Redaktion og opdatering af indholdet på denstoredanske.dk er indstillet pr. 24. august 2017. Artikler og andet indhold er tilgængeligt i den form, der var gældende ved redaktionens afslutning.

  • Artiklens indhold er godkendt af redaktionen

fysik

Oprindelig forfatter ON Seneste forfatter Redaktionen

Fysik. Solsystemet og hydrogenatomet har det fællestræk, at begge systemer beherskes af en tiltrækkende kraft, der er rettet mod kraftcentret, og som i størrelse er omvendt proportional med kvadratet på afstanden til centret. Kraften i Solsystemet er  gravitationen, mens den i hydrogenatomet er den  elektromagnetiske vekselvirkning (coulombsk tiltrækning). I den klassiske fysik (Solsystemet) fører det til de velkendte elliptiske banebevægelser for planeterne, som til enhver tid kan lokaliseres til et bestemt sted i banen. I hydrogenatomets laveste kvantetilstand kan elektronen ikke lokaliseres, den er  smurt ud i rummet. Men sandsynligheden for at finde elektronen et bestemt sted i atomet kan angives eksakt ud fra elektronens bølgefunktion.

Fysik. Solsystemet og hydrogenatomet har det fællestræk, at begge systemer beherskes af en tiltrækkende kraft, der er rettet mod kraftcentret, og som i størrelse er omvendt proportional med kvadratet på afstanden til centret. Kraften i Solsystemet er gravitationen, mens den i hydrogenatomet er den elektromagnetiske vekselvirkning (coulombsk tiltrækning). I den klassiske fysik (Solsystemet) fører det til de velkendte elliptiske banebevægelser for planeterne, som til enhver tid kan lokaliseres til et bestemt sted i banen. I hydrogenatomets laveste kvantetilstand kan elektronen ikke lokaliseres, den er smurt ud i rummet. Men sandsynligheden for at finde elektronen et bestemt sted i atomet kan angives eksakt ud fra elektronens bølgefunktion.

fysik, erfaringsvidenskab, som i et samspil mellem teori og observation søger at opstille et sæt almene naturlove, der kan formuleres i matematikkens sprog. Der er flere, indbyrdes supplerende, indgangsvinkler til fysikken. Fra et hjørne fokuserer man på fysikkens grundlæggende teoridannelser og fra et andet hjørne på naturfænomenerne selv, på fysikkens store emneområder. En tredje indgangsvinkel er den historiske: I tiden fra renæssancens afslutning frem til vore dage kan man identificere en række store skridt i fysikkens grundlæggende begrebsdannelser, som fører op til nutidens naturbeskrivelse. Nedenstående oversigt over fysik er struktureret ud fra disse tre, tæt forbundne, indgangsvinkler.

Fysik handler om stof, om bevægelse og om energi i den natur, der omgiver mennesket. Fysikkens arbejdsmetode beror på et tæt samspil mellem eksperiment og teori, og gennem dette samspil er moderne fysik nået til en erkendelse af fundamentale elementer, "byggesten", i opbygningen af stof og energi. Disse byggesten er udgangspunktet for fysikernes beskrivelse af stoffet, både på det mikroskopiske og det makroskopiske plan. Mikrofysik kan fx handle om strukturen og energiforholdene i et enkelt atom, mens makrofysik kan handle om egenskaberne ved et stykke metal med et uhyre stort antal atomer. Grænsedragningen til andre videnskabsgrene er ikke knivskarp. Når nogle få atomer sammenbindes i et molekyle, nærmer man sig kemien. Når tusindvis af atomer bindes sammen i et stort molekyle, kan man være på vej over i biologien. Og når astrofysikerne studerer kæmpestore ansamlinger af stof som stjerner og hele galakser, befinder de sig i grænseområdet mellem fysik og astronomi. Fysikkens faglige afgrænsning er ikke statisk, men undergår hele tiden ændringer i takt med, at nye problemstillinger har kunnet behandles ved fysikkens metoder.

Ordet fysik kommer af latin physica, af græsk physika 'de ting, som vedrører naturen', af physis 'natur' og -ik.

Principielt beskriver fysikken sammensatte systemer ud fra deres bestanddele og ud fra de kræfter, der virker mellem delene. Men taget bogstaveligt ville man kun undtagelsesvis komme nogen vegne med den slags metoder. Fx ville det være uhensigtsmæssigt at forsøge at beskrive metallers fysik ved at analysere den individuelle bevægelse af et metalstykkes ca. 1023 atomer. Fysikeren søger derfor at udvikle hensigtsmæssige og forholdsvis enkle metoder til beskrivelse af sammensatte systemer, som ofte kan karakteriseres ved nogle få størrelser som fx temperatur, tryk, elektrisk ledningsevne og lysstyrke.

Annonce

Fysik. Ved faseovergangen fra vand til is udkrystalliserer vandmolekylerne i smukke krystaller med heksagonal (seksfoldig) rotationssymmetri. I nutidig fysik er symmetribegrebet blevet generaliseret, og symmetribetragtninger spiller en væsentlig rolle ved udformningen af mange fysiske teorier og modeller, ganske særlig i kvantemekanikken.

Fysik. Ved faseovergangen fra vand til is udkrystalliserer vandmolekylerne i smukke krystaller med heksagonal (seksfoldig) rotationssymmetri. I nutidig fysik er symmetribegrebet blevet generaliseret, og symmetribetragtninger spiller en væsentlig rolle ved udformningen af mange fysiske teorier og modeller, ganske særlig i kvantemekanikken.

Fysik er nært forbundet til matematik. Matematikken kommer ind som redskab, når empiriske data skal analyseres og systematiseres. En mere vidtgående anvendelse af matematiske metoder sker, når fysikeren udformer modeller og teoribygninger. Prøvestenen for en fysisk teoridannelse er dens evne til at sammenfatte mange forskellige erfaringer i en enkel, matematisk formalisme, der kan gøre kvantitativt rede for de empiriske data, og som kan føre til korrekte forudsigelser om iagttagelser, der endnu ligger ude i fremtiden.

Eksperiment og teori

Engang var fysikeren både eksperimentator og teoribygger. Men fysikkens tiltagende specialisering og anvendelsen af stadig mere abstrakt matematik og mere avanceret, eksperimentel teknologi har medført en opsplitning af faget i flere grene og i en gruppering i overvejende teoretiske og overvejende eksperimentelle fysikere. De indbyrdes grænsedragninger er dog ikke skarpe, og det er karakteristisk for fysisk videnskab, at den udfolder sig i en tæt dialog mellem eksperiment og teori.

