w teorię. W pewnych sytuacjach prowadzi to do kwantyzacji wartości rozmiaru. Oznacza to, że ilości zawsze przyjmują tylko określone wartości dyskretne . W kwantowej teorii pola , najbardziej rozwiniętej relatywistycznej teorii kwantowej, materia pojawia się tylko w porcjach, cząstkach elementarnych lub kwantach .

Prawa fizyki kwantowej w dużej mierze wymykają się ludzkiej percepcji i nawet dzisiaj nadal nie ma zgody co do ich interpretacji . Niemniej jednak pod względem empirycznego sukcesu jest to jedna z najlepiej ugruntowanych wiedzy ludzkości.

Obszary tematyczne współczesnej fizyki

Teorie fizyki są wykorzystywane w różnych obszarach tematycznych. Podział fizyki na podtematy nie jest jasny, a rozgraniczenie podtematów od siebie jest tak samo trudne, jak rozgraniczenie fizyki od innych nauk. W związku z tym istnieje wiele nakładających się i wzajemnych relacji między różnymi obszarami. Tutaj prezentowany jest zbiór obszarów tematycznych zgodnie z wielkością rozważanych obiektów, a w trakcie tego odwoływania się do obszarów tematycznych, które są z nimi powiązane. Wymienione tematy nie mogą być jednoznacznie przypisane do teorii, lecz wykorzystują różne koncepcje teoretyczne w zależności od badanego przedmiotu.

Fizyka cząsteczek

Fizyka cząstek dotyczy cząstek elementarnych i ich wzajemnych oddziaływań. Współczesna fizyka zna cztery podstawowe siły :

Oddziaływania te opisuje wymiana tak zwanych bozonów kalibracyjnych . Fizyka cząstek wyklucza obecnie grawitację (2009), ponieważ nadal nie ma teorii grawitacji kwantowej, która mogłaby w pełni opisać oddziaływania grawitacyjne cząstek elementarnych. W fizyce cząstek elementarnych do opisu zjawisk stosuje się relatywistyczne teorie kwantowe.

Jednym z celów fizyki cząstek elementarnych jest opisanie wszystkich podstawowych sił w zunifikowanej ogólnej koncepcji ( formuła światowa ). Jak dotąd jednak możliwe było przedstawienie oddziaływania elektromagnetycznego jedynie jako połączenie oddziaływania elektrycznego i magnetycznego, a także połączenie oddziaływania elektromagnetycznego i oddziaływania słabego w tak zwane oddziaływanie elektrosłabe . Między innymi opracowano teorię supersymetrii, aby połączyć oddziaływanie elektrosłabe i silne, ale nie zostało to jeszcze potwierdzone eksperymentalnie. Jak już wspomniano, największe trudności pojawiają się w obszarze siły grawitacyjnej, ponieważ nie ma jeszcze teorii grawitacji kwantowej, ale cząstki elementarne można opisać tylko w ramach teorii kwantowej.

Typowe eksperymenty testujące teorie fizyki cząstek są przeprowadzane w akceleratorach cząstek o wysokich energiach cząstek. Aby osiągnąć wysokie energie zderzeń , stosuje się głównie eksperymenty zderzacza , w których cząstki są wystrzeliwane ze sobą, a nie w nieruchomy cel. Dlatego termin „ fizyka wysokich energii” jest często używany prawie zgodnie z terminem „fizyka cząstek elementarnych”. Akceleratorem cząstek o największej obecnie (2011) energii zderzenia jest Wielki Zderzacz Hadronów . Detektory neutrin, takie jak Super-Kamiokande, są specjalnie zaprojektowane do badania właściwości neutrin, a zatem reprezentują szczególną, ale mimo to ważną klasę eksperymentów.

Hadronowa i atomowa fizyka jądrowa

Cząstki elementarne podlegające oddziaływaniu silnemu, tzw. kwarki , nie występują pojedynczo, lecz zawsze tylko w stanach związanych, czyli hadronach , w skład których wchodzą proton i neutron . Fizyka hadronów w wielu przypadkach pokrywa się z fizyką cząstek elementarnych, ponieważ wiele zjawisk można wyjaśnić jedynie biorąc pod uwagę, że hadrony składają się z kwarków. Jednak opis oddziaływania silnego za pomocą chromodynamiki kwantowej, relatywistycznej kwantowej teorii pola, nie może przewidzieć właściwości hadronów, dlatego badanie tych właściwości uważa się za samodzielny obszar badawczy. Poszukuje się zatem rozszerzenia teorii oddziaływania silnego dla małych energii, przy których powstają hadrony.

Jądra atomowe reprezentują kolejny poziom złożoności w porównaniu do cząstek elementarnych i składają się z kilku nukleonów , czyli protonów i neutronów, których oddziaływania są badane. W jądrach atomowych dominuje oddziaływanie silne i elektromagnetyczne. Obszary badań fizyki jądrowej obejmują rozpad radioaktywny i stabilność jąder atomowych. Celem jest opracowanie podstawowych modeli, które mogą wyjaśnić te zjawiska. Pomija się jednak szczegółowe opracowanie oddziaływania silnego, jak w fizyce hadronów.

Akceleratory cząstek są używane do badania właściwości hadronów, chociaż nie skupiamy się tutaj tak bardzo na wysokich energiach zderzeń, jak w fizyce cząstek elementarnych. Zamiast tego przeprowadzane są eksperymenty docelowe , które dają niższe energie środka ciężkości, ale znacznie większą liczbę zdarzeń. Jednak eksperymenty zderzaczy z ciężkimi jonami służą głównie do zdobywania wiedzy o hadronach. W fizyce jądrowej ciężkie atomy zderzają się w celu wygenerowania pierwiastków transuranowych, a radioaktywność bada się za pomocą różnych konfiguracji eksperymentalnych.

Fizyka atomowa i molekularna

Atomy składają się z jądra atomowego i zwykle kilku elektronów i reprezentują kolejny poziom złożoności materii.Jednym z celów fizyki atomowej jest wyjaśnienie widm liniowych atomów, dla których precyzyjny kwantowo-mechaniczny opis oddziaływań między elektronami atomów jest konieczne. Ponieważ cząsteczki składają się z kilku atomów, fizyka molekularna działa z podobnymi metodami, ale w szczególności duże cząsteczki zwykle reprezentują znacznie bardziej złożone układy, co znacznie komplikuje obliczenia i często wymaga użycia symulacji komputerowych.

Fizyka atomowa i molekularna jest ściśle związana z optyką poprzez badanie widm optycznych atomów i cząsteczek. Na przykład zasada działania lasera , ważny postęp techniczny, w dużej mierze opiera się na wynikach fizyki atomowej. Ponieważ fizyka molekularna zajmuje się również intensywnie teorią wiązań chemicznych , ten obszar tematyczny pokrywa się z chemią.

Ważnym podejściem eksperymentalnym jest ekspozycja na światło. Na przykład widma optyczne atomów i cząsteczek są powiązane z ich właściwościami mechaniki kwantowej. Odwrotnie, metody spektroskopowe można następnie wykorzystać do zbadania składu mieszaniny substancji i wydawania oświadczeń na temat pierwiastków w atmosferze gwiazdy za pomocą światła gwiazd. Inne metody badawcze uwzględniają zachowanie pod wpływem pól elektrycznych i magnetycznych. Przykładami są spektroskopia masowa lub pułapka Paula .

Materia skondensowana i dynamika płynów

Fizyka materii skondensowanej i dynamika płynów to obszary o największym zakresie tematycznym na tej liście, od fizyki ciała stałego po fizykę plazmy . Wspólną cechą wszystkich tych obszarów jest to, że zajmują się układami makroskopowymi złożonymi z dużej liczby atomów, cząsteczek lub jonów . W związku z tym termodynamika jest ważną częścią podstaw teoretycznych we wszystkich obszarach tego tematu. W zależności od problemu do opisu układów stosuje się również teorię kwantową i teorię względności. Symulacje komputerowe są również integralną częścią badań nad takimi układami wielociałowymi.

Ze względu na zakres tematyczny pokrywają się one z niemal wszystkimi innymi dziedzinami fizyki, na przykład z optyką w postaci mediów aktywnych laserowo czy optyki nieliniowej, ale także z akustyką, fizyką atomową, jądrową i cząstkową. Również w astrofizyce dynamika płynów odgrywa ważną rolę w tworzeniu modeli formowania się i budowy gwiazd oraz w modelowaniu wielu innych efektów. Wiele obszarów badawczych jest bardzo zorientowanych na zastosowania, takich jak badania materiałowe , fizyka plazmy czy badania nad nadprzewodnikami wysokotemperaturowymi .

Zakres metod eksperymentalnych w tej dziedzinie fizyki jest bardzo duży, przez co nie można podać typowych metod dla całego obszaru. Efekty mechaniki kwantowej, takie jak nadprzewodnictwo i nadciekłość , które do pewnego stopnia stały się znane, przypisuje się fizyce niskotemperaturowej związanej z typowymi metodami chłodzenia .

Astrofizyka i kosmologia

Astrofizyka i kosmologia to interdyscyplinarne obszary badawcze, które silnie pokrywają się z astronomią. Prawie wszystkie inne dziedziny fizyki są zawarte w modelach astrofizycznych w celu modelowania procesów w różnych skalach wielkości. Celem tych modeli jest wyjaśnienie obserwacji astronomicznych na podstawie znanej wcześniej fizyki.

Kosmologia opiera się w szczególności na podstawach ogólnej teorii względności, jednak w ramach kosmologii kwantowej teorie kwantowe są również bardzo ważne dla wyjaśnienia rozwoju wszechświata w znacznie wcześniejszych fazach. Obecnie (2009) najbardziej reprezentowany kosmologiczny model standardowy jest w dużej mierze oparty na teoriach ciemnej materii i ciemnej energii . Jak dotąd ani ciemna materia, ani ciemna energia nie zostały bezpośrednio zademonstrowane doświadczalnie, ale istnieje wiele teorii na temat tego, czym dokładnie są te obiekty.

Ponieważ eksperymenty są możliwe tylko w bardzo ograniczonym zakresie w astrofizyce, ta gałąź fizyki jest bardzo zależna od obserwacji zjawisk, na które nie można wpływać. Ustalenia z fizyki atomowej i fizyki cząstek elementarnych oraz typowe metody pomiarowe z tych dyscyplin są również wykorzystywane do wyciągania wniosków na temat związków astrofizycznych lub kosmologicznych. Na przykład podaj widma światła gwiazd informacje o rozkładzie pierwiastków atmosfery gwiazdy, badanie promieniowania wysokości pozwala na wyciągnięcie wniosków do pomiaru promieni kosmicznych i detektorów neutrin dla zwiększonego strumienia neutrin Super Nova, który jest jednocześnie obserwowany ze światłem Super Nova.

Interdyscyplinarne obszary tematyczne

Metody fizyki są stosowane w wielu obszarach przedmiotowych, które nie należą do podstawowego obszaru przedmiotowego fizyki. Niektóre z tych zastosowań zostały już omówione w poprzednich rozdziałach. Poniższa lista zawiera krótki przegląd najważniejszych interdyscyplinarnych obszarów tematycznych.

Granice wiedzy fizycznej

Obecny stan fizyki wciąż boryka się z nierozwiązanymi problemami. Z jednej strony istnieje mniej fundamentalny przypadek problemów, których rozwiązanie jest w zasadzie możliwe, ale co najwyżej można je przybliżyć przy pomocy aktualnych możliwości matematycznych. Z drugiej strony istnieje szereg problemów, dla których wciąż nie jest jasne, czy rozwiązanie w kontekście dzisiejszych teorii będzie w ogóle możliwe. Do tej pory nie udało się sformułować jednolitej teorii opisującej zjawiska podlegające oddziaływaniu elektrosłabemu i silnemu, a także takie, które podlegają grawitacji. Tylko przy takim połączeniu teorii kwantowej i teorii grawitacji (ogólnej teorii względności) wszystkie cztery podstawowe siły można traktować jednolicie, dając jednolitą teorię cząstek elementarnych.

Poprzedni kandydat teorii grawitacji kwantowej , supersymetrii i supergrawitacji - teorie strun i M-teorii próbują osiągnąć taką standaryzację. Ogólnie rzecz biorąc, praktycznie wiodącym celem dzisiejszych fizyków jest opisanie wszystkich procesów zachodzących w przyrodzie jak najmniejszą liczbą najprostszych możliwych praw przyrody . Powinny one opisywać zachowanie najbardziej podstawowych właściwości i obiektów (takich jak cząstki elementarne ), tak aby procesy i obiekty wyższego poziomu ( wyłaniające się ) mogły zostać zredukowane do tego poziomu opisu.

To, czy cel ten może zostać osiągnięty w zasadzie, czy w praktyce, nie jest już przedmiotem indywidualnych wysiłków na rzecz naukowej wiedzy fizycznej, podobnie jak pojawiają się ogólne pytania dotyczące stopnia pewności, jaki wiedza fizyczna może w zasadzie osiągnąć lub faktycznie została osiągnięta. Takie pytania są przedmiotem epistemologii i filozofii nauki . Broni się bardzo różnych pozycji. Stosunkowo bezsporne jest, że teorie naukowe są tylko hipotezami w tym sensie, że nie można z całą pewnością stwierdzić, czy są to poglądy prawdziwe i uzasadnione. Tutaj można być jeszcze bardziej konkretnym, odwołując się do teoretycznego i pojęciowego zapośredniczenia wszelkiej wiedzy empirycznej lub do faktu, że człowiek jako podmiot poznający podlega obszarowi przedmiotowemu teorii fizycznych, ale tylko jako rzeczywiście outsider pewna wiedza mogła. Ponieważ dla obserwatorów, którzy wchodzą w interakcję ze swoim przedmiotem wiedzy , istnieją fundamentalne granice przewidywalności w sensie nierozróżnialności stanu obecnego – granica, która miałaby zastosowanie, gdyby człowiek znał wszystkie prawa naturalne, a świat był deterministyczny. Granica ta ma praktyczne znaczenie w procesach deterministycznych, dla których niewielkie zmiany stanu początkowego prowadzą do dużych odchyleń w kolejnych stanach-procesach opisanych przez teorię chaosu . Ale nie tylko praktyczna przewidywalność jest w wielu przypadkach możliwa tylko w ograniczonym zakresie, niektórzy teoretycy naukowi kwestionują również zdolność modeli fizycznych do formułowania jakichkolwiek twierdzeń na temat rzeczywistości. Odnosi się to w różnym stopniu do różnych szkiców tak zwanego antyrealizmu epistemologicznego : dla różnych typów pojęć fizycznych odmawia się rzeczywistego odniesienia lub uznaje się je za niepoznawalne. Niektórzy teoretycy nauki kwestionują również możliwość łączenia poszczególnych teorii co do zasady lub prawdopodobieństwa.

Związek z innymi naukami

Związek z filozofią jest tradycyjnie bliski, ponieważ fizyka rozwinęła się z filozofii klasycznej, nigdy jej nie zaprzeczając, a według dzisiejszych kategorii wielu ważnych fizyków było również ważnymi filozofami i vice versa. Zgodnie z dzisiejszym rozróżnieniem dyscyplin filozoficznych, fizyka jest szczególnie powiązana z ontologią , która stara się opisać podstawowe struktury rzeczywistości w terminach jak najbardziej ogólnych, oprócz epistemologii , która w ogóle stara się uchwycić kryteria jakości wiedzy, więcej szczególnie do filozofii nauki , która próbuje określić ogólne metody poznania naukowego i oczywiście do filozofii naturalnej lub filozofii fizyki , która jest często traktowana jako subdyscyplina ontologii lub filozofii nauki , ale w każdym razie działa bardziej szczegółowo w odniesieniu do indywidualnej wiedzy z fizyki analizuje ich system pojęciowy oraz interpretacje ontologiczne omawianych teorii fizycznych.

Bliskie są też relacje z matematyką . Cała fizyka używa języka matematycznego. Wielu ważnych fizyków było również ważnymi matematykami w dzisiejszych kategoriach i vice versa.

Według dzisiejszej różnicy matematycznej pomiędzy dyscyplinami, fizyka jest szczególnie związane z geometrią , która próbuje opisać podstawowe struktury przestrzeni w warunkach, które są tak ogólne, jak to możliwe, a także do algebry , a dokładniej do geometrii algebraicznej , do geometrii różniczkowej i fizyce matematycznej .

