Natuurkunde

De natuurkunde of fysica is van oorsprong de wetenschap die alle verschijnselen in de levenloze natuur onderzoekt waarbij geen scheikundige veranderingen optreden. Het omvat onderzoek van algemene eigenschappen van materie, evenwicht en beweging, straling, warmte, licht, magnetisme, elektriciteit en de bouw van materie tot op de kleinste schalen. De natuurkunde concentreerde zich oorspronkelijk op de niet-levende natuur. De levende natuur wordt bestudeerd door de biologie. Overigens bestaan bijvoorbeeld ook biofysica, de natuurkunde van organismen, en fysische chemie. Methoden en technieken uit de natuurkunde bleken verder op vele andere wetenschapsgebieden toepasbaar te zijn.

Inhoud [verbergen]
1 Afbakening
2 Methode
3 Vakgebieden
4 Toepassingen
5 Zie ook
6 Externe links



[bewerk] Afbakening
De natuurkunde is een exacte wetenschap.

Natuurkundigen bestuderen het gedrag en de wisselwerking van materie en energie in ruimte en tijd. Het kan gaan om massa op macroscopische schaal, maar ook om bijvoorbeeld straling of individuele elementaire deeltjes en hun interacties. De natuurkundige bestudeert de eigenschappen van bijvoorbeeld de elementen en verbindingen, zoals faseovergangen, kristalstructuur, viscositeit en warmtegeleiding en probeert deze te verklaren.

Er zijn veel raakvlakken met de meeste andere exacte wetenschappen:

wiskunde. Dit is het belangrijkste instrument om een verklaring voor natuurkundige waarnemingen in een samenhangende theorie te gieten. De moderne natuurkundige kan daarom niet buiten wiskunde. Sommige deelgebieden van de natuurkunde zoals kosmologie en kwantummechanica hebben veel theorie nodig zodat de beoefenaars halve wiskundigen lijken. Hun theorieën zijn over het algemeen zeer ingewikkeld en leiden ook tot nieuwe inzichten in de zuivere wiskunde zelf. Ontdekkingen in de ene discipline kunnen grote gevolgen hebben voor de andere discipline.
scheikunde, waar gekeken wordt naar reacties tussen verschillende stoffen (fysische chemie).
biologie, die zich voornamelijk bezighoudt met de levende wezens (biofysica, bioinformatica).
aardwetenschappen (geofysica), dat zich bezighoudt met processen in het binnenste van de aarde.
sterrenkunde, die zich bezighoudt met verschijnselen buiten de aardse dampkring.
meteorologie en oceanografie, die zich bezighouden met verschijnselen in de atmosfeer en oceanen.
informatica. Dit gebied ontstond vanuit de natuurkunde en de wiskunde. Veel methoden in de informatica werden ontwikkeld voor natuurkundige problemen.
praktisch gerichte vakgebieden zoals de werktuigbouwkunde. De technische natuurkunde richt zich op toepassingen.

[bewerk] Methode
De natuurkunde gebruikt de wetenschappelijke methode. Met hypotheses, experimenten, waarnemingen en metingen probeert de natuurkundige verborgen patronen te achterhalen. Deze worden samengevat in een natuurkundige theorie met wiskundige formules. Hiermee kan men verschijnselen en hun eigenschappen voorspellen. Deze voorspellingen worden gecontroleerd met experimenten en metingen. Als de voorspellingen juist zijn, herhaalt het proces zich. Blijken de voorspellingen onjuist, dan wordt de theorie verworpen en een nieuwe theorie gezocht.

Zo is een natuurkundige theorie nooit de absolute waarheid, maar blijft ze altijd ondergeschikt aan de werkelijkheid, de waarnemingen. Natuurkundige theorieën die over langere tijd een belangrijke groep waarnemingen kunnen verklaren worden natuurwetten genoemd, bijvoorbeeld de wetten van Maxwell. Voor het doen van goede waarnemingen is een systeem van natuurkundige grootheden en eenheden ontwikkeld.


[bewerk] Vakgebieden
Oorspronkelijk was de natuurkunde een overzichtelijk vakgebied. Isaac Newton hield zich bezig met de zwaartekracht die een appel op de grond laat vallen. Maar ook bedacht hij dat diezelfde zwaartekracht zorgt voor de wederzijdse aantrekking van de aarde en de maan. Hij bestudeerde tegelijkertijd het licht en ontdekte dat wit licht in vele kleuren uiteenvalt als het door een prisma gebroken wordt. Ook werkte hij aan warmte en eigenschappen van vloeistoffen. Maar aan elektriciteit kwam hij niet meer toe.

