Teilgebiete der Physik
Die Physik ist eine wissenschaftliche Disziplin, die versucht, Theorien über das physikalische Universum zu entwickeln und experimentell zu überprüfen. Diese Theorien variieren in ihrem Umfang und lassen sich in mehrere verschiedene Zweige einteilen, die in diesem Artikel beschrieben werden.
Klassische Mechanik
Die klassische Mechanik ist ein Modell der Physik der Kräfte, die auf Körper wirken; sie umfasst Teilgebiete, die das Verhalten von Festkörpern, Gasen und Flüssigkeiten beschreiben. Sie wird oft auch als „Newtonsche Mechanik“ bezeichnet, nach Isaac Newton und seinen Bewegungsgesetzen. Sie umfasst auch den klassischen Ansatz, wie er durch die Hamilton- und Lagrange-Methoden vermittelt wird. Sie befasst sich mit der Bewegung von Teilchen und allgemeinen Teilchensystemen.
Es gibt viele Zweige der klassischen Mechanik, wie z.B.: Statik, Dynamik, Kinematik, Kontinuumsmechanik (zu der auch die Strömungsmechanik gehört), statistische Mechanik, usw.
- Mechanik: Ein Zweig der Physik, in dem wir über das Objekt und die Eigenschaften eines Objekts in Form einer Bewegung unter der Einwirkung einer Kraft studieren.
Thermodynamik und statistische Mechanik
Im ersten Kapitel der Feynman Lectures on Physics geht es um die Existenz von Atomen, die Feynman als die kompakteste Aussage der Physik betrachtete, aus der sich die Wissenschaft selbst dann leicht ergeben könne, wenn alles andere Wissen verloren ginge. Durch die Modellierung der Materie als Ansammlung harter Kugeln ist es möglich, die kinetische Theorie der Gase zu beschreiben, auf der die klassische Thermodynamik beruht.
Die Thermodynamik untersucht die Auswirkungen von Temperatur-, Druck- und Volumenänderungen auf physikalische Systeme im makroskopischen Maßstab sowie die Übertragung von Energie in Form von Wärme. Historisch gesehen entwickelte sich die Thermodynamik aus dem Wunsch heraus, den Wirkungsgrad früher Dampfmaschinen zu erhöhen.
Ausgangspunkt der meisten thermodynamischen Überlegungen sind die Gesetze der Thermodynamik, die postulieren, dass Energie zwischen physikalischen Systemen als Wärme oder Arbeit ausgetauscht werden kann. Außerdem postulieren sie die Existenz einer Größe namens Entropie, die für jedes System definiert werden kann. In der Thermodynamik werden die Wechselwirkungen zwischen großen Ensembles von Objekten untersucht und kategorisiert. Im Mittelpunkt stehen dabei die Begriffe System und Umgebung. Ein System besteht aus Teilchen, deren durchschnittliche Bewegungen seine Eigenschaften definieren, die wiederum durch Zustandsgleichungen miteinander in Beziehung gesetzt werden. Die Eigenschaften können kombiniert werden, um die innere Energie und die thermodynamischen Potentiale auszudrücken, die für die Bestimmung der Bedingungen für Gleichgewichts- und Spontanprozesse nützlich sind.
Elektromagnetismus und Photonik
∇ ⋅ D = ρ f ∇ ⋅ B = 0 ∇ × E = – ∂ B ∂ t ∇ × H = J f + ∂ D ∂ t {\displaystyle {\begin{aligned}&\nabla \cdot \mathbf {D} =\rho _{f}\\&\nabla \cdot \mathbf {B} =0\\&\nabla \times \mathbf {E} =-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}\&\nabla \zeiten \mathbf {H} =\mathbf {J} _{f}+{\frac {\partial \mathbf {D} }{\partial t}}}end{aligned}}}
Maxwells Gleichungen des Elektromagnetismus
Die Lehre vom Verhalten der Elektronen, der elektrischen Medien, der Magnete, der Magnetfelder und der allgemeinen Wechselwirkungen des Lichts.
Relativistische Mechanik
Die spezielle Relativitätstheorie steht in Beziehung zum Elektromagnetismus und zur Mechanik, d.h. das Relativitätsprinzip und das Prinzip der stationären Wirkung in der Mechanik können zur Ableitung der Maxwellschen Gleichungen verwendet werden und umgekehrt.
