Fysica velden en disciplines van studie

Fysica is de tak van de wetenschap die zich bezighoudt met de aard en eigenschappen van niet-levende materie en energie die niet wordt behandeld door chemie of biologie, en de fundamentele wetten van het materiaal universum. Als zodanig is het een enorm en divers studiegebied.

Om er iets van te begrijpen, hebben wetenschappers hun aandacht gericht op een of twee kleinere gebieden van de discipline. Hierdoor kunnen ze experts worden op dat beperkte gebied, zonder vast te lopen in de enorme hoeveelheid kennis die er bestaat met betrekking tot de natuurlijke wereld.

Fysica wordt soms onderverdeeld in twee brede categorieën, gebaseerd op de geschiedenis van de wetenschap: Klassieke fysica, waaronder studies die zijn voortgekomen uit de Renaissance tot het begin van de 20ste eeuw; en Moderne natuurkunde, met inbegrip van de onderzoeken die sinds die periode zijn begonnen. Een deel van de deling zou als schaal kunnen worden beschouwd: de moderne fysica richt zich op kleinere deeltjes, nauwkeuriger metingen en bredere wetten die van invloed zijn op hoe we doorgaan met het bestuderen en begrijpen van de manier waarop de wereld werken.

Een andere manier om fysica te verdelen is toegepaste of experimentele fysica (eigenlijk het praktische gebruik van materialen) versus theoretische fysica (het bouwen van overkoepelende wetten over hoe het universum werken).

Terwijl je de verschillende vormen van natuurkunde leest, zou het duidelijk moeten worden dat er enige overlap is. Zo kan het verschil tussen astronomie, astrofysica en kosmologie soms vrijwel zinloos zijn. Voor iedereen, behalve de astronomen, astrofysici en kosmologen, die de verschillen heel serieus kunnen nemen.

Vóór de eeuwwisseling van de 19e eeuw concentreerde de fysica zich op de studie van mechanica, licht, geluid en golfbeweging, warmte en thermodynamica en elektromagnetisme. Klassieke fysica-velden die vóór 1900 werden bestudeerd (en zich blijven ontwikkelen en vandaag worden onderwezen) zijn onder meer:

• Akoestiek: De studie van geluid en geluidsgolven. Op dit gebied bestudeer je mechanische golven in gassen, vloeistoffen en vaste stoffen. Akoestiek omvat toepassingen voor seismische golven, schokken en trillingen, geluid, muziek, communicatie, gehoor, onderwatergeluid en atmosferisch geluid. Op deze manier omvat het aardwetenschappen, biowetenschappen, techniek en kunst.
• Astronomie: De studie van de ruimte, inclusief de planeten, sterren, sterrenstelsels, de diepe ruimte en het universum. Astronomie is een van de oudste wetenschappen en gebruikt wiskunde, natuurkunde en scheikunde om alles buiten de atmosfeer van de aarde te begrijpen.
• Chemische fysica: De studie van natuurkunde in chemische systemen. Chemische fysica richt zich op het gebruik van fysica om complexe fenomenen op verschillende schaalniveaus te begrijpen, van het molecuul tot een biologisch systeem. Onderwerpen zijn onder meer de studie van nanostructuren of dynamische reactiedynamica.
• Computationele fysica: De toepassing van numerieke methoden om fysieke problemen op te lossen waarvoor al een kwantitatieve theorie bestaat.
• Elektromagnetisme: De studie van elektrische en magnetische velden, wat twee aspecten zijn van hetzelfde fenomeen.
• Elektronica: De studie van de elektronenstroom, meestal in een circuit.
• Vloeistofdynamica / vloeistofmechanica: De studie van de fysische eigenschappen van 'vloeistoffen', in dit geval specifiek gedefinieerd als vloeistoffen en gassen.
• Geofysica: De studie van de fysische eigenschappen van de aarde.
• Wiskundige natuurkunde: Wiskundig rigoureuze methoden toepassen om problemen binnen de natuurkunde op te lossen.
• Mechanica: De studie van de beweging van lichamen in een referentiekader.
• Meteorologie / weerfysica: De fysica van het weer.
• Optica / Lichtfysica: De studie van de fysische eigenschappen van licht.
• Statistische mechanica: De studie van grote systemen door de kennis van kleinere systemen statistisch uit te breiden.
• Thermodynamica: De fysica van warmte.

De moderne fysica omvat het atoom en zijn samenstellende delen, relativiteit en de interactie van hoge snelheden, kosmologie en ruimteverkenning en mesoscopische fysica, die delen van het heelal die tussen nanometer en micrometers. Enkele van de velden in de moderne natuurkunde zijn:

• Astrofysica: De studie van de fysische eigenschappen van objecten in de ruimte. Tegenwoordig wordt astrofysica vaak door elkaar gebruikt met astronomie en veel astronomen hebben een natuurkundig diploma.
• Atoomfysica: De studie van atomen, met name de elektroneneigenschappen van het atoom, in tegenstelling tot de kernfysica die alleen de kern beschouwt. In de praktijk bestuderen onderzoeksgroepen meestal atoom-, moleculaire en optische fysica.
• Biofysica: De studie van de fysica in levende systemen op alle niveaus, van individuele cellen en microben tot dieren, planten en hele ecosystemen. Biofysica overlapt met biochemie, nanotechnologie en bio-engineering, zoals de afleiding van de structuur van DNA uit röntgenkristallografie. Onderwerpen kunnen bio-elektronica, nanogeneeskunde, kwantumbiologie, structurele biologie, enzymkinetiek, elektrische geleiding in neuronen, radiologie en microscopie omvatten.
• Chaos: De studie van systemen met een sterke gevoeligheid voor initiële omstandigheden, dus een kleine verandering aan het begin worden al snel grote veranderingen in het systeem. Chaostheorie is een element van de kwantumfysica en nuttig in de hemelmechanica.
• Kosmologie: De studie van het universum als geheel, inclusief zijn oorsprong en evolutie, inclusief de oerknal en hoe het universum zal blijven veranderen.
• Cryofysica / Cryogenica / Fysica bij lage temperatuur: De studie van fysische eigenschappen in situaties met lage temperaturen, ver onder het vriespunt van water.
• Kristallografie: De studie van kristallen en kristallijne structuren.
• Hoge-energiefysica: De studie van de natuurkunde in systemen met extreem hoge energie, in het algemeen binnen de deeltjesfysica.
• Hogedrukfysica: De studie van de fysica in systemen met extreem hoge druk, meestal gerelateerd aan vloeistofdynamica.
• Laserfysica: De studie van de fysische eigenschappen van lasers.
• Moleculaire fysica: De studie van de fysieke eigenschappen van moleculen.
• Nanotechnologie: de wetenschap van het bouwen van circuits en machines van enkelvoudige moleculen en atomen.
• Kernfysica: De studie van de fysische eigenschappen van de atoomkern.
• Deeltjesfysica: De studie van fundamentele deeltjes en de krachten van hun interactie.
• Plasmafysica: De studie van materie in de plasmafase.
• Quantum elektrodynamica: De studie van de wisselwerking tussen elektronen en fotonen op kwantummechanisch niveau.
• Kwantummechanica / kwantumfysica: De studie van de wetenschap waarbij de kleinste afzonderlijke waarden, of kwanta, van materie en energie relevant worden.
• Quantum Optics: De toepassing van kwantumfysica aansteken.
• Quantumveldentheorie: De toepassing van kwantumfysica op velden, waaronder de fundamentele krachten van het universum.
• Quantum Gravity: De toepassing van kwantumfysica op zwaartekracht en unificatie van zwaartekracht met de andere fundamentele interacties tussen deeltjes.
• Relativiteit: De studie van systemen die de eigenschappen van Einstein's weergeven relativiteitstheorie, wat in het algemeen inhoudt dat men beweegt met snelheden die zeer dicht bij de lichtsnelheid liggen.
• String Theory / Superstring Theory: De studie van de theorie dat alle fundamentele deeltjes trillingen zijn van eendimensionale energiereeksen, in een hoger dimensionaal universum.

Bronnen en verder lezen

• Simonyi, Karoly. 'Een culturele geschiedenis van de natuurkunde.' Trans. Kramer, David. Boca Raton: CRC Press, 2012.
• Phillips, Lee. "De eindeloze raadsels van de klassieke fysica." Ars Technica, 4 augustus 2014.
• Teixeira, Elder Sales, Ileana Maria Greca en Olival Freire. "De geschiedenis en filosofie van de wetenschap in het natuurkunde-onderwijs: een onderzoekssynthese van didactische interventies." Wetenschappelijk onderwijs 21.6 (2012): 771–96. Afdrukken.