Natuurkunde

De natuurkunde of fysica is de wetenschap van de materie. Ook wordt wel gezegd dat natuurkunde de niet-levende natuur bestudeert. De levende natuur wordt bestudeerd door de biologie (een verwarrende maar inmiddels weinig meer gebruikte term voor biologie was kennis der natuur, of ook wel natuurlijke historie, 'natte his')

[bewerk] Afbakening van het vakgebied

De natuurkunde is een exacte wetenschap.

Natuurkundigen bestuderen het gedrag en de interactie van materie en energie in ruimte en tijd. Het woord materie moet breed worden opgevat. Het kan gaan om massa op macroscopische schaal, maar ook om bijvoorbeeld straling of individuele elementaire deeltjes en hun interacties. De natuurkundige bestudeert de eigenschappen van de elementen en verbindingen, zoals faseovergangen, kristalstructuur, viscositeit, en warmtegeleiding, en probeert het hoe en waarom van deze eigenschappen te verklaren.

Er zijn veel raakvlakken met de meeste andere exacte wetenschappen:

De wiskunde. Dit is een van de belangrijkste, zo niet het belangrijkste instrument om natuurkundige waarnemingen in een samenhangende theorie te gieten om deze trachten te verklaren. De moderne natuurkundige kan daarom niet buiten een grote kennis van en ervaring met de wiskunde. De meest 'esoterische' deelgebieden van de natuurkunde zoals kosmologie en kwantummechanica worden beoefend door natuurkundigen die eigenlijk meer wiskundigen zijn dan natuurkundigen. Hun theorieën zijn over het algemeen zeer ingewikkeld en leiden dikwijls ook tot nieuwe inzichten in de zuivere wiskunde zelf. Hier vindt daarom ook een vruchtbare 'kruisbestuiving' plaats tussen deze beide exacte wetenschappen waar de ontdekkingen in de ene discipline grote gevolgen kan hebben voor de andere discipline.
De scheikunde, waar gekeken wordt naar reacties tussen verschillende stoffen (fysische chemie).
De biologie, die zich voornamelijk bezighoudt met de levende materie (biofysica).
Aardwetenschappen (geofysica), dat zich bezighoudt met processen in het binnenste van de aarde.
De sterrenkunde, die zich bezighoudt met verschijnselen buiten de aardse dampkring.
Meteorologie en oceanografie, die zich bezighouden met verschijnselen in de atmosfeer en oceanen.

De natuurkunde gebruikt de wetenschappelijke methode. Het vak is sterk gebaseerd op waarnemingen of metingen. Op grond van die waarnemingen probeert de natuurkundige zich een beeld te vormen van de achterliggende regels. De afgeleide regels worden samengevat in een theorie, die meestal in de vorm van een wiskundige formule wordt weergegeven. Met een natuurkundige theorie is het mogelijk om voorspellingen te doen over het gedrag van het natuurkundige fenomeen dat bestudeerd wordt. Die voorspellingen worden vergeleken met de waarnemingen. Als de voorspellingen blijken te kloppen, probeert men meer voorspellingen te doen en te controleren. Als de voorspellingen niet blijken te kloppen, wordt de theorie verworpen en een nieuwe theorie gezocht. Zo is een natuurkundige theorie nooit de absolute waarheid, maar blijft ze altijd ondergeschikt aan de werkelijkheid, de waarnemingen. Natuurkundige theorieën die over langere tijd een belangrijke groep waarnemingen kunnen verklaren worden natuurwetten genoemd. Voor het doen van goede waarnemingen is een systeem van natuurkundige grootheden en eenheden ontwikkeld.

[bewerk] Vakgebieden

Oorspronkelijk was de natuurkunde een ongedeeld vakgebied. Isaac Newton hield zich bezig met de zwaartekracht die een appel op de grond laat vallen. Maar ook bedacht hij dat diezelfde zwaartekracht zorgt voor de wederzijdse aantrekking van de aarde en de maan. Hij bestudeerde tegelijkertijd het licht en ontdekte dat wit licht in vele kleuren uiteenvalt als het door een prisma gebroken wordt.

Tegenwoordig is de natuurkunde echter zo complex geworden dat ze in talloze onderdelen uiteenvalt en geen mens is meer in staat om alle deelgebieden intensief te volgen, hoewel er nog steeds jaarlijks een Nobelprijs voor de Natuurkunde wordt uitgereikt. Veel natuurkundige vakgebieden zijn al zo sterk uitgewerkt dat fundamenteel onderzoek vrijwel niet meer gedaan wordt. Zo'n vakgebied, bijvoorbeeld de optica, vindt vooral veel toepassingen in de techniek. Dit laat tegelijk zien hoeveel nut het heeft om natuurkundig onderzoek te doen. Andere vakgebieden van de natuurkunde zijn nog volop in beweging.

