Fisika

in Wikipedia, die vrye ensiklopedie
(Aangestuur vanaf Fisikus)
Spring na: navigasie, soek
Voorbeelde van verskeie Fisiese fenomene

Fisika (vanaf Grieks, φυσικός (physikos), "Natuurlik", en φύσις (physis), "Natuur") is die wetenskap van die Natuur in die breedste sin. Fisici bestudeer die gedrag en eienskappe van materie in 'n wye verskeidenheid verbande, wat wissel van die sub-mikroskopiese partikels wat die boustene van alle gewone materie is (partikelfisika) 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 byvoorbeeld die behoud van energie. Sulke eienskappe word dikwels na 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 tipe materiële stelsels wat die wette van fisika gehoorsaam. Chemie byvoorbeeld is 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 die fisika soos kwantum meganika, 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 betrokke is oor die algemeen meer ingewikkeld as in die ander wetenskappe.

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

Oorsig van fisika navorsing[wysig]

Teoretiese en eksperimentele fisika[wysig]

Die kultuur van fisika navorsing verskil van die ander wetenskappe ten opsigte van die skeiding van teorie en eksperiment. Sedert die 20ste eeu, het die meeste indiwiduele fisici gespesialiseer in of teoretiese fisika of in eksperimentele fisika en weinig fisici was al suksesvol gewees in beide navorsingsvorme. 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 op die M-teorie, 'n gewilde teorie in hoë-energie fisika waarvoor nog geen praktiese eksperimentele toets voor bedink is nie, gelewer word.

Sentrale teorieë van fisika[wysig]

Terwyl fisika hom bemoei met 'n uiters wye 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 domein 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 spoed van lig beweeg. Hierdie teorieë bly nog steeds velde waar aktiewe navorsing op gedoen word; 'n merkwaardige aspek van klassieke meganika bekend as chaos is byvoorbeeld in die 20ste eeu ontdek, drie eeue na Isaac Newton dit geformuleer het. Weinig 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 spesialisasiegebied verwag om goed vertroud te wees met al die teorieë.

Teorie Hoof vertakkinge Begrippe
Klassieke meganika Newton se wette van beweging Lagrange meganika Hamiltoniese meganika Chaos teorie Vloeidinamika Kontinuum meganika Dimensie Ruimte Tyd Beweging Lengte Snelheid Massa Momentum Krag Energie Draaimomentum Wringkrag Behoudswet Harmoniese wisselaar Golf Werk Drywing
Elektromagnetisme Elektrostatika Elektrisiteit Magnetisme Maxwell se vergelykings Elektriese lading Stroom Elektriese veld Magnetiese veld Elektromagnetiese veld Elektromagnetiese straling Magnetiese monopool
Termodinamika en Statistiese meganika Warmte enjin Kinetiese teorie Boltzmann se konstante Entropie Vrye energie Warmte Verdelingsfunksie Temperatuur
Kwantummeganika Padintegraal formulering Schrödingervergelyking Kwantumveldteorie Hamiltoniese Identiese partikels Planck se konstante Kwantumverstrikking Kwantum harmoniese wisselaar Golffunksie Nulpuntenergie
Relatiwiteitsteorie Spesiale relatiwiteit Algemene relatiwiteit Gelykwaardigheidsbeginsel Vier-momentum Verwysingsraam Ruimtetyd Spoed van lig

Hoofvelde van fisika[wysig]

Hedendaagse navorsing in fisika word verdeel in verskeie onderskeibare velde wat verskillende aspekte van die materiële wêreld bestudeer. Gekondenseerde materie fisika, deur die meeste ramings as die grootste enkele veld van fisika beskou, is bemoei met die studie van hoe die massale eienskappe van materie, soos die gewone vastestowwe en vloeistowwe wat ons in die alledaagse lewe teëkom, teweeg gebring 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 indiwiduele atome en molekules en in die besondere wyses waarop hulle lig absorbeer en uitstraal. Die veld van partikelfisika ook bekend as "hoë-energie fisika" is bemoeid met die eienskappe van submikroskopiese partikels wat baie kleiner as atome is en sluit die elementêre partikels in waaruit alle ander onderdele van materie gebou is. Laastens is daar die veld van astrofisika wat die wette van die fisika toepas om sterrekundige verskynsels, wat wissel van die Son en ander voorwerpe in die sonnestelsel tot die heelal in sy geheel, te verklaar.