Die spezielle Relativitätstheorie wurde 1905 von Albert Einstein in seinem Artikel „Über die Elektrodynamik bewegter Körper“ vorgeschlagen. Der Titel des Artikels bezieht sich auf die Tatsache, dass die spezielle Relativitätstheorie eine Unstimmigkeit zwischen den Maxwellschen Gleichungen und der klassischen Mechanik auflöst. Die Theorie stützt sich auf zwei Postulate: (1) dass die mathematischen Formen der physikalischen Gesetze in allen Inertialsystemen unveränderlich sind; und (2) dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum konstant und unabhängig von der Quelle oder dem Beobachter ist. Die Vereinbarkeit der beiden Postulate erfordert eine Vereinheitlichung von Raum und Zeit in dem rahmenabhängigen Konzept der Raumzeit.
Die allgemeine Relativitätstheorie ist die geometrische Theorie der Gravitation, die von Albert Einstein 1915/16 veröffentlicht wurde. Sie vereinigt die spezielle Relativitätstheorie, das Newtonsche Gesetz der universellen Gravitation und die Erkenntnis, dass die Gravitation durch die Krümmung von Raum und Zeit beschrieben werden kann. In der allgemeinen Relativitätstheorie wird die Krümmung der Raumzeit durch die Energie von Materie und Strahlung erzeugt.
Quantenmechanik, Atomphysik und Molekularphysik
Die Quantenmechanik ist der Zweig der Physik, der sich mit atomaren und subatomaren Systemen und deren Wechselwirkung befasst und auf der Beobachtung beruht, dass alle Formen von Energie in diskreten Einheiten oder Bündeln, den so genannten „Quanten“, freigesetzt werden. Bemerkenswerterweise erlaubt die Quantentheorie in der Regel nur eine wahrscheinliche oder statistische Berechnung der beobachteten Eigenschaften subatomarer Teilchen, die in Form von Wellenfunktionen verstanden werden. Die Schrödingergleichung spielt in der Quantenmechanik die gleiche Rolle wie die Newtonschen Gesetze und die Energieerhaltung in der klassischen Mechanik, d.h. sie sagt das zukünftige Verhalten eines dynamischen Systems voraus und ist eine Wellengleichung, die zur Lösung von Wellenfunktionen verwendet wird.
Zum Beispiel hat das Licht oder die elektromagnetische Strahlung, die von einem Atom ausgesandt oder absorbiert wird, nur bestimmte Frequenzen (oder Wellenlängen), wie aus dem Linienspektrum ersichtlich ist, das mit dem chemischen Element verbunden ist, das durch dieses Atom repräsentiert wird. Die Quantentheorie zeigt, dass diese Frequenzen bestimmten Energien der Lichtquanten oder Photonen entsprechen und aus der Tatsache resultieren, dass die Elektronen des Atoms nur bestimmte erlaubte Energiewerte oder Niveaus haben können; wenn ein Elektron von einem erlaubten Niveau zu einem anderen wechselt, wird ein Energiequant emittiert oder absorbiert, dessen Frequenz direkt proportional zum Energieunterschied zwischen den beiden Niveaus ist. Der photoelektrische Effekt bestätigte die Quantisierung des Lichts.
Im Jahr 1924 schlug Louis de Broglie vor, dass nicht nur Lichtwellen manchmal teilchenähnliche Eigenschaften aufweisen, sondern auch Teilchen wellenähnliche Eigenschaften haben können. Im Anschluss an de Broglies Vorschlag wurden zwei verschiedene Formulierungen der Quantenmechanik vorgestellt. Die Wellenmechanik von Erwin Schrödinger (1926) verwendet eine mathematische Einheit, die Wellenfunktion, die sich auf die Wahrscheinlichkeit bezieht, ein Teilchen an einem bestimmten Punkt im Raum zu finden. Die Matrixmechanik von Werner Heisenberg (1925) erwähnt keine Wellenfunktionen oder ähnliche Konzepte, aber es wurde gezeigt, dass sie mathematisch äquivalent zu Schrödingers Theorie ist. Eine besonders wichtige Entdeckung der Quantentheorie ist die von Heisenberg 1927 formulierte Unschärferelation, die eine absolute theoretische Grenze für die Genauigkeit bestimmter Messungen setzt; damit musste die Annahme früherer Wissenschaftler aufgegeben werden, dass der physikalische Zustand eines Systems genau gemessen und zur Vorhersage künftiger Zustände verwendet werden kann. Die Quantenmechanik wurde in der Formulierung von Paul Dirac mit der Relativitätstheorie kombiniert. Weitere Entwicklungen sind die Quantenstatistik, die Quantenelektrodynamik, die sich mit den Wechselwirkungen zwischen geladenen Teilchen und elektromagnetischen Feldern befasst, und ihre Verallgemeinerung, die Quantenfeldtheorie.
