Fysik

Forskellige fysiske fænomener. Øverst til venstre mod højre:regnbue,laser,luftballoner,lyn,galakser,snurretop,atombombe,atomorbitalerog enuelastisk kollision.

Fysik(overlatin:physicafraoldgræsk:φυσικήviden om natur)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, hvordanuniversetopfører sig.

Fysik er en af de ældsteakademiske disciplinerog, via inklusionen afastronomi,muligvisdenældste.I størstedelen af de to foregående årtusinder har fysik,kemi,biologiog visse grene afmatematikværet en del afnaturfilosofi,men underden videnskabelige revolutioni 1600-tallet voksede disse naturvidenskabsgrene frem som deres egne unikke forskningsområder.Fysik overlapper med mangetværfagligeforskningsområder sombiofysikogkvantekemi,og grænserne for fysik er ikkeskarpt afgrænset.Nye ideer i fysik forklarer ofte fundamentale mekanismer, der er genstand for andre forskningsfelterog kan være sætte en ny retning for forskning i andre akademiske discipliner som matematik ogfilosofi.

Fremskridt i fysik muliggør ofte fremskridt i nyeteknologier.Eksempelvis har udvikling og forståelse afelektromagnetisme,faststoffysikogkernefysikledt direkte til udviklingen af nye produkter, der har ændre det moderne samfund meget, som bl.a.fjernsyn,computere,hårde hvidevarerogatomvåben;forskning itermodynamikledte til udviklingen afindustrialiseringenog udvikling imekanikhar inspireret udviklingen afinfinitesimalregning.

Overblik

Fysik er tæt forbundet med andrenaturvidenskaber,specieltkemi,med viden omatomerog de kemiske forbindelser de danner. Kemi trækker på mange felter fra fysikken, for eksempelkvantemekanik,termodynamikogelektromagnetisme.Men kemiske fænomener er tilstrækkeligt varierede og komplekse til at kemi normalt betragtes som en separat disciplin.

Inddeling af fysik

Et simpelt eksperimentelt setup for a måletyngdeaccelerationen.Bolden holdes i højden$h_{0}$,hvorfra den slippes. Med et stopur kan faldtiden måles.

I lighed med andre naturvidenskaber kan fysik grundlæggende deles op ieksperimentalfysikogteoretisk fysik.Eksperimentalfysikken er optaget af at opstille nyeeksperimenterfor derved at samleempiri,mens teoretiske fysikere opstillermodeller,der kan forklare de eksperimentelle resultater og komme med forudsigelser. Af og til regnescomputerfysikfor at være en tredje gren.

Eksperimentalfysik

Uddybende artikel:Eksperimentalfysik

Fysikeksperimenter har til formål at besvare et spørgsmål, som eksperimentalfysikeren har. For eksempel er et typiskgymnasieforsøgat 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 etstopurfx 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.

Teoretisk fysik

Uddybende artikel:Teoretisk fysik

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 udkomme 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 tyngdelovsammen 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, såindustrieni sidste ende fx kan producereaerodynamiskebilerog ikke-aerodynamiskefaldskærme.

Grundlæggende teorier

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 forfysikerenog 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

Uddybende artikel:Klassisk fysik

Klassisk fysik var den første grundlæggende teori for fysik og blev udviklet overårhundrederop 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 såsomledningsevneogviskositet,men kan ikke forklare oprindelsen af disse egenskaber.

Klassisk mekanik

Uddybende artikel:Klassisk mekanik

Den mest kendte formulering afklassisk mekanikerNewtons love.Isaac Newtonbeskriver alle fysiske interaktioner med enkraft,der er envektorstørrelse.Et legeme, der påvirkes af en kraft, vil begynde ataccelerere,der også er en vektor. IfølgeNewtons anden lover kraften${\vec {F}}$proportional med accelerationen${\vec {a}}$,hvor proportionalitetskonstanten er legemetsmasse$m$.

${\vec {F}}=m{\vec {a}}$

Et massivt legeme skal altså bruge mere tid til at nå op på en givenhastighed.I dagligdagen opleves dette fx ved, atlastbilerhar brug for størrebremselængdeend andre biler, der har mindre masse.

Newtonsk gravitation

Uddybende artikel:Newtonsk gravitation

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$m$og$M$,men omvendt proportional med afstanden$r$i anden:

${\vec {F}}=-G{\frac {Mm}{r^{2}}}{\hat {r}}$

Enhedsvektoren${\hat {r}}$angiver, at kraften på det ene objekt virker i retningen af de andet objekt, og det negative fortegn viser, at kraften er tiltrækkende.

Klassisk elektrodynamik

Uddybende artikel:Klassisk elektrodynamik

I den klassisk model forelektromagnetisme- dvs.lys,elektricitetogmagnetismemed mere - påvirkerelektrisk ladedelegemer også hinanden med en kraft. En af de tidligste lovmæssigheder erCoulombs lov,der har næsten samme form som Newtons tyngdelov:

${\vec {F}}={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}{\frac {Qq}{r^{2}}}{\hat {r}}$

Masserne er her udskiftet med de to legemers ladninger$Q$og$q$,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.

Termodynamik og statistisk mekanik

Uddybende artikel:Termisk fysik

Termodynamikkener studiet af, hvordan et system udvekslerenergimed omgivelserne og udøver etarbejde.Termodynamikken blev udviklet i1800-talletfor at få en bedre forståelse fordampmaskinerne,der havde vundet indpas ifm.den industrielle revolution.Termodynamikken analyserer sådanne systemer ved at fokusere på demakroskopiskeegenskaber; dvs. uden at tage højde for mindre dele såsomatomer.Et kendt resultat inden for termodynamik er fxidealgasligningen,der relaterervolumen,trykogtemperaturfor engas.

I takt med termodynamikkens udvikling opstodden statistiske mekanik,da der i stigende grad var brug for også at forstå demikroskopiskegrunde til termodynamiske resultater. En tidligpionervarLudwig Boltzmann,der udviklede teorien omatomer.Med dem kunneJames Clerk Maxwellskinetiske gasteoriforklare idealgasligningen. Da delsystemerne er så små, har den statistiske mekanik dog ofte brug for at inddrage kvantefysikken.

Relativistisk fysik

Uddybende artikel:Relativitetsteorien

Relativitetsteorien blev udviklet afAlbert Einsteini starten af1900-tallet,i det han påstod, atlysets fartivakuumer den samme i alleinertialsystemer.Dvs. at to personer vil måle den samme hastighed, selvom de bevæger sig i forhold til hinanden. Dette var baseret på, atMichelson-Morley-eksperimentetnetop ikke kunne måle en forskel.

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.

Speciel relativitetsteori

Uddybende artikel:Speciel relativitetsteori

Den specielle relativitetsteori er den simpleste, men mest udbredte, version. Den beskæftiger sig med en fladrumtid,hvilket er uden gravitation. Et af de kendtetankeeksperimenterertvillingeparadokset,der siger, at en tvilling, der rejser i enrumrakettæt 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$m$er proportionalt med den bundne energi$E$,hvor proportionalitetskonstanten er lysets fart kvadreret$c^{2}$.

$E=mc^{2}$

Denne energi kan delvist frigives, hvilket benyttes ikernekraft.

Generel relativitetsteori

Uddybende artikel:Generel relativitetsteori

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.

Kvantefysik

Uddybende artikel:Kvantefysik

Kvantefysikken blev udviklet fra omkring år1900som 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 beskrivevarmestrålingenfra etsortlegeme.Det blev yderlige observeret, at lys både kan opføre sig som enbølgeuden en bestemt position og en partikel med en klar position (partikel-bølge-dualiteten).Louis de Broglieforeslog, at denne dualitet også gælder for andre partikler og estimerede deresbølgelængde.

Schrödinger-ligningen

Uddybende artikel:Schrödingers ligning

En af de første og mest udbredte modeller er Schrödinger-ligningen, der beskriver et system med enbølgefunktion,der er relateret tilsandsynlighedstæthedenfor, at systemet er i en given tilstand. Deri ligger det grundlæggende stokastiske ved kvantemekanikken.

Standardmodellen

Uddybende artikel:Standardmodellen

Den mest moderne og etablerede model er derimod Standardmodellen, der beskriver alle fundamentale interaktioner med undtagelse afgravitation.De andre fundamentale interaktioner erelektromagnetisme,stærk kernekraftogsvag kernekraft.

Retninger inden for fysik

Koncepttegning af etsort hul(NASA).

• Astrofysik
• Astronomi
• Atomfysik
• Biofysik
• Kondenserede stoffers fysik
  • Faststoffysik
• Gastrofysik
• Geofysik
• Kernefysik
• Kosmologi
• Partikelfysik
• Sociofysik
• Statistisk fysik

Historie

Uddybende artikel:Fysikkens historie

Fysikken kan siges at starte mednaturfilosoffenAristotelesiAntikkens Grækenland,men den første moderne fysiker regnes normalt for at væreGalileo Galilei.

Fysikere

Uddybende artikel:Fysiker

Forskning i fysik bedrives af enfysiker,der typisk er uddannet inden for fysik, men vedkommende kan også få sin viden fra uddannelse i andrenaturvidenskabelige,ingeniørmæssigeellermatematiskeområder. En fysiker kan udover forskning også beskæftige sig meduddannelse,anvendelsesamt andre jobs, der ikke nødvendigvis er anses for at være fysikerjobs. DentyskeforbundskanslerAngela Merkel(2005-2021) er uddannet fysiker.

Foreslåede teorier

Strengteori–Tolkning af kvantemekanikken

Begreber

Stof–Antistof–Partikelfysik(elementarpartikel,subatomar partikel) –Boson–Fermion

Symmetri–Bevarelseslove–Masse–Energi–Inerti–Vinkelhastighed–Spin

Tid–Rum–Dimension–Rumtid–Længde–Hastighed–Kraft–Bevægelsesmængde–Impuls

Bølge–Bølgefunktion–Harmonisk oscillator–Magnetisme–Elektricitet–Elektromagnetisk stråling–Temperatur–Entropi–Fysisk information

Partikler

Atom–Proton–Neutron–Elektron–Kvark–Foton–Gluon–W-boson–Z-boson–Graviton–Neutrino–Partikelstråling

Tabeller

Fysiske konstanter–Grundlæggende SI-enheder–afledte SI-enheder–SI-præfiks–Konvertering af enheder

Beslægtede områder

Matematisk fysik–Astronomi–Astrofysik-Biofysik–Elektronik–Ingeniørvidenskab–Meteorologi–Nanoteknologi

Uløste problemer

Fysikkens uløste gåder

Se også

• Fysikkens filosofi

Eksterne henvisninger

Wikimedia Commonshar medier relateret til: Fysik

• The 9 Biggest Unsolved Mysteries in Physics. LivescienceArkiveret11. december 2020 hosWayback Machine
• Fagsiden for fysik på Københavns Universitetsbibliotek, det Kgl. Bibliotek(Webside ikke længere tilgængelig)
• ScienceDaily MagazineArkiveret7. september 2020 hosWayback Machine
• Open Questions in PhysicsArkiveret22. januar 2013 hosWayback Machine
• AIP Physics NewsArkiveret5. december 2003 hosWayback Machine
• BBC News Sci/TechArkiveret3. december 2003 hosWayback Machine