Physik

Verschiedene Beispiele von Physikalische Phänomene

Physik ist der Naturwissenschaft diese Studien Angelegenheit,^[a] es ist grundlegende Bestandteile, es ist Bewegung und Verhalten durch Raum und Zeitund die zugehörigen Einheiten von Energie und Macht.^[2] Physik ist eine der grundlegendsten wissenschaftlich Disziplinen mit ihrem Hauptziel, zu verstehen, wie die Universum verhält.^[b][3][4][5] Ein Wissenschaftler, der sich auf den Bereich der Physik spezialisiert hat Physiker.

Physik ist eine der ältesten Akademische Disziplinen und durch seine Einbeziehung von Astronomie, vielleicht das älteste.^[6] Über einen Großteil der letzten zwei Jahrtausende, Physik, Chemie, Biologieund bestimmte Zweige von Mathematik waren ein Teil von Naturwissenschaft, aber während der Wissenschaftliche Revolution Im 17. Jahrhundert zeigten sich diese Naturwissenschaften als einzigartige Forschungsbemühungen für sich.^[c] Physik kreuzt sich mit vielen interdisziplinär Forschungsbereiche, wie z. Biophysik und Quantenchemieund die Grenzen der Physik sind nicht starr definiert. Neue Ideen in der Physik erklären oft die grundlegenden Mechanismen, die von anderen untersucht wurden Wissenschaften^[3] und schlagen neue Forschungswege in diesen und anderen akademischen Disziplinen wie Mathematik und vor Philosophie.

Fortschritte in der Physik ermöglichen häufig Fortschritte in neu Technologien. Zum Beispiel Fortschritte beim Verständnis von Elektromagnetismus, Festkörperphysik, und Kernphysik direkt zur Entwicklung neuer Produkte geführt, die die moderne Gesellschaft dramatisch verändert haben, wie z. Fernsehen, Computers, Haushaltsgeräte, und Atomwaffen;^[3] Fortschritte in der Thermodynamik führte zur Entwicklung von Industrialisierung; und Fortschritte in Mechanik inspirierte die Entwicklung von Infinitesimalrechnung.

Geschichte

Das Wort "Physik" kommt von Altgriechisch: φυσική (ἐπιστήμη), romanisiert:physikḗ (epistḗmē), bedeutet "Wissen der Natur".^[8][9][10]

Alte Astronomie

Alt Ägyptische Astronomie ist offensichtlich in Denkmälern wie dem Decke von Senemuts Grab von dem 18. Dynastie Ägyptens.

Astronomie ist einer der ältesten Naturwissenschaften. Frühe Zivilisationen aus dem Jahr 3000 v. Chr. Sumerer, alte Ägypter, und die Indus -Tal -Zivilisation, hatte ein prädiktives Wissen und ein grundlegendes Bewusstsein für die Bewegungen von Sonne, Mond und Sternen. Die Sterne und Planeten, von denen angenommen wurde, dass sie Götter repräsentieren, wurden oft verehrt. Während die Erklärungen für die beobachteten Positionen der Sterne oft unwissenschaftlich waren und keine Beweise dafür haben, legten diese frühen Beobachtungen die Grundlage für die spätere Astronomie, da die Sterne festgestellt wurden Tolle Kreise über den Himmel,^[6] was jedoch die Positionen der Planeten.

Entsprechend Asger Aaboe, die Ursprünge von Western Astronomie kann in gefunden werden Mesopotamienund alle westlichen Bemühungen in der exakte Wissenschaften stammen von spät ab Babylonische Astronomie.^[11] Ägyptische Astronomen Linke Denkmäler, die Kenntnisse der Konstellationen und den Bewegungen der Himmelskörper zeigen,^[12] während griechischer Dichter Homer schrieb über verschiedene himmlische Objekte in seinem Ilias und Odyssee; später Griechische Astronomen Für die meisten Konstellationen, die heute noch verwendet werden, wurden Namen zur Verfügung gestellt, die aus dem sichtbar sind Nördliche Hemisphäre.^[13]

Naturwissenschaft

Naturwissenschaft hat seinen Ursprung in Griechenland während der Archaische Periode (650 v. Chr. - 480 v. Chr.), Wann Präsokratische Philosophen wie Thales abgelehnt nicht naturalistisch Erklärungen für natürliche Phänomene und verkündeten, dass jedes Ereignis eine natürliche Sache hatte.^[14] Sie schlugen vor, die durch Vernunft und Beobachtung verifizierten Ideen vorzuschlagen, und viele ihrer Hypothesen erwiesen sich als erfolgreich im Experiment.^[15] zum Beispiel, Atomismus Es wurde festgestellt Leucippus und sein Schüler Demokrit.^[16]

Mittelalterlicher Europäer und islamisch

Das Western Römische Reich fiel im fünften Jahrhundert, und dies führte zu einem Rückgang der intellektuellen Aktivitäten im westlichen Teil Europas. Dagegen die Eastern Römische Reich (auch bekannt als die Byzantinisches Reich) widersetzte sich den Angriffen der Barbaren und förderte weiterhin verschiedene Lernfelder, einschließlich Physik.^[17]

Im sechsten Jahrhundert schuf Isidore von Miletus eine wichtige Zusammenstellung von Archimedes -Werken, die in der kopiert werden Archimedes Palimpest.