Die Stringtheorie
Ein möglicher Kandidat für die Theorie von Allem, diese Theorie kombiniert die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenmechanik zu einer einzigen Theorie. Diese Theorie kann Vorhersagen über die Eigenschaften von kleinen und großen Objekten machen. Diese Theorie befindet sich derzeit in der Entwicklungsphase.
Optik und Akustik
Optik ist die Lehre von der Bewegung des Lichts einschließlich Reflexion, Brechung, Beugung und Interferenz.
Akustik ist das Teilgebiet der Physik, das sich mit der Untersuchung mechanischer Wellen in verschiedenen Medien beschäftigt.
Physik der kondensierten Materie
Die Untersuchung der physikalischen Eigenschaften von Materie in einer kondensierten Phase.
Hochenergie-Teilchenphysik und Kernphysik
Die Teilchenphysik untersucht die Natur der Teilchen, während die Kernphysik die Atomkerne untersucht.
Kosmologie
Die Kosmologie untersucht, wie das Universum entstanden ist und wie es weitergeht. Sie wird von Physikern und Astrophysikern erforscht.
Interdisziplinäre Bereiche
Zu den interdisziplinären Bereichen, die teilweise eigene Wissenschaften definieren, gehören z.B. die
- Agrophysik ist ein Wissenschaftszweig an der Grenze zwischen Agrarwissenschaft und Physik
- Astrophysik, die Physik im Universum, einschließlich der Eigenschaften und Wechselwirkungen von Himmelskörpern in der Astronomie.
- Biophysik, die Untersuchung der physikalischen Wechselwirkungen biologischer Prozesse.
- Chemische Physik, die Wissenschaft von den physikalischen Zusammenhängen in der Chemie.
- Computerphysik, die Anwendung von Computern und numerischen Methoden auf physikalische Systeme.
- Wirtschaftsphysik, die Beschäftigung mit physikalischen Prozessen und ihren Zusammenhängen in der Wirtschaftswissenschaft.
- Umweltphysik, das Teilgebiet der Physik, das sich mit der Messung und Analyse der Wechselwirkungen zwischen Organismen und ihrer Umwelt befasst.
- Ingenieurphysik, die kombinierte Disziplin von Physik und Technik.
- Geophysik, die Wissenschaft von den physikalischen Zusammenhängen auf unserem Planeten.
- Mathematische Physik, die Mathematik, die sich mit physikalischen Problemen befasst.
- Medizinische Physik, die Anwendung der Physik in der Medizin zur Vorbeugung, Diagnose und Behandlung.
- Physikalische Chemie, die sich mit physikalischen Prozessen und ihren Beziehungen in der Wissenschaft der physikalischen Chemie befasst.
- physical oceanography, is the study of physical conditions and physical processes within the ocean, especially the motions and physical properties of ocean waters
- psychophysics, the science of physical relations in psychology
- quantum computing, the study of quantum-mechanical computation systems.
- sociophysics or social physics, is a field of science which uses mathematical tools inspired by physics to understand the behavior of human crowds
Summary
The table below lists the core theories along with many of the concepts they employ.
