Fysikk

Et av Otto von Guerickes forsøk med atmosfærisk trykk. Ved at man setter en sylinder i forbindelse med en hul, lufttom kule, trekkes et stempel ned av lufttrykket med stor kraft.

Av /NTB Scanpix ※.
Fysikk

Niels Bohr ved en av de tidlige syklotroner, fra 1930-årene.

Av /NTB Scanpix ※.

Arkimedes oppdager loven om oppdrift i væsker. Tresnitt fra 1500-tallet.

.
Lisens: fri

Speilteleskop, oppfunnet av Isaac Newton. Etter gammelt xylografi.

.
Lisens: fri

Hans Christian Ørsteds oppdagelse av elektrisitetens magnetiske virkning førte til utviklingen av flere elektriske apparater. Her en tidlig type morsenøkkel og mottaker.

.
Lisens: fri

Fysikk er en vitenskap som tar for seg hvordan universet er bygd opp og fungerer, på sitt mest grunnleggende. Fysikk beskriver hvordan prosesser i naturen drives av krefter som virker og av energi som overføres eller endrer form.

Faktaboks

Uttale
fysˈikk
Etymologi
av gresk fysis, 'natur'

Faget fysikk er i stadig utvikling, og det skapes hele tiden ny kunnskap gjennom forskning. Noen sentrale områder innen fysikk er mekanikk, termodynamikk, elektromagnetisme, kvantefysikk, kjernefysikk, elementærpartikkelfysikk og relativitetsteori.

Innen fysikken blir det utviklet vitenskapelige modeller og teorier for å beskrive prosesser og sammenhenger. Modellene som brukes i fysikk er ofte matematiske, og de skal beskrive naturen så enkelt som mulig og slik at de gjelder for et størst mulig område.

Fysikere jobber i en rekke ulike yrker og fagfelt, og fysikk brukes i mange områder i samfunnet. Noen eksempler er konstruksjon av veier og broer, diagnostisering og behandling av sykdom, utvikling og implementering av elektronikk, og i all energiproduksjon.

Avgrensning av faget

Fysikk grenser til en rekke fagområder, som kjemi, astronomi, geologi og meteorologi. Ofte ser man på fysikken som et fundament som disse fagområdene bygger på.

For eksempel kan kjemiske reaksjoner ofte forklares av elektriske krefter og energioverganger mellom atomer og molekyler. Innen astronomien studerer man universet ved å analysere de fysiske egenskapene til elektromagnetisk stråling fra objekter på himmelen, og i meteorologien modellerer man det komplekse klimasystemet ved å bruke fysikkens lover for hvordan gasser med ulik temperatur, sammensetning og energi beveger seg.

Inndeling i disipliner

Fysikk

Fysikk. Forskning i elementærpartikkelfysikk er av fundamental karakter, og spesielt ved CERN har det blitt gjort store oppdagelser innen fundamental partikkelfysikk. Bildet viser den første superledende magneten som blir plassert i akseleratortunnelen til The Large Hadron Collider, LHC, der protoner kolliderer med hverandre med ekstremt høye energier. Bildet er hentet fra papirleksikonet Store norske leksikon, utgitt 2005-2007.

Av /KF-arkiv ※.

To grunnleggende deler av fysikken er mekanikk og feltteori.

Fysikkens mål er å forstå alle naturfenomener ut fra fysikkens teorier og lover, eventuelt å finne frem til enda mer fundamentale prinsipper, for eksempel en enhetlig feltteori.

Klassisk inndeling

Aristoteles delte fysikken inn i mekanikk, akustikk, varmelære og optikk. I nyere tid har elektromagnetismen kommet til som en egen gren.

Mekanikken deles i statikk, læren om legemers likevekt, kinematikk, læren om bevegelse, og dynamikk, læren om krefter. Den matematiske teorien for faste legemers bevegelse kalles analytisk eller rasjonell mekanikk og omfatter også celest mekanikk (himmelmekanikk). Likevekt og bevegelser i fluider, det vil si væsker og gasser, behandles i fluidmekanikken, som deles i hydrostatikk og hydrodynamikk for væsker ogaerostatikk og aerodynamikk for gasser. Geostatikk og geodynamikk omhandler Jordens form og krefter og bevegelser som opptrer i Jorden.

Akustikken, læren om lyd, regnes nå som en del av mekanikken.

Varmelæren omfatter termodynamikk – sammenhengen mellom energi, arbeid og varme – og statistisk mekanikk.

Den delen av optikken som omfatter lysets forplantning, den geometriske optikkenbrytning, bøyning, interferens – regnes nå som en del av læren om elektromagnetisk stråling, altså av elektromagnetismen, mens den fysikalske optikken – læren om emisjon og absorpsjon av lys – er nær knyttet til atomfysikken.

Elektromagnetismen deles i elektrostatikk, magnetisme og elektrodynamikk, som knytter sammen elektriske og magnetiske fenomener.

Læren om atomer og molekyler ble gjennom hele 1800-tallet betraktet som en del av kjemien. På 1900-tallet, etter at man oppdaget at atomet ikke er udelelig, men satt sammen av elementærpartikler som beveger seg i overensstemmelse med grunnleggende fysiske lover, og videre oppdaget at alle forandringer i atomene og reaksjoner mellom dem skjer i samsvar med disse lovene, er det blitt vanlig å regne atomfysikk som et eget område av fysikken. Fenomener innen atomfysikken er i stor utstrekning kjennetegnet ved at de har kvantekarakter, og dette har ført til fellesbetegnelsen kvantefysikk for områder der kjennskap til eller studiet av atomære partikler er av betydning.

Ny inndeling

Utviklingen av fysikken på 1900-tallet har ført til at den klassiske inndelingen ikke lenger er hensiktsmessig når det gjelder de fysiske forskningsfeltene, men den beholdes fortsatt som en praktisk historisk og pedagogisk inndeling.

Nå deles fysikken systematisk inn i samsvar med de moderne forestillingene man har om materiens oppbygning fra enklere til stadig mer komplekse systemer.

En av kategoriene er elementærpartikkelfysikk, som tar for seg dannelse og desintegrasjon av elementærpartikler, spesielt av ustabile partikler og antipartikler og jakten etter den eller de fundamentale partiklene som all materie er dannet av. Elementærpartikkelfysikken utviklet seg som en egen disiplin av kjernefysikken i 1940-årene. Fagområdet er karakterisert ved en enorm utvikling både når det gjelder investeringer og resultater i form av nye opplysninger om materiens struktur.

I kjernefysikken behandles vekselvirkning mellom nukleoner (protoner og nøytroner), samt dannelsen av atomkjerner og reaksjoner mellom atomkjerner. Kjernefysikk regnes som grunnlagt av Ernest Rutherford, som i 1919 var den første til å studere kunstig frembrakte kjernereaksjoner. Det skjedde en gjennomgripende utvikling av kjernefysikken etter oppdagelsen av nøytronet i 1932.

I atomfysikken behandles elektronenes bevegelse og tilstander i atomet, samt emisjon og absorpsjon av elektromagnetisk stråling. Niels Bohrs modell av hydrogenatomet fra 1913 regnes som det historiske grunnlaget for moderne atomfysikk. Med grunnlag i atomfysikken bygges så de øvrige disiplinene innen fysikken opp.

Molekylarfysikk behandler tilsvarende fenomener i enkle og komplekse molekyler, og der brukes stort sett de samme metodene som i atomfysikk.

I faststoff-fysikk, gassers fysikk og plasmafysikken behandles fenomener som er knyttet til kollektive atom- eller elektronbevegelser eller skyldes samspillet mellom et stort antall partikler. Disse grenene av fysikken har gitt grunnlag for ny forståelse av en rekke stoffegenskaper, og de har hatt svært stor praktisk betydning.

Som et siste trinn i denne grupperingen regnes biofysikken, der man ved hjelp av fysiske metoder og fysiske lover søker å beskrive prosesser i store biologiske systemer.

Inndeling etter målemetoder

På tvers av denne inndelingen har man også en klassifikasjon av fysikk som er knyttet til hvilke tekniske eller matematiske metoder eller måleinstrumenter som benyttes innen forskjellige områder.

Ett slikt felt er høyenergifysikk, som viser til bruk av store akseleratorer eller energirike partikler i kosmisk stråling, og i praksis er ensbetydende med elementærpartikkelfysikk.

Lavtemperaturfysikk og kryogenikk karakteriseres dels ved bruk av instrumenter som frembringer eller måler lave temperaturer nær det absolutte nullpunkt, dels ved fenomener som superledning og superfluiditet, som er karakteristisk for slike temperaturer.

Elektronikk omfatter alle former for elektronbevegelse i faste stoffer, væsker, gasser og i vakuum.

De forskjellige former for diffraksjon (lys-, røntgen-, elektron-, nøytron- og ionediffraksjon) angir i likhet med spektroskopi (optisk, røntgen-, gamma-, partikkel-) metoder som anvendes i flere områder av fysikken fra kjerne- og atomfysikk til biofysikk.

Andre inndelinger

Av andre inndelinger kan nevnes inndelingen i eksperimentell og teoretisk fysikk.

  • I eksperimentell fysikk foretas systematiske og kontrollerbare målinger under bestemte forsøksbetingelser.
  • I teoretisk fysikk befatter man seg med matematiske metoder og anvendelse av disse for å forklare eller beskrive fenomener innen alle deler av fysikken.

Prinsipielt utgjør den eksperimentelle og den teoretiske fysikken en helhet og er betinget av et intimt samarbeid.

Tidligere arbeidet derfor de fleste fysikere både som teoretikere og eksperimentalfysikere, men stadig mer kompleks apparatur og vanskeligere matematiske metoder har ført til en arbeidsdeling og en tilsvarende inndeling av fysikken.

Man skiller iblant også mellom matematisk og teoretisk fysikk. Med matematisk fysikk forstår man da en ren formell behandling av teoriene, mens man i den teoretiske fysikken mer er opptatt av sammenhengen mellom teori og eksperimentelle resultater.

Den anvendte fysikken står som motstykke til fysisk grunnforskning idet hovedvekten legges på de områder som har praktisk teknisk og industriell anvendelse, for eksempel elektronikk, reaktorfysikk og materialvitenskap. Deler av den anvendte fysikken er skilt ut som egne tekniske disipliner: elektroteknikk, informasjonsteknologi, varme- og kjøleteknikk, teknisk hydrodynamikk og aerodynamikk og så videre. Disipliner som astrofysikk, kosmisk fysikk og geofysikk kan dels oppfattes som grener som i tidens løp har skilt seg ut fra den rene fysikken, og dels som aspekter av andre forskningsområder hvor man benytter fysiske metoder.

Spesielle fagområder

Blant de nye fagområdene som er oppstått, er de faste stoffers fysikk det området som har utviklet seg raskest. Undersøkelser av faste stoffers struktur kan føres tilbake til Max von Laues oppdagelse av røntgendiffraksjon i 1912 og Clinton Joseph Davissons og Lester Germers oppdagelse av elektrondiffraksjon i 1927, som også gav grunnlag for utviklingen av elektronmikroskopet. Senere er nøytrondiffraksjon kommet til og har vært av stor betydning blant annet ved undersøkelse av stoffers magnetiske egenskaper.

Etter utformingen av kvantemekanikken ble det interesse for å utnytte den for å forklare slike egenskaper som elektrisk og termisk ledningsevne, forplantning av lydbølger, lysutsendelse med mer. Påvisning av superkonduktivitet, gjort av Heike Kamerlingh Onnes i 1911, og superfluiditet, gjort av Piotr Kapitza i 1937, har fått sin forklaring ved hjelp av kvantemekanikken. Superkonduktivitet har også fått stor teknisk anvendelse i sterke magneter, og kryogenikk (frembringing av lave temperaturer) er blitt en egen teknisk vitenskapsgren.

Halvlederteknikk

Studiet av elektriske halvledere førte til konstruksjon av transistoren av John Bardeen, Walter Hauser Brattain og William Shockley i 1948, noe som var revolusjonerende for den elektroniske industrien og la grunnlaget for utviklingen av datamaskiner.

Utviklingen av elektroniske datamaskiner må regnes som et av de viktigste resultatene av fysisk forskning i vår tid. Samtidig er datamaskinen blitt fysikerens viktigste verktøy. Den anvendes innen alle deler av fysikken og på mange forskjellige måter: til konstruksjon av apparater og måleinstrumenter; til innsamling, lagring og analyse av data; til modellberegninger og til utvikling og etterprøving av fysiske teorier. Det er i høy grad de problemene og utfordringene fysikerne har stått overfor som har drevet utviklingen innen datateknologien fremover. Samtidig er det bruken av datamaskinen innen fysikk som har lagt grunnlaget for dens store anvendelse i samfunnet for øvrig.

Optikk var den første klassiske fysikkgrenen som ble eliminert, idet den ble betraktet som en del av elektrodynamikken. I de siste årene har den imidlertid igjen blitt betraktet som en selvstendig gren. Dette henger sammen med de spesielle fenomenene som knytter seg til at lyset har tydelige både partikkel- og bølgeegenskaper.

Elektromagnetisk stråling med lang bølgelengde fremstilles ved hjelp av elektriske svingekretser og kommer da som lange bølgetog. Kortbølget stråling oppstår ved kvantesprang i molekyler, atomer eller atomkjerner. Interferensfenomener som er betinget av lange bølgetog, lar seg da studere bare i begrenset omfang. I 1955 viste James Power Gordon, Herbert J. Zeiger og Charles Hard Townes at det ved stimulert emisjon fra molekyler kunne sendes ut lange bølgetog, såkalt koherent stråling, i mikrobølgeområdet. Oppfinnelsen ble kalt maser. I 1960 viste Theodore Harold Maiman at også lys kunne sendes ut på tilsvarende måte. Denne oppfinnelsen ble kalt laser. Både masere og spesielt lasere har fått stor teknisk anvendelse, blant annet ved informasjonsoverføring og i holografi.

Gass og væske

Gassers og væskers egenskaper er blitt gjenstand for ny utforskning i lys av kvantemekanikken. Som en ny forskningsgren er studiet av den såkalte fjerde aggregattilstanden, plasmaet, oppstått. I plasmafysikken studeres tilstandsegenskaper for gasser eller fluider av elektrisk ladede partikler. Dette er av betydning for forståelse av elektronbevegelse i elektriske ledere, for strømninger i flytende metaller under påvirkning av elektriske og magnetiske felter, for studier av ionosfæren og av termonukleære reaksjoner i laboratoriet og i stjernenes indre.

Astrofysikk

Også astrofysikken er sterkt preget av den nye utviklingen innen fysikken. Relativitetsteorien har gitt nytt grunnlag for forståelsen av universets utvikling og er også selv – på samme måte som Isaac Newtons mekanikk – blitt bekreftet av astronomiske studier. Stjernenes indre utvikling beskrives ved kjennskap til kjerne- og elementærpartikkelfysikk, moderne plasmafysikk og klassisk termodynamikk.

Statistisk fysikk

Denne grenen av fysikken ble opprinnelig utviklet for å beskrive termodynamiske systemer, og har også vært gjenstand for kontinuerlig utvikling på 1900-tallet. Kvantestatistikk (Fermi-Dirac- og Bose–Einstein-statistikk) inngår i den kvantemekaniske beskrivelsen innen alle områder av fysikken.

Mens den klassiske termodynamikken bare omfattet systemer i og omkring likevekt, har interessen i de siste 70 årene blitt rettet mot studier av systemer langt fra likevekt hvor lineær transportteori ikke kan anvendes. Det er oppdaget at utviklingen av slike systemer ofte kan karakteriseres ved at samme mønster gjentar seg i forstørret målestokk inntil systemet bryter sammen i et uordnet kaos. Studier av slike mønstre eller fraktaler og deres utvikling stod sentralt innen statistisk fysikk særlig i 1980-årene. Fenomenene studeres eksperimentelt ved å iaktta strømningsbilder og faseoverganger, og resultatene sammenlignes med komplekse og omfattende beregninger. På den måten håper man å finne generelle, enhetlige trekk som er felles for utviklingen av universet som helhet og for mindre fysiske og biologiske systemer.

Videre utvikling

Utviklingen innen fysikk under og etter andre verdenskrig har vært betinget av store investeringer både når det gjelder laboratorier, laboratorieutstyr og arbeidskraft. Spesielt i USA og Russland (tidligere Sovjetunionen), men også i mange andre land, bygde i denne tiden bygd opp store nasjonale forskningslaboratorier. Land som ikke har maktet dette alene, har sluttet seg sammen for å bygge felles laboratorier eller for i fellesskap å løse spesielle forskningsprosjekter. Spesielt har utviklingen innen elementærpartikkelfysikk og romforskning fremtvunget slike løsninger. Samtidig har internasjonalt samarbeid i form av utveksling av forskere og ved fordeling av oppgaver innen større prosjekter vært i sterk utvikling. I denne sammenheng kan nevnes at Norge er med i NORDITA, det nordiske forskningssamarbeidet i teoretisk fysikk, og i CERN, den europeiske organisasjonen for utforskning av kjernefysikk og laboratoriet for partikkelfysikk.

Innen forskningsgrener med stor teknisk anvendelse, for eksempel faste stoffers fysikk og elektronikk, har større bedrifter bygd opp sine egne forskningslaboratorier. Mindre bedrifter har slått seg sammen og til dels også samarbeidet med universitetene for å bygge opp spesiallaboratorier hvor det både drives mer teknisk betont utviklingsarbeid og grunnforskning innen vedkommende fagområde. I Norge er Stiftelsen for industriell og teknisk forskning, SINTEF, i Oslo og Trondheim eksempler på slike forskningsinstitutter. Samtidig har det – både av hensyn til undervisning og opplæring og for å tilgodese de områdene av grunnforskningen som man forventer vil gi små direkte anvendelsesmuligheter – vært nødvendig å bygge opp universitetenes egne fysikkavdelinger.

Utfordringer

Tid, rom og gravitasjon beskrives i den generelle relativitetsteorien, som er en 'klassisk' teori, de vil si ikke kvantemekanisk. På elementærpartikkelnivå beskrives materien og de fundamentale kreftene – elektromagnetisme, fargekraft mellom kvarker og svak kjernekraft – av kvantefeltteorier. Det klassiske bildet av verden er kontinuerlig og det kvantemekaniske er diskontinuerlig. Det har vært arbeidet i mange år med å forene disse bildene i en kvantegravitasjonsteori. Men så langt har man ikke lykkes i å konstruere en allment akseptert slik teori. Det mest ambisiøse forsøket er superstrengteori, men denne teorien er verken fullført teoretisk eller bekreftet ved observasjoner.

De siste 80 årene er det gradvis blitt mer og mer klart at universet inneholder langt mer materie enn den synlige som består av protoner, nøytroner og elektroner. De ytre områdene av spiralgalaksene roterer så raskt at de for lengst ville ha løst seg opp dersom de ble holdt sammen bare av gravitasjonsfeltet som den vanlige materien lager. Fysikerne mener derfor at det er omtrent fem ganger mer såkalt mørk materie i universet enn synlig materie, men man har foreløpig ikke greid å identifisere den mørke materien.

I 1998 ble det oppdaget at universets ekspansjon øker farten. Den eneste kraften som har betydning for hvordan ekspansjonsfarten endres med tiden, er gravitasjon. Fysikerne har derfor konkludert med at fartsøkningen må skyldes frastøtende gravitasjon.

Isaac Newtons gravitasjonsteori tillater bare tiltrekkende gravitasjon, men Albert Einsteins relativitetsteori tillater også frastøtende gravitasjon. Teorien sier også at et medium som vi ikke kan måle farten av, forårsaker frastøtende gravitasjon. Dette mediet er kalt universets mørke energi. En av kvantefysikkens konsekvenser er at det eksisterer en såkalt vakuumenergi overalt i universet. Hvis denne energien er slik at vi ikke kan måle fart i forhold til den, forårsaker den frastøtende gravitasjon. Mørk energi kan være kvantemekanisk vakuumenergi. Men forsøk på å beregne tettheten av denne har ikke lyktes, og det trengs kanskje en kvantegravitasjonsteori for å forstå fenomenet.

Beregninger basert på den observerte fartsøkningen av universets ekspansjon tyder på av den mørke energien utgjør omtrent 70 prosent av innholdet i universet, mens 25,5 prosent består av mørk materie. Synlig materie utgjør dermed bare 4,5 prosent. Det betyr at vi ikke har noen god forståelse av 95,5 prosent av universets innhold.

Les mer i Store norske leksikon

Eksterne lenker

Kommentarer

Kommentarer til artikkelen blir synlig for alle. Ikke skriv inn sensitive opplysninger, for eksempel helseopplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan. Det kan ta tid før du får svar.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg