Fisika

in Wikipedia, die vrye ensiklopedie
Spring na: navigasie, soek
Voorbeelde van verskeie fisiese verskynsels.

Fisika (uit Antieke Grieks: φυσική (ἐπιστήμη) phusikḗ (epistḗmē) "natuurkennis", van φύσις phúsis "natuur") is die wetenskap van die natuur in die breedste sin. Fisici bestudeer die gedrag en eienskappe van materie in ’n groot verskeidenheid verbande, wat wissel van die subatomiese deeltjies wat die boustene van alle gewone materie is (deeltjiefisika) tot die gedrag van die materiële heelal as ’n geheel (kosmologie).

Sommige van die eienskappe wat in fisika bestudeer word, is geldig vir “alle” materiële stelsels, soos die behoud van energie. Na sulke eienskappe word dikwels verwys as die "wette van fisika". Fisika word somtyds 'n “fundamentele wetenskap” genoem, aangesien elkeen van die ander natuurwetenskappe (biologie, chemie, geologie, ens.) te doen het met sekere soorte materiële stelsels wat die wette van fisika gehoorsaam. Chemie is byvoorbeeld die wetenskap van molekules en die chemikalieë wat hulle vorm. Die eienskappe van ’n chemikalie word bepaal deur die eienskappe van die onderliggende molekules wat akkuraat beskryf kan word deur velde van fisika soos kwantummeganika, termodinamika en elektromagnetisme.

Fisika is ook nou verwant aan wiskunde. Fisiese teorieë word amper altyd uitgedruk deur gebruik te maak van wiskundige vergelykings, en die wiskunde wat betrokke is, is in die algemeen ingewikkelder as in die ander wetenskappe.

Die verskil tussen fisika en wiskunde is dat fisika hom hoofsaaklik bemoei met beskrywings van die materiële wêreld, terwyl wiskunde hoofsaaklik gemoeid is met die abstrakte patrone wat nie noodwendig daarop van toepassing is nie. Die onderskeid is nie altyd voor die hand liggend nie. Daar is 'n breë navorsingsveld tussen fisika en wetenskap wat bekend staan as wiskundige fisika, wat hom toewy op die ontwikkeling van wiskundige strukture van fisiese teorieë.

Oorsig van fisikanavorsing[wysig | wysig bron]

Teoretiese en eksperimentele fisika[wysig | wysig bron]

Fisikanavorsing verskil van dié van ander wetenskappe ten opsigte van die skeiding van teorie en eksperiment. Sedert die 20ste eeu het die meeste individuele fisici gespesialiseer in óf teoretiese fisika óf eksperimentele fisika, en min van hulle was al suksesvol in albei terreine. In teenstelling daarmee was amper al die suksesvolle teoretici in biologie en chemie ook eksperimenteerders gewees.

Rofweg gesproke is die doel van teoretici om teorieë te ontwikkel wat die bestaande eksperimentele resultate verduidelik en om toekomstige resultate te voorspel, terwyl eksperimenteerders eksperimente bedink en uitvoer om die teoriese voorspellings te toets. Alhoewel teorie en eksperiment apart ontwikkel word, is hulle sterk afhanklik van mekaar. Vooruitgang in fisika geskied dikwels wanneer eksperimenteerders ontdekkings maak wat nie deur die bestaande teorieë verduidelik kan word nie en dus die formulering van nuwe teorieë noodsaak. In die afwesigheid van eksperimente slaan teoretiese navorsing dikwels die verkeerde koers in; dit is van die kritiek wat dikwels gelewer word op die M-teorie, 'n gewilde teorie in hoë-energiefisika waarvoor nog geen praktiese eksperimentele toets bedink is nie.

Sentrale teorieë van fisika[wysig | wysig bron]

Terwyl fisika hom bemoei met 'n uiters groot verskeidenheid stelsels, is daar sekere teorieë wat van toepassing is op fisika in sy geheel en nie beperk is tot 'n enkele veld nie. Elkeen van die teorieë word basies as korrek aanvaar met 'n sekere terein waarvoor dit geldig is. Die teorie van klassieke meganika beskryf byvoorbeeld die beweging van voorwerpe akkuraat op voorwaarde dat hulle baie groter as atome is en teen 'n snelheid baie laer as die ligsnelheid beweeg. Hierdie teorieë bly steeds velde waarop aktiewe navorsing gedoen word; 'n merkwaardige aspek van klassieke meganika bekend as chaos is byvoorbeeld in die 20ste eeu ontdek, drie eeue ná Isaac Newton dit geformuleer het. Min fisici verwag egter dat enige van die teorieë fundamenteel misleidend bewys gaan word en daarom word hulle as basis gebruik vir navorsing in meer gespesialiseerde onderwerpe en word dit algemeen van enige huidige fisikastudent ongeag sy spesialisgebied verwag om goed vertroud te wees met al die teorieë.

