Fysik

Fysik (från grekiskans φυσικός, physikos som har betydelsen "naturlig" eller från latinets physica som betyder "läran om naturen") är vetenskapen om hur naturen fungerar på den mest fundamentala nivån. Från början var ordet "fysik" ett samlingsnamn för all naturvetenskap som kemi, biologi och geovetenskap. Utvecklingen ledde sedan till att naturvetenskapen delades upp i de discipliner vi känner idag.

NASA:s konstnärliga skildring av ett svart hål.

Block och talja är exempel på tillämpningar av klassisk mekanik.

En myra, betraktad genom ett svepelektronmikroskop, en tillämpning av våg-partikeldualismen.

En regnbåge är ett exempel på hur ljus bryts i övergången mellan vatten och luft.

En magnet som svävar över en supraledare, vilket demonstrerar Meissnereffekten.

Atombomben är ett exempel på de väldiga krafter som fysiken har bemästrat under 1900-talet.

Enkelt uttryckt handlar fysik som vetenskaplig disciplin om olika former av energi och omvandlingar mellan dessa energiformer. Idag behandlar fysiken de beståndsdelar som bygger upp materien och de fundamentala krafter som påverkar dessa beståndsdelar och hur materien rör sig genom rumtiden.

Fysiker studerar dessa problem på alla nivåer, från de minsta beståndsdelarna på subatomär nivå inom högenergifysik och kärnfysik till universums struktur på den allra största skalan inom kosmologin. Däremellan finns forskningsfält som atom- och molekylfysik, kondenserade materiens fysik och rymd- och astrofysik.

På en mer abstrakt nivå går det att säga att fysiken formuleras i termer av symmetrier och bevarandelagar för energi, rörelsemängd, laddning och paritet. Denna koppling, mellan symmetrier och bevarade storheter, beskrivs av Noethers sats som är ett grundläggande teorem inom teoretisk fysik.

Fysik och andra vetenskaper

Fysikens resultat används inom alla fält i naturvetenskapen eftersom den beskriver de grundläggande lagarna för naturen, naturlagarna, till exempel lagen om energins bevarande. Fysiken kan ses som den mest fundamentala vetenskapen, eftersom alla andra naturvetenskaper, exempelvis kemi, biologi och geovetenskap, behandlar system som lyder under fysikens lagar. Kemin, till exempel, behandlar atomer och molekyler, vilka en fysiker beskriver med hjälp av kvantmekanik. Därtill använder kemisten elektromagnetism och i synnerhet termodynamik. Det vore svårt att beskriva kemiska reaktioner med hjälp av grundläggande fysik, men i princip skulle det vara möjligt.

Praktiskt taget alla fysikaliska lagar formuleras i form av matematiska ekvationer. Matematiken blir det språk som används för att formulera fysikens teorier så att de kan göra kvantitativa förutsägelser.

En skillnad mellan fysik och matematik är dock att fysiken syftar till att beskriva hur naturen fungerar, medan matematiken beskriver abstrakta strukturer som inte behöver ha någon koppling till naturen. Samtidigt har fysiken och matematiken utvecklats tillsammans. Ibland har nya matematiska begrepp utvecklats under formuleringen av fysikaliska teorier och vid andra tillfällen har en fysikalisk teori plockat upp matematiska begrepp som tidigare ansågs sakna praktiska tillämpningar. Matematisk fysik studerar de matematiska lösningsmetoder och funktioner som används av fysiker.

Ett flertal ingenjörsvetenskaper har utvecklats ur fysiken, till exempel elektroteknik som har sitt ursprung i studierna av elektromagnetismen under 1800-talet, statik, en underdisciplin av mekaniken, används vid konstruktionen av broar och byggnader, och fasta tillståndets fysik beskriva dopade halvledare, vilka spelar en central roll i modern elektronik.

