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Physik


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Die Physik ( griech. : physikos „natürlich“ von griech. physis „Natur“) ist die Wissenschaft von der unbelebten Natur . Sie befasst sich mit den Eigenschaften dem Verhalten von Materie und Feldern in Raum und Zeit sowie der Dynamik von Raum und Zeit selbst. Sie als die grundlegende Naturwissenschaft auf der alle anderen aufbauen wie die Astronomie die Chemie und letztlich auch die Biologie. Physikalische und Modelle finden ihre Anwendung in den Ingenieurwissenschaften aber auch in Disziplinen jenseits der Naturwissenschaften wie beispielsweise in quantitativen Wirtschaftswissenschaften .

Die Physik beschreibt die Natur quantitativ naturwissenschaftlicher Modelle so genannter Theorien und ermöglicht damit insbesondere Vorhersagen über Verhalten der betrachteten Systeme . Dazu verwendet die Physik die Sprache Mathematik . Wie in jeder Naturwissenschaft so ist in der Physik die Übereinstimmung mit reproduzierbaren Experimenten das fundamentale Maß für die Qualität einer Theorie. Durch den Vergleich mit lässt sich eine Theorie bestätigen oder widerlegen damit ihr Gültigkeitsbereich ermitteln sie lässt sich niemals "beweisen". Für die Widerlegung einer Theorie im Prinzip ein einziges Experiment sofern es ist.

Inhaltsverzeichnis

Das Weltbild der modernen Physik

Das Theoriengebäude der Physik ruht auf zwei Säulen der Relativitätstheorie und der Quantenphysik . Beide Theorien enthalten ihren Vorgänger die newtonsche Physik über das so genannten Korrespondenzprinzip als Grenzfall und haben daher einen Gültigkeitsbereich als diese.

Die Relativitätstheorie führt ein völlig neues der Phänomene Raum und Zeit ein. Danach handelt sich nicht um universell gültigen Ordnungsstrukturen sondern und zeitliche Abstände werden von verschiedenen Beobachtern beurteilt. Raum und Zeit verschmelzen dabei zu vierdimensionalen Raumzeit . Die Gravitation wird auf eine Krümmung dieser Raumzeit zurückgeführt die durch die von Masse bzw. Energie provoziert wird. In der Relativitätstheorie wird erstmals die Kosmologie zu einem naturwissenschaftlichen Thema. Die Formulierung Relativitätstheorie gilt als der Beginn der modernen auch wenn sie häufig als Vollendung der klassischen Physik bezeichnet wird.

Die Quantenphysik beschreibt die Naturgesetze im atomaren und subatomaren Bereich und noch radikaler mit klassischen Vorstellungen als die Viele physikalische Größen erweisen sich in bestimmten Situationen als quantisiert das heißt sie nehmen stets nur diskrete Werte an und ändern sich in von Quantensprüngen . Materie erweist sich als Phänomen das in Portionen den so genannten Elementarteilchen oder Quanten in Erscheinung tritt. Ihr Aufenthaltsort lässt nicht mehr durch eine Bahn im Raum beschreiben sondern durch Wellen über die eine Wahrscheinlichkeit dafür angegeben werden kann das Teilchen einer Messung in einem bestimmten Raumgebiet zu finden. spricht von einem Welle-Teilchen-Dualismus . Der Aufenthaltsort eines Teilchens zwischen zwei Messungen ist nicht nur unbekannt sondern sogar definiert. Die meisten Physiker folgern daraus dass die Vorstellung von der Existenz einer vom unabhängigen Realität aufgegeben werden muss. Hinsichtlich der Eigenschaften Teilchen spielen Symmetrieeigenschaften eine zentrale Rolle.

Die Gesetze der Quantenphysik entziehen sich der menschlichen Anschauung und über ihre Interpretation herrscht auch heute noch kein Konsens ( Deutungen der Quantenphysik ). Dennoch zählt sie hinsichtlich ihres empirischen Erfolges zu dem am besten gesicherten der Menschheit überhaupt.

