Physik
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KategorieDie Physik ist die Naturwissenschaft, die sich mit der Materie, ihren grundlegenden Bestandteilen, ihrer Bewegung und ihrem Verhalten in Raum und Zeit sowie den damit verbundenen Entitäten Energie und Kraft befasst. Die Physik ist eine der grundlegendsten wissenschaftlichen Disziplinen, deren Hauptziel es ist zu verstehen, wie sich das Universum verhält. Ein Wissenschaftler, der sich auf das Gebiet der Physik spezialisiert hat, wird Physiker genannt. ⓘ
Die Physik ist eine der ältesten akademischen Disziplinen und durch die Einbeziehung der Astronomie vielleicht sogar die älteste. Über weite Strecken der letzten zwei Jahrtausende waren Physik, Chemie, Biologie und bestimmte Zweige der Mathematik Teil der Naturphilosophie, aber während der wissenschaftlichen Revolution im 17. Die Physik überschneidet sich mit vielen interdisziplinären Forschungsbereichen, wie der Biophysik und der Quantenchemie, und die Grenzen der Physik sind nicht starr definiert. Neue Ideen in der Physik erklären oft die grundlegenden Mechanismen, die von anderen Wissenschaften untersucht werden, und zeigen neue Wege der Forschung in diesen und anderen akademischen Disziplinen wie Mathematik und Philosophie auf. ⓘ
Fortschritte in der Physik ermöglichen oft Fortschritte in neuen Technologien. So führten beispielsweise Fortschritte im Verständnis des Elektromagnetismus, der Festkörperphysik und der Kernphysik direkt zur Entwicklung neuer Produkte, die die moderne Gesellschaft grundlegend verändert haben, wie z. B. Fernseher, Computer, Haushaltsgeräte und Kernwaffen; Fortschritte in der Thermodynamik führten zur Entwicklung der Industrialisierung; und Fortschritte in der Mechanik inspirierten die Entwicklung der Infinitesimalrechnung. ⓘ
Erklären bedeutet hier einordnen, vergleichen, allgemeineren Erscheinungen zuordnen oder aus allgemeiner gültigen Naturgesetzen folgern. Dazu ist häufig die Bildung neuer geeigneter Begriffe nötig, teilweise auch solcher, die der unmittelbaren Anschauung nicht mehr zugänglich sind. Erklärungen in dem philosophischen Sinn, „warum“ die Natur sich so verhält, kann die Physik nicht leisten. Stattdessen setzt sie sich mit dem „wie“ auseinander. Zum Beispiel kann sie nicht erklären, warum Massen einander anziehen. Dieses Verhalten kann lediglich mit verschiedenen Modellen beschrieben werden. Newton tat dies, indem er annahm, dass zwischen Körpern eine Anziehungskraft herrscht. Eine ganz andere Vorstellung hatte Einstein, der die Gravitation damit erklärte, dass Materie die Raumzeit krümmt. ⓘ
Die Arbeitsweise der Physik besteht in einem Zusammenwirken experimenteller Methoden und theoretischer Modellbildung. Physikalische Theorien bewähren sich in der Anwendung auf Systeme der Natur, indem sie bei Kenntnis von deren Anfangszuständen Vorhersagen über spätere Zustände erlauben. Erkenntnisfortschritte ergeben sich durch das Wechselspiel von Beobachtung oder Experiment mit der Theorie. Eine neue oder weiterentwickelte Theorie kann bekannte Ergebnisse besser oder überhaupt erstmals erklären und darüber hinaus neue Experimente und Beobachtungen anregen, deren Ergebnisse dann die Theorie bestätigen oder ihr widersprechen. Unerwartete Beobachtungs- oder Versuchsergebnisse geben Anlass zur Theorieentwicklung in verschiedener Gestalt, von schrittweiser Verbesserung bis hin zur völligen Aufgabe einer lange Zeit akzeptierten Theorie. ⓘ
Erkenntnisse und Modelle der Physik werden intensiv in der Chemie, Geologie, Biologie, Medizin und den Ingenieurwissenschaften genutzt. ⓘ
Geschichte
Das Wort "Physik" stammt aus dem Altgriechischen: φυσική (ἐπιστήμη), umgangssprachlich: physikḗ (epistḗmē), was so viel bedeutet wie "Kenntnis der Natur". ⓘ
Antike Astronomie
Die Astronomie ist eine der ältesten Naturwissenschaften. Frühe Zivilisationen, die auf die Zeit vor 3000 v. Chr. zurückgehen, wie die Sumerer, die alten Ägypter und die Indus-Tal-Zivilisation, verfügten über ein Vorhersagewissen und ein grundlegendes Bewusstsein für die Bewegungen von Sonne, Mond und Sternen. Die Sterne und Planeten, die als Götter angesehen wurden, wurden oft verehrt. Obwohl die Erklärungen für die beobachteten Positionen der Sterne oft unwissenschaftlich waren und es ihnen an Beweisen mangelte, legten diese frühen Beobachtungen den Grundstein für die spätere Astronomie, da man feststellte, dass die Sterne große Kreise über den Himmel zogen, was jedoch die Positionen der Planeten nicht erklärte. ⓘ
Asger Aaboe zufolge liegen die Ursprünge der westlichen Astronomie in Mesopotamien, und alle westlichen Bemühungen um exakte Wissenschaften gehen auf die spätbabylonische Astronomie zurück. Ägyptische Astronomen hinterließen Denkmäler, die die Kenntnis der Sternbilder und der Bewegungen der Himmelskörper belegen, während der griechische Dichter Homer in seiner Ilias und Odyssee über verschiedene Himmelsobjekte schrieb; spätere griechische Astronomen gaben den meisten von der nördlichen Hemisphäre aus sichtbaren Sternbildern Namen, die noch heute verwendet werden. ⓘ
Naturphilosophie
Die Naturphilosophie hat ihre Ursprünge in Griechenland während der archaischen Periode (650 v. Chr. - 480 v. Chr.), als vorsokratische Philosophen wie Thales nichtnaturalistische Erklärungen für Naturphänomene ablehnten und verkündeten, dass jedes Ereignis eine natürliche Ursache habe. Sie schlugen Ideen vor, die durch Vernunft und Beobachtung verifiziert wurden, und viele ihrer Hypothesen erwiesen sich in Experimenten als erfolgreich. So erwies sich beispielsweise der Atomismus rund 2000 Jahre, nachdem er von Leucippus und seinem Schüler Demokrit vorgeschlagen worden war, als richtig. ⓘ
Mittelalterliches Europa und Islam
Der Untergang des Weströmischen Reiches im fünften Jahrhundert führte zu einem Rückgang der intellektuellen Aktivitäten im westlichen Teil Europas. Im Gegensatz dazu widerstand das Oströmische Reich (auch als Byzantinisches Reich bekannt) den Angriffen der Barbaren und entwickelte verschiedene Wissensgebiete weiter, darunter die Physik. ⓘ
Im sechsten Jahrhundert erstellte Isidor von Milet eine wichtige Zusammenstellung von Archimedes' Werken, die im Archimedes-Palimpsest kopiert wurden. ⓘ
Im Europa des sechsten Jahrhunderts stellte Johannes Philoponus, ein byzantinischer Gelehrter, Aristoteles' Lehre der Physik in Frage und wies auf ihre Mängel hin. Er führte die Theorie des Impulses ein. Im Gegensatz zu Aristoteles, der seine Physik auf verbale Argumente stützte, stützte sich Philoponus auf Beobachtungen. Über Aristoteles' Physik schrieb Philoponus:
Aber das ist völlig falsch, und unsere Ansicht kann durch tatsächliche Beobachtung wirksamer bestätigt werden als durch irgendeine Art von verbalem Argument. Denn wenn man zwei Gewichte, von denen das eine um ein Vielfaches schwerer ist als das andere, aus gleicher Höhe fallen lässt, so wird man sehen, dass das Verhältnis der für die Bewegung erforderlichen Zeiten nicht vom Verhältnis der Gewichte abhängt, sondern dass der Zeitunterschied ein sehr kleiner ist. Wenn also der Unterschied zwischen den Gewichten nicht beträchtlich ist, d.h. wenn das eine, sagen wir, doppelt so schwer ist wie das andere, wird es keinen oder einen unmerklichen Unterschied in der Zeit geben, obwohl der Gewichtsunterschied keineswegs vernachlässigbar ist, wenn der eine Körper doppelt so viel wiegt wie der andere