Metoder

Den fysikaliska forskningen följer i hög grad den vetenskapliga metoden, som bygger på att hypoteser ställs upp för att förklara ett fenomen. Dessa hypoteser används sedan för att göra förutsägelser om resultatet av nya experiment eller observationer, och beroende på utfallet av dessa experiment kommer hypotesen antingen att förkastas eller behållas. Eftersom fysiken är en kvantitativ vetenskap formuleras teorierna uttryckta i matematiska begrepp; vissa discipliner som strängteori är idag snarast ett mellanting mellan fysik och matematik. Fysiker måste dessutom – beroende på område – ha god kännedom om statistik, dels för att analysera resultat från experiment, men också för att kunna beskriva stora komplexa system.

Även om fysiker ofta använder sofistikerade matematiska metoder går det ofta att komma långt genom att bara använda dimensionsanalys, vilket i grund och botten är insikten att en fysikalisk storhet – till exempel massa eller längd – inte utan vidare låter sig utbytas mot en annan; en mening som "den här stången är fem kilo lång" tycks ju vara rent nonsens, men om man vet att en stång av det materialet och med den diametern har massan 10 kilogram per meter, går det lätt att byta mellan massa och längd, och se att om stången har massan 5 kilogram så är den en halv meter lång. För det mesta tillämpas dimensionsanalys på mer komplexa system, och kan då vara en god hjälp för att till exempel kunna säga vilka parametrar som är viktiga eller betydelselösa.

Teori och experiment

Fysiken har i större utsträckning än de andra naturvetenskaperna delats upp i teori och experiment. Från och med nittonhundratalet har de flesta fysiker specialiserat sig på antingen teoretisk eller experimentell fysik, vilket inte är lika vanligt inom biologin och kemin, även om detta börjat förändras på sista tiden. Teoretiska fysiker använder matematiska modeller för att beskriva och tolka befintliga experimentella resultat och kan sedan försöka generalisera dessa modeller till nya teorier och från dessa förutse resultatet av framtida experiment. Experimentalisterna å andra sidan utvecklar experiment som kan testa teoretikernas förutsägelser eller leda till upptäckten av nya fenomen. Framsteg inom fysiken sker oftast när experimentalister får fram resultat som befintliga teorier inte kan förklara, vilket gör att nya teorier måste tas fram, men ibland utvecklas teorier först och verifieras sedan experimentellt – ett exempel på detta är Albert Einsteins allmänna relativitetsteori.

Fenomenologi

Ofta är det svårt att förklara ett experimentellt studerat fenomen direkt från de mest grundläggande fysikaliska teorierna, då kan en fenomenologisk modell användas istället, som kan beskriva viktiga korrelationer mellan de observerade egenskaperna för ett fysikaliskt system. Ofta innehåller en sådan modell flera parametrar som eventuellt måste bestämmas experimentellt. Ett exempel på en sådan teori är Einsteins teori för den fotoelektriska effekten, som bygger på att en elektron som frigörs ur en metallyta utför ett utträdesarbete, för att komma ut ur metallen. Vid denna tid kunde utträdesarbetet inte beräknas teoretiskt utan endast mätas experimentellt. Ett annat exempel på en fenomenologisk teori är klassisk termodynamik som reducerar komplexa system till mätbara storheter som temperatur, tryck och volym.

Centrala teorier

Eftersom fysiken i princip inte begränsar sig i fråga om vad den studerar har det uppstått en mängd mer eller mindre separata delområden, ofta med delvis skilda betraktelsesätt och terminologier.

• Den klassiska mekaniken använder Newtons rörelselagar för att beskriva hur makroskopiska objekt förhåller sig till och växelverkar med varandra vid hastigheter långt under ljushastigheten. Varje fysiskt objekt har ett antal mätbara egenskaper som position, hastighet och massa. Ur dessa kan sedan andra storheter som energi och rörelsemängd härledas. Hållfasthetslära och strömningsmekanik är viktiga underdiscipliner.

• Klassisk elektrodynamik är en teori som beskriver elektromagnetismen, en av universums fundamentala krafter, som förenar elektriska och magnetiska fenomen till en sammanhängande teori, vilken beskrivs av Maxwells ekvationer. Den elektromagnetiska kraften är ansvarig för i princip alla fenomen i vår vardag förutom gravitationen. Centrala begrepp är elektrisk laddning, ström, spänning och elektromagnetiska fält.

• Termodynamiken beskriver utgående från termodynamikens huvudsatser hur värmeenergi kan omvandlas, och utföra ett arbete. Entropi, temperatur och tryck är centrala införda storheter. Termodynamiken utgår från system i jämvikt.

• Kvantmekaniken studerar hur mikroskopiska objekt beter sig. Schrödingerekvationen spelar motsvarande roll som Hamiltons ekvationer gör inom den klassiska fysiken. Båda teorierna använder begrepp såsom läge och rörelsemängd, men genom att dessa i kvantmekaniken beräknas ur en vågfunktion kan de inte båda två samtidigt bestämmas exakt, vilket uttrycks av Heisenbergs osäkerhetsrelation. I kvantmekaniken tillkommer också begreppet spinn, som helt saknar motsvarighet inom klassisk mekanik.

• Relativitetsteori, eller mer specifikt de speciella och allmänna relativitetsteorierna grundar sig på att ljushastigheten är konstant för alla observatörer respektive att acceleration och gravitation är ekvivalenta, vilket leder till att den klassiska mekanikens fundamentala begrepp som massa och rörelsemängd, tid och rum måste ges nya definitioner, samt att energi och massa är ekvivalenta.

Viktiga områden

Inom fysiken finns flera viktiga områden som studerar fenomen där två eller flera av ovanstående teorier är nödvändiga för att ge en komplett bild av området.

• Astrofysiken studerar astronomiska objekt såsom stjärnor och planeter, svarta hål och neutronstjärnor, supernovor och galaxer. En viktig underdisciplin är kosmologin, som beskriver universum som helhet, och dess utveckling.

• Den kondenserade materiens fysik behandlar egenskaper för material, där ett stort antal atomer är starkt bundna till varandra, till exempel metaller, magneter och halvledare, men även mer exotiska materieformer som Bose–Einstein-kondensat.

• Optik är studiet av ljus och hur det kan manipuleras med hjälp av bland annat linser.

• Den subatomära fysiken studerar objekt som är mindre än en atom. Den är väsentligen uppdelad på två områden: partikelfysiken, som studerar elementarpartiklar, och kärnfysiken, som studerar atomkärnor vilka byggs upp av protoner och neutroner. I båda fallen spelar stark och svag växelverkan en central roll.

Klassisk och modern fysik

Efter att kvantmekaniken hade slagit igenom blev det uppenbart för fysikersamfundet att de andra teorierna inte var giltiga på atomära skalor. På grund av detta kallas alla icke kvantiserade teorier för klassiska, inklusive de båda relativitetsteorierna. En klassisk teori är således inte per definition från tiden före skapandet av kvantmekaniken. Klassiska teorier är i allmänhet enklare att arbeta med, och det pågår fortfarande en viss forskning inom klassisk fysik, till exempel kring kaotiska system. För vissa problem går det att undvika en fullständig kvantmekanisk behandling, vilken är svår att arbeta med, genom att kombinera klassisk fysik med en enkel form av kvantifiering. Sådana modeller kallas för semiklassiska.

Eftersom relativitetsteorierna och kvantmekaniken uppstod samtidigt i början på 1900-talet, och då de båda i grunden bryter med den äldre fysikens synsätt, används termen modern fysik för att beskriva fysik som bygger på dem.

Den klassiska fysiken kan ses som approximationer av de moderna teorierna. Den fås från relativitetsteori då ljushastigheten formellt går mot oändligheten och från kvantmekanik då Plancks konstant går mot noll.

Tillämpningar av fysik

Fysiken har ofta utvecklats tillsammans med sina tillämpningar. Termodynamiken utvecklades till exempel ur sina ingenjörsmässiga tillämpningar, såsom ångmaskiner, och har fortfarande viktiga tekniska tillämpningar. Elektronik baserar sig på ellära, men använder idag i stor utsträckning halvledarkomponenter vilka har utvecklats ur den kondenserade materiens fysik. Medicinsk fysik utvecklar fysikaliska metoder såsom röntgenstrålning och radioaktivitet, för att använda dem för diagnostik och behandling inom medicinen. Meteorologin använder flödesdynamik för att beskriva rörelser i atmosfären. Kemin utnyttjar bland annat kvantmekanik och termodynamik i området fysikalisk kemi.

Historia

Isaac Newton 1689.

Galileo Galilei porträtterad 1636.

James Clerk Maxwell

Albert Einstein 1921.

Det teoretiska studiet av universum började som naturfilosofi. Aristoteles var tillsammans med bibeln länge de stora auktoriteterna i Europa och ifrågasattes inte på allvar förrän under renässansen då framförallt Galileo Galilei började tillämpa den vetenskapliga metoden som ersatte auktoritetstro med experiment och vidareutveckling av hypoteser. 1687 kom sedan Isaac Newtons Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica ut, vilken lade grunden för den klassiska mekaniken och i ett slag förklarade en mängd fenomen. Det hade inte insetts tidigare att samma kraft som får äpplet att falla till marken även ligger bakom planeternas rörelse. Insikten om möjligheten, och strävan efter, att förklara vitt skilda fenomen med endast ett fåtal generella lagar som specifika fall sedan härledes ur har sedan dess starkt präglat fysiken. Speciellt lyckad var James Clerk Maxwells sammanfattning av elektromagnetismen i Maxwells ekvationer. I slutet av 1800-hundratalet tycktes detta projekt i stort sett vara slutfört, och det enda som återstod var smärre detaljer såsom ultravioletta katastrofen, vilken drabbade teoretiska beskrivningar av svartkroppsstrålningen och Brownsk rörelse. Under slutet av 1800-talet började även kärnfysiken växa fram till följd av upptäckten av radioaktivitet, ett fenomen etablerat av Marie Curie.

1900 började den kvantfysikaliska revolutionen, då Max Planck i en "desperat handling" införde att energiutbytet mellan en varm kropp och ett elektromagnetiskt fält endast kunde ske i form av kvantiserade energipaket. Det blev då möjligt att formulera en teori som korrekt beskrev spektrumet för den elektromagnetiska strålning som en varm kropp sänder ut, medan tidigare modeller hade förutspått den utsända strålningen skulle bli oändligt stark då våglängden gick mot noll, den så kallade ultravioletta katastrofen. 5 år senare, under sitt annus mirabilis, utvidgade Albert Einstein denna hypotes till att säga att ljuset består av små energipaket, kvanta, för att förklara den fotoelektriska effekten. Dessutom förklarade han samma år den Brownska rörelsen, vilket blev atomteorins genombrott. Som om inte detta vore nog publicerade han dessutom den speciella relativitetsteorin. Under 1920-talet utvecklades sedan den tidiga kvantfysiken till en fullständig teori för mikrokosmos, kvantmekaniken, ur vilken atomernas struktur kunde beräknas, genom banbrytande arbeten av Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg och Paul Dirac. 1918 publicerade Emmy Noether två eleganta teorem som kopplade samman symmetrier i fysikaliska lagar med bevarade storheter. Detta hade stor betydelse för både kvantmekaniken och relativitetsteorierna men teoremen kom att bli erkända som grundläggande matematiska beskrivningar av fysikaliska system först på slutet av 1900-talet.

Under tidigt 1930-tal började den subatomära fysiken ta form då atomen inte längre sågs som den minsta, odelbara entiteten. Flera mindre partiklar hade upptäckts såsom elektronen, protonen och neutronen vilka kom att refereras till som elementarpartiklar. Även kvantiseringen av ljus som Planck och Einstein hade utvecklat sågs nu som en elementarpartikel och fick benämningen foton. Klyvning av atomkärnor studerades flitigt under slutet av 1930-talet och benämndes som fission av Lise Meitner och Otto Robert Frisch år 1939. Under andra världskriget skulle fler framsteg, eller i detta fall kanske snarare felsteg, inom kärnfysiken leda till konstruktion av de första atombomberna. Under efterkrigstiden skedde det sedan en stark utveckling av elementarpartikelfysiken och på 1970-talet formulerades standardmodellen, en teori som beskriver alla fenomen inom elementarpartikelfysiken utom de fenomen som uppstår på grund av gravitation. En viktig del av denna teori är Higgsmekanismen, som beskriver hur partiklarna får massa. Den Higgsboson som förutsägs av denna mekanism observerades slutligen 2012 vid Large Hadron Collider.

Den allmänna relativitetsteorin har å andra sidan spelat en mindre roll för fysikens utveckling, och har i första hand varit relevant inom astrofysiken, där den till exempel förutsade existensen av svarta hål, och kosmologin, där hela big bang-modellen bygger på en lösning av Einsteins fältekvationer.

Fysiken tjänar dock även mänskligheten på betydligt konkretare sätt, bland annat genom utvecklandet av halvledarfysiken, som ligger till grund för nödvändiga komponenter i många moderna apparater, som till exempel datorer, och fysikforskningen har under de senaste decennierna allt mer vänt sig mot tillämpningar, vilket också har avspeglats i nobelprisen i fysik under senare år.

Fysikens framtida utveckling och föreslagna teorier

Turbulens är det främsta olösta problemet inom klassisk fysik

Fysikens teoretiska modeller av verkligheten har avlöst varandra. I dag pågår sökandet av en modell som kan sammanfatta alla fenomen i universum - "teorin om allt", där några av de starkaste kandidaterna är M-teori, supersträngteori och loopkvantgravitation.

Inom den kondenserade materiens fysik görs idag försök att skapa en teori för högtemperatursupraledare, och experimentell möda läggs bland annat på att utveckla spinntronik och kvantdatorer.

Många astronomiska och kosmologiska fenomen är ännu oförklarade, som till exempel det faktum att universum består av mycket mer materia än antimateria samt vad mörk energi och mörk materia är för något. I förlängningen finns här också frågan hur universums expansion är kopplad till tidens riktning.

Inom den klassiska fysiken kvarstår dessutom stora teoretiska problem med hur fenomen som turbulens och kaos skall behandlas.

Avfärdade teorier och resultat

Genom fysikens historia har ett flertal felaktiga teorier dykt upp. När dessa sedan inte visat sig motsvara den observerade verkligheten, har ofta fysikens kunskaper utvecklats kraftigt. En vetenskaplig metod kan inte ge bevis för att något är rätt eller fel, men väl så övertygande belägg i någon riktning. Detta leder till att delar av modeller kan utvecklas vidare och att även de som flertalet avfärdar, sällan överges totalt.

• Steady state-teorin var en modell som till skillnad mot Big Bang-teorin sade att universum alltid funnits, och att det därför inte utvecklas med tiden. Även om den till slut visade sig ohållbar, ledde det faktum att Big Bang hade ett alternativ till att området utforskades snabbare och bättre.
• Eter var ett medium, som man trodde att ljus fortplantade sig i. Detta motsades av Michelson–Morleys experiment, och relativitetsteorin visade att det inte behövs någon eter.

Utbildning och forskning

I Sverige är fysik ett NO-ämne i grundskolan, och ett karaktärsämne på naturvetenskapsprogrammet och teknikprogrammet. På högskola och universitet kan man bland annat studera fysik på naturvetenskapliga program och civilingenjörsprogram, och specialisera sig på civilingenjörsutbildningarna i teknisk fysik samt teknisk fysik och elektroteknik eller på kandidat- och masterprogram i fysik.

Se även

• Fysik på Wikibooks.
  Böcker
• Kända fysiker
• Nobelpriset i fysik

Vidare läsning

• Bodanis, David (2000). E=mc²: Historien om världens mest kända ekvation. Stockholm: Norstedts förlag. ISBN 91-7263-326-3 

Böcker om fysik

• Bengtsson, Hans-Uno (1995). Bengtsson om klassisk fysik. ISBN 91-40-62020-4 
• Feynman, Richard; Leighton, Robert; Sands, Matthew (1989). Feynman Lectures on Physics. Addison-Wesley. ISBN 0-201-51003-0