Fysik – vetenskapen om naturens lagar, materia, krafter och universum

Forntida astronomi

Astronomi är den äldsta naturvetenskapen. Sumererna och de gamla egyptierna studerade stjärnorna, främst med tanke på förutsägelser och religion. De första babyloniska stjärnkartorna är från omkring 1200 f.Kr. Att astronomiska händelser är periodiska går också tillbaka till babylonierna. Deras förståelse var inte vetenskaplig, men deras observationer påverkade den senare astronomin. Mycket astronomi kom från Mesopotamien, Babylonien, det gamla Egypten och det gamla Grekland. Astronomer från Egypten byggde monument som visade hur objekt på himlen rörde sig, och de flesta namnen på stjärnbilderna på norra halvklotet kom från grekiska astronomer.

Naturfilosofi

Naturfilosofin började i Grekland omkring 650 f.Kr. när en grupp filosofer ersatte vidskepelse med naturalism, som förkastade det andliga. Leucippus och hans elev Demokritus föreslog idén om atomen runt denna period.

Fysik i den medeltida islamiska världen

Islamiska forskare fortsatte att studera aristotelisk fysik under den islamiska guldåldern. Ett viktigt bidrag var till observationsastronomin. Några, som Ibn Sahl, Al-Kindi, Ibn al-Haytham, Al-Farisi och Avicenna, arbetade med optik och syn. I boken The Book of Optics förkastade Ibn al-Haytham tidigare grekiska idéer om synen och föreslog en ny teori. Han studerade hur ljuset kommer in i ögat och utvecklade camera obscura. Europeiska vetenskapsmän byggde senare glasögon, förstoringsglas, teleskop och kameror utifrån denna bok.

Klassisk fysik

Fysiken blev ett eget ämnesområde efter den vetenskapliga revolutionen. Galileos experiment bidrog till att skapa den klassiska fysiken. Även om han inte uppfann teleskopet använde han det när han tittade på natthimlen. Han stödde Kopernikus idé om att jorden rörde sig runt solen (heliocentrism). Han undersökte också gravitationen. Isaac Newton använde Galileos idéer för att skapa sina tre rörelselagar och sin lag om universell gravitation. Tillsammans förklarade dessa lagar rörelsen hos fallande kroppar nära jorden och jordens och planeternas rörelse runt solen.

Inom några århundraden var den industriella revolutionen i full gång och många fler upptäckter gjordes inom många vetenskapsområden. Den klassiska fysikens lagar är tillräckligt bra för att studera objekt som rör sig mycket långsammare än ljusets hastighet och som inte är mikroskopiska. När forskarna för första gången studerade kvantmekaniken var de tvungna att skapa en ny uppsättning lagar, vilket var starten på den moderna fysiken.

Modern fysik

När forskarna undersökte partiklar upptäckte de sådant som den klassiska mekaniken inte kunde förklara. Den klassiska mekaniken förutspådde att ljusets hastighet varierade, men experiment visade att ljusets hastighet förblev densamma. Detta förutspåddes av Albert Einsteins speciella relativitetsteori. Einstein förutspådde att den elektromagnetiska strålningens hastighet genom tomt utrymme alltid skulle vara densamma. Hans syn på rymdtid ersatte den gamla föreställningen att rum och tid var helt skilda saker.

Max Planck kom med kvantmekaniken för att förklara varför metall släpper ut elektroner när man lyser på den och varför materia avger strålning. Kvantmekaniken gäller för mycket små saker som de elektroner, protoner och neutroner som ingår i en atom. Personer som Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger och Paul Dirac fortsatte att arbeta med kvantmekanik och till slut fick vi standardmodellen.

Fysik är studiet av energi och materia i tid och rum och hur de är relaterade till varandra. Fysikerna utgår från att massa, längd, tid och elektrisk ström existerar och definierar sedan alla andra fysiska storheter i termer av dessa grundläggande enheter. Massan, längden, tiden och den elektriska strömmen definieras aldrig, men de standardenheter som används för att mäta dem definieras alltid. I det internationella enhetssystemet (förkortat SI från franska Système International) är kilogrammet den grundläggande enheten för massa, metern den grundläggande enheten för längd, sekunden den grundläggande enheten för tid och ampere den grundläggande enheten för elektrisk ström. Utöver dessa fyra enheter finns det tre andra: mol, som är enheten för materiens kvantitet, candela, som mäter ljusstyrkan (belysningens effekt) och kelvin, som är enheten för temperatur.

