Användare:Kimmi1/sandlåda/Fysik

{{Fotnoter}} {{Språkvård|Oprecisa meningar. Dåligt ordval.|Hela artikeln}}

Fysik (från grekiska φυσικός /physikos som har betydelsen "naturlig" eller från latinskan phyisica som betyder "läran om naturen") är vetenskapen om hur naturen fungerar i dess vidaste bemärkelse. Förr var ordet "fysik" ett samlad namn för all naturvetenskap som kemin, biologin och geovetenskapen. Dagens utveckling har gjort att gränserna mellan dessa olika naturvetenskap börjar suddas ut igen. Det enda som skiljer dessa naturvetenskaper åt är deras arbetsfördelning och inte den grundliga skiljaktigheten. 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 och de fundamentala krafter som påverkar dessa beståndsdelar. 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 som till exempel partikelfysik och kärnfysik till universums struktur på den allra största skalan som kallas för kosmologi. Däremellan studeras forskningsfält från atom- och molekylfysik till rymd- och astrofysik.

De viktigaste begreppen inom fysiken är symmetrier och bevarandelagar, och på en mer abstrakt nivå går det att säga att fysiken är studiet av dessa begrepp och hur de appliceras på till exempel energi, rörelsemängd, laddning, paritet. ^[2]

Fysik och andra vetenskaper[redigera | redigera wikitext]

Fysikens resultat kommer till användning inom alla andra 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.^[3] Fysiken kan ibland vara den elementära vetenskapen, eftersom alla andra naturvetenskaper exempelvis kemi, biologi och geovetenskap behandlar system som lyder under fysikens lagar. Kemin, till exempel, behandlar molekyler och ämnena som bildas. De atomer och molekyler som ämnet innehåller avgör egenskaperna hos ämnet. Det beskrivs som kvantmekanik, elektromagnetism och termodynamik. Att försöka använda fysikaliska beskrivningar för att beskriva kemiska reaktioner vore en omväg men i princip skulle det gå att härleda från fysiken.

Fysik är beroende av matematiken och alla fysikaliska lagar beskrivs som matematiska formler. Matematiken ger ett ramverk som kan användas för att uttrycka fysikens teorier och ge kvantitativa förutsägelser.

En skillnad mellan fysik och matematik är dock att fysiken syftar till att beskriva hur naturen fungerar, medan matematiken beskriver abstrakta strukturer som inte behöver ha någon fysikalisk tillämpning. Gränsen är suddig men samtidigt hjälps matematiken och fysiken åts för nya tillämpningar och förståelsen av nya upptäckter. Det finns även ett forskningsfält matematisk fysik som syftar till att utveckla matematiska strukturer hos fysikaliska teorier.

Fysik står även nära ett flertal ingenjörsvetenskaper, där bland annat elektroteknik behandlar tillämpningar av elektromagnetismen och statik. I brobygge används en underdisciplin av mekaniken 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.^[4] 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.

• Den klassiska mekaniken är fysikens beskrivning hur olika makroskopiska objekt förhåller sig till och växelverkar med varandra, vid hastigheter långt under ljushastigheten. Varje fysiskt objekt har ett antal mätbara egenskaper som position, hastighet och massa. Ur dessa kan man sedan härleda andra storheter som energi och rörelsemängd. Newtons rörelselagar utgör fundamentet för hela området. Hållfasthetslära och strömningsmekanik är viktiga underdiscipliner.

• Klassisk elektrodynamik är en teori som beskriver elektromagnetismen, en av universums fundamentala krafter, som förenar elektriska och magnetiska fenomen till en sammanhängande teori som beskrivs av Maxwells ekvationer. Den förmedlas av fotoner och växelverkar med alla laddade partiklar. Den elektromagnetiska kraften är ansvarig för i princip alla fenomen i vår vardag förutom gravitationen. Centrala begrepp är elektrisk laddning, ström, spänning och elektromagnetiska fält.

• Termodynamiken är läran om energi, hur denna omvandlas, och hur man kan utvinna arbete. Även värme spelar stor roll. Entropi, temperatur och tryck är centrala införda storheter. Termodynamiken utgår från system i jämvikt. Den empiriska grunden är termodynamikens huvudsatser.

• 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.

• Relativitetsteori, eller mer specifikt de speciella och allmänna relativitetsteorierna grundar sig på att ljushastigheten är konstant för alla observatörer respektive att acceleration och gravitation är ekvivalenta, vilket leder till att den klassiska mekanikens fundamentala begrepp som massa och rörelsemängd, tid och rum måste ges nya definitioner, samt att energi och massa är ekvivalenta.

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.

• Astrofysiken studerar hur astronomiska objekt beter sig. Detta inbegriper fenomen som stjärnor och planeter, svarta hål och neutronstjärnor, supernovor och galaxer. En viktig underdisciplin är kosmologin, som befattar sig med universum som helhets historia och framtid.

• Den Kondenserade materiens fysik behandlar egenskaper av olika material, där ett stort antal atomer som är starkt bundna till varandra. I underområdet fasta tillståndets fysik gäller det till exempel metaller, magneter och halvledare, men även mer exotiska materieformer som Bose-Einstein-kondensat.

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

• Den subatomära fysiken studerar objekt mindre än atomer – från atomkärnor och nedåt. Den är väsentligen uppdelad på två områden: partikelfysiken, som studerar elementarpartiklar och de subatomära partiklar dessa bygger upp, och kärnfysiken, som studerar atomkärnor som byggs upp av protoner och neutroner. Vissa begrepp är relevanta för båda underdisciplinerna, som stark och svag växelverkan.

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]

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^[5]. 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.^[5] 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]

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.^[4]

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 går det att studera fysik via civilingenjörsprogrammet teknisk fysik eller via kandidat- och mastersprogram.

Se även[redigera | redigera wikitext]

• Kimmi1/sandlåda/Fysik på Wikibooks.
  Böcker
• Kända fysiker
• Nobelpriset i fysik

Vidare läsning[redigera | redigera wikitext]

Populärvetenskap[redigera | redigera wikitext]

• Bodanis, David (2000). E=mc²: Historien om världens mest kända ekvation. Stockholm: Norstedts förlag. ISBN 91-7263-326-3 

Böcker om fysik[redigera | redigera wikitext]

• Bengtsson, Hans-Uno (1995). Bengtsson om klassisk fysik. ISBN 91-40-62020-4 
• Feynman, Richard; Leighton, Robert; Sands, Matthew (1989). Feynman Lectures on Physics. Addison-Wesley. ISBN 0-201-51003-0 

Källor[redigera | redigera wikitext]

Kategori:Wikipedia:Basartiklar