Teorie Hoofvertakkings Begrippe
Klassieke meganika Newton se wette van beweging, Lagrange-meganika, Hamiltoniese meganika, chaosteorie, vloeidinamika, kontinuümmeganika Dimensie, ruimte, tyd, beweging, lengte, snelheid, massa, momentum, krag, energie, draaimomentum, wringkrag, behoudswet, harmoniese wisselaar, golf, drywing
Elektromagnetisme Elektrostatika, elektrisiteit, magnetisme, Maxwell se vergelykings Elektriese lading, stroom, elektriese veld, magneetveld, elektromagnetiese veld, elektromagnetiese straling, magnetiese monopool
Termodinamika en statistiese meganika Warmte-enjin, kinetiese teorie Boltzmann se konstante, entropie, vrye energie, warmte, verdelingsfunksie, temperatuur
Kwantummeganika Padintegrale formulering, Schrödinger-vergelyking, kwantumveldteorie Hamilton-formalisme, identiese deeltjies, Planck se konstante, kwantumverstrikking, kwantum harmoniese wisselaar, golffunksie, nulpuntenergie
Relatiwiteitsteorie Spesiale relatiwiteit, algemene relatiwiteit Gelykwaardigheidsbeginsel, vierimpuls, verwysingsraam, ruimtetyd, ligsnelheid

Navorsingsvelde van fisika[wysig | wysig bron]

Hedendaagse navorsing in fisika word verdeel in verskeie velde wat verskillende aspekte van materie bestudeer. Gekondenseerdematerie-fisika, wat algemeen beskou word as die grootste enkele fisikaveld, is bemoei met die studie van hoe die massaeienskappe van materie, soos gewone vastestowwe en vloeistowwe, teweeggebring word vanuit die eienskappe en interaksies van die atome waaruit dit opgebou is. Die veld van atoom-, molekulêre en optiese fisika het te doen met die gedrag van individuele atome en molekules en in die besondere wyses waarop hulle lig absorbeer en uitstraal. Deeltjiefisika is bemoeid met die eienskappe van subatomiese deeltjies wat baie kleiner as atome is en sluit die elementêre deeltjies in waaruit alle materie opgebou is. Laastens is daar die veld van astrofisika, wat die wette van fisika toepas om sterrekundige verskynsels te verklaat wat wissel van die Son en ander voorwerpe in die Sonnestelsel tot die heelal in sy geheel.

Velde Vertakkings Vernaamste teorieë Begrippe
Astrofisika Kosmologie, planetologie, plasmafisika Oerknal, kosmiese uitsetting, algemene relatiwiteit universele swaartekragwet Swartkolk, kosmiese agtergrondstraling, sterrestelsel, swaartekrag, planeet, Sonnestelsel, ster
Atomiese, molekulêre en optiese fisika Atomiese fisika, molekulêre fisika, optika, fotonika, Kwantumoptika Diffraksie, elektromagnetiese straling, polarisering, spektraallyn
Deeltjiefisika Kernfisika, kernastrofisika Standaardmodel, kwantum-chromodinamika, supersimmetrie, snaarteorie, M-teorie Fundamentele wisselwerking (swaartekrag, elektromagnetisme, swak kernkrag, sterk kernkrag), elementêre deeltjie, antideeltjie, spin, teorie van alles, vakuumenergie
Gekondenseerdematerie-fisika Vastetoestandfisika, materiefisika, hoëdrukfisika, oppervlakfisika BCS-teorie, Bloch-golf, Fermi-gas, Fermi-vloeistof Fases (gas, vloeistof, vastestof, Bose-Einstein-kondensaat, supergeleier, supervloeier), elektriese geleiding, magnetisme, spin, spontane simmetrieverbreking

Verwante velde[wysig | wysig bron]

Baie navorsingsgebiede bestaan waar fisika verweef is met ander dissiplines. Die verreikende veld van biofisika hou verband met die rol wat die fisikabeginsels speel in biologiese stelsels. In kwantumchemie word bestudeer hoe die kwantummeganikateorie aanleiding gee tot die chemiese gedrag van atome en molekules. Sommige van die vakgebiede word hieronder gelys.