I antikken og middelalderen var fysikken en form for naturfilosofi, som kun havde spinkel forbindelse til eksperimentet. Vore dages fysik har til gengæld kun en svag berøring med filosofiens verden, om end der til stadighed drøftes en række erkendelsesmæssige konsekvenser, særlig af kvanteteorien og af relativitetsteorien. I kvanteteorien er det partikel-bølge-dualismen og den statistiske, ikke-kausale beskrivelse, der fremkalder fortsat debat. For relativitetsteoriens vedkommende er de erkendelsesteoretiske diskussioner knyttet til teoriens abstrakte rum-tid-beskrivelse og til dens omvurdering af begrebet samtidighed.

Fysik. Einsteins elevator er et tankeeksperiment, som illustrerer en konsekvens af ækvivalensprincippet i den generelle relativitetsteori. Ækvivalensprincippet fastslår, at fysiske fænomener i et accelereret koordinatsystem foregår, som om der eksisterer et tyngdefelt modsat rettet accelerationen. En person i en opad accelereret elevator opfatter sig selv som værende i hvile, men påvirket af et nedadrettet tyngdefelt. Dette  fiktive tyngdefelt vil krumme en lysstråle på samme måde, som lyset afbøjes i et egentligt tyngdefelt, fx ved passage forbi Solen. For en iagttager, der ikke er accelereret, vil lysets bane være retlinjet.

Fysik. Einsteins elevator er et tankeeksperiment, som illustrerer en konsekvens af ækvivalensprincippet i den generelle relativitetsteori. Ækvivalensprincippet fastslår, at fysiske fænomener i et accelereret koordinatsystem foregår, som om der eksisterer et tyngdefelt modsat rettet accelerationen. En person i en opad accelereret elevator opfatter sig selv som værende i hvile, men påvirket af et nedadrettet tyngdefelt. Dette fiktive tyngdefelt vil krumme en lysstråle på samme måde, som lyset afbøjes i et egentligt tyngdefelt, fx ved passage forbi Solen. For en iagttager, der ikke er accelereret, vil lysets bane være retlinjet.

Fysik har en tæt forbindelse til teknik og til de tekniske videnskaber, og dagliglivet i et industrialiseret samfund præges overalt af grundlæggende fysiske opdagelser. Velkendte eksempler er elektrisk kraft og belysning, telefonen, radioen og tv, flyvemaskinen og computeren. Omvendt præges den eksperimentelle fysik selv af tidens avancerede teknologi. Partikelfysikernes acceleratorer og rumforskernes satellitter og rumskibe er eksempler på fysikernes brug af ultra-moderne teknik.

Selvom fysik og teknik står hinanden nær, er vejen dog i reglen lang og kompliceret fra grundforskningens resultater til den praktiske anvendelse. Men undertiden kan det gå hurtigt. Et dramatisk eksempel er opdagelsen af atomkernens spaltningsproces (fissionen), som skete umiddelbart før udbruddet af 2. Verdenskrig. Den opdagelse førte på få år først til militær og derefter til industriel udnyttelse af kerneenergien (se Manhattanprojektet). Et andet eksempel på usædvanlig hurtig omsætning af fysisk grundforskning til et iøjnefaldende praktisk resultat er transistorens fremkomst i kølvandet af den moderne faststoffysik.

Fysikkens samspil med computerteknologien er et kapitel for sig. En moderne computer er en frugt af faststoffysikkens resultater, og omvendt er computere med stor regnekraft i dag blevet uundværlige redskaber for både eksperimentelle og teoretiske fysikere. Gennem store regnearbejder på computeren kan fysikeren detaljeret efterligne fysiske forhold, som ikke kan beskrives tilfredsstillende fra formler i forenklede modeller, og som måske heller ikke kan studeres i detalje gennem forsøg. Det kan være dagligdags — men komplicerede — fænomener som turbulens i strømmende vand, eller det kan være begivenheder i Universet som fx sammenstød mellem to galakser. Man taler om simuleringsfysik, dvs. avanceret, numerisk beregningsfysik, i tillæg til eksperimentel og teoretisk fysik.

Partikler og felter

Intet menneske kan være i tvivl om, at vi lever på Jordens overflade under indflydelse af tyngdekraften, gravitationen. Fysikeren foretrækker at sige, at vi lever i Jordens tyngdefelt, og dermed er der allerede antydet en sammenhæng mellem begreberne kraft og felt. Omkring en partikel med masse er der et tyngdefelt, som i hvert punkt af rummet kan karakteriseres med tal, der angiver tyngdeaccelerationens størrelse og retning. Anbringes en anden partikel med masse et sted i det tyngdefelt, som den første partikel har skabt, vil den blive påvirket af feltet, og virkningen vil være en tiltrækningskraft langs forbindelseslinjen mellem de to massedele. I stedet for en direkte fjernvirkning mellem to partikler med masse udtrykker feltbilledet en nærvirkning mellem en partikel og det felt, der findes på partiklens sted.

Fysik. Det ydre atoms fysik, kernefysikken og elementarpartikelfysikken er som et kinesisk æskesystem med elementarpartikelfysikken som den inderste æske. Figuren skitserer nogle karakteristiske størrelsesforhold og egenskaber ved de tre æsker. Atomets lineære udstrækning er ca. 10-10 m, mens kernens er ca. 10-15 m. Det er mere kompliceret at angive en lineær udstrækning for elementarpartikler, og for de letteste (leptonerne) giver det ingen mening at tale om en udstrækning. Den form, æskerne har på figuren, tjener kun et symbolsk formål og er uden forbindelse med de former og strukturer, der iagttages i fysikkens eksperimenter.

Fysik. Det ydre atoms fysik, kernefysikken og elementarpartikelfysikken er som et kinesisk æskesystem med elementarpartikelfysikken som den inderste æske. Figuren skitserer nogle karakteristiske størrelsesforhold og egenskaber ved de tre æsker. Atomets lineære udstrækning er ca. 10-10 m, mens kernens er ca. 10-15 m. Det er mere kompliceret at angive en lineær udstrækning for elementarpartikler, og for de letteste (leptonerne) giver det ingen mening at tale om en udstrækning. Den form, æskerne har på figuren, tjener kun et symbolsk formål og er uden forbindelse med de former og strukturer, der iagttages i fysikkens eksperimenter.

