Fysik

Från Wikipedia
Hoppa till: navigering, sök
NASA:s konstnärliga skildring av ett svart hål.
Block och talja är exempel på tillämpningar av klassisk mekanik.
En myra, betraktad genom ett svepelektronmikroskop, en tillämpning av våg-partikeldualismen.
En regnbåge är ett exempel på hur ljus bryts i övergången mellan vatten och luft.
En magnet som svävar över en supraledare, vilket demonstrerar Meissnereffekten.
Atombomben är ett exempel på de väldiga krafter som fysiken har bemästrat under 1900-talet.

Fysik (från grekiska φυσικός /physikos som har betydelsen "naturlig" eller från latinets physica som betyder "läran om naturen") är vetenskapen om hur naturen fungerar i dess vidaste bemärkelse. Förr var ordet "fysik" ett samlat namn för all naturvetenskap som kemin, biologin och geovetenskapen. Dagens utveckling har gjort att gränserna mellan dessa olika naturvetenskaper börjar suddas ut igen. Fysiken börjar penetrera alla de andra naturvetenskapliga ämnen inklusive de medicinska och tekniska vetenskaperna som gör att fysiken blir världens materiella grundvetenskap [1].

Fysik handlar om de beståndsdelar som bygger upp universum, de fundamentala krafter som verkar mellan dessa beståndsdelar, och de resultat som dessa krafter ger. Förutom strukturen i beståndsdelarna finns även ett samband mellan materia och energi

Fysiker studerar dessa problem på alla storleksskalor, från de minsta beståndsdelarna på subatomär nivå (partikelfysik och kärnfysik) till universums struktur på den allra största skalan (kosmologi). Däremellan studeras forskningsfält från atomfysik, molekylfysik och fasta tillståndets fysik via mekanik, strömningsmekanik, elektromagnetism, termodynamik och plasmafysik, till rymdfysik och astrofysik. Biofysik och geofysik är andra exempel på forskningsfält.

De viktigaste begreppen inom fysiken är symmetrier och bevarandelagar, och på en mer abstrakt nivå skulle man kunna säga att fysiken är studiet av dessa begrepp och hur de appliceras på energi, rörelsemängd, laddning, paritet och så vidare.


Fysik och andra vetenskaper[redigera | redigera wikitext]

Fysikens resultat används inom alla fält i naturvetenskapen eftersom den studerar de grundläggande lagarna för naturen. Vissa fysikaliska fenomen, som lagen om energins bevarande, gäller för alla system och kallas naturlagar. Fysiken sägs ibland vara den fundamentala vetenskapen, eftersom alla andra naturvetenskaper (exempelvis kemi, biologi och geovetenskap) behandlar system som lyder under fysikens lagar. Egenskaper hos atomer och molekyler, några grundläggande koncept inom kemin, beskrivs av fackområden inom fysiken såsom kvantmekanik, elektromagnetism och termodynamik. Detta betyder inte att all naturvetenskap är fysik. I själva verket är det mycket opraktiskt att försöka använda fysikaliska beskrivningar direkt för att beskriva kemiska reaktioner, men i princip skulle dessa kunna härledas från fysiken.

Fysik har en nära relation till matematik och alla fysikaliska lagar beskrivs som matematiska relationer. Matematiken ger ett ramverk som kan användas för att uttrycka fysikens teorier och ge kvantitativa förutsägelser.

En viktig skillnad mellan fysik och matematik är dock att fysiken syftar till att i slutändan beskriva hur naturen fungerar, medan en matematiker beskriver abstrakta strukturer som inte behöver ha någon fysikalisk tillämpning. Skillnaden är inte alltid skarp, och nya matematiska rön får ofta tillämpningar inom fysiken, och ibland ger upptäckter inom fysiken ny förståelse inom matematiken. Forskningsfältet matematisk fysik syftar till att utveckla den matematiska strukturen hos fysikaliska teorier.

Fysik står också nära ett flertal ingenjörsvetenskaper, där till exempel elektroteknik behandlar tillämpningar av elektromagnetismen, statik, en underdisciplin av mekaniken, används i brobygge samt teorier från fasta tillståndets fysik används för att beskriva dopade halvledare. Därför finns det också ett betydande överlapp mellan ingenjörsvetenskap och tillämpad fysik.

Metoder[redigera | redigera wikitext]

Då fysiken är en vetenskap tillämpas den vetenskapliga metoden, med uppställande av hypoteser som antingen förkastas eller antas för att sedan möjligen förfinas. Eftersom fysik oftast beskrivs i hög grad av matematik är det ofta nödvändigt att ha ett bra grepp om sådan för att kunna tillföra något till fysikämnet; vissa discipliner som strängteori är idag snarast ett mellanting mellan fysik och matematik än ett fysikaliskt forskningområde. Fysiker måste dessutom – beroende på område – ha god kännedom om statistik, då sådan krävs för att analysera resultat från experiment, eller till och med krävs för att kunna beskriva verkligheten på ett korrekt sätt.

Fysiker använder dessutom något som kallas dimensionsanalys, vilket i grund och botten är insikten att en fysikalisk storhet – till exempel massa eller längd – inte utan vidare låter sig utbytas mot en annan; en mening som "den här stången är fem kilo lång" tycks ju vara rent nonsens. Om man däremot vet att en stång av det materialet och med den diametern har massan 10 kilogram per meter, kan man lätt byta mellan massa och längd, och kan se att om stången har massan 5 kilogram så är den en halv meter lång. För det mesta tillämpas dock dimensionsanalys på långt mer komplexa system, och kan då vara en god hjälp för att till exempel kunna säga vilka parametrar som inte spelar roll.

Teori och experiment[redigera | redigera wikitext]

Fysiken skiljer sig delvis från andra vetenskaper då teori och experiment anses som delvis skilda fält. Från och med nittonhundratalet har de flesta fysiker specialiserat sig på antingen teoretisk eller experimentell fysik. I kontrast till detta står biologin och kemin, där de flesta framgångsrika teoretiker också varit experimentalister, även om detta börjat förändras på sista tiden.[2] Teoretiska fysiker försöker att använda abstraktioner och matematiska modeller för att beskriva och tolka befintliga experimentella resultat och sedan använda dessa metoder för att generalisera till nya teorier och från dessa förutse resultatet av framtida experiment. Experimentalister försöker komma på sätt att utföra experiment som kan påvisa nya fenomen eller testa teoretikernas förutsägelser. Även om dessa områden stundom kan utvecklas separat är de starkt knytna till varandra. Framsteg inom fysiken sker oftast när experimentalister får fram ett resultat som befintliga teorier inte kan förklara, vilket gör att nya teorier måste tas fram. Ibland utvecklas teorier istället självständigt och verifieras sedan experimentellt – ett exempel på detta är Albert Einsteins allmänna relativitetsteori.

Fenomenologi[redigera | redigera wikitext]

Vissa teorier och modeller i fysiken är fenomenologiska. Med detta menas att även om de är baserade på ett fysikaliskt systems verkliga beteende är de inte härledda ur mer grundläggande teorier. Vanligt är att det finns flera parametrar som kan anpassas till olika specialfall. Ett exempel på en sådan teori är Einsteins teori för den fotoelektriska effekten, som trots att den bland annat bygger på antagandet att energin i en metall är kvantiserad, även antar att metallen har ett utträdesarbete som vid denna tid inte kunde beräknas teoretiskt utan endast mätas experimentellt. Ett annat exempel på en fenomenologisk teori är termodynamik.

Centrala teorier[redigera | redigera wikitext]

Eftersom fysiken i princip inte begränsar sig alls i fråga om vad den studerar har det uppstått en mängd mer eller mindre separata delområden, ofta med delvis skilda betraktelsesätt och terminolgier.

  • Kvantmekaniken studerar hur mikroskopiska objekt beter sig, vilket oftast är radikalt annorlunda mot hur makroskopiska objekt beter sig. Schrödingerekvationen spelar motsvarande roll som Newtons rörelslagar har inom den klassiska fysiken, vilken kan härledas ur kvantmekaniken (den så kallade klassiska gränsen). Kvantmekaniken har också många storheter och begrepp gemensamt med klassisk mekanik, även om läge och hastighet inte längre kan beskrivas exakt som en följd av Heisenbergs osäkerhetsrelation och därför ersätts det förra av vågfunktionen. Dessutom tillkommer begreppet spinn, som helt saknar motsvarighet inom klassisk mekanik.