Akoestiek, sterrekunde, biofisika, berekeningsfisika, elektronika, ingenieurswese, geofisika, materiaalkunde, mediese fisika, fisiese chemie, voertuigdinamika

Buitengewone teorieë[wysig | wysig bron]

Koue fusie, dinamiese swaartekragteorie, liggewende eter, orgoonenergie

Geskiedenis[wysig | wysig bron]

Sedert antieke tye het mense die gedrag van materie probeer verstaan: hoekom voorwerpe wat nie ondersteun word nie grond toe val, hoekom verskillende materiale verskillende eienskappe het ensovoorts. Die aard van die heelal was ook 'n raaisel, soos die vorm van die Aarde en die gedrag van hemelliggame soos die Son en die Maan. Verskeie teorieë is voorgestel waarvan die meeste verkeerd was. Hierdie teorieë was grootliks filosofies gegrond en is nooit bevestig deur sistematies eksperimentele toetsing soos wat vandag gewild is nie. Daar was uitsonderings: die Griekse denker Archimedes het byvoorbeeld baie kwantitatiewe beskrywings van meganika en hidrostatika korrek afgelei.

In die vroeë 17de eeu was Galileo 'n baanbreker in die gebruik van eksperimente om fisikateorieë te bevestig. Hy het verskeie dinamikateorieë suksesvol geformuleer en getoets, in besonder die wet van traagheid. In 1687 het Newton die Principia Mathematica gepubliseer waarin hy twee omvattende en suksesvolle teorieë uiteensit: Newton se bewegingswette, waaruit die klassieke meganika voortspruit, en Newton se swaartekragwet, wat die fundamentele wisselwerking beskryf. Albei teorieë is in eksperimente bewys. Die Principia het ook verskeie teorieë oor vloeidinamika ingesluit. Klassieke meganika is uitvoerig uitgebrei deur Lagrange, Hamilton en ander wat nuwe formulerings, beginsels en resultate bedink het. Die swaartekragwet het die veld van astrofisika, wat die sterrekundige verskynsels deur middel van fisiese teorieë beskryf, begin.

Van die 18de eeu af is termodinamika deur Boyle, Young en vele ander ontwikkel. In 1733 het Bernoulli statistiese argumente tesame met klassieke meganika gebruik om termodinamiese resultate af te lei en het sodoende die vakgebied van statistiese meganika begin. In 1798 het Thompson die omsetting van meganiese werking na warmte gedemonstreer en in 1847 het Joule die wet oor die behoud van energie (in die vorm van warmte asook meganiese energie) geformuleer.

Die gedrag van elektrisiteit en magnetisme is deur Faraday, Ohm, Ampère en ander bestudeer. In 1855 het Maxwell die twee verskynsels verenig in 'n enkele teorie van elektromagnetisme soos beskryf deur Maxwell se vergelykings. 'n Voorspelling van die teorie was dat lig 'n elektromagnetiese golf is.

In 1895 het Röntgen X-strale ontdek wat later geblyk het 'n hoëfrekwensie elektromagnetiese straling te wees. Radio-aktiwiteit is in 1896 deur Henri Becquerel ontdek en verder deur Marie Curie, Pierre Curie en ander bestudeer. Dit het die vakgebied van kernfisika ingelui.

In 1897 het Thomson die elektron, die elementêre deeltjie wat elektriese stroom in stroombane dra, ontdek. In 1904 het hy die eerste model van die atoom voorgestel.

In 1905 het Albert Einstein die teorie van spesiale relatiwiteit geformuleer wat ruimte en tyd tot 'n enkele entiteit, ruimtetyd, saamgesnoer het. Relatiwiteit skryf 'n ander omskakeling tussen verwysingsraamwerke voor as die klassieke meganika; dit het die ontwikkelling van relatiwistiese meganika as vervanging vir klassieke meganika genoodsaak.

In die bestek van (relatief) lae snelhede stem die twee teorieë ooreen. In 1915 het Einstein spesiale relatiwiteit uitgebrei om swaartekrag met die algemene relatiwiteitsteorie te verduidelik wat Newton se swaartekragwet vervang. In die bestek van lae massas en energieë stem die teorieë ooreen.

In 1911 het Rutherford uit verstrooiingseksperimente afgelei dat daar in atome 'n kompakte kern met positief gelaaide boustene genaamd protone bestaan. Neutrone, die neutrale boustene van die kern, is in 1932 deur Chadwick ontdek.

Aan die begin van 1900 het Planck, Einstein, Bohr en ander kwantumteorieë ontwikkel om verskeie afwykings in eksperimentele resultate te verduidelik deur die bekendstelling van diskrete energievlakke.

In 1925 het Heisenberg en Schrödinger in 1926 Dirac kwantummeganika geformuleer wat die voorafgaande kwantumteorieë verduidelik het. In kwantummeganika is die resultaat van fisiese metings inherent waarskynlikheidsgebonde; die teorie beskryf die berekening van hierdie waarskynlikhede. Dit beskryf ook die gedrag van materie vir klein afstandskale.

Kwantummeganika het ook die teoretiese gereedskap verskaf vir gekondenseerdematerie-fisika, wat die gedrag van vaste- en vloeistowwe bestudeer, insluitende verskynsels soos kristalstrukture, halfgeleiding en supergeleiding. Die baanbrekers op die gebied van gekondenseerdematerie-fisika sluit Bloch in wat die kwantummeganiese beskrywing van die gedrag van elektrone in kristalstrukture in 1928 geformuleer het.