Den elektriske frastødning mellem to ens ladede partikler, fx to elektroner, beskrives også med et feltbillede: En elektron er en kilde til et elektrisk felt; er elektronen i hvile, er det et statisk elektrisk felt, men bevæger den sig, opstår der desuden et magnetfelt. Vi taler derfor om elektromagnetiske felter. Hvis feltets kilde udfører en svingende bevægelse, får feltet karakter af en elektromagnetisk bølgebevægelse. Synligt lys er et eksempel på en sådan elektromagnetisk bølge.

I kvanteteorien beskrives elektronen og det elektromagnetiske felt i en kvantefeltteori, der har fået navnet kvanteelektrodynamik (QED), hvor såvel partikler som felter er kvantiserede.

Ordet atom er afledt af det græske ord for udeleligt. I dag er vi blevet forsigtige med at kalde en elementarpartikel for udelelig, men meget tyder dog på, at nogle kendte grupper af partikler kan betegnes som elementarpartikler i klassisk forstand. Det gælder antagelig den familie af partikler, der kaldes kvarker, og ligeledes de såkaldte leptoner, der bl.a. omfatter elektronen og neutrinoen.

Symmetrier og bevarelseslove

Begrebet symmetri indgår som en selvfølgelig ting i vores sprog. Vi taler om, at mennesket i dets ydre fremtoning har en (næsten) fuldkommen højre-venstre-symmetri. Også vores opfattelse af skønhed er undertiden knyttet til symmetrier, fx når vi ser på en blomst eller en bygning. Symmetri i fysikken kan være knyttet konkret til fysiske legemer som fx jordkloden, der kan beskrives som en fladtrykt kugle med aksial symmetri, dvs. symmetri om omdrejningsaksen. Fysikeren taler også om symmetrier i de fysiske felter, symmetrier mellem forskellige typer af partikler, symmetrier mellem partikler og antipartikler samt mellem stof og antistof. Mere alment interesserer fysikken sig for dybtliggende symmetrier i naturbeskrivelsen, som de fx kommer til udtryk i de elektromagnetiske feltligninger eller i kvantemekanikkens bølgeligning. Fysikkens symmetribegreb er så alment, at det omfatter alle fænomener, hvis beskrivelse forbliver uændret under en fysisk operation, som fx kan være en parallelforskydning i rummet, en forskydning i tiden, en rotation i rummet, en spejling i en plan eller i et punkt.

Symmetrier er intimt sammenknyttede med såkaldte bevarelsessætninger i fysikken. Udtrykket invarians ('uforanderlighed') optræder derfor hyppigt i forbindelse med en diskussion af symmetrier. Et fysisk system med fx rotationssymmetri siges således at udvise rotationsinvarians. Den størrelse, der er bevaret for dette system, er impulsmomentet, således at forstå, at systemets samlede impulsmoment er konstant, uanset hvilke processer der foregår, når blot systemet ikke påvirkes af ydre kraftmomenter. Invarians over for fx en tidsforskydning svarer til bevarelse af systemets energi.

Naturkonstanter

En matematisk teori indeholder ikke naturgivne elementer, medmindre man vil betegne fx de hele tal som naturgivne. Men selv for abstrakte fysiske teorier gælder det, at deres kvantitative forudsigelser til syvende og sidst beror på nogle fysiske naturkonstanter.

Eksempler på fundamentale naturkonstanter er gravitationskonstanten G, lysets hastighed i det tomme rum (c), den elektriske elementarladning e (størrelsen af elektronens ladning) og Plancks konstant h. Flere af disse naturkonstanter er fastlagt med stor nøjagtighed ved eksperimenter, men der er også naturkonstanter, fx af betydning for kosmologien, hvis størrelse endnu er behæftet med betydelig eksperimentel usikkerhed. Størrelsen af naturkonstanterne har en iøjnefaldende betydning for menneskets dagligliv. Fx kan man ikke umiddelbart iagttage fænomener, der røber relativitetsteoriens indhold. De relativistiske fænomener skjuler sig, fordi dagliglivets hastigheder er så meget mindre end lyshastigheden, der er 299.792 km/s.

Naturkonstanter er universelle og, så vidt vi ved, uforanderlige i rum og tid. Således er det af grundlæggende betydning for vores daglige verden, at elektronens negative ladning har nøjagtig samme størrelse som protonens positive ladning. Det er derfor, at dagligdagens stof udadtil er elektrisk neutralt, selvom alt stof indeholder uhyre mængder positiv og negativ ladning. I hverdagen opfatter vi følgelig tyngdekraften som den dominerende, uanset at den er langt svagere end den elektriske kraft. De elektriske vekselvirkninger er mirakuløst udbalancerede og dermed skjulte for os, når da ikke fx lynet minder os om deres eksistens og styrke.

Teori

Fysikkens teoretiske discipliner kan opdeles i mekanik, termodynamik, elektromagnetisme, statistisk mekanik, kvantemekanik, relativitetsteori og kvantefeltteori. Der er nære forbindelser mellem disse områder. Således kan termodynamikken udledes af den statistiske mekanik, mens den klassiske elektromagnetisme danner udgangspunkt for kvantefeltteorien. Forskellige teoretiske discipliner anvendes ofte på samme fysiske problemstilling. Fx kræver en teoretisk forståelse af metallers elektriske ledningsevne ikke blot brug af elektrodynamik, statistisk mekanik og kvantemekanik, men også anvendelse af metoder, der er inspireret af kvantefeltteorien.

Mekanik

Udgangspunktet for mekanikken er Newtons tre love. Den første er inertiens lov: En partikel, der ikke er påvirket af kræfter, bevæger sig med jævn hastighed. Newtons anden lov knytter accelerationen a af en partikel med masse m til den kraft F, hvormed den påvirkes, ved relationen ma = F, altså masse gange acceleration lig med kraft. Den anden lov danner grundlag for mekanikkens mangfoldige anvendelser, hvad enten det drejer sig om satellitters kredsløb om Jorden eller bilers acceleration. Den tredje lov, der gælder for centrale kræfter, er loven om aktion og reaktion: Den kraft, hvormed én partikel påvirker en anden, er lig med og modsatrettet den kraft, hvormed den anden påvirker den første.