Philoponus' Kritik an den aristotelischen Prinzipien der Physik diente Galileo Galilei zehn Jahrhunderte später, während der wissenschaftlichen Revolution, als Inspiration. Galilei zitierte Philoponus in seinen Werken ausführlich, als er argumentierte, dass die aristotelische Physik fehlerhaft sei. Um 1300 entwickelte Jean Buridan, ein Lehrer an der Philosophischen Fakultät der Universität Paris, das Konzept des Impetus. Dies war ein Schritt in Richtung der modernen Vorstellungen von Trägheit und Impuls. ⓘ
Die islamische Gelehrsamkeit übernahm die aristotelische Physik von den Griechen und entwickelte sie während des islamischen Goldenen Zeitalters weiter, wobei sie den Schwerpunkt auf Beobachtung und apriorische Schlussfolgerungen legte und frühe Formen der wissenschaftlichen Methode entwickelte. ⓘ
Die bemerkenswertesten Innovationen gab es im Bereich der Optik und des Sehens, die auf die Arbeiten vieler Wissenschaftler wie Ibn Sahl, Al-Kindi, Ibn al-Haytham, Al-Farisi und Avicenna zurückgehen. Das bedeutendste Werk war das Buch der Optik (auch bekannt als Kitāb al-Manāẓir) von Ibn al-Haytham, in dem er die antike griechische Vorstellung vom Sehen endgültig widerlegte, aber auch eine neue Theorie aufstellte. In diesem Buch stellte er eine Studie über das Phänomen der Camera obscura (seine tausend Jahre alte Version der Lochkamera) vor und ging der Funktionsweise des Auges selbst auf den Grund. Anhand von Präparaten und dem Wissen früherer Gelehrter konnte er erklären, wie das Licht in das Auge eintritt. Er stellte fest, dass der Lichtstrahl gebündelt wird, aber die eigentliche Erklärung, wie das Licht auf die Rückseite des Auges projiziert wird, musste bis 1604 warten. In seiner Abhandlung über das Licht erklärte er die Camera obscura, Hunderte von Jahren vor der modernen Entwicklung der Fotografie. ⓘ
Das siebenbändige Buch der Optik (Kitab al-Manathir) beeinflusste das Denken in allen Disziplinen, von der Theorie der visuellen Wahrnehmung bis hin zum Wesen der Perspektive in der mittelalterlichen Kunst, sowohl im Osten als auch im Westen, mehr als 600 Jahre lang enorm. Viele spätere europäische Gelehrte und Universalgelehrte, von Robert Grosseteste und Leonardo da Vinci bis René Descartes, Johannes Kepler und Isaac Newton, standen in seiner Schuld. In der Tat ist der Einfluss von Ibn al-Haythams Optik gleichrangig mit dem von Newtons gleichnamigem Werk, das 700 Jahre später veröffentlicht wurde. ⓘ
Die Übersetzung von The Book of Optics hatte einen enormen Einfluss auf Europa. Spätere europäische Gelehrte waren in der Lage, Geräte zu bauen, die denen von Ibn al-Haytham nachempfunden waren, und zu verstehen, wie Licht funktioniert. Auf dieser Grundlage wurden wichtige Erfindungen wie Brillen, Lupen, Fernrohre und Kameras entwickelt. ⓘ
Klassisch
Die Physik wurde zu einer eigenständigen Wissenschaft, als die Europäer der frühen Neuzeit experimentelle und quantitative Methoden anwandten, um die Gesetze der Physik zu entdecken, die heute als solche gelten. ⓘ
Zu den wichtigsten Entwicklungen in dieser Zeit gehören die Ablösung des geozentrischen Modells des Sonnensystems durch das heliozentrische kopernikanische Modell, die Gesetze für die Bewegung der Planeten (die von Kepler zwischen 1609 und 1619 aufgestellt wurden), Galileis Pionierarbeit im Bereich der Teleskope und der beobachtenden Astronomie im 16. und 17. Jahrhundert sowie Newtons Entdeckung und Vereinheitlichung der Gesetze der Bewegung und der universellen Gravitation (die später seinen Namen tragen sollten). Newton entwickelte auch die Infinitesimalrechnung, die mathematische Untersuchung von Veränderungen, die neue mathematische Methoden zur Lösung physikalischer Probleme lieferte. ⓘ
Die Entdeckung neuer Gesetze in der Thermodynamik, der Chemie und der Elektromagnetik war das Ergebnis größerer Forschungsanstrengungen während der industriellen Revolution, als der Energiebedarf stieg. Die Gesetze der klassischen Physik werden nach wie vor häufig für Objekte in alltäglichen Größenordnungen verwendet, die sich mit nichtrelativistischen Geschwindigkeiten fortbewegen, da sie in solchen Situationen eine sehr gute Annäherung bieten, und Theorien wie die Quantenmechanik und die Relativitätstheorie vereinfachen sich in solchen Größenordnungen auf ihre klassischen Entsprechungen. Die Ungenauigkeiten der klassischen Mechanik für sehr kleine Objekte und sehr hohe Geschwindigkeiten führten jedoch zur Entwicklung der modernen Physik im 20. ⓘ
Moderne
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Die moderne Physik begann zu Beginn des 20. Jahrhunderts mit den Arbeiten von Max Planck zur Quantentheorie und Albert Einsteins Relativitätstheorie. Diese beiden Theorien entstanden aufgrund von Ungenauigkeiten der klassischen Mechanik in bestimmten Situationen. Die klassische Mechanik sagte eine sich ändernde Lichtgeschwindigkeit voraus, die sich nicht mit der konstanten Geschwindigkeit vereinbaren ließ, die von den Maxwellschen Gleichungen des Elektromagnetismus vorhergesagt wurde; diese Diskrepanz wurde durch Einsteins spezielle Relativitätstheorie korrigiert, die die klassische Mechanik für sich schnell bewegende Körper ersetzte und eine konstante Lichtgeschwindigkeit zuließ. Die Schwarzkörperstrahlung stellte ein weiteres Problem für die klassische Physik dar, das behoben wurde, als Planck vorschlug, dass die Anregung materieller Oszillatoren nur in diskreten, zu ihrer Frequenz proportionalen Schritten möglich ist; zusammen mit dem photoelektrischen Effekt und einer vollständigen Theorie, die diskrete Energieniveaus von Elektronenorbitalen vorhersagt, führte dies dazu, dass die Theorie der Quantenmechanik die klassische Physik auf sehr kleinen Skalen ablöste. ⓘ
Die Quantenmechanik wurde von Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger und Paul Dirac entwickelt. Aus diesen frühen Arbeiten und Arbeiten in verwandten Bereichen wurde das Standardmodell der Teilchenphysik abgeleitet. Nach der Entdeckung eines Teilchens mit Eigenschaften, die mit dem Higgs-Boson übereinstimmen, am CERN im Jahr 2012 scheinen alle vom Standardmodell vorhergesagten Elementarteilchen und keine weiteren zu existieren; die Physik jenseits des Standardmodells mit Theorien wie der Supersymmetrie ist jedoch ein aktives Forschungsgebiet. Bereiche der Mathematik im Allgemeinen sind für diesen Bereich wichtig, wie die Untersuchung von Wahrscheinlichkeiten und Gruppen. ⓘ
Philosophie