In die Tweede Wêreldoorlog is navorsing deur albei strydende partye gedoen oor kernfisika met die doel om 'n atoombom te maak. Die Duitse poging, deur Heisenberg gelei, het nie geslaag nie, maar die Geallieerdes se Manhattan-projek het die doelwit bereik. In 1942 het Fermi in Amerika die eerste mensgemaakte kernkettingreaksie veroorsaak, en in 1945 is die wêreld se eerste atoombom ontplof by die Trinity-terrein naby Alamogordo, Nieu-Meksiko.

Die kwantumveldteorie is geformuleer om kwantummeganika uit te brei sodat dit kan aanpas by spesiale relatiwiteit. Dit het sy moderne vorm bereik in die laat 1940's met werk wat deur Feynman, Schwinger, Tomonaga, en Dyson gedoen is. Hulle het die kwantumelektrodinamika-teorie geformuleer wat elektromagnetiese interaksie beskryf.

Die kwantumveldteorie het die raamwerk daargestel vir moderne deeltjiefisika, waarin die basiese natuurkragte en elementêre deeltjies bestudeer word. In 1954 het Yang en Mills 'n klas yktoerieë ontwikkel wat die raamwerk vir die Standaardmodel daargestel het. Die Standaardmodel, wat in 1970 voltooi is, beskryf amper al die elementêre deeltjies wat nog waargeneem is suksesvol. Op 14 Maart 2013 is die bestaan van die Higgs-boson tentatief deur die Europese Organisasie vir Kernnavorsing (CERN) bevestig nadat dit waarskynlik die vorige jaar ontdek is.

Die Verenigde Nasies het die jaar 2005 tot die Wêreld se Fisikajaar verklaar.[1]

Toekomstige wendinge[wysig | wysig bron]

Met ingang van 2004 gaan navorsing in fisika op 'n wye front voort. In gekondenseerdematerie-fisika is die grootste teoretiese vraagstuk die verduideliking van hoëtemperatuur-supergeleiding. Groot pogings, hoofsaaklik eksperimenteel, word aangewend om werkbare spintronika en kwantumrekenaars te maak.

In deeltjiefisika is die eerste bewysstukke gevind dat daar verskynsels is wat nie net deur die Standaardmodel verduidelik kan word nie. Die belangrikste hiervan is aanduidings dat neutrino's 'n massa van groter as nul het. Dit lyk of hierdie eksperimentele resultate 'n ou vraagstuk oor die Son oplos. Die fisika van neutrinos met massa is tans 'n gebied waarop aktiewe teoretiese en eksperimentele navorsing gedoen word.

Teoretiese pogings wat al ’n halwe eeu duur om kwantummeganika en algemene relatiwiteit te verenig in 'n enkele teorie van kwantumswaartekrag, het nog geen vrugte afgewerp nie. Die belangrikste kandidate vir ’n teorie van alles is tans die M-teorie.

Baie sterrekundige verskynsels moet nog verklaar word, insluitende die bestaan van ultrahoë-energie kosmiese straling en die afwykende rotasietempo van sterrestelsels. Teorieë wat voorgestel is om hierdie probleme op te los sluit in dubbele spesiale relatiwiteit, aangepaste Newton-dinamika, en die bestaan van donker materie. Verder is baie van die kosmologiese voorspellings van die laaste paar dekades weerlê deur bewyse dat die uitdying van die heelal besig is om te versnel.

In hul haas om hoë-energie-, kwantum- en sterrekundige fisikaprobleme op te los is alledaagse fisika agterweë gelaat. Ingewikkelde probleme wat lyk of hulle deur die slim toepassing van dinamika en meganika opgelos kan word, bly steeds grootliks onopgelos.

Verwysings[wysig | wysig bron]

Voorgestelde leeswerk[wysig | wysig bron]

  • Feynman, Richard, The Character of Physical Law, Random House (Modern Library), 1994, hardcover, 192 pages, ISBN 0-679-60127-9
  • Feynman, Richard en Leighton, Sands, The Feynman Lectures on Physics, Addison-Wesley 1970, 3 volumes, paperback, ISBN 0-201-02115-3. Hardeband gedenkuitgawe, 1989, ISBN 0-201-50064-7
  • Landau, Lev Davidovich et. al., Course of Theoretical Physics, Butterworth-Heinemann, 1976, 10 volumes, sagteband, ISBN 0-7506-2896-0
  • Walker, Jearl, The Flying Circus of Physics, Wiley, 1977, sagteband, 312 pages, ISBN 0-471-02984-X

Eksterne skakels[wysig | wysig bron]