Newtons love gælder ikke blot for en enkelt partikel, men for et vilkårligt stort antal partikler. Hvis antallet af partikler kaldes N, udgøres Newtons 2. lov af 3N differentialligninger af anden orden, idet bevægelsen af hver partikel er beskrevet ved tidsafhængigheden af de tre komponenter af dens position. Når partiklerne gensidigt påvirker hinanden, er differentialligningerne indbyrdes afhængige og kan derfor være vanskelige at løse. Eksakte løsninger kan ikke angives på simpel form, men tilnærmede løsninger kan findes ved numerisk integration på en computer.

Når begyndelsesbetingelserne er angivet, bestemmer ligningerne systemets udvikling i al fremtid. Systemet opfører sig i princippet deterministisk, dvs. dets fremtidige udvikling er bestemt ved begyndelsesbetingelserne. Imidlertid vil det for mange systemer gælde, at deres tidslige udvikling er kaotisk i den forstand, at en meget lille ændring af begyndelsesbetingelserne fører til meget store og voksende ændringer af det senere forløb (se også forudsigelighed).

Det er muligt at generalisere Newtons love, så de ikke blot beskriver bevægelsen af enkelte partikler, men også af kontinuerte medier som faste stoffer eller væsker. Kontinuumsmekanik er en sammenfattende betegnelse for hydrodynamik og elasticitetsteori. Hydrodynamikken beskriver strømningen i væsker, forårsaget dels af mekaniske kræfter, dels af gnidningskræfter.

Termodynamik

Termodynamikken eller varmelæren vedrører de betingelser, under hvilke varme kan omdannes til mekanisk arbejde og omvendt. Dens indhold opsummeres i to hovedsætninger, der kan formuleres som udsagn om, at hverken evighedsmaskiner af 1. eller 2. art kan eksistere. En evighedsmaskine (et perpetuum mobile) af 1. art skaber energi ved at gennemgå en proces, der fører maskinen tilbage til dens udgangsposition — en såkaldt kredsproces — således at maskinen har udført et mekanisk arbejde uden at have modtaget en tilsvarende varmemængde. Ifølge termodynamikkens første hovedsætning er dette umuligt. Sætningen udtrykker således energiens bevarelse. En evighedsmaskine af 2. art omdanner den tilførte varmemængde i en kredsproces fuldstændigt til arbejde. Dette strider ikke mod loven om energiens bevarelse, men alligevel er en sådan proces umulig ifølge termodynamikkens anden hovedsætning. Den anden hovedsætning udtrykker, at entropien af et fysisk system er en funktion af dets tilstand, men uafhængig af den måde, hvorpå tilstanden tænkes frembragt.

Elektromagnetisme

Fysik. De store skridt i fysikkens historie kan knyttes til en række enkeltnavne, hvoraf de mest betydningsfulde er vist på figurens tidslinje. Som det fremgår, har kvantemekanikken en central plads i moderne fysik, uden at den klassiske fysik derfor er blevet et afsluttet kapitel. Den klassiske fysik har endda oplevet en renæssance i slutningen af 1900-t. Som det fremgår, gennemsyrer feltbegrebet al nutidig fysik, kvantemekanik såvel som klassisk fysik.

Fysik. De store skridt i fysikkens historie kan knyttes til en række enkeltnavne, hvoraf de mest betydningsfulde er vist på figurens tidslinje. Som det fremgår, har kvantemekanikken en central plads i moderne fysik, uden at den klassiske fysik derfor er blevet et afsluttet kapitel. Den klassiske fysik har endda oplevet en renæssance i slutningen af 1900-t. Som det fremgår, gennemsyrer feltbegrebet al nutidig fysik, kvantemekanik såvel som klassisk fysik.

Den klassiske elektrodynamiks indhold er opsummeret i fire differentialligninger, Maxwell-ligningerne, der knytter den rumlige og tidslige variation af de elektromagnetiske felter til de ladninger og strømme, der frembringer felterne. Man kan definere det elektriske og magnetiske felt ud fra kraften på en ladet partikel, der bevæger sig med en bestemt hastighed. Et elektrisk felt giver anledning til en kraft, der har samme retning som det elektriske felt, mens kraften hidrørende fra magnetfeltet står vinkelret på både magnetfeltet og partiklens hastighed.

Coulombs lov er et specialtilfælde af den første Maxwell-ligning. Den anden Maxwell-ligning udtrykker, at der ikke findes magnetiske ladninger (monopoler). Den tredje Maxwell-ligning svarer til induktionsloven, ifølge hvilken elektriske felter opstår på grund af et tidsligt varierende magnetfelt. Den fjerde Maxwell-ligning udtrykker, at magnetfelter opstår som følge af tidsligt varierende elektriske felter eller elektriske strømme.

Maxwell-ligningerne danner grundlag for beskrivelsen af alle kendte elektromagnetiske fænomener, herunder udbredelsen af elektromagnetiske bølger. Ifølge Maxwell-ligningerne er radiobølger, mikrobølger, synligt eller ultraviolet lys og røntgenstråling alle elektromagnetiske bølgefænomener, der har samme udbredelseshastighed i det tomme rum, men forskellig bølgelængde og frekvens. Den geometriske optik er indeholdt i elektromagnetismen som et grænsetilfælde.

Med relativitetsteorien blev det klart, at der ikke er nogen principiel forskel på elektricitet og magnetisme. Det, vi kalder et elektrisk felt i ét koordinatsystem, vil iagttages som en kombination af et elektrisk og magnetisk felt i et andet koordinatsystem, der bevæger sig med jævn hastighed i forhold til det første.

Den specielle relativitetsteori

Den specielle relativitetsteori vedrører fysikkens beskrivelse af rum og tid. Som fysisk teori betegner den en udvidelse af Newtons love, der genfindes i det grænsetilfælde, hvor hastighederne er små. En af teoriens konsekvenser er, at samtidighed ikke er et absolut, men et relativt begreb. To begivenheder, der af én iagttager registreres som værende samtidige, vil ikke være samtidige for en anden iagttager, der bevæger sig i forhold til den første. Den dagligdags opfattelse af rum og tid gælder kun ved hastigheder, der er små i forhold til lysets.

