Experimentalphysik

Die Experimentalphysik ist der Zweig der Physik, der versucht, die Funktionsweise des Universums durch Experimente zu erforschen, im Gegensatz zur theoretischen Physik, deren Aufgabe es ist, entsprechende Theorien und/oder Hypothesen zu formulieren.

Die Methoden variieren und reichen von einfachen Experimenten und Beobachtungen, wie den Experimenten Galileis, bis hin zu komplizierteren, wie dem Large Hadron Collider.

Ziele

Die Ziele der Experimentalphysik sind u.a. eine physikalische Theorie zu testen (zu widerlegen oder zu bestätigen), das Wissen über eine physikalische Konstante zu verbessern oder unbekannte Bereiche zu erforschen.

Sie ist die Disziplin innerhalb der Physik, der sich mit der Datenerfassung, den Datenerfassungsmethoden und der detaillierten Konzeption (über einfache Gedankenexperimente hinaus) und Durchführung von Laborexperimenten befasst.

Abgrenzung

Experimentelle Physik und theoretische Physik sind daher untrennbar miteinander verbunden, wobei die erste eine Art Verbindung zwischen Theorien und Realität herstellt: Die Gültigkeit einer physikalischen Theorie muss der Erfahrung unterworfen werden, und die experimentelle Physik kann neue Phänomene hervorheben , die noch nicht theoretisiert wurden.

Das Spannungsverhältnis zwischen experimentellen und theoretischen Aspekten der Physik wurde von James Clerk Maxwell wie folgt ausgedrückt:
„Erst wenn wir versuchen, den theoretischen Teil unserer Ausbildung mit dem praktischen in Berührung zu bringen, beginnen wir die volle Wirkung dessen zu erfahren, was Faraday ‚geistige Trägheit‘ genannt hat - nicht nur die Schwierigkeit, unter den konkreten Objekten, die wir vor uns haben, die abstrakte Beziehung zu erkennen, die wir aus Büchern gelernt haben, sondern den ablenkenden Schmerz, den Geist von den Symbolen zu den Objekten und von den Objekten zurück zu den Symbolen zu bringen. Dies ist jedoch der Preis, den wir für neue Ideen zahlen müssen.“

Methode

In der Experimentalphysik gibt es zwei Hauptmethoden der experimentellen Forschung: kontrollierte Experimente und natürliche Experimente. Kontrollierte Experimente werden häufig in Laboratorien durchgeführt, da diese eine kontrollierte Umgebung bieten können. Natürliche Experimente werden z. B. in der Astrophysik bei der Beobachtung von Himmelsobjekten eingesetzt, bei denen eine Kontrolle der betreffenden Variablen unmöglich ist.

Geschichte

Als eigenständiger Bereich wurde die Experimentalphysik im Europa der frühen Neuzeit, während der so genannten wissenschaftlichen Revolution begründet. Berühmte Physiker wie Galileo Galilei, Christiaan Huygens, Johannes Kepler, Blaise Pascal und Sir Isaac Newton begannen durch berühmte Experimente und Schlussfolgerungen erste "Naturgesetze" zu formulieren, die häufig im direkten Widerspruch zu den Mythen einiger Religionen standen.

Ausgehend von der Astronomie kristallisierten sich die Prinzipien der Naturphilosophie zu grundlegenden physikalischen Gesetzen heraus, die in den folgenden Jahrhunderten formuliert und verbessert wurden. Im 19. Jahrhundert hatten sich die Wissenschaften in mehrere Bereiche mit spezialisierten Forschern aufgespalten, und die Physik konnte nicht mehr den Alleinanspruch auf das gesamte Gebiet der wissenschaftlichen Forschung erheben.

Anfänge

Zu Beginn des 17. Jahrhunderts machte Galilei ausgiebig Gebrauch von Experimenten, um physikalische Theorien zu überprüfen, was die Schlüsselidee der modernen wissenschaftlichen Methode darstellt. Galilei formulierte und überprüfte erfolgreich mehrere Ergebnisse im Bereich der Dynamik, insbesondere das Trägheitsgesetz, das später zum ersten Gesetz der Newtonschen Bewegungsgesetze wurde. In Galileis Zwei neue Wissenschaften wird in einem Dialog zwischen den Figuren Simplicio und Salviati die Bewegung eines Schiffes (als beweglicher Rahmen) und die Gleichgültigkeit der Schiffsladung gegenüber der Bewegung erörtert. Huygens nutzte die Bewegung eines Bootes auf einem holländischen Kanal, um eine frühe Form des Impulserhaltungssatzes zu veranschaulichen.

Bewegungsgesetze

Die Experimentalphysik gilt mit der Veröffentlichung der Philosophiae Naturalis Principia Mathematica im Jahr 1687 durch Sir Isaac Newton (1643-1727) als Höhepunkt. Im Jahr 1687 veröffentlichte Newton die Principia, in denen er zwei umfassende und erfolgreiche physikalische Gesetze darlegte: Newtons Bewegungsgesetze, aus denen sich die klassische Mechanik ergibt, und Newtons Gesetz der universellen Gravitation, das die fundamentale Kraft der Schwerkraft beschreibt. Beide Gesetze stimmten gut mit Experimenten überein. Die Principia enthielten auch mehrere Theorien zur Strömungslehre.

Thermodynamik

Ab dem späten 17. Jahrhundert wurde die Thermodynamik von dem Physiker und Chemiker Robert Boyle, Thomas Young und vielen anderen entwickelt. Im Jahr 1733 nutzte Daniel Bernoulli statistische Argumente mit der klassischen Mechanik, um thermodynamische Ergebnisse abzuleiten und begründete damit den Bereich der statistischen Mechanik.

Im Jahr 1798 wies Benjamin Thompson (Graf Rumford) die Umwandlung von mechanischer Arbeit in Wärme nach, und 1847 stellte James Prescott Joule den Energieerhaltungssatz auf, und zwar sowohl in Form von Wärme als auch von mechanischer Energie. Ludwig Boltzmann, im neunzehnten Jahrhundert, ist verantwortlich für die moderne Form der statistischen Mechanik.

Elektrizität

Neben der klassischen Mechanik und der Thermodynamik war die Natur der Elektrizität ein weiteres großes Feld der experimentellen Forschung in der Physik. Die Beobachtungen von Wissenschaftlern wie Boyle, Stephen Gray und Benjamin Franklin im 17. und 18. Jahrhundert bildeten die Grundlage für spätere Arbeiten. Diese Beobachtungen begründeten auch unser grundlegendes Verständnis von elektrischer Ladung und Strom. Im Jahr 1808 entdeckte John Dalton, dass die Atome der verschiedenen Elemente unterschiedlich schwer sind, und stellte die moderne Atomtheorie auf.

Magnetismus

Es war Hans Christian Ørsted, der als Erster die Verbindung zwischen Elektrizität und Magnetismus vorschlug, nachdem er die Ablenkung einer Kompassnadel durch einen nahe gelegenen elektrischen Strom beobachtet hatte. Anfang der 1830er Jahre hatte Michael Faraday nachgewiesen, dass sich Magnetfelder und Elektrizität gegenseitig erzeugen können. Im Jahr 1864 stellte James Clerk Maxwell der Royal Society eine Reihe von Gleichungen vor, die diese Beziehung zwischen Elektrizität und Magnetismus beschrieben. Maxwells Gleichungen sagten auch korrekt voraus, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist.

Anmerkung: Der Schülerwettbewerb "exciting physics" fand jährlich von 2007 bis 2022 statt (zeitweise im Rahmen der Veranstaltung Highlights der Physik). Die durch Experimente zu lösenden Aufgaben erforderten sowohl technisches Geschick als auch ein Grundwissen über physikalische Prozesse.
Teilnehmen konnten Schülerinnen und Schüler der Jahrgangsstufen 5 bis 13, entweder einzeln oder als Gruppe. Die Preise waren, wenig originell, Amazon-Gutscheine im Wert von 300, 200 und 100 Euro.
Gegründet und organisiert wurde der Wettbewerb von dem deutschen Physiker und Privatdozenten Axel Carl (1960 - 2023).