Natuurkunde

De natuurkunde 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)

Afbakening van het vakgebied

De natuurkunde is een exactewetenschap .

Natuurkundigen bestuderen het gedrag en de interactie van materie inruimte 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 huninteracties. De natuurkundige bestudeert de eigenschappen van de elementen en verbindingen, zoals bijvoorbeeld faseovergangen, kristalstructuur , viscositeit , en warmtegeleiding , en probeert het hoe en waarom van deze eigenschappen teverklaren.

Er zijn veel raakvlakken met de meeste andere exactewetenschappen :

• De scheikunde , waar juist gekeken wordt naar reacties tussen verschillendestoffen ( fysische chemie )
• De biologie , die zich voornamelijk bezighoudt met de levende materie ( biofysica )
• Aardwetenschappen ( geofysica , sterrenkunde )

De natuurkunde gebruikt de wetenschappelijkemethode . Het vak is sterk gebaseerd op waarnemingen of metingen. Op grond van die waarnemingen probeert denatuurkundige zich een beeld te vormen van de achterliggende regels. De afgeleide regels worden samengevat in een theorie, diemeestal in de vorm van een wiskundige formule wordt weergeven. Met een natuurkundige theorie is het mogelijk om voorspellingen te doen over het gedrag van het natuurkundige fenomeen dat bestudeerd wordt. Die voorspellingenworden vergeleken met de waarnemingen. Als de voorspellingen blijken te kloppen, probeert men meer voorspellingen te doen en tecontroleren. Als de voorspellingen niet blijken te kloppen, wordt de theorie verworpen en een nieuwe theorie gezocht. Zo is eennatuurkundige 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 iseen systeem van natuurkundigegrootheden en eenheden ontwikkeld.

Vakgebieden

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

Tegenwoordig is de natuurkunde echter zo complex geworden dat ze in talloze onderdelen uiteenvalt en geen mens is meer instaat om alle deelgebieden intensief te volgen, hoewel er nog steeds jaarlijks een Nobelprijs voor de Natuurkunde wordt uitgereikt. Veel natuurkundige vakgebieden zijnal zo sterk uitgewerkt dat fundamenteel onderzoek vrijwel niet meer gedaan wordt. Zo'n vakgebied, bijvoorbeeld de optica, vindtvooral veel toepassingen in de techniek . Dit laat tegelijk zien hoeveel nut hetheeft 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 buitende (hinderlijke) atmosfeer te doen wordt onder andere de Space shuttle gebruikt. Meestal word een satelliet 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 ontdekkingenheeft gedaan. Ook vanaf aarde wordt onderzoek gedaan naar de nabije sterren in de melkweg , kometen , de planeten van ons zonnestelsel en zo meer. Verder gelegen objecten worden bijvoorbeeldonderzocht met een radiotelescoop . Zo verkrijgen we steeds meer kennisover de ruimte om ons heen, die vol zit met bijzondere verschijnselen, zoals zwartegaten , nevels en gaswolken . De relativiteitstheorie van Einstein wordt telkens weer door dit soort onderzoek bevestigd.
• Atoomfysica - de natuurkunde van de elementaire deeltjeswaaruit een atoom en de atoomkern bestaat. Dat zijn niet alleen protonen , neutronen en elektronen , maar ook vele andere kleine deeltjes zoalshet positron . Protonen en neutronen bestaan op hun beurt uit quarks Sommige van die deeltjes leven zeer kort en hebben een korte halveringstijd . De atoomfysica heeft onder andere geleid tot de uitvinding van de atoombom , maar ook tot de ontdekking van de Röntgenstraling .
• Vastestoffysica - de natuurkunde van de vaste stoffen. Dit vak kent weer vele deelgebieden, zoals materiaalkunde , magnetisme en supergeleiding .
• Plasmafysica - waarin onderzoek wordt gedaan naarkernfusieprocessen zoals die in de zon optreden. Het doel van de plasmafysica is om ooitschone kernfusie te ontwikkelen.
• Kwantummechanica - Het onderzoek naar debijzondere eigenschappen van kleine deeltjes en hoe die elkaar beinvloeden. De deeltjes blijken spin te bezitten en men maakt onderscheid tussen fermionen en bosonen , die door hun spin geheel andereeigenschappen hebben. Het vakgebied waaraan het onderzoek begon in het begin van de 20eeeuw door Max Planck en NielsBohr is nog steeds volop in beweging.
• Snarentheorie en M-theorie : een nieuwetheorie die de vier krachten tracht te verklarenmet een universele theorie.

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

• Mechanica - Het gedrag van deeltjes tijdens botsingen. Hoedat gedrag afhangt van hun massa , snelheid en impuls . De behoudswetten diedaarbij gelden. Hoe de wrijving alles beinvloedt.
• Optica - Het gedrag van licht als vorm van elektromagnetische straling , van fotonen die met de lichtsnelheid reizenen 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 faseovergangen, zoals het smelten van ijs naar water, waarbij smeltwarmte vrijkomt.
• Aerodynamica - het onderzoek aan stroming van gassen en vloeistoffen dat zo'n grote rol heeft gespeeld in de ontwikkeling van de luchtvaart . Nog steeds is nog niet alles bekend wat er gebeurt met turbulentie en bij supersonische snelheid .
• Akoestiek - de studie van geluid .
• Meteorologie - de studie aan de atmosfeer en de natuurkundige verschijnselen die zich daarin afspelen.
• Geofysica - de studie van de natuurkundige verschijnselendie zich voordoen in de aardkorst .
• Elektriciteitsleer - Studie vanverschijnselen die te maken hebben met verplaatsing van elektrischelading , elektrische stroom , onder invloed van spanning door bijvoorbeeld een weerstand . Ook een begrip als zelfinductie komt uit de elektriciteitsleer (zie ook elektrotechniek , elektronica )
• Metrologie Hetmet grote nauwkeurigheid vaststellen van natuurkundigeconstanten .

Toepassingen

De natuurkunde vindt toepassingen in vele exactewetenschappen 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.