Natuurkunde
De natuurkunde of fysica is van oorsprong de wetenschap die algemene eigenschappen onderzoekt van materie, zoals evenwicht en beweging, straling, warmte, licht, magnetisme en elektriciteit, voorzover hierbij geen scheikundige veranderingen optreden. Dit wil zeggen dat de moleculaire samenstelling van stoffen niet verandert. Wat er gebeurt binnen atomen, waaruit moleculen zijn samengesteld, wordt weer wel tot de natuurkunde gerekend. De natuurkunde concentreerde zich oorspronkelijk op de niet-levende natuur, terwijl de levende natuur werd overgelaten aan de biologie. Tegenwoordig zijn de biofysica en de fysische chemie volwaardige onderdelen van de natuurkunde. Ontdekkingen in een discipline kunnen grote gevolgen hebben voor andere disciplines. Methoden en technieken uit de natuurkunde bleken verder op vele andere wetenschapsgebieden toepasbaar te zijn. Natuurkundige theorieën kunnen zeer ingewikkeld worden, hoewel er in beginsel gestreefd wordt naar eenvoud.
Afbakening
De natuurkunde is een exacte wetenschap.
Natuurkundigen bestuderen het gedrag en de wisselwerking van materie en energie in ruimte en tijd. Het kan gaan om massa op macroscopische schaal, maar ook om bijvoorbeeld straling of individuele elementaire deeltjes en hun interacties. De natuurkundige bestudeert de eigenschappen van bijvoorbeeld de elementen en verbindingen, zoals faseovergangen, kristalstructuur, viscositeit en warmtegeleiding en probeert deze te verklaren.
Er zijn veel raakvlakken met de meeste andere exacte wetenschappen:
- wiskunde. Dit is het belangrijkste instrument om een verklaring voor natuurkundige waarnemingen in de vorm van een samenhangende, kwantificerende en toetsbare theorie te gieten. Een enkele keer leidt fundamenteel onderzoek ook tot nieuwe inzichten in de zuivere wiskunde; tegenwoordig gaan de ontwikkelingen in de wis-en natuurkunde echter minder hand in hand dan in de 17e, 18e en begin 19e eeuw, toen de groten van hun tijd (Newton, Euler, Lagrange, Gauss) in beide vakgebieden baanbrekend werk deden.
- scheikunde, waar gekeken wordt naar reacties tussen verschillende stoffen (fysische chemie).
- biologie, die zich voornamelijk bezighoudt met de levende wezens (biofysica, bioinformatica).
- aardwetenschappen (geofysica), dat zich bezighoudt met processen in het binnenste van de aarde.
- sterrenkunde (astrofysica), die zich bezighoudt met verschijnselen buiten de aardse dampkring.
- meteorologie en oceanografie, die zich bezighouden met verschijnselen in de atmosfeer en oceanen.
- informatica. Dit gebied ontstond vanuit de natuurkunde en de wiskunde. Veel methoden in de informatica werden ontwikkeld voor natuurkundige problemen.
- praktisch gerichte vakgebieden zoals de werktuigbouwkunde.
De technische natuurkunde richt zich op toepassingen.
Methode
De natuurkunde gebruikt de wetenschappelijke methode. Voor het doen van samenhangende en onderling vergelijkbare waarnemingen is een systeem van natuurkundige grootheden en eenheden ontwikkeld. Met hypotheses, experimenten, waarnemingen en metingen probeert de natuurkundige verborgen patronen te achterhalen. Deze worden samengevat in een natuurkundige theorie; hoewel het gebruik van wiskunde geen doel op zich is, zijn wiskunde en natuurkundige theorievorming sinds de tijd van Newtons Principia Mathematica onverbrekelijk met elkaar verbonden. Met zo'n theorie kan men nieuwe toetsingsexperimenten bedenken. Als de voorspelde uitkomsten inderdaad waargenomen worden, kan de theorie verder uitgebouwd worden. Blijken de voorspellingen onjuist, dan wordt de theorie bijgesteld of zelfs geheel verworpen en wordt een nieuwe theorie gezocht.
Een natuurkundige theorie is dus nooit een onaantastbare waarheid; ze dient altijd open te staan voor toetsing aan nieuwe waarnemingen en kan ter discussie gesteld worden wegens het ontstaan van nieuwe inzichten. Daarom is de ergste kritiek die een theorie kan treffen het verwijt nicht einmal falsch (zelfs niet fout, een uitspraak van de Oostenrijkse theoreticus Wolfgang Pauli). Een verkeerde theorie kan door een experimentele weerlegging de wetenschap verder helpen met waarnemingen die anders nooit gedaan zouden zijn, maar een ontoetsbare theorie is helemaal nutteloos.
Natuurkundige theorieën die over langere tijd een belangrijke groep waarnemingen kunnen verklaren worden natuurwetten genoemd, bijvoorbeeld de wetten van Maxwell. Er is overigens geen formeel onderscheid tussen theorieën en wetten. De kans dat zo'n natuurwet ooit helemaal gefalsificeerd wordt is zeer gering; waarschijnlijker is het dat een bestaande theorie een speciaal geval wordt binnen het bredere kader van een nieuwe theorie. Een bekend voorbeeld daarvan is de klassieke mechanica, die een bijzonder geval is geworden van de quantummechanica.
Vakgebieden
Oorspronkelijk was de natuurkunde een overzichtelijk vakgebied. Isaac Newton hield zich bezig met de zwaartekracht die een appel op de grond laat vallen. Maar ook bedacht hij dat diezelfde zwaartekracht zorgt voor de wederzijdse aantrekking van de aarde en de maan. Hij bestudeerde tegelijkertijd het licht en ontdekte dat wit licht in vele kleuren uiteenvalt als het door een prisma gebroken wordt. Ook werkte hij aan warmte en eigenschappen van vloeistoffen. Maar aan elektriciteit kwam hij niet meer toe.
Door het succes van Galilei, Newton en hun opvolgers is de natuurkunde steeds verder uitgebreid. Jaarlijks wordt er een Nobelprijs voor de Natuurkunde uitgereikt. Ondanks de specialisaties binnen de natuurkunde, is het dankzij de gemeenschappelijke basis mogelijk veel deelgebieden met elkaar in verband te brengen. Gebieden die klaar leken - bijvoorbeeld de optica - werden door nieuwe ontdekkingen - bijvoorbeeld dankzij de quantummechanica het foton en het laserlicht - gestimuleerd. Vakgebieden binnen de natuurkunde zijn:
- Vastestoffysica - de natuurkunde van de vaste stoffen. Dit vak kent weer vele deelgebieden zoals materiaalkunde, magnetisme, de fysica van halfgeleiders en supergeleiding.
- Kernfysica, ook wel Hoge-energiefysica genoemd - de natuurkunde van de elementaire deeltjes waaruit een atoom en de atoomkern bestaat. Dat zijn niet alleen protonen, neutronen en elektronen, maar ook vele andere kleine deeltjes zoals het positron. Protonen en neutronen bestaan op hun beurt uit quarks. Sommige van die deeltjes leven zeer kort en hebben een korte halveringstijd. De kernfysica heeft onder andere geleid tot de uitvinding van de atoombom, maar ook tot de ontdekking van de Röntgenstraling.
- Kwantummechanica - De beschrijving van materie op moleculair, atomair en subatomair niveau, die samen met de relativiteitstheorie de hele fysica aan het begin van de 20e eeuw een nieuwe basis gaf. Alles wat aan deze twee theorieën voorafging wordt sindsdien klassieke natuurkunde genoemd.
- Plasmafysica - onderzoekt extreem hete gassen, waarin de moleculen niet alleen uiteenvallen in atomen, maar de atomen ook hun elektronen verliezen, zodat er gassen van tegengesteld geladen deeltjes ontstaan. Hierin kan kernfusie optreden, zoals in kern van een ster en in een waterstofbom. Het belangrijkste toegepaste onderzoek beoogt het bewerkstelligen van beheerste kernfusie, hetgeen een vrijwel onuitputtelijke en milieuvriendelijke bron van energie mogelijk zou maken.
- Snarentheorie en M-theorie - een nieuwe theorie die de vier krachten tracht te verklaren met een universele theorie. Hebben de pretentie de quantimmechanica te vervangen als grondslag voor de natuurkunde, maar zijn nog omstreden en onvoldoende uitgewerkt en getest.
- Vloeistofmechanica en Aerodynamica - het onderzoek aan stroming van gassen en vloeistoffen, dat een grote rol speelt in ontwikkelingen in bijvoorbeeld de luchtvaart. Gebieden, waarvan nog lang niet alles bekend is, zijn onder andere turbulentie en wat er gebeurt bij supersonische snelheid.
- Akoestiek - de studie van geluid, zowel in lucht als in andere voortplantingsmedia.
- Atoomfysica - de studie van de atomen, met name de manier waarop elektronen zich binnen het atoom gedragen. De atoomfysica ligt dicht aan tegen het vakgebied fysische chemie
- Elektriciteitsleer - Studie van verschijnselen die te maken hebben met verplaatsing van elektrische lading, elektrische stroom, onder invloed van spanning door bijvoorbeeld een weerstand. Ook een begrip als zelfinductie komt uit de elektriciteitsleer (zie ook elektrotechniek, elektronica)
- Mechanica - het meest klassieke deel van de klassieke fysica: het gedrag van voorwerpen bij stilstand en in beweging met de kernbegrippen massa, kracht, impuls, arbeid en energie. Een raakvlak met de vaste stoffysica is de sterkteleer van materialen.
- Metrologie Het definiëren van meeteenheden en het ontwikkelen van nauwkeurige meettechnieken.
- Optica - Het gedrag van licht als vorm van elektromagnetische straling, van fotonen die met de lichtsnelheid reizen en zich soms als een deeltje, maar soms ook als een golf gedragen. Instrumenten die in de optica worden gebruikt zijn de lens, het prisma, de tralie en de laser.
- Thermodynamica - sterk verbonden met de fysische chemie doet onderzoek aan temperatuur en druk van gassen en vloeistoffen, maar ook bij fase overgangen, zoals het smelten van ijs naar water, waarbij smeltwarmte vrijkomt.
- Medische fysica
Gebieden die gedeeld worden met verwante disciplines zijn:
- Astrofysica, astronomie en kosmologie - de natuurkunde van de sterren en het heelal. Om astrofysisch onderzoek buiten de (hinderlijke) atmosfeer te doen wordt onder andere een enkele keer de Space Shuttle gebruikt. Meestal wordt een kunstmaan met waarnemingsinstrumenten in een omloopbaan om de aarde gebracht of naar een planeet of ander object in het zonnestelsel gestuurd. Een bekend voorbeeld is de Hubble Ruimtetelescoop die al veel nieuwe ontdekkingen heeft gedaan. Ook vanaf aarde wordt onderzoek gedaan naar de nabije sterren in de Melkweg, de objecten in ons zonnestelsel en zo meer. Verder gelegen objecten worden bijvoorbeeld onderzocht met een radiotelescoop. Een bloeiend vakgebied binnen de astrofysica is bijvoorbeeld de röntgenastronomie. Zo verkrijgen we steeds meer kennis over de ruimte om ons heen, die vol zit met bijzondere verschijnselen, zoals zwarte gaten, nevels en gaswolken. De relativiteitstheorie van Einstein wordt telkens weer door dit soort onderzoek bevestigd.
- Geofysica - de studie van de natuurkundige verschijnselen die zich voordoen in de aarde, zowel in de aardkorst als in de aardmantel en aardkern.
- Meteorologie - de studie aan de atmosfeer en de natuurkundige verschijnselen die zich daarin afspelen.
Toepassingen
De natuurkunde vindt toepassingen in vele exacte wetenschappen en ook in de techniek. Veel moderne apparatuur, zoals de laser en de op de transistor gebaseerde computer, zouden zonder de hedendaagse natuurkunde niet mogelijk zijn.
Zie ook
Externe links
