Physik

Geschichte

Antike Astronomie

Die Astronomie ist die älteste Naturwissenschaft. Die Sumerer und die alten Ägypter studierten die Sterne, meist im Hinblick auf Vorhersage und Religion. Die ersten babylonischen Sternkarten stammen aus der Zeit um 1200 vor Christus. Dass astronomische Ereignisse periodisch sind, geht ebenfalls auf die Babylonier zurück. Ihr Verständnis war nicht wissenschaftlich, aber ihre Beobachtungen beeinflussten die spätere Astronomie. Ein Großteil der Astronomie kam aus Mesopotamien, Babylonien, dem alten Ägypten und dem antiken Griechenland. Astronomen aus Ägypten bauten Monumente, die zeigten, wie sich Objekte am Himmel bewegten, und die meisten Namen für die Sternbilder auf der Nordhalbkugel stammten von griechischen Astronomen.

Naturphilosophie

Die Naturphilosophie begann in Griechenland um 650 v. Chr., als eine Bewegung von Philosophen den Aberglauben durch Naturalismus ersetzte, der das Geistige widerlegte. Leucippus und sein Schüler Demokrit schlugen um diese Zeit die Idee des Atoms vor.

Physik in der mittelalterlichen islamischen Welt

Islamische Gelehrte setzten das Studium der aristotelischen Physik während des Goldenen Zeitalters des Islam fort. Ein Hauptbeitrag war die beobachtende Astronomie. Einige, wie Ibn Sahl, Al-Kindi, Ibn al-Haytham, Al-Farisi und Avicenna, beschäftigten sich mit Optik und Sehvermögen. In The Book of Optics lehnte Ibn al-Haytham frühere griechische Ideen bezüglich des Sehens ab und schlug eine neue Theorie vor. Er untersuchte, wie Licht in das Auge eintritt, und entwickelte die Camera obscura. Europäische Wissenschaftler bauten später aus diesem Buch Brillen, Lupen, Teleskope und Kameras.

Klassische Physik

Die Physik wurde nach der wissenschaftlichen Revolution ein eigenständiges Studiengebiet. Galileos Experimente trugen zur Entstehung der klassischen Physik bei. Obwohl er das Fernrohr nicht erfand, benutzte er es, wenn er in den Nachthimmel blickte. Er unterstützte die Idee von Kopernikus, dass sich die Erde um die Sonne bewegt (Heliozentrismus). Er untersuchte auch die Schwerkraft. Isaac Newton nutzte Galileis Ideen, um seine drei Bewegungsgesetze und sein Gesetz der universellen Gravitation zu schaffen. Zusammen erklären diese Gesetze die Bewegung fallender Körper in Erdnähe und die Bewegung der Erde und der Planeten um die Sonne.

In ein paar Jahrhunderten war die industrielle Revolution in vollem Gange, und in vielen Bereichen der Wissenschaft wurden viele weitere Entdeckungen gemacht. Die Gesetze der klassischen Physik sind gut genug, um Objekte zu untersuchen, die sich viel langsamer als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen und nicht mikroskopisch klein sind. Als Wissenschaftler zum ersten Mal die Quantenmechanik studierten, mussten sie einen neuen Satz von Gesetzen schaffen, was der Beginn der modernen Physik war.

Moderne Physik

Als Wissenschaftler Teilchen erforschten, entdeckten sie, was die klassische Mechanik nicht erklären konnte. Die klassische Mechanik sagte voraus, dass die Lichtgeschwindigkeit variiert, aber Experimente zeigten, dass die Lichtgeschwindigkeit gleich bleibt. Dies wurde durch die Spezielle Relativitätstheorie von Albert Einstein vorhergesagt. Einstein sagte voraus, dass die Geschwindigkeit der elektromagnetischen Strahlung durch den leeren Raum immer gleich bleiben würde. Seine Sichtweise der Raumzeit ersetzte die alte Idee, dass Raum und Zeit ganz unterschiedliche Dinge seien.

