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.