Ibn al-Haytham (c. 965 - C. 1040), Buch der Optik Buch I, [6.85], [6.86]. Buch II, [3.80] beschreibt seine Camera Obscura experiments.^[18]

Im Europa des 16. Jahrhunderts John Philoponus, ein byzantinischer Gelehrter, befragt Aristoteles'S Lehre der Physik und bemerkte seine Mängel. Er stellte die vor Theorie des Impuls. Die Physik von Aristoteles wurde erst geprüft, bis der Philoponus erschien. Im Gegensatz zu Aristoteles, der seine Physik auf verbalem Argument stützte, stützte sich Philoponus auf die Beobachtung. Über Aristoteles's Physics Philoponus schrieb:

Dies ist jedoch völlig falsch, und unsere Ansicht kann durch tatsächliche Beobachtung effektiver bestätigt werden als durch jede Art von verbalem Argument. Denn wenn Sie von derselben Größe fallen lassen, werden zwei Gewichte, von denen einer um ein Vielfaches so schwer ist wie das andere,, dass das Verhältnis der für die Bewegung erforderlichen Zeiten nicht vom Verhältnis der Gewichte abhängt, sondern dass der Unterschied Mit der Zeit ist sehr klein. Und so, wenn der Unterschied in den Gewichten nicht beträchtlich ist, dh von einem, sagen wir, doppelt so No bedeutet vernachlässigbar, wobei ein Körper doppelt so viel wiegt wie der andere^[19]

Philoponus 'Kritik an aristotelischen Physikprinzipien diente als Inspiration für Galileo Galilei Zehn Jahrhunderte später,^[20] während der Wissenschaftliche Revolution. Galileo zitierte Philoponus in seinen Werken im Wesentlichen, als er argumentierte, dass die aristotelische Physik fehlerhaft sei.^[21][22] In den 1300er Jahren Jean Buridan, ein Lehrer an der Fakultät für Künste an der Universität von Paris, entwickelte das Konzept des Impuls. Es war ein Schritt in Richtung moderner Ideen von Trägheit und Dynamik.^[23]

Islamisches Wissenschaft vererbt Aristotelische Physik von den Griechen und während der Islamisches goldenes Zeitalter entwickelte es weiter, insbesondere im Wert auf Beobachtung und a priori Argumentation, frühe Formen der Entwicklung der wissenschaftliche Methode.

Die grundlegende Art und Weise, wie eine Lochkamera funktioniert

Die bemerkenswertesten Innovationen waren auf dem Gebiet der Optik und Vision, die aus den Werken vieler Wissenschaftler wie entstanden sind Ibn Sahl, Al-kindi, Ibn al-Haytham, Al-Farisi und Avicenna. Die bemerkenswerteste Arbeit war Das Buch der Optik (auch bekannt als Kitāb al-Manāẓir), geschrieben von Ibn al-Haytham, in dem er die alte griechische Idee der Vision endgültig widerlegt, aber auch eine neue Theorie entwickelte. In dem Buch präsentierte er eine Untersuchung des Phänomens der Camera Obscura (seine tausendjährige Version der Lochkamera) und weiter in die Art und Weise eingeteilt, wie das Auge selbst funktioniert. Mit Dissektionen und dem Wissen über frühere Gelehrte konnte er anfangen zu erklären, wie Licht in das Auge eindringt. Er behauptete, dass der Lichtstrahl fokussiert ist, aber die tatsächliche Erklärung, wie Licht auf den Hintergrund projiziert wurde, musste bis 1604 warten. Sein Abhandlung am Licht Erklärte die Kamera obscura Hunderte von Jahren vor der modernen Entwicklung der Fotografie.^[24]

Das siebenbändige Buch der Optik (Kitab al-Manathir) enorm beeinflusstes Denken über Disziplinen aus der Theorie der visuellen Zeit hinweg beeinflusst Wahrnehmung zur Natur von Perspektive im mittelalterlichen Kunst im Osten und im Westen seit mehr als 600 Jahren. Viele spätere europäische Gelehrte und andere Polymaths, von Robert Grosseteste und Leonardo da Vinci zu René Descartes, Johannes Kepler und Isaac Newtonwaren in seiner Schuld. In der Tat liegt der Einfluss von Ibn Al-Haythams Optik neben dem von Newtons gleichem Titel, das 700 Jahre später veröffentlicht wurde.

Die Übersetzung von Das Buch der Optik hatte einen großen Einfluss auf Europa. Daraus konnten spätere europäische Gelehrte Geräte bauen, die die Ibn al-Haytham wiederholten und die Art und Weise verstehen, wie Licht funktioniert. Aus diesem Grund wurden wichtige Erfindungen wie Brillen, Lupengläser, Teleskope und Kameras entwickelt.

Klassisch

Galileo Galilei zeigten eine moderne Wertschätzung für die richtige Beziehung zwischen Mathematik, theoretischer Physik und experimenteller Physik.

Herr Isaac Newton (1643–1727), deren Bewegungsgesetze und Universale Gravitation waren wichtige Meilensteine ​​in der klassischen Physik

Physik wurde zu einer separaten Wissenschaft, als Europäer der frühen Neuzeit verwendete experimentelle und quantitative Methoden, um herauszufinden, was jetzt als die angesehen wird Gesetze der Physik.^{[25][Seite benötigt]}

Zu den wichtigsten Entwicklungen in diesem Zeitraum gehören der Ersatz der Geozentrisches Modell des Sonnensystem mit dem heliozentrischen Copernican -Modell, das Gesetze, die den Antrag auf Planetenkörper regeln (bestimmt durch Kepler zwischen 1609 und 1619), Galileos wegweisende Arbeit an Teleskope und Beobachtungsastronomie im 16. und 17. Jahrhundert und Newtons Entdeckung und Vereinigung der Bewegungsgesetze und Universale Gravitation (Das würde seinen Namen tragen).^[26] Newton entwickelte sich ebenfalls Infinitesimalrechnung,^[d] Die mathematische Untersuchung des Wandels, die neue mathematische Methoden zur Lösung körperlicher Probleme lieferte.^[27]

Die Entdeckung neuer Gesetze in Thermodynamik, Chemie, und Elektromagnetik resultierte aus größeren Forschungsbemühungen während der Industrielle Revolution Mit zunehmender Energie.^[28] Die Gesetze, die die klassische Physik umfassen, bleiben sehr weit verbreitet für Objekte auf alltäglichen Skalen, die mit nicht-relativistischen Geschwindigkeiten reisen, da sie in solchen Situationen und Theorien wie z. B. eine sehr enge Annäherung angeben Quantenmechanik und die Relativitätstheorie Vereinfachen Sie ihre klassischen Äquivalente in solchen Skalen. Ungenauigkeiten jedoch in klassische Mechanik Für sehr kleine Objekte und sehr hohe Geschwindigkeiten führten im 20. Jahrhundert zur Entwicklung der modernen Physik.

