Physik

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Nicht nur das Messerwerfen ist ein Ergebnis der Physik, denn jede ausgeführte Handlung der Menschen ist in der Lehre der Physik begründet.

Die Physik (altgr. φυσική physikē „Naturforschung“, lat. physica „Naturlehre“) ist eine Naturwissenschaft, die sich mit den Vorgängen in der unbelebten Natur befaßt. Sie beschreibt und erklärt einerseits die vielfältigen physikalischen Erscheinungen und formuliert andererseits die erkannten Gesetzmäßigkeiten, so daß die Phänomene vorhersehbar und quantifizierbar werden. Eine bedeutsame Rolle spielt in der Physik die Modellierung der physikalischen Realität, die sich der direkten Wahrnehmung oftmals entzieht oder in einen Gesamtzusammenhang gestellt werden muß. Solche Modelle dienen der Anschauung und sollen durch Experimente oder bestehende Erfahrungen bestätigt werden. Durch die Beschreibung quantitativer Zusammenhänge mit Hilfe von mathematischen Gleichungen oder auch Formeln ermöglicht die Physik die technische Anwendung der Naturgesetze. Die Physik besteht aus einer Vielfalt von Teilgebieten und besitzt diverse Schnittstellen zu anderen wissenschaftlichen Disziplinen.

Inhaltsverzeichnis

Geschichte der Physik

Die Physik geht auf das Zeitalter der Antike zurück. Es stand besonders die Vorstellung eines Urstoffes im Vordergrund, welcher entweder Wasser, Luft oder auch alle vier Elemente umfaßte. Verbunden mit den ersten physikalischen Erkenntnissen sind die Namen Aristoteles, Archimedes, Euklid, Thales und Ptolemäus.

In der Renaissance entwickelte Kopernikus das Heliozentrische Weltbild. Im 17. Jahrhundert erforschte Galileo Galilei die Kinematik von Fall und Wurf.

Newton und Huygens stellten ihre Auffassungen über das Phänomen des Lichtes vor. Wobei Newton eine riesige wissenschaftliche Leistung durch seine Erkenntnis von Statik, Dynamik und Gravitationsgesetz vollbrachte. Die Wärmelehre wurde formuliert von D. G. Fahrenheit und A. Celsius. Die Elektrizitätslehre war Forschungsgegenstand von C. A. Coulomb. Sie wurde dann besonders von A. Volta, H. C. Oerstedt, A. M. Ampere und M. Faraday weiter ausgebaut. Neue Entdeckungen führten zur Wellentheorie des Lichtes, u.a. durch A. Fresnel. Dann stellte J. Maxwell die Theorie des elektromagnetischen Feldes auf. Die Gasgesetze wurden besonders von L. Boltzmann erforscht. Um die Jahrhundertwende (1900) stellte Max Planck seine Quantenhypothese auf. Den Nobelpreis in Physik 1905 erhielt der deutsche Physiker Philipp Lenard für seine Untersuchung von Kathodenstrahlen. Sein Name ist besonders mit der nationalen physikalischen Richtung Deutsche Physik verbunden. Den Nobelpreis für Physik 1919 erhielt der deutsche Physiker Johannes Stark für seine Arbeiten zur Aufspaltung von Spektrallinien in einem elektrischen Feld.

Der Einstieg in die Mikrophysik wurde besonders durch die Entdeckung der Röntgenstrahlen durch W. C. Röntgen und der Radioaktivität durch A. Becqirel, P. und M. Curie sowie E. Rutherford geebnet. Der Jude Niels Bohr entwickelte 1913 sein Atommodell, während L. de Broglie, Werner Heisenberg u.a. die Quantenmechanik entwickelten. Albert Einstein entwickelte seine Relativitätstheorie. Ab 1930 fand eine rasche Weiterentwicklung der Atom- und Kernphysik statt, wobei Otto Hahn besonders die Spaltung von Urankernen und schließlich die Gewinnung der Kernenergie erforschte. In den letzten Jahrzehnten kam es zu riesigen Fortschritten in der Elementarteilchenphysik innerhalb von Großforschungsanlagen.

Teilgebiete der Physik

Mechanik, Akustik, Thermodynamik, Elektrodynamik, d. h. Elektrotechnik und Magnetismus, Optik, Atomphysik, Kernphysik und Elementarteilchenphysik, Kosmologie, Relativitätstheorie und Quantenphysik. Als weitere Forschungsschwerpunkte haben sich die Physik kondensierter Materie (Festkörperphysik, Halbleiterphysik, Tieftemperaturphysik, Physik der Supraleiter) und Laser- und Plasmaphysik ergeben.

Theoretische Physik

Die Aufgabe der theoretischen Physik besteht darin, die empirischen[1] Modelle der Experimentalphysik mathematisch auf bekannte Grundlagentheorien zurückzuführen oder, falls dies nicht möglich ist, Hypothesen für eine neue Theorie zu entwickeln, die dann experimentell überprüft werden können. Sie leitet weiterhin aus bereits bekannten Theorien empirisch überprüfbare Voraussagen ab.

Bei der Entwicklung eines Modells wird grundsätzlich die Wirklichkeit idealisiert; man konzentriert sich zunächst nur auf ein vereinfachtes Bild, um dessen Aspekte zu überblicken und zu erforschen; nachdem das Modell für diese Bedingungen ausgereift ist, wird es weiter verallgemeinert.

Zur theoretischen Beschreibung eines physikalischen Systems benutzt man die Sprache der Mathematik. Seine Bestandteile werden dazu durch mathematische Objekte wie zum Beispiel Skalare oder Vektoren repräsentiert, die in durch Gleichungen festgelegten Beziehungen zueinander stehen. Der Zweck des Modells ist es, aus bekannten Größen unbekannte zu errechnen und damit zum Beispiel das Ergebnis einer experimentellen Messung vorherzusagen. Diese auf Quantitäten konzentrierte Sichtweise unterscheidet die Physik maßgeblich von der Philosophie und hat zur Folge, daß nicht quantifizierbare Modelle, wie das Bewußtsein nicht als Teil der Physik betrachtet werden.

Das fundamentale Maß für den Erfolg einer naturwissenschaftlichen Theorie ist die Übereinstimmung mit Beobachtungen und Experimenten. Durch den Vergleich mit dem Experiment lassen sich der Gültigkeitsbereich und die Genauigkeit einer Theorie ermitteln, allerdings läßt sie sich niemals „beweisen“. Um eine Theorie zu widerlegen, bzw. um die Grenzen ihres Gültigkeitsbereiches zu demonstrieren, genügt im Prinzip ein einziges Experiment, sofern es reproduzierbar ist.

Experimentalphysik und theoretische Physik stehen also in steter Wechselbeziehung zueinander. Es kann allerdings vorkommen, daß Ergebnisse der einen Disziplin der anderen vorauseilen: So sind derzeit viele Voraussagen der Stringtheorie nicht experimentell überprüfbar; andererseits sind viele teilweise extrem genau gemessene Werte aus dem Gebiet der Kernphysik zum heutigen Zeitpunkt (2013) durch die zugehörige Theorie, die Quantenchromodynamik, nicht berechenbar.

Angrenzende wissenschaftliche Disziplinen

Ingenieurwissenschaft und Medizin. Physikalische Erkenntnis und Arbeitsweise wird eingebettet in Wissenschaftstheorie, Epistemologie und Naturphilosophie bzw. Ontologie.

Physik in der Gesellschaft

Da die Physik als die grundlegende Naturwissenschaft gilt, werden physikalisches Wissen und Denken bereits in der Schule meist im Rahmen eines eigenen Schulfaches unterrichtet. Im Rahmen des Schulsystems wird Physik in der Regel als Nebenfach ab Klassenstufe 5–7 unterrichtet, und wird in der Oberstufe oft auch als Leistungskurs geführt.

Quellen

Zitate

  • „Mit der Erklärung der Erscheinungen in der Welt finden wir auch die Physik (im weitesten Sinne des Worts) beschäftigt. Aber in der Natur ihrer Erklärungen selbst liegt schon, daß sie nicht genügen können. Die Physik vermag nicht auf eigenen Füßen zu stehn, sondern bedarf einer Metaphysik, sich darauf zu stützen; so vornehm sie auch gegen diese thun mag. Denn sie erklärt die Erscheinungen durch ein noch Unbekannteres, als diese selbst sind: durch Naturgesetze, beruhend auf Naturkräften, zu welchen auch die Lebenskraft gehört.“Arthur Schopenhauer[2]

Siehe auch

Literatur

  • John Brockman: Was ist Ihre gefährlichste Idee? Die führenden Wissenschaftler unserer Zeit denken das Undenkbare. Mit einer Einleitung von Steven Pinker und einem Nachwort von Richard Dawkins. Fischer Taschenbuch Verlag, Frankfurt am Main ³2010, ISBN 978-3-596-17918-3 [englische Originalausgabe: London 2006]

Fußnoten

  1. Unter Empirie wird in der Wissenschaft eine im Labor oder im Feld durchgeführte Sammlung (oft Erhebung) von Informationen verstanden, die auf gezielten, systematisch verlaufenden Untersuchungen beruht.
  2. A. Schopenhauer: Die Welt als Wille und Vorstellung II, Erster Teilband, Kapitel 17, S. 201 ff. (Ausgabe: Diogenes 1977, ISBN 3 257 20430 2)
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