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Physik

 

[mittelhochdeutsch fisike, über lateinisch physica »Naturlehre« von griechisch physike̅́ (theōría) »Naturforschung«] die, -, die Wissenschaft von solchen Naturvorgängen, die experimenteller Erforschung, messender Erfassung und mathematischer Darstellung zugänglich sind und allgemein gültigen Gesetzen unterliegen. Insbesondere untersucht die Physik die Erscheinungs- und Zustandsformen der unbelebten und der belebten Materie, ihre Struktur, Eigenschaften und Bewegung (Veränderung) sowie die diese hervorrufenden Kräfte und Wechselwirkungen.

 

Physik als Grenzwissenschaft:

 

Als grundlegende, empirische Wissenschaft ist die Physik hinsichtlich ihrer Vorgehensweisen und Methodik beispielgebend; die Anwendung ihrer Grundbegriffe, Theorien und Methoden auf angrenzende Wissenschaften hat zu wichtigen Spezialgebieten geführt. Innerhalb des weiteren Rahmens der exakten Naturwissenschaften nimmt die Physik die zentrale Stellung ein, weil die physikalischen Gesetzmäßigkeiten auch die Grundlage zum Verständnis der in anderen Naturwissenschaften beobachteten Naturvorgänge bilden. So sind im Prinzip die Gesetze der Chemie aus den quantentheoretischen Gesetzen der Atomphysik mathematisch herleitbar; das Grenzgebiet der physikalischen Chemie nimmt hier eine vermittelnde Stellung ein. Auch die Grenzen zwischen Physik und Biologie verschwimmen in dem Maß, in dem physikalische Methoden auf die komplexen biologischen Systeme anwendbar werden (Biophysik). Physik und Astronomie sind durch Astrophysik und Kosmologie miteinander verknüpft. Die Geophysik stellt die Verbindung zwischen Physik und den Geowissenschaften her. Enge Wechselbeziehungen bestehen auch zwischen Physik und Mathematik, da einerseits viele abstrakte mathematische Strukturen historisch aus physikalischen Problemstellungen erwachsen sind, andererseits bereits entwickelte mathematische Strukturen häufig in der physikalischen Forschung zur modellmäßigen Beschreibung real existierender Gegebenheiten verwendet werden können.

 

Aufgaben der Physik:

 

Die wesentliche Aufgabe der Physik besteht darin, die Fülle der von ihr untersuchten Naturerscheinungen und -vorgänge (physikalische Phänomene) zu erfassen, zu beschreiben und zu erklären. Dieses Ziel hat sie im Laufe einer jahrhundertelangen Entwicklung verfolgt, indem sie (ausgehend von einem vorwissenschaftlichen Erfahrungswissen) Begriffe bildete, mit denen sich, nach ihrer durch Messvorschriften erreichten Präzisierung als physikalische Größen, die physikalischen Naturvorgänge beschreiben und deuten lassen. Bei ihrem Vorgehen bildete die Physik stets eine Einheit von Theorie und Experiment, Hypothese und Verifikation beziehungsweise Falsifikation. Hierin liegt die enge Berührung zwischen theoretischer und experimenteller Physik; aus den durch Beobachtung und Messung (physikalische Experimente) gewonnenen Daten werden die funktionalen Beziehungen zwischen den untersuchten physikalischen Größen abstrahiert und als physikalische Gesetze formuliert beziehungsweise zu grundlegenden physikalischen Theorien verallgemeinert. - Eine wichtige Rolle im physikalischen Erkenntnisprozess spielen Modellvorstellungen (physikalische Modelle), da zahlreiche physikalische Objekte und Erscheinungen nicht unmittelbar sinnlich erfassbar und auch nicht anschaulich vorstellbar sind. Obwohl Modelle oft nur unter gewissen Aspekten der Wirklichkeit entsprechen, sind sie von heuristischem Wert für die Interpretation von Messergebnissen und für das Gewinnen neuer Erkenntnis. Die Gesamtheit der in den verschiedenen Bereichen der Physik entwickelten Modelle und Theorien sowie der daraus resultierenden Erkenntnisse bezeichnet man als physikalisches Weltbild.