In vielerlei Hinsicht hat die Physik ihren Ursprung in der antiken griechischen Philosophie. Von Thales' erstem Versuch, die Materie zu charakterisieren, über Demokrits Schlussfolgerung, dass sich die Materie auf einen unveränderlichen Zustand reduzieren sollte, die ptolemäische Astronomie eines kristallinen Himmels und Aristoteles' Buch Physik (ein frühes Buch über Physik, in dem versucht wurde, Bewegung von einem philosophischen Standpunkt aus zu analysieren und zu definieren) entwickelten verschiedene griechische Philosophen ihre eigenen Theorien über die Natur. Die Physik war bis zum späten 18. Jahrhundert als Naturphilosophie bekannt. ⓘ
Im 19. Jahrhundert wurde die Physik als eine von der Philosophie und den anderen Wissenschaften getrennte Disziplin anerkannt. Wie die übrigen Wissenschaften stützt sich auch die Physik auf die Wissenschaftstheorie und ihre "wissenschaftliche Methode", um unser Wissen über die physikalische Welt zu erweitern. Bei der wissenschaftlichen Methode werden sowohl a priori als auch a posteriori Überlegungen angestellt und Bayes'sche Schlüsse gezogen, um die Gültigkeit einer bestimmten Theorie zu messen. ⓘ
Die Entwicklung der Physik hat viele Fragen der frühen Philosophen beantwortet, aber auch neue Fragen aufgeworfen. Das Studium der philosophischen Fragen rund um die Physik, die Philosophie der Physik, umfasst Themen wie die Natur von Raum und Zeit, Determinismus und metaphysische Anschauungen wie Empirismus, Naturalismus und Realismus. ⓘ
Viele Physiker haben über die philosophischen Implikationen ihrer Arbeit geschrieben, z. B. Laplace, der den kausalen Determinismus vertrat, und Schrödinger, der über die Quantenmechanik schrieb. Der mathematische Physiker Roger Penrose wurde von Stephen Hawking als Platoniker bezeichnet, eine Ansicht, die Penrose in seinem Buch The Road to Reality diskutiert. Hawking bezeichnete sich selbst als "unverschämten Reduktionisten" und widersprach Penroses Ansichten. ⓘ
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. ⓘ
Zentrale Theorien
Obwohl sich die Physik mit einer großen Vielfalt von Systemen befasst, werden bestimmte Theorien von allen Physikern verwendet. Jede dieser Theorien wurde zahlreiche Male experimentell getestet und als angemessene Annäherung an die Natur befunden. Die Theorie der klassischen Mechanik beispielsweise beschreibt die Bewegung von Objekten genau, vorausgesetzt, sie sind viel größer als Atome und bewegen sich mit viel weniger als der Lichtgeschwindigkeit. Diese Theorien sind auch heute noch Gegenstand aktiver Forschung. Die Chaostheorie, ein bemerkenswerter Aspekt der klassischen Mechanik, wurde im 20. Jahrhundert entdeckt, drei Jahrhunderte nach der ursprünglichen Formulierung der klassischen Mechanik durch Newton (1642-1727). ⓘ
Diese zentralen Theorien sind wichtige Hilfsmittel für die Erforschung speziellerer Themen, und von jedem Physiker, unabhängig von seiner Spezialisierung, wird erwartet, dass er sich mit ihnen auskennt. Dazu gehören klassische Mechanik, Quantenmechanik, Thermodynamik und statistische Mechanik, Elektromagnetismus und spezielle Relativitätstheorie. ⓘ
Etwa gleichzeitig mit der Elektrodynamik entwickelte sich mit der Thermodynamik ein weiterer Theorienkomplex, der sich grundlegend von der klassischen Mechanik unterscheidet. Im Gegensatz zur klassischen Mechanik stehen in der Thermodynamik nicht einzelne Körper im Vordergrund, sondern ein Ensemble aus vielen kleinsten Bausteinen, was zu einem radikal anderen Formalismus führt. Die Thermodynamik eignet sich damit zur Behandlung von Medien aller Aggregatzustände. Die Quantentheorie und die Relativitätstheorie lassen sich in den Formalismus der Thermodynamik einbetten, da sie nur die Dynamik der Bausteine des Ensembles betreffen, aber den Formalismus zur Beschreibung thermodynamischer Systeme nicht prinzipiell ändern. ⓘ
Die Thermodynamik eignet sich beispielsweise zur Beschreibung von Wärmekraftmaschinen aber auch zur Erklärung vieler moderner Forschungsgegenstände wie Supraleitung oder Suprafluidität. Besonders im Bereich der Festkörperphysik wird daher auch heute (2009) noch viel mit den Methoden der Thermodynamik gearbeitet. ⓘ
Klassisch
Die klassische Physik umfasst die traditionellen Zweige und Themen, die vor Beginn des 20. Jahrhunderts anerkannt und gut entwickelt waren: klassische Mechanik, Akustik, Optik, Thermodynamik und Elektromagnetismus. Die klassische Mechanik befasst sich mit Körpern, auf die Kräfte einwirken, und mit Körpern in Bewegung und lässt sich in Statik (Untersuchung der Kräfte, die auf einen oder mehrere Körper einwirken, die keiner Beschleunigung unterliegen), Kinematik (Untersuchung der Bewegung ohne Berücksichtigung ihrer Ursachen) und Dynamik (Untersuchung der Bewegung und der sie beeinflussenden Kräfte) unterteilen; die Mechanik lässt sich auch in Festkörpermechanik und Strömungsmechanik (zusammen als Kontinuumsmechanik bekannt) unterteilen, wobei letztere Bereiche wie Hydrostatik, Hydrodynamik, Aerodynamik und Pneumatik umfasst. Die Akustik befasst sich mit der Erzeugung, Kontrolle, Übertragung und dem Empfang von Schall. Wichtige moderne Zweige der Akustik sind die Ultraschalltechnik, die Untersuchung von Schallwellen mit sehr hohen Frequenzen, die über den Bereich des menschlichen Gehörs hinausgehen, die Bioakustik, die Physik der Tierlaute und des Gehörs, und die Elektroakustik, die Manipulation hörbarer Schallwellen mit Hilfe der Elektronik. ⓘ
Die Optik, die Lehre vom Licht, befasst sich nicht nur mit dem sichtbaren Licht, sondern auch mit infraroter und ultravioletter Strahlung, die mit Ausnahme der Sichtbarkeit alle Phänomene des sichtbaren Lichts aufweisen, z. B. Reflexion, Brechung, Interferenz, Beugung, Streuung und Polarisation des Lichts. Wärme ist eine Form von Energie, die innere Energie der Teilchen, aus denen ein Stoff besteht; die Thermodynamik befasst sich mit den Beziehungen zwischen Wärme und anderen Energieformen. Elektrizität und Magnetismus werden seit der Entdeckung des engen Zusammenhangs zwischen ihnen im frühen 19. Jahrhundert als ein einziger Zweig der Physik untersucht; ein elektrischer Strom erzeugt ein Magnetfeld, und ein sich änderndes Magnetfeld induziert einen elektrischen Strom. Die Elektrostatik befasst sich mit ruhenden elektrischen Ladungen, die Elektrodynamik mit bewegten Ladungen und die Magnetostatik mit ruhenden Magnetpolen. ⓘ
Moderne
| Moderne Physik ⓘ |
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Die klassische Physik befasst sich im Allgemeinen mit Materie und Energie im normalen Beobachtungsmaßstab, während sich ein Großteil der modernen Physik mit dem Verhalten von Materie und Energie unter extremen Bedingungen oder in einem sehr großen oder sehr kleinen Maßstab beschäftigt. Die Atom- und Kernphysik zum Beispiel untersucht die Materie auf der kleinsten Skala, auf der chemische Elemente identifiziert werden können. Die Physik der Elementarteilchen befindet sich auf einer noch kleineren Skala, da sie sich mit den grundlegendsten Einheiten der Materie befasst; dieser Zweig der Physik ist auch als Hochenergiephysik bekannt, da extrem hohe Energien erforderlich sind, um viele Arten von Teilchen in Teilchenbeschleunigern zu erzeugen. In dieser Größenordnung sind die gewöhnlichen Vorstellungen von Raum, Zeit, Materie und Energie nicht mehr gültig. ⓘ
