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, det vil si 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 optikken – brytning, 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.

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 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 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. Som grunnlag for moderne atomfysikk, historisk sett, regnes Niels Bohrs modell av hydrogenatomet fra 1913. Med grunnlag i atomfysikken bygges så de øvrige disiplinene innen fysikken opp.

Molekylarfysikk behandler tilsvarende fenomener i enkle og komplekse molekyler, og der 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 grupperingen 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 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 hverken 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.