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 inWrangell-St. Elias National Park, Alaska.

Bliksem is een elektrostatische ontlading in deatmosfeer.

Lava-fontein van 10 m hoog in de vorm van eenparabool 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 opMauna Kea, Hawaï. Deze straal dient om voor atmosferische effecten (astronomisch zicht) tijdens sterrenkundige waarnemingen te corrigeren door middel van adaptieve optiek. Rechts is de Melkwegzichtbaar. Uit de sterrenstreepjes blijkt de rotatie van de aarde gedurende de belichtingstijd van 3 minuten. 2006

F-18 Hornet met transsonische snelheid (rond degeluidssnelheid). De kegelvormige wolk ontstaat doorcondensatie 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 bewegendegeluids- 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 Archimedestoe 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 langverwachteHiggs-boson optreedt en uit elkaar valt.

Zonnepanelen op een woning

De natuurkunde of fysica is van oorsprong de tak van wetenschap die algemene eigenschappen onderzoekt en beschrijft van materie, straling en energie, zoalskracht, evenwicht en beweging, fasen en faseovergangen, straling, warmte, licht, geluid, magnetisme en elektriciteit, voor zover hierbij geen scheikundigeveranderingen optreden. Dit wil zeggen dat de moleculaire samenstelling van stoffen niet verandert. Formeel is de natuurkunde een beschrijvende en niet een verklarende wetenschap. Daarin verschilt het van de door de oude Grieken ontwikkelde natuurfilosofie, die nauwelijks empirisch en meer speculatief en beschouwend van aard was. Er wordt echter wel gezocht naar samenhang tussen verschillende verschijnselen en naar herleiding van zoveel mogelijk verschijnselen tot zo weinig mogelijk natuurwetten.

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 hetelektromagnetisme, 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.

[bewerken]Afbakening

Natuurkundigen bestuderen het gedrag en de wisselwerking van materie en energie in ruimte en tijd. Het kan gaan om massa opmacroscopische 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 geleidingen 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 biofysicanatuurkundige eigenschappen van levende systemen onderzocht.

De natuurkunde is een exacte wetenschap, dat wil zeggen dat er wordt gestreefd naar wiskundige precisie in uitspraken over en voorspellingen van natuurkundige verschijnselen. Dit wil overigens niet zeggen dat er geen enkele onzekerheidsmarge kan of mag zitten in kwantitatieve uitspraken. Integendeel, er worden bijna altijd bewust vereenvoudigende aannames gemaakt bij het opstellen van wiskundige modellen (voorbeeld: bij het berekenen van planeetbanen worden de planeten eerst voorgesteld als bolvormig); de heleklassieke mechanica is sinds ruim 100 jaar van twee beperkende aannames voorzien: de snelheden zijn klein ten opzichte van de lichtsnelheid en de hoeveelheden materie zijn macroscopisch. In de moderne fysica spelen ook fundamentele onbepaaldheden in de fysische 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 wel gesteld mag worden dat er een kansverdeling van de foutenmarge bekend is.^[bron?]

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. Tegenwoordig gaat natuurwetenschappelijk onderzoek nog maar zelden gepaard met ontwikkelingen in de toegepaste wiskunde. Vooral in de 17e, 18e en 19e eeuw hebben geleerden als Newton, de familie Bernoulli, Gauss, Stokes, Lagrange, Euler, Fourier en Henri Poincaré aanzienlijk bijgedragen aan de ontwikkeling van nieuwe gebieden in zowel de natuurkunde als de wiskunde (differentiaalrekening, vectoranalyse, potentiaaltheorie enFourieranalyse, zie ook Mathematische fysica). Tegenwoordig is deze combinatie uitzonderlijker, hoewel theoretici in desnaartheorie ook nieuwe wiskunde ontwikkelen (bijvoorbeeld Edward Witten).
• scheikunde, waar gekeken wordt naar reacties tussen verschillende stoffen (raakvlak fysische chemie, kwantumchemie).
• astronomie, want de wetten van de fysica zijn van toepassing op de aarde en alle hemellichamen, stofdeeltjes en gaswolken zowel binnen als buiten ons zonnestelsel.
• biologie, die zich bezighoudt met alle levensvormen (biofysica, bio-informatica).

[bewerken]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 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 vanAlbert Einstein. Daarnaast werd de klassieke mechanica ook een speciaal geval (namelijk op macroscopische schaal) van de brederekwantummechanica.

[bewerken]Vakgebieden

Oorspronkelijk was de natuurkunde een overzichtelijk vakgebied. Isaac Newton ontdekte een wiskundige uitdrukking voor dezwaartekracht 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. 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:

• 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 deröntgenastronomie. 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).
• Biofysica - Onderzoekt de natuurkundige kant van (delen van) levende systemen zoals celmembranen, DNA en biomoleculen,fotosynthese (fotobiofysica), spieren, zintuigen, hart en bloedvaten, voortstuwing van eencelligen, prikkelgeleiding in zenuwen, vlucht van vogels en insecten, het effect van radioactieve straling op weefsels enzovoorts.
• Deeltjesfysica (ook hoge-energiefysica genoemd) – Onderzoekt het gedrag van subatomaire deeltjes en de fundamentele natuurkunde die daarbij komt kijken. Wordt vaak met de kernfysica onder één noemer gebracht als subatomaire fysica.
• Econofysica onderzoekt wetmatigheden in de economie en gaat anders dan de gangbare economie, niet uit van evenwicht.
• Elektromagnetisme en elektrodynamica – 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 optredendemagnetische velden. Ook een begrip als zelfinductie komt uit het elektromagnetisme (zie ook elektrotechniek, elektronica). Delorentzkracht, d.i. de kracht die een magneetveld uitoefent op een bewegende elektrische lading, vormt de basis voor elkeelektromotor en generator. Elektronenoptica houdt zich bezig met het focusseren en afbeelden van bundels van geladen deeltjes (elektronenmicroscopie, beeldbuizen, deeltjesversnellers, etc.)
• Fysische chemie – houdt zich bezig met de grensgebieden van natuur- en scheikunde. Onderwerpen zijn bijvoorbeeld oppervlakteverschijnselen, diffusie, osmose, kolloïden enzovoorts. Wordt in de praktijk 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.
• Kernfysica, en de daaruit voortkomende deeltjesfysica – de natuurkunde van de elementaire deeltjes waaruit een atoom en deatoomkern 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 „kortehalveringstijd”). De kernfysica heeft onder andere geleid tot de uitvinding van de atoombom, maar ook van de kernreactor en denucleaire geneeskunde.
• Kwantummechanica – De beschrijving van materie op moleculair, atomair en subatomair niveau, die samen met derelativiteitstheorie de hele fysica aan het begin van de 20e eeuw een nieuwe basis gaf. Beide theorieën vallen onder de noemer vanmoderne 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.
• Mechanica – de kern van de klassieke fysica: het gedrag van voorwerpen bij stilstand en in beweging, met de kernbegrippenmassa, kracht, impuls, arbeid en energie. Een raakvlak met de vastestoffysica is de sterkteleer van materialen.
• 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.
• Metrologie – Het definiëren van meeteenheden en het ontwikkelen van nauwkeurige meettechnieken.
• Molecuulfysica – onderzoekt de eigenschappen van moleculen, zoals de overgangen tussen energieniveaus van trillingen en rotaties. Heeft verbindingen met de fysische chemie.
• 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, alsfotonen 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, zijnlenzen, 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 eenhologram.
• 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 (plasma's). Hierin kan kernfusie optreden, zoals in de 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.
• Relativiteitstheorie – houdt zich bezig met verschijnselen bij snelheden in de grootteorde van de lichtsnelheid (3 × 10⁸ m/s) en de fysica op zeer grote schaal in de kosmologie. Onderscheiden worden hier nog de speciale relativiteitstheorie, die zich beperkt tot eenparige bewegingen (dat wil zeggen met constante snelheid en constante richting), en dealgemene 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 dekwantumveldentheorie en de algemene relativiteitstheorie te vervangen als grondslag voor de natuurkunde, maar zijn nog omstreden en onvoldoende uitgewerkt en getest.
• Statistische thermodynamica of statistische mechanica – bestudeert het gedrag van grote aantallen deeltjes en legt daarmee een verbinding tussen mechanica enerzijds enthermodynamica anderzijds.
• 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, metallurgie, magnetische materialen, halfgeleiderfysica ensupergeleidingen