Viktiga områden[redigera | redigera wikitext]

Inom fysiken finns flera viktiga områden som studerar fenomen där två eller flera av ovanstående teorier är nödvändiga för att ge en komplett bild av området.

  • Optik är studiet av ljus och hur det kan manipuleras via bland annat linser.

Klassisk och modern fysik[redigera | redigera wikitext]

Efter att kvantmekaniken slagit igenom blev det uppenbart för fysikersamfundet att flera äldre teorier skulle behöva modifieras för att kunna användas tillsammans med denna. På grund av detta kallas alla icke kvantiserade teorier för klassiska, inklusive de båda relativitetsteorierna. En klassisk teori är således inte per definition från tiden före skapandet av kvantmekaniken. Klassiska teorier är i allmänhet enklare att arbeta med, och forskas fortfarande på utan målet att kvantisera dem. Det finns dock även problem som lättast behandlas om man kombinerar klassiska och kvantmekaniska beskrivningar. Dessa kallas semiklassiska, och kan vara svåra att härleda, trots att de är enkla att arbeta praktisk med.

Eftersom relativitetsteorierna och kvantmekaniken båda är de bästa kända modellerna för de fundamentala växelverkningarna, och då de båda i grunden förändrade fysiken ungefär samtidigt, så används termen modern fysik för att beskriva fysik som bygger på dem.

Den klassiska fysiken går att få ut som en approximation av de moderna teorierna. I fallet relativitetsteori låter man ljushastigheten formellt gå mot oändligheten, och i fallet kvantmekanik låter man Plancks konstant gå mot noll.

Tillämpningar av fysik[redigera | redigera wikitext]

Fysiken tillämpas i många läror och verksamheter, och har ofta utvecklats i takt med dessa. Termodynamiken utvecklades till exempel mycket nära de ingenjörsmässiga tillämpningar den har, och är fortfarande tätt sammanknuten med dessa. Andra områden som har en stadig grund i fysiken är elektronik, som baserar sig på ellära och resultat om halvledare från kondenserade materiens fysik. Fysikens tillämpningar inom medicinen går under namnet medicinsk fysik, och utnyttjar bland annat röntgenstrålning och radioaktivitet. Meteorologin bygger på resultat från flödesdynamik. Kemin utnyttjar bland annat kvantmekanik och termodynamik i området fysikalisk kemi.

Historia[redigera | redigera wikitext]

Huvudartikel: Fysikens historia

Det teoretiska studiet av universum började som naturfilosofi. Aristoteles var tillsammans med bibeln länge de stora auktoriteterna i Europa och ifrågasattes inte på allvar förrän under renässansen då framförallt Galileo Galilei började tillämpa den vetenskapliga metoden som ersatte auktoritetstro med experiment och vidareutveckling av hypoteser[3]. 1687 kom sedan Isaac Newtons Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica ut, vilken lade grunden för den klassiska mekaniken och i ett slag förklarade en mängd fenomen. Tidigare hade man inte insett att samma kraft som får äpplet att falla till marken även ligger bakom planeternas rörelse. Insikten om möjligheten, och strävan efter, att förklara vitt skilda fenomen med endast ett fåtal generella lagar som man sedan härleder mer specifika fall ur har sedan dess starkt präglat fysiken.[3] Speciellt lyckat var James Clerk Maxwells sammanfattning av elektromagnetismen i Maxwells ekvationer. I slutet av 1800-hundratalet trodde man att man till slut i stort slutfört detta projekt, och att det endast återstod smärre detaljer som behövde studeras. Föga anade man att man stod inför ett århundrade då fysiken skulle förändras totalt, även om det fanns några irriterande fenomen som den ultravioletta katastrofen och Brownsk rörelse man inte kunde få grepp om och som stred mot gällande kunskap.

