Fysica

Natuurkunde is een tak van de wetenschap. Het is een van de meest fundamentele wetenschappelijke disciplines. Het belangrijkste doel van de natuurkunde is uit te leggen hoe de dingen in de ruimte en de tijd bewegen en te begrijpen hoe het universum zich gedraagt. Het bestudeert materie, krachten en hun effecten.

Het woord natuurkunde komt van het Griekse woord ἡ φύσις, wat "natuur" betekent. Natuurkunde kan ook worden gedefinieerd als "dat departement van kennis dat betrekking heeft op de orde van de natuur, of, met andere woorden, op de regelmatige opeenvolging van gebeurtenissen".

Astronomie, een onderdeel van de natuurkunde, is de oudste natuurwetenschap. In het verleden maakte het deel uit van de 'natuurfilosofie' met andere wetenschapsgebieden, zoals chemie en biologie. Tijdens de wetenschappelijke revolutie werden deze gebieden gescheiden en werd de natuurkunde een apart kennisgebied.

Fysica is erg belangrijk bij de ontwikkeling van nieuwe technologieën, zoals vliegtuigen, televisies, computers en kernwapens. Mechanica, een tak van de natuurkunde, heeft bijgedragen aan de ontwikkeling van het mathematische veld van de calculus.

De moderne natuurkunde verbindt ideeën over de vier wetten van symmetrie en behoud van energie, momentum, lading en pariteit.

Geschiedenis

Oude astronomie

Astronomie is de oudste natuurwetenschap. De Sumeriërs en de oude Egyptenaren bestudeerden de sterren, meestal met het oog op voorspelling en religie. De eerste Babylonische sterrenkaarten dateren van ongeveer 1200 voor Christus. Dat de astronomische gebeurtenissen periodiek zijn, gaat ook terug tot de Babyloniërs. Hun begrip was niet wetenschappelijk, maar hun waarnemingen beïnvloedden de latere astronomie. 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 het bijgeloof verving door naturalisme, dat het spirituele weerlegde. Leucippus en zijn student Democritus suggereerden het idee van het atoom rond deze periode.

Fysica in de middeleeuwse islamitische wereld

Islamitische geleerden bleven tijdens de Islamitische Gouden Eeuw Aristotelische natuurkunde studeren. Een belangrijke bijdrage was de observatie-astronomie. Sommigen, zoals Ibn Sahl, Al-Kindi, Ibn al-Haytham, Al-Farisi en Avicenna, werkten aan optiek en visie. In The Book of Optics verwierp Ibn al-Haytham eerdere Griekse ideeën over visie en stelde een nieuwe theorie voor. Hij bestudeerde hoe het licht in het oog komt en ontwikkelde de camera obscura. Europese wetenschappers bouwden later brillen, vergrootglazen, telescopen en camera's uit dit boek.

Klassieke fysica

Na de wetenschappelijke revolutie werd de natuurkunde een apart vakgebied. De experimenten van Galileo hielpen de klassieke fysica te creëren. Hoewel hij de telescoop niet uitvond, gebruikte hij deze wel toen hij in de nachtelijke hemel keek. Hij steunde Copernicus' idee dat de Aarde zich rond de Zon bewoog (heliocentrisme). Hij onderzocht ook de zwaartekracht. Isaac Newton gebruikte Galileo's ideeën om zijn drie bewegingswetten en zijn wet van universele gravitatie te creëren. Samen verklaren deze wetten de beweging van vallende lichamen in de buurt van de aarde en de beweging van de aarde en de planeten rond de zon.

In een paar eeuwen tijd was de Industriële Revolutie in volle gang en werden er nog veel meer ontdekkingen gedaan op vele gebieden van de wetenschap. De wetten van de klassieke natuurkunde zijn goed genoeg om objecten te bestuderen die veel langzamer bewegen dan de snelheid van het licht, en niet microscopisch zijn. Toen wetenschappers voor het eerst de kwantummechanica bestudeerden, moesten ze een nieuwe reeks wetten maken, wat het begin was van de moderne fysica.

Moderne fysica

Terwijl wetenschappers onderzoek deden naar deeltjes, ontdekten ze wat de klassieke mechanica niet kon verklaren. De klassieke mechanica voorspelde dat de snelheid van het licht varieerde, maar experimenten toonden aan dat de snelheid van het licht gelijk bleef. Dit werd voorspeld door Albert Einstein's speciale relativiteitstheorie. Einstein voorspelde dat de snelheid van elektromagnetische straling door de lege ruimte altijd hetzelfde zou zijn. Zijn visie op de ruimte-tijd verving het oude idee dat ruimte en tijd heel verschillende dingen waren.

