# Fysikk

En superleder viser Meissner-effekten.
Fakultet for matematikk og fysikk, Universitetet i Szczecin, Polen
**Fysikk** er vitenskapen om naturen, universets elementære byggestener og de fundamentale kreftene som virker mellom dem. Fysikken utforsker sammenhenger mellom slike fundamentale fenomener som masse, energi (arbeid) og bevegelse. Et viktig mål i fysikken er å oppdage universelle lover som beskriver prosesser og årsakssammenhenger som gjelder overalt i naturen. Ved siden av den matematiske metode søker også fysikken å tilby universelle lover og aksiomer som byggestener for de særskilte studiene av naturen gjennom biologi, kjemi, geologi, og andre naturvitenskaper.

I tillegg til de fundamentale kreftene finnes det symmetri- og bevaringslover for energi, bevegelsesmengde, ladning og paritet. Fysikere studerer et vidt spekter av fysiske fenomener over hele lengdeskalaen; fra de subatomære partiklene all vanlig (baryonsk) masse er bygget opp av (partikkelfysikk) til hvordan det materielle universet som helhet oppfører seg (kosmologi). I denne forskningen benytter fysikerne seg av den vitenskapelige metode.

Da fysikk er studiet av de grunnleggende bestanddelene i naturen, anvendes oppdagelser i faget i alle de andre delene av naturvitenskapen. Noen av fenomenene som studeres i fysikken, som bevaring av energi, er felles for *alle* massesystemer. Disse kalles ofte fysikkens lover. Andre fenomener, som superledning, utledes fra disse lovene, men er ikke lover selv, fordi de bare gjelder i enkelte systemer. Fysikk kan sies å legge grunnlaget for store deler av andre vitenskaper, som biologi, kjemi og geologi, fordi disse behandler definerte massesystemer som er underlagt fysikkens lover. For eksempel er kjemi vitenskapen om molekyler og kjemikaliene de utgjør. Egenskapene til et kjemisk stoff avgjøres av egenskapene til de underliggende molekylene, som kan beskrives med fysiske teorier om kvantemekanikk, termodynamikk og elektromagnetisme.

Fysikk har tette bånd til matematikk, som bidrar med et logisk rammeverk. Dermed kan fysiske lover formuleres presist og elegant, og forutsigelser kan kvantifiseres. Fysiske teorier uttrykkes nesten alltid med matematiske relasjoner. Forskjellen mellom de to fagene er at mens fysikk er opptatt av å beskrive og forstå den materielle verden, er matematikk studiet av abstrakte, logiske sammenhenger og trenger ikke ha noen praktisk anvendelse.

Det er imidlertid ikke alltid like enkelt å skille mellom fagene. Matematisk fysikk ligger i skjæringspunktet mellom fysikk og matematikk, og forsøker å utvikle det matematiske rammeverket for fysiske teorier.

## Oversikt over fysikken

### Sentrale teorier

Selv om fysikere behandler svært forskjellige systemer, finnes det teorier som alle benytter seg av. Alle disse teoriene blir ansett som grunnleggende korrekte, innen gitte grenseverdier. For eksempel beskriver klassisk mekanikk korrekt bevegelsen av objekter, så lenge de er mye større enn atomer og beveger seg mye langsommere enn lyshastigheten. Disse teoriene er fortsatt under lupen til forskerne; blant annet ble et viktig felt av klassisk mekanikk, kaosteori, oppdaget i det 20. århundre, tre hundre år etter Isaac Newtons (1643–1727) opprinnelige formulering av den klassiske mekanikken. Disse «sentrale teoriene» er viktige verktøy for forskning i mer avgrensede områder av fysikken, og enhver fysiker forventes å kunne dem godt.

| Teori | Store underemner | Begreper |
| --- | --- | --- |
| Klassisk mekanikk | Newtons bevegelseslover, Lagrange-mekanikk, Hamilton-mekanikk, Kinematikk, Statikk, Dynamikk, Kaosteori, Akustikk, Fluiddynamikk, Kontinuumsmekanikk | Tetthet, Dimensjon, Gravitasjon, Rom, Tid, Bevegelse, Lengde, Posisjon, Hastighet, Akselerasjon, Masse, Bevegelsesmengde, Kraft, Energi, Dreiemoment, Torsjon, Bevaringslov, Friksjon, Harmonisk oscillator, Bølge, Arbeid, Effekt |
| Elektromagnetisme | Elektrostatikk, Elektrodynamikk, Elektrisitet, Magnetisme, Maxwells ligninger, Optikk | Kapasitans, Elektrisk ladning, Elektrisk strøm, Elektrisk konduktivitet, Elektrisk felt, Elektrisk permittivitet, Elektrisk motstand, Elektromagnetisk felt, Elektromagnetisk induksjon, Elektromagnetisk stråling, Gaussisk flate, Magnetisk felt, Magnetisk fluks, Magnetisk monopol, Magnetisk permeabilitet |
| Termodynamikk og Statistisk mekanikk | Varmekraftmaskin, Kinetisk teori | Boltzmanns konstant, Konjugatvariabler, Entalpi, Entropi, Tilstandsligningen, Ekvipartisjonsteorem, Termodynamikkens første lov, Fri energi, Varme, Eksergi, Anergi, Ideell gasslov, Indre energi, Irreversible prosesser, Partisjonsfunksjon, Trykk, Reversible prosesser, Termodynamikkens andre lov, Spontane prosesser, Tilstandsfunksjon, Statistisk ensemble, Temperatur, Termodynamisk likevekt, Termodynamisk potensial, Termodynamiske prosesser, Termodynamisk tilstand, Termodynamisk system, Termodynamikkens tredje lov, Viskositet, Termodynamikkens nullte lov |
| Kvantemekanikk | Veiintegralkvantisering, Spredningsteori, Schrödinger-ligningen, Kvantefeltteori, Statistisk kvantemekanikk | Adiabatisk forenkling, Korrenspondanseprinsippet, Fri partikkel, Hamilton-operatoren, Hilbertrom, Identiske partikler, Matrisemekanikk, Plancks konstant, Operatorer, Kvant, Kvantisering, Kvantesammenfiltring, Harmonisk oscillator, Kvantetall, Kvantetunnelering, Schrödingers katt, Spinn, Bølgefunksjon, Bølgemekanikk, Bølge-partikkel-dualitet, Nullpunktsenergi, Paulis utelukkelsesprinsipp, Heisenbergs uskarphetsrelasjon |
| Relativitetsteori | Spesiell relativitet, Generell relativitet, Einsteins feltligning | Kovarians, Einstein-mangfoldighet, Ekvivalensprinsippet, Fire-impuls, Fire-vektor, Generell relativitetsteori, Geodetisk bevegelse, Gravitasjon, Gravitoelektromagnetisme, Treghetssystem, Invarians, Lengdekontraksjon, Lorentz-mangfoldighet, Lorentz-transformasjon, Minkowski-metrikk, Minkowski-diagram, Minkowski-rom, Relativitetsteorem, Proper lengde, Proper tid, Referansesystem, Hvileenergi, Hvilemasse, Simultanitetsteorem, Tidrom, Spesielle relativitetsteori, Lyshastighet, Spennings-energi-tensor, Tidsdilatasjon, Tvillingparadokset, Verdenslinje |

### Hoveddeler av fysikken

Dagens forskning innen fysikk kan deles inn i forskjellige underkategorier etter hva en studerer. Kondenserte mediers fysikk, anslagsvis det største enkeltområdet i fysikken, handler om hvordan masseansamlinger, som de vanlige faste stoffer og væsker vi opplever i dagliglivet, får sine egenskaper fra hvordan de er bygget opp av atomer og molekyler. Atom- og molekylfysikk, sammen med optikk, forklarer hvordan individuelle atomer og molekyler oppfører seg, og spesielt hvordan de emitterer og absorberer lys. Partikkelfysikk, også kjent som høy-energi-fysikk, er forståelsen av subatomiske partiklers egenskaper, inkludert elementærpartiklene som alle andre masseenheter satt sammen av. Astrofysikk anvender fysikkens lover for å forklare astronomiske fenomener, fra solen og andre objekter i solsystemet til universet som helhet.

Siden det 20. århundre, har de forskjellige områdene av fysikken blitt stadig mer spesialiserte, slik at det i 2012 ikke er uvanlig for fysikere å jobbe innen et bestemt felt i hele karrieren. Universalgenier er blitt mer sjeldne.

| Kategori | Underkategori | Hovedteorier | Begreper |
| --- | --- | --- | --- |
| Astrofysikk | Kosmologi, Planetvitenskap, Plasmafysikk | Big Bang, Lambda-CDM-modell, Kosmisk inflasjon, Generell relativitet, Universal gravitasjonslov | Svart hull, Kosmisk bakgrunnsstråling, Galakse, Gravitasjon, Gravitasjonsstråling, Planet, solsystem, Stjerne |
| Atom-, molekyl-, og optisk fysikk | Atomfysikk, Molekylfysikk, Kjemisk fysikk, Optikk, Fotonfysikk | Kvanteoptikk, Kvantekjemi | Atom, Molekyl, Diffraksjon, Elektromagnetisk stråling, Laser, Polarisering, Spektrallinje |
| Partikkelfysikk | Akseleratorfysikk, Kjernefysikk, Partikkelfysikk fenomenologi | Standardmodellen, Supersymmetri, "Grand unification theory", M-teori | Krefter (gravitasjon, elektromagnetisme, svak kjernekraft, fargekraft), Elementærpartikkel, Antimaterie, Spinn, Spontane symmetribrudd, Teori om alt, Vakuumenergi |
| Kondenserte mediers fysikk | Faststoffysikk, Materialfysikk, Polymerfysikk | BCS-teori, Bloch-bølge, Fermi-gass, Fermi-væske | Fase (gass, væske, fast stoff, Bose-Einstein-kondensat, superleder, superfluid), Elektrisk ledning, Magnetisme, Selv-organisering, Spinn, Spontane symmetribrudd |

### Beslektede emner

Det finnes mye forskning som kombinerer fysikk med andre disipliner av vitenskapen. I det brede emnet biofysikk ser en på hvordan fysiske prinsipper spiller inn i biologiske systemer, og i kvantekjemien studerer forskerne hvordan kvantemekanisk teori spiller inn på atomer og molekylers kjemiske egenskaper. Andre emner som benytter seg av fysiske teorier er listet opp under.

Akustikk – Astronomi – Agrofysikk – Bilteknologi – Biofysikk – Elektronikk – Fysikalsk kjemi – Ingeniørvitenskap – Geofysikk – Kjemisk fysikk – Kvantekjemi – Kvanteinformatikk – Materialteknikk – Matematisk fysikk – Medisinsk fysikk – Numerisk fysikk – Økonomisk fysikk

Den Internasjonale Fysikkolympiaden er en konkurranse for ungdom med interesse for faget.

### Teoretisk og eksperimentell fysikk

Fysikken skiller seg ut fra andre vitenskaper, fordi de fleste fysikere siden det 20. århundre har spesialisert seg i enten teoretisk fysikk eller eksperimentell fysikk. Den store italienske fysikeren Enrico Fermi (1901—1954), som både teoretisk og eksperimentelt bidro sterkt til utviklingen i kjernefysikk, er et viktig unntak. Til sammenligning har nesten alle fremgangsrike teoretikere i biologi og kjemi også vært labforskere. Imidlertid har kvantekjemi og numerisk kjemi i de siste tiårene utviklet seg til å bli autonome fagdisipliner i grenseområdet mellom teoretisk kjemi og teoretisk fysikk. Mange som forsker på kvantekjemi eller atom- og molekylfysikk blir derfor sett på som rene teoretikere.

Teoretikere forsøker å utvikle teorier som kan beskrive og forklare eksisterende resultater fra eksperimenter (empiri), og forutsi framtidige utfall av samme og beslektede forsøk, ved hjelp av matematisk modeller. Labforskere utvikler og gjennomfører eksperimenter for å undersøke nye fenomener og teste teoretiske modeller. Selv om teorier og eksperimenter utvikles relativt separat, er de sterkt avhengige av hverandre. Dersom resultater fra eksperimenter ikke kan forklares med eksisterende teoretisk kunnskap, fører dette ofte til utvikling av nye teorier. På den annen side kan nye teoretiske ideer føre til nye eksperimenter. En del av kritikken mot M-teorien, en populær teori i partikkelfysikk, er at man ikke har funnet noen måter å teste den eksperimentelt.

### Perifere teorier

* Kald fusjon
* Dynamisk gravitasjonsteori
* Eter
* Stasjonær tilstandsteori

## Fotnoter

## Eksterne lenker

* Utdanning.no sin yrkesbeskrivelse av fysiker
* Artikler på Forskning.no om fysikk