Takken van de natuurkunde

Fysica is een wetenschappelijke discipline die probeert theorieën over het fysische universum te construeren en experimenteel te testen. Deze theorieën variëren in reikwijdte en kunnen worden onderverdeeld in verschillende takken, die in dit artikel worden geschetst.

Klassieke mechanica

Klassieke mechanica is een model van de fysica van krachten die op lichamen werken; omvat deelgebieden om het gedrag van vaste stoffen, gassen en vloeistoffen te beschrijven. Het wordt vaak aangeduid als “Newtoniaanse mechanica” naar Isaac Newton en zijn bewegingswetten. Het omvat ook de klassieke benadering zoals gegeven door Hamiltoniaanse en Lagrange methoden. Het behandelt de beweging van deeltjes en algemene systemen van deeltjes.

Er zijn vele takken van de klassieke mechanica, zoals: statica, dynamica, kinematica, continuümmechanica (waar vloeistofmechanica onder valt), statistische mechanica, enz.

• Mechanica: Een tak van de natuurkunde waarin we bestuderen over het voorwerp en de eigenschappen van een voorwerp in de vorm van een beweging onder inwerking van de kracht.

Thermodynamica en statistische mechanica

Het eerste hoofdstuk van The Feynman Lectures on Physics gaat over het bestaan van atomen, wat Feynman beschouwde als de meest compacte verklaring van de natuurkunde, waaruit gemakkelijk wetenschap zou kunnen voortvloeien, zelfs als alle andere kennis verloren zou gaan. Door materie te modelleren als verzamelingen van harde bollen, is het mogelijk om de kinetische theorie van gassen te beschrijven, waarop de klassieke thermodynamica is gebaseerd.

Thermodynamica bestudeert de effecten van veranderingen in temperatuur, druk en volume op fysische systemen op macroscopische schaal, en de overdracht van energie in de vorm van warmte. Historisch gezien is de thermodynamica ontstaan uit de wens om de efficiëntie van vroege stoommachines te vergroten.

Het uitgangspunt voor de meeste thermodynamische beschouwingen zijn de wetten van de thermodynamica, waarin wordt gesteld dat energie tussen fysische systemen kan worden uitgewisseld in de vorm van warmte of arbeid. Zij stellen ook het bestaan van een grootheid, entropie genaamd, die voor elk systeem kan worden gedefinieerd. In de thermodynamica worden interacties tussen grote ensembles van objecten bestudeerd en gecategoriseerd. Centraal hierbij staan de begrippen systeem en omgeving. Een systeem is samengesteld uit deeltjes, waarvan de gemiddelde bewegingen de eigenschappen bepalen, die op hun beurt met elkaar in verband worden gebracht door toestandsvergelijkingen. De eigenschappen kunnen worden gecombineerd om de inwendige energie en de thermodynamische potentialen uit te drukken, die nuttig zijn om de voorwaarden voor evenwicht en spontane processen te bepalen.

Elektromagnetisme en fotonica

∇ ⋅ 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 {\mathbf {B}} {{\partieel t}}&\nabla \times \mathbf {H} = {\mathbf {J}} _{f}+{\frac {\mathbf {D}} }{\partieel t}}}}

Maxwells vergelijkingen van het elektromagnetisme

De studie van het gedrag van elektronen, elektrische media, magneten, magnetische velden, en algemene interacties van licht.

Relativistische mechanica

De speciale relativiteitstheorie heeft een relatie met elektromagnetisme en mechanica; dat wil zeggen dat het relativiteitsprincipe en het principe van stationaire actie in de mechanica kunnen worden gebruikt om de vergelijkingen van Maxwell af te leiden, en omgekeerd.

De speciale relativiteitstheorie werd in 1905 voorgesteld door Albert Einstein in zijn artikel “On the Electrodynamics of Moving Bodies”. De titel van het artikel verwijst naar het feit dat de speciale relativiteit een inconsistentie oplost tussen de vergelijkingen van Maxwell en de klassieke mechanica. De theorie is gebaseerd op twee postulaten: (1) dat de wiskundige vormen van de natuurkundige wetten invariant zijn in alle inertiale systemen; en (2) dat de snelheid van het licht in een vacuüm constant is en onafhankelijk van de bron of waarnemer. Om de twee postulaten met elkaar in overeenstemming te brengen moeten ruimte en tijd worden verenigd in het frame-afhankelijke concept van ruimtetijd.

Algemene relativiteit is de geometrische theorie van gravitatie die in 1915/16 door Albert Einstein werd gepubliceerd. Zij verenigt de speciale relativiteit, Newtons wet van de universele gravitatie, en het inzicht dat gravitatie kan worden beschreven door de kromming van ruimte en tijd. In de algemene relativiteit wordt de kromming van de ruimtetijd veroorzaakt door de energie van materie en straling.

Kwantummechanica, atoomfysica en moleculaire fysica

De eerste paar elektronenbanen van het waterstofatoom weergegeven als dwarsdoorsneden met kleur-gecodeerde waarschijnlijkheidsdichtheid

Kwantummechanica is de tak van de natuurkunde die atomaire en subatomaire systemen en hun interactie behandelt op basis van de waarneming dat alle vormen van energie worden vrijgegeven in discrete eenheden of bundels die “quanta” worden genoemd. Opmerkelijk is dat de kwantumtheorie doorgaans slechts een waarschijnlijke of statistische berekening van de waargenomen kenmerken van subatomaire deeltjes mogelijk maakt, opgevat in termen van golffuncties. De Schrödingervergelijking speelt in de kwantummechanica de rol die de wetten van Newton en behoud van energie dienen in de klassieke mechanica – d.w.z. zij voorspelt het toekomstige gedrag van een dynamisch systeem – en is een golfvergelijking die wordt gebruikt om voor golffuncties op te lossen.

