Fysik (overlatin:physica fraoldgræsk: φυσικήviden om natur)[1][2] handler om stof, energi og bevægelse i den natur, der omgiver mennesket. Det er en af de mest fundamentale videnskabelige discipliner, og dens primære mål er at forstå, hvordanuniverset opfører sig.[3][4][5][6]
Fysik er en af de ældsteakademiske discipliner og, via inklusionen afastronomi, muligvisden ældste.[7] I størstedelen af de to foregående årtusinder har fysik,kemi,biologi og visse grene afmatematik været en del afnaturfilosofi, men underden videnskabelige revolution i 1600-tallet voksede disse naturvidenskabsgrene frem som deres egne unikke forskningsområder.[a] Fysik overlapper med mangetværfaglige forskningsområder sombiofysik ogkvantekemi, og grænserne for fysik er ikkeskarpt afgrænset. Nye ideer i fysik forklarer ofte fundamentale mekanismer, der er genstand for andre forskningsfelter[3] og kan være sætte en ny retning for forskning i andre akademiske discipliner som matematik ogfilosofi.
Fysik er tæt forbundet med andrenaturvidenskaber, specieltkemi, med viden omatomer og de kemiske forbindelser de danner.Kemi trækker på mange felter fra fysikken, for eksempelkvantemekanik,termodynamik ogelektromagnetisme. Men kemiske fænomener er tilstrækkeligt varierede og komplekse til at kemi normalt betragtes som en separat disciplin.
Et simpelt eksperimentelt setup for a måletyngdeaccelerationen. Bolden holdes i højden, hvorfra den slippes. Med et stopur kan faldtiden måles.
I lighed med andre naturvidenskaber kan fysik grundlæggende deles op ieksperimentalfysik ogteoretisk fysik. Eksperimentalfysikken er optaget af at opstille nyeeksperimenter for derved at samleempiri, mens teoretiske fysikere opstillermodeller, der kan forklare de eksperimentelle resultater og komme med forudsigelser. Af og til regnescomputerfysik for at være en tredje gren.
Fysikeksperimenter har til formål at besvare et spørgsmål, som eksperimentalfysikeren har. For eksempel er et typiskgymnasieforsøg at lade en bold falde frit for at se, hvor hurtigt den falder afhængigt af højden. Et godt eksperiment er kendetegnet ved, at værdien af interesse kan måles præcist, og at alle faktorer, der kan påvirke resultatet, er under kontrol eller bliver taget højde for, når resultaterneanalyseres. I eksemplet med bolden skal etstopur fx være præcist nok til at måle faldtiden, mens faldhøjden skal måles præcist med fx et målebånd. Af størst betydning for resultatet erluftmodstanden, så for at udelukke den bør bolden være tung samt have en form, der giver lav luftmodstand. Når dette eksperiment fungerer godt, kan eksperimentalfysikeren til gengæld genintroducerer luftmodstanden for at måle dens effekt i et nyt eksperiment.
Et plot af faldtid som funktion af højde. De eksperimentelle værdier er røde, hvor bredden af hvert punkt ererror bars, der angiver, hvor sikker den målte højde er. I grøn er Galileis faldlov tilpasset de eksperimentelle resultater.
Teoretisk fysik har til opgave at sætte resultaterne fra eksperimentalfysik i system for derved at forstå, hvordan virkeligheden fungerer og for at komme med forudsigelser om, hvilket udfald eksperimenter vil have, hvis de udføres på en anden måde.
I eksemplet med bolden vil en simpel model for dens opførsel væreGalileis faldlov, der siger, at bolden er udsat for en konstanttyngdeacceleration. Derved kan faldtiden som funktion af højden udledes, og de eksperimentelle værdier kan bruges til at bestemme tyngdeaccelerationen. En mere generel model ville væreNewtons tyngdelov sammen medNewtons anden lov; disse er så fundamentale, at de kan beskrive både boldens fald samtplaneternesbaner. Det er generelt af interesse at opstille teorier, der kan forklare så mange eksperimentelle resultater som muligt, da teorien dermed repræsenterer en mere grundlæggende forståelse.
Alternativt kan Galilei faldlov gøres mere kompliceret ved at tilføje et bidrag fra luftmodstanden. Det er her især godt, hvis modellen kan forklare, hvordan luftmodstanden afhænger af det faldende objekts form. Da kan teorien bruges til at forudsige, hvilken form er nødvendig for at opnå en bestemt luftmodstand, såindustrien i sidste ende fx kan producereaerodynamiskebiler og ikke-aerodynamiskefaldskærme.
Den teoretiske fysik kan grundlæggende deles op iklassisk fysik, der betragter fysik som fundamentaltdeterministisk, ogkvantefysik, som i stedet beskriver virkeligheden somstokastisk. Den klassiske fysik kan udledes fra kvantefysikken og er således ofte at foretrække, hvis systemet, der undersøges, ikke opfører sig på en måde, der kun kan forklares med kvantefysik. En forståelse af begge områder er et vigtigt fundament forfysikeren og en fast del affysik-uddannelsen.
Det er ikke nødvendigvis entydigt, hvorvidt en given model er klassisk eller kvantefysisk, og visse modeller passer ikke ind i opdelingen.
Klassisk fysik var den første grundlæggende teori for fysik og blev udviklet overårhundreder op til omkring år1900. Den klassiske fysik er kendetegnet ved at modellere systemer som værende grundlæggende deterministiske. Klassisk mekanik gælder generelt for makroskopiske systemer. Klassisk fysik kan også tage højde for materialeegenskaber såsomledningsevne ogviskositet, men kan ikke forklare oprindelsen af disse egenskaber.
Et massivt legeme skal altså bruge mere tid til at nå op på en givenhastighed. I dagligdagen opleves dette fx ved, atlastbiler har brug for størrebremselængde end andre biler, der har mindre masse.
Samtidig med klassisk mekanik blev den første teori for gravitation udviklet. I denne teori tiltrækker alle legemer hinanden med en kraft, der er proportional med masserne og, men omvendt proportional med afstanden i anden:
Enhedsvektoren angiver, at kraften på det ene objekt virker i retningen af de andet objekt, og det negative fortegn viser, at kraften er tiltrækkende.
Masserne er her udskiftet med de to legemers ladninger og, mens det negative fortegn angiver, at legemer med samme fortegn ladninger vil frastøde hinanden. Denne ligning gælder dog kun for stationære ladninger - såkaldtelektrostatik - mens elektromagnetisme mere generelt kan modelleres medMaxwells ligninger.
I takt med termodynamikkens udvikling opstodden statistiske mekanik, da der i stigende grad var brug for også at forstå demikroskopiske grunde til termodynamiske resultater. En tidligpioner varLudwig Boltzmann, der udviklede teorien omatomer. Med dem kunneJames Clerk Maxwellskinetiske gasteori forklare idealgasligningen. Da delsystemerne er så små, har den statistiske mekanik dog ofte brug for at inddrage kvantefysikken.
I den klassiske mekanik vil lysets målte fart - ligesom alle andre objekters fart - derimod afhænge af, hvor hurtigt observatøren bevæger sig. Dette kendes fra dagligdagen, hvor en bil, der kører 70 km/t, vil opleve at en anden bil kører 10 km/t, selvom den kører 80 km/t i forhold til vejen.
Relativitetsteorien er altså en teori om rum og tid. Den er et brud med den klassiske mekanik, selvom den heller ikke er kvantemekanisk.
Den specielle relativitetsteori er den simpleste, men mest udbredte, version. Den beskæftiger sig med en fladrumtid, hvilket er uden gravitation. Et af de kendtetankeeksperimenter ertvillingeparadokset, der siger, at en tvilling, der rejser i enrumraket tæt på lysets hastighed, vil ældes meget mindre end den anden tvilling, der bliver påJorden.
En mere tydelig og praktisk konsekvens ermasse-energi-ækvivalensen, der siger, at et legemes masse er proportionalt med den bundne energi, hvor proportionalitetskonstanten er lysets fart kvadreret.
Denne energi kan delvist frigives, hvilket benyttes ikernekraft.
Den generelle relativitetsteori bygger oven på den specielle relativitetsteori, men beskæftiger sig nu med det krumme rum, hvilket vil sige, at bevægelser i lige linjer ikke længere er lige. På denne måde forklarer teorien gravitation og giver bedre forudsigelser end Newtons tyngdelov.
Den generelle relativitetsteori er fx blevet brugt til at forudsige eksistensen afsorte huller.
Kvantefysikken blev udviklet fra omkring år1900 som svar på yderligere observerede afvigelser fra den klassiske mekanik. Et af de første skridt blev gjort afMax Planck, der viste, at en kvantisering af lys -vha.Plancks konstant - kunne beskrivevarmestrålingen fra etsortlegeme. Det blev yderlige observeret, at lys både kan opføre sig som enbølge uden en bestemt position og en partikel med en klar position (partikel-bølge-dualiteten).Louis de Broglie foreslog, at denne dualitet også gælder for andre partikler og estimerede deresbølgelængde.
En af de første og mest udbredte modeller er Schrödinger-ligningen, der beskriver et system med enbølgefunktion, der er relateret tilsandsynlighedstætheden for, at systemet er i en given tilstand. Deri ligger det grundlæggende stokastiske ved kvantemekanikken.
^abcYoung & Freedman 2014, s. 1 "Physics is one of the most fundamental of the sciences. Scientists of all disciplines use the ideas of physics, including chemists who study the structure of molecules, paleontologists who try to reconstruct how dinosaurs walked, and climatologists who study how human activities affect the atmosphere and oceans. Physics is also the foundation of all engineering and technology. No engineer could design a flat-screen TV, an interplanetary spacecraft, or even a better mousetrap without first understanding the basic laws of physics. (...) You will come to see physics as a towering achievement of the human intellect in its quest to understand our world and ourselves."
^Young & Freedman 2014, s. 2 "Physics is an experimental science. Physicists observe the phenomena of nature and try to find patterns that relate these phenomena."
^Holzner 2006, s. 7 "Physics is the study of your world and the world and universe around you."
^Maxwell 1878, s. 9 "Physical science is that department of knowledge which relates to the order of nature, or, in other words, to the regular succession of events."
.jpg)
