Physik

(griechisch)

Wissenschaft von den Vorgängen in der unbelebten Natur. Die Physik befasst sich mit grundlegenden Naturvorgängen. In früheren Zeiten untersuchte sie die Zustandsformen der Materie, ihre Eigenschaften, ihre Strahlung, Struktur und Bewegung sowie die Kräfte und Wechselwirkungen, die diese Bewegung hervorrufen. Heute versucht man unter anderem herauszufinden, wie alle bekannten Kraftarten durch eine einzige Theorie beschrieben werden können.

Einteilung

Die Physik, die sich in erster Linie mehr auf das Quantitative konzentriert, auf das, was sich mathematisch ausdrücken lässt, lässt sich methodisch in experimentelle und theoretische Physik gliedern: Aus Daten, die durch exakte Beobachtung und Messung gewonnen werden, können physikalische Gesetze formuliert und grundlegende physikalische Theorien aufgestellt werden.

Die historische Gliederung umfasst die Naturphilosophie (antikes Griechenland), die klassische Physik und die moderne Physik.

Die Gebiete der klassischen Physik sind Mechanik (Kräftelehre), Akustik (Lehre vom Schall), Thermodynamik (Wärmelehre), Elektrodynamik (Wechselwirkung von Ladungen) und Optik (Lehre vom Licht).

Die moderne Physik gliedert sich in Relativitätstheorie, Quantentheorie (mit den Untergebieten Quantenmechanik und Quantenfeldtheorie), Kosmologie und Astrophysik. Man unterscheidet heute auch Makrophysik und Mikrophysik.

Geschichte

Griechische Naturphilosophie

In der griechischen Philosophie wurde die Natur als lebendiges, sich ständig veränderndes Ganzes, als "Kosmos" dargestellt, und viele Grundbegriffe der Physik wurden erarbeitet. Seit dem 6. Jh. v.Chr. entwickelten die griechischen Naturphilosophen die Vorstellung von einem "Urstoff". Über die Beschaffenheit dieses Urstoffs gab es verschiedene Theorien: Thales von Milet sah das Wasser als Urstoff, Anaximander das "Unbegrenzte", Anaximenes die Luft, Empedokles Feuer, Erde, Wasser und Luft, Demokrit das Atom.

Von großer Bedeutung waren Aristoteles mit seinem Weltbild mit der Erde als Zentrum (geozentrisches Weltbild) und Erathostenes (Ausmessung der Erdkugel).

Wichtige Erkenntnisse auf dem Gebiet der Experimentalphysik stammen von Euklid (geometrische Optik), Archimedes (Hebelgesetze) und Ptolemäus (Optik und geozentrisches Weltbild).

Mittelalter und Neuzeit

Die Ideen der Griechen wurden hauptsächlich in Arabien bewahrt, während im Westen von den NeuplatonikernAugustinus und Thomas von Aquin eine Auslegung der aristotelischen Naturwissenschaft im Sinne der Bibel entwickelt wurde.

Neuen Auftrieb bekam die Physik ab dem 16. Jahrhundert mit der Entwicklung des heliozentrischen Weltbildes durch Nikolaus Kopernikus. Die Anfänge der modernen Physik sind vor allem mit vier Namen verbunden: Johannes Kepler (Planetenbahnen), Galileo Galilei (Trägheit, freier Fall) und Isaac Newton (Planetenbewegungen, Statik und Dynamik, Gravitationsgesetz, Licht als Teilchen) und C. Huygens (Licht als Welle).

Das 18. Jahrhundert brachte mit Bernoulli, Euler und Lagrange vor allem Fortschritte in der theoretischen Mechanik.

Mit der Entwicklung des Thermometers wurde ein objektives Verfahren zur Temperaturbestimmung möglich: Fahrenheit, Réaumur und Celsius entwickelten die Wärmelehre. Damit war auch die Formulierung des Energieerhaltungssatzes durch Julius von Mayer u.a. möglich: Wärme ist eine Energieform - sie lässt sich z.B. in mechanische Energie umwandeln und umgekehrt.

Die Elektrizitätslehre bauten im 19. Jahrhundert vor allem A. Volta (galvanische Stromerzeugung), Ampère (Elektrodynamik) und Faraday (Induktionswirkung elektrischer Ströme und Magneten) aus. Neue Entdeckungen gab es auch zur Wellentheorie des Lichts (Th. Young, A. Fresnel) und zur Elektrodynamik (J.C. Maxwell). Maxwell und L. Boltzmann entwickelten die kinetische Gastheorie.

20. Jahrhundert

Die Erkenntnis, dass Materie und Elektrizität eine atomare Struktur besitzen, führte Anfang des 20. Jahrhunderts mit der Quantenhypothese von Max Planck zur Quantentheorie.

Mit der Entdeckung der Röntgenstrahlen (W. Röntgen) und der Radioaktivität (A.H. Becquerel, M. Curie, E. Rutherford) gelang der Einstieg in die Mikrophysik: 1913 entwickelte N. Bohr sein Modell zum Atom-Aufbau. Wichtige Beiträge zur Quanten- und Wellenmechanik lieferten W. Heisenberg, E. Schrödinger, M. Born und E. P. Jordan. Bahnbrechend für ein neues Weltbild war Albert Einsteins Relativitätstheorie, die eine Theorie der Raum-Zeit-Struktur und der Gravitation aufstellte und das Untersuchungsgebiet der Mechanik auf bewegte Bezugssysteme und Geschwindigkeiten bis hin zur Lichtgeschwindigkeit als höchste Grenzgeschwindigkeit erweiterte. So ergibt sich z.B. in der Mechanik, dass die Masse bewegter Körper mit wachsender Geschwindigkeit zunimmt. Sie wächst gegen unendlich, wenn sich die Masse der Lichtgeschwindigkeit nähert. Somit kann keine Masse schneller als die Lichtgeschwindigkeit sein.

Ab 1930 erlebte die Experimentalphysik in der Atom- und Kernpysik einen Aufschwung durch die Arbeiten von O. Hahn und L. Meitner, die die erste Uranspaltung bewirkten. Damit war der Weg frei zur Gewinnung von Kernenergie, aber auch zur Herstellung der Atombombe.

In den letzten Jahrzehnten wurden vor allem große Fortschritte auf dem Gebiet der Elementarteilchenphysik gemacht. Ungelöst ist aber bis heute die Frage, wie Quantentheorie und Relativitätstheorie zu vereinen sind und wie sich die Gravitation in die Gruppe der anderen Kraftfelder (elektromagnetisches und Kernkraftfeld) einordnen lässt. Auch ist bis heute noch nicht geklärt, wie die Wechselwirkung der Kernbausteine genau aussieht. Da man immer weitere neue Elementarteilchen entdeckt, gilt es auch immer wieder neue Naturgesetze dahinter zu erforschen.

Neue Schwerpunkte der modernen Physik sind in enger Verbindung mit Technik, Mathematik und Informatik entstanden: Halbleiter- und Festkörperphysik, Laser- und Plasmaphysik. Auch helfen physikalische Methoden bei der Erforschung biologischer Systeme, so dass sich beide Naturwissenschaften immer mehr annähern.