Die moderne Physik kennt die folgenden vier Grundkräfte :

Eines der Ziele der Physik ist alle Grundkräfte in einem vereinheitlichten Gesamtkonzept zu Bisher ist es jedoch lediglich gelungen die Wechselwirkung als Vereinigung der elektrischen und der magnetischen Wechselwirkung darzustellen und ebenso die elektromagnetische und die schwache Wechselwirkung zu einer so elektroschwachen Wechselwirkung zu vereinigen.

Zu diesen fundamentalen Wechselwirkungen kommt noch fundamentales Prinzip der Quantenphysik das Pauli-Prinzip . Aus diesem Prinzip leitet sich mittelbar weitere Wechselwirkung ab die Austauschwechselwirkung .

Der Gültigkeitsbereich der bekannten physikalischen Gesetze äußerst weitreichend. Ungeklärte Phänomene lassen sich zwei verschiedene Gruppen zuordnen:

  • Phänomene für die die zugrundeliegenden Gesetze unbekannt sind. Dazu zählen insbesondere Phänomene der Teilchenphysik und solche zu deren Beschreibung die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenphysik zugleich erforderlich sind beispielsweise der Urknall .
  • Phänomene die zwar bekannten Gesetzen gehorchen Beschreibung jedoch an der mathematischen Komplexität scheitert. Für solche Situationen versucht man Näherungsmodelle zu entwickeln deren Qualität und Gültigkeitsbereich sich oft nur experimentell lassen.

Eins der bedeutendsten ungelösten Probleme in Zusammenhang ist das des menschlichen Bewusstseins . Insbesondere die Frage zu welcher der Problemgruppen es zu zählen ist wird kontrovers

Die Frage warum die Natur überhaupt folgt ist letztlich unbekannt. Eine partielle Antwort lediglich das anthropische Prinzip indem es feststellt dass es in Kosmos ohne Naturgesetze niemanden geben würde der über deren Abwesenheit wundern könnte.

Themenbereiche der Physik

Im Folgenden werden die verschiedene Themenbereiche Physik mit Kurzkommentar dargestellt und zwar nach theoretischen Rahmen eingeordnet und gleichzeitig weitgehend chronologisch Viele der aufgeführten Themen lassen sich nicht einer Theorie zuordnen. So sind beispielsweise viele der Thermodynamik nur auf Basis der Quanten- und erklärbar. In diesen Fällen ist das Thema der ältesten Theorie eingeordnet und bestehende maßgebliche zu jüngeren Theorien sind mit (RT) für Relativitäts- und (QT) für die Quantentheorie angedeutet. Liste enthält sowohl phänomenorientierte Sachgebiete als auch (QST) mit gebietsübergreifendem Anwendungsbereich. Siehe auch das Physik-Portal mit unkommentierten aber nach verschieden Kriterien Themenlisten sowie die alphabetische Liste physikalischer Themen .

Die newtonsche Physik einschließlich der Elektrodynamik

... ist der Bereich der Physik bis zur Entdeckung der Relativitätstheorie Gültigkeit hatte.

  • Die Klassische Mechanik von Isaac Newton war die erste geschlossene physikalische Theorie Sie beschreibt die Bewegung von Körpern unter Einwirkung von Kräften einschließlich solcher Kräfte die zwischen den wirken (Wechselwirkungskräfte).
  • Die Kontinuumsmechanik ist die Verallgemeinerung der klassischen Mechanik auf kontinuierliche Medien.
  • Die Strömungslehre behandelt die Dynamik von Fluiden d.h. nicht fester Substanzen. Untergebiete sind Hydrodynamik (Dynamik der Flüssigkeiten) und die Aerodynamik (Dynamik von Gasen).
  • Die Akustik behandelt die Eigenschaften von
  • Die Optik behandelt die Eigenschaften des Lichtes und Beeinflussung durch Materie.
  • Die Elektrodynamik beschreibt elektrische und magnetische Phänomene. Obwohl früher bekannt erhielt sie erst durch die der speziellen Relativitätstheorie ihr theoretisches Fundament (RT).
  • Die Thermodynamik auch statistische Mechanik oder Wärmelehre behandelt alle Vorgänge bei denen Wärme Temperatur eine Rolle spielen. Ihr Anwendungsbereich reicht weit darüberhinaus (QST/RT/QT).
  • Die nichtlineare Dynamik und die Physik komplexen Systeme befassen sich unter anderem mit Chaostheorie Strukturbildung und Selbstorganisation (QST).