Een lijst van vakgebieden die nog veel in beweging zijn:

Astrofysica, astronomie en kosmologie - de natuurkunde van de sterren en het heelal. Om astrofysisch onderzoek buiten de (hinderlijke) atmosfeer te doen wordt onder andere 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 Hubble Ruimtetelescoop die al veel nieuwe ontdekkingen heeft gedaan. Ook vanaf aarde wordt onderzoek gedaan naar de nabije sterren in de melkweg, de objecten in ons zonnestelsel en zo meer. Verder gelegen objecten worden bijvoorbeeld onderzocht met een radiotelescoop. 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.
Kernfysica, ook wel Hoge energie fysica genoemd - 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 en hebben een korte halveringstijd. De kernfysica heeft onder andere geleid tot de uitvinding van de atoombom, maar ook tot de ontdekking van de Röntgenstraling.
Kwantummechanica - Het onderzoek naar de bijzondere eigenschappen van kleine deeltjes en hoe die elkaar beïnvloeden. De deeltjes blijken spin te bezitten en men maakt onderscheid tussen fermionen en bosonen, die door hun spin geheel andere eigenschappen hebben. Het vakgebied waaraan het onderzoek begon in het begin van de 20e eeuw door Max Planck en Niels Bohr is nog steeds volop in beweging.
Plasmafysica - waarin onderzoek wordt gedaan naar kernfusieprocessen zoals die in de zon optreden. Het doel van de plasmafysica is om ooit schone kernfusie te ontwikkelen.
Snarentheorie en M-theorie: een nieuwe theorie die de vier krachten tracht te verklaren met een universele theorie.
Vastestoffysica - de natuurkunde van de vaste stoffen. Dit vak kent weer vele deelgebieden, zoals materiaalkunde, magnetisme en supergeleiding.

Zonder het baanbrekende onderzoek tekort te doen dat daar nog plaatsvindt, hier een lijst met wat oudere vakgebieden:

Aerodynamica - het onderzoek aan stroming van gassen en vloeistoffen dat een grote rol speelt in ontwikkelingen in bijvoorbeeld de luchtvaart. Nog steeds is nog niet alles bekend over wat er gebeurt met turbulentie en bij supersonische snelheid.
Akoestiek - de studie van geluid.
Atoomfysica - de studie van de atomen, met name de manier waarop elektronen zich binnen het atoom gedragen. De atoomfysica ligt dicht aan tegen het vakgebied fysische chemie
Elektriciteitsleer - Studie van verschijnselen die te maken hebben met verplaatsing van elektrische lading, elektrische stroom, onder invloed van spanning door bijvoorbeeld een weerstand. Ook een begrip als zelfinductie komt uit de elektriciteitsleer (zie ook elektrotechniek, elektronica)
Geofysica - de studie van de natuurkundige verschijnselen die zich voordoen in de aarde, zowel in de aardkorst als in de aardmantel en aardkern.
Mechanica - Het gedrag van deeltjes tijdens botsingen. Hoe dat gedrag afhangt van hun massa, snelheid en impuls. De behoudswetten die daarbij gelden. Hoe de wrijving alles beïnvloedt.
Metrologie Het met grote nauwkeurigheid vaststellen van natuurkundige constanten.
Meteorologie - de studie aan de atmosfeer en de natuurkundige verschijnselen die zich daarin afspelen.
Optica - Het gedrag van licht als vorm van elektromagnetische straling, van fotonen die met de lichtsnelheid reizen en zich soms als een deeltje, maar soms ook als een golf gedragen. Instrumenten die in de optica worden gebruikt zijn de lens, het prisma en de tralie
Thermodynamica - sterk verbonden met de fysische chemie 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.

[bewerk] Toepassingen

De natuurkunde vindt toepassingen in vele exacte wetenschappen en ook in de techniek. Veel moderne apparatuur, zoals de laser en de op de transistor gebaseerde computer, zouden zonder de hedendaagse natuurkunde niet mogelijk zijn.

Door hier te klikken kunt u dit artikel beluisteren ^{(help of meer info)}. Na het opnemen kan het artikel gewijzigd zijn, waardoor de tekst van de opname wellicht verouderd is. Zie info over deze opname.