Fysik: Grundlæggende definition, principper og teknologiske anvendelser

Oldtidens astronomi

Astronomi er den ældste naturvidenskab. Sumererne og de gamle egyptere studerede stjernerne, hovedsagelig med henblik på forudsigelser og religion. De første babyloniske stjernekort stammer fra ca. 1200 f.Kr. At astronomiske begivenheder er periodiske går også tilbage til babylonierne. Deres forståelse var ikke videnskabelig, men deres observationer har påvirket den senere astronomi. Meget astronomi kom fra Mesopotamien, Babylonien, det gamle Egypten og det gamle Grækenland. Astronomer fra Egypten byggede monumenter, der viste, hvordan objekter på himlen bevægede sig, og de fleste af navnene på stjernebillederne på den nordlige halvkugle stammer fra græske astronomer.

Naturfilosofi

Naturfilosofien startede i Grækenland omkring 650 f.Kr., da en gruppe filosoffer erstattede overtro med naturalisme, som afviste det åndelige. Leucippus og hans elev Demokritus foreslog tanken om atomet omkring denne periode.

Fysik i den middelalderlige islamiske verden

Islamiske lærde fortsatte med at studere den aristoteliske fysik i den islamiske guldalder. Et af deres vigtigste bidrag var til observationsastronomien. Nogle, som Ibn Sahl, Al-Kindi, Ibn al-Haytham, Al-Farisi og Avicenna, arbejdede med optik og synsteknik. I bogen The Book of Optics afviste Ibn al-Haytham tidligere græske idéer om synet og foreslog en ny teori. Han undersøgte, hvordan lyset kommer ind i øjet, og udviklede camera obscura. Europæiske videnskabsmænd byggede senere briller, forstørrelsesglas, teleskoper og kameraer ud fra denne bog.

Klassisk fysik

Fysik blev et selvstændigt fagområde efter den videnskabelige revolution. Galileos eksperimenter var med til at skabe den klassiske fysik. Selv om han ikke opfandt teleskopet, brugte han det, når han kiggede ind i nattehimlen. Han støttede Kopernikus' idé om, at Jorden bevægede sig rundt om Solen (heliocentrisme). Han undersøgte også tyngdekraften. Isaac Newton brugte Galileos idéer til at skabe sine tre bevægelseslove og sin lov om universel gravitation. Tilsammen forklarede disse love bevægelsen af faldende legemer i nærheden af jorden og jordens og planeternes bevægelse omkring solen.

I løbet af et par århundreder var den industrielle revolution i fuld gang, og der blev gjort mange flere opdagelser inden for mange videnskabelige områder. Den klassiske fysiks love er gode nok til at studere objekter, der bevæger sig meget langsommere end lysets hastighed, og som ikke er mikroskopiske. Da forskerne først studerede kvantemekanikken, måtte de skabe et nyt sæt love, hvilket var starten på den moderne fysik.

Moderne fysik

Efterhånden som forskerne undersøgte partikler, opdagede de, hvad den klassiske mekanik ikke kunne forklare. Den klassiske mekanik forudsagde, at lysets hastighed varierede, men eksperimenter viste, at lysets hastighed forblev den samme. Dette blev forudsagt af Albert Einsteins specielle relativitetsteori. Einstein forudsagde, at hastigheden af elektromagnetisk stråling gennem det tomme rum altid ville være den samme. Hans syn på rumtid erstattede den gamle idé om, at rum og tid var helt adskilte ting.

Max Planck fandt på kvantemekanikken for at forklare, hvorfor metal frigiver elektroner, når man kaster lys på det, og hvorfor stof udsender stråling. Kvantemekanikken gælder for meget små ting som de elektroner, protoner og neutroner, der udgør et atom. Folk som Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger og Paul Dirac fortsatte med at arbejde med kvantemekanikken, og til sidst fik vi standardmodellen.

Fysik er studiet af energi og stof i rum og tid, og hvordan de er forbundet med hinanden. Fysikere antager, at masse, længde, tid og elektrisk strøm eksisterer, og definerer derefter alle andre fysiske størrelser ud fra disse grundlæggende enheder (og giver dem deres betydning). Masse, længde, tid og elektrisk strøm er aldrig defineret, men de standardenheder, der anvendes til at måle dem, er altid defineret. I det internationale enhedssystem (forkortet SI fra det franske Système International) er kilogrammet den grundlæggende enhed for masse, meteren den grundlæggende enhed for længde, sekundet den grundlæggende enhed for tid, og ampere den grundlæggende enhed for elektrisk strøm. Ud over disse fire enheder findes der tre andre: molet, som er enheden for stofmængde, candela, som måler lysstyrken (lyseffekten), og kelvin, som er enheden for temperatur.

Fysik undersøger, hvordan ting bevæger sig, og hvilke kræfter der får dem til at bevæge sig. Fysikken bruger f.eks. hastighed og acceleration til at vise, hvordan ting bevæger sig. Fysikere studerer også tyngdekraften, elektricitet, magnetisme og de kræfter, der holder tingene sammen.

Fysikken studerer meget store ting og meget små ting. Fysikere kan f.eks. studere stjerner, planeter og galakser, men de kan også studere små dele af stof som f.eks. atomer og elektroner, lyd, lys og andre bølger. Desuden kan de undersøge energi, varme og radioaktivitet og endda rum og tid. Fysik hjælper ikke kun folk med at forstå, hvordan genstande bevæger sig, men også hvordan de ændrer form, hvordan de laver støj, hvor varme eller kolde de bliver, og hvad de er lavet af på det mindste niveau. Kort sagt er fysik den gren af videnskaben, der beskæftiger sig med materiens og energiens egenskaber og samspillet mellem dem.

Fysik er en kvantitativ videnskab, fordi den er baseret på måling med tal. Matematik bruges i fysikken til at lave modeller, der forsøger at forudsige, hvad der vil ske i naturen. Disse forudsigelser sammenlignes med den måde, som den virkelige verden fungerer på. Fysikere arbejder hele tiden på at gøre deres modeller af verden bedre.

Klassisk mekanik indeholder vigtige emner som Newtons bevægelseslove, lagrangiansk mekanik, Hamiltonmekanik, kinematik, statik, dynamik, kaosteori, akustik, væskedynamik og kontinuumsmekanik. Klassisk mekanik handler om de kræfter, der virker på et legeme i naturen, om at afbalancere kræfter, opretholde ligevægtstilstand osv .

Elektromagnetisme er en undersøgelse af ladninger på et bestemt legeme. Det indeholder underemner som elektrostatik, elektrodynamik, elektricitet, magnetisme, magnetostatik, Maxwells ligninger, optik .

Termodynamik og statistisk mekanik er forbundet med temperatur. Den omfatter hovedemner som f.eks. varmemotor og kinetisk teori. Der anvendes udtryk som varme (Q), arbejde (W) og intern energi (U). Termodynamikkens første lov giver os forholdet mellem dem ved følgende ligning (ΔU = Q - W)

Kvantemekanik er studiet af partikler på atomniveau under hensyntagen til den atomare model. Den omfatter underemnerne: integralformulering af stier, spredningsteori, Schrödinger-ligning, kvantefeltteori og statistisk kvantemekanik.

Relativitet

Generel beskrivelse

Fysik er videnskaben om stof og om, hvordan stof interagerer. Materie er ethvert fysisk materiale i universet. Alt er lavet af stof. Fysik bruges til at beskrive det fysiske univers omkring os og til at forudsige, hvordan det vil opføre sig. Fysik er den videnskab, der beskæftiger sig med opdagelse og karakterisering af de universelle love, der styrer materie, bevægelse og kræfter, rum og tid og andre træk ved den naturlige verden.

Fysikkens bredde og mål

Fysikken har et bredt spektrum, lige fra de mindste stofkomponenter og de kræfter, der holder dem sammen, til galakser og endnu større ting. Der er kun fire kræfter, som synes at virke over hele dette område. Men selv disse fire kræfter (tyngdekraften, elektromagnetismen, den svage kraft i forbindelse med radioaktivitet og den stærke kraft, som holder protoner og neutroner i et atom sammen) menes at være forskellige dele af en enkelt kraft.

Fysikken er primært fokuseret på at opstille stadig enklere, mere generelle og mere præcise regler, der definerer materiens og rummets karakter og adfærd. Et af fysikkens vigtigste mål er at opstille teorier, der gælder for alt i universet. Med andre ord kan fysik betragtes som studiet af de universelle love, som på det mest grundlæggende niveau definerer det fysiske univers' adfærd.

Fysikken anvender den videnskabelige metode

Fysikken anvender den videnskabelige metode. Det vil sige, at der indsamles data fra eksperimenter og observationer. Der udarbejdes teorier, som forsøger at forklare disse data. Fysikken bruger disse teorier til ikke blot at beskrive fysiske fænomener, men også til at modellere fysiske systemer og forudsige, hvordan disse fysiske systemer vil opføre sig. Fysikere sammenligner derefter disse forudsigelser med observationer eller eksperimentelle beviser for at vise, om teorien er rigtig eller forkert.

De teorier, der er godt understøttet af data, og som er særligt enkle og generelle, kaldes undertiden videnskabelige love. Alle teorier, også dem, der kaldes love, kan naturligvis erstattes af mere præcise og mere generelle love, når der konstateres uoverensstemmelse med data.

Fysik er kvantitativ

Fysik er mere kvantitativ end de fleste andre videnskaber. Det vil sige, at mange af fysikkens observationer kan repræsenteres i form af numeriske målinger. De fleste teorier i fysikken bruger matematik til at udtrykke deres principper. De fleste af forudsigelserne fra disse teorier er numeriske. Dette skyldes, at de områder, som fysikken har behandlet, fungerer bedre med kvantitative tilgange end andre områder. Videnskaberne har også en tendens til at blive mere kvantitative med tiden, efterhånden som de bliver mere udviklede, og fysik er en af de ældste videnskaber.

Fysiske områder

Klassisk fysik omfatter normalt områderne mekanik, optik, elektricitet, magnetisme, akustik og termodynamik. Moderne fysik er en betegnelse, der normalt anvendes til at dække områder, der er baseret på kvanteteori, herunder kvantemekanik, atomfysik, kernefysik, partikelfysik og fysik af kondenseret stof samt de mere moderne områder almen og speciel relativitetsteori, men de to sidstnævnte områder betragtes ofte som områder inden for klassisk fysik, da de ikke er baseret på kvanteteori. Selv om denne forskel kan findes i ældre skrifter, er den af ringe ny interesse, da kvanteeffekter nu forstås at være af betydning selv inden for områder, der tidligere blev kaldt klassiske.

Metoder inden for fysik

Der er mange måder at studere fysik på, og der er mange forskellige former for aktiviteter inden for fysik. De to hovedtyper af aktiviteter er indsamling af data og udvikling af teorier.

Nogle delområder inden for fysik kan studeres ved hjælp af eksperimenter. F.eks. opfandt Galileo Galilei kinematikken ved at lave eksperimenter og studere dataene. Eksperimentel fysik fokuserer hovedsagelig på en empirisk tilgang. Nogle eksperimenter udføres for at udforske naturen, og andre eksperimenter udføres for at fremskaffe data, der kan sammenlignes med teoriernes forudsigelser.

Nogle andre områder inden for fysik som f.eks. astrofysik og geofysik er hovedsagelig observationsvidenskab, fordi de fleste af deres data skal indsamles passivt i stedet for gennem eksperimenter. Galileo kunne f.eks. kun se på Jupiter og opdage, at den har måner. I observationsprogrammer inden for disse områder anvendes imidlertid mange af de samme værktøjer og teknologier som inden for de eksperimentelle underområder af fysikken.

I den teoretiske fysik anvendes ofte kvantitative metoder til at udvikle de teorier, der skal forklare dataene. På denne måde bruger teoretiske fysikere ofte værktøjer fra matematikken. Teoretisk fysik kan ofte bestå i at skabe kvantitative forudsigelser af fysiske teorier og sammenligne disse forudsigelser kvantitativt med data. Teoretisk fysik skaber undertiden modeller af fysiske systemer, før der foreligger data til at teste og understøtte disse modeller.

Disse to hovedaktiviteter inden for fysik, dataindsamling, teoriproduktion og afprøvning, kræver mange forskellige færdigheder. Dette har ført til en stor specialisering inden for fysik og til indførelse, udvikling og brug af værktøjer fra andre områder. F.eks. bruger teoretiske fysikere matematik og numerisk analyse og statistik og sandsynlighed samt computersoftware i deres arbejde. Eksperimentalfysikere udvikler instrumenter og teknikker til indsamling af data ved hjælp af ingeniør- og computerteknologi og mange andre teknologiske områder. Ofte er redskaberne fra disse andre områder ikke helt egnede til fysikkens behov og skal ændres, eller der skal laves mere avancerede versioner.

Det sker ofte, at ny fysik bliver opdaget, hvis eksperimentalfysikere udfører et eksperiment, som de nuværende teorier ikke kan forklare, eller at teoretiske fysikere skaber teorier, som derefter kan testes af eksperimentalfysikere.

Eksperimentel fysik, ingeniørvidenskab og teknologi er beslægtede. Eksperimenter kræver ofte specialiserede værktøjer som partikelacceleratorer og lasere, og vigtige industrielle anvendelser som transistorer og magnetisk resonansafbildning er kommet fra anvendt forskning.

Fremtrædende fysikere

• Det amerikanske fysiske selskab
• Astronomi
• Energi
• Matter
• Tid