Modern

Max Planck (1858–1947), der Urheber der Theorie von Quantenmechanik

Albert Einstein (1879–1955), deren Arbeit an der photoelektrischer Effekt und die Theorie der Relativitätstheorie führte zu einer Revolution in der Physik des 20. Jahrhunderts

Moderne Physik begann im frühen 20. Jahrhundert mit der Arbeit von Max Planck in der Quantentheorie und Albert Einstein'S Theorie der Relativitätstheorie. Beide Theorien entstanden aufgrund von Ungenauigkeiten in der klassischen Mechanik in bestimmten Situationen. Klassische Mechanik prognostizierte eine variierende Lichtgeschwindigkeit, was nicht mit der konstanten Geschwindigkeit aufgelöst werden konnte, die von vorhergesagt wurde Maxwells Gleichungen des Elektromagnetismus; Diese Diskrepanz wurde durch Einsteins Theorie von korrigiert Spezielle Relativität, der die klassische Mechanik für sich schnell bewegende Körper ersetzte und eine konstante Lichtgeschwindigkeit ermöglichte.^[29] Schwarzkörperstrahlung lieferte ein weiteres Problem für die klassische Physik, die korrigiert wurde, als Planck vorschlug, dass die Anregung von Materialoszillatoren nur in diskreten Schritten möglich ist, die proportional zu ihrer Frequenz sind; Dies zusammen mit dem photoelektrischer Effekt und eine vollständige Theorie, die diskret vorhersagt Energieniveaus von Elektronenorbitale, führte zur Theorie der Quantenmechanik, die die klassische Physik auf sehr kleinen Maßstäben übernahm.^[30]

Quantenmechanik würde von der Pionierin von Pionierarbeit erfolgen Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger und Paul Dirac.^[30] Aus dieser frühen Arbeit und Arbeit in verwandten Bereichen die Standardmodell der Partikelphysik abgeleitet wurde.^[31] Nach der Entdeckung eines Teilchens mit Eigenschaften, die mit dem übereinstimmen Higgs Boson bei Cern in 2012,^[32] alle Grundpartikel vorhergesagt durch das Standardmodell und keine anderen, scheinen zu existieren; jedoch, Physik jenseits des Standardmodells, mit Theorien wie z. Supersymmetrie, ist ein aktives Forschungsbereich.^[33] Gebiete von Mathematik Im Allgemeinen sind für dieses Gebiet wichtig, wie das Studium von Wahrscheinlichkeiten und Gruppen.

Philosophie

In vielerlei Hinsicht stammt die Physik aus Antike griechische Philosophie. Vom ersten Versuch von Thales 'erster Versuch, die Materie zu charakterisieren, bis hin zu dem Demokritus' Abzug, dass die Materie auf einen invarianten Staat reduzieren sollte, die Ptolemäische Astronomie einer Kristalline Firmamentund Aristoteles 'Buch Physik (Ein frühes Buch über Physik, das versuchte, Bewegung aus philosophischer Sicht zu analysieren und zu definieren), förderten verschiedene griechische Philosophen ihre eigenen Naturtheorien. Die Physik war bis zum späten 18. Jahrhundert als Naturphilosophie bekannt.^[e]

Bis zum 19. Jahrhundert wurde die Physik als Disziplin der Philosophie und den anderen Wissenschaften realisiert. Die Physik stützt sich wie beim Rest der Wissenschaft auf Philosophie der Wissenschaft und seine "wissenschaftliche Methode", um unser Wissen über die physische Welt zu fördern.^[35] Die wissenschaftliche Methode verwendet a priori argumentation ebenso gut wie A posteriori Argumentation und Verwendung von Bayes'sche Inferenz 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 Themen im Zusammenhang mit der Physik, der Philosophie der Physik, beinhaltet Probleme wie die Natur von Platz und Zeit, Determinismusund metaphysische Aussichten wie z. Empirismus, Naturalismus und Realismus.^[37]

Viele Physiker haben beispielsweise über die philosophischen Auswirkungen ihrer Arbeit geschrieben Laplace, der sich einsetzte kausaler Determinismus,^[38] und Schrödinger, der über Quantenmechanik schrieb.^[39][40] Der mathematische Physiker Roger Penrose war a genannt worden Platoniker durch Stephen Hawking,^[41] Eine Ansicht, die Penrose in seinem Buch diskutiert, Der Weg zur Realität.^[42] Hawking bezeichnete sich als "unverschämter Reduktionist" und stellte sich mit Penrose's 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 eine angemessene Annäherung an die Natur erwiesen. Zum Beispiel die Theorie von klassisch Die Mechanik beschreibt genau die Bewegung von Objekten, vorausgesetzt, sie sind viel größer als Atome und sich mit viel weniger als der Lichtgeschwindigkeit bewegen. Diese Theorien sind heute weiterhin Bereiche der aktiven Forschung. ChaostheorieEin bemerkenswerter Aspekt der klassischen Mechanik wurde im 20. Jahrhundert drei Jahrhunderte nach der ursprünglichen Formulierung der klassischen Mechanik von Newton (1642–1727) entdeckt.

Diese zentralen Theorien sind wichtige Instrumente für die Erforschung von spezialisierteren Themen, und es wird erwartet, dass jeder Physiker, unabhängig von ihrer Spezialisierung, in ihnen gebildet wird. Dazu gehören klassische Mechanik, Quantenmechanik, Thermodynamik und Statistische Mechanik, Elektromagnetismusund besondere Relativitätstheorie.

