Physik
Die Physik (griech.: physikos natürlich, von physis Natur) ist die Wissenschaft der unbelebten Materie, ihrer Eigenschaften und ihrem Verhalten in Raum und Zeit sowie der Dynamik von Raum und Zeit selbst. Sie gilt als die grundlegende Naturwissenschaft, auf der andere Naturwissenschaften wie die Astronomie, die Chemie und letztlich auch die Biologie aufbauen. Physikalische Prinzipien und Modelle finden ihre Anwendung in den Ingenieurwissenschaften, ihre Rechenmodelle finden ihre Anwendung auch in den quantitativen Wirtschaftswissenschaften.
Primäre Aufgabe der Physik ist es, das Verhalten physikalischer Systeme quantitativ mittels naturwissenschaftlicher Modelle, so genannter Theorien, zu beschreiben und damit vorhersagbar zu machen. Dazu verwendet die Physik die Sprache der Mathematik. Wie in jeder anderen Naturwissenschaft auch muss sich jede Theorie am Experiment messen lassen: Physikalische Experimente sind das fundamentale Maß dafür, welche Theorien die Wirklichkeit angemessen beschreiben.
Das Weltbild der modernen Physik
Das Theoriengebäude der Physik ruht auf zwei Säulen, der Relativitätstheorie und der Quantenphysik. Die Relativitätstheorie führt ein völlig neues Verständnis der Phänomene Raum und Zeit ein. Die Quantenphysik beschreibt die Naturgesetze im atomaren und subatomaren Bereich und bricht noch radikaler mit klassischen Vorstellungen als die Relativitätstheorie. Beide Theorien enthalten ihren Vorgänger, die Newtonsche Physik, über das so genannten Korrespondenzprinzip als Grenzfall und haben daher einen größeren Gültigkeitsbereich als diese.
Fundamental für das moderne Weltbild ist zudem der Atomismus, also der Versuch, alle physikalischen Phänomene auf eine kleine Zahl elementarer Teilchen oder anderer fundamentaler Objekte und ihre gegenseitigen Wechselwirkungen zurückzuführen. Die moderne Physik kennt dabei vier Grundkräfte, die Gravitation oder Schwerkraft, die elektromagnetische Wechselwirkung und die beiden Kernkräfte, die unter dem Namen schwache und starke Wechselwirkung bekannt sind. Zu diesen fundamentalen Wechselwirkung kommt noch ein fundamentales Prinzip der Quantenphysik: das Pauli-Prinzip. Aus diesem Prinzip leitet sich mittelbar eine weitere Wechselwirkung ab, die Austauschwechselwirkung.
Sachgebiete der Physik
Im folgenden werden verschiedene Teilgebiete der Physik mit Kurzkommentar dargestellt. Siehe dazu auch das Physik-Portal mit unkommentierten aber nach verschieden Kriterien sortierten Themenlisten sowie die alphabetische Liste physikalischer Themen. Nicht alle der im folgenden aufgeführten Sachgebiete lassen sich eindeutig einem größeren Themenbereich zuordnen. So sind beispielsweise viele Phänomene der Thermodynamik nur auf der Basis der Quantenphysik beschreibbar.
...nach Isaac Newton beschreibt in einer geschlossenen physikalischen Theorie die Bewegung von Körpern unter der Einwirkung von Kräften (Wechselwirkungen).
- Die Kontinuumsmechanik ist die Verallgemeinerung der klassischen Mechanik auf kontinuierliche Medien.
- Die Strömungslehre behandelt die Bewegung von Fluiden, d.h. nicht fester Substanzen. Untergebiete sind die Hydromechanik (Mechanik der Flüssigkeiten) unterteilt in Hydrostatik und Hydrodynamik und die Aerodynamik (Dynamik von Gasen).
- Die Akustik behandelt die Eigenschaften von Schallwellen.
- Die Thermodynamik, auch statistische Mechanik oder Wärmelehre behandelt alle Vorgänge, bei denen Wärme und Temperatur eine Rolle spielen.
...befasst sich mit der Struktur von Raum und Zeit sowie mit dem Wesen der Gravitation.
- Die spezielle Relativitätstheorie beschreibt das Verhalten von Raum, Zeit und Massen aus der Sicht von Beobachtern, die sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegen.
- Die allgemeine Relativitätstheorie baut auf der speziellen auf und ist für beliebig beschleunigte Systeme gültig. Sie führt das Phänomen der Gravitation auf eine Krümmung von Raum und Zeit zurück.
Die Quantenphysik
...ist zur Beschreibung von Phänomenen im Mikrokosmos erforderlich, wo die Gesetze der klassischen Mechanik an ihre Grenze gelangen. Während sie experimentell immer wieder hervorragend bestätigt wird und die gesamte moderne Technologie auf ihr basiert, wird bis heute über ihre korrekte Interpretation gestritten.