Fizyka w społeczeństwie

Logo roku fizyki 2005

Ponieważ fizyka jest uważana za podstawową naukę przyrodniczą, wiedza fizyczna i myślenie są zwykle nauczane w szkole jako część oddzielnego przedmiotu szkolnego. W ramach systemu szkolnego fizyka jest zwykle nauczana jako przedmiot drugorzędny od klas 5–7, a często jako przedmiot zaawansowany w klasach wyższych.

  • Większość uniwersytetów oferuje fizykę jako przedmiot.
  • Szwedzka Akademia Nauk przyznaje Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki corocznie od 1901 roku .
  • Kwestia etyki badań naukowych została po raz pierwszy wyraźnie podniesiona, gdy odkrycia fizyczne pod koniec lat trzydziestych sugerowały możliwość wybuchu bomby atomowej. Temat ten jest również podejmowany w literaturze , na przykład w sztuce Friedricha Dürrenmatta Fizycy .
  • Podejmowano próby instrumentalizacji fizyki w sposób ideologiczny. Na przykład w czasach narodowego socjalizmu istniała fizyka niemiecka , która zwróciła się przeciwko Einsteinowi, oraz fizyka wojskowa jako fizyka stosowana. Reprezentantami takich przedsięwzięć byli dydaktyk fizyki i polityk szkolny Erich Günther († 1951), którego podręcznik Wehrphysik (podręcznik dla nauczycieli) był używany do 1975 roku, oraz Karl Hahn (1879-1963), który został mianowany doktorem honoris causa Uniwersytetu. Gießen w 1959, który pracował jako Reichssacharbeiter Wymazał teorie żydowskich fizyków ze swoich podręczników i których podręczniki były szeroko rozpowszechnione do lat 60. XX wieku.
  • 2005 był rokiem fizyki .

Zobacz też

Portal: Fizyka  - Przegląd zawartości Wikipedii na temat fizyki

literatura

linki internetowe

Commons : Fizyka  - kolekcja obrazów, filmów i plików audio audio
Wikisłownik: Fizyka  - wyjaśnienia znaczeń, pochodzenie słów, synonimy, tłumaczenia
Wikibooks: Darmowe książki na tematy fizyczne  - materiały do ​​nauki i nauczania
Wikicytaty: Fizyka  - Cytaty
Wikiźródła: Fizyka  - Źródła i pełne teksty

Indywidualne dowody

  1. Richard Feynman napisał: Ciekawość wymaga, abyśmy prosili, abyśmy… spróbowali zrozumieć różnorodność punktów widzenia, być może w wyniku interakcji stosunkowo niewielkiej liczby elementarnych rzeczy i sił… Richard P. Feynman i in.: Feynman prowadzi wykłady z fizyki . t. 1, część 1, przekład H. Koehlera. Wydanie niemiecko-angielskie, Oldenbourg Verlag 1974, s. 2–1.
  2. ^ Rudolf Stichweh: O powstaniu nowoczesnego systemu dyscyplin naukowych - Fizyka w Niemczech 1740-1890 , Suhrkamp Verlag, Frankfurt 1984
  3. Zob. Esfeld , Naturphilosophie, 128.
  4. Zobacz wpis w Edward N. Zalta (red.): Stanford Encyclopedia of Philosophy .Szablon: SEP / Konserwacja / Parametr 1 i ani parametr 2, ani parametr 3
  5. Zobacz postęp naukowy. W: Edward N. Zalta (red.): Stanford Encyclopedia of Philosophy . Szablon: SEP / Konserwacja / Parametr 1 i Parametr 2, a nie Parametr 3i Jedność Nauki. W: Edward N. Zalta (red.): Stanford Encyclopedia of Philosophy . Szablon: SEP / Konserwacja / Parametr 1 i Parametr 2, a nie Parametr 3; Esfeld, Naturphilosophie, s. 100-115.
  6. Erich Günther: Podręcznik Fizyki Obrony. Frankfurt nad Menem 1936.
  7. Jörg Willer: Dydaktyka w III Rzeszy na przykładzie fizyki. W: Medyczne wiadomości historyczne. Czasopismo historii nauki i badań prozatorskich specjalistycznych. Tom 34, 2015, ISBN 978-3-86888-118-9 , s. 105-121, tutaj: s. 113 i 119.