Natuurkunde

Natuurkundigen bestuderen het gedrag van materie en energie, alsmede hun onderlinge wisselwerking, binnen ruimte en tijd. Het kan bijvoorbeeld gaan om massa op macroscopische schaal, om straling of om individuele elementaire deeltjes en hun interacties. De natuurkundige bestudeert de niet-scheikundige eigenschappen van stoffen, zoals faseovergangen, viscositeit, kristalstructuur, elektrische geleiding en warmtegeleiding en probeert deze te verklaren. De beperking dat veranderingen van de scheikundige samenstelling niet tot de natuurkunde worden gerekend, is in feite historisch bepaald. Wat er gebeurt binnen atomen, waaruit moleculen zijn samengesteld, wordt weer wel tot de natuurkunde gerekend. De natuurkunde concentreerde zich oorspronkelijk op de niet-levende natuur, terwijl de levende natuur werd overgelaten aan de biologie. Maar sinds een eeuw worden in het gemeenschappelijke gebied van de biofysica natuurkundige eigenschappen van levende systemen onderzocht.

De natuurkunde is een exacte wetenschap, dat wil zeggen dat men streeft naar wiskundige precisie in uitspraken over natuurkundige verschijnselen. De onzekerheidsmarge wordt kwantitatief aangegeven. Vaak worden bewust vereenvoudigende wiskundige modellen gebruikt, zo worden de planeten bij de berekening van hun baan in goede benadering eerst voorgesteld als bolvormig. De klassieke mechanica uit de zeventiende eeuw geldt, door het opkomen van de kwantummechanica, sinds het begin van de twintigste eeuw alleen onder de volgende, twee beperkende voorwaarden: de snelheden zijn klein ten opzichte van de lichtsnelheid, en de hoeveelheden materie zijn macroscopisch. Bij experimenteel natuurkundig onderzoek moet altijd rekening gehouden worden met meetfouten. Voor een geldige natuurwetenschappelijke uitspraak is het vereist dat de kansverdeling van de foutenmarge van het experiment bekend is. In de moderne kwantummechanica spelen fundamentele onbepaaldheden in de natuurkundige grootheden zelf (bijvoorbeeld plaats en impuls – de onzekerheidsrelatie van Heisenberg in de deeltjesfysica) een centrale rol.

Er zijn veel raakvlakken met andere exacte wetenschappen:

• wiskunde. De wiskunde is onmisbaar om natuurkundige waarnemingen in de vorm van een samenhangende, kwantificerende en toetsbare theorie te gieten. Tegenwoordig gaat natuurwetenschappelijk onderzoek nog maar zelden gepaard met nieuwe ontwikkelingen in de toegepaste wiskunde. Vooral in de 17e, 18e en 19e eeuw hebben geleerden als Newton, de familie Bernoulli, Gauss, Stokes, Lagrange, Euler, Fourier en Henri Poincaré aanzienlijk bijgedragen aan de ontwikkeling van nieuwe gebieden in tegelijkertijd de natuurkunde en de wiskunde (differentiaalrekening, vectoranalyse, potentiaaltheorie en Fourieranalyse, zie ook mathematische fysica). Tegenwoordig is deze combinatie uitzonderlijker, hoewel theoretici in de snaartheorie ook nieuwe wiskunde ontwikkelen (bijvoorbeeld Edward Witten).
• scheikunde, waar gekeken wordt naar reacties tussen verschillende stoffen (raakvlak met de fysische chemie, kwantumchemie).
• astronomie, want de wetten van de fysica zijn van toepassing op de aarde en alle hemellichamen, stofdeeltjes en gaswolken zowel binnen als buiten ons zonnestelsel.
• biologie, die zich bezighoudt met alle levensvormen (raakvlak met biofysica, bio-informatica).

De natuurkunde ontwikkelde de wetenschappelijke methode en gebruikt die nog steeds. Voor het doen van samenhangende en onderling vergelijkbare waarnemingen is een systeem van natuurkundige grootheden en eenheden ontwikkeld. Met hypotheses, experimenten, waarnemingen en metingen probeert de natuurkundige verborgen patronen te achterhalen. Deze worden samengevat in een natuurkundige theorie. Hoewel het gebruik van wiskunde geen doel op zichzelf is, zijn wiskunde en natuurkundige theorievorming sinds de tijd van Christiaan Huygens' slingertheorie en Isaac Newtons Principia Mathematica onverbrekelijk met elkaar verbonden. Met zo'n theorie kan men nieuwe toetsingsexperimenten bedenken. Als de voorspelde uitkomsten inderdaad waargenomen worden, kan de theorie verder uitgebouwd worden. Blijken de voorspellingen onjuist, dan wordt de theorie bijgesteld of zelfs geheel verworpen en wordt een nieuwe theorie gezocht.

Een natuurkundige theorie is dus nooit een onaantastbare waarheid. Ze dient altijd open te staan voor toetsing aan nieuwe waarnemingen en kan ter discussie gesteld worden wegens het ontstaan van nieuwe inzichten. Daarom is de ergste kritiek die een theorie kan treffen het verwijt nicht einmal falsch (zelfs niet fout, een uitspraak van de Oostenrijkse theoreticus Wolfgang Pauli). Een verkeerde theorie kan door het uitlokken van een experimentele weerlegging de wetenschap verder helpen met waarnemingen die anders nooit gedaan zouden zijn, maar een ontoetsbare theorie is helemaal nutteloos.

Natuurkundige theorieën die over langere tijd een belangrijke groep waarnemingen kunnen verklaren worden natuurwetten genoemd, bijvoorbeeld de wetten van Maxwell. Er is overigens geen formeel onderscheid tussen theorieën en wetten. De kans dat zo'n natuurwet ooit helemaal gefalsificeerd wordt is zeer gering. Vaker wordt een bestaande theorie een speciaal geval van een nieuwe overkoepelende theorie. Een bekend voorbeeld daarvan is de klassieke mechanica van Isaac Newton, die na ruim twee eeuwen ogenschijnlijke onaantastbaarheid een bijzonder geval voor lage snelheden is geworden van de speciale relativiteitstheorie, die op zijn beurt weer een bijzonder geval voor het geval eenparige bewegingen werd van de meeromvattende algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein. Daarnaast werd de klassieke mechanica ook een speciaal geval (namelijk op macroscopische schaal) van de bredere kwantummechanica.

Oorspronkelijk was de natuurkunde een overzichtelijk vakgebied. Voor een getalenteerd mens was het in het begin nog mogelijk om het gehele terrein van de natuurkunde te overzien en te beheersen. Veel natuurkundigen hielden zich met diverse en soms ver uiteenlopende natuurkundige gebieden bezig. Bijvoorbeeld Isaac Newton ontdekte een wiskundige uitdrukking voor de zwaartekracht waardoor een appel op de grond valt. Maar ook bedacht hij dat diezelfde zwaartekracht zorgt voor de wederzijdse aantrekking van de aarde en de maan. Hij bestudeerde tevens het licht en ontdekte dat wit licht in vele kleuren uiteenvalt als het door een prisma gebroken wordt. Ook werkte hij aan warmte en eigenschappen van vloeistoffen en ontwikkelde hij de spiegeltelescoop. Maar aan elektriciteit kwam hij niet meer toe.

Door het succes van Galilei, Newton en hun opvolgers is de natuurkunde steeds verder uitgebreid en is het voor een menselijk individu niet meer mogelijk om het hele terrein gedetailleerd te volgen. Daarom specialiseren de meeste natuurkundigen zich op een bepaald terrein. Jaarlijks wordt er een Nobelprijs voor de Natuurkunde uitgereikt. Ondanks de specialisaties binnen de natuurkunde, is het dankzij de gemeenschappelijke basis mogelijk veel natuurkundige deelgebieden met elkaar in verband te brengen. Gebieden die voltooid leken – bijvoorbeeld de optica – werden weer gestimuleerd door nieuwe ontdekkingen, bijvoorbeeld de ontdekking van laserlicht en van het foton dankzij de kwantummechanica. Vakgebieden en onderwerpen binnen de natuurkunde zijn:

• Akoestiek – de studie van geluid, zowel in lucht als in andere voortplantingsmedia.
• Astrofysica, astronomie en kosmologie – de natuurkunde van de sterren en het heelal. Om astrofysisch onderzoek buiten de (hinderlijke) atmosfeer te doen wordt onder andere een enkele keer de Space Shuttle gebruikt. Meestal wordt een kunstmaan met waarnemingsinstrumenten in een omloopbaan om de aarde gebracht of naar een planeet of ander object in het zonnestelsel gestuurd. Een bekend voorbeeld is de Ruimtetelescoop Hubble, waarmee al veel nieuwe ontdekkingen zijn gedaan. Vanaf de aarde wordt onderzoek gedaan naar de objecten in ons zonnestelsel, de sterren in onze Melkweg en andere Melkwegstelsels, en zo meer. Men kan waarnemen in zichtbaar licht, maar ook in infrarood (IR), ultraviolet (UV), radio-, röntgen- en gamma-straling. Zo verkrijgen we steeds meer kennis over de ruimte om ons heen, die vol zit met bijzondere verschijnselen, zoals zwarte gaten, nevels en gaswolken. De relativiteitstheorie van Einstein wordt telkens weer door dit soort onderzoek bevestigd.
• Atoomfysica – Onderzoekt atomen, met name de manier waarop elektronen zich binnen het atoom gedragen. De atoomfysica ligt dicht aan tegen het vakgebied fysische chemie, maar ook met analytische scheikunde (vooral spectroscopie).
• Biofysica - Onderzoekt de natuurkundige kant van (delen van) levende systemen zoals celmembranen, DNA en biomoleculen, fotosynthese (fotobiofysica), spieren, zintuigen, hart en bloedvaten, voortstuwing van eencelligen, prikkelgeleiding in zenuwen, vlucht van vogels en insecten, het effect van ioniserende straling op weefsels enzovoorts.
• Deeltjesfysica (ook hoge-energiefysica genoemd) – Onderzoekt het gedrag van subatomaire deeltjes en de fundamentele natuurkunde die daarbij komt kijken. Wordt vaak met de kernfysica onder één noemer gebracht als subatomaire fysica.
• Econofysica onderzoekt wetmatigheden in de economie en gaat anders dan de gangbare economie, niet uit van evenwicht.
• Elektromagnetisme en elektrodynamica – Onderzoekt verschijnselen die te maken hebben met elektrische stroom – d.i. de verplaatsing van elektrische lading, onder invloed van spanning, door bijvoorbeeld een weerstand – en de daarbij optredende magnetische velden. Ook een begrip als zelfinductie komt uit het elektromagnetisme (zie ook elektrotechniek, elektronica). De lorentzkracht, d.i. de kracht die een magneetveld uitoefent op een bewegende elektrische lading, vormt de basis voor elke elektromotor en generator. Elektronenoptica houdt zich bezig met het focusseren en afbeelden van bundels van geladen deeltjes (elektronenmicroscopie, beeldbuizen, deeltjesversnellers, etc.)
• Fysische chemie – houdt zich bezig met de grensgebieden van natuur- en scheikunde. Onderwerpen zijn bijvoorbeeld oppervlakteverschijnselen, diffusie, osmose, colloïden enzovoorts. Wordt in de praktijk tot de scheikunde gerekend.
• Geofysica – de studie van de natuurkundige verschijnselen die zich voordoen in de aarde, zowel in de aardkorst als in de aardmantel en aardkern. De seismologie valt hier ook onder.
• Kernfysica, en de daaruit voortkomende deeltjesfysica – de natuurkunde van de elementaire deeltjes waaruit een atoom en de atoomkern bestaat. Dat zijn niet alleen protonen, neutronen en elektronen, maar ook vele andere kleine deeltjes zoals het positron. Protonen en neutronen bestaan op hun beurt uit quarks. Sommige van die deeltjes leven zeer kort (hebben een „korte halveringstijd”). De kernfysica heeft onder andere geleid tot de uitvinding van de atoombom, maar ook van de kernreactor en de nucleaire geneeskunde.
• Kwantummechanica – De beschrijving van materie op moleculair, atomair en subatomair niveau, die samen met de relativiteitstheorie de hele fysica aan het begin van de 20e eeuw een nieuwe basis gaf. Beide theorieën vallen onder de noemer van moderne natuurkunde, in tegenstelling tot al wat deze twee theorieën voorafging, de klassieke natuurkunde genoemd.
• Mathematische fysica, in Vlaanderen ook Wiskundige natuurkunde genaamd – doet aan wiskundige theorievorming ten behoeve van fundamenteel fysisch onderzoek.
• Mechanica – de oudste tak van de klassieke fysica: het gedrag van voorwerpen bij stilstand en in beweging, met de kernbegrippen massa, kracht, impuls, arbeid en energie. Een raakvlak met de vastestoffysica is de sterkteleer van materialen.
• Medische fysica – onderzoek naar en toepassing van natuurkunde in de geneeskunde, zoals radiologie, echoscopie, longfunctieonderzoek, zintuigfysica (audiologie, toepassingen in de oogheelkunde), nucleaire geneeskunde, verdere beeldvormende technieken als MRI, CT, Petscan enzovoorts.