- Die Quantenmechanik im engeren Sinne beschreibt die nichtrelativistischen Phänomene der Quantenphysik, bei denen sich die Zahl der beteiligten Teilchen nicht ändert.
- Die Elementarteilchenphysik, auch Teilchenphysik oder Hochenergiephysik, ist die Lehre von den elementarsten Grundbausteinen der Materie und ihrem Verhalten.
- Die Kernphysik studiert alle mit dem Atomkern zusammenhängenden Phänomene, die Kernstruktur und Kernreaktionen.
- Aufgabe der Atomphysik ist es, die Eigenschaften der Atome, insbesondere ihre Spektren zu erklaren. Sie beschränkt sich dabei in der Regel auf einen Energiebereich, in dem der Atomkern als strukturlos angesehen werden kann.
- Die Molekularphysik beschreibt das Zusammenwirken verschiedener Atome und stellt die Verbindung zur Chemie und physikalischen Chemie her.
- Die Dirac-Theorie ist eine relativistische Beschreibung von Fermionen und begründet die Basis für die Konzepte Spin und Antimaterie.
- Die Quantenelektrodynamik stellt die Verbindung zwischen Photonen und elektromagnetischen Feldern her und beschreibt die Wechselwirkung mit Ladungen als Austausch von virtuellen Photonen.
- Die Quantenchromodynamik beschreibt die Starke Wechselwirkung zwischen Quarks als Austausch von Gluonen.
- Die Quantenfeldtheorie ist die quantenmechanische Beschreibung von Feldern und ist für die Teilchenphysik relevant. Das Standardmodell ist eine Quantenfeldtheorie, die alle bekannten Teilchen und Kräfte bis auf die Gravitation einheitlich beschreibt.
- Die Stringtheorie ist ein Versuch, die vier Grundkräfte der Physik mit einer gemeinsamen Theorie zu beschreiben und dadurch insbesondere die allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantenphysik zu vereinen.
- Die Plasmaphysik untersucht die Eigenschaften von Plasmen, d. h. hochgradig ionisierten Materiezuständen.
- Gegenstand der Tieftemperaturphysik ist Untersuchung von Ordnungsphänomenen in Materie, die bei höheren Temperaturen aufgebrochen werden.
- Die Reaktorphysik beschäftigt sich mit den Abläufen in Kernreaktoren.
- Die Beschleunigerphysik beschaftigt sich mit der wissenschaftlichen Entwicklung von Teilchenbeschleunigern, mit der Teilchen extrem hohe Energien zugeführt werden können.
Die Elektrodynamik
...beschreibt elektrische und magnetische Phänomene.
- Die Optik behandelt die Eigenschaften des Lichtes und seiner Beeinflussung durch Materie.
- Die Laserphysik ist ein Teilgebiet der Optik. Ihre Aufgabe ist die Entwicklung und wissenschaftliche Untersuchung der verschiedenen Laser-Typen.
Die Physik kondensierter Materie
...beschreibt Phänomene (korrelierter) Vielteilchensysteme. Die Physik der Kondensierten Materie unterscheidet sich grundlegend von der freier Teilchen.
- Die Festkörperphysik befasst sich mit der Physik von Materie im festen Aggregatzustand, insbesondere (aber nicht ausschließlich) von fester Materie mit periodischem Aufbau.
- Die Physik der Flüssigkeiten befasst sich mit Materie im flüssigen Aggregatzustand. Die Bausteine der Flüssigkeit weisen eine gegenseitige Beweglichkeit auf (Translation und Rotation). Dennoch im Nahbereich Korrelationen beobachtbar.
- Die Physik der Flüssigkristalle beschreibt die Physik von Materie, die sowohl Elemente einer kristallinen Ordnung aufweisen, als auch die einer ungeordneten Flüssigkeit: Die Bausteine von Flüssigkristallen weisen die Beweglichkeit einer Flüssigkeit auf (genauer Translation), besitzen jedoch eine wohldefierte gegenseitige Orientierung.
- Die Grenzflächenphysik beschreibt die besonderen physikalischen Phänomene an der Oberfläche kondensierter Materie. Ein Spezialfall der Grenzflächenphysik ist die Oberflächenphysik.
Übergangsbereiche zu anderen Naturwissenschaftlichen Gebieten
- Die Astrophysik wendet physikalische Methoden auf das Studium astronomischer Phänomene an.
- Die Physikalische Chemie liegt an der Schnittstelle von Physik und Chemie und befasst sich insbesondere damit, in der Chemie bekannte Eigenschaften komplexer Moleküle physikalisch zu erklären.
- In der Biophysik werden die physikalischen Gesetzmässigkeiten, denen Lebewesen und ihre Wechselwirkung mit der Natur unterliegen, untersucht.
- Die Geophysik nutzt physikalische Modelle zur Erklärung geologischer Strukturen und Vorgänge.
- Quantenelektronik ist ein relativ junges Forschungsgebiet und wendet die Ergebnisse der Quantentheorie auf die Entwicklung elektronischer Schaltkreise an.