Zo heeft bijvoorbeeld het licht, of de elektromagnetische straling die door een atoom wordt uitgezonden of geabsorbeerd, slechts bepaalde frequenties (of golflengten), zoals kan worden gezien uit het lijnenspectrum dat is geassocieerd met het chemische element dat door dat atoom wordt vertegenwoordigd. De kwantumtheorie toont aan dat deze frequenties overeenkomen met welbepaalde energieën van de lichtquanta, of fotonen, en het resultaat zijn van het feit dat de elektronen van het atoom slechts bepaalde toegestane energiewaarden, of niveaus, kunnen hebben; wanneer een elektron van het ene toegestane niveau naar het andere overgaat, wordt een energiekwantum uitgezonden of geabsorbeerd waarvan de frequentie recht evenredig is met het energieverschil tussen de twee niveaus. Het foto-elektrisch effect bevestigde verder de kwantisatie van licht.

In 1924 stelde Louis de Broglie voor dat niet alleen lichtgolven soms deeltjesachtige eigenschappen vertonen, maar dat ook deeltjes golfachtige eigenschappen kunnen vertonen. Naar aanleiding van de suggestie van de Broglie werden twee verschillende formuleringen van de kwantummechanica gepresenteerd. De golfmechanica van Erwin Schrödinger (1926) omvat het gebruik van een wiskundige entiteit, de golffunctie, die verband houdt met de waarschijnlijkheid van het vinden van een deeltje op een gegeven punt in de ruimte. De matrixmechanica van Werner Heisenberg (1925) maakt geen melding van golffuncties of soortgelijke concepten, maar er werd aangetoond dat zij wiskundig gelijkwaardig is met de theorie van Schrödinger. Een bijzonder belangrijke ontdekking van de kwantumtheorie is het door Heisenberg in 1927 geformuleerde onzekerheidsprincipe, dat een absolute theoretische grens stelt aan de nauwkeurigheid van bepaalde metingen; als gevolg hiervan moest de veronderstelling van vroegere wetenschappers dat de fysische toestand van een systeem precies kon worden gemeten en gebruikt om toekomstige toestanden te voorspellen, worden opgegeven. De kwantummechanica werd gecombineerd met de relativiteitstheorie in de formulering van Paul Dirac. Andere ontwikkelingen omvatten kwantumstatistiek, kwantumelektrodynamica, die zich bezighoudt met interacties tussen geladen deeltjes en elektromagnetische velden; en de veralgemening daarvan, de kwantumveldentheorie.

Snaartheorie

Een mogelijke kandidaat voor de theorie van alles, deze theorie combineert de algemene relativiteitstheorie en de kwantummechanica tot één theorie. Deze theorie kan voorspellingen doen over eigenschappen van zowel kleine als grote objecten. Deze theorie bevindt zich momenteel in de ontwikkelingsfase.

Optica en akoestica

Optica is de studie van lichtbewegingen, waaronder reflectie, breking, diffractie, en interferentie.

Akoestiek is de tak van de natuurkunde die zich bezighoudt met de studie van mechanische golven in verschillende mediums.

Gecondenseerde materie fysica

De studie van de fysische eigenschappen van materie in een gecondenseerde fase.

Hoge-energetische deeltjesfysica en kernfysica

Deeltjesfysica bestudeert de aard van deeltjes, terwijl kernfysica de atoomkernen bestudeert.

Kosmologie

De kosmologie bestudeert hoe het heelal is ontstaan, en wat het uiteindelijke lot ervan is. Zij wordt bestudeerd door natuurkundigen en astrofysici.

Interdisciplinaire vakgebieden

Tot de interdisciplinaire vakgebieden, die gedeeltelijk eigen wetenschappen definiëren, behoren bijv. de

• agrofysica, een tak van wetenschap die grenst aan agronomie en fysica
• astrofysica, de fysica in het heelal, met inbegrip van de eigenschappen en interacties van hemellichamen in de astronomie.
• biofysica, de studie van de fysische interacties van biologische processen.
• chemische fysica, de wetenschap van de fysische relaties in de chemie.
• computationele fysica, de toepassing van computers en numerieke methoden op fysische systemen.
• econofysica, het behandelen van fysische processen en hun relaties in de wetenschap van de economie.
• milieufysica, de tak van de fysica die zich bezighoudt met het meten en analyseren van interacties tussen organismen en hun omgeving.
• ingenieursfysica, de gecombineerde discipline van fysica en engineering.
• geofysica, de wetenschappen van de fysische relaties op onze planeet.
• mathematische fysica, wiskunde die betrekking heeft op fysische problemen.
• medische fysica, de toepassing van de fysica in de geneeskunde bij preventie, diagnose en behandeling.
• fysische chemie, het omgaan met fysische processen en hun relaties in de wetenschap van de fysische chemie.
• 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.