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Physik

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Verschiedene Beispiele für physikalische Phänomene

Physik (aus dem Altgriechischen : φυσική (ἐπιστήμη) , romanisiertphysikḗ (epistḗmē) , wörtlich  ' Naturwissen ', aus φύσις phýsis 'nature') [1] [2] [3] ist die Naturwissenschaft , die Materie studiert , [a] seine Bewegung und sein Verhalten durch Raum und Zeit und die damit verbundenen Einheiten von Energie und Kraft . [5] Die Physik ist eine der grundlegendsten wissenschaftlichen Disziplinen, und ihr Hauptziel ist es, zu verstehen, wie dieUniversum verhält sich. [b] [6] [7] [8]

Die Physik ist eine der ältesten akademischen Disziplinen und durch die Einbeziehung der Astronomie vielleicht die älteste. [9] Während eines Großteils der letzten zwei Jahrtausende waren Physik, Chemie , Biologie und bestimmte Bereiche der Mathematik Teil der Naturphilosophie , aber während der wissenschaftlichen Revolution im 17. Jahrhundert entstanden diese Naturwissenschaften als eigenständige Forschungsbemühungen . [c] Die Physik überschneidet sich mit vielen interdisziplinären Forschungsbereichen wie der Biophysik und der Quantenchemieund die Grenzen der Physik sind nicht starr definiert . Neue Ideen in der Physik erklären häufig die grundlegenden Mechanismen, die von anderen Wissenschaften untersucht wurden [6], und schlagen neue Forschungswege in akademischen Disziplinen wie Mathematik und Philosophie vor .

Fortschritte in der Physik ermöglichen oft Fortschritte in neuen Technologien . Beispielsweise führten Fortschritte beim Verständnis von Elektromagnetismus , Festkörperphysik und Kernphysik direkt zur Entwicklung neuer Produkte, die die moderne Gesellschaft dramatisch verändert haben, wie Fernsehen , Computer , Haushaltsgeräte und Atomwaffen . [6] Fortschritte in der Thermodynamik führten zur Entwicklung der Industrialisierung ; und Fortschritte in der Mechanik inspirierten die Entwicklung des Kalküls .

Geschichte

Alte Astronomie

Die altägyptische Astronomie zeigt sich in Denkmälern wie der Decke von Senemuts Grab aus der achtzehnten Dynastie Ägyptens .

Die Astronomie ist eine der ältesten Naturwissenschaften . Frühe Zivilisationen, die vor 3000 v. Chr. Zurückgingen, wie die Sumerer , die alten Ägypter und die Industal-Zivilisation , verfügten über vorausschauendes Wissen und ein grundlegendes Verständnis der Bewegungen von Sonne, Mond und Sternen. Die Sterne und Planeten, von denen angenommen wurde, dass sie Götter darstellen, wurden oft verehrt. Während die Erklärungen für die beobachteten Positionen der Sterne oft unwissenschaftlich waren und keine Beweise lieferten, legten diese frühen Beobachtungen den Grundstein für die spätere Astronomie, da festgestellt wurde, dass die Sterne große Kreise über den Himmel ziehen [9], was dies jedoch nicht erklärte Positionen der Planeten.

Laut Asger Aaboe liegen die Ursprünge der westlichen Astronomie in Mesopotamien , und alle westlichen Bemühungen in den exakten Wissenschaften stammen aus der spätbabylonischen Astronomie . [11] Ägyptische Astronomen hinterließen Denkmäler, die Kenntnisse über die Konstellationen und Bewegungen der Himmelskörper zeigten, [12] während der griechische Dichter Homer in seiner Ilias und Odyssee über verschiedene Himmelsobjekte schrieb . Später gaben griechische Astronomen Namen an, die bis heute für die meisten von der Nordhalbkugel aus sichtbaren Sternbilder verwendet werden .[13]

Naturwissenschaft

Die Naturphilosophie hat ihren Ursprung in Griechenland in der archaischen Zeit (650 v. Chr. - 480 v. Chr.), Als vorsokratische Philosophen wie Thales nicht-naturalistische Erklärungen für Naturphänomene ablehnten und verkündeten, dass jedes Ereignis eine natürliche Ursache habe. [14] Sie schlugen Ideen vor, die durch Vernunft und Beobachtung verifiziert wurden, und viele ihrer Hypothesen erwiesen sich im Experiment als erfolgreich. [15] Beispielsweise wurde festgestellt, dass der Atomismus ungefähr 2000 Jahre nach seinem Vorschlag von Leucippus und seinem Schüler Democritus korrekt war . [16]

Physik in der mittelalterlichen europäischen und islamischen Welt

Die grundlegende Funktionsweise einer Lochkamera

Das weströmische Reich fiel im fünften Jahrhundert, und dies führte zu einem Rückgang der intellektuellen Aktivitäten in Westeuropa. Im Gegensatz dazu widersetzte sich das oströmische Reich (auch als byzantinisches Reich bekannt ) den Angriffen der Barbaren und setzte verschiedene Bereiche des Lernens fort, einschließlich der Physik. [17]

Im sechsten Jahrhundert schuf Isidor von Milet eine wichtige Zusammenstellung von Archimedes 'Werken, die im Archimedes Palimpsest kopiert wurden .

Im Europa des 6. Jahrhunderts stellte der byzantinische Gelehrte John Philoponus Aristoteles 'Physikunterricht in Frage und stellte seine Mängel fest. Er führte die Theorie der Impulse ein . Aristoteles 'Physik wurde nicht geprüft, bis Philoponus erschien; Im Gegensatz zu Aristoteles, der seine Physik auf verbale Argumente stützte, stützte sich Philoponus auf Beobachtung. Über Aristoteles 'Physik schrieb Philoponus:

Dies ist jedoch völlig falsch, und unsere Ansicht kann durch tatsächliche Beobachtung wirksamer bestätigt werden als durch irgendeine Art von verbaler Argumentation. Wenn Sie zwei Gewichte aus derselben Höhe fallen lassen, von denen eines um ein Vielfaches schwerer ist als das andere, werden Sie feststellen, dass das Verhältnis der für die Bewegung erforderlichen Zeiten nicht vom Verhältnis der Gewichte abhängt, sondern vom Unterschied in der Zeit ist eine sehr kleine. Wenn also der Unterschied in den Gewichten nicht beträchtlich ist, das heißt, von einem, sagen wir, das Doppelte des anderen, wird es keinen Unterschied oder einen nicht wahrnehmbaren Unterschied in der Zeit geben, obwohl der Unterschied im Gewicht durch ist keineswegs vernachlässigbar, da ein Körper doppelt so schwer ist wie der andere [18]

Philoponus 'Kritik an aristotelischen Prinzipien der Physik diente zehn Jahrhunderte später, während der wissenschaftlichen Revolution, als Inspiration für Galileo Galilei [19] . Galileo zitierte Philoponus in seinen Werken ausführlich, als er argumentierte, dass die aristotelische Physik fehlerhaft sei. [20] [21] Im 13. Jahrhundert entwickelte Jean Buridan , Lehrer an der Kunstfakultät der Universität Paris, das Konzept des Impulses. Es war ein Schritt in Richtung der modernen Ideen von Trägheit und Dynamik. [22]

Die Islamwissenschaft erbte die aristotelische Physik von den Griechen und entwickelte sie während des Islamischen Goldenen Zeitalters weiter, wobei der Schwerpunkt auf Beobachtung und a priori Argumentation lag und frühe Formen der wissenschaftlichen Methode entwickelt wurden .

Die bemerkenswertesten Neuerungen waren im Bereich Optik und Vision zu verzeichnen, die aus den Arbeiten vieler Wissenschaftler wie Ibn Sahl , Al-Kindi , Ibn al-Haytham , Al-Farisi und Avicenna stammten . Das bemerkenswerteste Werk war das Buch der Optik (auch bekannt als Kitāb al-Manāẓir), geschrieben von Ibn al-Haytham, in dem er die altgriechische Vorstellung vom Sehen endgültig widerlegte, aber auch eine neue Theorie aufstellte. In dem Buch präsentierte er eine Studie über das Phänomen der Camera Obscura (seine tausend Jahre alte Version der Lochkamera)) und vertiefte sich weiter in die Funktionsweise des Auges. Mit Hilfe von Präparaten und dem Wissen früherer Gelehrter konnte er erklären, wie Licht in das Auge gelangt. Er behauptete, der Lichtstrahl sei fokussiert, aber die eigentliche Erklärung, wie Licht auf den Augenhintergrund projiziert wurde, musste bis 1604 warten. Seine Abhandlung über Licht erklärte die Camera Obscura, Hunderte von Jahren vor der modernen Entwicklung der Fotografie. [23]

Ibn al-Haytham (ca. 965 - ca. 1040), Buch der Optik Buch I, [6.85], [6.86]. Buch II, [3.80] beschreibt seine Camera Obscura- Experimente. [24]

Das siebenbändige Buch der Optik ( Kitab al-Manathir ) hat über 600 Jahre lang das Denken in verschiedenen Disziplinen von der Theorie der visuellen Wahrnehmung bis zur Perspektive in der mittelalterlichen Kunst sowohl im Osten als auch im Westen stark beeinflusst. Viele spätere europäische Gelehrte und Polymathkollegen, von Robert Grosseteste und Leonardo da Vinci bis zu René Descartes , Johannes Kepler und Isaac Newton , standen in seiner Schuld. In der Tat steht der Einfluss von Ibn al-Haythams Optik neben dem von Newtons gleichnamigem Werk, das 700 Jahre später veröffentlicht wurde.

Die Übersetzung des Buches der Optik hatte große Auswirkungen auf Europa. Daraus konnten spätere europäische Wissenschaftler Geräte bauen, die die von Ibn al-Haytham gebauten Geräte nachbilden und die Funktionsweise von Licht verstehen. Daraus wurden so wichtige Dinge wie Brillen, Lupen, Teleskope und Kameras entwickelt.

Klassische Physik

Sir Isaac Newton (1643–1727), dessen Bewegungsgesetze und universelle Gravitation wichtige Meilensteine ​​in der klassischen Physik waren

Die Physik wurde zu einer eigenständigen Wissenschaft, als die Europäer der frühen Neuzeit experimentelle und quantitative Methoden verwendeten, um herauszufinden, was heute als Gesetze der Physik gilt . [25] [ Seite benötigt ]

Zu den wichtigsten Entwicklungen in dieser Zeit zählen die Ersetzung des geozentrischen Modells des Sonnensystems durch das heliozentrische kopernikanische Modell , die von Kepler zwischen 1609 und 1619 festgelegten Gesetze zur Bewegung von Planetenkörpern , Pionierarbeiten an Teleskopen und die Beobachtungsastronomie von Galileo im 16. Jahrhundert und 17. Jahrhundert, und Newtons Entdeckung und Vereinigung der Gesetze der Bewegung und der universellen Gravitation , die seinen Namen tragen würden. [26] Newton entwickelte auch einen Kalkül , [d]die mathematische Untersuchung des Wandels, die neue mathematische Methoden zur Lösung physikalischer Probleme lieferte. [27]

Die Entdeckung neuer Gesetze in den Bereichen Thermodynamik , Chemie und Elektromagnetik resultierte aus größeren Forschungsanstrengungen während der industriellen Revolution, als der Energiebedarf zunahm. [28] Die Gesetze der klassischen Physik sind für Objekte auf alltäglichen Maßstäben, die sich mit nicht relativistischen Geschwindigkeiten bewegen, nach wie vor sehr weit verbreitet, da sie in solchen Situationen eine sehr enge Annäherung bieten und Theorien wie die Quantenmechanik und die Relativitätstheorie zu ihrer klassischen vereinfachen Äquivalente in solchen Maßstäben. Ungenauigkeiten in der klassischen Mechanik für sehr kleine Objekte und sehr hohe Geschwindigkeiten führten jedoch im 20. Jahrhundert zur Entwicklung der modernen Physik.

Moderne Physik

Max Planck (1858–1947), der Urheber der Theorie der Quantenmechanik
Albert Einstein (1879–1955), dessen Arbeiten zum photoelektrischen Effekt und zur Relativitätstheorie zu einer Revolution in der Physik des 20. Jahrhunderts führten

Die moderne Physik begann im frühen 20. Jahrhundert mit der Arbeit von Max Planck in der Quantentheorie und Albert Einsteins Relativitätstheorie. Beide Theorien entstanden aufgrund von Ungenauigkeiten in der klassischen Mechanik in bestimmten Situationen. Die klassische Mechanik sagte eine unterschiedliche Lichtgeschwindigkeit voraus , die mit der durch Maxwells Gleichungen des Elektromagnetismus vorhergesagten konstanten Geschwindigkeit nicht aufgelöst werden konnte . Diese Diskrepanz wurde durch Einsteins spezielle Relativitätstheorie korrigiert , die die klassische Mechanik für sich schnell bewegende Körper ersetzte und eine konstante Lichtgeschwindigkeit ermöglichte. [29] Schwarzkörperstrahlunglieferte ein weiteres Problem für die klassische Physik, das korrigiert wurde, als Planck vorschlug, dass die Anregung von Materialoszillatoren nur in diskreten Schritten proportional zu ihrer Frequenz möglich ist; Dies führte zusammen mit dem photoelektrischen Effekt und einer vollständigen Theorie zur Vorhersage diskreter Energieniveaus von Elektronenorbitalen dazu , dass die Theorie der Quantenmechanik die klassische Physik in sehr kleinen Maßstäben übernahm. [30]

Die Quantenmechanik sollte von Werner Heisenberg , Erwin Schrödinger und Paul Dirac entwickelt werden . [30] Aus dieser frühen Arbeit und Arbeiten in verwandten Bereichen wurde das Standardmodell der Teilchenphysik abgeleitet. [31] Nach der Entdeckung eines Partikels mit Eigenschaften, die mit dem Higgs-Boson am CERN übereinstimmen, im Jahr 2012 [32] scheinen alle vom Standardmodell vorhergesagten fundamentalen Partikel und keine anderen zu existieren. Die Physik jenseits des Standardmodells mit Theorien wie Supersymmetrie ist jedoch ein aktives Forschungsgebiet.[33] Bereiche der Mathematik im Allgemeinen sind für dieses Gebiet wichtig, beispielsweise die Untersuchung von Wahrscheinlichkeiten und Gruppen .

Philosophie

Die Physik stammt in vielerlei Hinsicht aus der antiken griechischen Philosophie . Von Thales 'erstem Versuch, Materie zu charakterisieren, bis zu Demokrits Schlussfolgerung, dass Materie auf einen unveränderlichen Zustand reduziert werden sollte, der ptolemäischen Astronomie eines kristallinen Firmaments und Aristoteles' Buch Physik (ein frühes Buch über Physik, das versuchte, Bewegung zu analysieren und zu definieren) Aus philosophischer Sicht haben verschiedene griechische Philosophen ihre eigenen Naturtheorien aufgestellt. Die Physik war bis zum Ende des 18. Jahrhunderts als Naturphilosophie bekannt. [e]

Im 19. Jahrhundert wurde die Physik als eine Disziplin verwirklicht, die sich von der Philosophie und den anderen Wissenschaften unterscheidet. Die Physik stützt sich wie der Rest der Wissenschaft auf die Wissenschaftsphilosophie und ihre "wissenschaftliche Methode", um unser Wissen über die physikalische Welt zu erweitern. [35] Die wissenschaftliche Methode verwendet sowohl A-priori-Argumentation als auch A-posteriori- Argumentation und die Verwendung der Bayes'schen Inferenz , um die Gültigkeit einer bestimmten Theorie zu messen. [36]

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, beinhaltet Themen wie die Natur von Raum und Zeit , Determinismus und metaphysische Perspektiven wie Empirismus , Naturalismus und Realismus . [37]

Viele Physiker haben über die philosophischen Implikationen ihrer Arbeit geschrieben, zum Beispiel Laplace , der verfochtene kausalen Determinismus , [38] und Schrödinger, die auf der Quantenmechanik schrieben. [39] [40] Der mathematische Physiker Roger Penrose wurde von Stephen Hawking als Platoniker bezeichnet . [41] Eine Ansicht, die Penrose in seinem Buch The Road to Reality diskutiert . [42] Hawking bezeichnete sich selbst als "unverschämten Reduktionisten" und stellte Penrose 'Ansichten in Frage. [43]

Kerntheorien

Obwohl sich die Physik mit einer Vielzahl von Systemen befasst, werden bestimmte Theorien von allen Physikern verwendet. Jede dieser Theorien wurde mehrfach experimentell getestet und als adäquate Annäherung an die Natur befunden. Zum Beispiel beschreibt die Theorie der klassischen Mechanik 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 Bereiche 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 Werkzeuge für die Erforschung spezialisierterer Themen, und von jedem Physiker, unabhängig von seiner Spezialisierung, wird erwartet, dass er sich darin auskennt. Dazu gehören klassische Mechanik, Quantenmechanik, Thermodynamik und statistische Mechanik , Elektromagnetismus und spezielle Relativitätstheorie.

Klassische Physik

Die klassische Physik umfasst die traditionellen Zweige und Themen, die vor Beginn des 20. Jahrhunderts erkannt und gut entwickelt wurden - klassische Mechanik, Akustik , Optik , Thermodynamik und Elektromagnetismus. Die klassische Mechanik befasst sich mit Körpern, auf die Kräfte und bewegte Körper einwirken, und kann unterteilt werden in Statik (Untersuchung der Kräfte auf einen Körper oder Körper, die keiner Beschleunigung ausgesetzt sind), Kinematik (Untersuchung der Bewegung ohne Berücksichtigung ihrer Ursachen) und Dynamik (Untersuchung der Bewegung und der sie beeinflussenden Kräfte); Die Mechanik kann auch in Festkörpermechanik und Strömungsmechanik unterteilt werden(zusammen als Kontinuumsmechanik bekannt ) umfassen letztere Zweige wie Hydrostatik , Hydrodynamik , Aerodynamik und Pneumatik . Akustik ist die Untersuchung, wie Schall erzeugt, gesteuert, gesendet und empfangen wird. [44] Wichtige moderne Bereiche der Akustik sind Ultraschall , die Untersuchung von Schallwellen mit sehr hoher Frequenz außerhalb des Bereichs des menschlichen Gehörs; Bioakustik , Physik von Tierrufen und Hören [45] und Elektroakustik , Manipulation hörbarer Schallwellen mithilfe von Elektronik. [46]

Die Optik, die Untersuchung des Lichts , befasst sich nicht nur mit sichtbarem Licht, sondern auch mit Infrarot- und Ultraviolettstrahlung , die alle Phänomene des sichtbaren Lichts mit Ausnahme der Sichtbarkeit aufweist, z. B. Reflexion, Brechung, Interferenz, Beugung, Dispersion und Polarisation des Lichts . Wärme ist eine Energieform , die innere Energie, die die Teilchen besitzen, aus denen eine Substanz besteht; Die Thermodynamik befasst sich mit den Beziehungen zwischen Wärme und anderen Energieformen. Elektrizität und Magnetismus wurden als ein einziger Zweig der Physik untersucht, seit die enge Verbindung zwischen ihnen im frühen 19. Jahrhundert entdeckt wurde. einelektrischer Strom erzeugt ein Magnetfeld und ein sich änderndes Magnetfeld induziert einen elektrischen Strom. Die Elektrostatik befasst sich mit elektrischen Ladungen in Ruhe, Elektrodynamik mit sich bewegenden Ladungen und Magnetostatik mit Magnetpolen in Ruhe.

Moderne Physik

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 sehr großem oder sehr kleinem Maßstab befasst. Beispielsweise sind atom- und kernphysikalische Studien im kleinsten Maßstab von Bedeutung, in dem chemische Elemente identifiziert werden können. Die Physik der Elementarteilchen ist noch kleiner, da sie sich mit den grundlegendsten Einheiten der Materie befasst; Dieser Zweig der Physik wird wegen der extrem hohen Energien, die zur Erzeugung vieler Arten von Teilchen in Teilchenbeschleunigern erforderlich sind, auch als Hochenergiephysik bezeichnet. Auf dieser Skala sind gewöhnliche, allgemein verständliche Vorstellungen von Raum, Zeit, Materie und Energie nicht mehr gültig. [47]

Die beiden Haupttheorien der modernen Physik bieten ein anderes Bild der Konzepte von Raum, Zeit und Materie als die klassische Physik. Die klassische Mechanik nähert sich der Natur als kontinuierlich an, 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 befasst. Die Relativitätstheorie befasst sich mit der Beschreibung von Phänomenen, die in einem Bezugsrahmen stattfinden, der in Bezug auf einen Beobachter in Bewegung ist; Die spezielle Relativitätstheorie befasst sich mit Bewegung in Abwesenheit von Gravitationsfeldern und der allgemeinen Relativitätstheorie mit Bewegung und ihrer Verbindung mit Gravitation. Sowohl die Quantentheorie als auch die Relativitätstheorie finden in allen Bereichen der modernen Physik Anwendung. [48]

Unterschied zwischen klassischer und moderner Physik

Die grundlegenden Bereiche der Physik

Während die Physik universelle Gesetze entdecken will, liegen ihre Theorien in expliziten Bereichen der Anwendbarkeit.

Solvay-Konferenz von 1927 mit prominenten Physikern wie Albert Einstein , Werner Heisenberg , Max Planck , Hendrik Lorentz , Niels Bohr , Marie Curie , Erwin Schrödinger und Paul Dirac

Die Gesetze der klassischen Physik beschreiben genau Systeme, deren wichtige Längenskalen größer als die atomare Skala sind und deren Bewegungen viel langsamer als die Lichtgeschwindigkeit sind. Außerhalb dieses Bereichs stimmen die Beobachtungen nicht mit den Vorhersagen der klassischen Mechanik überein. Einstein trug den Rahmen der speziellen Relativitätstheorie bei, der die Begriffe absolute Zeit und Raum durch Raumzeit ersetzte und eine genaue Beschreibung von Systemen ermöglichte, deren Komponenten Geschwindigkeiten aufweisen, die sich der Lichtgeschwindigkeit nähern. Planck, Schrödinger und andere führten die Quantenmechanik ein, eine probabilistische Vorstellung von Teilchen und Wechselwirkungen, die eine genaue Beschreibung atomarer und subatomarer Skalen ermöglichte. Später Quantenfeldtheorieeinheitliche Quantenmechanik und spezielle Relativitätstheorie. Die allgemeine Relativitätstheorie ermöglichte eine dynamische, gekrümmte Raumzeit, mit der hochmassive Systeme und die großräumige Struktur des Universums gut beschrieben werden können. Die allgemeine Relativitätstheorie wurde noch nicht mit den anderen grundlegenden Beschreibungen vereinheitlicht. Es werden mehrere Kandidatentheorien zur Quantengravitation entwickelt.

Beziehung zu anderen Feldern

Diese Parabel -förmigen Lavastrom veranschaulicht die Anwendung der Mathematik in der Physik-in diesem Fall Galileis Fallgesetz .
Mathematik und Ontologie werden in der Physik verwendet. Die Physik wird in der Chemie und Kosmologie eingesetzt.

Voraussetzungen

Die Mathematik bietet eine kompakte und genaue Sprache, mit der die Reihenfolge in der Natur beschrieben wird. Dies wurde von Pythagoras , [49] Plato , [50] Galileo, [51] und Newton festgestellt und befürwortet .

Die Physik verwendet die Mathematik [52] , um experimentelle Ergebnisse zu organisieren und zu formulieren. Aus diesen Ergebnissen werden präzise oder geschätzte Lösungen erhalten, quantitative Ergebnisse, aus denen neue Vorhersagen getroffen und experimentell bestätigt oder negiert werden können. Die Ergebnisse von physikalischen Experimenten sind numerische Daten mit ihren Maßeinheiten und Schätzungen der Fehler in den Messungen. Auf Mathematik basierende Technologien wie die Berechnung haben die Computerphysik zu einem aktiven Forschungsgebiet gemacht.

Die Unterscheidung zwischen Mathematik und Physik ist eindeutig, aber nicht immer offensichtlich, insbesondere in der mathematischen Physik.

Die Ontologie ist eine Voraussetzung für die Physik, nicht aber für die Mathematik. Dies bedeutet, dass sich die Physik letztendlich mit Beschreibungen der realen Welt befasst, während sich die Mathematik mit abstrakten Mustern befasst, sogar jenseits der realen Welt. Somit sind physikalische Aussagen synthetisch, während mathematische Aussagen analytisch sind. Mathematik enthält Hypothesen, während Physik Theorien enthält. Mathematische Aussagen müssen nur logisch wahr sein, während Vorhersagen von physikalischen Aussagen mit beobachteten und experimentellen Daten übereinstimmen müssen.

Die Unterscheidung ist eindeutig, aber nicht immer offensichtlich. Zum Beispiel ist mathematische Physik die Anwendung der Mathematik in der Physik. Seine Methoden sind mathematisch, aber sein Thema ist physikalisch. [53] Die Probleme in diesem Bereich beginnen mit einem " mathematischen Modell einer physikalischen Situation " (System) und einer "mathematischen Beschreibung eines physikalischen Gesetzes", die auf dieses System angewendet wird. Jede mathematische Aussage, die zum Lösen verwendet wird, hat eine schwer zu findende physikalische Bedeutung. Die endgültige mathematische Lösung hat eine leichter zu findende Bedeutung, da sie genau das ist, wonach der Löser sucht. [ Klarstellung erforderlich ]

Reine Physik ist ein Zweig der Grundlagenforschung (auch als Grundwissenschaft. Physik auch als „Grundlagenforschung“ , weil alle Zweige der Naturwissenschaft wie Chemie, Astronomie, Geologie und Biologie beschränkt sind durch die Gesetze der Physik. Genannt wird [54] ähnlich Die Chemie wird wegen ihrer Rolle bei der Verknüpfung der physikalischen Wissenschaften oft als zentrale Wissenschaft bezeichnet . Beispielsweise untersucht die Chemie Eigenschaften, Strukturen und Reaktionen der Materie (der Fokus der Chemie auf die molekulare und atomare Skala unterscheidet sie von der Physik). Strukturen entstehen, weil Teilchen elektrische Kräfte aufeinander ausüben, Eigenschaften physikalische Eigenschaften bestimmter Substanzen umfassen und Reaktionen an physikalische Gesetze wie die Erhaltung von Energie , Masse und Ladung gebunden sind . Physik wird in Branchen wie Ingenieurwesen und Medizin angewendet.

Anwendung und Einfluss

Klassische Physik implementiert in einem akustiktechnischen Modell von Schall, der von einem akustischen Diffusor reflektiert wird
Archimedes 'Schraube , eine einfache Maschine zum Heben
Die Anwendung physikalischer Gesetze beim Heben von Flüssigkeiten

Angewandte Physik ist ein allgemeiner Begriff für die Physikforschung, der für eine bestimmte Verwendung bestimmt ist. Ein Lehrplan für angewandte Physik enthält normalerweise einige Klassen in einer angewandten Disziplin wie Geologie oder Elektrotechnik. Es unterscheidet sich normalerweise vom Ingenieurwesen darin, dass ein angewandter Physiker möglicherweise nicht etwas Besonderes entwirft, sondern Physik verwendet oder Physikforschung betreibt, um neue Technologien zu entwickeln oder ein Problem zu lösen.

Der Ansatz ähnelt dem der angewandten Mathematik . Angewandte Physiker nutzen die Physik in der wissenschaftlichen Forschung. Zum Beispiel könnten Leute, die an der Beschleunigerphysik arbeiten, versuchen, bessere Teilchendetektoren für die Forschung in der theoretischen Physik zu bauen.

Die Physik wird in der Technik stark genutzt. Beispielsweise wird die Statik, ein Teilgebiet der Mechanik , beim Bau von Brücken und anderen statischen Strukturen verwendet. Das Verständnis und die Verwendung der Akustik führen zu einer Klangkontrolle und besseren Konzertsälen. In ähnlicher Weise schafft die Verwendung von Optiken bessere optische Geräte. Ein Verständnis der Physik ermöglicht realistischere Flugsimulatoren , Videospiele und Filme und ist bei forensischen Untersuchungen häufig von entscheidender Bedeutung .

Mit dem Standardkonsens, dass die Gesetze der Physik universell sind und sich nicht mit der Zeit ändern, kann die Physik verwendet werden, um Dinge zu untersuchen, die normalerweise in Unsicherheit versinken würden . Zum Beispiel kann man bei der Untersuchung des Ursprungs der Erde die Masse, Temperatur und Rotationsgeschwindigkeit der Erde vernünftigerweise als Funktion der Zeit modellieren, so dass man zeitlich vorwärts oder rückwärts extrapolieren und so zukünftige oder frühere Ereignisse vorhersagen kann. Es ermöglicht auch Simulationen im Engineering, die die Entwicklung einer neuen Technologie drastisch beschleunigen.

Es gibt aber auch eine beträchtliche Interdisziplinarität , so dass viele andere wichtige Bereiche von der Physik beeinflusst werden (z. B. die Bereiche der Wirtschaftsphysik und Soziophysik ).

Forschung

Wissenschaftliche Methode

Physiker verwenden die wissenschaftliche Methode, um die Gültigkeit einer physikalischen Theorie zu testen . Durch die Verwendung eines methodischen Ansatzes zum Vergleich der Implikationen einer Theorie mit den Schlussfolgerungen aus den damit verbundenen Experimenten und Beobachtungen können Physiker die Gültigkeit einer Theorie besser auf logische, unvoreingenommene und wiederholbare Weise testen. Zu diesem Zweck werden Experimente durchgeführt und Beobachtungen gemacht, um die Gültigkeit oder Ungültigkeit der Theorie zu bestimmen. [55]

Ein wissenschaftliches Gesetz ist eine prägnante verbale oder mathematische Aussage einer Beziehung, die ein Grundprinzip einer Theorie zum Ausdruck bringt, wie beispielsweise das Newtonsche Gesetz der universellen Gravitation. [56]

Theorie und Experiment

Der Astronaut und die Erde befinden sich beide im freien Fall .
Blitz ist ein elektrischer Strom .

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 untersuchen. Obwohl Theorie und Experiment getrennt entwickelt werden, beeinflussen sie sich stark und hängen voneinander ab. Fortschritte in der Physik werden häufig erzielt, wenn experimentelle Ergebnisse nicht durch bestehende Theorien erklärt werden können, was zu einem intensiven Fokus auf anwendbare Modelle führt, und wenn neue Theorien experimentell überprüfbare Vorhersagen generieren , die die Entwicklung neuer Experimente (und häufig verwandter Geräte) inspirieren. [57]

Physiker , die im Zusammenspiel von Theorie und Experiment arbeiten, werden Phänomenologen genannt , die komplexe Phänomene untersuchen, die im Experiment beobachtet wurden, und daran arbeiten, sie mit einer fundamentalen Theorie in Beziehung zu setzen . [58]

Die theoretische Physik hat sich historisch von der Philosophie inspirieren lassen; Der Elektromagnetismus wurde auf diese Weise vereinheitlicht. [f] Über das bekannte Universum hinaus befasst sich das Gebiet der theoretischen Physik auch mit hypothetischen Fragen, [g] wie Paralleluniversen , einem Multiversum und höheren Dimensionen . Theoretiker berufen sich auf diese Ideen in der Hoffnung, bestimmte Probleme mit bestehenden Theorien zu lösen; Anschließend untersuchen sie die Konsequenzen dieser Ideen und arbeiten daran, überprüfbare Vorhersagen zu treffen.

Die experimentelle Physik erweitert und erweitert sich um Technik und Technologie . 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, häufig in der Industrie arbeiten und Technologien wie Magnetresonanztomographie (MRT) und Transistoren entwickeln . Feynman hat festgestellt, dass Experimentatoren möglicherweise nach Gebieten suchen, die von Theoretikern nicht gut erforscht wurden. [59]

Umfang und Ziele

In der Physik wird die natürliche Welt mit einer Theorie modelliert, die normalerweise quantitativ ist. Hier wird der Weg eines Teilchens mit der Mathematik der Analysis modelliert , um sein Verhalten zu erklären: der Bereich des als Mechanik bekannten Zweigs der Physik .

Die Physik deckt eine breite Palette von Phänomenen ab , von Elementarteilchen (wie Quarks, Neutrinos und Elektronen) bis zu den größten Superclustern von Galaxien. In diesen Phänomenen sind die grundlegendsten Objekte enthalten, aus denen alle anderen Dinge bestehen. Daher wird die Physik manchmal als "Grundlagenforschung" bezeichnet. [54] Die Physik zielt darauf ab, die verschiedenen Phänomene, die in der Natur auftreten, anhand einfacherer Phänomene zu beschreiben. So verbinden Physik Ziele sowohl auf die Dinge zu beobachten , um die Menschen zu Ursachen , und dann diese Ursachen miteinander verbinden.

Zum Beispiel beobachteten die alten Chinesen , dass bestimmte Gesteine ​​( Lodestone und Magnetit ) durch eine unsichtbare Kraft voneinander angezogen wurden. Dieser Effekt wurde später als Magnetismus bezeichnet, der erstmals im 17. Jahrhundert eingehend untersucht wurde. Doch noch bevor die Chinesen den Magnetismus entdeckten, wussten die alten Griechen von anderen Objekten wie Bernstein , die beim Reiben mit Fell eine ähnliche unsichtbare Anziehungskraft zwischen beiden hervorrufen würden. [60]Dies wurde auch erstmals im 17. Jahrhundert gründlich untersucht und als Elektrizität bezeichnet. So hatte die Physik zwei Beobachtungen der Natur im Hinblick auf eine Grundursache (Elektrizität und Magnetismus) verstanden. Weitere Arbeiten im 19. Jahrhundert zeigten jedoch, dass diese beiden Kräfte nur zwei verschiedene Aspekte einer Kraft waren - Elektromagnetismus. Dieser Prozess der "Vereinigung" von Kräften setzt sich bis heute fort, und Elektromagnetismus und die schwache Kernkraft werden nun als zwei Aspekte der elektroschwachen Wechselwirkung angesehen . Die Physik hofft, einen endgültigen Grund (Theorie von allem) dafür zu finden, warum die Natur so ist, wie sie ist ( weitere Informationen finden Sie im Abschnitt Aktuelle Forschung unten). [61]

Forschungsfelder

Die zeitgenössische Forschung in der Physik kann grob in Kern- und Teilchenphysik unterteilt werden. Physik der kondensierten Materie ; Atom-, Molekül- und optische Physik ; Astrophysik ; und angewandte Physik. Einige Physikabteilungen unterstützen auch die Forschung im Bereich der Physikausbildung und die Reichweite der Physik . [62]

Seit dem 20. Jahrhundert haben sich die einzelnen Bereiche der Physik zunehmend spezialisiert, und heute arbeiten die meisten Physiker während ihrer gesamten Karriere in einem einzigen Bereich. "Universalisten" wie Einstein (1879–1955) und Lev Landau (1908–1968), die in verschiedenen Bereichen der Physik tätig waren, sind heute sehr selten. [h]

Die Hauptbereiche der Physik sowie ihre Unterfelder und die von ihnen verwendeten Theorien und Konzepte sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.

FeldUnterfelderWichtige TheorienKonzepte
Kern- und TeilchenphysikKernphysik , Kernastrophysik , Teilchenphysik , Astroteilchenphysik , Phänomenologie der TeilchenphysikStandardmodell , Quantenfeldtheorie , Quantenelektrodynamik , Quantenchromodynamik , Elektroschwächentheorie , Effektive Feldtheorie , Gitterfeldtheorie , Gittermaßtheorie , Eichentheorie , Supersymmetrie , Grand Unified Theory , Superstringtheorie , M-TheorieGrundkraft ( Gravitation , elektromagnetisch , schwach , stark ), Elementarteilchen , Spin , Antimaterie , spontane Symmetriebrechung , Neutrinoschwingung , Wippmechanismus , Brane , String , Quantengravitation , Theorie von allem , Vakuumenergie
Atom-, Molekül- und optische PhysikAtomphysik , Molekularphysik , Atom- und Molekularastrophysik , Chemische Physik , Optik , PhotonikQuantenoptik , Quantenchemie , QuanteninformationswissenschaftPhoton , Atom , Molekül , Beugung , elektromagnetische Strahlung , Laser , Polarisation (Wellen) , Spektrallinie , Casimir-Effekt
Physik der kondensierten MaterieFestkörperphysik , Hochdruckphysik , Niedertemperaturphysik , Oberflächenphysik , nanoskalige und mesoskopische Physik , PolymerphysikBCS-Theorie , Bloch-Theorem , Dichtefunktionaltheorie , Fermi-Gas , Fermi-Flüssigkeitstheorie , Vielteilchentheorie , Statistische MechanikPhasen ( Gas , Flüssigkeit , Feststoff ), Bose-Einstein-Kondensat , elektrische Leitung , Phonon , Magnetismus , Selbstorganisation , Halbleiter , Supraleiter , Superfluidität , Spin ,
AstrophysikAstronomie , Astrometrie , Kosmologie , Gravitationsphysik , Hochenergie-Astrophysik , Planetenastrophysik , Plasmaphysik , Sonnenphysik , Weltraumphysik , SternastrophysikUrknall , kosmische Inflation , Allgemeine Relativitätstheorie , Newtons Gesetz der universellen Gravitation , Lambda-CDM-Modell , MagnetohydrodynamikSchwarzes Loch , kosmische Hintergrundstrahlung , kosmische Kette , Kosmos , Dunkle Energie , Dunkle Materie , Galaxie , Schwerkraft , Gravitationsstrahlung , Gravitationssingularität , Planet , Sonnensystem , Stern , Supernova , Universum
Angewandte PhysikBeschleunigerphysik , Akustik , Agrophysik , Atmosphärenphysik , Biophysik , Chemische Physik , Kommunikation Physik , Wirtschaftsphysik , Technische Physik , Strömungsmechanik , Geophysik , Laserphysik , Werkstoffphysik , Medizinische Physik , Nanotechnologie , Optik , Optoelektronik , Photonik , Photovoltaik , Physikalische Chemie ,Physikalische Ozeanographie , Rechenphysik , Plasmaphysik , Festkörpergeräte , Quantenchemie , Quantenelektronik , Quanteninformationswissenschaft , Fahrzeugdynamik

Kern- und Teilchenphysik

Ein simuliertes Ereignis im CMS-Detektor des Large Hadron Collider mit einem möglichen Erscheinungsbild des Higgs-Bosons .

Die Teilchenphysik ist das Studium der elementaren Bestandteile von Materie und Energie und der Wechselwirkungen zwischen ihnen. [63] Darüber hinaus entwerfen und entwickeln Teilchenphysiker die für diese Forschung erforderlichen Hochenergiebeschleuniger, [64] Detektoren [65] und Computerprogramme [66] . Das Feld wird auch als „Hochenergiephysik“ genannt , weil viele Elementarteilchen nicht natürlich vorkommt , sind aber nur bei hohen Energie erzeugt Kollisionen von anderen Teilchen. [67]

Derzeit werden die Wechselwirkungen von Elementarteilchen und Feldern durch das Standardmodell beschrieben . [68] Das Modell berücksichtigt die 12 bekannten Materieteilchen ( Quarks und Leptonen ), die über die starken , schwachen und elektromagnetischen Grundkräfte interagieren . [68] Die Dynamik wird anhand von Materieteilchen beschrieben, die Eichbosonen austauschen ( Gluonen , W- und Z-Bosonen bzw. Photonen ). [69] Das Standardmodell sagt auch ein Teilchen voraus, das als Higgs-Boson bekannt ist. [68]Im Juli 2012 kündigte CERN, das europäische Labor für Teilchenphysik, den Nachweis eines Teilchens an, das mit dem Higgs-Boson [70] übereinstimmt, einem integralen Bestandteil eines Higgs-Mechanismus .

Die Kernphysik ist das Gebiet der Physik, das die Bestandteile und Wechselwirkungen von Atomkernen untersucht . Die bekanntesten Anwendungen der Kernphysik sind die Erzeugung von Kernkraft und die Nuklearwaffentechnologie. Die Forschung hat jedoch in vielen Bereichen Anwendung gefunden, darunter in der Nuklearmedizin und der Magnetresonanztomographie, der Ionenimplantation in der Werkstofftechnik und der Radiokarbondatierung in der Geologie und Archäologie .

Atom-, Molekül- und optische Physik

Atom-, Molekül- und optische Physik (AMO) ist die Untersuchung von Materie-Materie- und Licht-Materie-Wechselwirkungen auf der Skala 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 als auch halbklassische und Quantenbehandlungen ; Sie können ihr Motiv aus mikroskopischer Sicht behandeln (im Gegensatz zu einer makroskopischen Sicht).

Die Atomphysik untersucht die Elektronenschalen von Atomen. Die aktuelle Forschung konzentriert sich auf Aktivitäten zur Quantenkontrolle, Abkühlung und Abscheidung von Atomen und Ionen, [71] [72] [73] Niedertemperatur-Kollisionsdynamik und die Auswirkungen der Elektronenkorrelation auf Struktur und Dynamik. Die Atomphysik wird vom Kern beeinflusst (siehe Hyperfeinspaltung ), aber intra-nukleare Phänomene wie Spaltung und Fusion werden als Teil der Kernphysik betrachtet.

Die Molekularphysik konzentriert sich auf mehratomige Strukturen und ihre 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 Materie im mikroskopischen Bereich.

Physik der kondensierten Materie

Geschwindigkeitsverteilungsdaten eines Gases aus Rubidiumatomen bestätigen die Entdeckung einer neuen Phase der Materie, des Bose-Einstein-Kondensats

Die Physik der kondensierten Materie ist das Gebiet der Physik, das sich mit den makroskopischen physikalischen Eigenschaften der Materie befasst. [74] [75] Insbesondere geht es um die "kondensierten" Phasen , die auftreten, wenn die Anzahl der Partikel in einem System extrem groß ist und die Wechselwirkungen zwischen ihnen stark sind. [76]

Die bekanntesten Beispiele für kondensierte Phasen sind Feststoffe und Flüssigkeiten , die durch die Bindung über die elektromagnetische Kraft zwischen Atomen entstehen. [77] Exotischere kondensierte Phasen umfassen das Superfluid [78] und das Bose-Einstein-Kondensat [79], die in bestimmten Atomsystemen bei sehr niedriger Temperatur gefunden werden, die supraleitende Phase, die Leitungselektronen in bestimmten Materialien aufweisen, [80] und die ferromagnetischen und antiferromagnetische Phasen von Spins auf Atomgittern .[81]

Die Physik der kondensierten Materie ist das größte Gebiet der zeitgenössischen Physik. Historisch gesehen ist die Physik der kondensierten Materie aus der Festkörperphysik hervorgegangen, die heute als eines ihrer Hauptunterfelder gilt. [82] Der Begriff der Physik der kondensierten Materie wurde offenbar von Philip Anderson geprägt, als er 1967 seine Forschungsgruppe - zuvor Festkörpertheorie - umbenannte. [83] 1978 wurde die Abteilung für Festkörperphysik der American Physical Society in umbenannt die Abteilung für Festkörperphysik. [82] Die Physik der kondensierten Materie überschneidet sich stark mit Chemie, Materialwissenschaften , Nanotechnologie und Ingenieurwesen.[76]

Astrophysik

Das tiefste Bild des Universums mit sichtbarem Licht , das Hubble Ultra-Deep Field

Astrophysik und Astronomie sind die Anwendung der Theorien und Methoden der Physik auf das Studium der Sternstruktur , der Sternentwicklung , des Ursprungs des Sonnensystems und verwandter Probleme der Kosmologie . Da Astrophysik ein breites Fach ist, wenden Astrophysiker typischerweise viele Disziplinen der Physik an, darunter Mechanik, Elektromagnetismus, statistische Mechanik, Thermodynamik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Kern- und Teilchenphysik sowie Atom- und Molekularphysik. [84]

Die Entdeckung von Karl Jansky im Jahr 1931, dass Funksignale von Himmelskörpern ausgesendet wurden, leitete die Wissenschaft der Radioastronomie ein . In jüngster Zeit wurden die Grenzen der Astronomie durch Weltraumforschung erweitert. Störungen und Störungen von der Atmosphäre make raumgestützter der Erdbeobachtung , die für Infrarot , Ultraviolett , Gammastrahlen und Röntgenastronomie .

Die physikalische Kosmologie ist das Studium der Entstehung und Entwicklung des Universums in seinen größten Maßstäben. Albert Einsteins Relativitätstheorie spielt in allen modernen kosmologischen Theorien eine zentrale Rolle. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts führte Hubbles Entdeckung, dass sich das Universum ausdehnt, wie das Hubble-Diagramm zeigt , zu rivalisierenden 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 beruht auf zwei theoretischen Säulen: der allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein und dem kosmologischen Prinzip . Kosmologen haben kürzlich das ΛCDM-Modell der Evolution des Universums etabliert, das kosmische Inflation , dunkle Energie und dunkle Materie umfasst .

Es wird erwartet, dass sich in den kommenden zehn Jahren zahlreiche Möglichkeiten und Entdeckungen aus neuen Daten des Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskops ergeben und bestehende Modelle des Universums umfassend überarbeiten oder klären werden. [85] [86] Insbesondere ist das Potenzial für eine enorme Entdeckung der Dunklen Materie in den nächsten Jahren möglich. [87] Fermi wird nach Beweisen suchen, dass dunkle Materie aus schwach wechselwirkenden massiven Partikeln besteht , die ähnliche Experimente mit dem Large Hadron Collider und anderen unterirdischen Detektoren ergänzen .

IBEX liefert bereits neue astrophysikalische Entdeckungen: "Niemand weiß, was das ENA-Band (energetisch neutrale Atome) " entlang des Abschlussschocks des Sonnenwinds "erzeugt, aber alle sind sich einig, dass es das Lehrbuchbild der Heliosphäre bedeutet - in dem die Die umhüllende Tasche des Sonnensystems, die mit den geladenen Teilchen des Sonnenwinds gefüllt ist, pflügt sich in Form eines Kometen durch den aufkommenden 'galaktischen Wind' des interstellaren Mediums - ist falsch. " [88]

Aktuelle Forschung

Feynman-Diagramm von RP Feynman signiert .
Ein typisches Phänomen, das von der Physik beschrieben wird: Ein Magnet, der über einem Supraleiter schwebt, demonstriert den Meißner-Effekt .

Die Forschung in der Physik schreitet an einer Vielzahl von Fronten kontinuierlich voran.

In der Physik der kondensierten Materie ist die Hochtemperatursupraleitung ein wichtiges ungelöstes theoretisches Problem . [89] Viele Experimente mit kondensierter Materie zielen darauf ab, funktionsfähige Spintronik- und Quantencomputer herzustellen . [76] [90]

In der Teilchenphysik tauchen erste experimentelle Beweise für die Physik jenseits des Standardmodells auf. Zu den wichtigsten zählen Hinweise darauf, dass Neutrinos eine Masse ungleich Null haben . Diese experimentellen Ergebnisse scheinen das langjährige Problem der solaren Neutrinos gelöst zu haben , und die Physik massereicher Neutrinos bleibt ein Bereich aktiver theoretischer und experimenteller Forschung. Der Large Hadron Collider hat das Higgs-Boson bereits gefunden, aber zukünftige Forschungen zielen darauf ab, die Supersymmetrie zu beweisen oder zu widerlegen, die das Standardmodell der Teilchenphysik erweitert. Derzeit wird auch an der Erforschung der wichtigsten Geheimnisse der Dunklen Materie und der Dunklen Energie geforscht. [91]

Theoretische Versuche, die Quantenmechanik und die allgemeine Relativitätstheorie zu einer einzigen Theorie der Quantengravitation zu vereinen, die seit über einem halben Jahrhundert läuft, sind noch nicht endgültig geklärt. Die derzeit führenden Kandidaten sind M-Theorie , Superstringtheorie und Schleifenquantengravitation .