Die beiden wichtigsten Theorien der modernen Physik vermitteln ein anderes Bild von den Begriffen Raum, Zeit und Materie als die klassische Physik. Die klassische Mechanik geht von einer kontinuierlichen Natur aus, während sich die Quantentheorie mit der diskreten Natur vieler Phänomene auf atomarer und subatomarer Ebene und mit den komplementären Aspekten von Teilchen und Wellen bei der Beschreibung solcher Phänomene beschäftigt. Die Relativitätstheorie befasst sich mit der Beschreibung von Phänomenen, die sich in einem Bezugssystem abspielen, das in Bezug auf einen Beobachter in Bewegung ist; die spezielle Relativitätstheorie befasst sich mit der Bewegung in Abwesenheit von Gravitationsfeldern und die allgemeine Relativitätstheorie mit der Bewegung und ihrer Verbindung zur Gravitation. Sowohl die Quantentheorie als auch die Relativitätstheorie finden in allen Bereichen der modernen Physik Anwendung. ⓘ
Grundlegende Konzepte in der modernen Physik
- Kausalität
- Kovarianz
- Wirkung
- Physikalisches Feld
- Symmetrie
- Physikalische Wechselwirkung
- Statistisches Ensemble
- Quanten
- Welle
- Teilchen ⓘ
Differenz
Während die Physik darauf abzielt, universelle Gesetze zu entdecken, sind ihre Theorien in bestimmten Bereichen anwendbar. ⓘ
Grob gesagt, beschreiben die Gesetze der klassischen Physik Systeme, deren wichtige Längenskalen größer sind als die atomare Skala und deren Bewegungen viel langsamer sind als die Lichtgeschwindigkeit, genau. Außerhalb dieses Bereichs stimmen die Beobachtungen nicht mit den Vorhersagen der klassischen Mechanik überein. Einstein lieferte den Rahmen für die spezielle Relativitätstheorie, die die Begriffe der absoluten Zeit und des absoluten Raums durch die Raumzeit ersetzte und eine genaue Beschreibung von Systemen ermöglichte, deren Komponenten Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit haben. Planck, Schrödinger und andere führten die Quantenmechanik ein, ein probabilistisches Konzept von Teilchen und Wechselwirkungen, das eine genaue Beschreibung atomarer und subatomarer Größenordnungen ermöglichte. Später vereinigte die Quantenfeldtheorie die Quantenmechanik und die spezielle Relativitätstheorie. Die allgemeine Relativitätstheorie ermöglichte eine dynamische, gekrümmte Raumzeit, mit der sehr massive Systeme und die großräumige Struktur des Universums gut beschrieben werden können. Die allgemeine Relativitätstheorie ist noch nicht mit den anderen fundamentalen Beschreibungen vereinheitlicht worden; mehrere Theorien der Quantengravitation werden derzeit entwickelt. ⓘ
Beziehung zu anderen Bereichen
Voraussetzungen
Die Mathematik bietet eine kompakte und exakte Sprache, um die Ordnung in der Natur zu beschreiben. Dies wurde von Pythagoras, Platon, Galileo und Newton festgestellt und befürwortet. ⓘ
Die Physik nutzt die Mathematik, um experimentelle Ergebnisse zu ordnen und zu formulieren. Aus diesen Ergebnissen werden präzise oder geschätzte Lösungen bzw. quantitative Ergebnisse gewonnen, auf deren Grundlage neue Vorhersagen gemacht und experimentell bestätigt oder verneint werden können. Die Ergebnisse von physikalischen Experimenten sind numerische Daten mit ihren Maßeinheiten und Schätzungen der Messfehler. Technologien, die auf der Mathematik basieren, wie z. B. das Rechnen, haben die rechnergestützte Physik zu einem aktiven Forschungsgebiet gemacht. ⓘ
Ontologie ist eine Voraussetzung für die Physik, aber nicht für die Mathematik. Das bedeutet, dass es in der Physik letztlich um Beschreibungen der realen Welt geht, während es in der Mathematik um abstrakte Muster geht, auch jenseits der realen Welt. Daher sind physikalische Aussagen synthetisch, während mathematische Aussagen analytisch sind. Die Mathematik enthält Hypothesen, während die Physik Theorien enthält. Mathematische Aussagen müssen nur logisch wahr sein, während die Vorhersagen der physikalischen Aussagen mit den beobachteten und experimentellen Daten übereinstimmen müssen. ⓘ
Die Unterscheidung ist klar, aber nicht immer offensichtlich. Die mathematische Physik zum Beispiel ist die Anwendung der Mathematik in der Physik. Ihre Methoden sind mathematisch, aber ihr Gegenstand ist physikalisch. Die Probleme in diesem Bereich beginnen mit einem "mathematischen Modell einer physikalischen Situation" (System) und einer "mathematischen Beschreibung eines physikalischen Gesetzes", das auf dieses System angewendet werden soll. Jede mathematische Aussage, die zur Lösung verwendet wird, hat eine schwer zu findende physikalische Bedeutung. Die endgültige mathematische Lösung hat eine leichter zu findende Bedeutung, weil sie das ist, wonach der Löser sucht. ⓘ
Die reine Physik ist ein Zweig der Grundlagenwissenschaft (auch Basiswissenschaft genannt). Die Physik wird auch als "die fundamentale Wissenschaft" bezeichnet, weil alle Zweige der Naturwissenschaften wie Chemie, Astronomie, Geologie und Biologie durch physikalische Gesetze eingeschränkt werden. In ähnlicher Weise wird die Chemie oft als zentrale Wissenschaft bezeichnet, da sie als Bindeglied zwischen den physikalischen Wissenschaften fungiert. So untersucht die Chemie beispielsweise die Eigenschaften, Strukturen und Reaktionen der Materie (die Konzentration der Chemie auf die molekulare und atomare Ebene unterscheidet sie von der Physik). Strukturen entstehen, weil Teilchen elektrische Kräfte aufeinander ausüben, Eigenschaften umfassen physikalische Merkmale bestimmter Stoffe, und Reaktionen unterliegen physikalischen Gesetzen, wie der Erhaltung von Energie, Masse und Ladung. Die Physik wird in Bereichen wie Technik und Medizin angewandt. ⓘ
Anwendung und Einfluss
Angewandte Physik ist ein allgemeiner Begriff für physikalische Forschung, die für einen bestimmten Zweck bestimmt ist. Ein Lehrplan für angewandte Physik enthält in der Regel einige Kurse in einer angewandten Disziplin, wie Geologie oder Elektrotechnik. Der Unterschied zum Ingenieurwesen besteht darin, dass ein angewandter Physiker nicht unbedingt etwas Bestimmtes entwirft, sondern die Physik einsetzt oder physikalische Forschung betreibt, um neue Technologien zu entwickeln oder ein Problem zu lösen. ⓘ
Der Ansatz ist dem der angewandten Mathematik ähnlich. Angewandte Physiker nutzen die Physik in der wissenschaftlichen Forschung. Wer sich beispielsweise mit Beschleunigerphysik beschäftigt, kann versuchen, bessere Teilchendetektoren für die Forschung in der theoretischen Physik zu bauen. ⓘ
Die Physik wird in hohem Maße im Ingenieurwesen eingesetzt. So wird beispielsweise die Statik, ein Teilgebiet der Mechanik, beim Bau von Brücken und anderen statischen Strukturen eingesetzt. Das Verständnis und die Anwendung der Akustik führen zu einer besseren Klangkontrolle und zu besseren Konzertsälen; in ähnlicher Weise führt die Anwendung der Optik zu besseren optischen Geräten. Das Verständnis der Physik sorgt für realistischere Flugsimulatoren, Videospiele und Filme und ist bei forensischen Untersuchungen oft entscheidend. ⓘ