Relativitetsprincippet udsiger, at alle naturlove har samme form i forskellige inertialsystemer, dvs. koordinatsystemer, hvori legemer udfører en jævn bevægelse, når de ikke påvirkes af ydre kræfter. De ligninger (som fx Maxwell-ligningerne), der udtrykker sammenhænge mellem forskellige fysiske størrelser, skal altså se ens ud, uanset hvilket inertialsystem der benyttes til at formulere ligningerne. Specielt følger det, at lyshastigheden skal være ens i alle inertialsystemer.

Kvantemekanik

Fysik. Nogle af kvantemekanikkens pionerer samlet til møde i 1930 på Institut for Teoretisk Fysik (Niels Bohr Institutet) i København. Truthorn, legetøjskanon m.m. opstillet på det forreste bord kan muligvis henføres til den utrættelige spøgefugl George Gamow. Auditoriet med de umagelige træbænke er stadig (1996) i brug på instituttet. Første række fra venstre: Oscar Klein, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli, George Gamow, Lev D. Landau, Hans A. Kramers; anden række: Ivar Waller, Piet Hein, Rudolf Peierls, Walter Heitler, Felix Bloch, Tatiana Ehrenfest, Walter Colby, Edward Teller; tredje række: ?, Christian Møller, Mogens Pihl, ?.

Fysik. Nogle af kvantemekanikkens pionerer samlet til møde i 1930 på Institut for Teoretisk Fysik (Niels Bohr Institutet) i København. Truthorn, legetøjskanon m.m. opstillet på det forreste bord kan muligvis henføres til den utrættelige spøgefugl George Gamow. Auditoriet med de umagelige træbænke er stadig (1996) i brug på instituttet. Første række fra venstre: Oscar Klein, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli, George Gamow, Lev D. Landau, Hans A. Kramers; anden række: Ivar Waller, Piet Hein, Rudolf Peierls, Walter Heitler, Felix Bloch, Tatiana Ehrenfest, Walter Colby, Edward Teller; tredje række: ?, Christian Møller, Mogens Pihl, ?.

Mens den newtonske mekanik har rod i hverdagserfaringer, forekommer kvantemekanikkens begrebsverden fjernt fra dagligdagens fysik, ikke mindst fordi den rummer principielle begrænsninger i naturbeskrivelsen, der er fremmede for en klassisk fysisk tankegang.

I modsætning til den klassiske, newtonske mekanik kan man i kvantemekanikken ikke se bort fra vekselvirkningen mellem det målte objekt og måleinstrumentet. Kvantemekanikken indfører et brud på kausalitet i sædvanlig forstand. Vore udsagn om fysiske systemer begrænses dermed til at være sandsynlighedsudsagn. I kvantemekanikken begrænses principielt vores mulighed for samtidig og nøjagtig måling af visse fysiske variable, fx en partikels sted og impuls eller en partikels energi til et bestemt tidspunkt. Ubestemtheden i sådanne samtidige målinger udtrykkes i Heisenbergs ubestemthedsrelationer, der indeholder Plancks konstant h. Kvantemekanikkens forudsigelser er bekræftet af et overvældende antal målinger på de mest forskelligartede fysiske systemer.

Statistisk mekanik

Mekanikkens og kvantemekanikkens love gør det i princippet muligt at løse bevægelsesligningerne for et vilkårligt stort antal partikler ud fra en angivelse af bestemte begyndelsesbetingelser. Men betragter vi et fast stof bestående af 1023 atomer, vil en løsning af bevægelsesligningerne for så mange partikler hverken være praktisk gennemførlig eller ønskelig, når vi søger at forstå stoffernes egenskaber som funktioner af fx tryk, temperatur eller ydre magnetfelter. Dette begrunder brugen af statistiske metoder, hvor man giver afkald på en detaljeret beskrivelse af hvert enkelt atoms bevægelse til fordel for statistiske udsagn, der kan knyttes direkte til målelige fysiske størrelser.

Den statistiske mekanik knytter det termodynamiske entropibegreb til graden af uorden. Jo større entropien er, jo mere uordnet er det pågældende fysiske system. Begrebet entropi blev indført længe før fremkomsten af kvanteteorien. Det er imidlertid først med kvanteteorien og den statistiske mekanik, at entropi har fået en betydning, der gør det muligt at bestemme dens værdi ud fra kendskabet til det forelagte fysiske system.

Temperatur og entropi er statistiske begreber, der kun har mening for et stort antal partikler. Tre eller ti atomer har ingen temperatur. Da antallet N af atomer i fx 1 g kulstof er så stort (ca. 1023), kan systemer med N og N+1 partikler i praksis ikke skelnes fra hinanden. Dette er grundlaget for vor statistiske beskrivelse og for brugen af begreber som temperatur og entropi.

Fysik. Atomernes placering på overfladen af en siliciumkrystal danner ligesom snefnugget et regelmæssigt mønster med sekstalssymmetri. Ved brug af et  scanning tunneling microscope er det muligt direkte at måle de enkelte atomers placering på overfladen. Figuren viser en siliciumkrystal, hvor de lyse pletter er atomerne på overfladen (afstanden mellem to mørke nabopletter er 2,7 nm).

Fysik. Atomernes placering på overfladen af en siliciumkrystal danner ligesom snefnugget et regelmæssigt mønster med sekstalssymmetri. Ved brug af et scanning tunneling microscope er det muligt direkte at måle de enkelte atomers placering på overfladen. Figuren viser en siliciumkrystal, hvor de lyse pletter er atomerne på overfladen (afstanden mellem to mørke nabopletter er 2,7 nm).

Den almene relativitetsteori

Den specielle relativitetsteori vedrører kun bevægelse i inertialsystemer. Den almene relativitetsteori generaliserer relativitetsprincippet til også at omfatte koordinatsystemer, der er accelererede.

Relativitetsprincippet i dets almene form udsiger, at det på ethvert sted i rummet og til ethvert tidspunkt altid er muligt at finde et lokalt inertialsystem, hvori det — inden for et tilstrækkeligt lille område — gælder, at alle naturlove antager samme form som i et ikke-accelereret system uden tyngdekræfter. Lysets afbøjning i et tyngdefelt og det faktum, at ure går langsommere i accelererede systemer, er konsekvenser af den almene relativitetsteori.