Die Relativitätstheorie

...befasst sich mit der Struktur von und Zeit sowie mit dem Wesen der Gravitation . Die Einheit von klassischer Mechanik und wird als Klassische Physik bezeichnet.

  • Die spezielle Relativitätstheorie beschreibt das Verhalten von Raum Zeit Massen aus der Sicht von Beobachtern die mit konstanter Geschwindigkeit bewegen (QST).
  • Die allgemeine Relativitätstheorie baut auf der speziellen auf und für beliebig beschleunigte Systeme gültig. Sie führt 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 an ihre Grenze gelangen. Während sie experimentell wieder hervorragend bestätigt wird und die gesamte Technologie auf ihr basiert wird bis heute ihre korrekte Interpretation gestritten. Im folgenden sind Themen der nichtrelativistischen Quantenmechanik aufgeführt bei denen sich die Zahl beteiligten Teilchen nicht ändert

  • Aufgabe der Atomphysik ist es die Eigenschaften der Atome ihre Spektren zu erklaren. Sie beschränkt sich in der Regel auf einen Energiebereich in der Atomkern als strukturlos angesehen werden kann
  • Die Molekularphysik beschreibt das Zusammenwirken verschiedener Atome und die Verbindung zur Chemie und physikalischen Chemie her.
  • Die Kernphysik studiert alle mit dem Atomkern zusammenhängenden die Kernstruktur und Kernreaktionen (RT).
  • Die Laserphysik ist ein Teilgebiet der Optik . Ihre Aufgabe ist die Entwicklung und Untersuchung der verschiedenen Laser -Typen (RT).
  • Die Plasmaphysik untersucht die Eigenschaften von Plasmen d. h. hochgradig ionisierten Materiezuständen (RT).
  • Gegenstand der Tieftemperaturphysik ist Untersuchung von Ordnungsphänomenen in Materie bei höheren Temperaturen aufgebrochen werden.
  • Die Physik kondensierter Materie beschreibt Phänomene (korrelierter) Vielteilchensysteme. Die Physik Kondensierten Materie unterscheidet sich grundlegend von der Teilchen .
    • Die Festkörperphysik befasst sich mit der Physik von im festen Aggregatzustand insbesondere (aber nicht ausschließlich) fester Materie mit periodischem Aufbau.
    • Die Physik der Flüssigkeiten ist ein Teilgebiet der Fluidmechanik und befasst sich mit Materie im Aggregatzustand. Die Bausteine der Flüssigkeit weisen eine Beweglichkeit auf (Translation und Rotation). Dennoch sind Unterschied zum idealen Gas ) bei Flüssigkeiten im Nahbereich Korrelationen beobachtbar.
    • Die Physik der Flüssigkristalle beschreibt die Physik von Materie die Elemente einer kristallinen Ordnung aufweisen als auch einer ungeordneten Flüssigkeit : Die Bausteine von Flüssigkristallen weisen die einer Flüssigkeit auf (genauer Translation) besitzen jedoch wohldefierte gegenseitige Orientierung .
    • Die Grenzflächenphysik beschreibt die besonderen physikalischen an der Oberfläche kondensierter Materie. Ein Spezialfall Grenzflächenphysik ist die Oberflächenphysik .

Die relativistische Quantenphysik

...befasst sich mit Phänomenen zu deren die Quantenphysik und die Relativitätstheorie zugleich erforderlich

Interdisziplinäre und technisch orientierte Themenbereiche

  • Die Astrophysik wendet physikalische Methoden auf Studium astronomischer Phänomene an.
  • Die Physikalische Chemie liegt an der Schnittstelle von Physik Chemie und befasst sich insbesondere damit in Chemie bekannte Eigenschaften komplexer Moleküle physikalisch zu
  • In der Biophysik werden die physikalischen Gesetzmässigkeiten denen Lebewesen ihre Wechselwirkung mit der Natur unterliegen untersucht.
  • Die Geophysik nutzt physikalische Modelle zur Erklärung geologischer Strukturen und Vorgänge.
  • Quantenelektronik ist ein relativ junges Forschungsgebiet wendet die Ergebnisse der Quantentheorie auf die Entwicklung elektronischer Schaltkreise an.
  • Die Beschleunigerphysik beschaftigt sich mit der Entwicklung von Diese werden benötigt um die Energiedichten der zu erreichen aber auch als Strahlenquelle für in einem weiteren naturwissenschaftlichen Bereich.
  • Die Reaktorphysik beschäftigt sich mit der technischen Beherrschung Kernreaktionen in Kernreaktoren.

Methoden der Physik

Der Prozess der Erkenntnisgewinnung in der verläuft in enger Verzahnung von Experiment und besteht also aus empirischer Datengewinnung und -auswertung und gleichzeitig dem Erstellen theoretischer Modelle zu Erklärung. Dennoch haben sich im Verlauf des 20. Jahrhunderts Spezialisierungen herausgebildet die insbesondere die professionell Physik heute prägen. Demnach lassen sich grob Experimentalphysik und Theoretische Physik voneinander unterscheiden ein junger Zweig ist die Computerphysik . Erstere versucht durch Entwurf Aufbau Durchführung Auswertung von Experimenten Gesetzmäßigkeiten in der Natur und mittels empirischer Modelle zu beschreiben. Sie dabei einerseits physikalisches Neuland zu betreten und andererseits von der theoretischen Physik gemachte Vorhersagen. Aufgabe wiederum besteht darin die empirischen Modelle Experimentalphysik mathematisch auf bekannte Grundlagentheorien zurückzuführen oder dies nicht möglich ist durch eine möglichst Anzahl von Grundannahmen ( Hypothesen ) zu beschreiben. Sie leitet weiterhin aus bekannten Modellen empirisch überprüfbare Voraussagen ab. Experimentalphysik Theoretische Physik stehen also in steter Wechselbeziehung Es kann allerdings vorkommen dass Ergebnisse der Disziplin der anderen vorauseilen: So sind derzeit Voraussagen der Stringtheorie nicht experimentell überprüfbar; andererseits sind viele extrem genau gemessene Werte aus dem Gebiet Teilchenphysik zum heutigen Zeitpunkt am Anfang des 21. Jahrhunderts durch die zugehörige Theorie die Quantenchromodynamik nicht berechenbar.

Zusätzlich zu dieser grundlegenden Teilung der unterscheidet man manchmal noch zwei weitere Unterdisziplinen mathematische Physik und die angewandte Physik . Erstere wird gelegentlich als Teilgebiet der Physik betrachtet unterscheidet sich von dieser jedoch dass ihr Studienobjekt nicht konkrete physikalische Phänomene sondern die Ergebnisse der theoretischen Physik selbst. abstrahiert damit von jedweder Anwendung und interessiert stattdessen für die mathematischen Eigenschaften eines Modells insbesondere seine tiefer Symmetrien und Invarianzen . Auf diese Weise entwickelt sie Verallgemeinerungen Varianten bereits bekannter Theorien die dann wiederum Arbeitsmaterial der theoretischen Physiker in der Modellierung Vorgänge Einsatz finden können.

Die angewandte Physik steht dagegen in Abgrenzung zur Experimentalphysik teilweise auch zur theoretischen Ihr wesentliches Kennzeichen ist dass sie ein physikalisches Phänomen nicht um seiner selbst willen sondern um die aus der Untersuchung hervorgegangenen zur Lösung eines (in der Regel) nicht-physikalischen einzusetzen. Ihre Anwendungen liegen z. B. auf 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

Geschichte

Die Geschichte der Physik beginnt etwa ab dem Jahr 1500 . Seit dieser Zeit kann man von Physik als eigenständiger Wissenschaft sprechen obwohl es schon vorher physikalische und Lehren gab z.B. über das Feuers das Rad das Hebelgesetz (von Archimedes formuliert) und seine Anwendung einfachen Maschinen erste Erkenntnisse in der Optik der Flüssigkeitslehre und Vorstellungen vom Aufbau der Körper ( Demokritsches Teilchenmodell ).

Zeitleiste:

Siehe auch: Physiker Einheitensystem Naturkonstante Physik für die Schule Portal Physik

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

Weblinks




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