fysikk

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, 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 optikk – brytning, 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.

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

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

En av kategoriene er 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 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 var den første til å studere kunstig frembrakte kjernereaksjoner (1919). 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. Som grunnlag for moderne atomfysikk, historisk sett, regnes Niels Bohrs modell av hydrogenatomet 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 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 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.

På tvers av denne inndelingen har man også en klassifikasjon av fysikk som er knyttet til hvilke tekniske eller matematiske metoder eller måleinstrumenter som nyttes 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 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-) metoder som anvendes i flere områder av fysikken fra kjerne- og atomfysikk til biofysikk.

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 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, for eksempel elektronikk, reaktorfysikk og materialvitenskap. Deler av den anvendte fysikk 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 fysikk, og dels som aspekter av andre forskningsområder hvor man nytter fysiske metoder.

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 Russland (tidligere SSSR), men også i mange andre land, ble 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 organisasjonen for utforskning av kjernefysikk og det europeiske laboratorium 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 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.

Tid, rom og gravitasjon beskrives i den generelle relativitetsteorien som er en 'klassisk' teori, dvs. ikke kvantemekanisk. På elementærpartikkelnivå beskrives materien og de fundamentale kreftene – elektromagnetisme, farvekraft mellom kvarker og svak kjernekraft – av kvantefelt-teorier. 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 kvantegravitasjonsteori. Det mest ambisiøse forsøket er superstrengteori, men dette er en teori som verken er fullført teoretisk eller bekreftet ved observasjoner.

De siste 80 årene er det gradvis blitt mer om mer klart at universet inneholder langt mer materie enn den vi ser og 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 en 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 universets ekspansjonsfart endres med tiden, er gravitasjon. Fysikerne har derfor konkludert med at fartsøkningen må skyldes frastøtende gravitasjon.

Newtons gravitasjonsteori tillater bare tiltrekkende gravitasjon, men Einsteins relativitetsteori tillater 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 over alt i universet. Hvis denne energien er slik at vi ikke kan måle fart i forhold til den, forårsaker den kvantemekaniske vakuumenenergien frastøtende gravitasjon. Den mørke energi kan være kvantemekanisk vakuumenergi. Men forsøk på å beregne tettheten av den kvantemekaniske vakuumenergien har ikke lyktes. Kanskje trengs en kvantegravitasjonsteori for å forstå den kvantemekaniske vakuumenergien.

Beregninger basert på den observerte fartsøkningen av universets ekspansjon tyder på av den mørke energien utgjør omtrent 70 % av innholdet i universet. Den mørke materien utgjør omtrent 25,5 %. Den synlige materie utgjør derfor bare 4,5 %. Det betyr at vi ikke har noen god forståelse av 95,5 % av innholdet i universet.