Fysiken studerar hur saker och ting rör sig och vilka krafter som får dem att röra sig. Fysiken använder till exempel hastighet och acceleration för att visa hur saker rör sig. Fysikerna studerar också gravitationskrafterna, elektricitet, magnetism och de krafter som håller ihop saker och ting.

Fysiken studerar mycket stora och mycket små saker. Fysiker kan till exempel studera stjärnor, planeter och galaxer, men även små bitar av materia, som atomer och elektroner, samt ljud, ljus och andra vågor. Dessutom kan de undersöka energi, värme och radioaktivitet och till och med rymd och tid. Fysiken hjälper inte bara människor att förstå hur föremål rör sig, utan också hur de ändrar form, hur de låter, hur varma eller kalla de blir och vad de består av på minsta nivå. Kort sagt är fysik den gren av vetenskapen som behandlar materiens och energins egenskaper tillsammans med samspelet mellan dem.

Fysiken är en kvantitativ vetenskap eftersom den bygger på mätning med siffror. Matematik används inom fysiken för att skapa modeller som försöker förutsäga vad som kommer att hända i naturen. Dessa förutsägelser jämförs med hur den verkliga världen fungerar. Fysikerna arbetar alltid för att göra sina modeller av världen bättre.

Klassisk mekanik innehåller viktiga ämnen som Newtons rörelselagar, lagrangiansk mekanik, hamiltonsk mekanik, kinematik, statik, dynamik, kaosteori, akustik, strömningsdynamik och kontinuumsmekanik. Klassisk mekanik handlar om krafter som verkar på en kropp i naturen, balansering av krafter, upprätthållande av jämviktstillstånd osv.

Elektromagnetism är studiet av laddningar på en viss kropp. Den innehåller underämnen som elektrostatik, elektrodynamik, elektricitet, magnetism, magnetostatik, Maxwells ekvationer, optik .

Termodynamik och statistisk mekanik är kopplade till temperatur. Den omfattar huvudämnen som värmekraftverk och kinetisk teori. Här används termer som värme (Q), arbete (W) och inre energi (U). Termodynamikens första lag ger oss förhållandet mellan dem genom följande ekvation (ΔU = Q - W)

Kvantmekanik är studiet av partiklar på atomnivå med hänsyn till atommodellen. Den omfattar underämnena Path integral formulation, spridningsteori, Schrödingerekvation, kvantfältsteori och statistisk kvantmekanik.

Relativitetsprincipen

Allmän beskrivning

Fysik är vetenskapen om materia och hur materia interagerar. Materia är alla fysiska material i universum. Allt är gjort av materia. Fysik används för att beskriva det fysiska universum som omger oss och för att förutsäga hur det kommer att bete sig. Fysik är den vetenskap som ägnar sig åt att upptäcka och karakterisera de universella lagar som styr materia, rörelse och krafter, samt rum och tid och andra egenskaper hos den naturliga världen.

Fysikens bredd och mål

Fysiken har en stor räckvidd, från de minsta beståndsdelarna av materia och de krafter som håller ihop dem till galaxer och ännu större saker. Det finns bara fyra krafter som verkar verka över hela detta område. Men även dessa fyra krafter (gravitation, elektromagnetism, den svaga kraften i samband med radioaktivitet och den starka kraften som håller ihop protoner och neutroner i en atom) tros vara olika delar av en enda kraft.

Fysiken är främst inriktad på att skapa allt enklare, mer allmänna och mer exakta regler som definierar materiens och rymdens karaktär och beteende. Ett av fysikens viktigaste mål är att skapa teorier som gäller för allt i universum. Med andra ord kan fysiken ses som studiet av de universella lagar som på en så grundläggande nivå som möjligt definierar det fysiska universums beteende.

I fysiken används den vetenskapliga metoden

I fysiken används den vetenskapliga metoden. Det innebär att data från experiment och observationer samlas in. Teorier som försöker förklara dessa uppgifter utarbetas. Fysiken använder dessa teorier inte bara för att beskriva fysiska fenomen, utan också för att modellera fysiska system och förutsäga hur dessa fysiska system kommer att bete sig. Fysikerna jämför sedan dessa förutsägelser med observationer eller experimentella bevis för att visa om teorin är rätt eller fel.