Door het succes van Newton en zijn collega's is de natuurkunde steeds verder uitgebreid. Jaarlijks wordt er een Nobelprijs voor de Natuurkunde uitgereikt. Ondanks de specialisaties binnen de natuurkunde, is het dankzij de fundamentele wetten niet onmogelijk in meer gebieden te werken. In vele vakgebieden wordt fundamenteel onderzoek gedaan. Gebieden die klaar leken - bijvoorbeeld de optica - werden door nieuwe ontdekkingen - de laser - opgeschud. Vakgebieden binnen de natuurkunde zijn:

Vastestoffysica - de natuurkunde van de vaste stoffen. Dit vak kent weer vele deelgebieden zoals materiaalkunde, magnetisme en supergeleiding.
Kernfysica, ook wel Hoge energie fysica genoemd - de natuurkunde van de elementaire deeltjes waaruit een atoom en de atoomkern bestaat. Dat zijn niet alleen protonen, neutronen en elektronen, maar ook vele andere kleine deeltjes zoals het positron. Protonen en neutronen bestaan op hun beurt uit quarks. Sommige van die deeltjes leven zeer kort en hebben een korte halveringstijd. De kernfysica heeft onder andere geleid tot de uitvinding van de atoombom, maar ook tot de ontdekking van de Röntgenstraling.
Kwantummechanica - Het onderzoek naar de bijzondere eigenschappen van kleine deeltjes en hoe die elkaar beïnvloeden. De deeltjes blijken spin te bezitten en men maakt onderscheid tussen fermionen en bosonen, die door hun spin geheel andere eigenschappen hebben. Het vakgebied dat ontstond aan het begin van de 20e eeuw dankzij Max Planck, Albert Einstein en Niels Bohr is nog steeds volop in beweging.
Plasmafysica - waarin onder andere onderzoek wordt gedaan naar kernfusieprocessen zoals die in de zon optreden. Eén van de doelstellingen van een grote groep van onderzoekers in Plasmafysica is het bewerkstelligen van [[kernfusie] op Aarde, een milieuvriendelijke vorm van energieopwekking.
Snarentheorie en M-theorie - een nieuwe theorie die de vier krachten tracht te verklaren met een universele theorie.
Vloeistofmechanica en Aerodynamica - het onderzoek aan stroming van gassen en vloeistoffen, dat een grote rol speelt in ontwikkelingen in bijvoorbeeld de luchtvaart. Gebieden, waarvan nog lang niet alles bekend is, zijn onder andere turbulentie en wat er gebeurt bij supersonische snelheid.
Akoestiek - de studie van geluid.
Atoomfysica - de studie van de atomen, met name de manier waarop elektronen zich binnen het atoom gedragen. De atoomfysica ligt dicht aan tegen het vakgebied fysische chemie
Elektriciteitsleer - Studie van verschijnselen die te maken hebben met verplaatsing van elektrische lading, elektrische stroom, onder invloed van spanning door bijvoorbeeld een weerstand. Ook een begrip als zelfinductie komt uit de elektriciteitsleer (zie ook elektrotechniek, elektronica)
Mechanica en Dynamica - de studie van het gedrag van voorwerpen bij stilstand en in beweging en de rol van hun massa, snelheid, impuls en energie. Behoudswetten vereenvoudigen berekeningen. Onderdeel is bijvoorbeeld sterkteleer van materialen.
Metrologie Het met grote nauwkeurigheid vaststellen van natuurkundige constanten.
Optica - Het gedrag van licht als vorm van elektromagnetische straling, van fotonen die met de lichtsnelheid reizen en zich soms als een deeltje, maar soms ook als een golf gedragen. Instrumenten die in de optica worden gebruikt zijn de lens, het prisma, de tralie en de laser.
Thermodynamica - sterk verbonden met de fysische chemie doet onderzoek aan temperatuur en druk van gassen en vloeistoffen, maar ook bij fase overgangen, zoals het smelten van ijs naar water, waarbij smeltwarmte vrijkomt.
Medische fysica
Gebieden die gedeeld worden met verwante disciplines zijn:

Astrofysica, astronomie en kosmologie - de natuurkunde van de sterren en het heelal. Om astrofysisch onderzoek buiten de (hinderlijke) atmosfeer te doen wordt onder andere een enkele keer de Space Shuttle gebruikt. Meestal wordt een kunstmaan met waarnemingsinstrumenten in een omloopbaan om de aarde gebracht of naar een planeet of ander object in het zonnestelsel gestuurd. Een bekend voorbeeld is de Hubble Ruimtetelescoop die al veel nieuwe ontdekkingen heeft gedaan. Ook vanaf aarde wordt onderzoek gedaan naar de nabije sterren in de Melkweg, de objecten in ons zonnestelsel en zo meer. Verder gelegen objecten worden bijvoorbeeld onderzocht met een radiotelescoop. Een bloeiend vakgebied binnen de astrofysica is bijvoorbeeld de röntgenastronomie. Zo verkrijgen we steeds meer kennis over de ruimte om ons heen, die vol zit met bijzondere verschijnselen, zoals zwarte gaten, nevels en gaswolken. De relativiteitstheorie van Einstein wordt telkens weer door dit soort onderzoek bevestigd.
Geofysica - de studie van de natuurkundige verschijnselen die zich voordoen in de aarde, zowel in de aardkorst als in de aardmantel en aardkern.
Meteorologie - de studie aan de atmosfeer en de natuurkundige verschijnselen die zich daarin afspelen.

[bewerk] Toepassingen
De natuurkunde vindt toepassingen in vele exacte wetenschappen en ook in de techniek. Veel moderne apparatuur, zoals de laser en de op de transistor gebaseerde computer, zouden zonder de hedendaagse natuurkunde niet mogelijk zijn.