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.