Max Planck entwickelte die Quantenmechanik, um zu erklären, warum ein Metall Elektronen freisetzt, wenn man es mit Licht bestrahlt, und warum Materie Strahlung abgibt. Die Quantenmechanik gilt für sehr kleine Dinge wie die Elektronen, Protonen und Neutronen, aus denen ein Atom besteht. Leute wie Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger und Paul Dirac arbeiteten weiter an der Quantenmechanik, und schließlich erhielten wir das Standardmodell.

Definition

Physik ist die Untersuchung von Energie und Materie in Raum und Zeit und wie sie miteinander in Beziehung stehen. Physikerinnen und Physiker gehen von der Existenz von Masse, Länge, Zeit und elektrischem Strom aus und definieren (geben die Bedeutung aller anderen physikalischen Grössen in Bezug auf diese Grundeinheiten an). Masse, Länge, Zeit und elektrischer Strom werden nie definiert, aber die Standardeinheiten, mit denen sie gemessen werden, sind immer definiert. Im Internationalen Einheitensystem (abgekürzt SI vom französischen Système International) ist das Kilogramm die Basiseinheit der Masse, der Meter die Basiseinheit der Länge, die Sekunde die Basiseinheit der Zeit und das Ampere die Basiseinheit des elektrischen Stroms. Neben diesen vier Einheiten gibt es noch drei weitere: das Mol, das die Einheit der Materiemenge ist, die Candela, die die Lichtstärke (die Lichtleistung) misst, und das Kelvin, die Einheit der Temperatur.

Die Physik untersucht, wie sich Dinge bewegen und welche Kräfte sie bewegen. Zum Beispiel werden Geschwindigkeit und Beschleunigung von der Physik verwendet, um zu zeigen, wie sich Dinge bewegen. Außerdem studieren Physiker die Kräfte der Schwerkraft, der Elektrizität, des Magnetismus und die Kräfte, die Dinge zusammenhalten.

Die Physik studiert sehr große Dinge und sehr kleine Dinge. Physiker können zum Beispiel Sterne, Planeten und Galaxien untersuchen, aber auch kleine Materieteile wie Atome und Elektronen, sowie Schall, Licht und andere Wellen. Darüber hinaus könnten sie Energie, Wärme und Radioaktivität und sogar Raum und Zeit untersuchen. Die Physik hilft den Menschen nicht nur zu verstehen, wie sich Objekte bewegen, sondern auch, wie sie ihre Form verändern, wie sie Lärm machen, wie heiß oder kalt sie sein werden und woraus sie auf kleinster Ebene bestehen.

Physik und Mathematik

Die Physik ist eine quantitative Wissenschaft, weil sie auf dem Messen mit Zahlen beruht. Die Mathematik wird in der Physik verwendet, um Modelle zu erstellen, die versuchen, vorherzusagen, was in der Natur geschehen wird. Diese Vorhersagen werden mit der Art und Weise verglichen, wie die reale Welt funktioniert. Physiker arbeiten ständig daran, ihre Modelle der Welt zu verbessern.

Zweigstellen

Die Klassische Mechanik enthält Hauptthemen wie Newtons Bewegungsgesetze, Lagrange'sche Mechanik, Hamilton'sche Mechanik, Kinematik, Statik, Dynamik, Chaostheorie, Akustik, Fluiddynamik, Kontinuumsmechanik. In der klassischen Mechanik dreht sich alles um die Kräfte, die in der Natur auf einen Körper wirken, um das Gleichgewicht der Kräfte, die Aufrechterhaltung des Gleichgewichtszustandes usw.

Elektromagnetismus ist die Untersuchung von Ladungen auf einem bestimmten Körper. Es enthält Unterthemen wie Elektrostatik, Elektrodynamik, Elektrizität, Magnetismus, Magnetostatik, Maxwell-Gleichungen, Optik .

Thermodynamik und statistische Mechanik sind mit der Temperatur verbunden. Sie umfasst Hauptthemen wie Wärmekraftmaschine, kinetische Theorie. Es werden Begriffe wie Wärme(Q), Arbeit(W) und innere Energie (U) verwendet. Der erste Hauptsatz der Thermodynamik gibt uns die Beziehung zwischen ihnen durch die folgende Gleichung (ΔU = Q - W)

Die Quantenmechanik ist die Untersuchung von Teilchen auf atomarer Ebene unter Berücksichtigung des Atommodells. Sie umfasst die Unterthemen Pfadintegralformulierung, Streutheorie, Schrödingergleichung, Quantenfeldtheorie, quantenstatistische Mechanik.

Relativitätstheorie

Fortgeschrittene Kenntnisse

Allgemeine Beschreibung

Die Physik ist die Wissenschaft von der Materie und davon, wie Materie wechselwirkt. Materie ist jedes physikalische Material im Universum. Alles ist aus Materie hergestellt. Die Physik wird verwendet, um das uns umgebende physikalische Universum zu beschreiben und sein Verhalten vorherzusagen. Die Physik ist die Wissenschaft, die sich mit der Entdeckung und Charakterisierung der universellen Gesetze befasst, die Materie, Bewegung und Kräfte sowie Raum und Zeit und andere Merkmale der natürlichen Welt regeln.

Breite und Ziele der Physik

Der Bogen der Physik ist weit gespannt, von den kleinsten Bestandteilen der Materie und den Kräften, die sie zusammenhalten, bis hin zu Galaxien und noch größeren Dingen. Es gibt nur vier Kräfte, die über diesen gesamten Bereich zu wirken scheinen. Doch selbst diese vier Kräfte (Schwerkraft, Elektromagnetismus, die schwache Kraft, die mit Radioaktivität verbunden ist, und die starke Kraft, die Protonen und Neutronen in einem Atom zusammenhält) werden als verschiedene Teile einer einzigen Kraft angesehen.

Die Physik konzentriert sich hauptsächlich auf das Ziel, immer einfachere, allgemeinere und genauere Regeln aufzustellen, die den Charakter und das Verhalten von Materie und Raum selbst definieren. Eines der Hauptziele der Physik ist es, Theorien aufzustellen, die für alles im Universum gelten. Mit anderen Worten, die Physik kann als das Studium jener universellen Gesetze betrachtet werden, die auf einer möglichst grundlegenden Ebene das Verhalten des physikalischen Universums definieren.

Die Physik benutzt die wissenschaftliche Methode

Die Physik verwendet die wissenschaftliche Methode. Das heißt, es werden Daten aus Experimenten und Beobachtungen gesammelt. Es werden Theorien aufgestellt, die versuchen, diese Daten zu erklären. Die Physik verwendet diese Theorien, um nicht nur physikalische Phänomene zu beschreiben, sondern um physikalische Systeme zu modellieren und vorherzusagen, wie sich diese physikalischen Systeme verhalten werden. Die Physiker vergleichen diese Vorhersagen dann mit Beobachtungen oder experimentellen Beweisen, um zu zeigen, ob die Theorie richtig oder falsch ist.

Die Theorien, die durch Daten gut untermauert werden und besonders einfach und allgemein sind, werden manchmal als wissenschaftliche Gesetze bezeichnet. Natürlich können alle Theorien, einschließlich der als Gesetze bekannten, durch genauere und allgemeinere Gesetze ersetzt werden, wenn eine Unstimmigkeit mit Daten festgestellt wird.

Physik ist quantitativ

Die Physik ist quantitativer als die meisten anderen Wissenschaften. Das heißt, viele der Beobachtungen in der Physik können in Form von numerischen Messungen dargestellt werden. Die meisten Theorien in der Physik verwenden die Mathematik, um ihre Prinzipien auszudrücken. Die meisten Vorhersagen aus diesen Theorien sind numerisch. Das liegt daran, dass die Bereiche, mit denen sich die Physik befasst hat, besser mit quantitativen Ansätzen arbeiten als andere Bereiche. Die Wissenschaften tendieren auch dazu, mit der Zeit quantitativer zu werden, da sie immer höher entwickelt sind, und die Physik ist eine der ältesten Wissenschaften.

Bereiche der Physik

Die klassische Physik umfasst normalerweise die Bereiche Mechanik, Optik, Elektrizität, Magnetismus, Akustik und Thermodynamik. Moderne Physik ist ein Begriff, der normalerweise verwendet wird, um Bereiche abzudecken, die sich auf die Quantentheorie stützen, einschließlich Quantenmechanik, Atomphysik, Kernphysik, Teilchenphysik und Physik der kondensierten Materie sowie die moderneren Bereiche der Allgemeinen und Speziellen Relativitätstheorie, aber diese beiden letzteren werden oft als Bereiche der klassischen Physik angesehen, da sie sich nicht auf die Quantentheorie stützen. Obwohl dieser Unterschied in älteren Schriften zu finden ist, ist er von wenig neuem Interesse, da Quanteneffekte heute so verstanden werden, dass sie auch in Bereichen von Bedeutung sind, die früher als klassisch bezeichnet wurden.

Ansätze in der Physik

Es gibt viele Ansätze für das Studium der Physik und viele verschiedene Arten von Aktivitäten in der Physik. Es gibt zwei Hauptarten von Aktivitäten in der Physik: die Sammlung von Daten und die Entwicklung von Theorien.

Die Daten in einigen Teilgebieten der Physik sind für Experimente zugänglich. Beispielsweise profitieren die Physik der kondensierten Materie und die Kernphysik von der Möglichkeit, Experimente durchzuführen. Die experimentelle Physik konzentriert sich hauptsächlich auf einen empirischen Ansatz. Manchmal werden Experimente durchgeführt, um die Natur zu erforschen, und in anderen Fällen werden Experimente durchgeführt, um Daten zu erzeugen, die mit den Vorhersagen von Theorien verglichen werden können.

Einige andere Bereiche der Physik wie Astrophysik und Geophysik sind hauptsächlich Beobachtungswissenschaften, da die meisten ihrer Daten passiv und nicht durch Experimente gesammelt werden müssen. Beobachtungsprogramme in diesen Bereichen verwenden jedoch viele der gleichen Werkzeuge und Technologien, die auch in den experimentellen Teilgebieten der Physik verwendet werden.

Die theoretische Physik verwendet oft quantitative Ansätze, um die Theorien zu entwickeln, die versuchen, die Daten zu erklären. Auf diese Weise verwenden theoretische Physiker oft Werkzeuge aus der Mathematik. Die theoretische Physik kann oft die Erstellung quantitativer Vorhersagen von physikalischen Theorien und den quantitativen Vergleich dieser Vorhersagen mit Daten beinhalten. Die theoretische Physik erstellt manchmal Modelle physikalischer Systeme, bevor Daten zur Prüfung und Unterstützung dieser Modelle zur Verfügung stehen.

Bei diesen beiden Haupttätigkeiten in der Physik, der Datenerhebung, der Theorieproduktion und dem Testen, kommen viele verschiedene Fähigkeiten zum Einsatz. Dies hat zu einer starken Spezialisierung in der Physik und zur Einführung, Entwicklung und Nutzung von Werkzeugen aus anderen Bereichen geführt. Theoretische Physiker verwenden beispielsweise Mathematik und numerische Analyse sowie Statistik und Wahrscheinlichkeitsrechnung und Computersoftware in ihrer Arbeit. Experimentalphysiker entwickeln Instrumente und Techniken zur Datenerhebung, wobei sie sich der Ingenieurs- und Computertechnologie und vieler anderer Gebiete der Technik bedienen. Oftmals sind die Instrumente aus diesen anderen Bereichen nicht ganz den Bedürfnissen der Physik angemessen und müssen geändert oder weiterentwickelte Versionen erstellt werden.

Es kommt häufig vor, dass neue Physik entdeckt wird, wenn Experimentalphysiker ein Experiment durchführen, das sich mit den derzeitigen Theorien nicht erklären lässt, oder dass theoretische Physiker Theorien entwickeln, die dann von Experimentalphysikern auf die Probe gestellt werden können.

Experimentalphysik, Ingenieurwesen und Technologie sind miteinander verwandt. Experimente benötigen oft spezialisierte Werkzeuge wie Teilchenbeschleuniger, Laser, und wichtige industrielle Anwendungen wie Transistoren und Magnetresonanztomographie stammen aus der angewandten Forschung.

Physiker

Prominente theoretische Physiker

Berühmte theoretische Physiker sind

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