 

Klassifizierung der Physik:

 

Das Gesamtgebiet der Physik wird nach verschiedenen historischen oder sachlichen Gesichtspunkten in klassische und moderne Physik, Kontinuums- und Quantenphysik oder Makro- und Mikrophysik unterteilt, wobei sich die Begriffe zum Teil überschneiden. Unter der Bezeichnung klassische Physik fasst man die bis etwa zum Ende des 19. Jahrhunderts untersuchten Erscheinungen und Vorgänge zusammen, die anschaulich in Raum und Zeit beschreibbar sind und für die bis dahin abgeschlossene Theoriengebäude vorlagen. Kennzeichnend für das Gebiet der klassischen Physik ist, dass der Einfluss des Messvorgangs auf die Messobjekte und damit auf die Messresultate vernachlässigt oder kompensiert werden kann. Teilbereiche der klassischen Physik sind nach herkömmlicher, zum Teil den Sinneswahrnehmungen angepasster Einteilung: die klassische Mechanik, die Akustik, die Thermodynamik, die Elektrodynamik als Lehre von der Elektrizität und vom Magnetismus sowie die Optik. Dabei führte die Anwendung der Mechanik auf verformbare kontinuierliche Medien zur Entwicklung der Kontinuumsmechanik mit ihren zahlreichen Untergebieten. Die auf die Bewegung kleinster Teilchen der Materie rückführbaren Erscheinungen können ebenfalls aus den Gesetzen der Mechanik hergeleitet werden, unter Heranziehung statistischer Vorstellungen, die zuerst von der kinetischen Gastheorie und später von der statistischen Mechanik entwickelt wurden. Die Mechanik nichtlinearer Systeme gibt auch Erklärungen zum deterministischen Chaos (Chaostheorie) und zu Prozessen der Selbstorganisation und macht damit die Evolution in natürlichen Systemen verständlich. Zahlreiche Probleme der klassischen Optik sind mit der Elektrodynamik behandelbar. Ausgehend vom Kraftbegriff und den zur Charakterisierung kontinuierlichen Medien entwickelten Begriffsbildungen hat die klassische Physik auch den Begriff des Feldes, insbesondere den des elektromagnetischen Feldes als einer selbstständigen physikalischen Realität, entwickelt und zum Gegenstand einer allgemeinen Feldtheorie gemacht, in der beliebige räumlich kontinuierliche Erscheinungen der klassischen Physik behandelt werden können. Mit der klassischen Elektronentheorie wurde eine Kombination der Mechanik und der Elektrodynamik geschaffen, deren Ausbau v. a. zu einem vertieften Verständnis der elektrischen, magnetischen und optischen Erscheinungen führte.

 

Während die klassische Physik durch Anschaulichkeit und Stetigkeit in der Beschreibung des Naturgeschehens gekennzeichnet ist und im Allgemeinen nur eine phänomenologische Beschreibung der Materie und ihrer Eigenschaften liefert, umfasst die sich seit Beginn des 20. Jahrhunderts entwickelnde moderne Physik v. a. die nicht mehr anschaulich in Raum und Zeit beschreibbaren und unstetig verlaufenden Naturerscheinungen und -vorgänge der Mikrophysik. Die von ihr untersuchten mikrophysikalischen Systeme sind nur im Rahmen der Quantentheorie und auf ihr basierender Theorien beschreibbar. Die Beschreibung atomarer Teilchen und aus ihnen bestehender Systeme erfolgt dabei weitgehend mit den Mitteln der Quantenmechanik, die für gewisse Grenzfälle in die klassischen Mechanik übergeht. Eine entsprechende Beschreibung von gekoppelten Feldern, die sich den verschiedenen Elementarteilchen zuordnen lassen, ermöglicht die Quantenfeldtheorie, wobei speziell die Quantenelektrodynamik und die Quantenoptik die durch die Kopplung von geladenen Teilchen an elektromagnetischen Felder auftretenden Erscheinungen und Vorgänge wiedergeben. Ein grundlegender Teilbereich der modernen Physik ist die Atomphysik, deren Untersuchungsobjekt im engeren Sinn der Bau der Atome und deren Wechselwirkung mit dem Strahlungsfeld ist, im weiteren Sinn auch die Wechselwirkung der Atome untereinander und die darauf beruhende Bildung von Molekülen und makroskopischen Körpern in Form kondensierter Materie; deren feste Phase wird von der Festkörperphysik untersucht und beschrieben. Die hierbei verwendeten formalen Theorien sind die Quantenmechanik, für größere Genauigkeit deren relativistische Fassung, und die Quantenelektrodynamik. Zu einer weitgehend eigenständigen Disziplin hat sich die Kernphysik entwickelt, die Bau und Eigenschaften der Atomkerne und ihrer Bausteine untersucht und für die Zwecke der Kernenergie verbreitet Anwendung findet. Gegenstand der Teilchenphysik ist die Untersuchung der Eigenschaften der Elementarteilchen sowie deren Erzeugung (Hochenergiephysik).

