Natuurkunde

Een stuitende bal, gefotografeerd met een
stroboscopische flitser (25 beelden per sec.),
ten behoeve van een natuurkundig experiment.

De natuurkunde oftewel fysica is van oorsprong de wetenschap die algemene eigenschappen onderzoekt van materie, zoals evenwicht en beweging, straling, warmte, licht, magnetisme en elektriciteit, voor zover hierbij geen scheikundige veranderingen optreden. Dit wil zeggen dat de moleculaire samenstelling van stoffen niet verandert. 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.

Tegenwoordig zijn de biofysica en de fysische chemie volwaardige onderdelen van de natuurkunde. Ontdekkingen in een discipline kunnen grote gevolgen hebben voor andere disciplines. Methoden en technieken uit de natuurkunde bleken verder op vele andere wetenschapsgebieden toepasbaar te zijn.

Natuurkundige theorieën kunnen zeer ingewikkeld worden, hoewel er in beginsel gestreefd wordt naar eenvoud. Een uitspraak van Albert Einstein luidt, dat een verklaring "zo eenvoudig mogelijk" moet zijn, "maar niet eenvoudiger".

Afbakening

De natuurkunde is een exacte wetenschap.

Natuurkundigen bestuderen het gedrag en de wisselwerking van materie en energie in ruimte en tijd. Het kan gaan om massa op macroscopische schaal, maar ook om bijvoorbeeld straling of 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.

Er zijn veel raakvlakken met de meeste andere exacte wetenschappen:

• wiskunde. Dit is het belangrijkste instrument om een beschrijving van natuurkundige waarnemingen in de vorm van een samenhangende, kwantificerende en toetsbare theorie te gieten. Een enkele keer leidt fundamenteel onderzoek ook tot nieuwe inzichten in de zuivere wiskunde. Vooral in de 17e, 18e en 19e eeuw hebben geleerden als Newton, Gauss, Stokes, Lagrange, Euler en Fourier aanzienlijk bijgedragen aan de ontwikkeling van nieuwe gebieden in zowel de natuurkunde als de wiskunde (differentiaalrekening, vectoranalyse, potentiaaltheorie en Fourieranalyse, zie ook Mathematische fysica). Tegenwoordig gaan de ontwikkelingen in de wis- en natuurkunde echter minder hand in hand.
• scheikunde, waar gekeken wordt naar reacties tussen verschillende stoffen (raakvlak fysische chemie).
• biologie, die zich voornamelijk bezighoudt met de levende wezens (biofysica, bioinformatica).
• aardwetenschappen (geofysica), dat zich bezighoudt met processen in het binnenste van de aarde.
• sterrenkunde (astrofysica), die zich bezighoudt met verschijnselen buiten de aardse dampkring.
• meteorologie en oceanografie, die zich bezighouden met verschijnselen in de atmosfeer en oceanen.
• informatica. Dit gebied ontstond vanuit de natuurkunde en de wiskunde. Veel methoden in de informatica werden ontwikkeld voor natuurkundige problemen.
• praktisch gerichte vakgebieden zoals de werktuigbouwkunde.
• de technische natuurkunde richt zich op toepassingen.

Methode

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 zich is, zijn wiskunde en natuurkundige theorievorming sinds de tijd van Christiaan Huygens' slingertheorie en 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 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; waarschijnlijker is het dat een bestaande theorie een speciaal geval wordt binnen het bredere kader van een nieuwe theorie. Een bekend voorbeeld daarvan is de klassieke mechanica, die na ruim twee eeuwen schijnbare onaantastbaarheid een bijzonder geval (nl. voor lage snelheden) is geworden van de speciale relativiteitstheorie, die op zijn beurt weer een bijzonder geval (nl. voor eenparige bewegingen) werd van de algemene relativiteitstheorie. Daarnaast werd de klassieke mechanica ook een speciaal geval (nl. op macroscopische schaal) van de kwantummechanica.

Vakgebieden

Oorspronkelijk was de natuurkunde een overzichtelijk 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. Ook werkte hij aan warmte en eigenschappen van vloeistoffen. Maar aan elektriciteit kwam hij niet meer toe.

Door het succes van Galilei, Newton en hun opvolgers is de natuurkunde steeds verder uitgebreid. Jaarlijks wordt er een Nobelprijs voor de Natuurkunde uitgereikt. Ondanks de specialisaties binnen de natuurkunde, is het dankzij de gemeenschappelijke basis mogelijk veel deelgebieden met elkaar in verband te brengen. Gebieden die „klaar” leken – bijvoorbeeld de optica – werden weer gestimuleerd door nieuwe ontdekkingen, bijvoorbeeld dankzij de kwantummechanica (foton, laserlicht). Vakgebieden binnen de natuurkunde zijn:

Experimentele natuurkunde

• 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. 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. Een bloeiend vakgebied binnen de astrofysica is bijvoorbeeld de röntgenastronomie. 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).
• Elektromagnetisme en electrodynamica – 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.
• 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.
• Mechanica – de kern 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.
• Metrologie – Het definiëren van meeteenheden en het ontwikkelen van nauwkeurige meettechnieken.
• Optica – Geometrische optica houdt zich bezig met breking en reflectie van licht en de hieruit voortkomende afbeeldingstechnieken. 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. Componenenten 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.
• 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. Hierin kan kernfusie optreden, zoals in 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 stomende plasma’s in een magneetveld bestudeert, wordt veelal als onderdeel van de plasmafysica beschouwd.
• 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 o.a. de fysische chemie, maar ook met (deelgebieden van) de werktuigbouwkunde.
• Vastestoffysica – de natuurkunde van de vaste stoffen. Dit vak kent verschillende deelgebieden zoals materiaalkunde, magnetische materialen, halfgeleiderfysica en supergeleiding.

Theoretische natuurkunde

• 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 t.b.v. fundamenteel fysisch onderzoek.
• Relativiteitstheorie – houdt zich bezig met verschijnselen bij snelheden in de grootteorde van de lichtsnelheid (3 × 10⁸ m/s). Onderscheiden worden hier nog de speciale relativiteitstheorie, die zich beperkt tot eenparige bewegingen (d.w.z. 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. Hebben de pretentie de kwantummechanica te vervangen als grondslag voor de natuurkunde, maar zijn nog omstreden en onvoldoende uitgewerkt en getest.

Toegepaste (of technische) natuurkunde

Deze tak richt zich op toepassingen in veelal andere vakgebieden en heeft dan ook veel overlappingen met andere disciplines:

• Fysische chemie – houdt zich bezig met de grensgebieden van natuur- en scheikunde. Onderwerpen zijn bijv. oppervlakteverschijnselen, diffusie, osmose, kolloïden, etc. Wordt in de praktijk ook vaak 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.
• 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.

Toepassingen

De natuurkunde vindt toepassingen in exacte en andere wetenschappen en in de techniek. Alle moderne apparatuur, zoals de laser en de op de transistor gebaseerde computer, internet, de iPod, het mobieltje, maar ook allerhande voertuigen te land, ter zee en in de lucht, alsmede het meeste wapentuig, zouden zonder de hedendaagse natuurkunde niet mogelijk zijn.

Zie ook

• Natuurkunde van A tot Z

Externe links

• Natuurkundeproefjes op proefjes.nl voor basisonderwijs
• Natuurkunde.nl voor middelbaar onderwijs

WikiWoordenboek

Zoek Natuurkunde op in het WikiWoordenboek.

  Vrije mediabestanden over Physics op Wikimedia Commons

Natuurkunde