• Meteorologie – de studie aan de atmosfeer en de natuurkundige verschijnselen die zich daarin afspelen. Weersvoorspelling en klimaatverandering zijn maatschappelijk relevante aspecten.
• Metrologie – Het definiëren van meeteenheden en het ontwikkelen van nauwkeurige meettechnieken.
• Molecuulfysica – onderzoekt de eigenschappen van moleculen, zoals de overgangen tussen energieniveaus van trillingen en rotaties. Heeft verbindingen met de fysische chemie.
• Optica – Geometrische optica houdt zich bezig met breking en reflectie van licht en de hieruit voortkomende afbeeldingstechnieken, waarbij de lichtstraal het model is voor lichtvoortplanting. Fysische optica houdt zich bezig met het gedrag van licht als vorm van elektromagnetische straling, als fotonen die met de lichtsnelheid reizen en zich soms als een deeltje, maar soms ook als een golf gedragen. Componenten die in de geometrische optica worden gebruikt, zijn lenzen, prisma’s, spiegels, e.d. De fysische optica werkt met tralies, lasers en veel andere apparatuur. Een voorbeeld van een resultaat van fysisch-optisch onderzoek is een hologram. Verdere uitbreidingen van de fysische optica zijn niet-lineaire optica, die zich met zeer hoge lichtintensiteiten bezighoudt, en kwantumoptica, die het grensgebied tussen optica en kwantummechanica als onderzoeksterrein heeft.
• Plasmafysica – onderzoekt extreem hete gassen, waarin de moleculen niet alleen uiteenvallen in atomen, maar de atomen ook hun elektronen verliezen, zodat er gassen van tegengesteld geladen deeltjes ontstaan (plasma's). Hierin kan kernfusie optreden, zoals in de kern van een ster en in een waterstofbom. Het belangrijkste toegepaste onderzoek beoogt het bewerkstelligen van beheerste kernfusie, hetgeen een vrijwel onuitputtelijke en milieuvriendelijke bron van energie mogelijk zou maken. Ook magnetohydrodynamica, die het gedrag van stromende plasma’s in een magneetveld bestudeert, wordt veelal als onderdeel van de plasmafysica beschouwd.
• Relativiteitstheorie – houdt zich bezig met verschijnselen bij snelheden dicht onder de lichtsnelheid (3 × 10⁸ m/s) en de fysica op zeer grote schaal in de kosmologie. Onderscheiden worden hier nog de speciale relativiteitstheorie, die zich beperkt tot eenparige bewegingen (dat wil zeggen met constante snelheid en constante richting), en de algemene relativiteitstheorie, die zich vooral met versnellingen en zwaartekracht bezighoudt.
• Snaartheorie en M-theorie – nieuwe theorieën die de vier fundamentele natuurkrachten trachten te verklaren met een universele, nog niet bestaande theorie. Zij hebben de pretentie de kwantumveldentheorie en de algemene relativiteitstheorie te vervangen als grondslag voor de natuurkunde, maar zijn nog omstreden en onvoldoende uitgewerkt en getest.
• Statistische thermodynamica of statistische mechanica – bestudeert het gedrag van grote aantallen deeltjes en legt daarmee een verbinding tussen mechanica enerzijds en thermodynamica anderzijds.
• Stromingsleer, omvattende vloeistofmechanica en aerodynamica – het onderzoek aan stroming van gassen en vloeistoffen, dat een grote rol speelt in ontwikkelingen in bijvoorbeeld de luchtvaart. Gebieden waarvan nog lang niet alles bekend is, zijn onder andere turbulentie en gedrag bij supersonische snelheid.
• Thermodynamica (ook wel 'warmteleer' genoemd) – doet onderzoek aan temperatuur en druk van gassen en vloeistoffen, maar ook bij fase-overgangen, zoals het smelten van ijs naar water, waarbij smeltwarmte vrijkomt. Is sterk verbonden met onder andere de fysische chemie, maar ook met (deelgebieden van) de werktuigbouwkunde.
• Vastestoffysica – de natuurkunde van de vaste stoffen. Dit vak kent verschillende deelgebieden zoals materiaalkunde, metallurgie, magnetische materialen, halfgeleiderfysica en supergeleiding.

De natuurkunde vindt toepassingen die tot de technische natuurkunde gerekend kunnen worden. Alle moderne apparatuur, zoals de laser en de op de transistor gebaseerde informatie- en communicatietechnologie, dus de computer, het internet, de mp3-speler, de mobiele telefoon, maar ook allerhande voertuigen te land, ter zee in de lucht en in de ruimte, alsmede het meeste wapentuig, zouden zonder de hedendaagse natuurkunde niet uitgevonden zijn.

• Portaal Natuurkunde
• Natuurkunde van A tot Z
• Geschiedenis van de natuurkunde
• Onopgeloste problemen in de natuurkunde

Wikibooks heeft meer over dit onderwerp: Cursus Fysica.

Zie de categorie Natuurkunde van Wikimedia Commons voor mediabestanden over dit onderwerp.