Methoden der Physik
Der Prozess der Erkenntnisgewinnung in der Physik verläuft in enger Verzahnung von Experiment und Theorie, besteht also aus empirischer Datengewinnung und -auswertung und gleichzeitig dem Erstellen theoretischer Modelle zu ihrer Erklärung. Dennoch haben sich im Verlauf des 20. Jahrhunderts Spezialisierungen herausgebildet, die insbesondere die professionell betriebene Physik heute prägen. Demnach lassen sich grob Experimentalphysik und Theoretische Physik voneinander unterscheiden. Erstere versucht, durch Entwurf, Aufbau, Durchführung und Auswertung von Experimenten Gesetzmäßigkeiten in der Natur aufzuspüren und mittels empirischer Modelle zu beschreiben. Sie versucht dabei einerseits physikalisches Neuland zu betreten und überprüft andererseits von der theoretischen Physik gemachte Vorhersagen. Deren Aufgabe wiederum besteht darin, die empirischen Modelle der Experimentalphysik mathematisch auf bekannte Grundlagentheorien zurückzuführen oder, falls dies nicht möglich ist, durch eine möglichst kleine Anzahl von Grundannahmen (Hypothesen) zu beschreiben. Sie leitet weiterhin aus bereits bekannten Modellen empirisch überprüfbare Voraussagen ab. Experimentalphysik und Theoretische Physik stehen also in steter Wechselbeziehung zueinander. Es kann allerdings vorkommen, dass Ergebnisse der einen Disziplin der anderen vorauseilen: So sind derzeit viele Voraussagen der Stringtheorie nicht experimentell überprüfbar; andererseits sind viele teilweise extrem genau gemessene Werte aus dem Gebiet der Teilchenphysik zum heutigen Zeitpunkt am Anfang des 21. Jahrhunderts durch die zugehörige Theorie, die Quantenchromodynamik, nicht berechenbar.
Zusätzlich zu dieser grundlegenden Teilung der Physik unterscheidet man manchmal noch zwei weitere Unterdisziplinen, die mathematische Physik und die angewandte Physik. Erstere wird gelegentlich als Teilgebiet der theoretischen Physik betrachtet, unterscheidet sich von dieser jedoch darin, dass ihr Studienobjekt nicht konkrete physikalische Phänomene sind, sondern die Ergebnisse der theoretischen Physik selbst. Sie abstrahiert damit von jedweder Anwendung und interessiert sich stattdessen für die mathematischen Eigenschaften eines Modells, insbesondere seine tiefer liegenden Symmetrien und Invarianzen. Auf diese Weise entwickelt sie Verallgemeinerungen und Varianten bereits bekannter Theorien, die dann wiederum als Arbeitsmaterial der theoretischen Physiker in der Modellierung empirischer Vorgänge Einsatz finden können.
Die angewandte Physik steht dagegen in (unscharfer) Abgrenzung zur Experimentalphysik, teilweise auch zur theoretischen Physik. Ihr wesentliches Kennzeichen ist, dass sie ein gegebenes physikalisches Phänomen nicht um seiner selbst willen erforscht, sondern um die aus der Untersuchung hervorgegangenen Erkenntnisse zur Lösung eines (in der Regel) nicht-physikalischen Problems einzusetzen. Ihre Anwendungen liegen z. B. auf dem Gebiet der Technik oder Elektronik, in Medizin, Chemie oder Astronomie, aber auch in den Wirtschaftswissenschaften, wo z. B. im Risikomanagement Methoden der theoretischen Festkörperphysik zum Einsatz kommen.
Siehe auch: Physiker, Einheitensystem, Naturgesetz, Naturkonstante, Physik für die Schule
Literatur
- Feynman, Leighton, Sands: Vorlesungen über Physik. Oldenbourg 1999 ISBN 3486258575
- Halliday, Resnick, Walker: Physik von Halliday. Wiley 2003 ISBN 3-527-40366-3 (didaktisch sehr gut gemachtes Physiklehrbuch mit CD-ROM)
Weblinks
- Physik allgemein
- Kategorie "Physik" beim Internet-Katalog dmoz.de
- Physik-Portale: physik.de, pro-physik.de PhysNet
- http://www.uni-magdeburg.de/avp/physik_im_www.htm - gute Physik-Linkseite
- http://www.ptb.de/de/blickpunkt/interviews/_index.html - Was ist Physik? Antworten prominenter Physiker
- http://www.gym-hartberg.ac.at/gym/physik/them.htm
- Anregende Zusammenstellung wichtiger Themen der Physik
- Physik einfach erklärt
- Physikalische Kleinigkeiten Physikalisches Weblog
- Multimedia Physik Viele Links aus der Physik
- teilchen.at Aktuelles, Erklärungen und Links zu Kern- und Teilchenphysik (mit leichtem Bezug zur Situation in Österreich)
- Linksammlung zum Thema Physik, Studium der Physik in Marburg: