Natuurkunde

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
Portal.svg Portaal Natuurkunde

Beluister

(info)
Dubbele regenboog (de tweede boog is vaag zichtbaar buiten de eerste). Overtallige regenbogen zijn binnen de eerste boog te zien. De schaduw van de camera is het middelpunt van de cirkelboog. Opname in Wrangell–St. Elias National Park and Preserve, Alaska.
Bliksem is een elektrostatische ontlading in de atmosfeer.
Lava-fontein van 10 m hoog in de vorm van een parabool toont zowel Galilei's valwet als zwarte straling – de temperatuur is af te lezen aan de kleur met de Wet van Wien. Pahoehoe-type lava, ten zuiden van Pu‘u Kahaualea, Hawaï, United States Geological Survey, 1983.
Een laserstraal vanaf de Keck-telescoop-2 op Mauna Kea, Hawaï. Deze straal dient om voor atmosferische effecten (astronomisch zicht) tijdens sterrenkundige waarnemingen te corrigeren door middel van adaptieve optiek. Rechts is de Melkweg zichtbaar. Uit de sterrenstreepjes blijkt de rotatie van de aarde gedurende de belichtingstijd van 3 minuten. 2006
F-18 Hornet met transsonische snelheid (rond de geluidssnelheid). De kegelvormige wolk ontstaat door condensatie van waterdruppeltjes in de zone van lagere druk en temperatuur achter de vleugel. Ook bovenachter de cockpit is condensatie zichtbaar.
De frequentie en de golflengte van een bewegende geluids- of lichtbron verandert voor de waarnemer door het dopplereffect. Links verdichten de golven zich, maar rechts is hun tussenruimte vergroot.
Gemaal bij Kinderdijk past schroef van Archimedes toe om water op te pompen.
Een met de computer gesimuleerde botsing van twee protonen in de CMS-detector van de Large Hadron Collider van CERN, waarin het langverwachte higgsboson optreedt en uit elkaar valt.
Zonnepanelen op een woning
Bioscoopjournaal uit 1971 over een open dag in natuurkundige laboratoria in Nederland.

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

Zoals de meeste natuurwetenschappen wordt de natuurkunde beoefend in een wisselwerking tussen theorie en experiment (de zogenaamde wetenschappelijke methode), waarbij theorieën leiden tot experimenten, experimenten kunnen dienen als inspiratie of aanwijzingen voor theorieën, en die theorieën weer kunnen worden getoetst aan experimenten. 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", dus niet ten koste van de juistheid.

Er bestaan vele vakgebieden en specialisaties binnen de natuurkunde, die wel raakvlakken met elkaar hebben, zoals de optica en het elektromagnetisme, de geofysica en de seismiek. Ontdekkingen in één discipline kunnen grote gevolgen hebben voor andere disciplines. Methoden en technieken uit de natuurkunde blijken verder binnen vele andere wetenschapsgebieden toepasbaar te zijn.

Afbakening[bewerken]

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. 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. Maar sinds een eeuw worden in het gemeenschappelijke gebied van de biofysica natuurkundige eigenschappen van levende systemen onderzocht.

De natuurkunde is een exacte wetenschap, dat wil zeggen dat men streeft naar wiskundige precisie in uitspraken over natuurkundige verschijnselen. De onzekerheidsmarge wordt kwantitatief aangegeven. Vaak worden bewust vereenvoudigende veronderstellingen toegepast bij het opstellen van wiskundige modellen (bijvoorbeeld worden de planeten bij de berekening van hun banen in goede benadering eerst voorgesteld als bolvormig). De klassieke mechanica geldt sinds ruim 100 jaar met twee beperkingen: de snelheden zijn klein ten opzichte van de lichtsnelheid en de hoeveelheden materie zijn macroscopisch. In de quantummechanica spelen ook fundamentele onbepaaldheden in de natuurkundige grootheden zelf (bijvoorbeeld plaats en impuls – de onzekerheidsrelatie van Heisenberg in de deeltjesfysica) een centrale rol. Bovendien moet ook rekening gehouden worden met meetfouten. Een eis die aan een natuurwetenschappelijke uitspraak wordt gesteld is het bekend zijn van de kansverdeling van de foutenmarge.[bron?]

Er zijn veel raakvlakken met de andere exacte wetenschappen:

Methode[bewerken]

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 zichzelf is, zijn wiskunde en natuurkundige theorievorming sinds de tijd van Christiaan Huygens' slingertheorie en Isaac 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 het uitlokken van 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. Vaker wordt een bestaande theorie een speciaal geval van een nieuwe overkoepelende theorie. Een bekend voorbeeld daarvan is de klassieke mechanica van Isaac Newton, die na ruim twee eeuwen ogenschijnlijke onaantastbaarheid een bijzonder geval voor lage snelheden is geworden van de speciale relativiteitstheorie, die op zijn beurt weer een bijzonder geval voor het geval eenparige bewegingen werd van de meeromvattende algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein. Daarnaast werd de klassieke mechanica ook een speciaal geval (namelijk op macroscopische schaal) van de bredere kwantummechanica.

Vakgebieden[bewerken]

Oorspronkelijk was de natuurkunde een overzichtelijk vakgebied. Voor een getalenteerde mens was het in het begin nog mogelijk om het gehele terrein van de natuurkunde te overzien en te beheersen. Veel natuurkundigen hielden zich met diverse soms ver uiteenlopende gebieden hiervan bezig. Bijvoorbeeld Isaac Newton ontdekte een wiskundige uitdrukking voor 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 tevens 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 en ontwikkelde hij de spiegeltelescoop. Maar aan elektriciteit kwam hij niet meer toe.

Door het succes van Galilei, Newton en hun opvolgers is de natuurkunde steeds verder uitgebreid en is het voor een mens niet meer mogelijk om het hele terrein gedetailleerd te volgen. Hierdoor specialiseren de meeste natuurkundigen zich op een bepaald terrein. 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 voltooid leken – bijvoorbeeld de optica – werden weer gestimuleerd door nieuwe ontdekkingen, bijvoorbeeld dankzij de kwantummechanica (foton, laserlicht). Vakgebieden en onderwerpen binnen de natuurkunde zijn:

Toepassingen[bewerken]

De natuurkunde vindt toepassingen die tot de technische natuurkunde gerekend kunnen worden. Alle moderne apparatuur, zoals de laser en de op de transistor gebaseerde informatie- en communicatietechnologie, dus de computer, het internet, de mp3-speler, de mobiele telefoon, maar ook allerhande voertuigen te land, ter zee in de lucht en in de ruimte, alsmede het meeste wapentuig, zouden zonder de hedendaagse natuurkunde niet uitgevonden zijn.

Zie ook[bewerken]

Externe links[bewerken]

Inhoudelijke sites[bewerken]

Nederlandstalig[bewerken]

Engelstalig[bewerken]

Organisaties[bewerken]

Nederland[bewerken]

VS en Engeland[bewerken]

Vista-kmixdocked.png
Door op de afspeelknop te klikken kunt u dit artikel beluisteren. Na het opnemen kan het artikel gewijzigd zijn, waardoor de tekst van de opname wellicht verouderd is. Zie verder info over deze opname, bekijk de oorspronkelijke versie of download de opname direct. (Meer info over gesproken Wikipedia)
Wikibooks Wikibooks heeft een studieboek over dit onderwerp: Cursus Fysica.
Zoek dit woord op in WikiWoordenboek