Klassisch

Die klassische Physik umfasst die traditionellen Zweige und Themen, die vor Beginn des 20. Jahrhunderts anerkannt und gut entwickelt wurden-klassische Mechanik, Akustik, Optik, Thermodynamik und Elektromagnetismus. Die klassische Mechanik befasst Kräfte und Körper in Bewegung und kann unterteilt sein in Statik (Untersuchung der Kräfte auf einem Körper oder Körpern, die nicht einer Beschleunigung unterliegen), Kinematik (Studie der Bewegung ohne Rücksicht auf seine Ursachen) und Dynamik (Untersuchung der Bewegung und der Kräfte, die sie beeinflussen); Mechaniker können auch unterteilt sein in Feste Mechanik und Strömungsmechanik (zusammen bekannt als als Kontinuumsmechanik), Letztere enthalten Zweige wie Hydrostatik, Hydrodynamik, Aerodynamik, und Pneumatik. Akustik ist die Untersuchung, wie der Klang erzeugt, kontrolliert, übertragen und empfangen wird.^[44] Wichtige moderne Zweige der Akustik umfassen Ultraschalldie Untersuchung von Schallwellen von sehr hoher Frequenz über den Bereich des menschlichen Gehörs hinaus; Bioakustik, die Physik von Tieranrufen und Hören,^[45] und Elektroakustikdie Manipulation von hörbaren Schallwellen mit Elektronik.^[46]

Optik, das Studium von hell, betrifft nicht nur mit sichtbares Licht aber auch mit Infrarot und UV-Strahlung, die alle Phänomene des sichtbaren Lichts aufweisen, mit Ausnahme der Sichtbarkeit, z. B. Reflexion, Brechung, Interferenz, Beugung, Dispersion und Polarisation von Licht. Hitze ist eine Form von Energie, die innere Energie, die von den Partikeln besessen ist, von denen eine Substanz besteht; Die Thermodynamik befasst sich mit den Beziehungen zwischen Wärme und anderen Energieformen. Elektrizität und Magnetismus wurden als einzelner Zweig der Physik untersucht, seit die enge Verbindung zwischen ihnen im frühen 19. Jahrhundert entdeckt wurde; ein elektrischer Strom führt zu a Magnetfeldund ein sich ändernder Magnetfeld induziert einen elektrischen Strom. Elektrostatik befasst sich mit elektrische Aufladungen im Ruhezustand, Elektrodynamik mit beweglichen Gebühren und Magnetostatik mit Magnetpolen in Ruhe.

Modern

Die klassische Physik befasst sich im Allgemeinen mit Materie und Energie im normalen Beobachtungsmaßstab, während sich ein Großteil der modernen Physik unter extremen Bedingungen oder bei sehr großer oder sehr kleinem Maßstab mit dem Verhalten von Materie und Energie befasst. Zum Beispiel, Atomic und Kernphysik Studienfragen in der kleinsten Skala, in der chemische Elemente kann identifiziert werden. Das Physik von Elementarpartikeln ist noch kleiner, da es sich um die grundlegendsten Einheiten von Materie befasst; Dieser Zweig der Physik ist auch als energiereiche Physik bekannt Partikelbeschleuniger. In dieser Größenordnung sind gewöhnliche, gemeinsame Vorstellungen von Raum, Zeit, Materie und Energie nicht mehr gültig.^[47]

Die beiden Haupttheorien der modernen Physik präsentieren ein anderes Bild der Konzepte von Raum, Zeit und Materie als die von der klassischen Physik dargestellten. Die klassische Mechanik nähert sich der Natur als kontinuierlich, während die Quantentheorie mit der diskreten Natur vieler Phänomene auf atomarer und subatomischer Ebene und mit den komplementären Aspekten von Partikeln und Wellen in der Beschreibung solcher Phänomene befasst. Die Theorie der Relativitätstheorie befasst sich mit der Beschreibung von Phänomenen, die in a stattfinden Bezugsrahmen Das ist in Bezug auf einen Beobachter in Bewegung; Die besondere Theorie der Relativitätstheorie befasst sich mit Bewegung in Abwesenheit von Gravitationsfeldern und der Allgemeine Theorie der Relativitätstheorie mit Bewegung und ihrer Verbindung mit Gravitation. Sowohl die Quantentheorie als auch die Theorie der Relativitätstheorie finden Anwendungen in allen Bereichen der modernen Physik.^[48]

Grundlegende Konzepte in der modernen Physik

• Kausalität
• Kovarianz
• Aktion
• Physisches Feld
• Symmetrie
• Physische Interaktion
• Statistisches Ensemble
• Quanten
• Welle
• Partikel

Unterschied

Die grundlegenden Bereiche der Physik

Während die Physik darauf abzielt, universelle Gesetze zu entdecken, liegen die Theorien in expliziten Bereichen der Anwendbarkeit.

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

Lose gesagt beschreiben die Gesetze der klassischen Physik Systemen genau, deren wichtige Längenskalen größer sind als die atomare Skala und deren Bewegungen viel langsamer sind als die Lichtgeschwindigkeit. Außerhalb dieses Bereichs entsprechen Beobachtungen nicht die Vorhersagen, die von der klassischen Mechanik bereitgestellt werden. Einstein trug den Rahmen einer besonderen Relativitätstheorie bei, die die Vorstellungen von ersetzte Absolute Zeit und Raum mit Freizeit und ermöglichte eine genaue Beschreibung von Systemen, deren Komponenten Geschwindigkeiten aufweisen, die sich der Lichtgeschwindigkeit nähern. Planck, Schrödinger und andere führten die Quantenmechanik ein, einen probabilistischen Begriff von Partikeln und Wechselwirkungen, die eine genaue Beschreibung von atomaren und subatomaren Skalen ermöglichten. Später, Quantenfeldtheorie Einheitliche Quantenmechanik und spezielle Relativitätstheorie. Die allgemeine Relativitätstheorie ermöglichte eine dynamische, gekrümmte Raumzeit, mit der hoch massive Systeme und die große Struktur des Universums gut beschrieben werden können. Die allgemeine Relativitätstheorie war noch nicht mit den anderen grundlegenden Beschreibungen einheitlich; mehrere Kandidatentheorien von Quantengravitation Werden entwickelt.

Beziehung zu anderen Feldern

Dies Parabel-Shaped Lavastrom zeigt die Anwendung der Mathematik in der Physik - in diesem Fall Galileo's Gesetz der fallenden Körpern.

Mathematik und Ontologie werden in der Physik verwendet. Physik wird in Chemie und Kosmologie verwendet.

