Fysik

videnskaben om, hvordan naturen fungerer på det mest fundamentale niveau
(Omdirigeret fra Fysisk)

Fysik (over latin: physica fra oldgræsk: φυσική viden om natur)[1][2] er naturvidenskabelig studier af stof,[a] dets bevægelse og optræden i tid og rum og de relaterede begreber energi og kraft.[4] Fysik er en af de mest fundamentale videnskabelige discipliner, og forskningsfeltets primære mål er at forstå hvordan universet opfører sig.[b][5][6][7]

Forskellige fysiske fænomener.

Fysik er en af de ældste akademiske discipliner og, via inklusionen af astronomi, muligvis den ældste.[8] I størstedelen af de to foregående årtusinder har fysik, kemi, biologi og visse grene af matematik været en del af naturfilosofi, men under den videnskabelige revolution i 1600-tallet voksede disse naturvidenskabsgrene frem som deres egne unike forskningsområder.[c] Fysik overlapper med mange tværfaglige forskningsområder som biofysik og kvantekemi, og grænserne for fysik er ikke skarpt afgrænset. Nye ideer i fysik forklarer ofte fundamentale mekanismer, der er genstand for andre forskningsfelter[5] og kan være sætte en ny retning for forskning i andre akademiske discipliner som matematik og filosofi.

Fremskridt i fysik muliggør ofte fremskridt i nye teknologier. Eksempelvis har udvikling og forståelse af elektromagnetisme, faststoffysik og kernefysik ledt direkte til udviklinegn af nye produkter, der har ændre det moderne samfund meget, som bl.a. fjernsyn, computere, hårde hvidevarer og atomvåben;[5] forskning i termodynamik ledte til udviklingen af industrialiseringen og udvikling i mekanik har inspireret udviklingen af infinitesimalregning.

OverblikRediger

Fysik er tæt forbundet med andre naturvidenskaber, specielt kemi, med viden om atomer og de kemiske forbindelser de danner. Kemi trækker på mange felter fra fysikken, for eksempel kvantemekanik, termodynamik og elektromagnetisme. Men kemiske fænomener er tilstrækkeligt varierede og komplekse til at kemi normalt betragtes som en separat disciplin.

Inddeling af fysikRediger

 
Et simpelt eksperimentelt setup for a måle tyngdeaccelerationen. Bolden holdes i højden  , hvorfra den slippes. Med et stopur kan faldtiden måles.

I lighed med andre naturvidenskaber kan fysik grundlæggende deles op i eksperimentalfysik og teoretisk fysik. Eksperimentalfysikken er optaget af at opstille nye eksperimenter for derved at samle empiri, mens teoretiske fysikere opstiller modeller, der kan forklare de eksperimentelle resultater og komme med forudsigelser. Af og til regnes simulationer for at være en tredje gren.

EksperimentalfysikRediger

  Uddybende artikel: Eksperimentalfysik

Fysikeksperimenter har til formål at besvare et spørgsmål, som eksperimentalfysikeren har. For eksempel er et typisk gymnasieforsøg at lade en bold falde frit for at se, hvor hurtigt den falder afhængigt af højden. Et godt eksperiment er kendetegnet ved, at værdien af interesse kan måles præcist, og at alle faktorer, der kan påvirke resultatet, er under kontrol eller bliver taget højde for, når resultaterne analyseres. I eksemplet med bolden skal et stopur fx være præcist nok til at måle faldtiden, mens faldhøjden skal måles præcist med fx et målebånd. Af størst betydning for resultatet er luftmodstanden, så for at udelukke den bør bolden være tung samt have en form, der giver lav luftmodstand. Når dette eksperiment fungerer godt, kan eksperimentalfysikeren til gengæld genintroducerer luftmodstanden for at måle dens effekt i et nyt eksperiment.

Teoretisk fysikRediger

  Uddybende artikel: Teoretisk fysik
 
Et plot af faldtid som funktion af højde. De eksperimentelle værdier er røde, hvor bredden af hvert punkt er error bars, der angiver, hvor sikker den målte højde er. I grøn er Galileis faldlov fittet til de eksperimentelle resultater.

Teoretisk fysik har til opgave at sætte resultaterne fra eksperimentalfysik i system for derved at forstå, hvordan virkeligheden fungerer og for at komme med forudsigelser om, hvilket udkomme eksperimenter vil have, hvis de udføres på en anden måde.

I eksemplet med bolden vil en simpel model for dens opførsel være Galileis faldlov, der siger, at bolden er udsat for en konstant tyngdeacceleration. Derved kan faltiden som funktion af højden udledes, og de eksperimentelle værdier kan bruges til at bestemme tyngdeaccelerationen. En mere generel model ville være Newtons tyngdelov sammen med Newtons anden lov; disse er så fundamentale, at de kan beskrive både boldens fald samt planeternes baner. Det er generelt af interesse at opstille teorier, der kan forklare så mange eksperimentelle resultater som muligt, da teorien dermed repræsenterer en mere grundlæggende forståelse.

