Fysik
Från Rilpedia
Fysik (från grekiska φυσικός (physikos), "naturlig") är vetenskapen om naturen i dess vidaste bemärkelse. Fysiken handlar om de beståndsdelar som bygger upp universum, de fundamentala krafter som verkar mellan dessa beståndsdelar, och de resultat som dessa krafter ger. Fysiker studerar dessa problem på alla storleksskalor, från de minsta beståndsdelarna på subatomär nivå (partikelfysik och kärnfysik) till universums struktur på den allra största skalan (kosmologi). Däremellan studeras forskningsfält från atomfysik, molekylfysik och fasta tillståndets fysik via mekanik, strömningsmekanik, elektromagnetism, termodynamik och plasmafysik, till rymdfysik och astrofysik. Biofysik och geofysik är andra exempel på forskningsfält.
De viktigaste begreppen inom fysiken är symmetrier och bevarandelagar, och på en mer abstrakt nivå skulle man kunna säga att fysiken är studiet av dessa begrepp och hur de appliceras på energi, rörelsemängd, laddning, paritet och så vidare.
Fysik och andra vetenskaper
Fysikens resultat kommer till användning inom alla andra fält inom naturvetenskapen eftersom den studerar de grundläggande lagarna för naturen. Vissa fysikaliska fenomen, som lagens om energins bevarande, gäller för alla system och kallas naturlagar. Fysiken sägs ibland vara den fundamentala vetenskapen, eftersom alla andra naturvetenskaper (exempelvis kemi, biologi och geovetenskap) behandlar system som lyder under fysikens lagar. Kemin, till exempel, behandlar molekyler och de ämnen som de bildar. Dessa ämnens egenskaper bestäms av egenskaperna hos de atomer och molekyler som de består av, och dessa i sin tur beskrivs av ämnen inom fysiken som kvantmekanik, elektromagnetism och termodynamik. Detta betyder inte att all naturvetenskap är fysik. I själva verket vore det mycket opraktiskt att försöka använda fysikaliska beskrivningar direkt för att beskriva kemiska reaktioner, men i princip skulle dessa kunna härledas från fysiken.
Fysik har en nära relation till matematik och alla fysikaliska lagar beskrivs som matematiska relationer. Matematiken ger ett ramverk som kan användas för att uttrycka fysikens teorier och ge kvantitativa förutsägelser.
En viktigt skillnad mellan fysik och matematik är dock att fysiken syftar till att i slutändan beskriva hur naturen fungerar, medan en matematiker beskriver abstrakta strukturer som inte behöver ha någon fysikalisk tillämpning. Skillnaden är inte alltid skarp, och nya matematiska rön får ofta tillämpningar inom fysiken, och ibland ger upptäckter inom fysiken ny förståelse inom matematiken. Forskningsfältet matematisk fysik syftar till att utveckla den matematiska strukturen hos fysikaliska teorier.
Fysik står också nära ett flertal ingenjörsvetenskaper, där till exempel elektroteknik behandlar tillämpningar av elektromagnetismen, statik, en underdisciplin av mekaniken, används i brobygge samt teorier från fasta tillståndets fysik används för att beskriva dopade halvledare. Därför finns det också ett betydande överlapp mellan ingenjörsvetenskap och tillämpad fysik.
Metoder
Då fysiken är en vetenskap tillämpas den vetenskapliga metoden, med uppställande av hypoteser som antingen förkastas eller antas för att sedan möjligen förfinas. Eftersom fysik oftast beskrivs i hög grad av matematik är det ofta nödvändigt att ha ett bra grepp om sådan för att kunna tillföra något till fysikämnet; vissa discipliner som strängteori är idag snarast ett mellanting mellan fysik och matematik än ett fysikaliskt forskningområde. Fysiker måste dessutom – beroende på område – ha god kännedom om statistik, då sådan krävs för att analysera resultat från experiment, eller till och med krävs för att kunna beskriva verkligheten på ett korrekt sätt.
Fysiker använder dessutom något som kallas dimensionsanalys, vilket i grund och botten är insikten att en fysikalisk storhet – till exempel massa eller längd – inte utan vidare låter sig utbytas mot en annan; en mening som "den här stången är fem kilo lång" tycks ju vara rent nonsens. Om man däremot vet att en stång av det materialet och med den diametern har massan 10 kilogram per meter, kan man lätt byta mellan massa och längd, och kan se att om stången har massan 5 kilogram så är den en halv meter lång. För det mesta tillämpas dock dimensionsanalys på långt mer komplexa system, och kan då vara en god hjälp för att till exempel kunna säga vilka parametrar som inte spelar roll.