Max Planck kwam met quantummechanica om te verklaren waarom metaal elektronen vrijgeeft als je er een licht op schijnt, en waarom materie straling uitzendt. Kwantummechanica is van toepassing op zeer kleine dingen zoals de elektronen, protonen en neutronen die een atoom vormen. Mensen als Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger en Paul Dirac bleven werken aan de kwantummechanica en uiteindelijk kregen we het Standaard Model.

Definitie

Natuurkunde is de studie van energie en materie in ruimte en tijd en hoe ze met elkaar in verband staan. Natuurkundigen gaan uit van het bestaan van massa, lengte, tijd en elektrische stroom en definiëren (geven de betekenis van) alle andere fysische grootheden in termen van deze basiseenheden. Massa, lengte, tijd en elektrische stroom worden nooit gedefinieerd, maar de standaardeenheden die gebruikt worden 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 de massa, de meter de basiseenheid van de lengte, de tweede de basiseenheid van de tijd en de ampère de basiseenheid van de elektrische stroom. Naast deze vier eenheden zijn er nog drie andere: de mol, die de eenheid van de hoeveelheid materie is, de candela die de lichtsterkte (het vermogen van de verlichting) meet en de kelvin, de eenheid van de temperatuur.

De fysica bestudeert hoe de dingen bewegen, en de krachten die ze doen bewegen. Bijvoorbeeld, snelheid en versnelling worden door de natuurkunde gebruikt om te laten zien hoe dingen bewegen. Ook bestuderen natuurkundigen de krachten van de zwaartekracht, elektriciteit, magnetisme en de krachten die de dingen bij elkaar houden.

Natuurkunde studeert zeer grote dingen, en zeer kleine dingen. Zo kunnen natuurkundigen bijvoorbeeld sterren, planeten en sterrenstelsels bestuderen, maar ook kleine stukjes materie, zoals atomen en elektronen, en ook geluid, licht en andere golven. Daarnaast kunnen ze ook 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 lawaai maken, hoe warm of koud ze zullen zijn, en waar ze van gemaakt zijn op het kleinste niveau.

Natuurkunde en wiskunde

Natuurkunde is een kwantitatieve wetenschap omdat het gebaseerd is op het meten met getallen. In de natuurkunde wordt wiskunde 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 om hun modellen van de wereld beter te maken.

Vestigingen

De klassieke mechanica bevat belangrijke onderwerpen zoals de bewegingswetten van Newton, Lagrangiaanse mechanica, Hamiltoniaanse mechanica, kinematica, statica, dynamica, chaostheorie, akoestiek, vloeistofdynamica, continuummechanica. De klassieke mechanica gaat over krachten die op een lichaam in de natuur werken, het in evenwicht brengen van krachten, het in stand houden van de equlibriumtoestand, enz.

Elektromagnetisme is de studie van ladingen op een bepaald lichaam. Het bevat subthema's zoals Elektrostatica, Elektrodynamica, Elektriciteit, Magnetisme, Magnetostatica, Maxwell's vergelijkingen, Optica.

Thermodynamica en statistische mechanica zijn gerelateerd aan de temperatuur. Het omvat hoofdonderwerpen zoals warmtemotor, kinetische theorie. Het gebruikt termen als warmte (Q), werk (W) en interne energie (U). De eerste wet van de thermodynamica geeft ons de relatie met de volgende vergelijking (ΔU = Q - W)

Quantummechanica is de studie van deeltjes op atomair niveau, rekening houdend met het atoommodel. Het omvat subthema's Padintegrale formulering, verstrooiingstheorie, Schrödinger-vergelijking, kwantumveldentheorie, kwantumstatistische mechanica.

Relativiteit

Gevorderde kennis

Algemene beschrijving

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

Breedte en doelstellingen van de fysica

Het bereik van de fysica is breed, van de kleinste componenten van de materie en de krachten die deze bijeenhouden, tot melkwegstelsels en nog grotere dingen. Er zijn slechts vier krachten die over dit hele bereik lijken te werken. Nochtans, zelfs worden deze vier krachten (ernst, elektromagnetisme, de zwakke kracht verbonden aan radioactiviteit, en de sterke kracht die protonen en neutronen in een atoom samenhoudt) verondersteld om verschillende delen van één enkele kracht te zijn.

De natuurkunde is vooral gericht op het doel om steeds eenvoudigere, algemenere en nauwkeurigere regels te maken die het karakter 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, de fysica kan gezien worden als de studie van die universele wetten die, op het meest basale niveau, het gedrag van het fysisch universum definiëren.

De natuurkunde gebruikt de wetenschappelijke methode

De natuurkunde maakt gebruik van de wetenschappelijke methode. Dat wil zeggen dat gegevens van experimenten en waarnemingen worden verzameld. Theorieën die proberen deze gegevens te verklaren worden geproduceerd. De natuurkunde gebruikt deze theorieën niet alleen om fysische fenomenen te beschrijven, maar ook om fysische systemen te modelleren en te voorspellen hoe deze fysische systemen zich zullen gedragen. Fysici vergelijken deze voorspellingen vervolgens met waarnemingen of experimenteel bewijs om aan te tonen of de theorie juist of fout is.

De theorieën die goed onderbouwd worden door gegevens en vooral eenvoudig en algemeen zijn, worden soms wetenschappelijke wetten genoemd. Natuurlijk kunnen alle theorieën, ook die welke bekend staan als wetten, vervangen worden door nauwkeurigere en meer algemene wetten, wanneer er een meningsverschil met gegevens wordt gevonden.

Fysica is kwantitatief

De natuurkunde is kwantitatief meer 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 theorieën in de natuurkunde gebruiken wiskunde om hun principes uit te drukken. De meeste voorspellingen uit deze theorieën zijn numeriek. Dit komt doordat de natuurkunde beter werkt met kwantitatieve benaderingen dan andere gebieden. Wetenschappen hebben ook de neiging om met de tijd meer kwantitatief te worden naarmate ze meer ontwikkeld worden, en de natuurkunde is een van de oudste wetenschappen.

Fysische velden

De klassieke natuurkunde omvat normaal gesproken de gebieden van de mechanica, optica, elektriciteit, magnetisme, akoestiek en thermodynamica. De moderne natuurkunde is een term die normaal gesproken wordt gebruikt om gebieden te bestrijken die gebaseerd zijn op de kwantumtheorie, met inbegrip van de kwantummechanica, de atoomfysica, de kernfysica, de deeltjesfysica en de gecondenseerde materiaalfysica, alsmede de meer moderne gebieden van de algemene en bijzondere relativiteit, maar deze laatste twee worden vaak beschouwd als gebieden van de klassieke fysica, omdat ze niet afhankelijk zijn van de kwantumtheorie. Hoewel dit verschil kan worden gevonden in oudere geschriften, is het van weinig nieuw belang als quantum-effecten worden nu begrepen als zijnde van belang, zelfs op gebieden die voorheen werden genoemd klassieke.

Benaderingen in de fysica

Er zijn veel benaderingen van het bestuderen van natuurkunde, en veel verschillende soorten activiteiten in de natuurkunde. Er zijn twee belangrijke soorten activiteiten in de natuurkunde; het verzamelen van gegevens en de ontwikkeling van theorieën.

De gegevens in sommige subvelden van de fysica zijn vatbaar voor experimenten. Zo hebben bijvoorbeeld de gecondenseerde materiaalfysica en de kernfysica baat bij de mogelijkheid om experimenten uit te voeren. Experimentele fysica richt zich vooral op een empirische benadering. Soms worden experimenten gedaan om de natuur te verkennen, en in andere gevallen worden experimenten uitgevoerd om gegevens te produceren om te vergelijken met de voorspellingen van theorieën.

Sommige andere gebieden in de natuurkunde zoals astrofysica en geofysica zijn meestal observationele wetenschappen omdat de meeste van hun gegevens passief moeten worden verzameld in plaats van door middel van experimenten. Echter, observationele programma's op deze gebieden gebruiken veel van dezelfde instrumenten en technologie die worden gebruikt in de experimentele subvelden van de fysica.

Theoretische fysica gebruikt vaak kwantitatieve benaderingen om de theorieën te ontwikkelen die de gegevens proberen te verklaren. Op deze manier maken theoretisch fysici vaak gebruik van hulpmiddelen uit de wiskunde. In de theoretische natuurkunde kan het vaak gaan om het creëren van kwantitatieve voorspellingen van natuurkundige theorieën, en het kwantitatief vergelijken van deze voorspellingen met gegevens. Theoretische fysica creëert soms modellen van fysische systemen voordat er gegevens beschikbaar zijn om deze modellen te testen en te ondersteunen.

Deze twee hoofdactiviteiten in de natuurkunde, gegevensverzameling, theorieproductie en testen, maken gebruik van veel verschillende vaardigheden. Dit heeft geleid tot veel specialisatie in de fysica, en de introductie, ontwikkeling en het gebruik van hulpmiddelen uit andere vakgebieden. Zo maken theoretische natuurkundigen in hun werk gebruik van wiskunde en numerieke analyse en statistiek en waarschijnlijkheids- en computersoftware. Experimentele fysici ontwikkelen instrumenten en technieken voor het verzamelen van gegevens, waarbij gebruik wordt gemaakt van engineering en computertechnologie en vele andere gebieden van de technologie. Vaak zijn de instrumenten uit deze andere gebieden niet helemaal geschikt voor de behoeften van de fysica en moeten ze worden aangepast of moeten er geavanceerdere versies worden gemaakt.

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

Experimentele fysica, techniek en technologie zijn verwant. Experimenten hebben vaak gespecialiseerde hulpmiddelen nodig zoals deeltjesversnellers, lasers en belangrijke industriële toepassingen zoals transistors en magnetische resonantie beeldvorming zijn afkomstig van toegepast onderzoek.

Fysici

Prominente theoretische natuurkundigen

Beroemde theoretische natuurkundigen zijn onder andere

  • Galileo Galilei (1564-1642)
  • Christiaan Huygens (1629-1695)
  • Isaac Newton (1643-1727)
  • Leonhard Euler (1707-1783)
  • Joseph Louis Lagrange (1736-1813)
  • Pierre-Simon Laplace (1749-1827)
  • Joseph Fourier (1768-1830)
  • Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1842)
  • William Rowan Hamilton (1805-1865)
  • Rudolf Clausius (1822-1888)
  • James Clerk Maxwell (1831-1879)
  • J. Willard Gibbs (1839-1903)
  • Ludwig Boltzmann (1844-1906)
  • Hendrik A. Lorentz (1853-1928)
  • Henri Poincaré (1854-1912)
  • Nikola Tesla (1856-1943)
  • Max Planck (1858-1947)
  • Albert Einstein (1879-1955)
  • Milutin Milanković (1879-1958)
  • Emmy Noether (1882-1935)
  • Max Geboren (1882-1970)
  • Niels Bohr (1885-1962)
  • Erwin Schrödinger (1887-1961)
  • Louis de Broglie (1892-1987)
  • Satyendra Nath Bose (1894-1974)
  • Wolfgang Pauli (1900-1958)
  • Enrico Fermi (1901-1954)
  • Werner Heisenberg (1901-1976)
  • Paul Dirac (1902-1984)
  • Eugene Wigner (1902-1995)
  • Robert Oppenheimer (1904-1967)
  • Sin-Itiro Tomonaga (1906-1979)
  • Hideki Yukawa (1907-1981)
  • John Bardeen (1908-1991)
  • Lev Landau (1908-1967)
  • Anatolij Vlasov (1908-1975)
  • Nikolaj Bogoljoebov (1909-1992)
  • Subrahman Chandrasekhar (1910-1995)
  • John Archibald Wheeler (1911-2008)
  • Richard Feynman (1918-1988)
  • Julian Schwinger (1918-1994)
  • Feza Gürsey (1921-1992)
  • Chen Ning Yang (1922- )
  • Freeman Dyson (1923- )
  • Gunnar Källén (1926-1968)
  • Abdus Salam (1926-1996)
  • Murray Gell-Mann (1929- )
  • Riazuddin (1930- )
  • Roger Penrose (1931- )
  • George Sudarshan (1931- )
  • Sheldon Glashow (1932- )
  • Tom W. B. Kibble (1932- )
  • Steven Weinberg (1933- )
  • Gerald Guralnik (1936-)
  • Sidney Coleman (1937-2007)
  • C. R. Hagen (1937-)
  • Ratko Janev (1939- )
  • Leonard Susskind (1940- )
  • Michael Berry (1941- )
  • Bertrand Halperin (1941-)
  • Stephen Hawking (1942-2018 )
  • Alexander Polyakov (1945-)
  • Gerardus 't Hooft (1946- )
  • Jacob Bekenstein (1947-)
  • Robert Laughlin (1950-)

Gerelateerde pagina's

AlegsaOnline.com - 2020 - Licencia CC3