Alternativt kan Galilei faldlov gøres mere kompliceret ved at tilføje et bidrag fra luftmodstanden. Det er her især godt, hvis modellen kan forklare, hvordan luftmodstanden afhænger af det faldende objekts form. Da kan teorien bruges til at forudsige, hvilken form er nødvendig for at opnå en bestemt luftmodstand, så industrien i sidste ende fx kan producere aerodynamiske biler og ikke-aerodynamiske faldskærme.

Grundlæggende teorierRediger

Den teoretiske fysik kan grundlæggende deles op i klassisk fysik, der grundlæggende betragter fysik som deterministisk, og kvantefysik, som i stedet beskriver virkeligheden som stokastisk. Den klassiske fysik kan udledes fra kvantefysikken og er således ofte at foretrække, hvis systemet, der undersøges, ikke opfører sig på en måde, der kun kan forklares med kvantefysik. En forståelse af begge områder er et vigtigt fundament for fysikeren og en fast del af fysik-uddannelsen.

Det er ikke nødvendigvis entydigt, hvorvidt en given model er klassisk eller kvantefysisk, og visse modeller passer ikke ind i opdelingen.

Klassisk fysikRediger

  Uddybende artikel: Klassisk fysik

Klassisk fysik var den første grundlæggende teori for fysik og blev udviklet over århundreder op til omkring år 1900. Den klassiske fysik er kendetegnet ved at modellere systemer som værende grundlæggende deterministiske. Klassisk mekanik gælder generelt for makroskopiske systemer. Klassisk fysik kan også tage højde for materialeegenskaber såsom ledningsevne og viskositet, men kan ikke forklare oprindelsen af disse egenskaber.

Klassisk mekanikRediger

  Uddybende artikel: Klassisk mekanik

Den mest kendte formulering af klassisk mekanik er Newtons love. Isaac Newton beskriver alle fysiske interaktioner med en kraft, der er en vektorstørrelse. Et legeme, der påvirkes af en kraft, vil begynde at accelerere, der også er en vektor. Ifølge Newtons anden lov er kraften   proportional med accelerationen  , hvor proportionalitetskonstanten er legemets masse  .

 

Et massivt legeme skal altså bruge mere tid til at nå op på en given hastighed. I dagligdagen opleves dette fx ved, at lastbiler har brug for større bremselængde end andre biler, der har mindre masse.

Newtonsk gravitationRediger

  Uddybende artikel: Newtonsk gravitation

Samtidig med klassisk mekanik blev den første teori for gravitation udviklet. I denne teori tiltrækker alle legemer hinanden med en kraft, der er proportional med masserne   og  , men omvendt proportional med afstanden   i anden:

 

Enhedsvektoren   angiver, at kraften på det ene objekt virker i retningen af de andet objekt, og det negative fortegn viser, at kraften er tiltrækkende.

Klassisk elektrodynamikRediger

  Uddybende artikel: Klassisk elektrodynamik

I den klassisk model for elektromagnetisme - dvs. lys, elektricitet, elektricitet med mere - påvirker elektrisk ladede legemer også hinanden med en kraft. En af de tidligste lovmæssigheder er Coulombs lov, der har næsten samme form som Newtons tyngdelov:

 

Masserne er her udskiftet med de to legemers ladninger   og  , mens det negative fortegn angiver, at legemer med samme fortegn ladninger vil frastøde hinanden. Denne ligning gælder dog kun for stationære ladninger - såkaldt elektrostatik - mens elektromagnetisme mere generelt kan modelleres med Maxwells ligninger.

Termodynamik og statistisk mekanikRediger

  Uddybende artikel: Termisk fysik

Termodynamikken er studiet af, hvordan et system udveksler energi med omgivelserne og udøver et arbejde. Termodynamikken blev udviklet i 1800-tallet for at få en bedre forståelse for dampmaskinerne, der havde vundet indpas ifm. den industrielle revolution. Termodynamikken analyserer sådanne systemer ved at fokusere på de makroskopiske egenskaber; dvs. uden at tage højde for mindre dele såsom atomer.[10]

Relativistisk fysikRediger

  Uddybende artikel: Relativitetsteorien

Speciel relativitetsteoriRediger

  Uddybende artikel: Speciel relativitetsteori

Generel relativitetsteoriRediger

  Uddybende artikel: Generel relativitetsteori

KvantefysikRediger

  Uddybende artikel: Kvantefysik

Kvantefysikken blev udviklet fra omkring år 1900.

StandardmodellenRediger

  Uddybende artikel: Standardmodellen

Standardmodellen er den mest komplette kvantefysiske model og beskriver grundlæggende alle interaktioner med undtagelse af gravitation.

