Die Physik ist eine wissenschaftliche Disziplin die sich mit den Bestandteilen der Materie und den grundlegenden Kräften, die auf diese Bestandteile einwirken befasst. Zudem untersucht sie wie sich die Materie durch die Raum-Zeit bewegt und die verschiedenen Energieformen (und deren Umwandlung).
Die Physik gehört zu den „Grundlagenwissenschaften“ - wie auch die anderen Naturwissenschaften (Chemie, Biologie, Geologie usw.).
Teilgebiete
In der Physik haben sich Teilgebieten herausgebildet, die teilweise unterschiedliche Ansätze und Terminologien verwenden.
- Die klassische Mechanik verwendet die Newtonschen Bewegungsgesetze, um zu beschreiben, wie sich makroskopische Objekte bei Geschwindigkeiten weit unterhalb der Lichtgeschwindigkeit zueinander verhalten und miteinander interagieren. Jedes physikalische Objekt hat eine Reihe von messbaren Eigenschaften wie Position, Geschwindigkeit und Masse. Daraus lassen sich andere Größen wie Energie und Impuls ableiten. Festkörpermechanik und Strömungsmechanik sind wichtige Teildisziplinen.
- Die klassische Elektrodynamik ist eine Theorie, die den Elektromagnetismus, eine der Grundkräfte des Universums, beschreibt und elektrische und magnetische Phänomene in einer kohärenten Theorie vereint, die durch die Maxwellschen Gleichungen beschrieben wird. Die elektromagnetische Kraft ist für praktisch alle Phänomene in unserem täglichen Leben verantwortlich, mit Ausnahme der Schwerkraft. Schlüsselbegriffe sind elektrische Ladung, Strom, Spannung und elektromagnetische Felder.
- Optik ist die Lehre von den Bewegungen des Lichts, einschließlich Reflexion, Brechung, Beugung und Interferenz. Die Optik beschreibt in der Regel das Verhalten von sichtbarem, ultraviolettem und infrarotem Licht. Licht ist eine Art von elektromagnetischer Strahlung, und andere Formen elektromagnetischer Strahlung wie Röntgenstrahlen, Mikrowellen und Radiowellen weisen ähnliche Eigenschaften auf.
- Die Akustik ist der Zweig der Physik, der sich mit der Untersuchung mechanischer Wellen in Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern befasst, einschließlich Themen wie Vibration, Schall, Ultraschall und Infraschall.
- Die Thermodynamik beschreibt auf der Grundlage der Hauptsätze der Thermodynamik, wie Wärmeenergie umgewandelt werden und Arbeit verrichten kann. Entropie, Temperatur und Druck sind zentrale eingeführte Größen. Die Thermodynamik geht von Systemen aus, die sich im Gleichgewicht befinden.
- Die Quantenmechanik untersucht, wie sich mikroskopische Objekte verhalten. Die Schrödinger-Gleichung spielt eine ähnliche Rolle wie die Hamilton-Gleichungen in der klassischen Physik. Beide Theorien verwenden Begriffe wie Position und Impuls, aber da diese in der Quantenmechanik aus einer Wellenfunktion berechnet werden, können sie nicht beide gleichzeitig genau bestimmt werden, wie es die Heisenbergsche Unschärferelation ausdrückt. Die Quantenmechanik führt auch das Konzept des Spins ein, für das es in der klassischen Mechanik keine Entsprechung gibt.
- Die Relativitätstheorie, genauer gesagt die spezielle und die allgemeine Relativitätstheorie, beruht auf der Annahme, dass die Lichtgeschwindigkeit für alle Beobachter konstant ist und dass Beschleunigung und Schwerkraft gleichwertig sind, was bedeutet, dass die grundlegenden Begriffe der klassischen Mechanik wie Masse und Impuls, Zeit und Raum neu definiert werden müssen und dass Energie und Masse gleichwertig sind.
- Die Teilchenphysik befasst sich mit Elementarteilchen und ihren Wechselwirkungen untereinander. Von den vier Grundkräften der Physik
- Gravitation oder Schwerkraft,
- elektromagnetische Wechselwirkung,
- schwache Wechselwirkung, die beispielsweise für bestimmte radioaktive Zerfallsprozesse verantwortlich ist und
- starke Wechselwirkung, die die Atomkerne zusammenhält. wird die Gravitation derzeit ausgespart, weil es noch keine Theorie der Quantengravitation gibt, die die gravitativen Wechselwirkungen von Elementarteilchen beschreiben kann.
Eines der Ziele der Teilchenphysik ist es, alle Grundkräfte in einem vereinheitlichten Gesamtkonzept zu beschreiben (Weltformel). schon Albert Einstein befasste sich erfolglos mit der Suche nach einer einheitlichen Feldtheorie, die seine Feldtheorie der Gravitation (die Allgemeine Relativitätstheorie) mit der des Elektromagnetismus vereinigen sollte. Es ist bislang nicht gelungen, eine vereinheitlichte Theorie zu formulieren, welche sowohl Phänomene beschreibt, die der elektroschwachen wie der starken Wechselwirkung unterliegen, wie auch solche, welche der Gravitation unterliegen.
Theorie
Die theoretischen Physik sucht die empirischen 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.
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. So beschreibt die Theorie der klassischen Mechanik die Bewegung von Objekten genau, vorausgesetzt, sie sind viel größer als Atome und bewegen sich mit einer Geschwindigkeit, die weit unter der Lichtgeschwindigkeit liegt. Diese Theorien sind auch heute noch Gegenstand aktiver Forschung.
Relativitätstheorie versus Quantenmechanik
Gegenwärtig haben die Physiker 2 getrennte Regelwerke, die erklären, wie die Natur funktioniert. Die allgemeine Relativitätstheorie erklärt auf wunderbare Weise die Schwerkraft und all die Dinge, die sie beherrscht: kreisende Planeten, kollidierende Galaxien, die Dynamik des sich ausdehnenden Universums als Ganzes. Das ist eine große Sache. Dann gibt es noch die Quantenmechanik, die sich mit den anderen 3 Kräften befasst - dem Elektromagnetismus und den beiden Kernkräften. Die Quantentheorie ist äußerst geschickt darin, zu beschreiben, was passiert, wenn ein Uranatom zerfällt oder wenn einzelne Lichtteilchen auf eine Solarzelle treffen.
Nun zum Problem: Relativitätstheorie und Quantenmechanik sind grundlegend verschiedene Theorien mit unterschiedlichen Formulierungen. Es handelt sich nicht nur um eine Frage der wissenschaftlichen Terminologie, sondern um ein Aufeinandertreffen wirklich unvereinbarer Beschreibungen der Wirklichkeit.
Die Relativitätstheorie gibt unsinnige Antworten, wenn man versucht, sie auf Quantengröße zu verkleinern, und geht schließlich bei der Beschreibung der Schwerkraft auf unendliche Werte herunter.
Ebenso gerät die Quantenmechanik in ernste Schwierigkeiten, wenn man sie auf kosmische Dimensionen aufbläst. Quantenfelder tragen eine bestimmte Energiemenge in sich, selbst im scheinbar leeren Raum, und die Energiemenge wird größer, je größer die Felder werden. Nach Einstein sind Energie und Masse äquivalent (das ist die Botschaft von E = m·c2), so dass die Anhäufung von Energie genauso ist wie die Anhäufung von Masse. Wenn die Energiemenge in den Quantenfeldern so groß wird, dass ein schwarzes Loch entsteht, klappt das Universum in sich zusammen.