Da man sich einig ist, dass die physikalischen Gesetze universell sind und sich mit der Zeit nicht ändern, kann man mit Hilfe der Physik Dinge untersuchen, die normalerweise mit Unsicherheit behaftet sind. Bei der Erforschung der Entstehung der Erde kann man beispielsweise Masse, Temperatur und Rotationsgeschwindigkeit der Erde als Funktion der Zeit modellieren, so dass man zeitlich vorwärts oder rückwärts extrapolieren und so zukünftige oder frühere Ereignisse vorhersagen kann. Sie ermöglicht auch Simulationen in der Technik, die die Entwicklung einer neuen Technologie drastisch beschleunigen. ⓘ
Aber es gibt auch eine beträchtliche Interdisziplinarität, so dass viele andere wichtige Bereiche von der Physik beeinflusst werden (z. B. die Bereiche der Wirtschafts- und der Soziophysik). ⓘ
Forschung
Wissenschaftliche Methode
Physiker verwenden die wissenschaftliche Methode, um die Gültigkeit einer physikalischen Theorie zu prüfen. Durch die Anwendung eines methodischen Ansatzes zum Vergleich der Implikationen einer Theorie mit den Schlussfolgerungen aus den zugehörigen Experimenten und Beobachtungen sind Physiker besser in der Lage, die Gültigkeit einer Theorie auf logische, unvoreingenommene und wiederholbare Weise zu prüfen. Zu diesem Zweck werden Experimente durchgeführt und Beobachtungen gemacht, um die Gültigkeit oder Ungültigkeit der Theorie zu bestimmen. ⓘ
Ein wissenschaftliches Gesetz ist eine prägnante verbale oder mathematische Aussage über eine Beziehung, die ein grundlegendes Prinzip einer Theorie ausdrückt, wie z. B. Newtons Gesetz der universellen Gravitation. ⓘ
Theorie und Experiment
Theoretiker versuchen, mathematische Modelle zu entwickeln, die sowohl mit bestehenden Experimenten übereinstimmen als auch zukünftige experimentelle Ergebnisse erfolgreich vorhersagen, während Experimentatoren Experimente entwickeln und durchführen, um theoretische Vorhersagen zu testen und neue Phänomene zu erforschen. Obwohl Theorie und Experiment getrennt voneinander entwickelt werden, beeinflussen sie sich gegenseitig und sind voneinander abhängig. Fortschritte in der Physik entstehen häufig dann, wenn experimentelle Ergebnisse nicht durch bestehende Theorien erklärt werden können, so dass man sich intensiv mit anwendbaren Modellen befasst, und wenn neue Theorien experimentell überprüfbare Vorhersagen liefern, die die Entwicklung neuer Experimente (und oft auch der entsprechenden Ausrüstung) anregen. ⓘ
Physiker, die sich mit dem Zusammenspiel von Theorie und Experiment befassen, werden als Phänomenologen bezeichnet, die komplexe, im Experiment beobachtete Phänomene untersuchen und sie mit einer grundlegenden Theorie in Verbindung bringen. ⓘ
Die theoretische Physik hat sich in der Vergangenheit von der Philosophie inspirieren lassen; der Elektromagnetismus wurde auf diese Weise vereinheitlicht. Über das bekannte Universum hinaus beschäftigt sich die theoretische Physik auch mit hypothetischen Fragen wie Paralleluniversen, einem Multiversum und höheren Dimensionen. Theoretiker greifen diese Ideen auf, in der Hoffnung, bestimmte Probleme mit bestehenden Theorien zu lösen; sie erforschen dann die Konsequenzen dieser Ideen und arbeiten daran, überprüfbare Vorhersagen zu treffen. ⓘ
Die Experimentalphysik erweitert die Bereiche Technik und Technologie und wird von diesen erweitert. Experimentalphysiker, die in der Grundlagenforschung tätig sind, entwerfen und führen Experimente mit Geräten wie Teilchenbeschleunigern und Lasern durch, während diejenigen, die in der angewandten Forschung tätig sind, oft in der Industrie arbeiten und Technologien wie Magnetresonanztomographie (MRT) und Transistoren entwickeln. Feynman stellte fest, dass Experimentalphysiker möglicherweise nach Bereichen suchen, die von Theoretikern noch nicht gut erforscht wurden. ⓘ
Umfang und Ziele
Die Physik deckt ein breites Spektrum von Phänomenen ab, von Elementarteilchen (wie Quarks, Neutrinos und Elektronen) bis hin zu den größten Galaxienhaufen. Zu diesen Phänomenen gehören auch die grundlegendsten Objekte, aus denen sich alle anderen Dinge zusammensetzen. Daher wird die Physik manchmal auch als "Grundlagenwissenschaft" bezeichnet. Ziel der Physik ist es, die verschiedenen Phänomene, die in der Natur vorkommen, in Form von einfacheren Phänomenen zu beschreiben. Die Physik zielt also darauf ab, die für den Menschen beobachtbaren Dinge mit den grundlegenden Ursachen in Verbindung zu bringen und diese Ursachen miteinander zu verknüpfen. ⓘ
So beobachteten beispielsweise die alten Chinesen, dass sich bestimmte Gesteine (lodestone und Magnetit) durch eine unsichtbare Kraft zueinander hingezogen fühlten. Dieser Effekt wurde später Magnetismus genannt und im 17. Jahrhundert erstmals gründlich untersucht. Aber noch bevor die Chinesen den Magnetismus entdeckten, wussten die alten Griechen von anderen Gegenständen wie Bernstein, die, wenn sie an einem Fell gerieben wurden, eine ähnliche unsichtbare Anziehungskraft zwischen den beiden ausübten. Auch dies wurde im 17. Jahrhundert erstmals genau untersucht und als Elektrizität bezeichnet. Auf diese Weise gelang es der Physik, zwei Naturbeobachtungen in Bezug auf eine Ursache (Elektrizität und Magnetismus) zu verstehen. Weitere Arbeiten im 19. Jahrhundert zeigten jedoch, dass es sich bei diesen beiden Kräften nur um zwei verschiedene Aspekte einer einzigen Kraft handelte - des Elektromagnetismus. Dieser Prozess der "Vereinheitlichung" der Kräfte geht heute weiter, und der Elektromagnetismus und die schwache Kernkraft werden heute als zwei Aspekte der elektroschwachen Wechselwirkung betrachtet. Die Physik hofft, einen ultimativen Grund (eine Theorie von allem) dafür zu finden, warum die Natur so ist, wie sie ist (siehe Abschnitt Aktuelle Forschung weiter unten für weitere Informationen). ⓘ
Forschungsgebiete
Die aktuelle Forschung in der Physik lässt sich grob in Kern- und Teilchenphysik, Physik der kondensierten Materie, Atom-, Molekular- und optische Physik, Astrophysik und angewandte Physik unterteilen. Einige Physikfakultäten unterstützen auch die Forschung im Bereich der Physikausbildung und der Öffentlichkeitsarbeit. ⓘ
Seit dem 20. Jahrhundert haben sich die einzelnen Bereiche der Physik zunehmend spezialisiert, und heute arbeiten die meisten Physiker während ihrer gesamten Laufbahn auf einem einzigen Gebiet. "Universalisten" wie Einstein (1879-1955) und Lev Landau (1908-1968), die in mehreren Bereichen der Physik tätig waren, sind heute sehr selten. ⓘ
Die Hauptgebiete der Physik mit ihren Untergebieten und den Theorien und Konzepten, die sie verwenden, sind in der folgenden Tabelle aufgeführt. ⓘ
| Bereich | Teilgebiete | Wichtige Theorien | Konzepte ⓘ |
|---|---|---|---|
| Kern- und Teilchenphysik | Kernphysik, Nukleare Astrophysik, Teilchenphysik, Astroteilchenphysik, Phänomenologie der Teilchenphysik | Standardmodell, Quantenfeldtheorie, Quantenelektrodynamik, Quantenchromodynamik, elektroschwache Theorie, effektive Feldtheorie, Gitterfeldtheorie, Eichtheorie, Supersymmetrie, Grand Unified Theory, Superstringtheorie, M-Theorie, AdS/CFT-Korrespondenz | Grundlegende Wechselwirkung (Gravitation, Elektromagnetismus, schwache, starke Wechselwirkung), Elementarteilchen, Spin, Antimaterie, spontane Symmetriebrechung, Neutrino-Oszillation, Seesaw-Mechanismus, Brane, String, Quantengravitation, Theorie von allem, Vakuumenergie |
| Atomare, molekulare und optische Physik | Atomphysik, Molekularphysik, Atomare und molekulare Astrophysik, Chemische Physik, Optik, Photonik | Quantenoptik, Quantenchemie, Quanteninformationswissenschaft | Photon, Atom, Molekül, Beugung, elektromagnetische Strahlung, Laser, Polarisation (Wellen), Spektrallinie, Casimir-Effekt |
| Physik der kondensierten Materie | Festkörperphysik, Hochdruckphysik, Tieftemperaturphysik, Oberflächenphysik, Nanoskalen- und mesoskopische Physik, Polymerphysik | BCS-Theorie, Bloch-Theorem, Dichtefunktionaltheorie, Fermi-Gas, Fermi-Flüssigkeitstheorie, Vielteilchentheorie, Statistische Mechanik | Phasen (Gas, Flüssigkeit, Festkörper), Bose-Einstein-Kondensat, Elektrische Leitung, Phonon, Magnetismus, Selbstorganisation, Halbleiter, Supraleiter, Suprafluidität, Spin, |
| Astrophysik | Astronomie, Astrometrie, Kosmologie, Gravitationsphysik, Hochenergieastrophysik, Planetenastrophysik, Plasmaphysik, Sonnenphysik, Weltraumphysik, Stellare Astrophysik | Urknall, Kosmische Inflation, Allgemeine Relativitätstheorie, Newtonsches Gesetz der universellen Gravitation, Lambda-CDM-Modell, Magnetohydrodynamik | Schwarzes Loch, Kosmische Hintergrundstrahlung, Kosmischer String, Kosmos, Dunkle Energie, Dunkle Materie, Galaxie, Gravitation, Gravitationsstrahlung, Gravitationssingularität, Planet, Sonnensystem, Stern, Supernova, Universum |
| Angewandte Physik | Beschleunigerphysik, Akustik, Agrophysik, Atmosphärenphysik, Biophysik, Chemische Physik, Kommunikationsphysik, Ingenieurphysik, Fluiddynamik, Geophysik, Laserphysik, Materialphysik, Medizinische Physik, Nanotechnologie, Optik, Optoelektronik, Photonik, Photovoltaik, Physikalische Chemie, Physikalische Ozeanographie, Physik der Berechnung, Plasmaphysik, Festkörperbauelemente, Quantenchemie, Quantenelektronik, Quanteninformatik, Fahrzeugdynamik, Wirtschaftsphysik | ||
Kernkraft und Teilchen
Die Teilchenphysik befasst sich mit den elementaren Bestandteilen von Materie und Energie und den Wechselwirkungen zwischen ihnen. Darüber hinaus entwerfen und entwickeln Teilchenphysiker die für diese Forschung erforderlichen Hochenergiebeschleuniger, Detektoren und Computerprogramme. Das Gebiet wird auch als "Hochenergiephysik" bezeichnet, da viele Elementarteilchen nicht in der Natur vorkommen, sondern nur bei hochenergetischen Kollisionen mit anderen Teilchen entstehen. ⓘ
Derzeit werden die Wechselwirkungen von Elementarteilchen und Feldern durch das Standardmodell beschrieben. Dieses Modell berücksichtigt die 12 bekannten Materieteilchen (Quarks und Leptonen), die über die starken, schwachen und elektromagnetischen Grundkräfte miteinander wechselwirken. Die Dynamik wird in Form von Materieteilchen beschrieben, die Eichbosonen (Gluonen, W- und Z-Bosonen bzw. Photonen) austauschen. Das Standardmodell sagt auch ein Teilchen voraus, das als Higgs-Boson bekannt ist. Im Juli 2012 gab CERN, das europäische Labor für Teilchenphysik, den Nachweis eines Teilchens bekannt, das mit dem Higgs-Boson, einem integralen Bestandteil des Higgs-Mechanismus, übereinstimmt. ⓘ
Die Kernphysik ist das Gebiet der Physik, das sich mit den Bestandteilen und Wechselwirkungen von Atomkernen beschäftigt. Die bekanntesten Anwendungen der Kernphysik sind die Erzeugung von Kernenergie und die Kernwaffentechnologie, aber die Forschung hat in vielen Bereichen Anwendung gefunden, darunter in der Nuklearmedizin und der Magnetresonanztomographie, der Ionenimplantation in der Werkstofftechnik und der Radiokohlenstoffdatierung in der Geologie und Archäologie. ⓘ
Atomare, molekulare und optische
Atome bestehen aus dem Atomkern und meist mehreren Elektronen und stellen die nächste Komplexitätsstufe der Materie dar. Ziel der Atomphysik ist es unter anderem, die Linienspektren der Atome zu erklären, wozu eine genaue quantenmechanische Beschreibung der Wechselwirkungen der Elektronen der Atome notwendig ist. Da Moleküle aus mehreren Atomen aufgebaut sind, arbeitet die Molekülphysik mit ähnlichen Methoden, allerdings stellen insbesondere große Moleküle meist deutlich komplexere Systeme dar, was die Rechnungen sehr viel komplizierter und häufig den Einsatz von Computersimulationen erforderlich macht. ⓘ
Die Atom- und Molekülphysik stehen über die Untersuchung der optischen Spektren von Atomen und Molekülen mit der Optik in enger Beziehung. So baut beispielsweise das Funktionsprinzip des Lasers, einer bedeutenden technischen Entwicklung, maßgeblich auf den Ergebnissen der Atomphysik auf. Da die Molekülphysik sich auch intensiv mit der Theorie der chemischen Bindungen befasst, sind in diesem Themengebiet Überschneidungen mit der Chemie vorhanden. ⓘ
Ein wichtiger experimenteller Zugang besteht in der Einwirkung von Licht. So werden beispielsweise optische Spektren von Atomen und Molekülen mit ihren quantenmechanischen Eigenschaften in Verbindung gesetzt. Umgekehrt kann dann mit spektroskopischen Methoden die Zusammensetzung eines Stoffgemisches untersucht werden und anhand von Sternenlicht Aussagen über die Elemente in der Sternenatmosphäre getroffen werden. Andere Untersuchungsmethoden betrachten das Verhalten unter dem Einfluss von elektrischen und magnetischen Feldern. Beispiele sind die Massenspektroskopie oder die Paulfalle. ⓘ
Die Atom-, Molekular- und optische Physik (AMO) befasst sich mit der Untersuchung von Materie-Materie- und Licht-Materie-Wechselwirkungen auf der Ebene einzelner Atome und Moleküle. Die drei Bereiche werden aufgrund ihrer Wechselbeziehungen, der Ähnlichkeit der verwendeten Methoden und der Gemeinsamkeit ihrer relevanten Energieskalen zusammengefasst. Alle drei Bereiche umfassen sowohl klassische, semiklassische als auch Quantenbehandlungen; sie können ihr Thema aus mikroskopischer Sicht (im Gegensatz zur makroskopischen Sicht) behandeln. ⓘ
Die Atomphysik untersucht die Elektronenhüllen von Atomen. Die aktuelle Forschung konzentriert sich auf Aktivitäten im Bereich der Quantenkontrolle, der Kühlung und des Einfangens von Atomen und Ionen, der Dynamik von Tieftemperaturkollisionen und der Auswirkungen der Elektronenkorrelation auf Struktur und Dynamik. Die Atomphysik wird durch den Kern beeinflusst (siehe Hyperfeinaufspaltung), aber auch kerninterne Phänomene wie Kernspaltung und Kernfusion werden als Teil der Kernphysik betrachtet. ⓘ
Die Molekülphysik befasst sich mit multiatomischen Strukturen und deren internen und externen Wechselwirkungen mit Materie und Licht. Die optische Physik unterscheidet sich von der Optik dadurch, dass sie sich nicht auf die Steuerung klassischer Lichtfelder durch makroskopische Objekte konzentriert, sondern auf die grundlegenden Eigenschaften optischer Felder und ihre Wechselwirkungen mit der Materie im mikroskopischen Bereich. ⓘ
Kondensierte Materie
Die Physik der kondensierten Materie ist das Gebiet der Physik, das sich mit den makroskopischen physikalischen Eigenschaften der Materie befasst. Sie befasst sich insbesondere mit den "kondensierten" Phasen, die immer dann auftreten, wenn die Anzahl der Teilchen in einem System extrem groß ist und die Wechselwirkungen zwischen ihnen stark sind. ⓘ
Die bekanntesten Beispiele für kondensierte Phasen sind Festkörper und Flüssigkeiten, die durch die Bindung von Atomen durch elektromagnetische Kräfte entstehen. Zu den exotischeren kondensierten Phasen gehören die Supraflüssigkeit und das Bose-Einstein-Kondensat, die in bestimmten atomaren Systemen bei sehr niedrigen Temperaturen vorkommen, die supraleitende Phase von Leitungselektronen in bestimmten Materialien sowie die ferromagnetischen und antiferromagnetischen Phasen von Spins in Atomgittern. ⓘ
Die Physik der kondensierten Materie ist das größte Gebiet der heutigen Physik. Historisch gesehen ist die Physik der kondensierten Materie aus der Festkörperphysik hervorgegangen, die heute als eines ihrer wichtigsten Teilgebiete gilt. Der Begriff "Physik der kondensierten Materie" wurde offenbar von Philip Anderson geprägt, als er seine Forschungsgruppe, die zuvor Festkörpertheorie hieß, 1967 umbenannte. Im Jahr 1978 wurde die Abteilung für Festkörperphysik der American Physical Society in Abteilung für Physik der kondensierten Materie umbenannt. Die Physik der kondensierten Materie weist große Überschneidungen mit der Chemie, den Materialwissenschaften, der Nanotechnologie und dem Ingenieurwesen auf. ⓘ
Astrophysik
Astrophysik und Astronomie sind die Anwendung der Theorien und Methoden der Physik auf die Untersuchung der Sternstruktur, der Sternentwicklung, des Ursprungs des Sonnensystems und damit zusammenhängender Probleme der Kosmologie. Da die Astrophysik ein weites Feld ist, wenden Astrophysiker in der Regel viele Disziplinen der Physik an, darunter Mechanik, Elektromagnetismus, statistische Mechanik, Thermodynamik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Kern- und Teilchenphysik sowie Atom- und Molekularphysik. ⓘ
Die Entdeckung von Karl Jansky im Jahr 1931, dass von Himmelskörpern Radiosignale ausgesendet werden, begründete die Wissenschaft der Radioastronomie. In jüngster Zeit wurden die Grenzen der Astronomie durch die Erforschung des Weltraums erweitert. Störungen und Interferenzen durch die Erdatmosphäre machen weltraumgestützte Beobachtungen für die Infrarot-, Ultraviolett-, Gammastrahlen- und Röntgenastronomie erforderlich. ⓘ
Die physikalische Kosmologie befasst sich mit der Entstehung und Entwicklung des Universums in seinen größten Dimensionen. Die Relativitätstheorie von Albert Einstein spielt eine zentrale Rolle in allen modernen kosmologischen Theorien. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts führte Hubbles Entdeckung, dass sich das Universum ausdehnt, wie das Hubble-Diagramm zeigt, zu konkurrierenden Erklärungen, die als Steady-State-Universum und Urknall bekannt sind. ⓘ
Der Urknall wurde durch den Erfolg der Urknall-Nukleosynthese und die Entdeckung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds im Jahr 1964 bestätigt. Das Urknallmodell stützt sich auf zwei theoretische Säulen: Albert Einsteins allgemeine Relativitätstheorie und das kosmologische Prinzip. Kosmologen haben vor kurzem das ΛCDM-Modell der Entwicklung des Universums aufgestellt, das die kosmische Inflation, die dunkle Energie und die dunkle Materie umfasst. ⓘ
Es wird erwartet, dass die neuen Daten des Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskops in den kommenden zehn Jahren zahlreiche Möglichkeiten und Entdeckungen bieten werden, die die bestehenden Modelle des Universums grundlegend überarbeiten oder klären werden. Vor allem die Entdeckung der dunklen Materie könnte in den nächsten Jahren eine enorme Bedeutung erlangen. Fermi wird nach Beweisen dafür suchen, dass die dunkle Materie aus schwach wechselwirkenden massiven Teilchen besteht, und damit ähnliche Experimente mit dem Large Hadron Collider und anderen unterirdischen Detektoren ergänzen. ⓘ
IBEX bringt bereits neue astrophysikalische Entdeckungen hervor: "Niemand weiß, was das ENA-Band (energetische neutrale Atome)" entlang des Endschocks des Sonnenwindes erzeugt, aber alle sind sich einig, dass dies bedeutet, dass das Lehrbuchbild der Heliosphäre - in dem die das Sonnensystem einhüllende Tasche, die mit den geladenen Teilchen des Sonnenwindes gefüllt ist, durch den anstürmenden 'galaktischen Wind' des interstellaren Mediums in Form eines Kometen pflügt - falsch ist." ⓘ
Aktuelle Forschung
Die Forschung in der Physik schreitet an zahlreichen Fronten kontinuierlich voran. ⓘ
In der Physik der kondensierten Materie ist ein wichtiges ungelöstes theoretisches Problem die Hochtemperatursupraleitung. Viele Experimente mit kondensierter Materie zielen darauf ab, funktionsfähige Spintronik und Quantencomputer herzustellen. ⓘ
In der Teilchenphysik sind erste experimentelle Beweise für eine Physik jenseits des Standardmodells aufgetaucht. Dazu gehören vor allem Hinweise darauf, dass Neutrinos eine Masse ungleich Null haben. Diese experimentellen Ergebnisse scheinen das seit langem bestehende Problem der Sonnenneutrinos gelöst zu haben, und die Physik der massiven Neutrinos bleibt ein Bereich aktiver theoretischer und experimenteller Forschung. Mit dem Large Hadron Collider wurde bereits das Higgs-Boson gefunden, doch zukünftige Forschungen zielen darauf ab, die Supersymmetrie, die das Standardmodell der Teilchenphysik erweitert, zu beweisen oder zu widerlegen. Auch die Natur der großen Rätsel der dunklen Materie und der dunklen Energie wird derzeit erforscht. ⓘ
Obwohl in der Hochenergie-, Quanten- und Astronomiephysik große Fortschritte erzielt wurden, sind viele alltägliche Phänomene, die mit Komplexität, Chaos oder Turbulenzen zu tun haben, noch immer schlecht verstanden. Komplexe Probleme, die scheinbar durch eine geschickte Anwendung von Dynamik und Mechanik gelöst werden könnten, sind nach wie vor ungelöst; Beispiele sind die Bildung von Sandhaufen, Knoten in rieselndem Wasser, die Form von Wassertropfen, Mechanismen von Oberflächenspannungskatastrophen und die Selbstsortierung in geschüttelten heterogenen Ansammlungen. ⓘ
Diese komplexen Phänomene haben seit den 1970er Jahren aus mehreren Gründen zunehmende Aufmerksamkeit erregt, u. a. durch die Verfügbarkeit moderner mathematischer Methoden und Computer, die es ermöglichten, komplexe Systeme auf neue Weise zu modellieren. Die komplexe Physik ist Teil einer zunehmend interdisziplinären Forschung geworden, wie die Untersuchung von Turbulenzen in der Aerodynamik und die Beobachtung der Musterbildung in biologischen Systemen zeigen. In der Annual Review of Fluid Mechanics von 1932 sagte Horace Lamb:
Ich bin jetzt ein alter Mann, und wenn ich sterbe und in den Himmel komme, gibt es zwei Dinge, bei denen ich auf Erleuchtung hoffe. Das eine ist die Quantenelektrodynamik und das andere ist die turbulente Bewegung von Flüssigkeiten. Und bei ersterem bin ich ziemlich optimistisch. ⓘ
Methodik
Die Erkenntnisgewinnung in der Physik verläuft in enger Verzahnung von Experiment und Theorie, besteht also aus empirischer Datengewinnung und -auswertung und gleichzeitig dem Erstellen theoretischer Modelle zu ihrer Erklärung. Dennoch haben sich im Verlauf des 20. Jahrhunderts Spezialisierungen herausgebildet, die insbesondere die professionell betriebene Physik heute prägen. Demnach lassen sich grob Experimentalphysik und theoretische Physik voneinander unterscheiden. ⓘ
Experimentalphysik
Während manche Naturwissenschaften wie etwa die Astronomie und die Meteorologie sich methodisch weitgehend auf Beobachtungen ihres Untersuchungsgegenstandes beschränken müssen, steht in der Physik das Experiment im Vordergrund. Die Experimentalphysik versucht durch Entwurf, Aufbau, Durchführung und Auswertung von Experimenten Gesetzmäßigkeiten aufzuspüren und mittels empirischer Modelle zu beschreiben. Sie versucht einerseits physikalisches Neuland zu betreten, andererseits überprüft sie von der theoretischen Physik gemachte Vorhersagen. ⓘ
Grundlage eines physikalischen Experimentes ist es, die Eigenschaften eines zuvor präparierten physikalischen Systems, zum Beispiel eines geworfenen Steins, eines eingeschlossenen Gasvolumens oder eines Teilchens bei einem Stoßprozess durch Messung in Zahlenform auszudrücken, etwa als Aufprallgeschwindigkeit, als resultierender Druck (bei gegebenen Randbedingungen) oder als Länge der beobachtbaren Teilchenspuren im Detektor. ⓘ
Konkret werden entweder nur die zeitunabhängigen (statischen) Eigenschaften eines Objektes gemessen oder es wird die zeitliche Entwicklung (Dynamik) des Systems untersucht, etwa indem Anfangs- und Endwerte einer Messgröße vor und nach dem Ablauf eines Vorgangs bestimmt werden oder indem kontinuierliche Zwischenwerte festgestellt werden. ⓘ
Weitere Aspekte
Zusätzlich zu dieser grundlegenden Teilung der Physik unterscheidet man manchmal noch weitere methodische Unterdisziplinen, vor allem die mathematische Physik und die angewandte Physik. Auch die Arbeit mit Computersimulationen hat Züge eines eigenen Bereiches der Physik. ⓘ
Theoriengebäude
Quantenphysik
Die Quantenphysik beschreibt die Naturgesetze im atomaren und subatomaren Bereich und bricht noch radikaler mit klassischen Vorstellungen als die Relativitätstheorie. In der Quantenphysik sind auch physikalische Größen selbst Teil des Formalismus und keine bloßen Kenngrößen mehr, die ein System beschreiben. Der Formalismus unterscheidet also zwischen zwei Typen von Objekten, den Observablen, die die Größen beschreiben und den Zuständen, die das System beschreiben. Ebenso wird der Messprozess aktiv in die Theorie miteinbezogen. Dies führt in bestimmten Situationen zur Quantisierung der Größenwerte. Das heißt, die Größen nehmen stets nur bestimmte diskrete Werte an. In der Quantenfeldtheorie, der am weitesten entwickelten relativistischen Quantentheorie, tritt auch Materie nur in Portionen, den Elementarteilchen oder Quanten, in Erscheinung. ⓘ
Die Gesetze der Quantenphysik entziehen sich weitgehend der menschlichen Anschauung, und über ihre Interpretation herrscht auch heute noch kein Konsens. Dennoch zählt sie hinsichtlich ihres empirischen Erfolges zu dem am besten gesicherten Wissen der Menschheit überhaupt. ⓘ
Themenbereiche der modernen Physik
Die Theorien der Physik kommen in verschiedenen Themenbereichen zum Einsatz. Die Einteilung der Physik in Unterthemen ist nicht eindeutig und die Abgrenzung der Unterthemen gegeneinander ist dabei ähnlich schwierig wie die Abgrenzung der Physik zu anderen Wissenschaften. Es gibt dementsprechend viele Überschneidungen und gegenseitige Beziehungen der verschiedenen Bereiche zueinander. Hier wird eine Sammlung von Themengebieten nach betrachteter Größenordnung der Objekte dargestellt und im Zuge dessen auf Themengebiete verwiesen, die damit verwandt sind. Die aufgeführten Themen lassen sich nicht eindeutig einer Theorie zuordnen, sondern bedienen sich je nach dem untersuchten Gegenstand verschiedener theoretischer Konzepte. ⓘ
Hadronen- und Atomkernphysik
Die Elementarteilchen, die der starken Wechselwirkung unterliegen, die sogenannten Quarks, kommen nicht einzeln, sondern immer nur in gebundenen Zuständen, den Hadronen, vor, zu denen unter anderem das Proton und das Neutron gehören. Die Hadronenphysik hat viele Überschneidungen mit der Elementarteilchenphysik, da viele Phänomene nur erklärt werden können, indem berücksichtigt wird, dass die Hadronen aus Quarks aufgebaut sind. Die Beschreibung der starken Wechselwirkung durch die Quantenchromodynamik, eine relativistische Quantenfeldtheorie, kann jedoch die Eigenschaften der Hadronen nicht vorhersagen, weshalb die Untersuchung dieser Eigenschaften als eigenständiges Forschungsgebiet aufgefasst wird. Es wird also eine Erweiterung der Theorie der starken Wechselwirkung für kleine Energien angestrebt, bei denen sich die Hadronen bilden. ⓘ
Atomkerne stellen gegenüber Elementarteilchen die nächste Komplexitätsstufe dar. Sie bestehen aus mehreren Nukleonen, also Protonen und Neutronen, deren Wechselwirkungen untersucht werden. In Atomkernen herrschen die starke und die elektromagnetische Wechselwirkung vor. Forschungsgebiete der Atomkernphysik umfassen radioaktive Zerfälle und Stabilität von Atomkernen. Ziel ist dabei die Entwicklung von Kernmodellen, die diese Phänomene erklären können. Dabei wird aber auf eine detaillierte Ausarbeitung der starken Wechselwirkung wie in der Hadronenphysik verzichtet. ⓘ
Zur Erforschung der Eigenschaften von Hadronen werden Teilchenbeschleuniger eingesetzt, wobei hier der Schwerpunkt nicht so sehr wie in der Teilchenphysik auf hohen Kollisionsenergien liegt. Stattdessen werden Target-Experimente durchgeführt, die zwar geringere Schwerpunktsenergien, aber sehr viel höhere Ereigniszahlen liefern. Allerdings werden auch Collider-Experimente mit Schwerionen vor allem eingesetzt, um Erkenntnisse über Hadronen zu gewinnen. In der Kernphysik werden zur Erzeugung von Transuranen schwere Atome zur Kollision gebracht und Radioaktivität mit einer Vielzahl experimenteller Aufbauten untersucht. ⓘ
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 Quantengravitationstheorien, 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, 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 Aussagefähigkeit 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. Auch eine prinzipielle oder wahrscheinliche Zusammenführbarkeit einzelner Theorien wird von einigen Wissenschaftstheoretikern bestritten. ⓘ
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) 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.
- 2005 war das Jahr der Physik. ⓘ