Retninger inden for fysikRediger

 
Koncepttegning af et sort hul (NASA).

Centrale teorierRediger

Klassisk mekanikTermodynamikStatistisk mekanikElektrodynamikSpeciel relativitetAlmen relativitetsteoriKvantemekanikKvantefeltteoriStandardmodellen

HistorieRediger

  Uddybende artikel: Fysikkens historie

Fysikken kan siges at starte med naturfilosoffen Aristoteles i Antikkens Grækenland, men den første moderne fysiker regnes normalt for at være Galileo Galilei.

FysikereRediger

  Uddybende artikel: Fysiker

Forskning i fysik bedrives af en fysiker, der typisk er uddannet inden for fysik, men vedkommende kan også få sin viden fra uddannelse i andre naturvidenskabelige, ingeniørmæssige eller matematiske områder. En fysiker kan udover forskning også beskæftige sig med uddannelse, anvendelse samt andre jobs, der ikke nødvendigvis er anses for at være fysikerjobs. Den tyske forbundskansler Angela Merkel (2005-nu) er uddannet fysiker.

Foreslåede teorierRediger

StrengteoriTolkning af kvantemekanikken

BegreberRediger

StofAntistofPartikelfysik (elementarpartikel, subatomar partikel) – BosonFermion
SymmetriBevarelsesloveMasseEnergiInertiVinkelhastighedSpin
TidRumDimensionRumtidLængdeHastighedKraftBevægelsesmængdeImpuls
BølgeBølgefunktionHarmonisk oscillatorMagnetismeElektricitetElektromagnetisk strålingTemperaturEntropiFysisk information

NaturkræfterRediger

Gravitation (Tyngdekraft) – ElektromagnetismeSvag kernekraftStærk kernekraft

PartiklerRediger

AtomProtonNeutronElektronKvarkFotonGluonW-bosonZ-bosonGravitonNeutrinoPartikelstråling

TabellerRediger

Fysiske konstanterGrundlæggende SI-enhederafledte SI-enhederSI-præfiksKonvertering af enheder

Beslægtede områderRediger

Matematisk fysikAstronomiAstrofysik- BiofysikElektronikIngeniørvidenskabMeteorologiNanoteknologi

Uløste problemerRediger

Fysikkens uløste gåder

Se ogsåRediger

NoterRediger

  1. ^ I begyndelsen af The Feynman Lectures on Physics angiver Richard Feynman at atomteori er det absolut største naturvidenskabelige emne.[3]
  2. ^ Termen "universet" er defineret som værende alt der fysisk eksisterer: helheden af tid og rum, alle former for stof, energi og momentum, samt de fysiske love og konstanter der beskriver dette. "Universet" kan også bruges i en lidt anden sammenhæng om koncepter so kosmos eller Verden.
  3. ^ Francis Bacons Novum Organum fra 1620 var kritisk for udviklingen af den videnskabelige metode.[9]

ReferencerRediger

  1. ^ "physics". Online Etymology Dictionary. Arkiveret fra originalen 24 December 2016. Hentet 2016-11-01. 
  2. ^ "physic". Online Etymology Dictionary. Arkiveret fra originalen 24 December 2016. Hentet 2016-11-01. 
  3. ^ Feynman, Leighton & Sands 1963, s. I-2 "If, in some cataclysm, all [] scientific knowledge were to be destroyed [save] one sentence [...] what statement would contain the most information in the fewest words? I believe it is [...] that all things are made up of atoms – little particles that move around in perpetual motion, attracting each other when they are a little distance apart, but repelling upon being squeezed into one another ..."
  4. ^ Maxwell 1878, s. 9 "Physical science is that department of knowledge which relates to the order of nature, or, in other words, to the regular succession of events."
  5. ^ a b c Young & Freedman 2014, s. 1 "Physics is one of the most fundamental of the sciences. Scientists of all disciplines use the ideas of physics, including chemists who study the structure of molecules, paleontologists who try to reconstruct how dinosaurs walked, and climatologists who study how human activities affect the atmosphere and oceans. Physics is also the foundation of all engineering and technology. No engineer could design a flat-screen TV, an interplanetary spacecraft, or even a better mousetrap without first understanding the basic laws of physics. (...) You will come to see physics as a towering achievement of the human intellect in its quest to understand our world and ourselves."
  6. ^ Young & Freedman 2014, s. 2 "Physics is an experimental science. Physicists observe the phenomena of nature and try to find patterns that relate these phenomena."
  7. ^ Holzner 2006, s. 7 "Physics is the study of your world and the world and universe around you."
  8. ^ Krupp 2003
  9. ^ Cajori 1917, s. 48–49
  10. ^ Birkelind, Chano, "Youngs modul - elasticitet", Fysikleksikon, Niels Bohr Institutet, hentet 10. juni 2019. 

Eksterne henvisningerRediger

Wikimedia Commons har medier relateret til: