Fysikk. Herons dampkule, etter en gammel tegning; A) ildsted, B) dampkjele, C) innstrømningstut og akseltapp, D) dampkule. Til høyre et skjematisk snitt gjennom dampkulen med utstrømningstutene.

KF-arkiv. fri

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

KF-arkiv. fri

Speilteleskop, oppfunnet av Isaac Newton. Etter gammelt xylografi.

KF-arkiv. fri

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

KF-arkiv. fri

Fysikk, naturlære, opprinnelig læren om den livløse natur. Av denne betegnelsen har det etter hvert skilt seg ut en rekke fagområder (i videste forstand fysiske vitenskapsgrener) som astronomi, geologi, mineralogi, meteorologi og kjemi. Noen skarp avgrensning av fysikk i forhold til disse vitenskapsgrenene eksisterer ikke, og det er derfor vanskelig å gi noen enkel definisjon av hva fysikk er. På 1800-tallet satte man f.eks. skille mellom kjemi og fysikk ved å si at fysiske fenomener er slike som ikke medfører noen forandringer i stoffenes natur. Men etter oppdagelsen av radioaktivitet, og kjerneomvandlinger o.l. ble definisjonen ubrukbar. Uten å avgrense fysikken i forhold til andre vitenskapsgrener kan man karakterisere den som et fundament som de andre grenene bygger på. Fysikk blir da læren om de fenomener i naturen som kan bli forstått på en fundamental måte ut fra elementære prinsipper og lover.

De grunnleggende deler av fysikken er mekanikk og feltteori. Mekanikken befatter seg med partiklers og legemers bevegelse under påvirkning av krefter, og feltteorien behandler de forskjellige kraftfelters (gravitasjonsfelt, elektromagnetisk felt m.fl.) opprinnelse, natur og egenskaper. Fysikkens mål er å forstå alle naturfenomener på et slikt grunnlag, eventuelt å finne frem til enda mer fundamentale prinsipper (f.eks. en enhetlig feltteori).

Klassisk inndeling. Aristoteles inndelte fysikken i mekanikk, akustikk, varmelære og optikk. I den nyere tid kom elektromagnetismen til som en egen gren. Mekanikken deles i statikk, læren om legemers likevekt, kinematikk, læren om bevegelse, og dynamikk, læren om krefter. Den matematiske teori for faste legemers bevegelse kalles analytisk eller rasjonell mekanikk og omfatter også celest mekanikk (himmelmekanikk). Likevekt og bevegelser i fluider, dvs. i væsker og gasser behandles i fluidmekanikken, som deles i hydrostatikk og hydrodynamikk, respektive aerostatikk og aerodynamikk. 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 optikkbrytning, bøyning, interferens – regnes nå som en del av læren om elektromagnetisk stråling, altså av elektromagnetismen, mens den fysikalske optikk – 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 inndeling ikke lenger er hensiktsmessig når det gjelder de fysiske forskningsfelt, mens den beholdes fortsatt som en praktisk historisk og pedagogisk inndeling. Systematisk inndeles nå fysikk i samsvar med de forestillinger man har om materiens oppbygning fra enklere til stadig mer komplekse systemer. Man kan da starte med elementærpartikkelfysikk, som befatter seg med 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 og er karakterisert ved en kjempemessig 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 var den første til å studere kunstig frembrakte kjernereaksjoner (1919), men den egentlige utviklingen begynte først etter oppdagelsen av nøytronet (1932). I atomfysikken behandles elektronenes bevegelse og tilstander i atomet, samt emisjon og absorpsjon av elektromagnetisk stråling. Som grunnlag for moderne atomfysikk, historisk sett, regnes Niels Bohrs hypotese fra 1913. Med grunnlag i atomfysikken bygges så de øvrige disipliner innen fysikken opp.

Molekylarfysikk behandler tilsvarende fenomener i enkle og komplekse molekyler, og det anvendes stort sett de samme metodene som i atomfysikk. I faste stoffers fysikk, gassers fysikk og plasmafysikken behandles fenomener som er knyttet til kollektive atom- eller elektronbevegelser eller skyldes samspillet mellom et stort antall partikler. Disse grener av fysikken har gitt grunnlag for ny forståelse av en rekke stoffegenskaper, og har hatt meget stor praktisk betydning.

Som et siste trinn i denne gruppering 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 bruk av bestemte tekniske eller matematiske metoder eller måleinstrumenter som nyttes innen forskjellige områder. Av slike felter kan nevnes høyenergifysikk, som viser til bruk av store akseleratorer eller energirike partikler i den kosmiske 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 lave 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-) og spinnresonansteknikk metoder som anvendes i flere eller færre 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 fysikk 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 fysikk mer er opptatt av sammenhengen mellom teorien og de eksperimentelle resultater.

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

Det grunnleggende spørsmål for forståelse av naturen dreier seg om hva stoff, materie, egentlig er. Å få svar på dette er målet for fysisk grunnforskning. Svaret venter man å finne ved å se på de forandringene som opptrer av seg selv i naturen eller ved å studere forandringer, likheter og forskjeller når stoff utsettes for systematiske påvirkninger.

Men fysikken har også et praktisk sikte. Forandringene i naturen ser ut til å følge en viss orden eller lovmessighet. Kjenner man denne lovmessigheten, vil man kunne forutsi og kanskje også beherske naturprosessene, styre dem eller innrette seg etter dem. Dette gir målsettingen for den anvendte fysikk. Til tross for forskjellig målsetting, faller ofte arbeidsoppgaver og metoder sammen, og det er vanskelig å trekke noe skille mellom den anvendte fysikk og grunnforskningen.

Den anvendte fysikk har lange tradisjoner. Kjennskap til ild, systematikk i tidsregningen og i himmellegemenes bevegelse, forming av verktøy, og oppdagelse av hjulet er viktige begivenheter i fysikkens urhistorie.

Fysikkens oldtid (600 f.Kr.–200 e.Kr.). Spørsmålet om hva stoff er, ble antagelig formet nokså sent og vel først i religiøs sammenheng. Stoff som fysisk problem og forsøk på å gi dette en fysisk besvarelse opptok Thales fra Milet i Lilleasia, som levde omkring 600 f.Kr. Han kalles ofte naturvitenskapens far og innledet den periode på 700–800 år som gjerne kalles oldtiden i fysikkens historie. Den første del av denne perioden, frem til Aristoteles (384–322 f.Kr.), var preget av spekulativ naturfilosofi. Thales mente at sammenhengen i naturen kunne forstås ut fra antagelsen om vann som urstoffet eller det siste prinsipp. Alt kommer fra vann og vender tilbake til vann. Vel 100 år senere fremsatte Empedokles læren om de fire elementene: jord, vann, luft og ild som urstoff, og om kjærlighet og hat som kreftene som virket mellom disse elementene. Aristoteles sluttet seg til denne teorien, og den ble rådende i fysikken i nesten 2000 år. I motsetning til denne teorien stod atomteorien, som først kjennes fra Levkippos, ca. 500 f.Kr. og som ble utviklet videre av hans elev Demokrit (ca. 460–370 f.Kr.), også kalt atomets far. Motsetningen mellom de to teoriene, materien som bestående av udelelige minstepartikler i et tomt rom eller som dannet av urstoff eller elementer som fordeler seg kontinuerlig overalt i rommet, finner man igjen mange ganger i fysikkens historie, i teorier for lys, varme og elektrisitet. Moderne felt- og kvanteteori kan oppfattes som en syntese av de to teoriene.

Fra tiden før Aristoteles må også Pytagoras nevnes. Selv om det i første rekke er som matematiker han huskes, har hans harmonilære ikke bare preget akustikken, men den inneholder også elementer som man finner igjen i kvantefysikken.

I tiden etter Aristoteles ble naturfilosofien mer matematisk og teknisk preget. Arkimedes, som er kalt den første fysiker, formulerte omkring 250 f.Kr. loven for oppdrift i væsker og oppdaget vektstangprinsippet. Heron fra Alexandria (ca. 100 f.Kr.) gjorde en rekke oppfinnelser hvor damp eller oppvarmet luft brukes som drivstoff. Han konstruerte vannur, og han formulerte loven for lysets refleksjon på omtrent samme måte som den kjennes fra Fermats prinsipp. Æraen avsluttes med Ptolemaios (70–147 e.Kr.), som i et 13 bind stort verk sammenfattet datidens astronomiske viten. Han var en av de få oldtidsfysikerne som utførte eksperimenter, idet han søkte å finne lover for lysets brytning. Han bygde i denne sammenheng på Evklids geometri og gikk også, som Evklid og i motsetning til Aristoteles, ut fra at lys var stråler som ble sendt ut fra øyet.

Middelalderen. Årene fra 150 til ca. 1000 var en død periode i fysikkens historie. Fornyelsen kom først gjennom araberne, som fra år 700 begynte å yte betydelige bidrag til matematikken og etter hvert også til naturvitenskapen. Som den betydeligste fysikeren regnes Ibn al-Haitham (965–1039). Han tilbakeviste teorien om lys som sendes ut fra øyet og hevdet at lys brukte tid for å forplante seg. Han regnes som grunnlegger av optikken.

Som den første store talsmann for den eksperimentelle metode i fysikken regnes den engelske munk Roger Bacon (1214–92). Også han gjorde betydelige arbeider innen optikken. På grunn av sin kritiske holdning til godtatte teorier, og på grunn av sine ferdigheter i å frembringe merkelige optiske illusjoner ved hjelp av speil og linser, ble han beskyldt for kjetteri og trolldom. Han ble holdt i fangenskap i mange år og fikk liten innflytelse i samtiden.

I de neste 200–300 år ble det gjort en rekke tekniske oppdagelser og oppfinnelser. Briller kom i bruk fra ca. 1300. På denne tiden ble kruttet oppfunnet, og papir kom i bruk. Kjennskap til kompasset, fra ca. 1200, ledet til interesse for magnetisme. Christofer Columbus påviste 1492 variasjon i den magnetiske misvisning. G. Hartman oppdaget den magnetiske inklinasjon (1544) og William Gilbert fant loven for magnetisk tiltrekning (1600). Leonardo da Vinci (1452–1519) studerte mekanikk og optikk og er kjent som en tidlig talsmann for den eksperimentelle metode.

Nyere tid (1600–1900). Galileo Galilei (1564–1642) innførte den eksperimentelle metode i fysikken, bl.a. ved studiet av fallbevegelsen. Han står derfor som den egentlige grunnlegger av den nyere tids fysikk. På Galileis tid viste det seg en stigende interesse for naturvitenskap over hele Europa. Universitetenes lærestoler i filosofi ble besatt med naturvitenskapsmenn, eller det ble opprettet spesielle professorater i naturvitenskap. I flere land ble det også dannet vitenskapelige selskaper med det formål å utveksle kunnskaper og fremme vitenskapen. Med støtte av fyrsten av Toscana dannet Galileis elever 1657 Accademia del Cimento i Firenze. The Royal Society i London ble offisielt stiftet i 1662 etter å ha eksistert mer uformelt siden 1645. I 1665 startet utgivelsen av Philosophical Transactions of the Royal Society, som siden har kommet ut regelmessig og som ble et mønster for vitenskapelige tidsskrifter.

På 1600-tallet var interessen i første rekke rettet mot mekanikk og optikk. Evangelista Torricelli oppfant barometeret (1642) og påviste variasjoner i lufttrykket. Også Blaise Pascal, Otto von Guericke og Robert Boyle gjorde viktige undersøkelser av trykk i væsker og gasser. Robert Hooke huskes best for sin lov om elastisk utvidelse (1679), men er også kjent for fargestudier og for bidrag til mekanikken. Willebrord van Rojen Snell (Snellius) hadde alt i 1621 formulert loven for lysbrytning, og Christiaan Huygens fremsatte i 1678 sin teori for utbredelse av lysbølger.

Slutten av 1600-tallet er fremfor alt preget av Isaac Newton (1642–1727). Han fant (1666) bevegelseslovene og gravitasjonsloven, og beskrev disse oppdagelsene i sitt verk: Philosophiae naturalis principia mathematica fra 1687. I 1672 fremsatte han korpuskularteorien for lys.

I det følgende århundre ble mekanikken sterkt matematisk preget. I den eksperimentelle fysikk begynte man å vie elektriske fenomener større oppmerksomhet. Tidlige arbeider av von Guericke og Boyle hadde ikke ført til noen forståelse av hva elektrisitet var. I 1729 påviste S. Gray forskjellen mellom isolatorer og ledere, og C. Dufay fremsatte 1734 hypotesen om to slags elektrisitet, mens Benjamin Franklin antok at det bare var en slags elektrisitet som det enten var overskudd eller mangel på. Han innførte i den forbindelse betegnelsene positiv og negativ elektrisitet (1747). Ved slutten av 1700-tallet fant Charles Augustin de Coulomb loven for elektriske og magnetiske krefter og Luigi Galvani og Alessandro Volta oppdaget den elektriske strøm og oppfant det elektriske (galvaniske) element.

På begynnelsen av 1800-tallet påviste Thomas Young lysets interferens og forklarte dette ut fra bølgeteorien, noe som ledet til fornyet interesse for optikken. Lyshastigheten som tidligere var bestemt astronomisk (Ole Rømer, 1676, James Bradley, 1728) kunne nå bestemmes ved interferensmålinger i laboratoriet (Hippolyte L. Fizeau, 1849). Av fundamental betydning var Albert Michelsons påvisning 1881 av at lyshastigheten i forhold til Jorden var uavhengig av Jordens bevegelsestilstand. Louis J. M. Daguerre oppfant fotografien 1839, og Gustav R. Kirchhoff og Robert Wilhelm Bunsen grunnla spektralanalysen 1859. I 1885 fant Johann J. Balmer formelen for hydrogenatomets spektrallinjer og la dermed grunnlaget for spektralanalysens anvendelse i atomfysikken.

Elektrisitet og magnetisme var viktige forskningsområder gjennom hele 1800-tallet. I 1819 oppdaget Hans Christian Ørsted den elektriske strøms magnetiske virkninger og la grunnlaget for elektromagnetisme og elektrodynamikk. Arbeider av T. J. Seebeck (termoelektrisitet), André Marie Ampère (induksjonsloven) og fremfor alt de eksperimentelle arbeidene til Michael Faraday fulgte. Som sluttledd i dette arbeidet kommer James Clerk Maxwells teori for elektromagnetisme (1863–67).

Også termodynamikken ble i hovedsak utformet på 1800-tallet. Oppfinnelsen av dampmaskinen (Denis Papin, 1690, Thomas Newcomen, 1711, James Watt, 1769) var i prinsippet en videreføring av Herons arbeider. Som i oldtiden regnet man fremdeles med varme som et eget stoff. Også Nicolas L. S. Carnot bygde i sine grunnleggende arbeider i termodynamikk (1824) på denne antagelsen, men kom senere til at varme måtte være knyttet til bevegelse i stoffet. Varmens evne til å utføre arbeid og sammenhengen mellom varme og energi ble klargjort ved målinger til James P. Joule, L. Volding og Julius R. von Mayer i 1840-årene. Atomhypotesen som John Dalton fremsatte 1805, vakte til å begynne med størst interesse blant kjemikere, men fikk fra omkring 1850 også betydning for den videre utviklingen av termodynamikken. Arbeider av Rudolph J. E. Clausius (varmelærens 2. hovedsetning, 1850, entropi, 1862), James Clerk Maxwell (kinetisk gassteori, 1860) og Ludwig Boltzmann (sammenhengen mellom entropi og tilstandssannsynlighet, 1872) m.fl. viste at termodynamikk fundamentalt sett var statistisk mekanikk, hvor mekanikkens lover ble anvendt på store mengder atomer eller molekyler.

I løpet av 1800-tallet var den klassiske fysikk brakt til en harmonisk avslutning på alle felter. Newtons mekanikk, Maxwells elektrodynamikk og Boltzmanns termodynamikk var i prinsippet fullstendige og avsluttede teorier. I lys av disse teoriene var Daltons atomteori blitt bekreftet. Lys var elektriske bølger beskrevet ved Maxwells teori.

Mulighetene for tekniske fremskritt var store. Bl.a. hadde Maxwells teori ført til forutsigelse av radiobølger og Gustav Hertz hadde i 1887 påvist at det var mulig å overføre signaler ved hjelp av slike bølger.

Fysikk på 1900–tallet. Omkring 1900 ble det klart at grunnforskningen i fysikk likevel ikke var avsluttet. Oppdagelsen av elektronet (Joseph John Thomson, 1896), av radioaktivitet (Henri Becquerel, 1896), og grunnstoffomdanning (Ernest Rutherford, 1903) viste at atomet ikke var udelelig. I 1900 viste Max Planck at loven for utstråling fra svarte legemer kunne forklares hvis man antok at elektromagnetisk stråling var kvantisert, og i 1905 forklarte Albert Einstein den fotoelektriske effekt ved å innføre lyskvant. Samme år utformet han den spesielle relativitetsteorien, som brøt radikalt med Newtons forestillinger om tid og rom som absolutte begreper, men som viste seg å være i samsvar med Maxwells teori for elektromagnetisme. I 1915 fullførte Einstein den generelle relativitetsteorien. Dette er en teori for tid, rom og gravitasjon. Ifølge denne teorien er det vi oppfatter som gravitasjon, en virkning av det fire-dimensjonale tidsrommets krumning. Moderne kosmologi, beskrivelse av universet i stor skala, er basert på denne teorien. I 1913 fremsatte Niels Bohr sin atomteori, som både forklarte Balmers formel for hydrogenatomets spektrallinjer og var i samsvar med Rutherfords påvisning av atomkjernen (1911). Ifølge Bohrs atomteori beveget elektronene i atomene seg i strid med den klassiske fysikks lover, men teorien bygde for øvrig i stor utstrekning på klassiske forestillinger, f.eks. at elektronene beveger seg rundt atomkjernene langs bestemte partikkelbaner.

Et helt nytt syn på materien brøt frem ved Louis de Broglies hypotese om materiebølger fra 1924. Året etter utformet Werner Heisenberg matrisemekanikken, som sammen med Erwin Schrödingers bølgemekanikk og Enrico Fermis kvantestatistikk, begge fra 1926, kom til å danne det viktigste teoretiske grunnlaget for kvantemekanikken. Dermed var det også lagt et nytt grunnlag for den fysiske beskrivelse og oppfatning av materien. I den nye beskrivelsen inngikk Schrödingers bølgefunksjon, som ifølge M. Born, skulle tolkes som en sannsynlighetsamplitude, og Heisenbergs usikkerhetsrelasjon som fundamentale begreper. Innen filosofien førte de nye begrepene til en revurdering av kausalitetsprinsippet samtidig som relativitetsteorien førte til en revurdering av det klassiske rom- og tidsbegrep.

I 1930 konstruerte Paul A. M. Dirac en kvantemekanikk som er i overensstemmelse med den spesielle relativitetsteorien. Denne beskriver bl.a. elektronets spinn på en korrekt måte, og forutsier eksistensen av antipartikler. Antipartikler til elektronet, kalt positronet, ble eksperimentelt oppdaget av C. Andersen i 1931.

Etter at Bohr hadde fremsatt sin atommodell, fremstod kjernefysikk som et nytt og spennende forskningsfelt. I 1919 påviste Rutherford at kjernereaksjoner kunne frembringes kunstig, men en bedre forståelse av kjernens oppbygning fikk man først etter James Chadwicks oppdagelse av nøytronet i 1932. I de følgende år fulgte en rekke nyoppdagelser: fremstilling av nye radioaktive nuklider (Enrico Fermi, Frédéric Joliot, 1933–40), spalting av urankjernen (Otto Hahn og Fritz Strassmann, 1938), kontrollert frigjøring av kjerneenergi i reaktor (E. Fermi, 1942), fremstilling av atombomben (1945, se kjernevåpen).

I 1935 fremsatte Hideki Yukawa sin teori om mesoner og la dermed grunnlaget for elementærpartikkelfysikken som et nytt forskningsfelt. Etter 1950 har dette feltet hatt en dominerende plass innen grunnforskningen i fysikk. Nær knyttet til utviklingen av elementærpartikkelfysikken står i perioden etter 1950 utviklingen innen den teoretiske fysikk hvor kjennskap til nye symmetriprinsipper har spilt en stor rolle, og hvor målet fremdeles er å finne frem til en enhetlig teori, dvs. en teori hvor alle krefter eller vekselvirkninger i materien fremstår som en følge av samme universelle prinsipp. Både Einstein og Heisenberg var i mange år av sine liv opptatt av å finne en enhetlig teori for gravitasjon og elektromagnetisme, uten at det førte til resultater.

I midten av 1960-årene fremsatte Sheldon Lee Glashow, Abdus Salam og Steven Weinberg en sammenfattende teori for elektromagnetisk og svak vekselvirkning. Denne teorien for elektrosvak vekselvirkning er siden eksperimentelt understøttet. I 1980-årene er det utviklet en tilsvarende teori, kvantekromodynamikk, for sterk vekselvirkning. Forsøk på en sammenfatning av disse to teoriene synes lovende. Hvorvidt teorien også kan bringes til å omfatte gravitasjon, er fremdeles usikkert.

Interessen for atomkjernen og for å lete etter fundamentale partikler og prinsipper kom som en naturlig følge av Bohrs atomteori og kvantemekanikken. Interessen ble også rettet mot det å forstå materiens videre oppbygging som en konsekvens av atomets struktur. Dette førte til at skillet mellom de klassiske fysiske disiplinene ble brutt ned, mens nye skiller oppstod. Særlig etter 1950 er denne utviklingen blitt tydelig. Situasjonen er nå omtrent den motsatte av hva den var før 1900. Den gang ble et fysisk fenomen betraktet som enten mekanisk, akustisk, optisk, elektromagnetisk eller termisk, og skillet mellom disiplinene var skarpt. Fysikerne som studerte fenomenene, behersket som regel alle disiplinene. I våre dager skal ethvert fenomen fundamentalt sett beskrives ut fra de samme prinsipper. Fenomener som er beslektet, beskrives ofte ved hjelp av de samme metodene, og utgjør da et eget fagområde. Kunnskapsmengden innen hvert fagområde øker stadig. Fysikerne har derfor mer og mer måttet gi avkall på å beherske hele fysikken og i stedet konsentrere seg om et bestemt felt.

Blant de nye fagområdene som er oppstått, er de faste stoffers fysikk det område som har utviklet seg raskest. Undersøkelser av faste stoffers struktur kan føres tilbake til Max von Laues oppdagelse av røntgendiffraksjon (1912) og Clinton J. Davissons og L. Germers oppdagelse av elektrondiffraksjon (1927), som også gav grunnlag for utviklingen av elektronmikroskopet. Senere er nøytrondiffraksjon kommet til og har vært av stor betydning bl.a. 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 m.m. Påvisning av superkonduktivitet (H. Kamerlingh-Omnes, 1911) og superfluiditet (P. Kapitza, 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 (John Bardeen, Walter Hauser Brattain og William Shockley, 1948), som førte til revolusjon av den elektroniske industri og la grunnlag 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 utvikling og etterprøving av fysiske teorier. Det er i høy grad de problemer og utfordringer fysikerne har stått overfor, som har drevet utviklingen innen datateknologien fremover. Samtidig er det anvendelse av datamaskiner innen fysikk som har lagt grunnlaget for dens store anvendelse i samfunnet for øvrig.

Optikk var den av de klassiske grener av fysikken som tidligst ble eliminert idet den ble betraktet som en del av elektrodynamikken. I de siste årene blir den imidlertid igjen betraktet som en selvstendig gren av fysikken. Dette henger sammen med de spesielle fenomener 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 J. P. Gordon, H. J. Zeiger og C. H. 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 T. H. 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 bl.a. ved informasjonsoverføring og i holografi.

Gass, væske. Gassers og væskers egenskaper er blitt gjenstand for ny utforskning i lys av kvantemekanikken. Som en ny forskningsgren er utforskningen av den såkalte fjerde aggregattilstand, plasmaet, oppstått. I plasmafysikken studeres tilstandsegenskaper for gasser eller fluida 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 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 termodynamikk 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.

Utviklingen innen fysikk under og etter den annen verdenskrig har vært betinget av store investeringer både når det gjelder laboratorier, laboratorieutstyr og arbeidskraft. Spesielt i USA og SSSR og senere Russland, men også i mange andre land, er det 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 organisasjon for utforskning av kjernefysikk og det europeiske laboratorium for partikkelfysikk.

Innen forskningsgrener med stor teknisk anvendelse, f.eks. faste stoffers fysikk og elektronikk, har større bedrifter bygd opp sine egne forskningslaboratorier. Mindre bedrifter har slått seg sammen, 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 SINTEF i Oslo og Trondheim eksempler på slike forskningsinstitutter. Samtidig har det – både av hensyn til undervisning og opplæring og for å tilgodese de områder av grunnforskningen som man forventer vil gi små direkte anvendelsesmuligheter – vært nødvendig å bygge opp universitetenes egne fysikkavdelinger.

Foreslå endringer i tekst

Foreslå bilder til artikkelen

Kommentarer

Har du spørsmål til artikkelen? Skriv her, så får du svar fra fagansvarlig eller redaktør.

Du må være logget inn for å kommentere.