Teori och experiment
Fysiken skiljer sig delvis från andra vetenskaper då teori och experiment anses som delvis skilda fält. Från och med nittonhundratalet har de flesta fysiker specialiserat sig på antingen teoretisk eller experimentell fysik. I kontrast till detta står biologin och kemin, där de flesta framgångsrika teoretiker också varit experimentalister, även om detta börjat förändras på sista tiden.[1] Teoretiska fysiker försöker att använda abstraktioner och matematiska modeller för att beskriva och tolka befintliga experimentella resultat och sedan använda dessa metoder för att generalisera till nya teorier och från dessa förutse resultatet av framtida experiment. Experimentalister försöker komma på sätt att utföra experiment som kan påvisa nya fenomen eller testa teoretikernas förutsägelser. Även om dessa områden stundom kan utvecklas separat är de starkt knytna till varandra. Framsteg inom fysiken sker oftast när experimentalister får fram ett resultat som befintliga teorier inte kan förklara, vilket gör att nya teorier måste tas fram. Ibland utvecklas teorier istället självständigt och verifieras sedan experimentellt – ett exempel på detta är Albert Einsteins allmänna relativitetsteori.
Fenomenologi
Vissa teorier och modeller i fysiken är fenomenologiska. Med detta menas att även om de är baserade på ett fysikaliskt systems verkliga beteende är de inte härledda ur mer grundläggande teorier. Vanligt är att det finns flera parametrar som kan anpassas till olika specialfall. Ett exempel på en sådan teori är Einsteins teori för den fotoelektriska effekten, som trots att den bland annat bygger på flera antagandet att energin i en metall är kvantiserad även har ett utträdesarbete som vid denna tid inte kunde beräknas teoretiskt utan endast mätas experimentellt. Ett annat exempel på en fenomenologisk teori är termodynamik.
Centrala teorier
Eftersom fysiken i princip inte begränsar sig alls i fråga om vad den studerar har det uppstått en mängd mer eller mindre separata delområden, ofta med delvis skilda betraktelsesätt och terminolgier.
- Den klassiska mekaniken är fysikens beskrivning hur olika makroskopiska objekt förhåller sig till och växelverkar med varandra, vid hastigheter långt under ljushastigheten. Varje fysiskt objekt har ett antal mätbara egenskaper som position, hastighet och massa. Ur dessa kan man sedan härleda andra storheter som energi och rörelsemängd. Newtons rörelselagar utgör fundamentet för hela området. Hållfasthetslära och strömningsmekanik är viktiga underdiscipliner.
- Klassisk elektrodynamik är en teori som beskriver elektromagnetismen, en av universums fundamentala krafter, som förenar elektriska och magnetiska fenomen till en sammanhängande teori som beskrivs av Maxwells ekvationer. Den förmedlas av fotoner och växelverkar med alla laddade partiklar. Den elektromagnetiska kraften är ansvarig för i princip alla fenomen i vår vardag förutom gravitationen. Centrala begrepp är elektrisk laddning, ström, spänning och elektromagnetiska fält.
- Termodynamiken är läran om energi, hur denna omvandlas, och hur man kan utvinna arbete. Även värme spelar stor roll. Entropi, temperatur och tryck är centrala införda storheter. Termodynamiken utgår från system i jämvikt. Den empiriska grunden är termodynamikens huvudsatser.
- Kvantmekaniken studerar hur mikroskopiska objekt beter sig, vilket oftast är radikalt annorlunda mot hur makroskopiska objekt beter sig. Schrödingerekvationen spelar motsvarande roll som Newtons rörelslagar har inom den klassiska fysiken, vilken kan härledas ur kvantmekaniken (den så kallade klassiska gränsen). Kvantmekaniken har också många storheter och begrepp gemensamt med klassisk mekanik, även om läge och hastighet inte längre kan beskrivas exakt som en följd av Heisenbergs osäkerhetsrelation och därför ersätts det förra av vågfunktionen. Dessutom tillkommer begreppet spinn, som helt saknar motsvarighet inom klassisk mekanik.
- Relativitetsteori, eller mer specifikt de speciella och allmänna relativitetsteorierna grundar sig på att ljushastigheten är konstant för alla observatörer respektive att acceleration och gravitation är ekvivalenta, vilket leder till att den klassiska mekanikens fundamentala begrepp som massa och rörelsemängd, tid och rum måste ges nya definitioner, samt att energi och massa är ekvivalenta.
Viktiga områden
Inom fysiken finns flera viktiga områden som studerar fenomen där två eller flera av ovanstående teorier är nödvändiga för att ge en komplett bild av området.
- Astrofysiken studerar hur astronomiska objekt beter sig. Detta inbegriper fenomen som stjärnor och planeter, svarta hål och neutronstjärnor, supernovor och galaxer. En viktig underdisciplin är kosmologin, som befattar sig med universum som helhets historia och framtid.
- Den Kondenserade materiens fysik behandlar egenskaper av olika material, där ett stort antal atomer som är starkt bundna till varandra. I underområdet fasta tillståndets fysik gäller det till exempel metaller, magneter och halvledare, men även mer exotiska materieformer som Bose-Einstein-kondensat.
- Den subatomära fysiken studerar objekt mindre än atomer – från atomkärnor och nedåt. Den är väsentligen uppdelad på två områden: partikelfysiken, som studerar elementarpartiklar och de subatomära partiklar dessa bygger upp, och kärnfysiken, som studerar atomkärnor som byggs upp av protoner och neutroner. Vissa begrepp är relevanta för båda underdisciplinerna, som stark och svag växelverkan.
Klassisk och modern fysik
Efter att kvantmekaniken slagit igenom blev det uppenbart för fysikersamfundet att flera äldre teorier skulle behöva modifieras för att kunna användas tillsammans med denna. På grund av detta kallas alla icke kvantiserade teorier för klassiska, inklusive de båda relativitetsteorierna. En klassisk teori är således inte per definition från tiden före skapandet av kvantmekaniken. Klassiska teorier är i allmänhet enklare att arbeta med, och forskas fortfarande på utan målet att kvantisera dem. Det finns dock även problem som lättast behandlas om man kombinerar klassiska och kvantmekaniska beskrivningar. Dessa kallas semiklassiska, och kan vara svåra att härleda, trots att de är enkla att arbeta praktisk med.
Eftersom relativitetsteorierna och kvantmekaniken båda är de bästa kända modellerna för de fundamentala växelverkningarna, och då de båda i grunden förändrade fysiken ungefär samtidigt, så används termen modern fysik för att beskriva fysik som bygger på dem.
Den klassiska fysiken går att få ut som en approximation av de moderna teorierna. I fallet relativitetsteori låter man ljushastigheten formellt gå mot oändligheten, och i fallet kvantmekanik låter man Plancks konstant gå mot noll.
Tillämpningar av fysik
Fysiken tillämpas i många läror och verksamheter, och har ofta utvecklats i takt med dessa. Termodynamiken utvecklades till exempel mycket nära de ingenjörsmässiga tillämpningar den har, och är fortfarande tätt sammanknuten med dessa. Andra områden som har en stadig grund i fysiken är elektronik, som baserar sig på ellära och resultat om halvledare från kondenserade materiens fysik. Fysikens tillämpningar inom medicinen går under namnet medicinsk fysik, och utnyttjar bland annat röntgenstrålning och radioaktivitet. Meteorologin bygger på resultat från flödesdynamik. Kemin utnyttjar bland annat kvantmekanik och termodynamik i området fysikalisk kemi.
Historik
.png)
Det teoretiska studiet av universum började som naturfilosofi. Aristoteles var tillsammans med bibeln länge de stora auktoriteterna i Europa och ifrågasattes inte på allvar förrän under renässansen då framförallt Galileo Galilei började tillämpa den vetenskapliga metoden som ersatte auktoritetstro med experiment och vidareutveckling av hypoteser[2]. 1687 kom sedan Isaac Newtons Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica ut, vilken lade grunden för den klassiska mekaniken och i ett slag förklarade en mängd fenomen. Tidigare hade man inte insett att samma kraft som får äpplet att falla till marken även ligger bakom planeternas rörelse. Insikten om möjligheten, och strävan efter, att förklara vitt skilda fenomen med endast ett fåtal generella lagar som man sedan härleder mer specifika fall ur har sedan dess starkt präglat fysiken.[2] Speciellt lyckat var James Clerk Maxwells sammanfattning av elektromagnetismen i Maxwells ekvationer. I slutet av 1800-hundratalet trodde man att man till slut i stort slutfört detta projekt, och att det endast återstod smärre detaljer som behövde studeras. Föga anade man att man stod inför ett århundrade då fysiken skulle förändras totalt, även om det fanns några irriterande fenomen som den ultravioletta katastrofen och Brownsk rörelse man inte kunde få grepp om och som stred mot gällande kunskap.
1900 började förändringen, då Max Planck i en "desperat handling" tvingades införa att elektromagnetisk energi endast kunde sändas ut i kvantiserad form för att kunna förklara den ultravioletta katastrofen. 5 år senare, under sitt annus mirabilis utvecklade Albert Einstein denna hypotes för att förklara den fotoelektriska effekten. Dessutom förklarade han samma år den Brownska rörelsen, också den genom att kvantisera naturen, fast denna gång materien och inte energin. Detta blev atomteorins genombrott. Som om inte detta vore nog publicerade han dessutom den speciella relativitetsteorin. Det tidiga nittonhundratalet såg sedan en kraftig utbyggnad av dessa teorier. Under andra världskriget skulle fysikerna på allvar visa vilka krafter de nu kontrollerade, genom konstruktionen och användandet av de första atombomberna. Fysiken tjänade dock även mänskligheten på betydligt fredligare sätt, bland annat genomutvecklandet av halvledarfysiken, som ligger till grund för nödvändiga komponenter i många moderna apparater, som till exempel datorer.
Fysikens framtida utveckling och föreslagna teorier
Fysikens teoretiska modeller av verkligheten har avlöst varandra. I dag pågår sökandet av en modell som kan sammanfatta alla fenomen i universum - "teorin om allt". Som en del av detta sökande kommer man vid LHC söka efter Higgspartikeln, som skulle visa att Higgsmekanismen är det sätt genom vilket olika elementarpartiklar har olika massa.
Inom den kondenserade materiens fysik försöker man idag skapa en teori för högtemperatursupraledare, och lägger ner experimentell möda på bland annat utveckla spinntronik och kvantdatorer.
De teoretiska försök som pågått i över ett halvt århundrade i syfte att förena kvantmekanik och generell relativitetsteori har ännu inte nått ända fram. De idag troligaste förslagen är M-teori, supersträngteori och loopkvantgravitation.[1]
Många astronomiska och kosmologiska fenomen är ännu oförklarade, som till exempel det faktum att universum består av mycket mer materia än antimateria samt vad mörk energi och mörk materia är för något.
Inom den klassiska fysiken kvarstår dessutom stora teoretiska problem med hur man skall behandla fenomen som turbulens och kaos.
Avfärdade teorier och resultat
Genom fysikens historia har ett flertal felaktiga teorier dykt upp. När dessa sedan motbevisats har ofta fysiken utvecklats kraftigt
- Steady state-teorin var en teori som till skillnad mot Big Bang-teorin sade att universum alltid funnits, och att det varken utvidgade sig eller krympte. Även om den till slut motbevisades ledde det faktum att det fanns ett alternativ till Big Bang att området utforskades snabbare och bättre.
- Eter var ett medium man trodde ljus fortplantade sig i. Detta motbevisades av Michelson-Morleys experiment, och senare teorier som relativitetsteorin inkluderade därför inte etern.
- Flogiston var ett mystiskt ämne man trodde fanns i brännbara material och var det som förbrukades när dessa brändes. Efter att denna teori motbevisats förändrades kemin i grunden i den kemiska revolutionen.
Utbildning och forskning
I Sverige är fysik ett NO-ämne i grundskolan, och ett karaktärsämne på naturvetenskapsprogrammet och teknikprogrammet. På högskolan kan man studera teknisk fysik eller fysiklinjen.
Se även
Vidare läsning
Populärvetenskap
- Bodanis, David: E=mc²: Historien om världens mest kända ekvation, Norstedts förlag, Stockholm 2000. ISBN 91-7263-326-3.
Bra böcker om fysik
- Bengtsson, Hans-Uno: Bengtsson om klassisk fysik, 1995. ISBN 91-40-62020-4.
- Feynman, Richard; Leighton, Robert; Sands, Matthew: Feynman Lectures on Physics, Addison-Wesley, 1989. ISBN 0-201-51003-0.
Källor
|
|||||||