Velde Vertakkinge Vernaamste teorieë Begrippe
Astrofisika Kosmologie, Planetologie, Plasma fisika Oerknal Kosmiese uitsetting Algemene relatiwiteit Universele Swaartekragwet Swartkolk Kosmiese agtergrondstraling Sterrestelsel Swaartekrag Swaartekragstraling Planeet Sonnestelsel Ster
Atoom, molekulêre en optiese fisika Atoomfisika, Molekulêre fisika, Optika, Fotonika Kwantum optika Diffraksie Elektromagnetiese straling Laser Polarisering Spektraal lyn
Partikelfisika Versnellerfisika, Kernfisika Standaardmodel Groot verenigde teorie Lus kwantumswaartekrag M-teorie Fundamentele krag (swaartekrag, elektromagnetisme, swak interaksie, sterk interaksie) Elementêre partikel Anti-materie Spin Spontane simmetrie verbreking Teorie van alles Vakuumenergie
Gekondenseerde materie fisika Vastetoestand fisika, Materiaalfisika, Polimeerfisika BCS teorie Bloch golf Fermi gas Fermi vloeistof Vele-liggaam teorie Fases (gas, vloeistof, vastestof, Bose-Einstein kondensaat, supergeleier, supervloeier) Electriese geleiding Magnetisme Self-organisering Spin Spontane simmetrie verbreking

Verwante velde[wysig]

Daar bestaan baie navorsingsgebiede waar fisika verweef is met ander dissiplines. Die verreikende veld van biofisika is toegewy tot die rol wat die fisiese beginsels speel in biologiese stelsels en die veld van kwantum chemie bestudeer hoe die kwantum meganika teorie aanleiding gee tot die chemiese gedrag van atome en molekules. Sommige van die vakgebiede word hieronder gelys.

AkoestiekSterrekundeBiofisikaBerekeningsfisikaElektronikaIngenieursweseGeofisikaMateriaalkundeWiskundige fisikaMediese fisikaFisiese chemieFisika van berekeningVoertuigdinamika

Buitengewone teorieë[wysig]

Koue fusieDinamiese swaartekragteorieLiggewende eter - Orgoon energieGestadigde toestand teorie

Geskiedenis[wysig]

Hoofartikel: Geskiedenis van fisika. Sien ook Beroemde fisici en Nobelprys vir Fisika.

Sedert antieke tye het mense die gedrag van materie probeer verstaan: Hoekom voorwerpe wat nie ondersteun word 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 en daar bestaan anachronismes: die Griekse denker Archimedes het byvoorbeeld baie kwantitatiewe beskrywings van meganika en hidrostatika korrek afgelei.

Gedurende die vroeë 17de eeu was Galileo 'n baanbreker in die gebruik van eksperimente om fisiese teorieë te bevestig en wat die sleutelgedagte is van die wetenskaplike metode. Galileo het verskeie dinamika teorieë suksesvol geformuleer en getoets en in besonder die Wet van Traagheid. In 1687 publiseer Newton die Principia Mathematica waarin hy twee omvattende en suksesvolle teorieë uiteensit: Newton se bewegingswette waaruit die klassieke meganika voortspruit en Newton se swaartekragwet, wat die fundamentele krag beskryf. Beide teorieë het goed ooreengestem met eksperimente. Die Principia het ook verskeie teorieë oor vloeidinamika ingesluit. Klassieke meganika is uitvoerig uitgebrei deur Lagrange, Hamilton en andere wat nuwe formulerings, beginsels en resultate bedink het. Die swaartekragwet het die veld van astrofisika , wat die sterrekundige verskynsels beskryf deur van fisiese teorieë gebruik te maak, begin.

Vanaf die 18de eeu 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 werk 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 Roentgen X-strale ontdek wat later getoon het om 'n hoë-frekwensie elektromagnetiese straling te wees. Radio-aktiwiteit is ontdek in 1896 deur Henri Becquerel en verder bestudeer deur Marie Curie, Pierre Curie en andere. Dit het die vakgebied van kernfisika begin.

In 1897 het Thomson die elektron, die elementêre partikel wat elektriese stroom in stroombane dra, ontdek. In 1904 het hy die eerste model van die atoom, bekend as die pruimpoeding model, voorgestel. (Die bestaan van die atoom is al in 1808 deur Dalton 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 anderse 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 vanuit verstrooiingseksperimente afgelei dat daar in atome 'n kompakte kern met positiewe gelaaide boustene genaamd protone bestaan. Neutrone, die neutrale boustene van die kern is deur Chadwick in 1932 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 en Dirac in 1926, kwantum meganika geformuleer wat die voorafgaande kwantumteorieë verduidelik het. In kwantum meganika is die resultaat van fisiese metings inherent waarskynlikheidgebonde; die teorie beskryf die berekening van hierdie waarskynlikhede. Dit beskryf ook die gedrag van materie vir klein afstandskale.