De teorier som har ett bra stöd i data och som är särskilt enkla och generella kallas ibland vetenskapliga lagar. Naturligtvis kan alla teorier, även de som kallas lagar, ersättas av mer exakta och allmänna lagar när de inte stämmer överens med data.

Fysiken är kvantitativ

Fysiken är mer kvantitativ än de flesta andra vetenskaper. Det vill säga att många av observationerna inom fysiken kan representeras i form av numeriska mätningar. De flesta teorier inom fysiken använder matematik för att uttrycka sina principer. De flesta förutsägelser från dessa teorier är numeriska. Detta beror på att de områden som fysiken har behandlat fungerar bättre med kvantitativa metoder än andra områden. Vetenskaperna tenderar också att bli mer kvantitativa med tiden när de blir mer utvecklade, och fysiken är en av de äldsta vetenskaperna.

Fysikens områden

Klassisk fysik omfattar normalt områdena mekanik, optik, elektricitet, magnetism, akustik och termodynamik. Modern fysik är en term som normalt används för att täcka områden som bygger på kvantteori, inklusive kvantmekanik, atomfysik, kärnfysik, partikelfysik och fysik av kondenserad materia, samt de modernare områdena allmän och speciell relativitetsteori, men de två sistnämnda områdena betraktas ofta som områden inom den klassiska fysiken eftersom de inte bygger på kvantteori. Även om denna skillnad kan hittas i äldre skrifter är den av föga nytt intresse eftersom kvanteffekter nu förstås vara av betydelse även inom områden som tidigare kallades klassiska.

Metoder inom fysiken

Det finns många olika sätt att studera fysik och många olika typer av aktiviteter inom fysik. De två viktigaste typerna av verksamhet är insamling av data och utveckling av teorier.

Vissa delområden inom fysiken kan studeras genom experiment. Galileo Galilei uppfann till exempel kinematiken genom att göra experiment och studera data. Experimentell fysik är huvudsakligen inriktad på ett empiriskt tillvägagångssätt. Vissa experiment görs för att utforska naturen, och andra experiment utförs för att ta fram data som kan jämföras med teoriernas förutsägelser.

Vissa andra områden inom fysiken, som astrofysik och geofysik, är mestadels observationsvetenskap eftersom de flesta av deras data måste samlas in passivt i stället för genom experiment. Galileo kunde till exempel bara titta på Jupiter och upptäcka att den har månar. I observationsprogrammen inom dessa områden används dock många av de verktyg och den teknik som används inom fysikens experimentella delområden.

I den teoretiska fysiken används ofta kvantitativa metoder för att utveckla de teorier som försöker förklara data. På så sätt använder teoretiska fysiker ofta verktyg från matematiken. Teoretisk fysik kan ofta innebära att man skapar kvantitativa förutsägelser av fysikaliska teorier och jämför dessa förutsägelser kvantitativt med data. Teoretisk fysik skapar ibland modeller av fysiska system innan data finns tillgängliga för att testa och stödja dessa modeller.

Dessa två huvudaktiviteter inom fysiken, datainsamling, teoribildning och testning, kräver många olika färdigheter. Detta har lett till en hel del specialisering inom fysiken och till att man infört, utvecklat och använt verktyg från andra områden. Till exempel använder teoretiska fysiker matematik och numerisk analys samt statistik och sannolikhet och datorprogram i sitt arbete. Experimentalfysiker utvecklar instrument och tekniker för att samla in data, med hjälp av ingenjörsvetenskap och datorteknik och många andra teknikområden. Ofta är verktygen från dessa andra områden inte helt lämpliga för fysikens behov, utan måste ändras eller göras i mer avancerade versioner.

Det är vanligt att ny fysik upptäcks om experimentella fysiker gör ett experiment som de nuvarande teorierna inte kan förklara, eller att teoretiska fysiker skapar teorier som sedan kan prövas av experimentella fysiker.

Experimentell fysik, ingenjörskonst och teknik är relaterade. Experimenten kräver ofta specialiserade verktyg som partikelacceleratorer och lasrar, och viktiga industriella tillämpningar som transistorer och magnetresonansavbildningar har kommit från tillämpad forskning.

Framstående fysiker

• Amerikanska fysikersamfundet
• Astronomi
• Energi
• Materia
• Tid