Natuurkunde | Het is een van de meest fundamentele wetenschappelijke disciplines

Geschiedenis

Oude astronomie

Astronomie is de oudste natuurwetenschap. De Sumeriërs en de oude Egyptenaren bestudeerden de sterren, meestal met het oog op voorspellingen en religie. De eerste Babylonische sterrenkaarten dateren van ongeveer 1200 voor Christus. Dat astronomische gebeurtenissen periodiek zijn, dateert ook van de Babyloniërs. Hun inzicht was niet wetenschappelijk, maar hun waarnemingen hebben de latere astronomie beïnvloed. Veel astronomie kwam uit Mesopotamië, Babylonië, het oude Egypte en het oude Griekenland. Astronomen uit Egypte bouwden monumenten die lieten zien hoe objecten aan de hemel bewogen, en de meeste namen voor de sterrenbeelden op het noordelijk halfrond kwamen van Griekse astronomen.

Natuurlijke filosofie

De natuurfilosofie begon in Griekenland rond 650 voor Christus, toen een beweging van filosofen bijgeloof verving door naturalisme, dat het spirituele weerlegde. Leucippus en zijn leerling Democritus opperden rond deze periode het idee van het atoom.

Natuurkunde in de middeleeuwse islamitische wereld

Islamitische geleerden bleven de Aristotelische fysica bestuderen tijdens de Islamitische Gouden Eeuw. Een belangrijke bijdrage was de observationele astronomie. Sommigen, zoals Ibn Sahl, Al-Kindi, Ibn al-Haytham, Al-Farisi en Avicenna, hielden zich bezig met optica en gezichtsvermogen. In The Book of Optics verwierp Ibn al-Haytham eerdere Griekse ideeën over het gezichtsvermogen en stelde hij een nieuwe theorie voor. Hij bestudeerde hoe licht het oog binnenkomt en ontwikkelde de camera obscura. Europese wetenschappers hebben later op basis van dit boek brillen, vergrootglazen, telescopen en camera's gebouwd.

Klassieke natuurkunde

Natuurkunde werd een apart studiegebied na de wetenschappelijke revolutie. De experimenten van Galileo hebben bijgedragen tot het ontstaan van de klassieke natuurkunde. Hoewel hij de telescoop niet uitvond, gebruikte hij die wel wanneer hij naar de nachtelijke hemel keek. Hij steunde Copernicus' idee dat de aarde rond de zon bewoog (heliocentrisme). Hij onderzocht ook de zwaartekracht. Isaac Newton gebruikte Galileo's ideeën om zijn drie bewegingswetten en zijn wet van de universele zwaartekracht op te stellen. Samen verklaarden deze wetten de beweging van vallende lichamen nabij de aarde en de beweging van aarde en planeten rond de zon.

Over een paar eeuwen was de industriële revolutie in volle gang en werden nog veel meer ontdekkingen gedaan op allerlei gebieden van de wetenschap. De wetten van de klassieke natuurkunde zijn goed genoeg om voorwerpen te bestuderen die veel langzamer bewegen dan de lichtsnelheid en niet microscopisch zijn. Toen wetenschappers voor het eerst de kwantummechanica bestudeerden, moesten zij een nieuwe reeks wetten opstellen, wat het begin was van de moderne natuurkunde.

Moderne natuurkunde

Toen wetenschappers deeltjes onderzochten, ontdekten zij wat de klassieke mechanica niet kon verklaren. De klassieke mechanica voorspelde dat de lichtsnelheid varieerde, maar uit experimenten bleek dat de lichtsnelheid gelijk bleef. Dit werd voorspeld door de speciale relativiteitstheorie van Albert Einstein. Einstein voorspelde dat de snelheid van elektromagnetische straling door de lege ruimte altijd dezelfde zou zijn. Zijn opvatting van ruimte-tijd verving het oude idee dat ruimte en tijd afzonderlijke dingen waren.

Max Planck bedacht de kwantummechanica om te verklaren waarom metaal elektronen loslaat als je er licht op schijnt, en waarom materie straling uitzendt. Kwantummechanica is van toepassing op zeer kleine dingen zoals de elektronen, protonen en neutronen waaruit een atoom bestaat. Mensen als Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger en Paul Dirac werkten verder aan de kwantummechanica en uiteindelijk kregen we het Standaardmodel.

Definitie

Natuurkunde is de studie van energie en materie in ruimte en tijd en hoe deze met elkaar in verband staan. Natuurkundigen gaan uit van het bestaan van massa, lengte, tijd en elektrische stroom en definiëren (geven de betekenis van) vervolgens alle andere natuurkundige grootheden in termen van deze basiseenheden. Massa, lengte, tijd en elektrische stroom zijn nooit gedefinieerd, maar de standaardeenheden die worden gebruikt om ze te meten, zijn altijd gedefinieerd. In het Internationaal Stelsel van Eenheden (afgekort SI van het Franse Système International) is de kilogram de basiseenheid van massa, de meter de basiseenheid van lengte, de seconde de basiseenheid van tijd en de ampère de basiseenheid van elektrische stroom. Naast deze vier eenheden zijn er nog drie andere: de mol, de eenheid voor de hoeveelheid materie, de candela die de lichtsterkte meet (het vermogen van verlichting) en de kelvin, de eenheid van temperatuur.

Natuurkunde bestudeert hoe dingen bewegen, en de krachten waardoor ze bewegen. De natuurkunde gebruikt bijvoorbeeld snelheid en versnelling om aan te tonen hoe dingen bewegen. Ook bestuderen natuurkundigen de krachten van de zwaartekracht, elektriciteit, magnetisme en de krachten die dingen bij elkaar houden.

Natuurkunde bestudeert zeer grote en zeer kleine dingen. Natuurkundigen kunnen bijvoorbeeld sterren, planeten en sterrenstelsels bestuderen, maar ook kleine stukjes materie, zoals atomen en elektronen, en geluid, licht en andere golven. Daarnaast kunnen zij energie, warmte en radioactiviteit bestuderen, en zelfs ruimte en tijd. Natuurkunde helpt mensen niet alleen te begrijpen hoe objecten bewegen, maar ook hoe ze van vorm veranderen, hoe ze geluid maken, hoe warm of koud ze worden, en waar ze op het kleinste niveau van gemaakt zijn. Kortom, natuurkunde is de tak van wetenschap die zich bezighoudt met de eigenschappen van materie en energie en de interactie daartussen.

Natuurkunde en wiskunde

Natuurkunde is een kwantitatieve wetenschap omdat zij gebaseerd is op het meten met getallen. Wiskunde wordt in de natuurkunde gebruikt om modellen te maken die proberen te voorspellen wat er in de natuur zal gebeuren. Deze voorspellingen worden vergeleken met de manier waarop de echte wereld werkt. Natuurkundigen zijn altijd bezig hun modellen van de wereld te verbeteren.

Branches

Klassieke mechanica bevat belangrijke onderwerpen zoals de bewegingswetten van Newton, Lagrangiaanse mechanica, Hamiltoniaanse mechanica, kinematica, statica, dynamica, chaostheorie, akoestiek, vloeistofdynamica, continuümmechanica. Klassieke mechanica gaat over krachten die in de natuur op een lichaam werken, het in evenwicht houden van krachten, het handhaven van de evenwichtstoestand, enz.

Elektromagnetisme is de studie van ladingen op een bepaald lichaam. Het bevat deelonderwerpen zoals elektrostatica, elektrodynamica, elektriciteit, magnetisme, magnetostatica, Maxwells vergelijkingen, optica.

Thermodynamica en statistische mechanica houden verband met temperatuur. Het omvat hoofdonderwerpen zoals warmtemotor, kinetische theorie. Er worden termen gebruikt als warmte (Q), arbeid (W) en interne energie (U). De eerste wet van de thermodynamica geeft ons het verband ertussen door de volgende vergelijking (ΔU = Q - W)

Kwantummechanica is de studie van deeltjes op atomair niveau, rekening houdend met het atoommodel. Het omvat de deelonderwerpen Padinale formulering, verstrooiingstheorie, Schrödingervergelijking, kwantumveldentheorie, kwantumstatistische mechanica.

Relativiteit

Geavanceerde kennis

Algemene beschrijving

Natuurkunde is de wetenschap van de materie en hoe materie op elkaar inwerkt. Materie is elk fysiek materiaal in het universum. Alles bestaat uit materie. Natuurkunde wordt gebruikt om het fysieke universum om ons heen te beschrijven en te voorspellen hoe het zich zal gedragen. Natuurkunde is de wetenschap die zich bezighoudt met de ontdekking en karakterisering van de universele wetten die gelden voor materie, beweging en krachten, en ruimte en tijd, en andere kenmerken van de natuurlijke wereld.

Breedte en doelen van natuurkunde

Het bereik van de natuurkunde is groot, van de kleinste componenten van materie en de krachten die deze bij elkaar houden, tot sterrenstelsels en nog grotere dingen. Er zijn slechts vier krachten die dit hele gebied lijken te bestrijken. Maar zelfs deze vier krachten (zwaartekracht, elektromagnetisme, de zwakke kracht in verband met radioactiviteit, en de sterke kracht die protonen en neutronen in een atoom bij elkaar houdt) worden beschouwd als verschillende onderdelen van één enkele kracht.

De natuurkunde is vooral gericht op het maken van steeds eenvoudiger, algemenere en nauwkeurigere regels die de aard en het gedrag van de materie en de ruimte zelf bepalen. Een van de belangrijkste doelen van de natuurkunde is het maken van theorieën die van toepassing zijn op alles in het universum. Met andere woorden, natuurkunde kan worden gezien als de studie van die universele wetten die op het meest elementaire niveau het gedrag van het fysieke universum bepalen.

Natuurkunde gebruikt de wetenschappelijke methode

De natuurkunde gebruikt de wetenschappelijke methode. Dat wil zeggen dat gegevens uit experimenten en waarnemingen worden verzameld. Er worden theorieën opgesteld die deze gegevens proberen te verklaren. De natuurkunde gebruikt deze theorieën niet alleen om natuurkundige verschijnselen te beschrijven, maar ook om natuurkundige systemen te modelleren en te voorspellen hoe deze zich zullen gedragen. Natuurkundigen vergelijken deze voorspellingen vervolgens met waarnemingen of experimenteel bewijs om aan te tonen of de theorie juist of onjuist is.

De theorieën die goed ondersteund worden door gegevens en bijzonder eenvoudig en algemeen zijn, worden soms wetenschappelijke wetten genoemd. Natuurlijk kunnen alle theorieën, ook die welke bekend staan als wetten, worden vervangen door meer nauwkeurige en meer algemene wetten, wanneer een verschil met gegevens wordt gevonden.

Natuurkunde is kwantitatief

Natuurkunde is meer kwantitatief dan de meeste andere wetenschappen. Dat wil zeggen dat veel van de waarnemingen in de natuurkunde kunnen worden weergegeven in de vorm van numerieke metingen. De meeste natuurkundige theorieën gebruiken wiskunde om hun principes uit te drukken. De meeste voorspellingen van deze theorieën zijn numeriek. Dit komt doordat de gebieden waarop de natuurkunde zich richt, beter werken met kwantitatieve benaderingen dan andere gebieden. Wetenschappen hebben ook de neiging om mettertijd meer kwantitatief te worden naarmate zij zich verder ontwikkelen, en natuurkunde is een van de oudste wetenschappen.

Natuurkundige gebieden

Klassieke natuurkunde omvat normaliter de gebieden mechanica, optica, elektriciteit, magnetisme, akoestiek en thermodynamica. Moderne fysica is een term die gewoonlijk wordt gebruikt voor gebieden die gebaseerd zijn op kwantumtheorie, waaronder kwantummechanica, atoomfysica, kernfysica, deeltjesfysica en gecondenseerde materie, alsmede de modernere gebieden van algemene en speciale relativiteit, maar deze laatste twee worden vaak beschouwd als gebieden van klassieke fysica, aangezien zij niet gebaseerd zijn op kwantumtheorie. Hoewel dit verschil kan worden gevonden in oudere geschriften, is het van weinig nieuw belang, aangezien kwantumeffecten nu van belang worden geacht, zelfs op gebieden die voorheen klassiek werden genoemd.

Benaderingen in de natuurkunde

Er zijn veel manieren om natuurkunde te bestuderen, en veel verschillende soorten activiteiten in de natuurkunde. De twee belangrijkste soorten activiteiten zijn het verzamelen van gegevens en het ontwikkelen van theorieën.

Sommige deelgebieden van de natuurkunde kunnen experimenteel worden bestudeerd. Zo vond Galileo Galilei de kinematica uit door experimenten uit te voeren en de gegevens te bestuderen. Experimentele natuurkunde richt zich voornamelijk op een empirische benadering. Sommige experimenten worden gedaan om de natuur te onderzoeken, en andere experimenten worden uitgevoerd om gegevens te produceren die kunnen worden vergeleken met de voorspellingen van theorieën.

Sommige andere gebieden in de natuurkunde, zoals astrofysica en geofysica, zijn meestal waarnemingswetenschappen, omdat de meeste gegevens passief moeten worden verzameld in plaats van door experimenten. Galileo kon bijvoorbeeld alleen naar Jupiter kijken en ontdekken dat deze manen heeft. De waarnemingsprogramma's op deze gebieden maken echter gebruik van veel van dezelfde instrumenten en technologie die worden gebruikt in de experimentele deelgebieden van de natuurkunde.

Theoretische natuurkunde maakt vaak gebruik van kwantitatieve benaderingen om theorieën te ontwikkelen die de gegevens proberen te verklaren. Op deze manier gebruiken theoretische natuurkundigen vaak instrumenten uit de wiskunde. Theoretische natuurkunde maakt vaak kwantitatieve voorspellingen van natuurkundige theorieën, en vergelijkt deze voorspellingen kwantitatief met gegevens. Theoretische natuurkunde creëert soms modellen van fysische systemen voordat er gegevens beschikbaar zijn om deze modellen te testen en te ondersteunen.

Voor deze twee hoofdactiviteiten in de natuurkunde, gegevensverzameling, theorievorming en toetsing, worden veel verschillende vaardigheden gebruikt. Dit heeft geleid tot veel specialisatie in de natuurkunde, en de invoering, ontwikkeling en het gebruik van instrumenten uit andere gebieden. Zo maken theoretische natuurkundigen bij hun werk gebruik van wiskunde, numerieke analyse, statistiek, waarschijnlijkheid en computersoftware. Experimentele natuurkundigen ontwikkelen instrumenten en technieken om gegevens te verzamelen, waarbij zij gebruik maken van engineering en computertechnologie en vele andere gebieden van de technologie. Vaak zijn de instrumenten van deze andere gebieden niet helemaal geschikt voor de behoeften van de natuurkunde, en moeten zij worden gewijzigd of moeten er geavanceerdere versies worden gemaakt.

Het komt vaak voor dat nieuwe fysica wordt ontdekt als experimentele fysici een experiment uitvoeren dat de huidige theorieën niet kunnen verklaren, of dat theoretische fysici theorieën genereren die vervolgens door experimentele fysici op de proef kunnen worden gesteld.

Experimentele natuurkunde, techniek en technologie zijn aan elkaar verwant. Voor experimenten zijn vaak gespecialiseerde instrumenten nodig, zoals deeltjesversnellers en lasers, en belangrijke industriële toepassingen zoals transistors en beeldvorming door middel van magnetische resonantie zijn voortgekomen uit toegepast onderzoek.

Natuurkundigen

Prominente natuurkundigen

Gerelateerde pagina's

• Amerikaanse Natuurkundige Vereniging
• Astronomie
• Energie
• Materie
• Tijd