Physik

Gegenstand und Bedeutung

Physik ist eine Naturwissenschaft, die grundlegende Phänomene der Natur untersucht. Sie beschreibt Materie und Energie sowie deren Wechselwirkungen in Raum und Zeit durch quantitative, also zahlenmäßig erfassbare Modelle und allgemeine Gesetzmäßigkeiten. Physikalisches Erklären bedeutet, Erscheinungen einzuordnen, zu vergleichen oder aus allgemeinen Naturgesetzen abzuleiten. Die Physik untersucht damit vor allem, wie die Natur sich verhält, nicht, warum sie dies in einem philosophischen Sinn tut.

Ein Beispiel ist die Gravitation: Newton beschrieb sie als Anziehungskraft zwischen Körpern. Einstein deutete sie dagegen als Krümmung der Raumzeit durch Materie beziehungsweise Energie. Unterschiedliche Modelle können somit dasselbe beobachtete Verhalten auf verschiedenen theoretischen Grundlagen beschreiben.

Physikalische Erkenntnisse werden unter anderem in Chemie, Geologie, Biologie, Medizin und Ingenieurwissenschaften genutzt. Die Grenzen zwischen diesen Fächern sind teilweise fließend. Physik richtet sich besonders auf grundlegende Mechanismen, während Ingenieurwissenschaften stärker deren technische Anwendung behandeln. Enge Verbindungen bestehen außerdem zur Mathematik, deren Sprache in der gesamten Physik verwendet wird, und zur Philosophie, insbesondere zur Erkenntnis- und Wissenschaftstheorie.

Arbeitsweise der Physik

Physikalischer Erkenntnisgewinn entsteht durch das Zusammenspiel von Experiment und Theorie. Eine Theorie bildet Naturvorgänge durch Begriffe, Modelle, Hypothesen und Gesetze ab und ermöglicht Vorhersagen. Beobachtungen und Experimente prüfen diese Vorhersagen. Übereinstimmende Ergebnisse bestätigen eine Theorie für einen bestimmten Gültigkeitsbereich, beweisen sie aber niemals endgültig. Ein einziges unerklärbares, reproduzierbares Ergebnis kann grundsätzlich ausreichen, um eine Theorie zu widerlegen oder ihre Grenzen sichtbar zu machen.

Die Experimentalphysik entwirft, baut, führt Experimente durch und wertet sie aus. Eigenschaften präparierter Systeme werden durch Messungen in Zahlen ausgedrückt, beispielsweise die Aufprallgeschwindigkeit eines Steins, der Druck eines eingeschlossenen Gases oder die Länge einer Teilchenspur. Untersucht werden entweder statische, also zeitunabhängige Eigenschaften, oder die Dynamik, also die zeitliche Entwicklung eines Systems.

Die theoretische Physik versucht, empirische Modelle mathematisch auf grundlegende Theorien zurückzuführen. Wo das nicht gelingt, entwickelt sie neue, experimentell prüfbare Hypothesen. Modelle idealisieren die Wirklichkeit zunächst und werden später verfeinert. Bestandteile eines Systems werden durch mathematische Objekte wie Skalare oder Vektoren dargestellt und durch Gleichungen miteinander verbunden.

Die mathematische Physik untersucht vor allem die mathematischen Eigenschaften und Symmetrien physikalischer Modelle. Die angewandte Physik nutzt physikalische Erkenntnisse zur Lösung meist nichtphysikalischer Probleme, etwa in Technik, Medizin oder Wirtschaft. Seit den letzten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts, beschleunigt seit etwa 1990, dienen Computersimulationen als Bindeglied zwischen Theorie und Experiment: Sie gewinnen Vorhersagen aus Theorien oder bilden Versuchsergebnisse nach.

Grundlegende Theorien

Das physikalische Theoriengebäude beruht ursprünglich auf der klassischen Mechanik und wurde im 19. Jahrhundert besonders durch Elektromagnetismus und Thermodynamik erweitert. Im 20. Jahrhundert kamen Relativitätstheorie und Quantenphysik hinzu. Nach dem Korrespondenzprinzip enthalten diese moderneren Theorien die klassische Mechanik als Grenzfall.

Die klassische Mechanik behandelt vor allem Systeme aus wenigen massiven Körpern. Raum und Zeit bilden dabei einen unbewegten Hintergrund. Grundbegriffe wie Geschwindigkeit, Beschleunigung, Masse, Kraft und Energie wurden zunächst in diesem Gebiet entwickelt. Für sehr kleine Objekte ist die Quantenphysik erforderlich, für Körper mit sehr großen Geschwindigkeiten und Massen die Relativitätstheorie. Lagrange- und Hamilton-Formalismus vereinheitlichten die mathematische Behandlung der Mechanik.

Die Elektrodynamik beschreibt bewegte elektrische Ladungen und ihre Wechselwirkung mit veränderlichen elektrischen und magnetischen Feldern. James Clerk Maxwell fasste ihre Gesetze im 19. Jahrhundert in den Maxwell-Gleichungen zusammen. Deren Wellenlösungen beschreiben elektromagnetische Wellen wie Licht. Der Widerspruch zwischen den Symmetrien der klassischen Mechanik und der Elektrodynamik wurde durch die spezielle Relativitätstheorie gelöst.

Die Thermodynamik untersucht keine einzelnen Körper, sondern Ensembles aus sehr vielen kleinsten Bausteinen. Sie eignet sich für Medien aller Aggregatzustände und beschreibt beispielsweise Wärmekraftmaschinen, Supraleitung und Suprafluidität.

Albert Einsteins Relativitätstheorie verbindet Raum und Zeit zur vierdimensionalen Raumzeit. Räumliche und zeitliche Abstände können von verschiedenen Beobachtern unterschiedlich beurteilt werden. Gravitation gilt als Krümmung der Raumzeit, verursacht durch Masse beziehungsweise Energie. Auf dieser Grundlage wurde auch die Kosmologie zu einem naturwissenschaftlichen Thema.

Die Quantenphysik beschreibt atomare und subatomare Vorgänge. Sie unterscheidet Observablen, welche physikalische Größen darstellen, und Zustände, welche das System beschreiben. Der Messprozess gehört ausdrücklich zur Theorie. Bei der Quantisierung können Größen nur bestimmte diskrete Werte annehmen. In der Quantenfeldtheorie erscheint auch Materie in Portionen, den Elementarteilchen oder Quanten. Über die Interpretation der Quantenphysik besteht kein Konsens, ihr empirischer Erfolg ist jedoch außerordentlich gut gesichert.

Materie von Elementarteilchen bis zu Vielteilchensystemen

Die Teilchenphysik untersucht Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen. Die vier Grundkräfte sind Gravitation, elektromagnetische Wechselwirkung, schwache Wechselwirkung und starke Wechselwirkung. Die schwache Wechselwirkung verursacht beispielsweise bestimmte radioaktive Zerfälle, die starke hält Atomkerne zusammen. In der Teilchenphysik bleibt die Gravitation meist ausgespart, weil noch keine Theorie der Quantengravitation vorliegt. Die übrigen Wechselwirkungen werden durch den Austausch von Eichbosonen beschrieben. Elektrische und magnetische Wechselwirkung wurden zur elektromagnetischen und diese mit der schwachen zur elektroschwachen Wechselwirkung vereinigt. Eine vollständige „Weltformel“ existiert nicht. Typische Untersuchungen finden an Teilchenbeschleunigern statt, etwa am 2011 in Betrieb gegangenen Large Hadron Collider, oder mit Neutrinodetektoren wie Super-Kamiokande.

Quarks treten wegen der starken Wechselwirkung nicht einzeln, sondern gebunden als Hadronen auf; dazu gehören Protonen und Neutronen. Die Hadronenphysik untersucht deren Eigenschaften. Atomkerne bestehen aus Nukleonen, also Protonen und Neutronen. Die Kernphysik erforscht unter anderem Kernstabilität und radioaktive Zerfälle und entwickelt dazu Kernmodelle.

Atome bestehen aus einem Kern und meist mehreren Elektronen. Die Atomphysik erklärt unter anderem ihre Linienspektren quantenmechanisch. Moleküle bestehen aus mehreren Atomen und sind besonders bei großer Teilchenzahl rechnerisch komplex. Spektroskopische Methoden verbinden gemessene Lichtanteile mit quantenmechanischen Eigenschaften. Damit lassen sich beispielsweise Stoffgemische untersuchen oder aus Sternenlicht die Elemente einer Sternenatmosphäre bestimmen. Der Laser beruht wesentlich auf Erkenntnissen der Atomphysik.

Die Physik der kondensierten Materie und die Fluiddynamik behandeln makroskopische Systeme aus sehr vielen Atomen, Molekülen oder Ionen. Ihr theoretisches Fundament umfasst besonders die Thermodynamik, je nach Problem aber auch Quanten- und Relativitätstheorie. Zu den anwendungsnahen Bereichen gehören Materialforschung, Plasmaphysik und die Erforschung von Hochtemperatursupraleitern. Supraleitung und Suprafluidität werden der Tieftemperaturphysik zugerechnet.

Universum und fachübergreifende Anwendungen

Astrophysik und Kosmologie überschneiden sich stark mit der Astronomie. Sie verbinden nahezu alle Bereiche der Physik, um astronomische Beobachtungen und Vorgänge auf unterschiedlichen Größenskalen zu erklären. Die Kosmologie stützt sich besonders auf die allgemeine Relativitätstheorie; für sehr frühe Phasen des Universums sind in der Quantenkosmologie auch Quantentheorien wichtig. Das 2009 am stärksten vertretene kosmologische Standardmodell beruht wesentlich auf Dunkler Materie und Dunkler Energie. Beide waren zu diesem Zeitpunkt nicht direkt experimentell nachgewiesen, und es bestanden verschiedene Theorien über ihre Natur.

Da astrophysikalische Vorgänge kaum gezielt experimentell beeinflusst werden können, sind Beobachtungen besonders wichtig. Sternspektren zeigen die Elementverteilung in Sternatmosphären. Höhenstrahlung erlaubt Rückschlüsse auf kosmische Strahlung. Nach einer Supernova messen Neutrinodetektoren einen erhöhten Neutrinostrom, der gleichzeitig mit ihrem Licht beobachtet wird.

Physikalische Methoden werden auch fachübergreifend eingesetzt: Die Biophysik untersucht Gesetzmäßigkeiten von Lebewesen, die Medizinische Physik nutzt unter anderem Laser, Radioaktivität, Röntgenstrahlung und Kernspinresonanz für Diagnostik und Therapie. Weitere Gebiete sind physikalische Chemie, Geophysik, Technische Physik, Umweltphysik, Soziophysik und Ökonophysik. Technische Physik umfasst beispielsweise Quantenelektronik und die Theorie der Quantencomputer; Umweltphysik befasst sich besonders mit Energie und Klima.

Grenzen, Bildung und Verantwortung

Die Physik besitzt weiterhin ungelöste Probleme. Manche sind prinzipiell lösbar, mit heutigen mathematischen Verfahren aber nur näherungsweise behandelbar. Bei anderen ist unklar, ob sie innerhalb bestehender Begriffe gelöst werden können. Besonders fehlt eine Theorie, welche elektroschwache und starke Wechselwirkung sowie Gravitation vereinigt. Kandidaten wie Quantengravitation, Supersymmetrie, Supergravitation, String- und M-Theorien streben eine solche Verbindung an, sind aber nicht als einheitliche Gesamttheorie bestätigt.

Physikalische Theorien bleiben Hypothesen: Ihre endgültige Wahrheit lässt sich nicht mit Gewissheit feststellen. Auch vollständige Kenntnis der Naturgesetze würde nicht jede Vorhersage ermöglichen. Bei chaotischen, obwohl deterministischen Prozessen können kleinste Änderungen des Anfangszustands große Unterschiede in späteren Zuständen erzeugen. Wissenschaftstheoretisch ist außerdem umstritten, in welchem Umfang physikalische Begriffe unmittelbar auf eine reale Welt verweisen und ob alle Einzeltheorien überhaupt zusammengeführt werden können.

Physik wird als grundlegende Naturwissenschaft meist ab Klassenstufe 5–7 als eigenes Schulfach und in der Oberstufe häufig als Leistungskurs angeboten; die meisten Universitäten bieten ein Physikstudium an. Seit 1901 vergibt die Schwedische Akademie der Wissenschaften jährlich den Nobelpreis für Physik.

Mit der möglichen Entwicklung der Atombombe Ende der 1930er Jahre wurde die Ethik naturwissenschaftlicher Forschung ausdrücklich zum Thema. Physikalisches Wissen kann gesellschaftlich und politisch genutzt oder missbraucht werden. Die Verantwortung betrifft deshalb nicht nur die Gewinnung verlässlicher Erkenntnisse, sondern auch deren technische und gesellschaftliche Folgen.