Voraussetzungen

Mathematik bietet eine kompakte und genaue Sprache, die zur Beschreibung der Reihenfolge in der Natur verwendet wird. Dies wurde festgestellt und von ihnen befürwortet von Pythagoras,^[49] Plato,^[50] Galileo,^[51] und Newton.

Physik verwendet Mathematik^[52] experimentelle Ergebnisse organisieren und formulieren. Aus diesen Ergebnissen, präzise oder geschätzt Lösungen werden erhalten oder quantitative Ergebnisse, aus denen neue Vorhersagen gemacht und experimentell bestätigt oder negiert werden können. Die Ergebnisse aus Physikversuche sind numerische Daten mit ihren Maßeinheiten und Schätzungen der Fehler in den Messungen. Technologien, die auf Mathematik basieren, wie Berechnung gemacht Computerphysik ein aktives Forschungsbereich.

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

Ontologie ist eine Voraussetzung für die Physik, aber nicht für die Mathematik. Es bedeutet, dass sich die Physik letztendlich mit Beschreibungen der realen Welt befasst, während sich die Mathematik auch mit abstrakten Mustern über die reale Welt hinaus befasst. Somit sind physikalische Aussagen synthetisch, während mathematische Aussagen analytisch sind. Die Mathematik enthält Hypothesen, während die Physik Theorien enthält. Mathematikanweisungen müssen nur logischerweise wahr sein, während Vorhersagen von Physikanweisungen beobachtete und experimentelle Daten übereinstimmen müssen.

Die Unterscheidung ist eindeutig, aber nicht immer offensichtlich. Zum Beispiel, Mathematische Physik ist die Anwendung der Mathematik in der Physik. Seine Methoden sind mathematisch, aber sein Thema ist physisch.^[53] Die Probleme in diesem Bereich beginnen mit einem "mathematisches Modell einer physischen Situation"(System) und eine" mathematische Beschreibung eines physischen Gesetzes ", das auf dieses System angewendet wird. Jede mathematische Aussage, die zum Lösen verwendet wird , weil es das ist, wonach der Löser sucht.^{[Klarstellung erforderlich]}

Reine Physik ist ein Zweig von Grundwissenschaft (auch Grundlagenwissenschaft genannt). Physik wird auch "genannt" genannt "das Grundlegende Wissenschaft ", weil alle Zweige der Naturwissenschaft wie Chemie, Astronomie, Geologie und Biologie durch Gesetze der Physik eingeschränkt werden.^[54] In ähnlicher Weise wird Chemie oft genannt Die Zentralwissenschaft Wegen seiner Rolle bei der Verknüpfung der physischen Wissenschaften. Zum Beispiel Chemiestudien Eigenschaften, Strukturen und Reaktionen der Materie (Chemie der Fokus auf die molekulare und atomare Skala unterscheidet es von der Physik). Strukturen werden gebildet, weil Partikel gegenseitig elektrische Kräfte ausüben, Eigenschaften physikalische Eigenschaften gegebener Substanzen und Reaktionen sind an Gesetze der Physik gebunden, wie Energieerhaltung, Masse, und aufladen. Die Physik wird in Branchen wie Ingenieurwesen und Medizin angewendet.

Anwendung und Einfluss

Klassische Physik in einem implementierten Akustik Engineering Schallmodell, das von einem akustischen Diffusor reflektiert wird

Archimedes 'Schraube, a einfache Maschine zum Heben

Experiment mit a Laser-

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 von Ingenieurwesen Da ein angewandter Physiker möglicherweise nicht etwas Besonderes entwirft, sondern eher Physik oder Physikforschung durchführt, um neue Technologien zu entwickeln oder ein Problem zu lösen.

Der Ansatz ähnelt dem der von angewandte Mathematik. Angewandte Physiker verwenden Physik in der wissenschaftlichen Forschung. Zum Beispiel Menschen, die daran arbeiten Beschleunigerphysik könnte versuchen, besser zu bauen Partikeldetektoren Für Forschung in der theoretischen Physik.

Die Physik wird stark im Ingenieurwesen eingesetzt. Zum Beispiel Statik, ein Unterfeld von Mechanik, wird im Gebäude von verwendet Brücken und andere statische Strukturen. Das Verständnis und die Verwendung von Akustik führt zu einer soliden Kontrolle und besseren Konzertsälen. In ähnlicher Weise schafft die Verwendung von Optik bessere optische Geräte. Ein Verständnis der Physik ist realistischer Flugsimulatoren, Videospieleund Filme und ist oft kritisch in forensisch Untersuchungen.

Mit dem Standardkonsens dass die Rechtsvorschriften der Physik ist universell und verändert sich nicht mit der Zeit, Physik kann verwendet werden, um Dinge zu untersuchen, in denen normalerweise in den Mischung ausreicht Unsicherheit. Zum Beispiel in der Untersuchung des Ursprungs der Erde, man kann vernünftigerweise die Masse, Temperatur und Drehzahl der Erde modellieren, in Abhängigkeit von der Zeit, die es ermöglicht, in der Zeit nach vorne oder rückwärts zu extrapolieren und so zukünftige oder frühere Ereignisse vorherzusagen. Es ermöglicht auch Simulationen im Ingenieurwesen, die die Entwicklung einer neuen Technologie drastisch beschleunigen.

Aber es gibt auch beträchtlich Interdisziplinaritätso viele andere wichtige Felder werden von der Physik beeinflusst (z. B. die Felder von Ökonophysik und Soziophysik).

Forschung

Wissenschaftliche Methode

Physiker verwenden die wissenschaftliche Methode, um die Gültigkeit von a zu testen Physikalische Theorie. Verwenden Sie einen methodischen Ansatz, um die Auswirkungen einer Theorie mit den Schlussfolgerungen aus ihren verwandten zu vergleichen Experimente und Beobachtungen können Physiker die Gültigkeit einer Theorie besser auf logische, unvoreingenommene und wiederholbare Weise testen. Zu diesem Zweck werden Experimente durchgeführt und Beobachtungen durchgeführt, um die Gültigkeit oder Ungültigkeit der Theorie zu bestimmen.^[55]

Ein wissenschaftliches Gesetz ist eine kurze verbale oder mathematische Aussage einer Beziehung, die ein grundlegendes Prinzip einer Theorie ausdrückt, wie das Newtons Gesetz der universellen Gravitation.^[56]

Theorie und Experiment

Das Astronaut und Erde sind beide in freier Fall.

Blitz ist ein elektrischer Strom.

Theoretiker versuchen sich zu entwickeln Mathematische Modelle dass beide mit bestehenden Experimenten übereinstimmen und zukünftige experimentelle Ergebnisse erfolgreich vorherzusagen, während Experimentalisten Entwickeln und führen Sie Experimente durch, um theoretische Vorhersagen zu testen und neue Phänomene zu erkunden. Obwohl Theorie und Experiment werden getrennt entwickelt, sie beeinflussen stark und hängen voneinander ab. Fortschritte in der Physik sind häufig zustande Vorhersagen, die die Entwicklung neuer Experimente (und häufig verwandte Ausrüstung) inspirieren.^[57]

Physiker Wer beim Zusammenspiel von Theorie und Experiment arbeitet, heißt Phänomenologen, die komplexe Phänomene untersuchen, die im Experiment beobachtet wurden und daran arbeiten, sie mit a zu beziehen Grundtheorie.^[58]

Die theoretische Physik hat sich historisch von der Philosophie inspirieren lassen; Elektromagnetismus war auf diese Weise einheitlich.^[f] Jenseits des bekannten Universums befasst sich auch das Gebiet der theoretischen Physik mit hypothetischen Problemen,^[g] wie zum Beispiel paralleluniversen, a Multiversum, und Höhere Dimensionen. Theoretiker berufen diese Ideen in der Hoffnung, bestimmte Probleme mit bestehenden Theorien zu lösen. Anschließend untersuchen sie die Konsequenzen dieser Ideen und arbeiten darauf hin, überprüfbare Vorhersagen zu treffen.

Die experimentelle Physik erweitert sich und wird von Engineering und erweitert, und wird erweitert, Engineering und Technologie. Experimentelle Physiker, die an beteiligt sind Grundlagenforschung, entwerfen und führen Experimente mit Geräten wie Partikelbeschleunigern aus und durch Laser, während die Beteiligten angewandte Forschung häufig in der Industrie arbeiten, entwickeln Technologien wie Magnetresonanztomographie (MRT) und Transistoren. Feynman hat festgestellt, dass Experimentalisten von Theoretikern nicht gut untersucht wurden.^[59]

Umfang und Ziele

Die Physik beinhaltet die Modellierung der natürlichen Welt mit Theorie, normalerweise quantitativ. Hier ist der Weg eines Teilchens mit der Mathematik von modelliert Infinitesimalrechnung Um sein Verhalten zu erklären: den Zuständigkeitsbereich des Zweigs der Physik, bekannt als Mechanik.

Physik deckt eine breite Palette von ab Phänomene, aus Elementarteilchen (wie Quarks, Neutrinos und Elektronen) an die größten Supercluster von Galaxien. In diesen Phänomenen sind die grundlegendsten Objekte enthalten, die alle anderen Dinge verfassen. Daher wird die Physik manchmal als "grundlegende Wissenschaft" bezeichnet.^[54] Die Physik zielt darauf ab, die verschiedenen Phänomene zu beschreiben, die in der Natur in Bezug auf einfachere Phänomene auftreten. Daher zielt die Physik darauf ab, die Dinge sowohl mit den Menschen beobachtbaren Ursachen zu verbinden als auch diese Ursachen miteinander zu verbinden.

Zum Beispiel die Altchinesisch beobachtete, dass bestimmte Gesteine ​​(Magnetit und Magnetit) wurden von einer unsichtbaren Kraft voneinander angezogen. Dieser Effekt wurde später als Magnetismus bezeichnet, der erstmals im 17. Jahrhundert streng untersucht wurde. Aber noch bevor die Chinesen Magnetismus entdeckten, die Antike Griechen wusste von anderen Objekten wie Bernstein, das, wenn er mit Fell gerieben würde, würde eine ähnliche unsichtbare Anziehungskraft zwischen den beiden verursachen.^[60] Dies wurde auch erstmals im 17. Jahrhundert streng untersucht und wurde als Strom bezeichnet. Somit hatte die Physik zwei Beobachtungen der Natur in Bezug 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 "vereinheitlichen" Kräfte wird heute fortgesetzt, und der Elektromagnetismus und der Schwache Atomkraft werden jetzt als zwei Aspekte der Electrowak -Wechselwirkung. Physik hofft, einen ultimativen Grund (Theorie von allem) zu finden, warum die Natur so ist wie sie ist (siehe Abschnitt Aktuelle Forschung unten für weitere Informationen).^[61]

Forschungsfelder

Die zeitgenössische Forschung in der Physik kann weitgehend in Kern- und Teilchenphysik unterteilt werden. Physik der kondensierten Materie; atomare, molekulare und optische Physik; Astrophysik; und angewandte Physik. Einige Physikabteilungen unterstützen auch Forschung für Physikunterricht und Physik Öffentlichkeitsarbeit.^[62]

Seit dem 20. Jahrhundert sind die einzelnen Bereiche der Physik zunehmend spezialisiert geworden, und heute arbeiten die meisten Physiker für ihre gesamte Karriere in einem einzigen Bereich. "Universalisten" wie Einstein (1879–1955) und Lev Landau (1908–1968), der in mehreren Bereichen der Physik arbeitete, sind jetzt sehr selten.^[h]

Die wichtigsten Physikfelder sowie die von ihnen verwendeten Theorien und Konzepte sind in der folgenden Tabelle gezeigt.

Kern- und Teilchen

Ein simuliertes Ereignis im CMS -Detektor der Large Hadron Collider, mit einem möglichen Auftritt der Higgs Boson.