Viele astronomische und kosmologische Phänomene müssen noch zufriedenstellend erklärt werden, einschließlich des Ursprungs von kosmischen Strahlen mit ultrahoher Energie , der Baryonenasymmetrie , der beschleunigten Expansion des Universums und der anomalen Rotationsraten von Galaxien .

Obwohl in der Hochenergie-, Quanten- und astronomischen Physik große Fortschritte erzielt wurden, sind viele alltägliche Phänomene mit Komplexität , [92] Chaos [93] oder Turbulenzen [94] noch wenig verstanden. Komplexe Probleme, die durch eine geschickte Anwendung von Dynamik und Mechanik gelöst werden könnten, bleiben ungelöst. Beispiele hierfür sind die Bildung von sandpiles, Knoten in rieselt Wasser, um die Form von Wassertröpfchen, Mechanismen der Oberflächenspannung Katastrophen und selbstsortier in geschüttelten heterogenen Sammlungen. [i] [95]

Diese komplexen Phänomene haben seit den 1970er Jahren aus mehreren Gründen zunehmend Beachtung gefunden, einschließlich der 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 beispielsweise die Untersuchung von Turbulenzen in der Aerodynamik und die Beobachtung der Musterbildung in biologischen Systemen. In der 1932 Annual Review of Fluid Mechanics , Horace Lamb sagte: [96]

Ich bin jetzt ein alter Mann, und wenn ich sterbe und in den Himmel komme, gibt es zwei Dinge, auf die ich auf Erleuchtung hoffe. Eines ist die Quantenelektrodynamik und das andere ist die turbulente Bewegung von Flüssigkeiten. Und in Bezug auf Ersteres bin ich ziemlich optimistisch.

Siehe auch

  • Liste wichtiger Veröffentlichungen in der Physik
  • Liste der Physiker
  • Listen physikalischer Gleichungen
  • Beziehung zwischen Mathematik und Physik
  • Erdkunde
  • Neurophysik
  • Psychophysik
  • Wissenschaftstourismus

Anmerkungen

  1. ^ Zu Beginn der Feynman-Vorlesungen über Physik bietet Richard Feynman die Atomhypothese als das produktivste wissenschaftliche Konzept an. [4]
  2. ^ Der Begriff "Universum" ist definiert als alles, was physisch existiert: die Gesamtheit von Raum und Zeit, alle Formen von Materie, Energie und Impuls sowie die physikalischen Gesetze und Konstanten, die sie regieren. Der Begriff "Universum" kann jedoch auch in leicht unterschiedlichen kontextuellen Sinnen verwendet werden und Konzepte wie den Kosmos oder die philosophische Welt bezeichnen .
  3. ^ Francis Bacons Novum Organum von 1620war entscheidend für die Entwicklung wissenschaftlicher Methoden . [10]
  4. ^ Calculus wurde ungefähr zur gleichen Zeit von Gottfried Wilhelm Leibniz unabhängig entwickelt; Während Leibniz als erster seine Arbeit veröffentlichte und einen Großteil der heute für die Analysis verwendeten Notation entwickelte, war Newton der erste, der die Analysis entwickelte und auf physikalische Probleme anwendete. Siehe auch Leibniz-Newton-Kalkül-Kontroverse
  5. ^ Noll stellt fest, dass einige Universitäten diesen Titel noch verwenden. [34]
  6. ^ Siehe zum Beispiel den Einfluss von Kant und Ritter auf Ørsted .
  7. ^ Konzepte, die als hypothetisch bezeichnet werden, können sich mit der Zeit ändern. Zum Beispiel wurde das Atom der Physik des 19. Jahrhunderts von einigen verunglimpft, einschließlich Ernst Machs Kritik an Ludwig Boltzmanns Formulierung der statistischen Mechanik . Bis zum Ende des Zweiten Weltkriegs galt das Atom nicht mehr als hypothetisch.
  8. ^ Dennoch wird Universalismus in der Kultur der Physik gefördert. Zum Beispiel wurde das World Wide Web , das am CERN von Tim Berners-Lee innoviert wurde, im Dienst der Computerinfrastruktur des CERN erstellt und war / ist für die Nutzung durch Physiker weltweit vorgesehen. Gleiches gilt für arXiv.org
  9. ^ Siehe die Arbeit von Ilya Prigogine über "Systeme weit vom Gleichgewicht entfernt" und andere.

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  5. ^ Maxwell 1878 , p. 9 "Die Physik ist die Abteilung des Wissens, die sich auf die Ordnung der Natur oder mit anderen Worten auf die regelmäßige Abfolge von Ereignissen bezieht."
  6. ^ a b c Young & Freedman 2014 , p. 1 "Die Physik ist eine der grundlegendsten Wissenschaften. Wissenschaftler aller Disziplinen verwenden die Ideen der Physik, darunter Chemiker, die die Struktur von Molekülen untersuchen, Paläontologen, die versuchen zu rekonstruieren, wie Dinosaurier gingen, und Klimatologen, die untersuchen, wie menschliche Aktivitäten die beeinflussen Atmosphäre und Ozeane. Die Physik ist auch die Grundlage aller Technik und Technologie. Kein Ingenieur könnte einen Flachbildfernseher, ein interplanetares Raumschiff oder sogar eine bessere Mausefalle entwerfen, ohne vorher die Grundgesetze der Physik zu verstehen. (...) Das werden Sie Kommen Sie und sehen Sie die Physik als eine herausragende Leistung des menschlichen Intellekts in seinem Bestreben, unsere Welt und uns selbst zu verstehen. "
  7. ^ Young & Freedman 2014 , p. 2 "Physik ist eine experimentelle Wissenschaft. Physiker beobachten die Phänomene der Natur und versuchen Muster zu finden, die diese Phänomene in Beziehung setzen."
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    Sagr. - Aber ich, Simplicio, der den Test gemacht hat, kann Ihnen versichern [107], dass eine Kanonenkugel mit einem Gewicht von ein oder zweihundert Pfund oder mehr nicht einmal eine Spannweite vor einer Musketenkugel erreicht, die nur wiegt ein halbes Pfund, vorausgesetzt, beide fallen aus einer Höhe von 200 Ellen.
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Externe Links

  • PhysicsCentral - Webportal der American Physical Society
  • Physics.org - Webportal des Instituts für Physik
  • Usenet-Physik-FAQ - FAQ, zusammengestellt von sci.physics und anderen Physik-Newsgroups
  • Website des Nobelpreises für Physik - Auszeichnung für herausragende Beiträge zu diesem Thema
  • World of Physics - Online-Lexikon der Physik
  • Naturphysik - Fachzeitschrift
  • Physik - Online-Magazin der American Physical Society
  • Physik / Veröffentlichungen bei Curlie - Verzeichnis der physikbezogenen Medien
  • The Vega Science Trust - Wissenschaftsvideos, einschließlich Physik
  • HyperPhysics-Website - Mindmap für Physik und Astronomie von der Georgia State University
  • PHYSIK am MIT OCW - Online-Kursmaterial vom Massachusetts Institute of Technology