| Theory | Major subtopics | Concepts |
|---|---|---|
| Classical mechanics | Newton’s laws of motion, Lagrangian mechanics, Hamiltonian mechanics, kinematics, statics, dynamics, chaos theory, acoustics, fluid dynamics, continuum mechanics | Density, dimension, gravity, space, time, motion, length, position, velocity, Beschleunigung, Galileische Invarianz, Masse, Impuls, Kraft, Energie, Winkelgeschwindigkeit, Drehimpuls, Trägheitsmoment, Drehmoment, Erhaltungssatz, harmonischer Oszillator, Welle, Arbeit, Leistung, Lagrange, Hamiltonian, Tait-Bryan-Winkel, Euler-Winkel, Pneumatik, Hydraulik |
| Elektromagnetismus | Elektrostatik, Elektrodynamik, Elektrizität, Magnetismus, Magnetostatik, Maxwellsche Gleichungen, Optik | Kapazität, elektrische Ladung, Strom, elektrische Leitfähigkeit, elektrisches Feld, elektrische Permittivität, elektrisches Potential, elektrischer Widerstand, elektromagnetisches Feld, elektromagnetische Induktion, elektromagnetische Strahlung, Gaußsche Fläche, magnetisches Feld, magnetischer Fluss, magnetischer Monopol, magnetische Permeabilität |
| Thermodynamik und statistische Mechanik | Wärmekraftmaschine, kinetische Theorie | Boltzmannsche Konstante, konjugierte Variablen, Enthalpie, Entropie, Zustandsgleichung, Äquipartitionssatz, thermodynamische freie Energie, Wärme, ideales Gasgesetz, innere Energie, Gesetze der Thermodynamik, Maxwellsche Beziehungen, irreversibler Prozess, Ising-Modell, mechanische Wirkung, Verteilungsfunktion, Druck, reversibler Prozess, spontaner Prozess, Zustandsfunktion, statistisches Ensemble, Temperatur, thermodynamisches Gleichgewicht, thermodynamisches Potential, thermodynamische Prozesse, thermodynamischer Zustand, thermodynamisches System, Viskosität, Volumen, Arbeit, körniges Material |
| Quantenmechanik | Pfadintegralformulierung, Streutheorie, Schrödingergleichung, Quantenfeldtheorie, statistische Quantenmechanik | Adiabatische Approximation, Schwarzkörperstrahlung, Korrespondenzprinzip, freies Teilchen, Hamiltonian, Hilbert-Raum, identische Teilchen, Matrixmechanik, Plancksche Konstante, Beobachtereffekt, Operatoren, Quanten, Quantisierung, Quantenverschränkung, Quantenharmonischer Oszillator, Quantenzahl, Quantentunneln, Schrödingers Katze, Dirac-Gleichung, Spin, Wellenfunktion, Wellenmechanik, Welle-Teilchen-Dualismus, Nullpunktenergie, Pauli-Ausschlussprinzip, Heisenbergsche Unschärferelation |
| Relativität | Spezielle Relativitätstheorie, Allgemeine Relativitätstheorie, Einsteinsche Feldgleichungen | Kovarianz, Einsteinsche Mannigfaltigkeit, Äquivalenzprinzip, Viermoment, Viervektor, Allgemeines Relativitätsprinzip, Geodätische Bewegung, Gravitation, Gravitoelektromagnetismus, Inertiales Bezugssystem, Invarianz, Längenkontraktion, Lorentzsche Mannigfaltigkeit, Lorentzsche Transformation, Masse-Energie-Äquivalenz, Metrik, Minkowski-Diagramm, Minkowski-Raum, Relativitätsprinzip, Eigenlänge, Eigenzeit, Bezugsrahmen, Ruheenergie, Ruhemasse, Relativität der Gleichzeitigkeit, Raumzeit, spezielles Relativitätsprinzip, Lichtgeschwindigkeit, Spannungs-Energie-Tensor, Zeitdilatation, Zwillingsparadoxon, Weltlinie |
- ^ Feynman, Richard Phillips; Leighton, Robert Benjamin; Sands, Matthew Linzee (1963). The Feynman Lectures on Physics. p. 1. ISBN 978-0-201-02116-5.. Feynman beginnt mit der Atomhypothese, die für ihn die kompakteste Darstellung aller wissenschaftlichen Erkenntnisse ist: „Wenn in einem Kataklysmus das gesamte wissenschaftliche Wissen zerstört und nur ein Satz an die nächsten Generationen weitergegeben würde …, welche Aussage würde die meisten Informationen in den wenigsten Worten enthalten? Ich glaube, es ist … dass alle Dinge aus Atomen bestehen – kleinen Teilchen, die sich in ständiger Bewegung befinden und sich gegenseitig anziehen, wenn sie ein wenig voneinander entfernt sind, sich aber abstoßen, wenn sie ineinander gepresst werden. …“ Bd. I S. I-2
- ^ Perot, Pierre (1998). A to Z of Thermodynamics. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-856552-9.
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