1900 började förändringen, då Max Planck i en "desperat handling" tvingades införa att elektromagnetisk energi endast kunde sändas ut i kvantiserad form för att kunna förklara den ultravioletta katastrofen. 5 år senare, under sitt annus mirabilis utvecklade Albert Einstein denna hypotes för att förklara den fotoelektriska effekten. Dessutom förklarade han samma år den Brownska rörelsen, också den genom att kvantisera naturen, fast denna gång materien och inte energin. Detta blev atomteorins genombrott. Som om inte detta vore nog publicerade han dessutom den speciella relativitetsteorin. Det tidiga nittonhundratalet såg sedan en kraftig utbyggnad av dessa teorier. Under andra världskriget skulle fysikerna på allvar visa vilka krafter de nu kontrollerade, genom konstruktionen och användandet av de första atombomberna. Fysiken tjänade dock även mänskligheten på betydligt fredligare sätt, bland annat genomutvecklandet av halvledarfysiken, som ligger till grund för nödvändiga komponenter i många moderna apparater, som till exempel datorer.

Fysikens framtida utveckling och föreslagna teorier[redigera | redigera wikitext]

Huvudartikel: Fysikens olösta problem
Turbulens är det främsta olösta problemet inom klassisk fysik

Fysikens teoretiska modeller av verkligheten har avlöst varandra. I dag pågår sökandet av en modell som kan sammanfatta alla fenomen i universum - "teorin om allt". Som en del av detta sökande kommer man vid LHC söka efter Higgspartikeln, som skulle visa att Higgsmekanismen är det sätt genom vilket olika elementarpartiklar har olika massa.

Inom den kondenserade materiens fysik försöker man idag skapa en teori för högtemperatursupraledare, och lägger ner experimentell möda på bland annat utveckla spinntronik och kvantdatorer.

De teoretiska försök som pågått i över ett halvt århundrade i syfte att förena kvantmekanik och generell relativitetsteori har ännu inte nått ända fram. De idag troligaste förslagen är M-teori, supersträngteori och loopkvantgravitation.[2]

Många astronomiska och kosmologiska fenomen är ännu oförklarade, som till exempel det faktum att universum består av mycket mer materia än antimateria samt vad mörk energi och mörk materia är för något.

Inom den klassiska fysiken kvarstår dessutom stora teoretiska problem med hur man skall behandla fenomen som turbulens och kaos.

Avfärdade teorier och resultat[redigera | redigera wikitext]

Genom fysikens historia har ett flertal felaktiga teorier dykt upp. När dessa sedan inte visat sig motsvara den observerade verkligheten, har ofta fysikens kunskaper utvecklats kraftigt. Vetenskaplig metod kan inte ge bevis för att något är rätt eller fel, men väl så övertygande belägg i någon riktning. Detta leder till att delar av modeller kan utvecklas vidare och att även de som flertalet avfärdar, sällan överges totalt.

  • Steady state-teorin var en modell som till skillnad mot Big Bang-teorin sade att universum alltid funnits, och att det varken utvidgade sig eller krympte. Även om den till slut visade sig ohållbar, ledde det faktum att Big Bang hade ett alternativ till att området utforskades snabbare och bättre.
  • Eter var ett medium, som man trodde att ljus fortplantade sig i. Detta motsades av Michelson–Morleys experiment, och senare teorier som relativitetsteorin kom därför inte att inkludera etern.


Utbildning och forskning[redigera | redigera wikitext]

I Sverige är fysik ett NO-ämne i grundskolan, och ett karaktärsämne på naturvetenskapsprogrammet och teknikprogrammet. På högskolan kan man studera fysik via civilingenjörsprogrammet teknisk fysik eller via kandidat- och mastersprogram.

Se även[redigera | redigera wikitext]

Vidare läsning[redigera | redigera wikitext]

Populärvetenskap[redigera | redigera wikitext]

Böcker om fysik[redigera | redigera wikitext]

Källor[redigera | redigera wikitext]

  1. ^ http://www.ne.se/lang/fysik
  2. ^ [a b] "Physics" på engelskspråkiga Wikipedia
  3. ^ [a b] Nationalencyklopedin Multimedia. 2000