 

Eine gewisse Sonderstellung nimmt die Relativitätstheorie ein. Sie gilt einerseits als Vollendung und Krönung der klassischen Mechanik (spezielle Relativitätstheorie) sowie der newtonschen Theorie der Gravitation (allgemeine Relativitätstheorie) und wird insoweit der klassische Physik zugerechnet. Andererseits war die ihr vorausgehende Erkenntniskritik (v. a. Untersuchung des Begriffs der Gleichzeitigkeit in zwei gegeneinander bewegten Inertialsystemen und Gleichsetzung von Gravitation und Geometrie) so fundamental und neuartig, dass gerade in der Relativitätstheorie, zusammen mit der Quantentheorie, ein Markstein für den Beginn der modernen Physik gesehen wird.

 

Die Physik stellt gemeinsam mit der Chemie auch eine wichtige Grundlage für die Technik und zahlreiche Technologien dar, wobei sich viele Bereiche als selbstständige Wissenschaftsdisziplinen etabliert haben, wie z. B. Elektrotechnik, Nachrichtentechnik und die Werkstoffwissenschaften. Für die Mikrotechnik und die Nanotechnologie sowie für das Verständnis mesoskopischer Systeme werden dabei zunehmend die Erkenntnisse der Quantentheorie wichtig.

 

Physik im Alltag:

 

In der Umwelt, bei Lebensvorgängen von Pflanzen, Tieren und Menschen sowie in der Technik beobachten wir naturwissenschaftliche Phänomene, von denen die meisten auf physikalische Gesetzmäßigkeiten zurückgehen. Einige Erscheinungen des Alltagslebens, die unmittelbar auf physikalischen Gesetzen beruhen, sollen die Vielfalt und zentrale Stellung dieser lebendigen Wissenschaft verdeutlichen.

 

Täglich werden wir mit den Witterungserscheinungen in der Atmosphäre konfrontiert, die primär durch die Energiezufuhr von der Sonne verursacht werden und durch die Gesetze der Thermodynamik und der Strömungsmechanik beschreibbar sind. Da die Sonnenstrahlung überwiegend im Boden absorbiert wird, ist die Atmosphäre ein von unten geheiztes Gasgemisch, in dem Wasser je nach Temperatur als Wasserdampf, flüssig oder als Schnee beziehungsweise Eis in den Wolken oder an der Erdoberfläche vorliegen kann. Temperaturunterschiede sind die Ursache für den globalen Kreislauf des Wassers sowie für die Windsysteme und die Meeresströmungen, die auf der rotierenden Erde durch die Schwerkraft, die Corioliskraft sowie die Anziehungskräfte von Mond und Sonne beeinflusst werden. - Die Atmosphäre als komplexes dynamisches System fernab vom Gleichgewicht zeigt deterministisches Chaos mit Selbstorganisation, was sich z. B. in Hoch- und Tiefdruckwirbeln und Wolkenformationen äußert. - Luft- und Wasserbewegungen sowie die Phasenumwandlungen des Wassers (Schmelzen und Gefrieren) beschleunigen die Verwitterung, die zusammen mit chemischen Prozessen Erosion, Sedimentation und Bodenbildung bewirkt und damit Landschaften formt. - Visuelle optische Erscheinungen in der Atmosphäre haben ihre Ursache in der Lichtbrechung und Reflexion in Wassertröpfchen (einfacher und doppelter Regenbogen, »Heiligenschein« um den Schatten des eigenen Kopfs bei tiefstehender Sonne), Reflexionen an Luftschichten unterschiedlicher Dichte (Luftspieglungen, Fata Morgana) sowie Beugung und Lichtstreuung (Morgen- und Abendrot, Haloerscheinungen um Sonne und Mond, Strahlenkränze im Gegenlicht). Polarlichter sind Begleiterscheinungen geomagnetischer Stürme, die durch das Eindringen des Sonnenwindes (energiereiche geladene Teilchen aus der Sonnenkorona) verursacht werden. - Gewitter sind die Folge der Trennung elektrischer Ladungen bei thermodynamischen Prozessen der Wolkenbildung.

 

Pflanzen

 

bewältigen den größten Produktionsprozess auf der Erde, die Speicherung der Strahlungsenergie der Sonne in ihrer Biomasse. Der dafür erforderliche Wassertransport wird durch Kapillarkräfte und den osmotischen Druck bewirkt, die Energiespeicherung durch den inneren lichtelektrischen Effekt in Biopolymeren (Chlorophyll) in den Chloroplasten der Zellen initiert.