Kwantum meganika het ook die teoretiese gereedskap verskaf vir gekondenseerde materie fisika, wat die gedrag van vaste- en vloeistowwe bestudeer, insluitende verskynsels soos kristalstrukture , halfgeleiding en supergeleiding. Die baanbrekers op die gebied van gekondenseerde materie fisika sluit Bloch in wat die kwantum meganiese beskrywing van die gedrag van elektrone in kristalstrukture in 1928 geskep het.

Gedurende die Tweede Wêreldoorlog is navorsing deur beide strydende partye gedoen op 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 in Amerika het Fermi die eerste mensgemaakte kernkettingreaksie veroorsaak, en in 1945 is die wêreld se eerste atoombom ontplof by die Trinity terrein naby Alamogordo, Nieu-Meksiko.

Kwantum veldteorie is geformuleer om kwantum meganika uit te brei om konsekwent te wees met spesiale relatiwiteit. Dit het sy moderne vorm bereik in die laat 1940s met werk wat deur Feynman, Schwinger, Tomonaga, en Dyson gedoen is. Hulle het die kwantum elektrodinamika teorie geformuleer wat elektromagnetiese interaksie beskryf.

Kwantum veldteorie het die raamwerk daargestel vir moderne partikelfisika, wat die fundamentele kragte en elementêre partikels bestudeer. In 1954 het Yang en Mills 'n klas van ykingstoerieë ontwikkel, wat die raamwerk vir die Standaardmodel daargestel het. Die Standaardmodel wat in 1970 voltooi is beskryf amper al die elementêre partikels tot hede waargeneem suksesvol.

Die Verenigde Volke het die jaar 2005 tot die Wêreld se Jaar van Fisika verklaar.[1]

Toekomstige wendinge[wysig]

Hoofartikel: onopgeloste probleme in fisika.

Met ingang 2004 gaan navorsing in fisika op 'n wye front voort.

In gekondenseerde materie fisika, is die grootste teoretiese vraagstuk die verduideliking van hoë-temperatuur supergeleiding. Sterk pogings, hoofsaaklik eksperimenteel, word aangewend om werkbare spintronika en kwantumrekenaars te maak.

In partkelfisika het die eerste bewysstukke begin verskyn dat daar verskynsels is wat nie alleen deur die Standaardmodel verduidelik kan word nie. Die voorste hiervan is die aanduidings dat neutrinos 'n massa groter as nul het. Dit wil voorkom asof hierdie eksperimentele resultate 'n ou vraagstuk, die neutrino van die son probleem, in sonfisika oplos. Die fisika van neutrinos met massa is tans 'n gebied waarop aktiewe teoretiese en eksperimentele navorsing gedoen word. In die komende jare word verwag dat partkelversnellers sal begin om energievlakke in die TeV te bereik, waarmee eksperimenteerders hoop om bewyse te vind vir die higgs boson en supersimmetriese partikels.

Teoretiese pogings om kwantum meganika en algemene relatiwiteit te verenig in 'n enkele teorie van kwantum swaartekrag, 'n poging wat al meer as 'n halwe eeu duur, het nog geen vrugte afgewerp nie. Die leidende kandidate is tans die M-teorie en lus kwantumswaartekrag.

Baie sterrekundige verskynsels moet nog verklaar word, insluitende die bestaan van ultra-hoë 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 Newtoniese dinamika, en die bestaan van donker materie. Verder is baie van die kosmologiese voorspellings van die laaste aantal dekades weerlê deur bewyse dat die uitsetting van die heelal besig is om te versnel.

In hul haas om hoë-energie, kwantum en sterrekundige fisika probleme op te los is alledaagse fisika agterweë gelaat. Ingewikkelde probleme wat wil voorkom asof hulle deur die slim toepassing van dinamika en meganika opgelos kan word, bly nog steeds grootliks onaangespreek. Voorbeelde hiervan is die vorming van sandhope, die vorm van waterdruppels, die meganisme van oppervlakspanning katastrofes en die self-sortering in heterogene versamelings wat geskud word.

Sien ook[wysig]

Verwysings[wysig]

Voorgestelde leeswerk[wysig]

Eksterne skakels[wysig]

Commons-logo.svg
Wikimedia Commons het meer media verwant aan:
Fisika (kategorie)