Kvantefeltteori

Udsendelse af elektromagnetisk stråling som lys fra et atom sker ifølge kvantemekanikken ved en overgang imellem to atomare tilstande med forskellig energi. Strålingens frekvens er givet ved energiforskellen mellem de to tilstande divideret med Plancks konstant h. Mens den tidlige kvantemekanik var i stand til at beregne sådanne frekvenser med stor nøjagtighed, viste det sig efterhånden vanskeligt at nå til en konsistent beskrivelse af stof og stråling under ét. Vanskeligheden lå i at bestemme sandsynligheden for processer, hvor elektroner vekselvirker med fotoner, dvs. med kvanter af elektromagnetisk stråling. Fx førte de første forsøg på at beregne elektronens magnetiske moment som følge af dens vekselvirkning med fotoner til et svar, der var uendelig stort — og dermed meningsløst. I den kvantefeltteori, der betegnes som kvanteelektrodynamikken (QED), blev problemet med de uendelige størrelser løst, og en slagkraftig metode udviklet til nøjagtig beregning af målelige størrelser.

I kvanteelektrodynamikken beskrives kraften mellem to elektroner i et billede, hvor der udveksles ikke-observerbare fotoner ("virtuelle fotoner") mellem de to elektroner. De virtuelle fotoner er i dette kvantebillede så at sige budbringere mellem de implicerede partikler; de er overbringere af et budskab om en kraftpåvirkning.

I kvantefeltteorierne er grænsen udvisket mellem partikel og felt. Partikler er i feltbilledet ensbetydende med lokale og særlig stærke feltkoncentrationer. Også det tomme rum, vakuum, er koblet til feltet. Feltteoriens vakuum er skuepladsen for spontane kvantefluktuationer som tegn på, at der til stadighed foregår spontan dannelse af par af virtuelle partikler og antipartikler, som næsten øjeblikkeligt tilintetgøres.

Tankegangen med virtuelle kvantepartikler ("kraftpartikler") som budbringere for en kraft er gennemgående i moderne kvantefeltteorier. Naturen synes at have plads til netop fire fundamentale typer af kræfter, eller vekselvirkninger, og til hver type vekselvirkning er der en eller flere særlige budbringer-kvanter, hvoraf nogle er iagttaget eksperimentelt, andre endnu kun postulerede. De fire kræfter er: 1) gravitationskraften, hvis kraftpartikel er gravitonen, der endnu ikke er observeret, 2) den elektromagnetiske vekselvirkning med fotonen som kraftpartikel, 3) den svage vekselvirkning, der bl.a. er ansvarlig for den såkaldte betaradioaktivitet, og hvis kraftpartiklers eksistens er eksperimentelt eftervist, 4) den stærke vekselvirkning, der binder protoner og neutroner sammen i atomkernerne, og hvis kraftpartikler kaldes gluoner. Gluonernes eksistens er ikke direkte eftervist, men indirekte underbygget af talrige eksperimenter.

De store emneområder

Atomfysikken, kernefysikken og elementarpartikelfysikken er som tre kinesiske æsker. Den yderste æske er atomfysikken, der handler om det system af negativt ladede elektroner, som udgør "det ydre atom". Elektronerne er bundet til den lille, massive, positivt ladede kerne, hvor næsten al atomets masse er koncentreret. Bindingskraften er den velkendte elektriske kraft — Coulombkraften. Den mellemste æske er kernefysikken, som handler om egenskaberne ved det tætpakkede system af positivt ladede protoner og neutrale neutroner, der udgør atomkernen. Kernepartiklerne er bundet sammen af en kraft, der er meget mere kompliceret end Coulombkraften. Oprindelsen til denne kernekraft skal søges et lag dybere nede, i elementarpartikelfysikken, der udgør den tredje og inderste æske. Denne gren af fysikken handler om egenskaberne ved de mindste, elementære byggesten i naturen, herunder kvarker, som neutroner og protoner består af. På dette niveau er feltbegrebet af fundamental betydning.

Kvanteteorien er den fælles teoribygning for alle tre emneområder, og der er derfor metodiske fællestræk, som binder dem sammen. Men alligevel springer det i øjnene, at atom-, kerne- og partikelfysik lever hver sit liv med hver sine — nok så forskellige — angrebsvinkler, både teoretisk og eksperimentelt. Forskellene mellem de tre emneområder bunder ikke mindst i det forhold, at den geometriske udstrækning skrumper voldsomt, når man går fra det ydre atom ind til kernen og videre fra kernen til de mest elementære partikler. Kvantefysikken indeholder en fundamental sammenhæng mellem længde og energi: Små længder svarer til store energier. Den forholdsvis udstrakte elektronsky i det ydre atom svarer til kvanteenergier af størrelsesordenen 1-100 eV. Atomets kerne er langt mindre i udstrækning, og de karakteristiske energier er tilsvarende omkring en million gange større, det vil sige 1-10 MeV. Derfor er kernefysikernes instrumenter og problemstillinger nok så forskellige fra dem, man møder hos atomfysikerne. Vil man studere stoffets allermindste dele, skal man bevæge sig op i energiområder svarende til milliarder af elektronvolt (GeV) eller endnu langt højere. Derfor får elementarpartikelfysikkens acceleratorer og detektorer et voldsomt omfang. De acceleratorer, man bruger i eksperimentel partikelfysik til at frembringe de store energier, kan således være mange kilometer i omkreds.

Mange forhold i det ydre atom kan beskrives uden kendskab til kernens egenskaber. Kernen er blot at opfatte som et materielt punkt med en bestemt masse og ladning. Men vil man studere finere detaljer i atomernes spektre, skal man også tage hensyn til kernens endelige udstrækning, til dens form og til nogle enkelte af dens mere detaljerede egenskaber. Ligesom atomets kerne stort set ligger i dvale, set med atomfysikerens øjne, så giver neutronernes og protonernes underliggende kvark-struktur sig kun til kende, når man undersøger atomets kerne i kernereaktioner ved meget høje energier. I den "klassiske" kernefysik ligger kvarkerne i dvale, og kernens elementære byggesten er neutronerne og protonerne, hvis egenskaber — fx de magnetiske — må fastlægges ved forsøg.

Atomfysik

Det ydre atom har en overfladisk lighed med Solsystemet. I begge tilfælde er der et kraftcenter, og i begge tilfælde er bindingskraften velkendt, nemlig henholdsvis Coulombkraften og Newtons tyngdekraft. Og disse to typer kræfter har eksakt samme matematiske form: Kraften er omvendt proportional med kvadratet på afstanden til tiltrækningscentret. Men længere kan parallellen ikke trækkes. Fx er der ingen analogi mellem atomets stationære tilstande og planeternes banebevægelse. Planetbevægelsen i Solsystemet beskrives med Newtons klassiske mekanik, hvorimod atomet kun kan forstås som et kvantesystem, hvis stabilitet og struktur er dybt forankret i kvantemekanikken. Udviklingen af laseren har bidraget til en vidtgående forfining af atomfysiske målemetoder, og i det hele spiller vekselvirkningen mellem atom og foton en central rolle i den moderne atomfysik.

Atomfysikkens data peger udad — mod rummet — i den forstand, at kortlægningen af atomernes spektrallinjer er et af astrofysikkens fundamenter. Stjernerne består af de samme grundstoffer som dem, vi kender her på Jorden, og identifikation og analyse af stjernernes elektromagnetiske spektre kan derfor udgå fra de data, der fastlægges i jordiske laboratorier. Spektrene er som fingeraftryk, og man sammenligner altså stjernernes fingeraftryk med de prototyper på fingeraftryk, som vi kan fastlægge i laboratoriet. Men atomfysikkens resultater peger også indad, mod atomets kerne. Når man måler de fineste detaljer i atomets spektrum, kan man få oplysninger om kernens form og størrelse og om dens elektriske og magnetiske egenskaber.

Kernefysik

Atomkernens struktur er radikalt forskellig fra strukturen af det ydre atom. I kernen er der ikke noget kraftcenter, og den kraft, der binder kernepartiklerne sammen i et tætpakket flerlegemesystem, er yderst kompliceret og ganske forskellig fra Coulombkraften. Stabiliteten af en atomkerne med bestemte antal neutroner og protoner beror på en balance mellem den tiltrækkende kernekraft og den elektriske frastødning mellem de positivt ladede protoner.

Trods forskellen i fysisk struktur mellem det ydre atom og atomkernen er der træk af lighed mellem de to typer fysiske systemer, når det gælder den såkaldte skalstruktur. Atomet udviser betydelig stabilitet ved bestemte antal elektroner, altså for bestemte grundstoffer ("lukkede elektronskaller"). Kernen udviser tilsvarende betydelig stabilitet ved bestemte antal neutroner og/eller bestemte antal protoner. Rækken af disse "magiske tal" er dog ikke ens for atomerne og for kernerne. Tilstedeværelsen af skalstruktur og lukkede skaller i begge systemer skyldes den omstændighed, at såvel elektroner som protoner og neutroner er fermioner, der adlyder det kvantemekaniske udelukkelsesprincip, Pauliprincippet.

Kernefysikken er nøglen til de tungere grundstoffers udviklingshistorie i rummet. Mens de letteste grundstoffers oprindelse kan henføres til Universets tidligste faser, så er opbygningen af grundstoffer med massetal fra 12 og opefter sket i stjernerne ved kernereaktioner, som kendes fra laboratorieforsøg. På grundlag af kernefysiske data er det muligt i store træk at reproducere den målte fordeling af grundstoffer i Solsystemet.

Elementarpartikelfysik

Højenergifysikkens eksperimenter har påvist en mangfoldighed af "subatomare" partikler i laget under kernepartiklerne, men det synes nu at være veldokumenteret, at denne mangfoldighed er opbygget af kun to slags byggesten: kvarkerne og leptonerne. Kvarkerne har en elektrisk ladning, som enten er 2/3 eller -1/3 af den elektriske elementarladning. Kvarkerne bindes sammen af en fundamental vekselvirkning, som kaldes den stærke kraft. Tre kvarker danner en såkaldt baryon — eksempelvis en kernepartikel — mens en kvark og en antikvark danner en såkaldt meson. Enkeltvis har man ikke kunnet påvise kvarken som en fri partikel. Kvarkerne er altid "i fængsel" inde i baryoner og mesoner. For at danne samtlige de baryoner og mesoner, der indtil nu har været påvist i laboratoriet, kræves der seks forskellige typer kvarker i naturen, og eksistensen af disse seks kvarker er påvist ved forsøg. Kvarkerne beskrives i en relativistisk kvantefeltteori, der er analog til QED, og som benævnes kvantekromodynamik (QCD).

Leptonerne er ligeledes seks i antal, og deres ladning er enten -1 (altså lig elektronladningen) eller 0. To af leptonerne er hhv. den velkendte elektron og elektron-neutrinoen, sidstnævnte antagelig med massen 0. Leptonerne påvirkes ikke af den stærke vekselvirkning, men kun af den elektromagnetiske og af den såkaldt svage vekselvirkning; de neutrale neutrinoer påvirkes endda kun af den svage vekselvirkning. De svage og de elektromagnetiske vekselvirkninger beskrives teoretisk sammen i den såkaldte elektrosvage feltteori. Til hver af de ovennævnte 12 kvarker og leptoner svarer en antipartikel. Protonens antipartikel, antiprotonen, består således af antikvarkerne til de tre kvarker, der findes i en proton.

Teoretisk anvender partikelfysik den såkaldte standardmodel. I standardmodellen består verden af kvarker og leptoner, hvis vekselvirkninger beskrives af to parallelle feltteorier, nemlig QCD og den elektrosvage teori. I disse feltteorier overføres kræfterne via nogle særlige "kraftpartikler", som er bosoner. Den elektromagnetiske kraftpartikel er lyskvantet, altså fotonen. Fotonen er masseløs, men flere af de andre kraftpartikler har masse. Eksistensen af kraftpartiklerne i den svage vekselvirkning blev forudsagt teoretisk, inden de blev påvist i forsøg, og da med egenskaber, der svarede smukt til de forudsagte. Dette var en stor triumf for standardmodellen. Kvantemekanisk "fylder" bosoner ikke noget, modsat kvarkerne og leptonerne, der er fermioner. Stof i sædvanlig forstand består derfor af kvarker og leptoner, ikke af kraftpartikler.

Standardmodellen omfatter tre af fysikkens fundamentale vekselvirkninger: den elektromagnetiske, den stærke og den svage. Men standardmodellen er ikke en "teori for alting", fordi den ikke inkluderer den fjerde fundamentale vekselvirkning, gravitationen. Forestillingen om at kunne sammenfatte alle fundamentale naturkræfter i én enkelt teori har foresvævet fysikerne til alle tider. Men endnu er man langt fra at kunne sammenfatte gravitationen med de øvrige tre fundamentale vekselvirkninger i en fælles, relativistisk kvantefeltteori.

De faste stoffers fysik

Et metalstykke indeholder af størrelsesordenen 1023 atomkerner med tilhørende elektroner. Væsker og faste stoffer er altså langt større enheder end et enkelt atom. Alligevel er det også her kvantemekanikken, der er nøglen — uanset at kvanteteoriens udspring er knyttet til fænomener i det enkelte atom. Således giver kvantemekanikken svaret på, hvorfor nogle faste stoffer er metalliske, andre halvledende og atter andre isolerende. Disse egenskaber er imidlertid ikke karakteristiske for det enkelte atom, men kun for samlingen af atomer. Det er kollektive fænomener, der har deres rod i, at de mest energirige atomare elektroner i det faste stof ikke kan siges at tilhøre en bestemt atomkerne, men er "fordelt" mellem samtlige atomkerner — eller rettere mellem samtlige elektrisk ladede ioner i stoffet.

Hvordan kan man gøre sig håb om at se simple mønstre, når det er nødvendigt at tage hensyn til elektronernes vekselvirkning med samtlige ioner og med hinanden? Svaret ligger til dels gemt i de symmetrier, der karakteriserer faste stoffer. Atomerne i en krystal sidder ikke tilfældigt ordnet, men indtager bestemte rumlige pladser. Krystallen er opbygget af identiske celler, og de enkelte cellers rumlige placering udgør et periodisk gitter. Når atomet er anbragt i det regelmæssige krystallinske gitter, vil dets yderste, løst bundne elektroner kunne bevæge sig overalt i krystallen og vekselvirke med samtlige ioner. Disse elektroner bevæger sig med andre ord i et periodisk potential, der er udstrakt over hele krystallen.

Det er en følge af kvantemekanikken, at en elektron i et periodisk potential kan beskrives som en bølge, hvis største udsving (amplitude) varierer regelmæssigt med samme periode som gitterpotentialet. Trods tilstedeværelsen af iongitterets periodiske kraftpåvirkning kan elektronen altså bevæge sig næsten som en fri partikel. Men dette gælder ikke for alle bølgelængder. Hvis bølgelængden netop er det dobbelte af gitterperioden, kan bølgen tilbagespredes, ganske svarende til Bragg-diffraktion for røntgenstråling. Denne refleksion indebærer, at der er et gab i de mulige energier for bevægelsen af en elektron. I almindelighed vil der således optræde endelige energiintervaller, hvori bevægelse er forbudt, afløst af intervaller, hvori bevægelse er tilladt. Man betegner disse som de tilladte energibånd.

Elektronerne er som tidligere nævnt fermioner, for hvilke Pauliprincippet gælder: I en bestemt kvantetilstand kan der højst findes én partikel. I en isolator er de laveste energibånd helt fyldt op med elektroner, mens ingen elektroner befinder sig i de overliggende bånd. I et metal, derimod, er det øverste af de bånd, der indeholder elektroner, kun delvist besat. Det er eksistensen af delvist besatte bånd, der gør faste stoffer til metaller. Der er så at sige plads for elektronerne i det delvist besatte bånd til at lede den elektriske strøm. I en isolator har elektronerne i de helt fyldte bånd ingen mulighed for at lede strømmen. Hvis den termiske energi er sammenlignelig med båndgabet, der er energiforskellen mellem bunden af det nederste tomme bånd og toppen af det øverste befolkede bånd, vil materialet udvise en stærkt temperaturafhængig elektrisk ledningsevne, der går mod nul ved det absolutte temperaturnulpunkt. Man taler da om en halvleder og betegner det nederste tomme bånd som ledningsbåndet.

I et almindeligt metal vil den elektriske modstand afhænge af temperaturen på grund af gitterionernes temperaturbevægelse om deres ligevægtspositioner i det ideale gitter. Middeludsvinget i denne bevægelse vil øges med temperaturen, og elektronernes driftshastighed, der skyldes det påtrykte elektriske felt, vil derfor mindskes på grund af elektronernes sammenstød med de bevægede ioner. Det er grunden til, at den elektriske modstand vokser med voksende temperatur. Atomernes bevægelser i gitteret er indbyrdes sammenkoblede harmoniske svingninger. Vekselvirkningen mellem elektroner og de bevægede gitterioner beskrives som elektroners emission og absorption af fononer — "partikler", hvis antal ikke er bevaret, men som kan opstå og forsvinde på samme måde, som lyskvanter kan opstå og forsvinde ved elektroners overgange mellem atomare energiniveauer. Elektron-fonon-vekselvirkningen er ansvarlig for, at metalelektroner på trods af elektrisk frastødning kan påvirke hinanden med tiltrækkende kræfter. Vekselvirkningen mellem to elektroner beskrives altså ligesom i elementarpartikelfysikken ved en "budbringerpartikel" eller "kraftpartikel", en fonon, der ligesom lyskvantet er en masseløs boson.

Den indbyrdes tiltrækningskraft mellem elektroner i et metal giver anledning til fænomenet superledning: Ved tilstrækkelig lave temperaturer vil mange metaller miste deres elektriske modstand. Elektronerne parres, så det kræver energi at løsrive dem fra hinanden, selv når elektronsystemet som helhed har en driftshastighed og dermed giver anledning til elektrisk strøm. Når dette sker, er det ikke nødvendigt at pålægge en ydre spændingsforskel for at opretholde en elektrisk strøm. Overgangen fra en normalt ledende til en superledende tilstand er et eksempel på en faseovergang: Ved en bestemt temperatur går stoffet over i en ny tilstandsform karakteriseret ved en ordensparameter, hvis størrelse vokser ved afkøling. I den teoretiske analyse af faseovergange har faststoffysikken undertiden overtaget teoretiske metoder fra elementarpartikelfysikken. Omvendt har studiet af faseovergange i faste stoffer øvet indflydelse på fx studiet af kvantekromodynamikkens gittermodeller i elementarpartikelfysikken.

Mange fænomener i faste stoffer har rod i kvantemekanikken, men den klassiske fysik har oplevet en renæssance mod slutningen af 1900-t. i takt med den voksende interesse for nye og mere komplicerede stofgrupper som uordnede eller bløde materialer.

Læs også om de store skridt i fysikken.

Referér til denne tekst ved at skrive:
Ove Nathan: fysik i Den Store Danske, Gyldendal. Hentet 16. december 2018 fra http://denstoredanske.dk/index.php?sideId=81038