 

Bei Tieren und Menschen werden das Bewegungsverhalten, der Blutkreislauf, die Atmung und die Sinnesleistungen durch physikalische Gesetze bestimmt. - Bereits Kleinkinder verinnerlichen unbewusst physikalische Gesetzmäßigkeiten über Gleichgewicht und Bewegungsabläufe. Körpereigene Kräfte, Trägheits- und Reibungskräfte und die damit verbundenen Drehmomente ermöglichen bei bewusster oder unbewusster Nutzung der Erhaltungssätze für Energie, Impuls und Drehimpuls das Gehen, Laufen, Springen, Werfen, Rad fahren bis hin zu kompliziertesten Bewegungsformen beim Klettern, Wasserspringen, Ski- und Eislaufen, Kampfsport und Artistik. - Die Gesetze der Hydrodynamik bestimmen jede Art von Fortbewegung im Wasser, seien es Mikroorganismen, Fische, Menschen oder Wasserfahrzeuge, die der Aerodynamik die Fortbewegung von Mikroorganismen, Insekten, Vögeln, Ballonen und Flugzeugen in der Luft. - Die Kommunikation von Menschen untereinander und mit der Umwelt erfolgt über physikalische und chemische Wechselwirkungen. Physikalisch dominiert sind Fühlen, Hören, Sehen und Sprechen, chemisch bedingt Riechen und Schmecken. Die Signalaufnahme durch die Sinnesorgane erfolgt beim Fühlen und Hören durch mechanische Vorgänge, entweder durch direkte Berührung oder durch mechanische Wellen- beziehungsweise Druckschwankungen in der Luft. - Der Primärprozess des Sehens ist quantenphysikalisch bedingt: Nach der Lichtbrechung in der Augenlinse erfolgt eine resonante (farbspezifische) Wechselwirkung von Lichtquanten mit lichtempfindlichen Proteinmolekülen in der Retina des Auges. Diese Wechselwirkung ist dem inneren lichtelektrischen Effekt sehr ähnlich, der der technischen Bildaufnahme sowohl in klassischen fotografischen Schichten als auch in modernen Bildaufnahmegeräten (Fernsehkameras, CCD-Kameras) zugrunde liegt. - Die Weiterleitung der von den Sinnesorganen empfangenen Informationen und die Verarbeitung im Gehirn erfolgen einheitlich für alle Sinne auf elektrischem Wege, wie sich zweifelsfrei aus der Messung von elektrischen Potenzialen mittels Elektroenzephalogie (EEG) und Gehirnströmen über die begleitenden Magnetfelder (Magnetoenzephalogie) ergibt. Sprechen und Singen sind ebenso physikalisch bedingt wie die Klangerzeugung in Musikinstrumenten aller Art: Mechanische Schwingungen passender Frequenzen von Luftsäulen beziehungsweise Festkörpern im Zusammenhang mit Resonanzerscheinungen verursachen die akustischen Wellen.

 

Eine Vielzahl von Spielzeugen und Sportgeräten beruht auf zum Teil komplexen physikalischen Vorgängen. Mechanische Gesetzmäßigkeiten bestimmen die Bewegung von federgetriebenen Springtieren und Kreiseln aller Art ebenso wie die von Luftballons und Seifenblasen; sie ermöglichen das Jojo-Spiel, Radfahren und Drachensteigen, Ballonfahren und Fallschirmspringen, Segeln und Surfen, Schaukeln und Achterbahnfahren sowie das Schießen mit Blasrohren, Pfeil und Bogen, Feuerwaffen und Raketen. - Lichtmühlen (Radiometer) drehen sich nicht infolge des Lichtdrucks, sondern infolge winziger Unterschiede in der Stoßkraft von Molekülen, die an unterschiedlich warmen Oberflächen reflektiert werden. - Supraleitende Magnete ermöglichen das Schweben von Gegenständen, z. B. Kugelschreibern. Reflexion, Beugung und Interferenz an mikrostrukturierten Oberflächen und dünnen Schichten führen zu eindrucksvollen Farbeffekten, seien es Ölflecke auf Wasser, Schmetterlingsflügel oder Vogelfedern, CDs bei schrägem Lichteinfall oder glitzernde Sticker. Schließlich dienen Hologramme nicht nur dem Kopierschutz von ec-Karten, Geldscheinen u. a. Dokumenten, sondern ermöglichen auch beeindruckende dreidimensionale visuelle Kunstwerke.