Partikelphysik ist die Untersuchung der elementaren Bestandteile von Angelegenheit und Energie und die Interaktionen zwischen ihnen.^[63] Darüber hinaus entwerfen und entwickeln Partikelphysiker die energiegeladenen Beschleuniger.^[64] Detektoren,^[65] und Computerprogramme^[66] notwendig für diese Forschung. Das Feld wird auch als "energiereiche Physik" bezeichnet Kollisionen von anderen Partikeln.^[67]

Derzeit die Wechselwirkungen von Elementarpartikeln und Felder werden durch die beschrieben Standardmodell.^[68] Das Modell berücksichtigt die 12 bekannten Materiepartikel (Quarks und Leptons) die über die interagieren stark, schwach und elektromagnetisch Grundkräfte.^[68] Die Dynamik wird im Hinblick auf den Austausch von Materie -Partikeln beschrieben Messbosonen (Gluonen, W und Z Bosonen, und Photonen, beziehungsweise).^[69] Das Standardmodell prognostiziert auch ein Partikel, das als Higgs -Boson bekannt ist.^[68] Im Juli 2012 kündigte CERN, das europäische Labor für Teilchenphysik, den Nachweis eines Partikels an, das mit dem Higgs -Boson übereinstimmt.^[70] ein integraler Bestandteil der Higgs -Mechanismus.

Kernphysik ist der Bereich der Physik, der die Bestandteile und Wechselwirkungen von untersucht Atomkerne. Die bekanntesten Anwendungen der Kernphysik sind Atomkraft Generation und Atomwaffen Technologie, aber die Forschung hat in vielen Bereichen angewendet, einschließlich derer in Nuklearmedizin und Magnetresonanztomographie, Ionenimplantation in Werkstofftechnik, und Radiokohlenstoffdatierung in Geologie und Archäologie.

Atomar, molekular und optisch

Atomic, Molekularund optische Physik (AMO) ist das 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, semi-klassische als auch Quanten Behandlungen; Sie können ihr Subjekt aus mikroskopischer Ansicht behandeln (im Gegensatz zu einer makroskopischen Ansicht).

Atomenphysik untersucht die Elektronenschalen von Atomen. Die aktuelle Forschung konzentriert sich auf Aktivitäten bei der Quantenkontrolle, Kühlung und Einfangen von Atomen und Ionen,^[71][72][73] Kollisionsdynamik mit niedriger Temperatur und die Auswirkungen der Elektronenkorrelation auf Struktur und Dynamik. Die Atomphysik wird von der beeinflusst Kern (sehen Hyperfeinspaltung), aber intra-nukleare Phänomene wie z. Fission und Verschmelzung werden als Teil der Kernphysik angesehen.

Molekulare Physik Konzentriert sich auf multi-atomare Strukturen und ihre internen und externen Wechselwirkungen mit Materie und Licht. Optische Physik unterscheidet sich von der Optik insofern, als es sich tendenziell nicht auf die Kontrolle klassischer Lichtfelder durch makroskopische Objekte konzentriert, sondern auf die grundlegenden Eigenschaften von Optische Felder und ihre Wechselwirkungen mit Materie im mikroskopischen Bereich.

Kondensierte Materie

Geschwindigkeitsverteilungsdaten eines Gass von Rubidium Atome, die die Entdeckung einer neuen Phase der Materie bestätigen, die Bose -Einstein -Kondensat

Die Physik der kondensierten Materie ist das Gebiet der Physik, das sich mit den makroskopischen physikalischen Eigenschaften der Materie befasst.^[74][75] Insbesondere befasst sich mit dem "Kondensierten" Phasen Dies erscheinen, 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 Festkörper und Flüssigkeiten, was aus der Bindung durch die entstehen elektromagnetische Kraft zwischen Atomen.^[77] Exotischer kondensierter Phasen umfassen die Superfluid^[78] und die Bose -Einstein -Kondensat^[79] in bestimmten Atomsystemen bei sehr niedrigen Temperaturen gefunden, die Superkondition Phase ausgestellt von Leitungselektronen in bestimmten Materialien,^[80] und die ferromagnetisch und antiferromagnetisch Phasen von Spins an Atomgitter.^[81]

Die Physik der kondensierten Materie ist das größte Bereich der zeitgenössischen Physik. Historisch gesehen entstanden die Physik der Kondensatuse aus der Festkörperphysik, die heute als eines ihrer Hauptunterflüsse angesehen wird.^[82] Der Begriff Physik der kondensierten Materie wurde anscheinend von geprägt von Philip Anderson Als er in seiner Forschungsgruppe umbenannt wurde - ärgerlich Festkörpertheorie- 1967.^[83] 1978 die Aufteilung der Festkörperphysik der Festkörperphysik der Amerikanische physische Gesellschaft wurde in die Aufteilung der Physik der Kondensatmaterie umbenannt.^[82] Die Physik der kondensierten Materie hat eine große Überlappung mit Chemie, Materialwissenschaften, Nanotechnologie und Engineering.^[76]

Astrophysik

Das tiefste Bild des sichtbaren Lichts der Universum, das Hubble Ultra-tiefe Feld

Astrophysik und Astronomie sind die Anwendung der Theorien und Methoden der Physik auf das Studium von Sternstruktur, Sternentwicklung, der Ursprung des Sonnensystems und verwandte Probleme von Kosmologie. Da Astrophysik ein breites Thema ist, wenden Astrophysiker typischerweise viele Disziplinen der Physik an, darunter Mechanik, Elektromagnetismus, statistische Mechanik, Thermodynamik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Kern- und Teilchenphysik sowie atomare und molekulare Physik.^[84]

Die Entdeckung von Karl Jansky 1931 wurden Funksignale von Himmlischen Körpern emittiert, die die Wissenschaft von initiierten Radioastronomie. Zuletzt wurden die Grenzen der Astronomie durch Weltraumforschung erweitert. Störungen und Einmischung aus der Erdatmosphäre machen raumbasierte Beobachtungen erforderlich für Infrarot, Ultraviolett, Gammastray, und Röntgenastronomie.