 

Literatur:

 

Lehrbücher:

 

A. Sommerfeld: Vorlesungen über theoret. P., 6 Bde. (Leipzig ^3-81964-70, Nachdr. 1977-78);

 F. Hund: Grundbegriffe der P., 2 Bde. (²1979);

 

Berkeley-P.-Kurs, 6 Bde. (a. d. Engl., ^2-41980-89);

 

Lb. der Experimental-P., begr. v. L. Bergmann u. C. Schäfer, 8 Bde. (^1-101987-97);

 G. Joos: Lb. der theoret. P. (¹⁵1989);

 R. P. Feynman u. a.: Vorlesungen über P., 3 Bde. (Neuausg. ^2-31991-97);

 L. D. Landau u. E. M. Lifschitz: Lb. der theoret. P., 10 Bde. (a. d. Russ., Neuausg. ^2-141991-97);

 E. Schmutzer: Grundl. der theoret. P., 4 Bde. (²1991);

 C. Gerthsen u. a.: P. Ein Lb. zum Gebrauch neben Vorlesungen (¹⁷1993);

 P. A. Tipler: P. (a. d. Amerikan., 1994; Nachdr. 2000);

 F. Kohlrausch: Prakt. P., 3 Bde. (²⁴1996);

 M. Alonso u. E. J. Finn: P. (a. d. Engl., ³2000);

 H. Hänsel u. W. Neumannr: P., 4 Bde.(Studienausgabe 2000);

 H. A. Stuart u. G. Klages: Kurzes Lb. der P. (¹⁶2000);

 

Taschenbuch der P., hg. v. H. Stöcker (Thun ⁴2000; mit CD-ROM).

 Nachschlagewerke:

 

Hb. der P., hg. v. S. Flügge, 54 Bde. in 77 Tlen. u. Reg.-Bd. (1955-88);

 

Encyclopaedic dictionary of physics, hg. v. J. Thewlis, 9 Bde. u. 5 Suppl.-Bde. (Oxford 1961-75);

 

Lex. der Schul-P., hg. v. O. Höfling, 8 Bde. (1978);

 

Encyclopedia of physics, hg. v. R. G. Lerner u. a. (New York ²1991);

 

McGraw-Hill encyclopedia of physics, hg. v. S. P. Parker (New York ²1993);

 

Schüler-Duden Die P., neu bearb. v. K. Bethge (³1995).

 Philosophie u. Geschichte:

 

I. Newton: Mathemat. Prinzipien der Naturlehre (a. d. Engl., 1872, Nachdr. 1963);

 E. Hoppe: Gesch. der P. (1926, Nachdr. 1965);

 A. S. Eddington: Das Weltbild der P. u. ein Versuch seiner philosoph. Deutung (a. d. Engl., 1931);

 E. Mach: Die Mechanik in ihrer Entwicklung (⁹1933, Nachdr. 1991);

 E. T. Whittaker: Von Euklid zu Eddington. Zur Entwicklung unseres modernen physikal. Weltbildes (a. d. Engl., Wien 1952);

 W. Pauli: Aufsätze u. Vorträge über P. u. Erkenntnistheorie (1961, Nachdr. 1984);

 G. Gamow: Biogr. der P. Forscher, Ideen, Experimente (a. d. Amerikan., 1965);

 B. Kanitscheider: Philosophie u. moderne P. (1979);

 

Grundlagenprobleme der modernen P., hg. v. J. Nitsch u. a. (1981);

 B. G. Kuznecov: Philosophie, Mathematik, P. Eine Gesch. der Philosophie für Physiker u. Mathematiker (a. d. Russ., Berlin-Ost 1981);

 A. Hermann: Lex. Gesch. der P. A-Z (³1987);

 

P. u. Philosophie, Beitrr. v. W. Heisenberg u. a. (⁵1990);

 I. Prigogine: Vom Sein zum Werden. Zeit u. Komplexität in der Naturwiss. (a. d. Engl., ⁶1992);

 A. Einstein: Mein Weltbild (Neuausg. ²⁵1993);

 C. F. von Weizsäcker: Aufbau der P. (Neuausg. ³1994);

 K. Simonyi: Kulturgesch. der P. Von den Anfängen bis 1990 (a. d. Ungar., ²1995);

 

Twentieth century physics, hg. v. L. M. Brown u. a., 3 Bde. (Bristol, Conn., 1995);

 R. P. Feynman: Vom Wesen physikal. Gesetze (a. d. Amerikan., Neuausg. 1996);

 E. Schrödinger: Was ist ein Naturgesetz? (⁵1997).

 

Weitere Literatur: Naturwissenschaften.

 

Hier finden Sie in Überblicksartikeln weiterführende Informationen:

 

Naturgesetze: Zusammenhänge des Naturgeschehens erkennen