Die physische Kosmologie ist das Untersuchung der Bildung und Entwicklung des Universums auf seinen größten Skalen. Albert Einsteins Relativitätstheorie spielt in allen modernen kosmologischen Theorien eine zentrale Rolle. Anfang des 20. Jahrhunderts, HubbleEntdeckung, dass das Universum expandiert, wie der von dem zeigt Hubble -Diagramm, veranlasste rivalisierende Erklärungen als die Gleichgewichtszustand Universum und die Urknall.

Der Urknall wurde durch den Erfolg von bestätigt Urknall -Nukleosynthese und die Entdeckung der Kosmischer Mikrowellenhintergrund 1964. Das Urknallmodell beruht auf zwei theoretischen Säulen: Albert Einsteins allgemeine Relativitätstheorie und die kosmologisches Prinzip. Kosmologen haben kürzlich das etabliert ΛCDM -Modell der Evolution des Universums, zu dem auch gehört kosmische Inflation, dunkle Energie, und Dunkle Materie.

Es wird erwartet, dass zahlreiche Möglichkeiten und Entdeckungen aus neuen Daten aus dem entstehen Fermi Gammastray-Weltraumteleskop Im kommenden Jahrzehnt überarbeiten oder klären Sie die vorhandenen Modelle des Universums erheblich.^[85][86] Insbesondere das Potenzial für eine enorme Entdeckung, die dunkle Materie umgibt, ist in den nächsten Jahren möglich.^[87] Fermi wird nach Beweisen suchen, dass dunkle Materie besteht schwach interagierende massive Partikel, ergänzen ähnliche Experimente mit dem Large Hadron Collider und andere unterirdische Detektoren.

STEINBOCK gibt bereits neue nach astrophysisch Entdeckungen: "Niemand weiß, was die Schaffung des ENA (energetische neutrale Atome) Band "entlang der Kündigungsschock des Sonnenwind, "Aber alle sind sich einig, dass es das Lehrbuchbild der bedeutet Heliosphäre- In den der geladenen Partikeln des Sonnenwinds umhüllenden Tasche des Sonnensystems pflügt durch den in Form eines Kometen in Form eines Kometen - falsch - ist falsch. "^[88]

Aktuelle Forschung

Feynman -Diagramm unterzeichnet von R. P. Feynman.

Ein typisches Phänomen, das von Physik beschrieben wird: a Magnet über a Superkonferenz demonstriert die Meissner -Effekt.

Die Forschung in der Physik führt immer wieder an einer großen Anzahl von Fronten.

In der Physik der kondensierten Materie ist ein wichtiges ungelöstes theoretisches Problem das von Hochtemperatur-Supraleitung.^[89] Viele Experimente mit kondensierten Materie zielen darauf ab, funktionierbare Herstellung zu fabrizieren Spintronik und Quantencomputer.^[76][90]

In der Teilchenphysik erscheinen die ersten experimentellen Beweise für Physik über das Standardmodell hinaus. In erster Linie sind Anzeichen dafür Neutrinos haben ungleich Null Masse. Diese experimentellen Ergebnisse scheinen das langjährige Langstörungen gelöst zu haben Solar Neutrino -Problemund die Physik von massiven Neutrinos bleibt ein Bereich der aktiven theoretischen und experimentellen Forschung. Der große Hadron -Collider hat bereits den Higgs -Boson gefunden, aber zukünftige Forschungsarbeiten zielen darauf ab, die Supersymmetrie zu beweisen oder zu widerlegen, die das Standardmodell der Partikelphysik erweitert. Die Forschung über die Natur der wichtigsten Geheimnisse der dunklen Materie und der dunklen Energie geht derzeit ebenfalls weiter.^[91]

Obwohl in energieer hoher Energie viel Fortschritte erzielt wurden, Quantenund astronomische Physik, viele alltägliche Phänomene mit sich Komplexität,^[92] Chaos,^[93] oder Turbulenz^[94] sind immer noch schlecht verstanden. Komplexe Probleme, die so aussehen, als könnten sie durch eine clevere Anwendung von Dynamik und Mechanik gelöst werden. Beispiele hier Oberflächenspannung Katastrophenund selbstsortiert in erschütterten heterogenen Sammlungen.^[ich][95]

Diese komplexen Phänomene haben seit den 1970er Jahren aus mehreren Gründen wachsende Aufmerksamkeit erhalten, einschließlich der Verfügbarkeit moderner mathematischer Methoden und Computer, die es ermöglichten, komplexe Systeme auf neue Weise zu modellieren. Komplexe Physik ist zunehmend Teil von geworden interdisziplinär Untersuchungen, wie durch die Untersuchung von Turbulenz in der Aerodynamik und der Beobachtung von veranschaulicht Musterbildung in biologischen Systemen. 1932 Jährliche Überprüfung der Flüssigkeitsmechanik, Horace Lamm sagte:^[96]

Ich bin jetzt ein alter Mann, und wenn ich sterbe und in den Himmel gehe, gibt es zwei Angelegenheiten, auf die ich auf Erleuchtung hoffe. Einer ist die Quantenelektrodynamik, die andere ist die turbulente Bewegung von Flüssigkeiten. Und über den ersteren bin ich ziemlich optimistisch.

Siehe auch

Anmerkungen

Verweise

Quellen

Externe Links

• Physikcentral - Webportal von der ausgeführt Amerikanische physische Gesellschaft
• Physics.org - Webportal von der ausgeführt Institut für Physik
• Usenet Physics FAQ - FAQ erstellt von Sci.Physics und anderen Physik -Newsgroups
• Website des Nobelpreises für Physik - Auszeichnung für herausragende Beiträge zum Thema
• Welt der Physik - Online -Enzyklopädie -Wörterbuch für Physik
• Naturphysik - Wissenschaftliche Fachzeitschrift
• Physik - Online -Magazin von der Amerikanische physische Gesellschaft
• Physik/Veröffentlichungen bei Curlie - Verzeichnis der physikalischen Medien
• Das Vega Science Trust - Wissenschaftsvideos, einschließlich Physik
• Hyperphysics -Website -Physik und Astronomie-Mind-Map von Georgia State University
• Physik am MIT OCW - Online -Kursmaterial von Massachusetts Institute of Technology